王慧婷

渤海大學工學院

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基于Matlab的OFDM系統(tǒng)仿真

王慧婷

渤海大學工學院

隨著信息時代的到來，電子通信技術的不斷進步，移動通信已經演變成了4G時代，4G時代中的重要技術就是OFDM。OFDM是正交頻分復用的縮寫，OFDM技術的抗干擾性強，而且頻帶的使用得到了充分的運用，本文主要是基于Matlab的OFDM系統(tǒng)仿真，文中重點介紹了OFDM的基本原理，基本模型，信道參數的選擇，以及仿真的實現(xiàn)，OFDM在現(xiàn)實中信息領域的應用很廣泛，并且具有很大的實用價值與應用價值。

OFDM Matlab 仿真

1　引言

OFDM針對的調制的對象是多載波，頻譜的利用率很高，這里采用了通過多載波進行正交從而實現(xiàn)了在頻帶方面的通過使用效率，同時能夠抵制窄帶所帶來的干擾以及多徑衰落。OFDM作為高速中的一種傳輸的技術，主要的核心思想就是經過串并變換后高速的數據流就會傳送到不同的子信道中，而且信道中的速率也不會太高，因為各個子信道中會增加符合的周期，所以有利于緩解在無線的信道中由于多徑時延從而帶來系統(tǒng)方面的干擾。OFDM的使用適合于抗干擾和高速這兩種要求。

2　OFDM的特點與現(xiàn)狀

隨著移動4G時代的來臨，關于OFDM方面的研究越來越多，研究的成果也越來越豐富，OFDM系統(tǒng)在信道的估計以及在頻偏中的估計方面所存在的難點都得到了研究，并且取得了很大的成就。在現(xiàn)今這個信息技術飛速發(fā)展的背景下，實現(xiàn)性能高的OFDM調制已經成為了一種趨勢。OFDM的優(yōu)點顯著，所以出現(xiàn)了很多OFDM技術的通信標準，這種系統(tǒng)的標準的出現(xiàn)不是偶然，而是在電子信息技術不斷發(fā)展的氛圍下產生的，OFDM經常被用在無線城域網中。而且此外在傳輸視頻以及以廣播為主的音頻中都占有重要的位置。

OFDM的特點主要如下：

1）OFDM一般的應用場合是多徑環(huán)境以及衰落的信道，主要是用來進行高速的傳輸，OFDM可以降低信道之間波形所帶來的干擾；

2）在OFDM中可以引入循環(huán)前綴的方法降低信道間的干擾；

3）應用OFDM技術能夠充分地利用頻譜。

4）可以降低誤碼率，因為OFDM中出現(xiàn)了子載波丟失的情況的話能夠應用交織和編碼的方式來進行恢復。

OFDM作為4G時代中不可或缺的核心，在IEEE802.11ag的標準中都使用了OFDM技術，目的是通過OFDM技術可以實現(xiàn)高速的數據傳輸，OFDM也在物理層方面增強了可靠性，而且在資金投入的成本方面也比較低，同時可以充分利用頻譜，通過將OFDM技術結合MIMO技術可以實現(xiàn)頻譜利用率達到20bits/s/Hz到40bits/s/Hz，這在所有的技術當中是現(xiàn)今唯一一個可以做到的，另一方面在無線的通信中，OFDM的引入可以降低符號間所帶來的干擾，所以以OFDM技術的發(fā)展情況來看，在未來OFDM技術與MIMO的結合是信息技術發(fā)展的一種不可改變的趨勢。隨著通信技術的發(fā)展，人們逐漸提高了關于數據的傳輸速率的要求，所以鑒于OFDM的優(yōu)點與特性，在未來的發(fā)展趨勢下，OFDM將會有更大的作用，而且涉及到的領域會更寬廣。OFDM技術的應用將會越來越廣泛。

3　OFDM 的基本原理

3.1OFDM 的基本原理模型

OFDM就是從串行到并行的一個轉變的過程，轉變成的并行數據流的特點是數據的速率比串行時的速率要低些，然后將產生的子數據流分別用在每個正交的子載波中進行調制，最終輸出的信號就是各個子載波進行疊加后的結果。OFDM的原理模型圖如圖1所示。

圖1　OFDM 系統(tǒng)基本原理模型

OFDM系統(tǒng)中采用的數字調制方式是正交或者采用的是移相鍵控，通常情況下選擇了多進制進行調制，這樣可以更加充分利用頻譜。

當t=ts的時候OFDM符號表達式如下：

3.2OFDM 信號的正交性

OFDM的基本思想就是將數據進行一個從串行到并行的變化過程，這個過程中串行的數據流是高速的，經過了串并之后就生成了速率低的數據流，這個過程中最重要的一步就是實現(xiàn)各個子載波的正交性。從串行到并行這不是難點，真正的難點是涉及到正交性的實現(xiàn)。本文針對正交性的實現(xiàn)進行了研究與分析。其中由多個子載波經過調制后產生的合成信號組成了一個OFDM的符號，而且對于這調制后形成的子載波信號都能夠實現(xiàn)正交的幅度調制以及PSK。

