OFDM技术性能仿真

文章编号:1000-1506(2004)03-0095-04

OF D M 技术性能仿真

于 姝,李开成

(北京交通大学电子信息工程学院,北京100044)

摘 要:基于通信技术的列车运行控制系统(C B TC )是铁路信号的发展方向.正交频分复用OF D M )是一种无线环境下的高速传输技术,它对高速列车控制信息传输中主要受到的由于多径传播引起的快衰落所产生的影响有很强的抵抗能力.本文首先介绍了OFD M 技术的发展和基本原理,然后在计算机上用M atlab 对其性能进行了仿真,仿真中将OF D M 与传统的单载波调制方式———正交振幅调制(16-Q A M )对抗多径干扰的性能进行了比较,最后分析了二者的仿真结果.

关键词:通信传输技术;正交频分复用;计算机仿真;正交振幅调制中图分类号:TN 914.3 文献标识码:A

OFDM Technique Simulation Performanc e

YU Shu ,LI Kai _c he ng

(S cho ol of E le ctronics and Inform ati on Eng ine erin g ,Beijing Jia oto ng Uni vers ity ,Beijin g 100044,Chi na )

Ab s tra ct :C om mun icati on B ase d Train C o ntrol (C BTC )is the tr end o f the railway s ignalin g .Or -tho g o nal Freq uency D iv isi on Mu ltiplexi ng (O FD M )is the m o d ulati o n te chniq ue for w ireles s co m -mu nic ati o ns .OF D M is es pe cially s uitable for hig h _spe ed train c o ntrol c om mun icati on due t o its r e -si stanc e to the mu ltipath interfer ence .This paper intro d uc es the d evel o pm ent ,app licati o n and pri nciple ab out O FD M firstl y .S ec o ndl y the OF D M te chni q ue si mulati on perform anc e u sin g Mat -lab ,and in order to co mpar e OF D M to a traditi onal sin gle carrier c om mun icati on s ystem ,a Quadratur e A m plitu de M od ulati on (16_QA M )s imu lati on c an b e p erform ed .Final ly the paper analy ses and c o mpares their si mulati on resu lts .

Ke y words :c om mu nicati o n trans mis si on ;orth og o nal freq uency di vi si on mu ltiplexin g ;co m puter simu lati o n ;q uadrature am plitu de m o dulati on 基于通信技术的列车运行控制系统是铁路信号的发展方向.为了保证高速列车安全运行,实现列车自动控制,要求列车与地面之间进行双向的、大量的信息传输.为了增加列车与地面之间传输的信息量,国外提出几种不同的方案,其中包括:德国LZ B 自动闭塞系统中采用轨道电缆方式,日本在上越新干线上采用泄漏电缆方式,欧洲ETC S 系统采用G SM -R 纯无线方式也正在试验中等等.可见通信技术是未来列车运行控制中实现车—地之间数据传输

的发展方向.高速列车在车站附近或是在山区主要受到的是由于多径传播引起的快衰落的影响.另外,误码率和传输速率有关,高速传输的最大障碍在于时延扩展造成多径波干扰性(频率选择性衰落)的波形失真

[1]

.

OF D M 是一种无线环境下的高速传输技术,它的主要优点就是对抗多径干扰的能力很强.O FD M 技术的主要思想就是在频域内将给定信道分成许多正交子信道,

在每个子信道上使用一个载波进行调收稿日期:2003-08-04

作者简介:于姝(1979—),女,辽宁沈阳人,硕士生.email :uhsu y @hotimai l .c om

李开成(1966—),男,广西北流人,副教授.

第28卷第3期2004年6月 北 方 交 通 大 学 学 报JO URN AL OF N O RTHE RN JIA O TON G UNIVE RSITY

Vo l .28No .3

Ju n .2004

制,并且各子载波并行传输.这样,尽管总的信道是非平坦的,具有频率选择性,但是每个子信道是相对平坦的,在每个子信道上进行的是窄带传输,信号带宽小于信道的相应带宽,因此可大大地消除信号波形间的干扰.由于在OF D M系统中各个子信道的载波相互正交,它们的频谱是相互重叠的,这样不但减小了子载波间的相互干扰,同时又提高了频谱的利用率.

