多載波OFDM系統研究及仿真實現

許添天　盧涵宇　蒙寬鵬

摘要：正交頻分復用（OFDM）技術是一種應用于多載波的調制技術，該技術可以降低系統誤碼率，加快傳輸信號速率，通信系統的總容量以及頻譜利用率得到明顯增大。本文選取MATLAB編輯語言程序對OFDM系統的工作進程進行模擬仿真，結果表明：隨著信噪比的值不斷增大，估計信道頻域響應與實際信道之間的均方誤差MSE逐漸減小，提高了估計準確度。

關鍵詞：多載波;正交頻分復用;仿真;MATLAB

中圖分類號： TP208 ? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：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.

隨計算機和通信技術快速發展，巨大的信息需求量是人們的迫切需要，解決這個需求就需要不斷提升實際通信的效率，這就促使了4G和5G通信的迅猛發展。

而在21世紀國際通信發展中，OFDM調制技術被普遍看好，該技術可以降低系統誤碼率，加快傳輸信號速率，通信系統的總容量以及頻譜利用率得到明顯增大。而在我們中國，現今4G應用普及，5G的到來更加迫需要OFDM技術來作為高速傳輸數據的基礎。它能夠增加總的系統容量，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。在第五代移動通信的應用和推廣中OFDM技術不可或缺，所以研究多載波OFDM系統的仿真與實現意義重大。

本設計針對OFDM系統設計出MATLAB程序代碼，通過模擬實驗數據分析OFDM系統的各方面性能，隨著信噪比的值不斷增大，估計信道頻域響應與實際信道之間的均方誤差MSE逐漸減小，提高了估計準確度。

1 OFDM基本原理

在利用MCM技術的基礎之上利用函數正交性在可用頻譜內把一個信道劃分成許多個帶有正交性的子束波信道，使得每個子束波能夠分別調制每個子信道，最后并行輸出，在無線通訊領域中將這樣的技術稱之為正交頻分復用技術，簡稱OFDM，OFDM系統原理的框圖如圖1所示。

從圖1系統原理基本框圖可知，發射機OFDM系統的主要工作其實就是通過輸入高速的數據流并經過串并轉換來獲得較低速率的子信道數據，然后相應的正交子載波被對應調制并輸出給接收端，而在接收端那邊，就利用各個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據，并且通過串并變換處理獲得初始信號的數據信號。

2 OFDM的關鍵技術

2.1同步技術

在數字傳輸系統中同步技術占據的地位尤為關鍵，尤其是在OFDM系統里面。時域的偏移一般在其系統中不會損壞系統結構，就算是產生相位偏差也能夠采用信道估計技術來糾錯，所以主要考慮頻率的偏移。信號的傳送是多路徑同時傳輸的，各子載波之間相隔比較近，頻率的要求同步能夠避免在接收端各子載波信號之間的相互影響，可以在接收機接收信號之前使用介入保護間隔，或者以OFDM符號本身的特征以及通過專門的訓練序列來執行這些步驟以達到同步。

2.2 信道估計

對子載波傳輸信道進行信道估計能夠提高無限數據傳輸的接收性能，如果想要盡量消除由于信道間干擾（ICI）所帶來的影響，就必須在介入保護間隔時適當考慮循環前綴序列的波形長度，但是在擴展循環前綴的長度時過長的長度必然又會導致不必要的系統能量損失，進而導致OFDM系統的傳輸效率變低的結果。信道估計具有非凡的意義，通過采用信道估計的辦法能夠獲取到時域或者頻域內的信道沖擊響應，提供信道信息來保證接收機對初始信號的正確理解，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。相比較差分解調來說，介入信道估計的數據符號輔助相干解調能夠使信噪比帶來2.5～3dB的增益。而且，在空時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技術來獲得。

2.3 峰值功率比

峰均功率比PARP能夠強有力的抵抗符號間干擾和多徑衰落，在OFDM中如果接收機上的集成信號都是以一個最大峰值疊加時，PARP的值變高又會致使總的系統效率變低成本增加;其數學表達式如下：

目前普遍認可的解決方案大致有信號畸變、編碼和信號擾碼技術三項。

最直接降低PARP的技術就是信號預畸變，通過限幅濾波和壓縮擴展變換等方法將信號進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出現最大峰值疊加的情況，進而降低PARP。

編碼技術在子載波數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，難以達到目的。所以一般考慮在子載波數量較低時使用。

信號擾碼技術主要是減少較高PARP出現的概率。當子載波數量與星座調制的種類不受規定時，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中介入輔助信息序列，致使頻域資源匱乏，對硬件要求也有所提高。

2.4 信道編織和交織

通過運用信道編織技術可以解決信道中由于衰落而產生的隨機錯誤問題，進而改善無限移動通信系統的性能;而運用信道交織技術則可以決絕信道中由于衰落而產生的突發錯誤，在接收端通過解交織把圖發錯誤轉換成隨機錯誤，再由信道譯碼糾正以降低誤碼率。進而提升數字通信系統的工作性能。

2.5均衡

多路徑并行傳輸是OFDM的特點，而在OFDM信道中時域必然彌散，添加保護間隔的技術使得循環前綴序列較長，進而對系統造成一定的影響。此時在OFDM系統中介入均衡器的方法能夠在縮短在介入保護間隔時循環前綴的長度，進而避免系統能量的不必要浪費，雖說均衡器的介入增大了系統的復雜度，但是這樣一來系統的效率卻能得到一定的提升。所以說均衡技術還是很關鍵的。

3仿真測試和實現

3.1 仿真流程

本次仿真主要流程：首先產生隨機整數序列→串并變換→QPSK調制→IFFT→插入保護間隔→加入高斯白噪聲→移除保護間隔→FFT→QPSK→并串變換→判決結果輸出。 OFDM系統的MATLAB仿真流程如圖2所以。

3.2 仿真結果分析

本次采用LS算法進行信道估計仿真輸出結果如圖3所示。

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

從圖4可知，在OFDM通信系統中，誤碼率BER的值在信噪比SNR不斷提高時會不斷下降，此時相同信號功率情況下，噪聲功率越小，此時進行信號檢測時受到噪聲的影響也將減小，另一方面信道估計此時也將變得越準確，從而可以降低傳輸數據時系統的誤碼率。

觀察圖 5接收端星座圖可知：由于接收端數據符號受到噪聲干擾，且信道需進行估計得到，此時在星座圖上將會以原始星座點為中心向周邊擴散，且噪聲越大時，擴散范圍越大越雜亂。

4 結論

本文選取MATLAB編輯語言程序對OFDM系統的工作進程進行模擬仿真，OFDM通過采用多進制、多載頻、并行傳輸的方法，使得傳輸信號的持續時間變長，進而提高抗多徑傳輸能力;采用添加保護間隔，信道估計等技術來解決符號間干擾和信道間干擾，一步步地將信號傳輸系統的效率增強，提高了估計準確度。

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【通聯編輯：光文玲】