基于OFDM技術的有線傳輸系統仿真

魏敬和，鄒家軒，張 榮，錢黎明，張科新

（中國電子科技集團公司第58研究所，江蘇 無錫 214035）

1 引言

隨著通訊及數字信號處理技術的不斷發展、互聯網技術的不斷革新以及計算機處理速度的持續提升，各國的主干線傳輸網已基本上實現了由光纖化、無線數字微波和衛星化。但由于用戶接入線的接入速率受到限制，也很難真正享受到高速的通信服務。究其原因，就是我們當時的用戶環路仍然是模擬環路，只有用戶環路實現了數字化，才能使用戶真正跨上信息高速公路。用戶環路數字化的技術有很多，xDSL就是其中主要的一種。

xDSL技術主要有HDSL、ADSL、VDSL等三種，由這三種派生出的多種xDSL技術，如SDSL（單用戶線高速數字用戶環路技術）、UDSL（超高速數字用戶環路技術）、IDSL（ISDN DSL）等。由于采用的信號處理技術、調制解調技術和線路碼型的不同，故它們的線路速率、傳輸距離也不同。

xDSL技術的調制解調方式很多，其中20Mbps以下的載波調制解調技術主要是QAM和DMT兩種[1,2]，而20Mbps以上高速載波調制方式最主流的是多音頻調制技術（DMT），也被稱為正交頻分復用 OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplex），是一種多載波調制方式，通過減小和消除碼間串擾的影響來克服信道的頻率選擇性衰落。它的基本原理是將信號分割為N個子信號，然后用N個子信號分別調制N個相互正交的子載波。由于子載波的頻譜相互重疊，因而可以得到較高的頻譜效率。OFDM系統的一個重要優點就是可以利用快速傅里葉變換實現調制和解調，從而可以大大簡化系統實現的復雜度。

近幾年來數字信號處理（DSP）技術和超大規模集成（VLSI）電路技術的發展解決了大量復雜運算和高速存儲的問題，促進了OFDM的實用化。

本文通過高速載波調制解調技術原理及其實現技術的研究，建立信道模型及噪聲模型，并進行系統級仿真，仿真結果證明OFDM調制解調技術可應用于1553這樣的高速有線傳輸系統。

2 系統應用環境

本系統的應用場景，系統的傳輸介質是符合MIL-STD-1553A/B標準的差分電纜，通過變壓器組將設備需要接入總線，通過上層協議可實現半雙工通信。本系統硬件由基帶信號處理和線纜驅動兩部分組成，基帶信號處理提供可同時收發的模擬接口，而線纜驅動部分則和總線的變壓器組相連接，實現物理上的半雙工控制。

圖1 1553總線應用環境

3 OFDM基本原理

正交頻分復用是一種特殊的多載波傳輸方案，它既可以被看作是一種調制技術，也可以被當作一種復用技術。OFDM的基本原理是將整個信道分成若干個相互正交的子信道，在每個子信道進行調制和傳輸。這樣在每個子載波上的符號持續時間都比信號通過信道最大延遲長，從而容易消除ISI的影響。同時，在OFDM系統中各個子信號的頻譜是互相交疊的，在頻域上可以很好地保證不同的子載波信號的正交性，而沒有信道間干擾（ICI）發生，也提高了信號頻帶利用率[3,4]。

設一個OFDM信號由頻率間隔為Δf 的N個子載波構成，系統總帶寬B被分為N個等間距子載波，所有子載波在間隔長度為Ts=1/Δf 的時間內相互正交。在第K個子載波信號上加上一個長度為TG的保護間隔，則所有OFDM組構成的時間連續信號是：

在符號持續時間T比信道的相干時間小得多的情況下，每一個調制符號Sn,k的持續時間內無線信道傳輸函數H（f，t）可以認為是恒定的。接收到的調制符號在FFT變換之后為：

式（3）中Nn,k是對應子信道上加性噪聲。

OFDM高速數據傳輸系統分為發送端和接收端兩大部分，一個完整的OFDM系統框圖如圖2所示。

4 傳輸方案的驗證

4.1 系統驗證規劃

為驗證所設計傳輸系統的可行性，分析傳輸系統的性能，在Matlab Simulink仿真平臺上對所設計傳輸系統的各處理模塊進行了仿真分析。根據在仿真模型中功能的不同，頂層仿真模塊可以分為三類：

（1）仿真參數初始化模塊。用于仿真開始時可配置參數的初始化，包括：信道信噪比（Channel SNR），定義高斯白噪聲信道模塊輸出端的信噪比；信道延時（Channel Delay），用戶可控制的固定信道傳輸延時；頻偏（Frequency Offset），系統收發端的頻率偏差；相偏（Phase Offset），系統收發端的相位偏差。

