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论文研究-基于Simulink的MIMO-OFDM系统仿真 .pdf

发布时间：2022-05-30 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：0.25M 资料格式：pdf 举报 版权申诉
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    中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 基于 Simulink 的 MIMO-OFDM 系统仿真 （北京邮电大学信息与通信工程学院，北京 100876） 魏江博* 摘要：MIMO-OFDM 作为 MIMO 和 OFDM 技术的结合，不仅可以高速率、大容量地通信传输，而 且有很好的抗噪声和多径的能力。本文建立了一个完整的 MIMO-OFDM 的仿真平台，为实际的 硬件平台提供解决方案，给出性能评估。为建立这个完整的仿真平台，本文介绍了 MIMO-OFDM 技术的基本原理、系统组成，并分析了仿真系统构建过程中的相关具体细节，如 RS 编码， 映射，OFDM 符号生成，IFFT 调制，导频及循环前缀的添加等，最终利用 Matlab 中的建模软 件 Simulink 实现了这个收发仿真系统。 关键词：下一代通信技术；MIMO；OFDM；Simulink 中图分类号：TN-914.5 Simulink-based simulation of the MIMO-OFDM Systems Wei Jiangbo (School of Information and Communication Engineering,Beijing university of Posts and Telecommunications, Beijing 100876) Abstract: As the combination of MIMO and OFDM MIMO-OFDM technology can offer not only large capacity to telecommunications transmission with high-speed, but also good resistance to noise and multipath capability. In this paper, the author constructs a whole MIMO-OFDM transceiver simulation platform in order to give performance evaluation for the future hardware platform.First,this paper describes the basic principles and system components of MIMO-OFDM , and then show the related details of the process of building the simulation system , such as RS coding, mapping, OFDM symbol generation, IFFT modulation, pilot and the addition of cyclic prefix and so on, eventually propose how to use Matlab Simulink modeling software in the transceiver simulation system to achieve this. Keywords:The next generation of communication technology; MIMO; OFDM; Simulink 0 引言 MIMO(Multiple-Input-Multiple-Output)系统利用多天线来抑制信道衰落。根据收发两端 天线数量，相对于普通的 SISO 系统，MIMO 还可以包括 SIMO 系统和 MISO 系统。MIMO 系统信道容量随着天线数量的增大而线性增大。也就是说，可以利用 MIMO 信道成倍地提 高无线信道容量，在不增加带宽和天线发送功率的情况下，频谱利用率可以成倍地提高。利 用 MIMO 技术可以提高信道的容量，同时也可以提高信道的可靠性，降低误码率[1]。 OFDM(正交频分复用)技术实际上是 MCM(Multi-CarrierModulation，多载波调制)的一 种。其主要思想是：将信道分成若干正交子信道，将高速数据信号转换成并行的低速子数据 流，调制到在每个子信道上进行传输。正交信号可以通过在接收端采用相关技术来分开，这 样可以减少子信道之间的相互干扰。每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽，因此每 个子信道上的可以看成平坦性衰落，从而可以消除符号问干扰。而且由于每个子信道的带宽 仅仅是原信道带宽的一小部分，信道均衡变得相对容易[7]。 因此充分挖掘这两种技术的潜力，将二者有效结合可以克服多径效应和频率选择性衰落 带来的不良影响．实现信号传输的高度可靠性，还可以增加系统容量，提高频谱利用率，是 第四代移动通信的热点技术。 作者简介：魏江博，（1986-），男，硕士研究生，主要研究方向：下一代无线网络. E-mail: huoji39@gmail.com - 1 -
