OFDM技術(shù)研究及系統(tǒng)仿真

王永偉

【摘要】 正交頻分復(fù)用（OFDM）已成為第四代移動(dòng)通信的核心技術(shù)，是LTE的關(guān)鍵技術(shù)之一。本文首先介紹了OFDM的基本原理和關(guān)鍵技術(shù)。然后，在上述給出的OFDM模型中，通過(guò)仿真分析了OFDM系統(tǒng)在高斯白噪聲和多徑衰落信道的誤碼率分布曲線，結(jié)果表明OFDM系統(tǒng)具有良好的系統(tǒng)性能。

【關(guān)鍵詞】 正交頻分復(fù)用 信道估計(jì) 峰均比 同步 誤碼率

無(wú)線通信業(yè)務(wù)的多媒體化是發(fā)展方向之一，業(yè)務(wù)的多媒體化要求有高速的數(shù)據(jù)傳輸來(lái)支撐，因而寬帶的高速數(shù)據(jù)傳輸是無(wú)線通信必然的發(fā)展趨勢(shì)。為了支持更高的信息傳輸速率和更高的用戶移動(dòng)速度，在下一代的無(wú)線通信中必須采用頻譜效率更高、抗多徑干擾能力更強(qiáng)的新型傳輸技術(shù)。在當(dāng)前能提供高速率傳輸?shù)母鞣N無(wú)線方案中，以正交頻分復(fù)用（OFDM）為代表的多載波調(diào)制技術(shù)是最有前途的方案之一。目前，人們已經(jīng)將OFDM技術(shù)的良好性能與各自的研究領(lǐng)域結(jié)合了起來(lái)，在高速無(wú)線通信領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，已經(jīng)成為4G移動(dòng)通信系統(tǒng)的核心技術(shù)之一。

一、OFDM的基本原理

OFDM是一種無(wú)線環(huán)境下的高速傳輸技術(shù)。無(wú)線信道的頻率響應(yīng)曲線大多是非平坦的，而OFDM技術(shù)的主要思想就是在頻域內(nèi)將給定信道分成許多正交子信道，在每個(gè)子信道上使用一個(gè)子載波進(jìn)行調(diào)制，并且各子載波并行傳輸。這樣，盡管總的信道是非平坦的，具有頻率選擇性，但是每個(gè)子信道是相對(duì)平坦的，在每個(gè)子信道上進(jìn)行的是窄帶傳輸，信號(hào)帶寬小于信道的相應(yīng)帶寬，因此就可以大大消除信號(hào)波形間的干擾。

二、OFDM關(guān)鍵技術(shù)

OFDM系統(tǒng)中包括了諸多的關(guān)鍵技術(shù)，主要有如下幾點(diǎn)。

（l）信道估計(jì)。在無(wú)線通信系統(tǒng)中，解調(diào)主要可以分為相干解調(diào)和差分解調(diào)兩種。與差分解調(diào)相比，相干解調(diào)的實(shí)現(xiàn)要復(fù)雜一些，但是差分解調(diào)的信噪比比相干解調(diào)要低3個(gè)分貝。此外，差分解調(diào)還限制了頻帶利用率，而用相干解調(diào)可以使用多振幅調(diào)制，提高頻帶利用率，這些對(duì)于提高移動(dòng)通信的數(shù)據(jù)傳輸速率是十分必要的，因此，OFDM系統(tǒng)接收一般都采用相干解調(diào)。但它在接收端需要對(duì)信道參數(shù)進(jìn)行估計(jì)。信道估計(jì)器的設(shè)計(jì)主要有兩個(gè)問(wèn)題：一是導(dǎo)頻信息和位置的選擇。由于無(wú)線信道常常是衰落信道，需要不斷對(duì)信道進(jìn)行跟蹤，因此導(dǎo)頻信息也必須周期性地傳送。二是既有較低的復(fù)雜度又有良好的導(dǎo)頻跟蹤能力的信道估計(jì)器的設(shè)計(jì)。在OFDM系統(tǒng)中，信道估計(jì)的方法有很多，主要可分為三類：基于導(dǎo)頻信號(hào)的方法、基于判決反饋的方法和盲估計(jì)方法。

