基于OFDM技术的有线传输系统仿真

魏敬和，邹家轩，张 荣，钱黎明，张科新

（中国电子科技集团公司第58研究所，江苏 无锡 214035）

1 引言

随着通讯及数字信号处理技术的不断发展、互联网技术的不断革新以及计算机处理速度的持续提升，各国的主干线传输网已基本上实现了由光纤化、无线数字微波和卫星化。但由于用户接入线的接入速率受到限制，也很难真正享受到高速的通信服务。究其原因，就是我们当时的用户环路仍然是模拟环路，只有用户环路实现了数字化，才能使用户真正跨上信息高速公路。用户环路数字化的技术有很多，xDSL就是其中主要的一种。

xDSL技术主要有HDSL、ADSL、VDSL等三种，由这三种派生出的多种xDSL技术，如SDSL（单用户线高速数字用户环路技术）、UDSL（超高速数字用户环路技术）、IDSL（ISDN DSL）等。由于采用的信号处理技术、调制解调技术和线路码型的不同，故它们的线路速率、传输距离也不同。

xDSL技术的调制解调方式很多，其中20Mbps以下的载波调制解调技术主要是QAM和DMT两种[1,2]，而20Mbps以上高速载波调制方式最主流的是多音频调制技术（DMT），也被称为正交频分复用 OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplex），是一种多载波调制方式，通过减小和消除码间串扰的影响来克服信道的频率选择性衰落。它的基本原理是将信号分割为N个子信号，然后用N个子信号分别调制N个相互正交的子载波。由于子载波的频谱相互重叠，因而可以得到较高的频谱效率。OFDM系统的一个重要优点就是可以利用快速傅里叶变换实现调制和解调，从而可以大大简化系统实现的复杂度。

近几年来数字信号处理（DSP）技术和超大规模集成（VLSI）电路技术的发展解决了大量复杂运算和高速存储的问题，促进了OFDM的实用化。

本文通过高速载波调制解调技术原理及其实现技术的研究，建立信道模型及噪声模型，并进行系统级仿真，仿真结果证明OFDM调制解调技术可应用于1553这样的高速有线传输系统。

2 系统应用环境

本系统的应用场景，系统的传输介质是符合MIL-STD-1553A/B标准的差分电缆，通过变压器组将设备需要接入总线，通过上层协议可实现半双工通信。本系统硬件由基带信号处理和线缆驱动两部分组成，基带信号处理提供可同时收发的模拟接口，而线缆驱动部分则和总线的变压器组相连接，实现物理上的半双工控制。

图1 1553总线应用环境

3 OFDM基本原理

正交频分复用是一种特殊的多载波传输方案，它既可以被看作是一种调制技术，也可以被当作一种复用技术。OFDM的基本原理是将整个信道分成若干个相互正交的子信道，在每个子信道进行调制和传输。这样在每个子载波上的符号持续时间都比信号通过信道最大延迟长，从而容易消除ISI的影响。同时，在OFDM系统中各个子信号的频谱是互相交叠的，在频域上可以很好地保证不同的子载波信号的正交性，而没有信道间干扰（ICI）发生，也提高了信号频带利用率[3,4]。

设一个OFDM信号由频率间隔为Δf 的N个子载波构成，系统总带宽B被分为N个等间距子载波，所有子载波在间隔长度为Ts=1/Δf 的时间内相互正交。在第K个子载波信号上加上一个长度为TG的保护间隔，则所有OFDM组构成的时间连续信号是：

在符号持续时间T比信道的相干时间小得多的情况下，每一个调制符号Sn,k的持续时间内无线信道传输函数H（f，t）可以认为是恒定的。接收到的调制符号在FFT变换之后为：

式（3）中Nn,k是对应子信道上加性噪声。

OFDM高速数据传输系统分为发送端和接收端两大部分，一个完整的OFDM系统框图如图2所示。

4 传输方案的验证

4.1 系统验证规划

为验证所设计传输系统的可行性，分析传输系统的性能，在Matlab Simulink仿真平台上对所设计传输系统的各处理模块进行了仿真分析。根据在仿真模型中功能的不同，顶层仿真模块可以分为三类：

（1）仿真参数初始化模块。用于仿真开始时可配置参数的初始化，包括：信道信噪比（Channel SNR），定义高斯白噪声信道模块输出端的信噪比；信道延时（Channel Delay），用户可控制的固定信道传输延时；频偏（Frequency Offset），系统收发端的频率偏差；相偏（Phase Offset），系统收发端的相位偏差。

