基于Matlab的OFDM系统仿真

现代通信的发展是爆炸式的。从电报、电话到今天的移动电话、互联网，人们从中享受了前所未有的便利和高效率。从有线到无线是一个飞跃，从完成单一的话音业务到完成视频、音频、图像和数据相结合的综合业务功能更是一个大的飞跃。在今天，人们获得了各种各样的通信服务，例如，固定电话、室外的移动电话的语音通话服务，有线网络的上百兆bit的信息交互。但是通信服务的内容和质量还远不能令人满意，现有几十Kbps传输能力的无线通信系统在承载多媒体应用和大量的数据通信方面力不从心:现有的通信标准未能全球统一，使得存在着跨区的通信障碍;另一方面，从资源角度看，现在使用的通信系统的频谱利用率较低，急需高效的新一代通信系统的进入应用。

目前，3G的通信系统己经进入商用，但是其传输速率最大只有2Mbps，仍然有多个标准，在与互联网融合方面也考虑不多。这些决定了3G通信系统只是一个对现有移动通信系统速度和能力的提高，而不是一个全球统一的无线宽带多媒体通信系统。因此，在全世界范围内，人们对宽带通信正在进行着更广泛深入的研究 。

正交频分复用（OFDM, Orthogonal Frequency Division Multiplexing) 是一种特殊的多载波方案，它可以被看作一种调制技术，也可以被当作是一种复用技术。选择OFDM的一个主要原因在于该系统能够很好地对抗频率选择性衰落或窄带干扰。正交频分复用（OFDM）最早起源于20世纪50年代中期，在60年代就已经形成恶劣使用并行数据传输和频分复用的概念。1970年1月首次公开发表了有关OFDM的专利。

在传统的并行数据传输系统中，整个信号频段被划分为N个相互不重叠的频率子信道。每个子信道传输独立的调制符号，然后再将N个子信道进行频率复用。这种避免信道频谱重叠看起来有利于消除信道间的干扰，但是这样又不能有效利用宝贵频谱资源。为了解决这种低效利用频谱资源的问题，在20世纪60年代提出一种思想，即使用子信道频谱相互覆盖的频域距离也是如此，从而可以避免使用高速均衡，并且可以对抗窄带脉冲噪声和多径衰落，而且还可以充分利用可用的频谱资源 。

常规的非重叠多载波技术和重叠多载波技术之间的差别在于，利用重叠多载波调制技术可以几乎节省50%的带宽。为了实现这种相互重叠的多载波技术，必须要考虑如何减少各个子信道之间的干扰，也就是要求各个调制子载波之间保持正交性。

1971年，Weinstein和Ebert把离散傅立叶变换（DFT）应用到并行传输系统中，作为调制和解调过程的一部分。这样就不再利用带通滤波器，同时经过处理就可以实现FDM。而且，这样在完成FDM的过程中，不再要求使用子载波振荡器组以及相关解调器，可以完全依靠执行快速傅立叶变换（FFT）的硬件来实施。

早在20世纪60年代，OFDM技术就已经被应用到多种高频军事系统中，其中包括KINEPLEX、ANDEFT以及KNTHRYN等。以KNTHRYN为例，其中的可变速率的数据调制解调器可以最多使用34个并行低速调相子信道，每个子信道之间的间隔为82Hz 。

但是直到20世纪80年代中期，随着欧洲在数字音频广播（DAB）方案中采用OFDM，该方法才开始受到关注并且得到了广泛的应用。

1、OFDM系统的发展现状

自上世纪90年代以来，正交频分复用技术(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)的应用已越来越广泛。经过多年的发展，该技术在广播式的音频和视频领域己得到广泛的应用。主要的应用包括:非对称的数字用户环路 (ADSL), ETSI标准的音频广播 (DAB)、数字视频广播 (DVB)等。

1999年IEEE 802.11a通过了一个5GHz的无线局域网标准，其中OFDM调制技术被采用为它的物理层标准OETSI的宽带射频接入网(BRAN)的局域网标准也把OFDM定为它的调制标准技术。1999年 12月，包括Ericsson, Nokia和Wi-LAN在内的七家公司发起了国际OFDM论坛，致力于策划一个基于OFDM技术的全球性单一标准。现在OFDM论坛的成员已经增加到46个会员，其中15个为主要会员。我国的信息产业部也己参加了OFDM论坛，可见OFDM在无线通信的应用己引起国内通信界的重视 。

2000年 1月，OFDM论坛的固定无线接入工作组向IEEE 892.63城域网委员会提交了一份建议书，提议采用OFDM技术作为IEEE892.16.3城域网的物理层(PHY)标准。随着IEEE802.l la和BRAN HyperLAN/2两个标准在局域网的普及和应用，OFDM 技术将会进一步在无线数据本地环路的广域网领域做出重大贡献。OFDM 由于其频谱利用率高，成本低等原因越来越受到人们的关注。随着人们对通信数据化、宽带化、个人化和移动化的需求，OFDM技术在综合无线接入领域将越来越得到广泛的应用。并且，随着DSP芯片技术的发展，傅立叶变换、反变换、高速Modem采用的64/128/256QAM技术、栅格编码技术、软判决技术、信道自适应技术、插入保护间隔、减少均衡计算量等成熟技术的逐步引入，人们将会集中越来越多的精力开发OFDM技术在移动通信领域的应用，预计第三代以后的无线宽带通信的主流将会基于OFDM技术。

除了己经标准化了的系统之外，OFDM 正在作为四代移动通信的关键技术在各国进行广泛的研究和试验，我国大唐电信，还有日本，韩国也在去年相继开始了OFDM在四代移动通信中的研究 。

