許添天　盧涵宇　蒙寬鵬

摘要：正交頻分復(fù)用（OFDM）技術(shù)是一種應(yīng)用于多載波的調(diào)制技術(shù)，該技術(shù)可以降低系統(tǒng)誤碼率，加快傳輸信號(hào)速率，通信系統(tǒng)的總?cè)萘恳约邦l譜利用率得到明顯增大。本文選取MATLAB編輯語言程序?qū)FDM系統(tǒng)的工作進(jìn)程進(jìn)行模擬仿真，結(jié)果表明：隨著信噪比的值不斷增大，估計(jì)信道頻域響應(yīng)與實(shí)際信道之間的均方誤差MSE逐漸減小，提高了估計(jì)準(zhǔn)確度。

關(guān)鍵詞：多載波;正交頻分復(fù)用;仿真;MATLAB

中圖分類號(hào)： TP208 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：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.

隨計(jì)算機(jī)和通信技術(shù)快速發(fā)展，巨大的信息需求量是人們的迫切需要，解決這個(gè)需求就需要不斷提升實(shí)際通信的效率，這就促使了4G和5G通信的迅猛發(fā)展。

而在21世紀(jì)國(guó)際通信發(fā)展中，OFDM調(diào)制技術(shù)被普遍看好，該技術(shù)可以降低系統(tǒng)誤碼率，加快傳輸信號(hào)速率，通信系統(tǒng)的總?cè)萘恳约邦l譜利用率得到明顯增大。而在我們中國(guó)，現(xiàn)今4G應(yīng)用普及，5G的到來更加迫需要OFDM技術(shù)來作為高速傳輸數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)。它能夠增加總的系統(tǒng)容量，需要特別的信道均衡，更好地利用有限的頻譜資源和有效的抵抗由于多徑干擾所帶來的影響。在第五代移動(dòng)通信的應(yīng)用和推廣中OFDM技術(shù)不可或缺，所以研究多載波OFDM系統(tǒng)的仿真與實(shí)現(xiàn)意義重大。

本設(shè)計(jì)針對(duì)OFDM系統(tǒng)設(shè)計(jì)出MATLAB程序代碼，通過模擬實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析OFDM系統(tǒng)的各方面性能，隨著信噪比的值不斷增大，估計(jì)信道頻域響應(yīng)與實(shí)際信道之間的均方誤差MSE逐漸減小，提高了估計(jì)準(zhǔn)確度。

1 OFDM基本原理

在利用MCM技術(shù)的基礎(chǔ)之上利用函數(shù)正交性在可用頻譜內(nèi)把一個(gè)信道劃分成許多個(gè)帶有正交性的子束波信道，使得每個(gè)子束波能夠分別調(diào)制每個(gè)子信道，最后并行輸出，在無線通訊領(lǐng)域中將這樣的技術(shù)稱之為正交頻分復(fù)用技術(shù)，簡(jiǎn)稱OFDM，OFDM系統(tǒng)原理的框圖如圖1所示。

從圖1系統(tǒng)原理基本框圖可知，發(fā)射機(jī)OFDM系統(tǒng)的主要工作其實(shí)就是通過輸入高速的數(shù)據(jù)流并經(jīng)過串并轉(zhuǎn)換來獲得較低速率的子信道數(shù)據(jù)，然后相應(yīng)的正交子載波被對(duì)應(yīng)調(diào)制并輸出給接收端，而在接收端那邊，就利用各個(gè)子載波分別混頻處理與積分處理最終獲得每一路的傳輸數(shù)據(jù)，并且通過串并變換處理獲得初始信號(hào)的數(shù)據(jù)信號(hào)。

2 OFDM的關(guān)鍵技術(shù)

2.1同步技術(shù)

在數(shù)字傳輸系統(tǒng)中同步技術(shù)占據(jù)的地位尤為關(guān)鍵，尤其是在OFDM系統(tǒng)里面。時(shí)域的偏移一般在其系統(tǒng)中不會(huì)損壞系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，就算是產(chǎn)生相位偏差也能夠采用信道估計(jì)技術(shù)來糾錯(cuò)，所以主要考慮頻率的偏移。信號(hào)的傳送是多路徑同時(shí)傳輸?shù)模髯虞d波之間相隔比較近，頻率的要求同步能夠避免在接收端各子載波信號(hào)之間的相互影響，可以在接收機(jī)接收信號(hào)之前使用介入保護(hù)間隔，或者以O(shè)FDM符號(hào)本身的特征以及通過專門的訓(xùn)練序列來執(zhí)行這些步驟以達(dá)到同步。

2.2 信道估計(jì)

對(duì)子載波傳輸信道進(jìn)行信道估計(jì)能夠提高無限數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕邮招阅埽绻胍M量消除由于信道間干擾（ICI）所帶來的影響，就必須在介入保護(hù)間隔時(shí)適當(dāng)考慮循環(huán)前綴序列的波形長(zhǎng)度，但是在擴(kuò)展循環(huán)前綴的長(zhǎng)度時(shí)過長(zhǎng)的長(zhǎng)度必然又會(huì)導(dǎo)致不必要的系統(tǒng)能量損失，進(jìn)而導(dǎo)致OFDM系統(tǒng)的傳輸效率變低的結(jié)果。信道估計(jì)具有非凡的意義，通過采用信道估計(jì)的辦法能夠獲取到時(shí)域或者頻域內(nèi)的信道沖擊響應(yīng)，提供信道信息來保證接收機(jī)對(duì)初始信號(hào)的正確理解，以至于能夠減少乃至消除由于多徑傳輸衰落所帶來的影響。相比較差分解調(diào)來說，介入信道估計(jì)的數(shù)據(jù)符號(hào)輔助相干解調(diào)能夠使信噪比帶來2.5～3dB的增益。而且，在空時(shí)碼解碼和最大比分集合并中所需要的信息可以使用信道估計(jì)技術(shù)來獲得。