（2）传输系统算法仿真模块。实现仿真激励数据的产生，发送端信号处理过程，信道特性模拟和接收端信号处理过程的模块。发送端仿真模型完成发送端所有处理流程的模拟，包括以下10个模块：随机整数发生，RS编码，矩阵交织，64QAM调制，导频插入和子载波映射，OFDM调制，CP插入和加窗，峰均比抑制，同步信号发生，数据帧成帧和物理帧成帧。

图2 OFDM系统框图

传输信道仿真模型主要完成白噪声加入、频偏和相偏加入、信道衰落特性的加入、信道传输延时和群延时特性的加入以及AD采样偏移特性的加入等功能，包括以下7个模块：上变频模块，高斯白噪声模块，低通滤波幅频衰落模块，椭圆滤波群延时模块，信道传输延时模块，下变频模块，信道幅度衰落（Channel Fading）模块。

接收端仿真模型完成接收端所有处理功能的仿真，包括以下7个模块：时间同步模块，相差计算模块，频率补偿和OFDM解调模块，信道估计模块，64QAM解调模块，解交织模块，RS译码器模块。

（3）性能测试模块。完成发送端数据和接收端数据的实时比较，完成错误特性的实时统计。 包括4个模块和多个数据显示器。由于接收端时间同步模块恢复的数据帧在时间上可能存在一个时钟的偏差，因此接收端恢复的数据帧有效指示信号间的间隔可能是非均匀的，而发送端则一定是均匀的，这使得收发端的数据帧指示信号存在不对齐的情况，此时很难使用标准的统计模块进行误差统计。仿真中采用的误码率统计模块其实现时序和原理如图3所示。

图3 误码率统计模块的时序

在S1时钟周期，本地恢复数据帧有效，将本地有效数据帧缓存，设置DES_RDY信号为1，指示本地数据准备好。此时，由于源数据帧尚未到达，源数据准备好信号SRC_RDY为0，所以不进行数据比较。

在S2时钟周期，源数据有效，将源有效数据缓存，设置SRC_RDY为1。程序检测到SRC_RDY和DES_RDY均为1，增加符号计数器值，进行数据比较，根据数据存在多少不同更新错误符号计数器和误符号率。最后，清零SRC_RDY和DES_RDY信号。

S3和S4重复S1和S2过程。S2出现在S1前的时序和上述的一样。由于帧有效指示信号之间的间隔较大，而本地恢复的帧有效指示信号的抖动很小，不会出现发送端/接收端连续两个帧有效指示信号之间没有接收端/发送端帧有效指示信号的错误情况。

4.2 系统仿真结果分析

使用Simulink仿真，对接收模块中QAM解调模块输出和RS译码器输出端的误符号率性能进行了统计分析。信道仅加入高斯白噪声时系统接收端的误符号率性能如图4所示，由图可知，此时只要信道信噪比高于22dB，系统的误符号率性能就能够优于10-5。

信道引入高斯白噪声和通带内幅频衰减时，系统接收端的误符号率性能如图5所示。比较图4和图5，由于采用多载波技术，即使在通带内引入了10个dB左右的幅频衰减，系统的性能也不会有非常明显的下降。当信道信噪比高于22dB时，系统的误符号率性能优于10-5。

图4 误码率性能（白噪声）

图5 误码率性能（白噪声+通带内幅频衰减）

通过仿真验证，得到如下结论：

（1）在64QAM调制时需要22dB以上的工作信噪比；

（2）通带内的幅频衰减特性对系统性能影响不大，可以通过频域信道估计解决。

5 结论

本文通过对OFDM调制解调技术的研究，并将该技术应用于实际的1553高速总线传输系统。通过对该系统物理传输介质的测试，得到该系统信道物理特性参数，根据这些参数，建立系统模型进行仿真，仿真结果显示OFDM技术在有线传输系统上信号传输可以获得可接受的较低误码率。

[1] Dubuc C.,Starks D., Creasy T., et al. A MIMO-OFDM prototype for next- generation wireless WANs [J]. IEEE Communications Magazine, 2004, 42(12):82-87.

[2] Seung Hee Han, Jae Hong Lee. An onverview of peakto-average power ratio reduction techniques for multicarrier transmission [J]. IEEE Wireless Communication, 2005,12(2) :56-65.

[3] Hsien Meng-Han. A Low-Complexity Frame Synchronization and Frequency Offset compensation Scheme for OFDM Systems over Fading Channels [J].IEEE Transactions on Communications, 1999,48(5):377-387.

[4] Koen Vanbleu, Geert Ysebaert, Gert Cuypers, Marc Mooonen.On Time- Domain and Frequency Domain MMSE Based TEQ Design for DMT Transmission [J].IEEE Trans. On signal process, 2005,53(8).