OFDM目前存在两个不同的联盟:一个是OFDM论坛，主要协调各成员递交给IEEE与OFDM有关的建议;另一个是宽带无线互连网论坛，开发了一个VOFDM规范。OFDM论坛已经在IEEE 802.16无线MAN会议上向802.16.3分会递交了物理层建议，在这个会议上除了CDMA外有许多OFDM的建议被提出 。

除了标准无线局域网的系统研究外，许多公司与研究机构已经对OFDM的关键技术进行了广泛的试验，在基于OFDM高速无线传输上取得了很好的成果。

AT&T在4G物理层的方面进行了智能天线、多输人多输出系统、空—时编码、动态包分配和 W-OFDM等的研究。已经在室内和现场测试中验证了OFDM接收系统分离不同天线接收所信号的能力，完成了全移动和室外到室内环境下发射天线、接收天线配置的测试。

Flarion技术公司致力于 Flash-OFDM的研究与推广;Wi-LAN公司的W-OFDM技术在最近的测试中，对70mph的移动系统达到了30Mbps的数据传输速率，超过了业界对4G期望的10Mbps速率。

Lucent实现了室内8发射天线、12接收天线在30kHz带宽26bps/Hz的传输率。

符合IEEE802.11a标准的ASIC已经批量生产，内置所有物理层的信号处理功能，包括参量化的均衡器、时钟偏移跟踪、可编程的模式捕获与转换器等，可以达到标准54Mbps的速率 。

2、的发展趋势

今后，OFDM的发展方向主要是增加传输距离、进一步提高传输速率以及与现有的网络设备兼容。随着数字信号处理和大规模集成电路技术的飞速发展，OFDM调制已经逐渐应用到无线通信、高清晰度广播电视等领域。采用OFDM技术实现电力线上高速数据的传输是一个崭新的课题，这方面Intellon公司率先在全球做了积极的探索。该公司经过几年的努力研制出了电力线高速数据的产品PowerPacket。该系统采用OFDM技术，将4．3 MHz～20．9 MHz的频带划分成84个子信道，每个子信道可以采用DQPSK、DBPSK或ROBO调制方式，传输速率不小于14Mbps 。

OFDM调制的高速率和良好的性能是通过提高系统复杂性为代价获得的。该技术的最大难点是如何实现各个子信道的精确同步。OFDM的基础是各个子载波必须满足频率正交性的特点，如果正交性恶化，整个系统的性能会严重下降，即产生OFDM所特有的通道间串扰（ICI） 。随着数字信号处理和锁相环（PLL）技术的发展，现在人们可以精确跟踪信道冲激响应的实时变化，均衡ICI的影响。

 

一个完整的OFDM系统原理如图1所示。OFDM的基本思想是将串行数据，并行地调制在多个正交的子载波上，这样可以降低每个子载波的码元速率，增大码元的符号周期，提高系统的抗衰落和干扰能力，同时由于每个子载波的正交性，大大提高了频谱的利用率，所以非常适合移动场合中的高速传输。

图1 OFDM系统原理框图

 

根据OFDM的基本原理，利用Matlab编写的系统仿真程序，仿真参数设置为：每信噪比条件下传输1 000个OFDM符号，共有64个子波，FFT／IFKT点数为64，循环前缀长度为3μs，基带调制模块选择为MPSK或者MQAM方式，多普勒频移为200 Hz，通过小尺度衰落信道模型进行仿真。在上述前提条件下，仿真结果如下：

（1） BPSK和QPSK仿真结果与分析

由图3，图4误码率曲线图可以看出，在只有高斯白噪声的情况下，BPSK和QPSK两种调制方式下，随着信噪比的不断增大，误码率在不断地减小，而且输入信号的信噪比越大，影响越明显。究其原因，主要是随着信噪比的增加，噪声功率有所下降，因而误码率也随之下降。

图4 QPSK调制方式下系统的误码率

 

由图3，图4中还可以看到，由于多径传输引起频率选择性衰落的存在，在BPSK和QPSK中对误码率产生了比较大的影响，严重地影响了系统的性能。尤其是在QPSK中，影响更为突出，更为明显一些。由此可见，BPSK在性能方面稍好于QPSK。

（2） 16QAM和64QAM仿真结果与分析

由图5，图6误码率曲线图可以看出，相同点是在只有高斯白噪声的情况下，16QAM和64QAM两种调制方式随着信噪比的不断增大，误码率在不断减小，不同的是在同一信噪比下，16QAM的误码率明显比64QAM的误码率低。

图6 64QAM调制方式下系统的误码率

由图5，图6还可以看出，加上频率选择性衰落后，在16QAM和64QAM中频率选择性衰落对误码率的影响也是比较大的，而且输入信噪比越大，对误码率的影响也就越大。

由此可见，16QAM在性能方面稍好于64QAM。

所以，综合以上实验结果，可以清晰地比较出两种调制方式，即MPSK和MQAM的优缺点。

由仿真所得的误码率曲线图可以看出，在相同信噪比条件下，采用BPSK和QPSK调制方式比采用16QAM和32QAM调制方式的误码率要小，但是当M比较大时，性能不如QAM调制方法的好。每个子信道可采用不同的调制方式，选择时要兼顾数据速率、频谱效率以及传输的可靠性，以频谱利用率和误码率之间的最佳平衡为原则，采用自适应技术，特性较好的子信道可采用效率较高的调制方式，而衰落较大的子信道选用效率较低的调制方式，选择满足一定误码率的最佳调制方式可以获得最佳的频谱效率。