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使用MATLABreg;图形用户界面的多频带OFDM和OFDM仿真软件
Roslina Mohamad，Wan Mohd Hafeez，Wan Mohd Salleh和Nuzli Mohamad Anas
摘要本文介绍了传统的多频带正交频分复用（OFDM）仿真软件 - 信号调制模拟器（SiMiSIM）。 具有图形用户界面（GUI）的仿真系统被构建为使用户比当前的界面或命令行界面友好。 给出三种基本的频率调制技术作为二进制相移键控（BPSK），正交相移键控（QPSK）和正交幅度调制（QAM）的选项。 每个信号都必须面向前向纠错（FEC）编码器，以提高接收端的信号鲁棒性。 该仿真能够模拟误码率（BER）和功率谱密度（PSD）的研究目的以及教育目的。
关键词多波段OFDM加性高斯白噪声误码率前向纠错
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介绍
在早期的并行传输系统中，少数不重叠的子信道共享整个频带，如图1所示。1。 显然，两个相邻子信道之间的保护频带的存在是为了提供不重叠的子信道，
R. Mohamad（＆）WM Hafeez（＆）WM Salleh NM Anas（＆）马来西亚理工大学电机工程学院，40450 Shah Alam，Selangor，马来西亚
电子邮件：roslina780@salam.uitm.edu.my
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WM Hafeez
电子邮件：wanmhafeez@gmail.com
NM阿纳斯
电子邮件：nuzli.anas@gmail.com
James J.（Jong Hyuk）Park et al。 （eds。），Computer Science and Convergence，Lecture Notes in Electrical Engineering 114，DOI：10.1007 / 978-94-007-2792-2_29，
copy;Springer Science Business Media BV 2012
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图1传统的非重叠多载波调制[2]
图2重叠多载波调制[2]
以消除相邻子信道之间可能的干扰，即所谓的载波间干扰（Inter-Carrier Interference，ICI）。 这个保护频带构成了对频谱的浪费。 然而在20世纪60年代中期，频谱效率通过重叠子信道而得到改善，如图2所示。2 节省了使用OFDM技术开发的频谱的50％。 OFDM不仅是在子信道之间正交授权的频率复用技术，而且是多载波调制的特殊情况。 而且，OFDM可以被认为是复用技术或者调制方案[1]。 比较图。1 和2 显然可以节省带宽并用于其他子信道。 另外，OFDM的另一个优点是同时传输多个正交载波。 通过并行传输多个符号，符号持续时间成比例地增加，这减少了由色散瑞利衰落环境引起的符号间干扰（ISI）的影响[2].
本文的目的是描述仿真功能软件，称为信号调制模拟器，简称SiMiSIM，它是利用开发的
MATLABreg;图形用户界面开发环境（GUIDE）提供更好的方便访问。 SiMiSIM不仅适用于OFDM传输，
也模拟多频带OFDM系统。 计算与系统性能有关的各种结果，如BER和其他相关信息，如PSD和信号星座。 因此，它允许用户同时显示多个图形，以便于包括PSK和QAM在内的可用调制选项之间进行比较。
本文的其余部分组织如下：该项目的文献回顾解释在教派。 2，并着重介绍了传统和多频带OFDM系统以及SiMiSIM的引入。 那么，教派。 3描述了系统模型，并解释了涉及基带信号处理的各个模块。 详细的解释包括在这个模拟中使用的数据随机化器，随机交织器，信道编码和信号调制。第4节 讨论了这种模拟工具SiMiSIM的方法，并简要介绍了仿真流程。教派离子5 讨论了从几个例子中得到的结果，并在下一部分继续对这个项目的结论和未来的工作建议。
文献评论
这种模拟工具开发的动机，即所谓的SiMiSIM，是使用GUI的方式，简化与误码率（BER）相关的复杂方程的计算，以及功率谱密度（PSD）。 尽管采用了传统的命令行界面（CLI）方法，但用户可以同时显示各种系统性能结果。
传统的OFDM
正交频分复用（OFDM）是一种众所周知的技术，用于减轻由多路径效应引起的符号间干扰（ISI）。 对于高度分散的信道，OFDM在捕获多径能量方面更为有效，从而提供更高的频谱效率和对窄带射频（RF）干扰的固有恢复能力。 它在多路径环境中也具有优异的鲁棒性，同时在副载波之间正交地保持。 其概念是将带宽分成几个并行的流，每个子载波一个。 每个副载波用传统的调制方案以较低的速率进行调制。
