用Multisim產(chǎn)生OFDM信號
2012-04-12 00:00:00李萌蕊李正生何恒
現(xiàn)代電子技術(shù) 2012年5期
摘 要：為了研究OFDM信號的特性，使用Multisim制作了一個由四頻四相信號發(fā)生器、八個二選一模擬開關(guān)和八輸入加法器組成的Digital-OFDM信號變換器，用示波器可以方便地觀察OFDM時域信號的波形。
關(guān)鍵詞：正交頻分復(fù)用； 多載波調(diào)制； 數(shù)字通信； 萬能仿真
中圖分類號：
TN911.22-34
文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A
文章編號：1004-373X(2012)05
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OFDM signal generated with Multisim
LI Meng-rui1， LI Zheng-sheng2， HE Heng2
(1.Second Artillery Northwestward Army Commissary Section， Xi’an 710048， China;
2.Second Artillery Engineering Institute， Xi’an 710025， China)
Abstract：
For researching characteristics of OFDM signal， a digital-to-OFDM signal converter consisted of 4-frenquency 4-phase signal generator， 8 2-to-1 analog switch and 8-input adder was made with MultiSIM. The waveform in the time domain of OFDM can be observed conveniently by oscilloscope.
Keywords： OFDM; MCM; digital communication; Multisim
收稿日期：2011-07-21
0 引 言
正交頻分復(fù)用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)［1-16］是一種子載波相互混疊的多載波調(diào)制(Multi-carrier Modulate，MCM)技術(shù)。除了具有MCM很強的抗多徑衰落和抗脈沖干擾的能力外，它還具有更高的頻譜利用率，己被廣泛地應(yīng)用于各類通信系統(tǒng)。
為了研究OFDM，可以用EWB Multisim產(chǎn)生出OFDM信號來進(jìn)行直觀的分析。
1 Multisim簡介
Multisim軟件包［17］是一種電路設(shè)計與仿真軟件，其原型是1982年成立的加拿大圖像交互技術(shù)公司(Interactive Image Technologies Ltd.，IIT)1988年推出的EWB(Electronics WorkBench)，國內(nèi)也叫做虛擬電子實驗室或電子工作平臺，曾用過4.0和5.0等版本。IIT的6.0版本稱為Multisim(萬能仿真)，之后推出了EWB Multisim 2001，后來又陸續(xù)推出了7.0和8.0版本。美國NI于2005年2月收購后在年底推出了9.0版本，2009年2月發(fā)展到NI Multisim 11.0。
Multisim具有豐富的儀器庫和元器件庫，仿真、分析功能強大，在電子系統(tǒng)分析和設(shè)計中發(fā)揮了重要作用。
2 OFDM和MCM
MCM的基本思想是把數(shù)據(jù)流變換為N路子數(shù)據(jù)流，用它們分別去調(diào)制N路子載波后再并行傳輸。
有一種OFDM符號包含的多個子載波［18］都具有相同的幅值和相位(實際應(yīng)用中，根據(jù)數(shù)據(jù)符號的調(diào)制方式，每個子載波的幅值和相位都可能是不同的)，每個子載波在一個OFDM符號周期內(nèi)都包含整數(shù)倍個周期，而且各個相鄰子載波之間相差1個周期，示意圖如圖1所示。
圖1 OFDM的子載波
3 四相信號的產(chǎn)生
實際的OFDM信號可以是正交多頻調(diào)制，每一個頻率的信號應(yīng)當(dāng)有相位間隔90°的四相：正弦信號、余弦信號和它們的反相信號。
根據(jù)電路理論，可以有4種方法來產(chǎn)生四相信號，1 kHz四相信號產(chǎn)生電路如圖2所示。
圖2 1 kHz四相信號產(chǎn)生電路
3.1 全微分型1 kHz四相信號發(fā)生器
設(shè)由交流信號源產(chǎn)生的信號為正弦信號，微分后則得到余弦信號，為使余弦信號和正弦信號的幅度基本一致，根據(jù)(sin ωt)′＝ωcos ωt的關(guān)系，微分器的倍率取為1/(2πf)，對于1 kHz的信號，其倍率為0.159 mV/V。第二次微分可得到正弦的反相信號，第三次微分可得到余弦的反相信號。
全微分型1 kHz四相信號產(chǎn)生電路如圖2(a)所示。它只使用了微分器一種電路運算組件，具有結(jié)構(gòu)直觀、易于實現(xiàn)的優(yōu)點。雖然兩級串聯(lián)微分器可以在Multisim中仿真工作，但是此三級串聯(lián)微分電路在仿真時提示Transient Simulations Aborted而不工作。