    中国科技论文在线 1 MIMO 与 OFDM 理论原理与结构 1.1 MIMO 信道模型 http://www.paper.edu.cn 假设一个单用户 MIMO 系统有 Tn 根发射天线、 Rn 根接收天线。用离散时间描述复基带 线性系统模型，其系统框图如图 3-1 所示（见图 1）： 11h 12h 21h 22h 2Rnh 1 Tnh R Tn nh 1x 2x Tnx 空时编码器 1r 2r 2 Tnh 空时译码器 1Rnh Rnr 图 1 MIMO 系统信道模型 Fig. 1 MIMO system channel model 用 1Tn × 维矩阵 X 来表示每个符号周期内的发射信号，其中第 i 个元素 ix 表示第 i 根发 射天线发射的信号，信道矩阵用 H 表示，其中的 mnh 表示从发射天线 n 到接收天线 m 的信 道增益系数。系统的工作原理如下：传输信息流 )(ks 经过空时编码形成 Tn 个信息子流 )(kci ， 1,2, = 。这 Tn 个子流由 Tn 根天线发射出去，经信道 H 后由 Rn 个接收天线 n , T i 接收。多天线接收机利用先进的空时处理技术能够分开并解码这些数据子流，从而实现最佳 处理。 特别是，这 Tn 个子流同时发送到信道中，各发射信号占用同一频带，因而并未增加带 宽。若各发射接收天线间的信道响应相互独立，则 MIMO 系统可以创造多个并行的空间信 道。通过这些并行空间信道独立地传输信息，因而，数据率可以提高[1]。 1.2 OFDM 基本原理 OFDM 时间离散系统模型与时间连续系统模型相似，如图 2 所示。 循环前缀 CP 使得 ( ) s n 的循环扩展，根据数字信号处理的知识当 CP 的长度 s n 成为 1( ) r n 去掉循环前缀后所得 r 为 + = ⊗ s n ( ) 1 ≥ ( )g n （的支撑即最大非零定义域）长度时， ( ) g n N n ( ) ( ) 1 r n ( ) 1 其中，“ ⊗ ”表示循环卷积运算。 根据 DFT 的时域卷积定理，经过 FFT 后的输出为 y n )} = = ( X n D F T g n ( )] + X n G n N n ( ) 1 ID F T X n ( 1 D F T ⋅ ⋅ ( )] ⊗ N n ) { [ [ + N n ( ) ( ( g n ( ) + ( ) ( = ) ) 1 - 2 -
    中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 图 2 OFDM 时间离散系统模型 Fig. 2 OFDM discrete system model 其中 ( )G n 是信道的频域响应，通过简单的均衡就可用消除其影响，提取出所传输的数据 ( )X n 。 应该指出，虽然 CP 在一定条件下可以完全消除 ISI 和 ICI，但接收信号去掉 CP 后在作 DFT 前，仍然存在帧内符号间干扰，即 OFDM 帧符号与信道作了（循环）卷积，经 DFT 解 卷积后，通过均衡消除了帧内符号间干扰并得到信息序列 ( )X N 。 我们知道，两个 N 长序列的时域循环卷积是 N 长序列，经 DFT 变换到频域后，对应的 是两个 N 长序列 DFT 的乘积，这就是著名的 DFT 的卷积定理。即 DFT 解卷积解的是循环 卷积，由于离散序列经过线性系统后的输出是序列与线性系统的冲击响应的线性卷积，因此 不可以直接用 DFT 解卷积。循环前缀 CP 的作用就是将线性系统对离散序列的卷积作用变 成循环卷积（根据数字信号处理的理论可以知道，只有 CP 的长度≥信道冲击响应的长度时 才是如此），从而可以利用 DFT 解卷积[2]。 当 CP 的长度大于信道的最大时延时，一方面 CP 起到了保护间隔的作用，所以可以完 全消除由于信道的多径传播造成的 OFDM 的符号间干扰；另一方面，从以上分析可以知道， DFT 的输出的信号项仅受到（子）信道的固定的衰减，而不存在子信道间的干扰，即 CP 还 起到了保持子载波间的正交性的作用，从而消除了载波间干扰（Intercarrier Interference，ICI）。 当各子载波用 QAM 或 MPSK 进行调制时，如果基带信号采用矩形波，则每个子信道上 已调信号的频谱为 ( )Sa x 形状，其主瓣宽度为 2 sT Hz，其中 sT 为 OFDM 符号长度（不包括 CP）。 由于在 sT 时间内共有 OFDM 信号的 N 个抽样，所以 OFDM 信号的时域抽样周期为 sT N 。由 于相邻子载波之间的频率间隔为 Δ = f f s N = 1 T s [7] f Δ = sf N ，其中 f 为 OFDM 信号的抽样频率，即， 所以 即这些已调子载波信号频谱 ( Sa x 函数的主瓣宽度为 ) 2 sT ，间隔为 - 3 - 1 sT 。根据 ( Sa x 函数 )
