摘 要:為有效提高短波通信系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率，可采用正交頻分復(fù)用(OFDM)技術(shù)。OFDM是一種特殊的多載波數(shù)字調(diào)制方案，各子載波之間的正交性使得頻譜可重疊從而提高了頻帶的利用率，同時能有效對抗頻率選擇性衰落或窄帶干擾。采用Simulink建模對窄帶OFDM系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)并仿真，仿真結(jié)果表明，在3 kHz的帶寬內(nèi)，短波通信系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率能夠達(dá)到12 800 b/s，而且具有良好的誤碼性能。

關(guān)鍵詞:窄帶OFDM; Simulink; 短波通信; 多載波調(diào)制

中圖分類號:TN91 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)13-0014-03

Narrow-band OFDM System Design and Simulation Based on Simulink

TAO Yu-zhu，HU Jian-wang，CUI Pei-zhang

(Department of Optics and Electronic Engineering， Ordnance Engineering College， Shijiazhuang 050003， China)

Abstract: The OFDM technology can be used to improve the data transmission rate of shortwave communication systems efficiently. OFDM is a special multi-carrier digital modulation scheme， in which the frequency spectra can be overlapped by the orthogonality among all the subcarriers， therefore， the availability of frequency band can be improved and the declination of the frequency selectivity or the interference from the narrow band can be withstanded. The narrow-band OFDM system was designed and simulated with the modeling by Simulink. The simulated results indicate that within 3 kHz bandwidth the data transport rate of the shortwave communication system can be increased to 12 800 bps.

Keywords: narrow-band OFDM; Simulink; shortwave communication; MCM

0 引 言

隨著現(xiàn)代戰(zhàn)爭信息化程度的進(jìn)一步提高，戰(zhàn)場作戰(zhàn)形式也有了很大的變化。如何更加有效、實(shí)時地傳輸各種戰(zhàn)場信息，已經(jīng)成為能否贏得信息化條件下高技術(shù)戰(zhàn)爭的關(guān)鍵因素。短波通信作為目前遠(yuǎn)距離通信的主要手段之一，在通信的頑存性、機(jī)動性和靈活性等方面，具有無可比擬的優(yōu)勢。因此，短波通信已經(jīng)成為軍事部門遠(yuǎn)距離通信和指揮的重要工具。但是短波信道存在嚴(yán)重的多徑衰落現(xiàn)象，帶寬也相對較窄，采用傳統(tǒng)的調(diào)制解調(diào)體制，頻帶得不到有效利用，從而限制了數(shù)據(jù)傳輸速率的提高。

OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交頻分復(fù)用技術(shù))是一種特殊的多載波傳輸技術(shù)，它的各子載波之間保持相互正交，子信道的頻譜互相重疊，可以最大限度地利用頻譜資源。同時它把高速數(shù)據(jù)通過串并轉(zhuǎn)換，使得每個子載波上的數(shù)據(jù)符號持續(xù)長度相對增加，降低了子信道的信息速率，將頻率選擇性衰落信道轉(zhuǎn)換為平衰落信道，從而具有良好的抗噪聲、抗多徑干擾的能力，適于在頻率選擇性衰落信道中進(jìn)行高速數(shù)據(jù)傳輸[1]。因此有效地解決了短波通信中存在的問題，應(yīng)用前景十分廣泛。

1 OFDM的基本原理[2-3]

OFDM是多載波調(diào)制(MCM)技術(shù)的一種。MCM的基本思想是把數(shù)據(jù)流串并變換為N路速率較低的子數(shù)據(jù)流，用它們分別調(diào)制N路的子載波后再并行傳輸。因子數(shù)據(jù)流的速率是原來的1/N，即符號周期擴(kuò)大為原來的N倍，遠(yuǎn)大于信道的最大延遲擴(kuò)展，這樣MCM就把一個寬帶頻率選擇性的信道劃分為了N個窄帶平坦衰落信道，從而具有較強(qiáng)的抗多徑衰落和抗脈沖干擾的能力，特別適合于高速無線數(shù)據(jù)的傳輸。OFDM是一種子載波相互混疊的MCM，因此它除了具有上述MCM的優(yōu)勢外，還具有更高的頻譜利用率。OFDM選擇時域相互正交的子載波，它們雖然在頻域相互正交混疊，卻仍能在接收端被分離出來。OFDM的系統(tǒng)框圖如圖1所示。

