1、 兴等：基于Simulink的OFDMFH通信系统仿真 基于Simulink的OFDMFH通信系统仿真 陈长兴，巩林玉，牛德智 (空军工程大学理学院，陕西西安 710051) 摘要：在介绍基于正交频分复用技术的跳频系统(OFDMFH)原理的基础上，利用MatlabSimulink工具搭建了基于 OFDM-FH系统的仿真链路平台。通过分析在Rayleigh多径衰落信道和高斯噪声信道下的仿真结果，比较了OFDM-FH系 统与常规OFDM系统、传统跳频系统的误码率性能。 关键词：跳频；正交频分复用；Simulink；Rayleigh多径衰落 中图分类号：TN91l 文献标识码：A 文章编号：1004
2、-373X(2010)07005003 Simulation on OFDMFH Communication System Based on Simulink CHEN Changxing，G0NG Lin-yu，NIU De-zhi (Science Institute，Air Force Engineering University，Xian 710051，China) Abstract：The theory of OFDM technique and FH communication system are introduced firstly，then the MatlabSimulin
3、k toolbox is used to set up a simulation model for OFDMFH system simulationThe model is validity proved by the simulation results in Rayleigh and AWGN channels conditionThe preferences among OFDMFH system，traditional OFDM system， MFSKFH system are compared Keywords：hopping frequency；OFDM；Simulink；Ra
4、yleigh multipath fading 跳频系统具有优良的抗干扰能力和多址组网能力， 在军用和民用无线抗干扰通信领域获得了广泛的研究 和应用。然而，传统的跳频系统采用串行调制方式，其 数据传输速率低，频带利用率小，难以适应宽带无线通 信传输大容量数据的要求1 。OFDM技术通过串并 转化，将高速数据流分配到速率相对较低的若干个子信 道中同时传输，可以减弱甚至消除符号间干扰(ISI)的 影响_3 ，本文利用MatlabSimulink工具，搭建了 OFDMFH系统的仿真链路平台，通过仿真，分析了该 系统在多径瑞利衰落信道和高斯白噪声信道下的误码 率性能。 1仿真平台的建立 11 系统仿真
5、链路 Simulink提供了丰富的通信模块库，充分利用这 些模块可以搭建起OFDMFH通信系统的链路级模 型，如图1所示_5 。 仿真流程：由信源产生随机二进制符号序列，经过 ReedSolomon编码和正交相移键控(QPSK)模块进行 星座映射后被OFDM调制。调制后的输出为每帧 收稿日期：20091024 基金项目：国家863项目资助(2007AAJ129)；陕西省重点实验室 项目(200906B) 50 256个符号，加入64个符号的循环前缀后，每帧的符号 数增加到320个。然后将并行信号转换为串行信号后 与跳频载波相乘，完成频率的跳变。经过跳频调制后的 信号在不同时刻有不同的跳变频率，
6、因此能够有效地对 抗无线干扰，同时瑞利衰落信道的衰落谷点因频率的不 同而存在于不同的地点，采用跳频起到了频率分集的 作用。 仿真主要参数设置为：信号速率为352 Mbs，纠 错编码方式为RS(15，11)，采用QPSK方式进行星座 映射，OFDM运算点数为256，加入64个符号的循环前 缀，跳频载波频率为300 MHz，最小跳频间隔为5 kHz， 跳速为10 000跳s，可用跳频数位1 024个。 至习r 墨H鲨H 信源 I l L_= 主 画 l Fad BR 图1 系统仿真结构图 12 OFDM子系统的设计 OFDM子系统主要完成信号的OFDM调制以及 插入训练序列和保护间隔的工作，整个子
7、系统的内部链 路如图2所示。 2010年第7期总第318 图2 OFDM子系统结构图 这里的PN序列发生器用来产生随机的训练序列， 与串并变换后插入导频符号的信号序列一起被扩展成 每帧256位的数据符号后，进行离散傅里叶逆变换，实 现OFDM调制。为了消除符号间干扰，还要在每个 OFDM符号之间加入保护间隔(GI)。一般选择符号周 期长度为保护间隔长度的5倍，这样由于插入保护比特 所造成的信噪比损失只有1 dB左右_7。本文的仿真 中，采用循环前缀(cP)作为保护间隔，循环前缀的长度 为64位，正好为整个OFDM符号(320位)的15。 13 跳频载波发生器子系统 跳频载波发射器由PN码序列发
8、生器和压控振荡 器构成，其内部链路如图3所示。 l 图3 跳频子系统结构图 采用Simulink中的伪随机序列发生器，系数参数 设置为(1 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1)，这样可实现本原多项 式为厂(z)一z +z。+1的10位ITI序列作为跳频序列 的伪随机序列码。将其变换成整数后，馈送到压控振荡 器以控制输出载波。图4为In序列经变换得到的随机 整数和对应压控振荡器产生的跳频载波图。 图4跳频器严生的随机整数和对应的载波频率图 14信道估计子系统 在接收端，本文采用最小平方(LeastSquare，LS) 法搭建信道估计子系统。LS算法就是以最小平方为目 的的信道估计方法，其
9、表达式为嘲： hI s=X Y 其原理框图如图5所示。图中的原始训练序列由 PN序列发生器产生，插入的位置取决于训练序列的设 计。此模型的工作需要在阶跃模块输出控制信号下完 成，而求逆运算、乘法器只需从SimulinkMath库中调 取即可。 口囿一 帧状态 帧状态 In 图5信道估计子系统内部链路图 2仿真结果分析 运行图1所示的仿真系统模型，可得到如下的仿真 结果。 文献9，io从理论上证明，随着子载波个数的增 大，oFDM符号的幅频特性逼近于理想低通滤波器。 显然，图6所示发送端OFDM调制信号的归一化幅频 特性图与一个低通滤波器的频谱图基本吻合，由此说明 本文建立的仿真系统模型是正确的
