OFDM信噪比检测技术的研究

2023-03-04

对于OFDM通信系统来说, 信噪比是影响系统性能表现的重要因素, 也是用来分析其他性能指标的前提参数。因此对于OFDM通信系统的信噪比进行检测非常必要, 下面将从OFDM技术、信噪比的概念、仿真环境、检测方案四个方面加以介绍。

一、OFDM技术

OFDM又叫正交频分复用, 是一种高效高速的通信方式。把高速传播的数据流分散到众多子载波上, 由于子载波相互正交, 使得频谱能最大限度的混叠而不产生干扰, 大大节约了带宽, 在当今的移动通信中得到了广泛的应用。

由于高速的数据流被分散到多个子载波上, 所以每个符号持续的时间增长了, 能够有效的减小符号间的干扰。同时OFDM技术可以分别采用ifft和fft实现调制和解调, 相对于其他高性能的调制方式来说, OFDM更加方便、快捷、高效。

二、信噪比的概念

信噪比是指信号的平均功率比噪声的平均功率, 它是衡量通信系统可靠性的一个主要指标。在信号功率一定的情况下, 噪声功率越大, 干扰越大, 信噪比越小, 系统表现越差;反之, 信号功率一定的情况下, 噪声功率越小, 干扰越小, 信噪比越大, 系统表现越好。在数字通信系统中, 信噪比用每比特的平均能量比上单位频带内的噪声功率N0, 即E/N0又称为归一化信噪比或能量信噪比。数字通信系统也是如此, 在其他条件一定的情况下, 随着信噪比的改变, 系统的性能也在改变。同样, 信噪比越高, 通信环境越好, 性能表现越佳。

无论在仿真环境中, 还是在真实的外场实验中, 检测信噪比都具有十分重要的意义。分析系统性能时, 经常把信噪比当成自变量, 去研究应变量误码率。因此要先测试出信噪比, 才能绘制出相应的误码率曲线, 更清晰的分析比较通信系统性能。

三、仿真环境介绍

System View是ELANIX公司推出的, 它是一个通信系统的动态仿真平台, 动态的进行系统设计、模拟仿真和分析的可视化软件。能够模拟各种信号, 实现通信系统架构、滤波器设计、信号的变换处理, 以及各种线性或非线性控制系统的设计和仿真。System View给用户提供了一个非常友好的可视化界面。通过系统仿真, 能够直观的看到信号的时域波形、眼图、功率谱、星座点, 甚至时运行结果的测试数据。

System View的特点如下:

(1) 能仿真大量的应用系统。System View含有大量的库, 能够实现模拟、数字, 模拟数字混合系统、以及移动通信系统、卫星系统的设计。 (2) 方便快捷的动态系统设计与仿真。能够通过可视化界面快速架构各类通信系统, 及时调整或修改参数, 直观的以时域波形、眼图、功率谱、星座点等形式显示仿真结果。 (3) 完备的线性系统以及滤波器的设计。拥有FIR, IIR等多种滤波器设计库, 使用时只要调用相应模块, 在可视化界面里设定滤波器参数即可。 (4) 多速率和并行系统。System View允许多个速率并行的系统, 适合多频率系统的仿真, 特别适合高低频变化的信号变换过程。

四、信噪比检测方案

在仿真软件中, 搭建OFDM调制解调系统如图1。采用I路Q路输入输出, 分别经过采样、OFDM调制, 加噪, OFDM解调, 保持这几个环节。在加入高斯噪声之前, 要通过保持器将采样率与噪声模块一致起来;在加入噪声之后, 要通过采样器把采样率降到与OFDM模块一致。

系统架构好后, 便能运行仿真对信噪比进行检测。信噪比的检测可以采取以下方案:从输出信号的时域波形和频谱上观测;从星座点上观测;还可以采用控制输入法, 分别测出信号功率和噪声功率, 然后求得信噪比。

(一) 波形观测法

如图1搭建好OFDM系统, 加入噪声, 运行系统。在仿真软件中观察输出波形如图2, 调节噪声增益。通过时域波形可以看出信号出现波动, 波动越大信噪比越小。通过频谱图可以看出频谱出现毛刺, 毛刺越多信噪比越小。

(二) 星座点分析法

搭建系统并运行, 在输出波形窗口, 右击选择计算器, 选择Style下的ScatterPlot, 最后先后选择I路Q路输出信号, 即可显示星座点。

系统在没加噪声的情况下, 星座点会清晰的分布在四个象限上。如果加入噪声, 星座点会变的模糊。因此可以采用星座点去衡量信噪比。星座点越清晰, 信噪比越大;星座点越模糊如图3, 信噪比越小。

(三) 功率测试法

由于信噪比是信号的平均功率比上噪声的平均功率。所以单独测试信号的平均功率和噪声的平均功率。方法是关闭噪声并运行系统, 在接收端查看最终的输出信号。在输出波形的显示窗口中单击统计快捷键, 窗口内Std Deviation项的平方就是有用信号的频率。同样的方法, 关闭信号源, 然后正常运行系统, 在接收端查看最终的输出信号。在输出波形的显示窗口中单击统计快捷键, 窗口内Std Deviation项的平方就是噪声的频率。

通过测试分别得到了信号功率和噪声功率。两次测试的结果的比值就是OFDM系统信噪比。