多载波OFDM系统研究及仿真实现

许添天　卢涵宇　蒙宽鹏

摘要：正交频分复用（OFDM）技术是一种应用于多载波的调制技术，该技术可以降低系统误码率，加快传输信号速率，通信系统的总容量以及频谱利用率得到明显增大。本文选取MATLAB编辑语言程序对OFDM系统的工作进程进行模拟仿真，结果表明：随着信噪比的值不断增大，估计信道频域响应与实际信道之间的均方误差MSE逐渐减小，提高了估计准确度。

关键词：多载波;正交频分复用;仿真;MATLAB

中图分类号： TP208      文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2019）14-0259-03

Abstract： Orthogonal Frequency Division Multiplexing （OFDM） technology is a kind of modulation technology applied to multi-carrier. It can reduce the bit error rate of the system， speed up the transmission signal rate， and increase the total capacity and spectrum utilization of the communication system. This paper chooses the MATLAB editing language program to simulate the working process of OFDM system. The results show that with the increasing of the signal-to-noise ratio， the MSE between the estimated channel frequency response and the actual channel gradually decreases and the estimation accuracy is improved.

Key words： Multicarrier; OFDM; Simulation; MATLAB.

随计算机和通信技术快速发展，巨大的信息需求量是人们的迫切需要，解决这个需求就需要不断提升实际通信的效率，这就促使了4G和5G通信的迅猛发展。

而在21世纪国际通信发展中，OFDM调制技术被普遍看好，该技术可以降低系统误码率，加快传输信号速率，通信系统的总容量以及频谱利用率得到明显增大。而在我们中国，现今4G应用普及，5G的到来更加迫需要OFDM技术来作为高速传输数据的基础。它能够增加总的系统容量，需要特别的信道均衡，更好地利用有限的频谱资源和有效的抵抗由于多径干扰所带来的影响。在第五代移动通信的应用和推广中OFDM技术不可或缺，所以研究多载波OFDM系统的仿真与实现意义重大。

本设计针对OFDM系统设计出MATLAB程序代码，通过模拟实验数据分析OFDM系统的各方面性能，随着信噪比的值不断增大，估计信道频域响应与实际信道之间的均方误差MSE逐渐减小，提高了估计准确度。

1 OFDM基本原理

在利用MCM技术的基础之上利用函数正交性在可用频谱内把一个信道划分成许多个带有正交性的子束波信道，使得每个子束波能够分别调制每个子信道，最后并行输出，在无线通讯领域中将这样的技术称之为正交频分复用技术，简称OFDM，OFDM系统原理的框图如图1所示。

从图1系统原理基本框图可知，发射机OFDM系统的主要工作其实就是通过输入高速的数据流并经过串并转换来获得较低速率的子信道数据，然后相应的正交子载波被对应调制并输出给接收端，而在接收端那边，就利用各个子载波分别混频处理与积分处理最终获得每一路的传输数据，并且通过串并变换处理获得初始信号的数据信号。

2 OFDM的关键技术

2.1同步技术

在数字传输系统中同步技术占据的地位尤为关键，尤其是在OFDM系统里面。时域的偏移一般在其系统中不会损坏系统结构，就算是产生相位偏差也能够采用信道估计技术来纠错，所以主要考虑频率的偏移。信号的传送是多路径同时传输的，各子载波之间相隔比较近，频率的要求同步能够避免在接收端各子载波信号之间的相互影响，可以在接收机接收信号之前使用介入保护间隔，或者以OFDM符号本身的特征以及通过专门的训练序列来执行这些步骤以达到同步。

2.2 信道估计

对子载波传输信道进行信道估计能够提高无限数据传输的接收性能，如果想要尽量消除由于信道间干扰（ICI）所带来的影响，就必须在介入保护间隔时适当考虑循环前缀序列的波形长度，但是在扩展循环前缀的长度时过长的长度必然又会导致不必要的系统能量损失，进而导致OFDM系统的传输效率变低的结果。信道估计具有非凡的意义，通过采用信道估計的办法能够获取到时域或者频域内的信道冲击响应，提供信道信息来保证接收机对初始信号的正确理解，以至于能够减少乃至消除由于多径传输衰落所带来的影响。相比较差分解调来说，介入信道估计的数据符号辅助相干解调能够使信噪比带来2.5～3dB的增益。而且，在空时码解码和最大比分集合并中所需要的信息可以使用信道估计技术来获得。