1OFDM技术

1.1概述[2,3]

OF D M并不是如今发展起来的新技术,它的概念于20世纪50、60年代提出,这种技术的应用已有近40年的历史,主要用于军用的无线高频通信系统,由于一个OF D M系统的结构非常复杂,所以限制了它的进一步推广.1971年W einstein和E bert提出了使用离散傅立叶变换实现OFD M系统中的全部调制和解调功能的建议,简化了振荡器阵列以及相关接收机中本地载波之间严格同步的问题,为实现O FD M的全数字化方案作了理论上的准备.在有线信道的研究中,Hiro saki于1981年用离散傅立叶变换(OFT)完成的O FD M调制技术.1984年,C imi-ni提出了一种适于无线信道传送数据的OF D M方案.其特点是调制波的码型是方波,并在码元间插入了保护间隙,该方案可以避免多径传播引起的码间串扰.

进入20世纪90年代以后,OF D M的应用又涉及到了利用移动调频(FM)和单边带(S S B)信道进行高速数据通信、陆地移动通信、高速数字用户环路(H DS L)、非对称数字用户环路(A D SL)、超高速数字用户环路(VHD S L)、数字声广播(D A B)及高清晰度数字电视(H DTV)和陆地广播等各种通信技术.

1.2OFDM的基本原理

OF D M采用傅立叶变换(FFT)和傅立叶反变换(IFFT)来实现调制和解调,对于由时延扩展造成的符号间干扰(Inters ym b ol i nterf erenc e),通过添加保护间隔(G uard interval)的办法可以予以有效消除.保护间隔长度T g一般要大于无线信道的最大时延扩展,这样一个符号的多径分量就不会对下一个符号造成干扰.在这段保护间隔内,可以不插入任何信号,即保护间隔是一段空闲的传输时段.然而在这种情况中,由于多径传播的影响,会产生信道间干扰(IC I),即子载波之间的正交性遭到破坏,使不同的子载波之间产生干扰.为了消除由于多径传播造成的IC I,将原来宽度为T u的OF D M符号进行扩展,即将原符号尾部宽度为T g的部分拷贝以后添加到其头部,成为宽度为T s的新符号,如图1所示(T s =T u+T g).在图1中的阴影部分为原符号尾部的信号波形.保护间隔内的信号又称为循环前缀(Cycl ic Pretix).在实际系统中,OF D M符号在送入信道之前,首先要加入循环前缀,然后送入信道进行传送.在接收端,首先将接收符号开始的宽度为T g的部分丢弃,将剩余的宽度为T u的部分进行傅立叶变换,然后进行解调.加入保护间隔之后会带来功率和信息速率的损失,其中功率损失为

v gnard=10l g(T g/T u+1)(1)从式(1)中可以看到,当保护间隔占到有用符号持续时间的1/4时,功率损失也不到1d B.但是带来的信息速率损失达20%.尽管这样,插入保护间隔却可以消除符号间干扰的影响,因此这个代价是值得的

[4].

图1OFDM符号循环扩展

Fig.1C y cle pref ix o f O FD M s y m bol

设f k是一组载波(总数为N),各载波间频率关系为

f k=f0+k/T u k=0,…,N-1(2)式中,f0是中频频率.作为载波的单元信号为φj,k(t)=

g k(t-jT s)-∞

g k(t)=

e i2π

f k(t-T g)(0≤t

0其它

{(4)

易知式(3)中的载波是两两正交的,即

∫T s

T

g

g n(t)g*m(t)d t=

T u m=n

0m≠n

{(5)

式中,“*”表示共轭复数,m、n∈k.

OF D M信号的数学表达式是[5,6]

s(t)=R e{∑+∞j=-∞∑N-1k=0z j,k g k(t-jT s)}(6)式中,z j,k为第j个符号第k个载波上的调制信号,当每个载波上用四相相移键控QP SK调制时,z j,k 是一个复数,即z j,k=±1±i.不妨设j=0,代入g k(t),得到

s(t)=R e e i2πf0t∑

N-1

k=0

z k e i2πk(t-T g)/T u

{}(7)花括号内的是复包络s q(t),脚标q代表符号为复

6

9北方交通大学学报第28卷

数.取t =nT ,其中,T =T u /N ,n =0,1,…,N +T g /T -1,那么

s q (n )=

∑

N -1

k =0

z k e

i

2πk (n -T g

/T )

N

(8)

依据级数周期性s q (n +N )=s q (n )可知,前T g /T 个样值确是最后T g /T 个样值的重复.如果只考虑后N 个样值,那么显然除一个常数因子外,它就是N 点的离散傅立叶反变换,可用IFFT 实现.类似地,在解调时可以用FFT 实现OF D M 信号的分解.

