【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能力。
【关键词】OFDM FH-OFDM 子载波 Matlab仿真
1 引言
正交频分复用(OFDM)是一种特殊的多载波传输方案,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。普通的信道是使用一个固定的中心频率来进行传输信息,这样很容易被干扰和监听;而跳频通信的频率受伪随机序列控制不断变化,可以实现多种跳频图案,只要收发双方的频率跳变规律一致,就可以实现可靠、安全的通信。
未来的信息化战争,要求通信网络具有传输语音、数据、图像甚至视频的能力,这就对通信网络的性能提出了更高的要求。具体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、支持高速移动以及更高的抗干扰性等能力。同时,在军事通信中,安全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),即在射频端按照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的子载波中按照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技术就是在时间上以跳频的方式使用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使用某一个子载波(单个子载波FH-OFDM)也可以同时使用多个子载波(多个子载波FH-OFDM),两者的不同也仅在于每一跳使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/串变换部分按照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是具体的实现方法,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。基带跳频实际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
根据OFDM的调制解调原理,易知OFDM信号的表达式为:
,
0≤k≤N-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(j2πki/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:
,
0≤k≤N-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)根据OFDM调制的基本原理,当在基带采用更为高效的调制方式(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的计算时间可以控制在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,设备变得简单。
3 FH-OFDM系统仿真及分析
3.1 FH-OFDM参数设置
按照2.2节的公式,对子载波FH-OFDM系统进行参数设置, 具体如表1:
3.2 FH-OFDM系统仿真结果及分析
本文采用子载波跳频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。根据图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4～7:
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)采用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能获取更好的误码性能,具有更强的抗多径衰落干扰能力。
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能力。将两者结合而成的FH-OFDM系统,既提高了抗干扰能力,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能力。因此,它是一种更为高效安全的调制技术,在未来的无线通信尤其是军事通信中将具有广阔的前景。
参考文献
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[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]. 清华大学,2008-3-3.★
【作者简介】
郑志国:清华大学电子工程系硕士研究生,研究方向:通信信号处理、无线信号调制解调。
张元铜:清华大学电子工程系硕士研究生,研究方向:无线通信,嵌入式系统。
梅顺良:清华大学电子工程系教授,博士生导师,研究方向:数字调制解调、新一代无线通信系统和宽带无线接入等。