3.2 全積分型1 kHz四相信號發(fā)生器
全積分型1 kHz四相信號產(chǎn)生電路如圖2(b)，設(shè)輸入信號為余弦信號，積分后則得到正弦信號，根據(jù)∫cos ωtdt＝1ωsin ωt+C的關(guān)系，積分器的倍率取為2πf，對于1 kHz的信號，其倍率為6 283 V/V。第二次積分可得到余弦的反相信號，第三次積分可得到正弦的反相信號。
但是，圖2(b)電路不能正常仿真：設(shè)積分常數(shù)為0，輸入峰值為10 V的1 kHz正弦波時，積分輸出1正常，積分輸出2上移了400 V且波形嚴(yán)重失真，積分輸出3為0，見圖3(a)。當(dāng)頻率為1 Hz和10 Hz時，后兩級積分器的輸出竟一直上升。
3.3 微分反相型1 kHz四相信號發(fā)生器
四種電路中，只有圖2(c)所示使用1個微分器和2個反相器的電路能正常仿真。
3.4 積分反相型1 kHz四相信號發(fā)生器
保留全積分型電路的第一個積分器，換上兩個反相器，形成如圖2(d)所示的積分反相型信號產(chǎn)生電路。但是，此電路仿真時的波形如圖3(b)所示：-sin信號向下偏移了一半，須在R1之前串入一個1 μF電容才能得到理想波形。
圖3 兩種異常波形(水平：1 ms/格，垂直：10 V/格)
4 用Multisim產(chǎn)生OFDM信號
將字節(jié)數(shù)據(jù)變換為OFDM信號［19］的Multisim仿真電路如圖4所示。字節(jié)數(shù)據(jù)的高4位使用正弦信號，低4位使用余弦信號，0使用同相信號，1使用反相信號。
圖中的示波器用于觀察信號波形，各示波器的用途如下所述：
XSC1:觀察1 kHz信號的正弦、余弦信號及兩個反相信號；
XSC2和XSC3:觀察高、低半字節(jié)OFDM中間信號，高位在上；
XSC7:觀察OFDM合成信號；
XSC6:檢查3 kHz、4 kHz信號通過模擬開關(guān)后的相移情況；
XSC5:觀察各原始正弦信號的波形；
XSC4:觀察1 kHz正弦信號及其變換后的方波信號。
4.1 四頻四相信號的產(chǎn)生
四個正弦信號用1 kHz，2 kHz，3 kHz和4 kHz交流信號源產(chǎn)生，再分別通過倍率分別為0.159 mV/V，0.08 mV/V，0.053 mV/V和0.04 mV/V的微分器產(chǎn)生相應(yīng)的余弦信號，通過八個 -1倍反相器后得到它們的反相信號。為了補償模擬開關(guān)等電路的相移，經(jīng)過實驗，對正弦信號源分別設(shè)置了-108°，-36°，36°和108°的初始相位。
4.2 同相反相信號的選擇
四個正弦信號和四個余弦信號送到八個二選一模擬開關(guān)的一個輸入端，八個反相信號送到模擬開關(guān)的另一輸入端。當(dāng)控制端為0時輸出正余弦信號，為1時輸出相應(yīng)反相信號(此時的開關(guān)狀態(tài)如圖4所示)。
模擬開關(guān)的最大工作電壓為±15 V，若傳輸有效值為10 V(峰值為14.14 V)的正弦信號時，會產(chǎn)生飽和失真，波形有輕微的削頂，故信號有效值選為9 V。
4.3 字節(jié)信號的合成
八個輸出信號通過反相加法器合成一個信號。加法器的反饋電阻為10 kΩ，各信號的輸入電阻為100 kΩ，對各路信號的實際放大倍數(shù)為-0.1。信號的最大幅度是輸入信號的0.8倍，電路不會飽和。
4.4 控制信號的產(chǎn)生
控制信號用字信號發(fā)生器產(chǎn)生，為便于同步，使用由比較器U3形成的正弦方波變換器提供外觸發(fā)信號。為方便觀察，觸發(fā)頻率設(shè)為250 Hz，每一次觸發(fā)重復(fù)發(fā)送4個1 kHz的V1完整波形(含8個V2波形、12個V3波形、16個V4波形)。
4.5 OFDM信號示例
圖5(a)為用Multisim產(chǎn)生的OFDM波形(2個全0字節(jié)和1個全1字節(jié))。為了便于觀察，字信號發(fā)生器按兩個0000 0000和一個1111 1111的順序循環(huán)發(fā)送。
圖5(b)為用Multisim產(chǎn)生的字符串“OFDM”(二進(jìn)制碼為0100 1111， 0100 0110， 0100 0100， 0100 1101)的OFDM波形。
三個示波器由上而下分別顯示了D7～D0中間信號和合成信號的波形。上邊標(biāo)注的是信號的編碼，由波形可以看出信號相位的變化情況。
5 結(jié) 語
Multisim是一個實用的電路仿真工具，使用它可以仿真產(chǎn)生出OFDM信號，為OFDM的研究提供一組直觀、形象的參考波形。但是，由于種種原因，Multisim不能100%仿真實際電路，仿真結(jié)果只能作為一種參考，其他仿真亦然。實際電路須經(jīng)實際制作調(diào)試才能定型。
參 考 文 獻(xiàn)
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作者簡介：
李萌蕊 女，1986年出生，濟南人，助理工程師。主要研究方向為通信工程。
李正生 男，1957年出生，濟南人，教授，碩士生導(dǎo)師。主要研究方向為信號與信息處理。
何 恒 男，1979年出生，西安人，講師。主要研究方向為移動通信。
