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1、子载波FH-OFDM系统仿真 【摘要】文章结合OFDM与FH两者的特点,分析了两种FH-OFDM通信系统模型,并给出了子载波FH-OFDM系统的公式。在此基础上,利用Matlab对子载波FH-OFDM进行了仿真,并对仿真结果进行了分析,结果表明子载波FH-OFDM具有更好的误码性能和更强的抗多径干扰实力。 【关键词】OFDM FH-OFDM 子载波 Matlab仿真 1 引言 正交频分复用(OFDM)是一种特别的多载波传输方案,它可以被看作是一种调制技术,也可以被当作是一种复用技术。多载波传输把数据流分解成若干个子比特流,这样每个子数据流将具有低得多的比特速率,用这样的低比特率形成的低速率多状
2、态符号再去调制相应的子载波,就构成多个低速率符号并行发送的传输系统。 跳频(FH)技术是一种有效的电子对抗的通信技术,在军事通信领域有着广泛的应用。跳频技术就是在信息传输的过程中,使信道的频率不断跳变的一种通信技术。一般的信道是运用一个固定的中心频率来进行传输信息,这样很简单被干扰和监听;而跳频通信的频率受伪随机序列限制不断改变,可以实现多种跳频图案,只要收发双方的频率跳变规律一样,就可以实现牢靠、平安的通信。 将来的信息化斗争,要求通信网络具有传输语音、数据、图像甚至视频的实力,这就对通信网络的性能提出了更高的要求。详细来说就是要求通信网络具有通信系统数字化、通信处理实时化、高速数据通信、支
3、持高速移动以及更高的抗干扰性等实力。同时,在军事通信中,平安保密始终是一个要重视的问题。因此,我们可以结合OFDM和跳频通信系统各自的优势,来设计FH-OFDM通信系统。 2 FH-OFDM系统构成 2.1 两种FH-OFDM系统模型 OFDM和跳频的结合,可以有两种形式,一种是传统的射频跳频(图1),即在射频端根据预先设置好的跳频频率表进行频率的跳变。 图1射频FH-OFM系统 另外一种就是子载波FH-OFDM(图2)。这种子载波跳频方式是从OFDM的子载波中根据跳频图案动态地选择某个子载波用于信息传输,从而实现跳频通信。例如美国的Flarion公司研发的FLASH-OFDM技术就是在时间上
4、以跳频的方式运用OFDM子载波,高速切换子载波,提高了频率利用率。这种方式在每跳的过程中可以运用某一个子载波(单个子载波FH-OFDM)也可以同时运用多个子载波(多个子载波FH-OFDM),两者的不同也仅在于每一跳运用的子载波数不一样。以下介绍的都是单个子载波FH-OFDM系统。 图2为用OFDM系统实现跳频通信的系统模型框图。与OFDM系统相比,该模型对OFDM系统中的串/并变换和并/串变换部分根据跳频通信进行了相应的修改设计,单个子载波跳频时,在基带端每次只选择一个子载波用于传输数据。 图3是详细的实现方法,发送端发送数据串/并变换后,存储在跳频数据存储器。该存储器单元个数等于IFFT变换
5、的点数。每个OFDM符号周期,由跳频序列产生器产生的跳频序列作为地址,读出的数据到OFDM系统的某个子载波上,进行常规OFDM调制。基带跳频事实上是将比特映射部分改为跳频映射。 2.2 子载波FH-OFDM系统的表达式 依据OFDM的调制解调原理,易知OFDM信号的表达式为: , 0kN-1(1) 其中di为进行IFFT前的数据符号。 假定d表述数据符号的向量d=(d0,d1,dN-1)T,Dk表示IFFT向量exp(j2ki/N),其中i=0,1,N-1,则OFDM的表达式可以表示为:S(k)=D(k)d。子载波的跳频可以看作是对d的编码,假定U(k)为编码向量,则子载波跳频OFDM的表达式
6、为: S(k)=D(k)U(k)d(2) 其中U(k)H=D(k)U(k)为跳频向量。子载波跳频OFDM可以用下式表示: , 0kN-1(3) 其中u(i)为子载波的跳频序列。 2.3 子载波FH-OFDM系统的优势 与OFDM系统相比,子载波跳频OFDM系统具有以下几个优点: (1)FFT/IFFT的引入,使得OFDM系统可以实现全数字化,因此单个子载波跳频OFDM系统可以全数字化,这符合跳频通信系统数字化的发展趋势。 (2)频谱正交是OFDM系统的一个典型特征,因此子载波跳频OFDM系统相对于常规跳频通信系统可以提高系统频谱的利用率。 (3)依据OFDM调制的基本原理,当在基带采纳更为高效
