基于MATLAB的OFDM通信系統仿真設計

張 賓

（山東科技大學 電子通信與物理學院，山東 青島 266510）

基于MATLAB的OFDM通信系統仿真設計

張 賓

（山東科技大學 電子通信與物理學院，山東 青島 266510）

OFDM是一種無線環境下的高速數據傳輸技術，具有很強的抗干擾、抗衰落能力及較高的頻譜利用率。文章介紹了OFDM的基本原理和關鍵技術，建立了基本的OFDM系統模型，應用MATLAB對其仿真，分析了不同信道、不同技術下系統的誤碼特性。

OFDM；關鍵技術；MATLAB仿真

OFDM技術是由多載波調制（Multi Carrier Modulation，MCM）技術發展而來，MCM原理最早在20世紀60年代中期由Collins Kineplex［1］提出，早期主要應用在軍事方面。OFDM技術具有抗干擾、抗多徑衰落能力強，頻譜利用率高等優點，在移動通信系統中發揮著至關重要的作用。隨著OFDM技術的不斷發展，其不僅應用在4G移動通信系統中，也廣泛應用于光通信、水聲通信、礦井通信、電力線通信等方面［2］。

1　OFDM系統基本模型

OFDM系統的基本框圖如圖1所示。在OFDM系統發射端，將信道劃分為若干子信道，然后將高速串行數據轉換為并行的低速數據流，再將其分配到子信道上進行調制，這樣每個子載波上的數據符號周期相對增加，有效地減少了由無線信道的時間彌散性所帶來的影響。信號經過IFFT運算后，在每個OFDM符號之間添加保護間隔，只要保證保護間隔的長度大于信道的最大時延，就可以消除多徑效應帶來的符號間干擾。在實際設計中，系統采用循環前綴代替保護間隔，這樣就減少了由信道多徑效應所帶來的信道間干擾。最后信號經過并串轉換、D/A轉換后發射出去。在系統接收端，接收到的信號經過A/D轉換后，進行串并轉換、去除保護間隔、FFT運算、并串轉換后，恢復出原始數據。

圖1　OFDM系?統的基本框圖

2　OFDM關鍵技術

OFDM系統的關鍵技術包括同步技術、信道估計技術、峰值功率控制技術等，只有解決這些關鍵技術，才能提高OFDM系統的性能，提高穩定性。

（1）同步技術。同步技術是OFDM系統的重要部分，如果同步出錯將影響到接收端所有信息的解調、解碼。OFDM系統的同步主要包括3個部分：時間同步、載波頻率同步、采樣率偏移。

時間同步的目的在于找到 FFT窗函數的正確的起始位置。載波頻率同步的目的在于消除載波間干擾（ICI），保持子載波間的正交性。采樣率偏移主要是估計并補償系統接收端采樣定時的不準確性。目前大部分文獻提出的同步算法主要分為基于特殊輔助數據的算法和基于非特殊輔助數據的算法。基于特殊輔助數據的算法主要是在OFDM符號中插入特殊序列，一般為訓練序列或導頻，雖然這些序列會降低系統的通信速率，但是這種算法同步性能好、算法簡單、易于實現。而基于非特殊輔助數據的算法主要包括基于CP的最大似然法和盲同步法，這類算法不會影響系統的通信速率，但是算法復雜度較高，實現比較困難。

（2）信道估計技術。OFDM系統的相干檢測需要進行信道估計，其目的是能在接收端準確的恢復發射端的發送信號，它的精度將直接影響整個系統的性能。信道估計算法有兩種：基于訓練序列的估計算法和盲估計算法，前者的基本思想是利用發射端和接收端都己知的序列進行信道估計；后者則是利用傳輸數據的內在數學信息。