多频带OFDM
多频段方法的原理是将超宽带（UWB）频段从3.1到10.6 GHz划分为多个较小的频段或子频段，并使用多个载频来传输信息。 每个子带的带宽大于500MHz，以符合联邦通信委员会（FCC）对UWB信号的定义[3]。 UWB信道中的多频带OFDM频谱如图2所示。3。 显然它被分成了S个子带，每个子带可能有N个子载波。
信号调制模拟器
信号调制模拟器（SiMiSIM）是一种工具，用于模拟OFDM传输环境下变体编码和调制技术的性能，包括传统和多频带OFDM系统。 SiMiSIM提供了方便的访问和
使用MATLABreg;中的图形用户界面开发环境（GUIDE）工具构建了有吸引力的用户界面，用户可以使用m-file脚本格式自行编写软件。 此外，可以
图3重叠多载波调制[2]
根据BER，PSD以及两端的图形信号星座来可视化系统性能。
系统模型
本节讨论了用于构建SiMiSIM的收发器模块，包括数据随机发生器，前向纠错（FEC），位交织，信号调制以及OFDM传输。 每个模块都在短时间内得到彻底解释。 数字4 描绘了每个模块在框图中表示的系统模型连接。 注意到，加性高斯白噪声（AWGN）和Saleh-Valenzuela（S-V）已被用于表示信道建模。
信号源进入随机发生器使功率密度分布更均匀，并避免可能导致失真的峰值功率过高。 同样在这个过程中，它打破了任何相邻的长串零或一串，并带来了数据流的移动[4]。 数据被加扰以将数据比特序列转换成没有长重复字符串的伪随机序列。 用于数据随机函数发生器的伪随机二进制序列（PRBS）的多项式发生器如1) [3].
g frac14; 1 thorn; D14 thorn; D15 eth;1THORN;
In (1），D表示单比特延迟。 PRBS中的xn如（2），然后使用（3) [3]如下所示。
xn = xn-14 EB xn-15 eth;2THORN;
sn= 1bnEBtimes;n eth;3THORN;
在信息论中，FEC被用作数据传输的错误控制系统，由此系统地生成冗余数据被添加到其原始消息中。 这是由于压缩过程增加了信号的鲁棒性，也使信号容易受到信道噪声和干扰[4, 5]. In
图4 OFDM的收发器架构
SiMiSIM，卷积编码器与里德 - 所罗门（RS）码联合使用，以提高BER，并在接收端进行更精确的解码[3, 4].
里德 - 所罗门（RS）码是具有由多个比特序列组成的符号的非二进制循环码[6]。 这些代码对于突发错误纠正非常有用，其中错误发生在一个大的序列中。 RS代码，其中m个符号由m个比特序列组成，其中m对应于伽罗瓦域GF（qm）的元素并且是大于2的任何正整数4]。 RS码的参数如下[4]:
- 代码长度
n frac14; 2m - 1 eth;4THORN;
- 奇偶校验符号的数量
- 数据符号的数量
- 最小距离
n - k = 2t eth;5THORN;
K frac14; 2m - 1 eth;6THORN;
Dmin frac14; n - k thorn; 1 eth;7THORN;
随机交织用于使用固定的随机置换顺序重新排列数据序列。 它通过从小存储器卷积码构造长分组码来增强编码的纠错能力。 通过这样做，错误通常发生在突发中，而不是在长码中均匀分布，可以接近Shannon容量限制。 在多载波传输中，OFDM码元段的精确副本的循环前缀位于码元端[1]以减轻ISI的影响。 尽管有冗余，但可以有效地避免以功率损耗和带宽扩展为代价，但是在每个并行数据符号块之前插入循环前缀保护间隔会降低OFDM系统的频谱效率[7, 8].
图5 SiMiSIM操作
图6仿真完成后的SiMiSIM
方法
最初，前面部分介绍的基带信号处理是使用MATLABreg;m文件在转换为基于GUI的软件之前设计的。 数字5 描述了架构和软件流程。 它涉及显示传输 -
随着时间和频率的变化而变化
图7时域中的PSD
图8频域中的PSD
信号星座。 接近尾声时，在给定的信噪功率比范围内，使用半对数绘图格式显示误差率分析。
在这个仿真中，可以选择仅AWGN或者S-V信道建模来模拟真实的数据传输。 注意传统或多频带OFDM传输也可以用各种编码和调制方案来模拟。 选项包括用于信号调制的二进制和四进制PSK或16和64级的多幅度QAM，而卷积编码器可以选择1/2，3/4和5/6的码率。 用户还可以确定循环前缀的长度和涉及的符号数量。
个人将能够将仿真中获得的各种结果与理论性能进行比较。 每种调制类型的BER图以及它们的信号星座可以很容易地用于学术和研究目的。
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