设s q (t )=x (t )+iy (t ),那么s (t )=R e {s q (t )e

i 2πf 0

t

}=

x (t )c os 2πf 0t -y (t )s in 2πf 0t (9)

可见,OFD M 信号是复包络的实部和虚部对f 0进行正交调制的结果.因此,只要实现信号的复包络,再经过正交调制便完成了整个调制过程.

2 OFDM 的仿真设计

2.1 仿真设计

在这个仿真中,首先要设计一个OF D M 通信系统

.图2是用M ATLA

B 仿真的简化的流程图.图2 基于FFT 实现的OFDM 系统框图Fig .2 O FD M s yste m base d on FFT

由图2可知,在发送信号的时候,首先将输入的数据由串行的数据流变为并行的数据组.每组数据就是一个符号X (k ),每个X (k )对应一个子载波.举例说明,一并行的数据组包括4个符号[X (0)X (1)X (2)X (3)].在进行快速傅立叶反变换(IFFT )之前,这个数据组在频域的水平轴是如图3排列的.这种相对于竖直轴的对称排列有利于用IFFT 处理这些数据.经过IFFT 的处理,这些数据从频域转变为相应的时域抽样.IFFT 对于O FD M 系统来说是非常有用的,原因是它产生的带有频域成分的波形抽样满足正交性的条件.经过这些处理

之后,这些并行的数据再变为串行的数据流

,完成了OF D M 符号的调制,最后作为时域采样输出.

图3 符号的频域分析

Fig .3 Freq uen cy d o main d istrib ution of s y m bo ls

接收过程与发送过程正好相反.首先,O FD M 符号由串行的数据流变为并行的数据组.快速傅立叶变换(FFT )将时域的抽样变回到频域来表示,这些频域成分与原始信号相对应.最后,再经过并行到串行的转换恢复为原始的输入数据

.2.2 仿真结果

仿真的数据是一个大小为20K 比特的音频文

图4 仿真结果图

Fig .4 Si m ulatio n re sult

7

9第3期 于 姝等:O F D M 技术性能仿真

件,即对这个单频文件进行调制发送、无线信道的多径干扰、接收解调一系列完整的仿真过程.为了将OF D M与传统的单载波调制方式进行比较,仿真过程中分别采用O FD M和16-QA M两种调制解调器方式对上述的音频文件进行发送调制和接收解调,并对仿真结果进行了比较.

计算两者的误码率(B it Error Rate,缩写BER),在OF D M调制下的B ER为0.114%,在16_QA M 调制下的B ER为31%.可见在相同的信道条件下, OF D M要比16_QA M具有更强的抵抗多径干扰的能力.

从仿真结果可知,在相同的条件下,在传输性能上,O FD M传输系统比传统的单载波传输系统(如16_QA M)更适合有多径干扰存在的信道.

参考文献:

[1]王俊峰.交织技术用于提高无线传输高速列车控制数据

宰时性的研究[J].移动通信,2001,(2):38-41.

Wan g J un_fen g.Th e Rese arch abo ut Using Interle av ing Te chnique to Improv e the Re alti me Prope rty in Wi reles s Trans m issi o n of B ullet_Train C ontrol D ata[J].Mobil e

C o m m u nic ati on,2001,(2):38-41.(in Ch inese)

[2]李引新,赵姚同.正交频分多路(O F D M)的实现方式及

性能分析[J].电讯技术,1998,38(6):10-15.

Li Y in_x in,Zhao Y ao_to ng.Re aliz atio n m o de and P erfor-m anc e Analy sis of O F D M[J].Tele co m m unic ati on Engi-ne erin g,1998,38(6):10-15.(in Chine se)

[3]赵亚红,李伟华,吴伟陵.正交多载波调制(O FD M)技术

及其应用[J].电讯技术,2001,41(1):92-95.