正交的過程中一般情況下OFDM的輸出信號選擇的是復等效的基帶信號，OFDM符合的同相是用輸出信號的實部進行表示的，而OFDM符號的正交變量是用輸出信號的虛部進行表示的。而OFDM信號的產生是通過將OFDM的同相與子載波的余弦值進行相乘獲得，然后再將OFDM的正交分量與子載波的正弦值進行相乘。

3.3添加循環(huán)前綴

由于OFDM可以大大減少多徑時延對系統(tǒng)造成的影響，所以OFDM的應用很廣泛，將輸入數據流經過一個從串行到并行的變換過程，分別將生成的信號傳送到N個彼此之間相互并行的子信道中，從而用來對子載波進行調制的信號的周期會擴大成初始信號周期的N倍。

通常情況下會在OFDM的符號中間加入保護的間隔，目的是為了減少符號之間所帶來的干擾性，但是這個保護的間隔是有約束條件的，就是間隔的長度要比無線信道中的時延擴展的最大值要大，只有如此符號所產生的多徑分量才不會對其他的符號帶來影響，這個保護間隔里面不存在其他的信號，也就是說這里面的時段僅僅只是空置的?？紤]到多徑傳播的因素，所以會造成信道之間的干擾，也就是指子載波的正交性會被破壞。

針對多徑道的解決方案是將循環(huán)的前綴信號加入到保護的間隔中，這樣當保護的間隔值大于時延的時候調制中不會產生信道之間的干擾。原本最初始關于保護間隔中用空的數據，以此來避免信道之間的干擾，但是這樣帶來的后果是信道間的正交性被破壞了，所以Ruiz和Peled就此提出了保護間隔中采用循環(huán)前綴的方式進行填充，所謂的循環(huán)前綴的原理指的就是把從Y個樣值中的尾部取出M個作為數據填充保護間隔，用到的知識是循環(huán)卷積，當信道的沖激響應的長度是小于循環(huán)前綴的長度的時候，信道的正交性就不會被破壞。而符號的周期就是原來的周期加上保護時隙。

3.4OFDM的仿真實現(xiàn)與分析

按照OFDM的原理，進行OFDM的仿真實現(xiàn)，通過基于Matlab的仿真可以對OFDM的實現(xiàn)過程可以更加深入的了解，對于深刻理解OFDM的相關知識是很有必要的，而且同時通過基于Matlab的仿真可以得出仿真中信號的誤碼率。

3.4.1OFDM 的參數選擇

OFDM系統(tǒng)中的參數選擇也是有約束條件的，選擇的限制因素考慮到的是信息的傳輸速率，時延擴展，以及信道中的頻帶寬度等等，而OFDM中的參數主要包括了保護間隔，子載波的數目以及符號的周期等等。下面介紹的就是OFDM中參數的選擇：

1）選擇合適的保護間隔。通常情況下保護的間隔選擇的值取得是時延擴展的2倍到4倍左右。這是來自于OFDM方面的研究經驗總結。

2）子載波的數目要進行確定。子載波的數量的求得可以通過將-3dB的帶寬與子載波的間隔進行除法運算，也可以通過將所要求的比特速率與子信道的速率進行除法運算。

3）符號周期選取。通常在實際的應用中，選擇的符號周期是保護間隔的5倍，這是最小的值，甚至還可以取得更大些。當相關的參數選擇了之后，另外一個需要考慮的因素就是確保采樣的數量值是一個整數，如果不是整數的話，可以通過對這3個參數進行調整，直到符合要求為止。

3.4.2仿真參數設計

仿真參數如表1所示。

表1　仿真參數表

仿真結果如圖2所示，圖2中表示的波形圖分別是發(fā)射端和接收端，從圖形可以看出OFDM系統(tǒng)能夠通過解調恢復到原來的信號，而且誤碼率很低。

圖2　發(fā)射端信號及接收端信號波形

4　結語

正交頻分復用技術是針對多載波進行的調制方式，相對于其他的調制方式而言，其頻帶率高，而且抵抗多徑信道的干擾能力比較強，鑒于這些優(yōu)點，所以在無線的通信技術中應用很廣泛，本文主要是圍繞著基于Matlab對OFDM系統(tǒng)進行了仿真，通過仿真可以進一步了解關于OFDM的基本原理，基本模型，對Matlab的知識也進一步深入了解，通過分析可以知道對OFDM系統(tǒng)的仿真與研究是很有必要的。

［1］ 呂愛琴，田玉敏，朱明華.基于MATLAB的OFDM系統(tǒng)仿真及性能分析［J］.計算機仿真，2005，22（10）：165- 168

［2］ 郭梯云，鄔國揚，李建東.移動通信［M］.西安：西安電子科技大學出版社，2005：77- 80