10、。 图6发射端0FDM调制后的信号幅频特性 从图7可以看出，OFDMFH系统性能总体上优 于常规OFDM系统性能，在低信噪比条件下表现更明 显，但在大信噪比时性能差别不大。单频干扰对两种系 统的误码率性能影响都比较大，增加信噪比能够给常规 OFDM系统带来明显的性能提升，但是对OFDMFH 系统的提升作用不大，这再次说明了OFDMFH系统 对信噪比要求不高，因此可以大大节省发射功率。 仿真中，传统的跳频系统使用二进制频移键控 (BFSK)调制技术，最小频率间隔设为5 kHz。从仿真 结果(图8)可以看出，OFDM-FH系统比起传统的 MFSKFH系统具有更好的误码率性能，尤其在信噪比 比较低时
11、，仍然有很好的性能表现。而且，OFDMFH 系统能够更好地对抗无线信道的多径衰落，增加多径数 带来的性能下降很小，相对来说，MFSKFH系统对多 径衰落的敏感性比较高，增加多径数会带来明显的误码 51 陈长兴等：基于Simulink的OFDMFH通信系统仿真 率增加。另外，增加信噪比并没有给OFDMFH系统 带来显著的性能增益，说明OFDMFH系统对信噪比 要求不高，因此可以大大节省发射功率。 0030 0O25 0020 0 01 5 0010 0005 O 025 O20 基015 010 005 0 常规OFDM 一一常 OFDM-FH 一E一加入单频1 扰的OFDM 一加入单额千扰的O
12、FDM-FH 。、 V - 、 k 、 一 lO 12 14 l6 l8 2O SNR，dB 图7 OFDMFH与常规OFDM性能比较 _一MFSK-Frl(多径数2、 OFDM-FH(多径数2 ， MFSKFH(多往数4、 r OFDM-FI(多径数4 、 - 、 、 k 、1k 、 0 2 4 6 8 10 12 l4 l6 l8 20 SNRdB 3 结 语 图8 0FDMFH与传统跳频系统比较 利用Simulink构建了OFDMFH系统的仿真模 型，在Rayleigh多径衰落信道和高斯信道下，对其进行 了仿真。通过对仿真结果的分析，确定了所建立模型的 正确性。同时利用该仿真平台，研究了
13、OFDMFH系 统与常规OFDM系统、传统跳频系统的性能对比，肯定 了OFDM技术对跳频系统的性能提升作用。论文的研 究为OFDMFH通信系统的链路层研究提供了可行的 系统模型，对复杂电磁环境下的新一代宽带抗干扰通信 技术做出了积极的探索和工程应用准备。 参考文献 El3苟彦新无线电抗干扰通信原理及应用M西安：西安电 子科技大学出版社，2005 2刘焕淋，向劲松，代少升扩展频谱通信M-I北京：北京邮 电大学出版社，2008 E33 SHI Qieun，YANG Zhi-xing，HE Lifeng，et a1All digital baseband frequency hopping OFDM
14、 systemCS1： IEEE International Conference on Com-munication Systems， 2008 4王文博，邓侃宽带无线通信OFDM技术rM2版北京： 人民邮电出版社，2007 5邵玉斌MatlabSimulink通信系统建模与仿真实例分析 M北京：清华大学出版社，2008 I-6邵佳，董辰辉MatlabSimulink通信系统建模仿真与实例 精讲M北京：电子工业出版社，2009 E7欧鑫，龚远强，杨万全基于Simulink的OFDM通信系统仿 真EJ四JII大学学报：自然科学版，2005，42(4)：731-734 8解永军，胡晓毅，王德清，
15、等OFDM水声通信系统定时同步 的FPGA实现J现代电子技术，2009，32(7)：1-3 9LONG Yi，KUANG Lin-ling，LU Jian-huaPreeoded 0FDM system for ICI mitigation over time-frequency se lective Fading channelsi,JTsinghua Science and Teehno- logy，2009，14(2)：20621 1 1O张锐，邓建国，范幼君OFDM系统中一种新型联合时频同 步算法J现代电子技术，2008，31(9)：I-3 作者简介：陈长兴 男，1964年出生，河北宝
16、坻人，博士，教授，博士生导师。主要研究方向为现代通信理论和系统建模与仿真。 巩林_Ix 男，1981年出生，甘肃甘谷人，硕士研究生。主要研究方向为信息系统建模与仿真。 t (上接第49页) 6LID D Z，Wei C HA digital timing recovery scheme for TDMA digital mobile radioi,CAtlanta：Proceedings of the 1 996 IEEE International Symposium on Circuits and Sys terns。1996。 7美PROAKIS J G数字通信M4版北京：电子工业出 版
17、社，2001 8文元美，张树群，林家薇，等现代通信原理M北京：科学 出版社，2005 9MUEI LER K H，MULLER MTiming recovery in digital synchronous data receiversiJIEEE Transon Commun， 1976(14)：516-530 1 OKAY S AFast and accurate single frequency estimation l-JIEEE Transon Inform，1989，37(12)：19871990 11肖大光数字锁相环码位同步电路的改进J长沙铁道学 院学报，1996(4)：9496 作者简介：谭雪霏 女，1982年生出，山东莱西人，助教，硕士。主要研究方向为通信理论与技术。 赵春渡 男，1974年出生，山东滨州人，助教，硕士。主要研究领域为嵌入式通信系统。 陈 巩 男，1983年出生。主要研究方向为通信信号处理。 52