Zha o Y a_ho ng,L i Wei_hua,W u Wei_li ng.Te chni q ue and

A pplicatio n of O F D M[J].Tele co m m unic ati o n Eng ine er-

ing,2001,41(1):92-95.(in C hinese)

[4]周宏,潘亚涛,陈健.宽带高速O F D M的实时实现[J].数

据采集与处理,2001,16(3):363-37.

Zh ou Hon g,P an Y a_ta o,Chen Jian.Re al_Tim e Re aliz a-ti o n of Wi deban d H ig h_Spe ed O FD M[J].J o urnal of D ata

A cquisiti on&Proc es sing,2001,16(3):363-37.(in C hi-

nese)

[5]张辉,曹丽娜.现代通信原理与技术[M].第2版.西安:

西安电子科技大学出版社,2002.283-286.

Zhan g Hui,C ao L i_na.P rinciple and Te chni q ue of Present

C o m m u ni c ati o n[M].2nd.X ian:Publishi ng C o mp any of

X ian el e ctro nic Te chn ol ogic al Un iversity,2002.283-286.

(in C hine se)

[6]吴传陵.移动通信中的关键技术[M].第2版.北京:北京

邮电大学出版社,2001.232-255.

W u W ei_ling.Pivotal Te chni qu e of Mob ile C o m m u inc ati on [M].2n d.B eijing:Publis hingC o m pan y o f Be ijin g Univ er-sity of Po sts an d Tele c o m m un ic ations,2001.232-255.(i n Chin ese)

(上接第94页)

由图3可以看出,算法能适应环境的变化,克服信道衰落,具有较强的多址干扰抑制性能,更适合于实际应用.

2结束语

本文使用L M K准则,提出了一种适用于多径衰落信道中的盲自适应多用户检测算法,并对这种算法的性能进行了分析和仿真.分析和仿真表明,这种算法的性能符合解相关条件,收敛性能和稳态性能和子空间方法类似,且实现复杂度相对较低,有一定的研究和应用价值.

参考文献:

[1]M adho w U.B lin d Ad aptiv e Interferen ce Su ppres io n for D i-

re ct_S eque nc e C D M A[A].Pro c ee din gsof IEEE[C].U S A: IEEE Press,1998,86(10),2049-2069.

[2]Arasaratnam P,Zh u S,C o n stanti nides A G.Bl ock_S hann o

Mu lti_User C o nstant Mod ul us A lg orith m f or Use in Mu lti_ User C D M A En v iro n m ent[J].Ele ctro n ics L etters25th April,2002,38(9):423-425.[3]T sai Kun_D a,Yuan Jen q_Ta y.A Modi fi ed C o n stant M o d-

ul us A lg or ith m(C M A)for J oint Blind Eq ualiz ation and Carr ier Re c o very in Tw o_D im ensi o nal D i gital C o m m un ic a-ti o n S yste ms[A].Proc e edi ng s o f S ev enth International S y m po siu m o n Sig nal Pro ce ssing an d Its Applic ati o ns[C].

Franc e:IEEE Pres s,2003,2:563-566.

[4]C ham bers J A,Tanriku lu O,G onstantinides A G.Le ast_

M ean Kurto sis:A N o vel H ig h Order Statistics Base d on

A dapti ve Filterin g A lgorith m[J].E le ctronics Lette rs,

1994,30(19):1574-1575.

[5]Tanrik ul u O,Gon stantini des A G.The LM K A l g orith m

w ith Ti me_V aryin g Forgetting Fa ctor for Ad aptive Sy stem Ide nti fic ati o n in Additiv e Output No ise[A].IEEE ICA S-SP[C].U S A:IEEE Pres s,1996,3:1850-1853. [6]徐长江,酆广增.基于高阶累积量的盲自适应多用户检

测[J].电子学报,2000,28(7):48-54.

X u C han g_jiang,F eng G uan g_z en g.Blind Ad aptive Mul-ti user D ete cti o n Base d on H ig her O rde r C um u lants[J].A c-ta E le ctronica Sinic a,2000,28(7):48-54.(i n C hinese)

[7]Zu q ian g Tang,Zhi X ing Y ang,Yan Y ao.Blin d Multiuse r

D etector B ased on LM K C riterio n[J].

E lectro nics Letters

18th,1999,35(4):267-268.

8

9北方交通大学学报第28卷