    中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 的性质，知道它们在频域上正交，这就是正交频分复用（OFDM）名称的由来。 我们知道，一般的频分复用传输系统的各子信道之间要有一定的保护频带，以便在接收 端可以用带通滤波器分离出各子信道的信号。保护频带降低了整个系统的频谱利用率。 OFDM 系统的子信道间不但没有保护频带，而且各子信道的信号频谱还相互重叠，如图 2-5 所示，这使得 OFDM 系统的频谱利用率相比普通频分复用系统有很大提高，而各子载波可 以采用频谱效率高的 QAM 和 MPSK 调制方式，进一步提高了 OFDM 系统的频谱效率。 应该指出，由于循环前缀的影响，OFDM 信号的频谱结构将发生一定的变化，但这仅 仅使信号的某些频谱成份得到增强，而不会使 OFDM 信号增加新的频率成份。 我们知道，移动信道一般存在多径传播问题，使信道表现出明显的衰落特性。信道的多 径衰落在单载波传输系统中往往会产生严重的码间干扰，使得接收机往往需要比较复杂的均 衡滤波器，所以设计单载波高速移动通信系统的均衡器是一项富有挑战性的工作。OFDM 系 统利用 N 个子载波，将整个信道划分成 N 个窄子信道，在每个子信道上信道的衰落近似平 坦衰落，而且每个子信道上的码速率也比较低，这使得 OFDM 系统的均衡滤波器的设计比 较容易，一般每个子信道只需要一个单抽头的（自适应）均衡器即可，这也是 OFDM 吸引 人的特点之一[8]。 OFDM 子信道间的间隔对系统的性能有很大影响。子信道间隔越大，由于各种因素造 成的子信道间的干扰越小，但同时系统的频谱效率也越低，由于子信道带宽的加大，系统抗 击频率选择性衰落的能力也下降；反之，为提高系统的频谱效率而缩小子信道间的间隔，必 然使系统的子载波间的干扰加大；系统设计人员需要在它们之间折衷。信道带宽和 FFT 的 点数决定了 OFDM 子信道间的间隔，确定子信道间隔的一般原则是，满足系统频谱利用率 和保证 OFDM 系统的良好的抗击频率选择性衰落的前提下，尽可能加大子载波间的间隔[2]。 2 基于 simulink 的系统仿真 2.1 系统的模块化 我们使用 MATLAB 下的工具 simulink 对该系统建模。Simulink 采用模块化方式，每个 模块都有自己的输入/输出端口，实现一定的功能。在 Simulink 中，仿真模型表现为若干个 仿真模块的集合以及这些模块之间的连接关系，这就使得仿真的设计和分析过程变得相对直 观和便捷，同时有利于仿真模型的扩充。Simulink 提供了专门用于显示输出信号的模块，可 以在仿真过程中随时观察仿真结果[5]。系统的模块化框图如图 3 所示。 2.1.1 信源 调用通信工具箱中的 Bernoulli Binary 发生器,产生服从伯努利分布的随机二进制输人 数据。产生序列中 0 和 1 出现的概率基本相等,采用一个基于帧的矩阵的输出信号,每列采样 个数是 44。 2.1.2 编码 调用通信工具箱中的 RS 编码和解码模块,仿真参数设置码子长度为 15 ,信息长度为 11。 2.1.3 信号调制映射和解调逆映射 调用通信工具箱中的调制和解调模块,设置采用 QPSK 基带调制，输入类型为 bit，星座 图编码方式为 gray，相位偏移π/4。 - 4 -
    中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 信 源 信 宿 RS 编 码 RS 解 码 QPSK 映射 空时 编码 QPSK 解调 空时 解码 OFDM 调制 OFDM 调制 OFDM 解调 OFDM 解调 图 3 MIMO-OFDM 系统模型 Fig. 3 MIMO-OFDM system model 2.1.4 OFDM 发送和接收模块 串/并 并/串 添加训练符 号 添加循环前 缀 填充零 IFFT 图 4 发送端模型 Fig. 43 OFDM transmitter 信道 图 4 中的 ADD Training 需要根据事先设计的训练符号,将其插入到 OFDM 符号中,由 PN 随机序列产生器和单极/ 双极转换器模块组成。ZeroPad 用于实现过采样,采用 Buffer 和 Selector 组成; IFFT 用于实现子载波调制,直接从 DSP 库中调用 IFFT 模块组成;ADD CP(循 环前缀) 需要根据设计的循环前缀长度,将其插入到 OFDM 符号的最前面,采用 Selector 即 可。 串/并 并/串 去除循环前 缀 分离训练符 号 图 5 接受端模型 Fig. 5 OFDM receiver FFT 去零 图 5 中 Remove CP 用于去除在发送端插入的循环前缀; FFT 用于实现自载波解调;Del Zero 用于去除在发送端插入的虚子载波; Separate Training 将和 OFDM 符号一起传输的训 练序列分离出来,用于后面的信道估计和信道补偿。 - 5 -