2.3 峰值功率比

峰均功率比PARP能夠強(qiáng)有力的抵抗符號(hào)間干擾和多徑衰落，在OFDM中如果接收機(jī)上的集成信號(hào)都是以一個(gè)最大峰值疊加時(shí)，PARP的值變高又會(huì)致使總的系統(tǒng)效率變低成本增加;其數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

目前普遍認(rèn)可的解決方案大致有信號(hào)畸變、編碼和信號(hào)擾碼技術(shù)三項(xiàng)。

最直接降低PARP的技術(shù)就是信號(hào)預(yù)畸變，通過限幅濾波和壓縮擴(kuò)展變換等方法將信號(hào)進(jìn)行非線性處理之后再傳送給放大器，這樣一來在接收端就不會(huì)出現(xiàn)最大峰值疊加的情況，進(jìn)而降低PARP。

編碼技術(shù)在子載波數(shù)量較多的條件下其工作效率并不高，頻域被高度劃分，致使信道頻帶變窄，能夠利用的編碼圖樣太少，難以達(dá)到目的。所以一般考慮在子載波數(shù)量較低時(shí)使用。

信號(hào)擾碼技術(shù)主要是減少較高PARP出現(xiàn)的概率。當(dāng)子載波數(shù)量與星座調(diào)制的種類不受規(guī)定時(shí)，一般采用選擇性映射（Selective Mapping， SLM）和部分傳輸序列法（Partial Transmit Sequences ，PTS）兩種措施。但是都需要在傳輸信號(hào)中介入輔助信息序列，致使頻域資源匱乏，對(duì)硬件要求也有所提高。

2.4 信道編織和交織

通過運(yùn)用信道編織技術(shù)可以解決信道中由于衰落而產(chǎn)生的隨機(jī)錯(cuò)誤問題，進(jìn)而改善無限移動(dòng)通信系統(tǒng)的性能;而運(yùn)用信道交織技術(shù)則可以決絕信道中由于衰落而產(chǎn)生的突發(fā)錯(cuò)誤，在接收端通過解交織把圖發(fā)錯(cuò)誤轉(zhuǎn)換成隨機(jī)錯(cuò)誤，再由信道譯碼糾正以降低誤碼率。進(jìn)而提升數(shù)字通信系統(tǒng)的工作性能。

2.5均衡

多路徑并行傳輸是OFDM的特點(diǎn)，而在OFDM信道中時(shí)域必然彌散，添加保護(hù)間隔的技術(shù)使得循環(huán)前綴序列較長(zhǎng)，進(jìn)而對(duì)系統(tǒng)造成一定的影響。此時(shí)在OFDM系統(tǒng)中介入均衡器的方法能夠在縮短在介入保護(hù)間隔時(shí)循環(huán)前綴的長(zhǎng)度，進(jìn)而避免系統(tǒng)能量的不必要浪費(fèi)，雖說均衡器的介入增大了系統(tǒng)的復(fù)雜度，但是這樣一來系統(tǒng)的效率卻能得到一定的提升。所以說均衡技術(shù)還是很關(guān)鍵的。

3仿真測(cè)試和實(shí)現(xiàn)

3.1 仿真流程

本次仿真主要流程：首先產(chǎn)生隨機(jī)整數(shù)序列→串并變換→QPSK調(diào)制→IFFT→插入保護(hù)間隔→加入高斯白噪聲→移除保護(hù)間隔→FFT→QPSK→并串變換→判決結(jié)果輸出。 OFDM系統(tǒng)的MATLAB仿真流程如圖2所以。

3.2 仿真結(jié)果分析

本次采用LS算法進(jìn)行信道估計(jì)仿真輸出結(jié)果如圖3所示。

此次模擬仿真過程采用LS算法進(jìn)行信道估計(jì)，從圖3可以直觀地看出，隨著信噪比的值不斷增大，估計(jì)信道頻域響應(yīng)與實(shí)際信道之間的均方誤差MSE逐漸減小，即估計(jì)準(zhǔn)確度得到提高。

從圖4可知，在OFDM通信系統(tǒng)中，誤碼率BER的值在信噪比SNR不斷提高時(shí)會(huì)不斷下降，此時(shí)相同信號(hào)功率情況下，噪聲功率越小，此時(shí)進(jìn)行信號(hào)檢測(cè)時(shí)受到噪聲的影響也將減小，另一方面信道估計(jì)此時(shí)也將變得越準(zhǔn)確，從而可以降低傳輸數(shù)據(jù)時(shí)系統(tǒng)的誤碼率。

觀察圖 5接收端星座圖可知：由于接收端數(shù)據(jù)符號(hào)受到噪聲干擾，且信道需進(jìn)行估計(jì)得到，此時(shí)在星座圖上將會(huì)以原始星座點(diǎn)為中心向周邊擴(kuò)散，且噪聲越大時(shí)，擴(kuò)散范圍越大越雜亂。

4 結(jié)論

本文選取MATLAB編輯語言程序?qū)FDM系統(tǒng)的工作進(jìn)程進(jìn)行模擬仿真，OFDM通過采用多進(jìn)制、多載頻、并行傳輸?shù)姆椒ǎ沟脗鬏斝盘?hào)的持續(xù)時(shí)間變長(zhǎng)，進(jìn)而提高抗多徑傳輸能力;采用添加保護(hù)間隔，信道估計(jì)等技術(shù)來解決符號(hào)間干擾和信道間干擾，一步步地將信號(hào)傳輸系統(tǒng)的效率增強(qiáng)，提高了估計(jì)準(zhǔn)確度。

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【通聯(lián)編輯：光文玲】