2.3 峰值功率比

峰均功率比PARP能够强有力的抵抗符号间干扰和多径衰落，在OFDM中如果接收机上的集成信号都是以一个最大峰值叠加时，PARP的值变高又会致使总的系统效率变低成本增加;其数学表达式如下：

目前普遍认可的解决方案大致有信号畸变、编码和信号扰码技术三项。

最直接降低PARP的技术就是信号预畸变，通过限幅滤波和压缩扩展变换等方法将信号进行非线性处理之后再传送给放大器，这样一来在接收端就不会出现最大峰值叠加的情况，进而降低PARP。

编码技术在子载波数量较多的条件下其工作效率并不高，频域被高度划分，致使信道频带变窄，能够利用的编码图样太少，难以达到目的。所以一般考虑在子载波数量较低时使用。

信号扰码技术主要是减少较高PARP出现的概率。当子载波数量与星座调制的种类不受规定时，一般采用选择性映射（Selective Mapping， SLM）和部分传输序列法（Partial Transmit Sequences ，PTS）两种措施。但是都需要在传输信号中介入辅助信息序列，致使频域资源匮乏，对硬件要求也有所提高。

2.4 信道编织和交织

通过运用信道编织技术可以解决信道中由于衰落而产生的随机错误问题，进而改善无限移动通信系统的性能;而运用信道交织技术则可以决绝信道中由于衰落而产生的突发错误，在接收端通过解交织把图发错误转换成随机错误，再由信道译码纠正以降低误码率。进而提升数字通信系统的工作性能。

2.5均衡

多路径并行传输是OFDM的特点，而在OFDM信道中时域必然弥散，添加保护间隔的技术使得循环前缀序列较长，进而对系统造成一定的影响。此时在OFDM系统中介入均衡器的方法能够在缩短在介入保护间隔时循环前缀的长度，进而避免系统能量的不必要浪费，虽说均衡器的介入增大了系统的复杂度，但是这样一来系统的效率却能得到一定的提升。所以说均衡技术还是很关键的。

3仿真测试和实现

3.1 仿真流程

本次仿真主要流程：首先产生随机整数序列→串并变换→QPSK调制→IFFT→插入保护间隔→加入高斯白噪声→移除保护间隔→FFT→QPSK→并串变换→判决结果输出。 OFDM系统的MATLAB仿真流程如图2所以。

3.2 仿真结果分析

本次采用LS算法进行信道估计仿真输出结果如图3所示。

此次模拟仿真过程采用LS算法进行信道估计，从图3可以直观地看出，随着信噪比的值不断增大，估计信道频域响应与实际信道之间的均方误差MSE逐渐减小，即估计准确度得到提高。

从图4可知，在OFDM通信系统中，误码率BER的值在信噪比SNR不断提高时会不断下降，此时相同信号功率情况下，噪声功率越小，此时进行信号检测时受到噪声的影响也将减小，另一方面信道估计此时也将变得越准确，从而可以降低传输数据时系统的误码率。

观察图 5接收端星座图可知：由于接收端数据符号受到噪声干扰，且信道需进行估计得到，此时在星座图上将会以原始星座点为中心向周边扩散，且噪声越大时，扩散范围越大越杂乱。

4 结论

本文选取MATLAB编辑语言程序对OFDM系统的工作进程进行模拟仿真，OFDM通过采用多进制、多载频、并行传输的方法，使得传输信号的持续时间变长，进而提高抗多径传输能力;采用添加保护间隔，信道估计等技术来解决符号间干扰和信道间干扰，一步步地将信号传输系统的效率增强，提高了估计准确度。

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【通联编辑：光文玲】