（2）傳輸系統算法仿真模塊。實現仿真激勵數據的產生，發送端信號處理過程，信道特性模擬和接收端信號處理過程的模塊。發送端仿真模型完成發送端所有處理流程的模擬，包括以下10個模塊：隨機整數發生，RS編碼，矩陣交織，64QAM調制，導頻插入和子載波映射，OFDM調制，CP插入和加窗，峰均比抑制，同步信號發生，數據幀成幀和物理幀成幀。

圖2 OFDM系統框圖

傳輸信道仿真模型主要完成白噪聲加入、頻偏和相偏加入、信道衰落特性的加入、信道傳輸延時和群延時特性的加入以及AD采樣偏移特性的加入等功能，包括以下7個模塊：上變頻模塊，高斯白噪聲模塊，低通濾波幅頻衰落模塊，橢圓濾波群延時模塊，信道傳輸延時模塊，下變頻模塊，信道幅度衰落（Channel Fading）模塊。

接收端仿真模型完成接收端所有處理功能的仿真，包括以下7個模塊：時間同步模塊，相差計算模塊，頻率補償和OFDM解調模塊，信道估計模塊，64QAM解調模塊，解交織模塊，RS譯碼器模塊。

（3）性能測試模塊。完成發送端數據和接收端數據的實時比較，完成錯誤特性的實時統計。 包括4個模塊和多個數據顯示器。由于接收端時間同步模塊恢復的數據幀在時間上可能存在一個時鐘的偏差，因此接收端恢復的數據幀有效指示信號間的間隔可能是非均勻的，而發送端則一定是均勻的，這使得收發端的數據幀指示信號存在不對齊的情況，此時很難使用標準的統計模塊進行誤差統計。仿真中采用的誤碼率統計模塊其實現時序和原理如圖3所示。

圖3 誤碼率統計模塊的時序

在S1時鐘周期，本地恢復數據幀有效，將本地有效數據幀緩存，設置DES_RDY信號為1，指示本地數據準備好。此時，由于源數據幀尚未到達，源數據準備好信號SRC_RDY為0，所以不進行數據比較。

在S2時鐘周期，源數據有效，將源有效數據緩存，設置SRC_RDY為1。程序檢測到SRC_RDY和DES_RDY均為1，增加符號計數器值，進行數據比較，根據數據存在多少不同更新錯誤符號計數器和誤符號率。最后，清零SRC_RDY和DES_RDY信號。

S3和S4重復S1和S2過程。S2出現在S1前的時序和上述的一樣。由于幀有效指示信號之間的間隔較大，而本地恢復的幀有效指示信號的抖動很小，不會出現發送端/接收端連續兩個幀有效指示信號之間沒有接收端/發送端幀有效指示信號的錯誤情況。

4.2 系統仿真結果分析

使用Simulink仿真，對接收模塊中QAM解調模塊輸出和RS譯碼器輸出端的誤符號率性能進行了統計分析。信道僅加入高斯白噪聲時系統接收端的誤符號率性能如圖4所示，由圖可知，此時只要信道信噪比高于22dB，系統的誤符號率性能就能夠優于10-5。

信道引入高斯白噪聲和通帶內幅頻衰減時，系統接收端的誤符號率性能如圖5所示。比較圖4和圖5，由于采用多載波技術，即使在通帶內引入了10個dB左右的幅頻衰減，系統的性能也不會有非常明顯的下降。當信道信噪比高于22dB時，系統的誤符號率性能優于10-5。

圖4 誤碼率性能（白噪聲）

圖5 誤碼率性能（白噪聲+通帶內幅頻衰減）

通過仿真驗證，得到如下結論：

（1）在64QAM調制時需要22dB以上的工作信噪比；

（2）通帶內的幅頻衰減特性對系統性能影響不大，可以通過頻域信道估計解決。

5 結論

本文通過對OFDM調制解調技術的研究，并將該技術應用于實際的1553高速總線傳輸系統。通過對該系統物理傳輸介質的測試，得到該系統信道物理特性參數，根據這些參數，建立系統模型進行仿真，仿真結果顯示OFDM技術在有線傳輸系統上信號傳輸可以獲得可接受的較低誤碼率。

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[4] Koen Vanbleu, Geert Ysebaert, Gert Cuypers, Marc Mooonen.On Time- Domain and Frequency Domain MMSE Based TEQ Design for DMT Transmission [J].IEEE Trans. On signal process, 2005,53(8).