    中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 1 2 Vert Cat Horiz Cat Select Rows 0 Zero Pad IFFT Add Cyclic Prefix 1 图 6 OFDM 调制模块图 Fig. 6 OFDM modulation block 2.1.5 并串和串并模块 并串变换由 Unbuffer 实现。相应地,接收端的串并变换由 Buffer 实现。 2.1.6 信道 为了研究信道和噪声对 OFDM 传输系统的影响,采用加性高斯白噪声信道(AWGN) 和 多径瑞利衰落信道(Multipath Reyleigh Fading) 模块进行仿真。 2.1.7 信道估计和信道补偿模块 在 simulink 下也将其封装成一个子系统。发送端的 Training 产生特殊的训练序列用于 接收端进行信道估计和信道补偿。对于实际系统的信道估计,可有好多估计方法和估计算法, 复杂度和可靠性也不尽相同。这里采用如图 7 所示的信道估计和信道补偿模型,其中信道估 计采用 LS (LeastSquare 最小平方) 模型估计[5]。 原始训练序列 信息 求逆 乘法器 接受的训练序列 求逆 恢复原始信号 乘法器 接收信号 图 7 信道估计和信道补偿仿真模型 Fig.7 Channel estimation and channel compensation simulation model 图 7 中的原始训练序列具体由 PN 序列信号发生器产生,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 Math 库中调取即可。 2.2 系统仿真模型 通过上一节对各个子模块的详细分析，我们在 simulink 下将以上模块联接起来，建立了 如下系统模型，并分别在 RS 编码前与编码后设置了误码率计算与显示模块。将各个子系统 封装后，整个系统仿真如图 8 所示。 - 6 -
    中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn Training Bernoulli Binary RS(15,11) Encoder QPSK Mapping OFDM Baseband Modulator dan Add Cyclic Prefix Training Insertion P/S SER Calculation 0 SER Error Symbol Total Symbol SER Calculation 0 SER Error Symbol Total Symbol RS(15,11) Decoder QPSK Demapping Remove Zero Channel Compensation Channel Estimator OFDM Baseband Demodulator dan Remove Cyclic prefix 图 8 MIMO-OFDM 在 simulink 下仿真模型 Fig. 8 MIMO-OFDM simulation model in simulink 3 仿真结果分析 根据以上仿真分析，设置相应的参数，得到了如下的仿真结果。 Multipath Rayleigh Fading AWGN Training Separation S/P 图 9 发送端经 RS 编码,QPSK 调制，IFFT 变换后的归一化功率频谱图 Fig. 9 normalized power spectrum after IFFT 图 10 经过信道后的归一化功率频谱图 Fig. 10 normalized power spectrum of OFDM receiver 根据理论上对 OFDM 符号的功率谱分析可知,随着子载波个数增大,其幅频特性图逼近 - 7 -
    中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 于理想低通滤波器。显然图 4-16 的发送端和 4-17 接收端的归一化功率频谱图基本吻合,可知 建立的仿真模型系统基本正确。但也存在一些问题,在经过了多径瑞利衰落信道和加性高斯 白噪声信道之后,接收端信号功率频谱受到一定程度的影响和损坏。 在仿真过程中,接收端的信号功率频谱图的上升沿和下降沿一起上下起浮,不是很稳定。 这是由于多径瑞利衰落信道中延迟和增益参数设置问题所导致,也验证了此仿真系统是在窄 带信道下进行的仿真。当对二参数设置为相同(都等于零) 的条件下,窄带行为更为明显;当对 二参数取值增大,则接收信号功率频谱图上升沿和下降沿不在一起上下起浮,从而显示出宽带 行为特征。这是信道特性对 OFDM 系统特性显著影响的表现。 图 11 经过编码、QPSK 映射、IFFT 变换后的发送信号图 Fig. 11 transmitted IQ signal 图 12 经过信道后未经 FFT 变换的接收信号图 Fig. 12 received IQ signal 下面给出系统误码率性能，参数设置为信道最大多普勒频移 200HZ，64 点 FFT 调制， 将 AWGN 模块参数 Es/N0 分别设置为 9，12，15，18，21，分别输出其误符号率，得出其 折线图，由图 4-20、4-21 可看出系统误码率随信噪比的增大逐渐减小，符合设计要求。 - 8 -
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