（2）降低峰均功率比。OFDM信號(hào)是由多個(gè)正弦信號(hào)合成的。根據(jù)中心極限定理，當(dāng)子載波數(shù)較大時(shí)，信號(hào)的幅度將趨于高斯分布。因此，OFDM 信號(hào)的一個(gè)主要缺點(diǎn)是峰均功率比（Peak-to-Average Power Ratio，PAPR）較大，高PAPR對(duì)系統(tǒng)高功率放大器（HPA）和A/D變換器的線性度提出了很高的要求。如果在高峰值功率時(shí)出現(xiàn)非線性，就會(huì)產(chǎn)生子載波間的交調(diào)干擾和帶外輻射，從而大大降低了OFDM系統(tǒng)的性能，影響了OFDM技術(shù)的廣泛應(yīng)用。為了解決這一問(wèn)題，人們提出了基于信號(hào)畸變技術(shù)、信號(hào)編碼技術(shù)、選擇映射（SLM）技術(shù)以及部分傳輸序列（PTS）技術(shù)來(lái)減少OFDM系統(tǒng)的PAPR。

（3）時(shí)域和頻域同步。同步是一個(gè)系統(tǒng)的控制核心，對(duì)于任何數(shù)字傳輸技術(shù)都很關(guān)鍵，對(duì)于OFDM系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，尤為重要，因?yàn)镺FDM對(duì)于同步誤差極其敏感，同步的質(zhì)量直接涉及到接收機(jī)的性能。如圖1所示，OFDM系統(tǒng)的同步分為載波同步、符號(hào)同步和樣值同步。其中載波同步又包括載波頻率偏差和載波相位偏差兩個(gè)方面。不同的同步偏差對(duì)于系統(tǒng)會(huì)造成不同程度的影響。目前的同步研究進(jìn)展主要分定時(shí)同步方法和載波同步方法。

三、OFDM系統(tǒng)仿真

3.1 OFDM系統(tǒng)仿真原理

要利用Simulink 實(shí)現(xiàn)OFDM系統(tǒng)的仿真，需建立一個(gè)完整的OFDM系統(tǒng)。首先是要建立系統(tǒng)模型，利用Simulink 進(jìn)行模型構(gòu)建，并進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，然后再對(duì)其進(jìn)行整體仿真。這里我們根據(jù)OFDM系統(tǒng)原理框圖在通信工具箱中找出相應(yīng)的模塊來(lái)連接搭建一個(gè)完整的OFDM系統(tǒng)模型。其仿真參數(shù)如表1所示。

3.2 仿真結(jié)果分析

在多徑衰落信道和加性高斯白噪聲下，通過(guò)改變多徑衰落信道和加性高斯白噪聲信道的信噪比，我們分別得到了未編碼和采用RS編碼后的OFDM系統(tǒng)性能曲線可以看出OFDM系統(tǒng)的抗噪聲干擾和抗多徑干擾的能力。輸入序列是隨機(jī)產(chǎn)生的，每次運(yùn)算的結(jié)果不盡相同，但是其系統(tǒng)的整體變化趨勢(shì)是不變的。而且，在統(tǒng)一信噪比下的誤碼率也是在同一個(gè)數(shù)量級(jí)上。在信號(hào)較差的情況下，無(wú)論是未經(jīng)RS編碼的曲線還是經(jīng)過(guò)了RS編碼的曲線，系統(tǒng)依然都可以獲得很低的誤碼率，這充分說(shuō)明了OFDM系統(tǒng)的優(yōu)越性。當(dāng)信噪比達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，信噪比的微小增加就會(huì)極大地改進(jìn)OFDM系統(tǒng)的性能，如果分組碼的碼長(zhǎng)足夠長(zhǎng)的話，曲線急劇下降處的信噪比只比獲得同樣比特速率的理想信道容量所需的信噪比略大。因此，仿真說(shuō)明OFDM系統(tǒng)在加性高斯白噪聲和多徑衰落信道條件下具有良好的抗干擾能力。

四、結(jié)論

本文主要研究了OFDM的基本原理以及所用到的主要關(guān)鍵技術(shù)，最后利用Simulink構(gòu)建了OFDM系統(tǒng)模型，并在多徑衰落信道和加性高斯白噪聲下對(duì)其進(jìn)行了仿真。通過(guò)對(duì)仿真結(jié)果的分析，確定了OFDM系統(tǒng)在抗噪聲干擾和抗多徑干擾方面都表現(xiàn)出很好的誤碼率性能。OFDM的一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)就是對(duì)抗多徑衰落，因此，其主要應(yīng)用在無(wú)線環(huán)境中。由于該系統(tǒng)良好的特性，已成為4G時(shí)代蜂窩移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線接入技術(shù)。OFDM的應(yīng)用潛力是巨大的，但還有許多問(wèn)題需要解決，只有對(duì)OFDM 進(jìn)行深入的研究，很好的克服OFDM自身的缺陷，才能使OFDM技術(shù)在第四代移動(dòng)通信等諸多領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用。