基于Simulink的MIMO-OFDM系统的仿真分析

姓名：谢冰；学号：20181214203；学院：微电子学院

原创

【嵌牛导读】OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交频分复用）因其独特优势成为目前无线移动通信的主要技术。MIMO（Multiple Input Multiple Output，多输入多输出）是为极大提高信道容量，在发送端和接收端都使用多根天线，在收发之间构成多个信道的天线系统，利用多天线来抑制信道的衰落的一种技术。针对MIMO-OFDM 系统，本文首先阐述了OFDM技术的基本原理，然后搭建了该系统的原理模型，进而采用MATLAB 的 Simulink 平台对该模型进行建模仿真。

【嵌牛鼻子】MIMO-OFDM系统的仿真分析

【嵌牛提问】如何使用Simulink对MIMO-OFDM系统进行仿真？

【嵌牛正文】

1 介绍

MIMO 是为极大提高信道容量，在发送端和接收端都使用多根天线，在收发之间构成多个信道的天线系统，利用多天线来抑制信道的衰落。根据收发两端天线数量，相对于传统的 SISO（Single Input Single Output，单输入单输出）系统，MIMO还包括SIMO（Single Input Multiple Output，单输入多输出）系统和 MISO（Multiple Input Single Output，多输入单输出）系统。MIMO系统是一种复杂的天线分集技术，它利用多径效应来改善通信质量，因此信道容量会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。MIMO 技术在提高信道的容量的同时，也可以提高信道的可靠性、传输范围和吞吐量，降低误码率。
OFDM 技术实际上是MCM（Multiple Carrier Modulation，多载波调制）的一种，通过频分复用实现高速串行数据的并行传输，它具有较好地抗多径衰落的能力，能够支持多用户接入[1]。其主要思想是：将将宽频率载波划分成多个带宽较小的正交子载波，将高速数据信号转换成并行的低速子数据流，调制到在每个正交的子载波上进行传输。而正交信号在接收端可以通过采用相关技术来分开，这样可以有效地对抗频率选择性衰落。由于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ISI（Inter Symbol Interference,符号间干扰）。将二者的优点进行高效的结合，可以极大地提高系统的性能，实现数据的高速可靠传输，克服多径效应和频率选择性衰落带来的不良影响。同时还可以增加系统容量，提高频谱利用率。

2 原理

OFDM 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，因此可以得到较高的频谱效率。OFDM 系统典型结构框图如下图所示，其中上半部分对应于发射端链路，下半部分对应于接收端链路。首先发送端将被传输的数字信号转换成子载波幅度和相位的映射,并进行离散傅里叶反变换(IDFT)将数据的频谱表达式变到时域上，然后插入循环前缀后进行AD 变化后发送，而接收链路和发射链路正好是一个相反的过程[1]。

图1 OFDM原理图

根据所学知识，我们知道多径时延会引起ISI，为了消除ISI，需要在OFDM 的每个符号中插入保护时间。当保护时间大于多径时延扩展时，符号的多径分量将不会干扰相邻的符号传输（保护时间内可以不进行符号的传播）。由于多径的影响，子载波可能不能保持完全相互正交，从而会引起了子载波间干扰（Inter Carrier Interference，ICI）。为了减少子波间干扰ICI，OFDM 符号可以在保护时间内发送循环扩展信号，称为循环前缀（Cyclic Prefix，CP）[2]。循环前缀CP 是将OFDM 符号尾部的信号搬移到头部构成的。这样可以保证有时延的 OFDM 信号在 DFT 积分周期内总是具有整数倍周期。因此，只需要保护时间大于多径延时时间就不会造成载波间干扰，从而保证传输的可靠性[3]。

3 系统模型设计及仿真

在OFDM 系统的设计过程当中需要确定许多关键的参数：子载波个数，保护时间，符号周期，载波间隔，数字调制方式，信道编码。其中三个主要的系统要求：系统带宽、数据速率和时延拓展。该系统图2 是完整的MIMO-OFDM 系统收发传输模型，其中上半部分是发射链路，下半部分是接收链路：

MIMO-OFDM系统设计原理图

此次仿真采用MATLAB 下的Simulink 进行建模。在Simulink 当中，每个模块都拥有其特定的功能，使用其建模可以较为直观的分析该系统。系统模块仿真图如图3 所示。

Simulink中MIMO-OFDM仿真模型

4 仿真结果

采用上述系统进行仿真，仿真时间设置为 1s,并将采集到的数据导入工作空间后进行分析。图 4-(a)为 Qpsk 调制理想的星座图，图4-(b)为数据经过Qpsk 调制后所绘制的星座图。

图4 星座图

图5 OFDM符号的子波映射

图6 发送天线的实部分和虚部波形图

图7 接收天线的实部分和虚部波形图

由图 8 可知，虽然信号在经过 MIMO 信道的衰减，但是接收端进行 OFDM 解调后所得到的信号的星座图还是很好的，说明 OFDM 在传输信号方面具有一定的优势。最后所计算的 SER= 5.489130× 10-3@(SNR=10dB)。

图8 译码后的数据

参考文献：

[1] 唐昊,韩东洪,周蕊.浅析.OFDM 技术及其应用[J],网络安全技术与应用,2019,( 05):62-64

[2] Prasad R. OFDM for wireless communications systems[M]. Artech House, 2004.

[3] Jiang T, Wu Y. An overview: Peak-to-average power ratio reduction techniques for OFDM signals[J]. IEEE Transactions on broadcasting, 2008, 54(2): 257-268.