OFDM符號可以表示為:



s(t)=∑N-1i=0diexp[ j2πfi(t-ts)] ，

ts≤t≤ts+T

(1)

式中:N表示子載波的個數(shù);T表示OFDM符號的持續(xù)時間;di是分配給每個子信道的數(shù)據(jù)符號;fi是第i個子載波的載波頻率;t≤T/2是矩形函數(shù)。若此時令ts=0，對信號s(t)以T/N的速率進(jìn)行抽樣，則得到式(2):

sk=s(kT/N)=∑N-1i=0diexp(j2πik/N)，0≤k≤N-1

(2)

圖1 OFDM系統(tǒng)框圖

可以看到，sk等效為對di進(jìn)行IDFT運(yùn)算。同樣，在接收端，為了恢復(fù)出原始的數(shù)據(jù)信號di，可以對sk進(jìn)行逆變換DFT得到:

di=∑N-1k=0skexp(-j2πik/N)， 0≤i≤N-1

(3)

根據(jù)以上分析可以看到，OFDM系統(tǒng)的調(diào)制和解調(diào)可以分別由IDFT和DFT來代替。在實(shí)際應(yīng)用中，可以采用更加方便快捷的IFFT/FFT來降低系統(tǒng)的復(fù)雜度。

2 OFDM系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

OFDM系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)框圖如圖2所示[4]。

圖2 OFDM系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)框圖

要傳送的數(shù)據(jù)先被轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制序列，然后進(jìn)入RS編碼模塊進(jìn)行糾錯編碼。它是一種性能優(yōu)良的線性分組碼，在同樣編碼冗余度下，RS碼具有最強(qiáng)的糾錯能力[5]。編碼后的數(shù)據(jù)由數(shù)字調(diào)制模塊完成編碼映射形成復(fù)數(shù)序列，提供幅度和相位信息。這時插入一個串并變換器，將高速串行的比特流轉(zhuǎn)換成若干路低速數(shù)據(jù)流，映射到OFDM符號的不同子載波上進(jìn)行傳輸，這樣增加了單個碼字的持續(xù)時間，從而降低了ISI干擾。插入導(dǎo)頻是為了解決同步問題而提出的。對于OFDM系統(tǒng)來說，頻率偏移會破壞子載波間的正交性，產(chǎn)生信道間干擾，影響系統(tǒng)性能。因此，同步是OFDM系統(tǒng)中非常重要的技術(shù)，同步性能的好壞直接關(guān)系到OFDM技術(shù)能否廣泛應(yīng)用于無線通信領(lǐng)域。隨后該OFDM碼被送到快速傅里葉逆變換模塊，進(jìn)行IFFT變換。IFFT變換是把頻域的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為時域的數(shù)據(jù)。在計(jì)算出快速傅里葉逆變換樣值之后，一個循環(huán)前綴被添加到樣值之前，形成一個循環(huán)拓展的OFDM信息碼字。循環(huán)拓展信息碼的樣值再經(jīng)過一個并串轉(zhuǎn)換器模塊，然后按照串行的方式通過信道。這里用瑞利衰落信道和加性高斯白噪聲信道來模擬短波信道的特性。接收器端按照相反的過程即可將原始信號恢復(fù)。這里需要注意一個問題，就是為了克服無線信道對OFDM系統(tǒng)的影響，接收端必須根據(jù)發(fā)送端的導(dǎo)頻信息進(jìn)行信道估計(jì)[6-7]，獲得所有子載波上的參考相位和幅值，從而正確恢復(fù)出原始數(shù)據(jù)。

3 OFDM系統(tǒng)的仿真實(shí)現(xiàn)

在完成OFDM 系統(tǒng)的仿真之前，首先需要確定以下參數(shù):符號周期、保護(hù)間隔以及子載波數(shù)量。這些參數(shù)的選擇取決于給定信道的帶寬、時延擴(kuò)展以及所要求的信息傳輸速率。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，一般選擇保護(hù)間隔的時間長度為時延擴(kuò)展的2~4倍。考慮到保護(hù)間隔所帶來的信息傳輸效率的損失和系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度以及系統(tǒng)的峰均平均功率比等因素，在實(shí)際系統(tǒng)中，一般選擇符號周期長度至少是保護(hù)間隔長度的5倍。這樣由于插入保護(hù)比特所造成的信噪比損耗只有l(wèi) dB左右[8]。子載波的數(shù)量可以直接利用-3 dB 帶寬除以子載波間隔(即去掉保護(hù)間隔之后的符號周期的倒數(shù))得到，也可以利用所要求的比特速率除以每個子信道的比特速率來確定子載波的數(shù)量。每個子信道中傳輸?shù)谋忍厮俾视烧{(diào)制類型、編碼速率以及符號速率來確定。在選定了以上參數(shù)之后，還要保證在 FFT/IFFT 運(yùn)算時間內(nèi)和符號間隔內(nèi)的采樣數(shù)量必須為整數(shù)，如不能滿足要求，可適當(dāng)改變以上參數(shù)，以滿足采樣數(shù)量為整數(shù)的要求。