（3）峰值功率控制技術。OFDM符號是由多個獨立的已調子載波信號相加合成的，因為每路子載波信號的相位無法估測，如果某些子載波信號的相位相同，信號的幅度相互疊加后將產生很大的峰值。這要求系統內的功率放大器具有較大的線性范圍，增加了系統成本，使得非線性失真的可能性變大。解決這一問題的主要技術有限幅技術、編碼技術、概率類技術。限幅類技術直接限制信號的幅度，使其低于某個預設值，方法簡單有效；編碼技術選擇幅度峰值功率較低的碼字用于傳輸，從而避開了信號峰值，雖然這種方法效果最好，但是可使用的編碼圖樣少，而且降低了信息傳輸速率，并且解碼非常復雜；概率類技術主要包括選擇性映射（SLM）、部分傳輸序列（PTS）、沖擊整形（PS）等，它不是降低信號幅度的最大值，而是降低峰值出現的概率，這樣不會引起信號的畸變，效果較好，但是算法比較復雜，計算量大。

3　MATLAB仿真分析

通過MATLAB對OFDM系統進行仿真，得到如圖2-4所示的系統誤碼率曲線。

從圖2中可以看出，OFDM技術可以降低干擾帶來的影響，減小通信系統的誤碼率，但是在多徑干擾下系統誤碼率比高斯白噪聲干擾下的誤碼率高，這主要是因為多徑時延引起的碼間串擾影響了系統的誤碼特性。

圖2　高斯信道和多徑信道下系統誤碼率

圖3為多徑信道中循環前綴對OFDM系統的影響，由圖3可以看出添加循環前綴可以有效降低系統誤碼率，提高系統性能。在信噪比較低的情況下，兩條曲線相差不大，說明循環前綴對系統性能影響不大；信噪比較大時，添加循環前綴后系統的誤碼率更低。原因可能是信噪比較低時，高斯白噪聲是系統的主要干擾，當信噪比提高后，系統的干擾以多徑衰落干擾為主，因此添加循環前綴對系統性能改善明顯。

圖4為均衡技術對OFDM系統的影響，表明均衡技術可以降低OFDN系統的誤碼率，但是改善效果不大。可能是因為進行OFDM系統仿真時使用的訓練序列是隨機序列，均衡方法為最小均方算法。接下來可以使用其它的訓練序列和均衡算法進行仿真，分析OFDM系統的性能。

4　結語

本文主要對OFDM技術進行仿真研究，首先建立了OFDM系統基本模型，介紹了OFDM系統的關鍵技術及相關算法，最后對OFDM系統進行MATLAB仿真，并且根據仿真結果對系統的性能進行了分析。表明了OFDM技術可以有效地降低系統誤碼率，提高系統可靠性。

圖3　循環前綴對OFDM系統的影響

圖4　均衡技術對OFDM系統的影響

［1］ERICH C.Orthogonal Frequency Division Multiplexing（OFDM）Tutorial and Analysis［M］.Virginia：Northern Virginia Center，2001.

［2］汪曉巖，樊昊，易浩勇，等.基于OFDM技術的電力線通信系統的MATLAB模擬［J］.電力系統通信，2002（2）：2-6.

［3］王文博.寬帶無線通信OFDM技術［M］.北京：人民郵電出版社，2007.

［4］尹澤明.精通MATLAB6［M］.北京：清華大學出版社，2002.

［5］佟學儉，羅濤.OFDM移動通信技術原理與應用［M］.北京：人民郵電出版社，2003.

Simulation and Design of OFDM Communication System Based on MATLAB

Zhang Bin （Shandong University of Science and Technology， College of Electronic Communication and Physical， Qingdao 266510， China）

OFDM is a kind of high speed data transmission technology in wireless environment.It has anti-jamming and anti-multipath capability and high utilization of the spectrum.Beginning with brief introduction for the basic principle and crucial technique of OFDM，this paper establishes the basic model of OFDM system and simulates by MATLAB.We analysis error rate of the system with different channel and technical.

OFDM； key technology； MATLAB simulation

張賓（1990-），男，山東聊城，碩士研究生；研究方向：無線通信技術。