7、的调制方式(如16QAM、64QAM)时,可以有效地提高信息的传输速率。 (4)随着FPGA和DSP性能的不断提高,FFT/IFFT的计算时间可以限制在ns级,因此可以大大提高跳频OFDM系统的跳频速率。同时,利用IFFT将数据调制到不同载波上,这就省去了常规跳频系统中的滤波器组和频率合成器,设备变得简洁。 3 FH-OFDM系统仿真及分析 3.1 FH-OFDM参数设置 根据2.2节的公式,对子载波FH-OFDM系统进行参数设置, 详细如表1: 3.2 FH-OFDM系统仿真结果及分析 本文采纳子载波跳频OFDM的方式,在OFDM子载波中通过跳频随机选择子载波,数据流分散到这些子载波上并行传
8、输。即在基带端利用“K = FFTSize; FH_seq = randint(1,OFDMNum,K)+1”的语句来设置跳频点个数及进行跳频序列设置。依据图2和表1,分别用QPSK和16QAM调制方式在AWGN和Rayleigh信道条件下进行仿真,如图47: 通过以上各图的对比,可以得出以下结论: (1)经过编码的跳频OFDM在QPSK调制方式下在较低的信噪比下就具有较好的误码性能。 (2)采纳QPSK调制方式的子载波FH-OFDM系统,在AWGN信道下具有更低的误码率和更强的抗干扰性能。 (3)在Rayleigh信道下子载波FH-OFDM能获得更好的误码性能,具有更强的抗多径衰落干扰实力。
9、 4 结论 跳频技术在抗干扰、保密性等方面具有其他窄带系统无法比拟的优越性,而OFDM有较高的频率利用率和抗多径衰落的实力。将两者结合而成的FH-OFDM系统,既提高了抗干扰实力,又提高了系统的传输速率;尤其是在多径Rayleigh信道下,FH-OFDM系统具有更好的误码性能及更强的抗多径干扰的实力。因此,它是一种更为高效平安的调制技术,在将来的无线通信尤其是军事通信中将具有广袤的前景。 参考文献 1Scholand T, Faber T, Seebers A, et al. Fast frequency hopping ofdm concept J. IEEE 2022,41(13): 74
10、8-749. 2Antti Anttonen, Sami Siltala, Aarne Mammela. Timing And Phase Offset Sensitivity of Autocorrelation Based Frequency Estimation in an FH-OFDM System C.2022: 2379-2383. 3Al-susa E, Cruickshank D.G.M, Mclughlin S. Practical algorithm for adaptive subcarrier-hopping multicarrier multiple access
11、transmission J. IEEE 2003,39(21): 1544-1546. 4Jiang M, Ng S.X, Hanzo L. Slow Subcarrier-Hopped Space Division Multiple Access OFDM Systems A. 2022 IEEE 62nd Vehicular Technology Conference (VTC2022-FALL), vol.1C.2022. 5彭克武,史其存,杨知行,等. 数字基带跳频调制系统实现方法及实现装置P. 清华高校,2022-3-3. 【作者简介】 郑志国:清华高校电子工程系硕士探讨生,探讨方向:通信信号处理、无线信号调制解调。 张元铜:清华高校电子工程系硕士探讨生,探讨方向:无线通信,嵌入式系统。 梅顺良:清华高校电子工程系教授,博士生导师,探讨方向:数字调制解调、新一代无线通信系统和宽带无线接入等。 第7页 共7页第 7 页 共 7 页第 7 页 共 7 页第 7 页 共 7 页第 7 页 共 7 页第 7 页 共 7 页第 7 页 共 7 页第 7 页 共 7 页第 7 页 共 7 页第 7 页 共 7 页第 7 页 共 7 页