為了在3 kHz的信道帶寬內(nèi)實(shí)現(xiàn)12 800 b/s的數(shù)據(jù)傳輸速率，同時保證良好的誤碼率性能，OFDM系統(tǒng)的仿真參數(shù)設(shè)置如表1所示。

選定了OFDM系統(tǒng)的參數(shù)之后，即可在Simulink環(huán)境下，利用通信工具箱和信號處理工具箱里的給定模塊建立系統(tǒng)的仿真模型了。該模型的具體實(shí)現(xiàn)如圖3所示。

表1 OFDM系統(tǒng)的仿真參數(shù)設(shè)置

參數(shù)名稱參數(shù)設(shè)置

時延擴(kuò)展1.1 ms

保護(hù)間隔(循環(huán)前綴)4.4 ms

符號周期22 ms

IFFT/FFT長度64

子載波間隔56.82 Hz

子載波數(shù)量60

信道編碼方式RS(15，11)

信號調(diào)制映射方式256QAM

4 仿真結(jié)果分析

運(yùn)行OFDM系統(tǒng)的Simulink仿真模型。觀察二進(jìn)制數(shù)字碼元在發(fā)送前、經(jīng)過信道后以及接收后的星座情況，如圖4所示。

由圖4可以看出，短波信道對信號產(chǎn)生的干擾非常嚴(yán)重，而通過接收到的數(shù)據(jù)星座可以發(fā)現(xiàn)，OFDM系統(tǒng)確實(shí)可以有效抵抗短波信道帶來的頻率選擇性衰落等干擾的影響，從而可以很好地恢復(fù)原始數(shù)據(jù)。

圖3 OFDM系統(tǒng)仿真實(shí)現(xiàn)框圖

圖4 數(shù)據(jù)傳輸?shù)男亲成鋱D

下面就該系統(tǒng)在不同的信噪比以及有無經(jīng)過RS編碼的情況進(jìn)行仿真，如圖5所示。

圖5 OFDM系統(tǒng)誤碼率性能分析

由圖5可以看出，RS編解碼模塊對系統(tǒng)的誤碼性能有很大改善作用，經(jīng)過RS編譯碼后的系統(tǒng)可以在信噪比達(dá)到8 dB以上時，將誤碼率控制在10-5以下，有良好的可靠性，能夠滿足實(shí)際應(yīng)用的要求。

5 結(jié) 語

OFDM技術(shù)以其良好的性能和獨(dú)特的優(yōu)勢，已經(jīng)在數(shù)字音頻廣播(DAB)等寬帶無線通信領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，但在窄帶短波通信領(lǐng)域的實(shí)用化水平還不高。因此，如將OFDM技術(shù)應(yīng)用到短波通信系統(tǒng)，充分發(fā)揮其抗多經(jīng)干擾能力強(qiáng)、頻譜利用效率高的優(yōu)勢，尤其是將其引入到軍用短波電臺的技術(shù)改進(jìn)體制當(dāng)中來，對提高我軍裝備的信息化水平以及遠(yuǎn)距離高效輸出作戰(zhàn)能力，都將具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。

本文通過Simulink建模，實(shí)現(xiàn)了窄帶OFDM系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真，在3 kHz的頻帶內(nèi)，使系統(tǒng)的可靠數(shù)據(jù)傳輸速率達(dá)到了12 800 b/s，有效提高了短波通信系統(tǒng)的性能。但在具體設(shè)計(jì)當(dāng)中，還有一些更復(fù)雜的問題需要解決，尤其是同步問題[9]和對高峰均功率比[10](PAPR)的抑制，尋找更好的同步方式和抑制高PAPR的高效算法將是下一步重點(diǎn)研究的內(nèi)容。

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