用Multisim产生OFDM信号

摘 要：为了研究OFDM信号的特性，使用Multisim制作了一个由四频四相信号发生器、八个二选一模拟开关和八输入加法器组成的Digital-OFDM信号变换器，用示波器可以方便地观察OFDM时域信号的波形。

关键词：正交频分复用； 多载波调制； 数字通信； 万能仿真

中图分类号：

TN911.22-34

文献标识码：A

文章编号：1004-373X(2012)05

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OFDM signal generated with Multisim

LI Meng-rui1, LI Zheng-sheng2, HE Heng2

(1.Second Artillery Northwestward Army Commissary Section, Xi’an 710048, China;

2.Second Artillery Engineering Institute, Xi’an 710025, China)

Abstract：

For researching characteristics of OFDM signal, a digital-to-OFDM signal converter consisted of 4-frenquency & 4-phase signal generator, 8 2-to-1 analog switch and 8-input adder was made with MultiSIM. The waveform in the time domain of OFDM can be observed conveniently by oscilloscope.

Keywords： OFDM; MCM; digital communication; Multisim

收稿日期：2011-07-21

0 引 言

正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)［1-16］是一种子载波相互混叠的多载波调制(Multi-carrier Modulate,MCM)技术。除了具有MCM很强的抗多径衰落和抗脉冲干扰的能力外，它还具有更高的频谱利用率，己被广泛地应用于各类通信系统。

为了研究OFDM，可以用EWB Multisim产生出OFDM信号来进行直观的分析。

1 Multisim简介

Multisim软件包［17］是一种电路设计与仿真软件，其原型是1982年成立的加拿大图像交互技术公司(Interactive Image Technologies Ltd.,IIT)1988年推出的EWB(Electronics WorkBench)，国内也叫做虚拟电子实验室或电子工作平台，曾用过4.0和5.0等版本。IIT的6.0版本称为Multisim(万能仿真)，之后推出了EWB Multisim 2001，后来又陆续推出了7.0和8.0版本。美国NI于2005年2月收购后在年底推出了9.0版本，2009年2月发展到NI Multisim 11.0。

Multisim具有丰富的仪器库和元器件库，仿真、分析功能强大，在电子系统分析和设计中发挥了重要作用。

2 OFDM和MCM

MCM的基本思想是把数据流变换为N路子数据流，用它们分别去调制N路子载波后再并行传输。

有一种OFDM符号包含的多个子载波［18］都具有相同的幅值和相位(实际应用中，根据数据符号的调制方式，每个子载波的幅值和相位都可能是不同的)，每个子载波在一个OFDM符号周期内都包含整数倍个周期，而且各个相邻子载波之间相差1个周期，示意图如图1所示。

图1 OFDM的子载波

3 四相信号的产生

实际的OFDM信号可以是正交多频调制，每一个频率的信号应当有相位间隔90°的四相：正弦信号、余弦信号和它们的反相信号。

根据电路理论，可以有4种方法来产生四相信号，1 kHz四相信号产生电路如图2所示。

图2 1 kHz四相信号产生电路

3.1 全微分型1 kHz四相信号发生器

设由交流信号源产生的信号为正弦信号，微分后则得到余弦信号，为使余弦信号和正弦信号的幅度基本一致，根据(sin ωt)′＝ωcos ωt的关系，微分器的倍率取为1/(2πf)，对于1 kHz的信号，其倍率为0.159 mV/V。第二次微分可得到正弦的反相信号，第三次微分可得到余弦的反相信号。

全微分型1 kHz四相信号产生电路如图2(a)所示。它只使用了微分器一种电路运算组件，具有结构直观、易于实现的优点。虽然两级串联微分器可以在Multisim中仿真工作，但是此三级串联微分电路在仿真时提示Transient Simulations Aborted而不工作。

3.2 全积分型1 kHz四相信号发生器

全积分型1 kHz四相信号产生电路如图2(b)，设输入信号为余弦信号，积分后则得到正弦信号，根据∫cos ωtdt＝1ωsin ωt+C的关系，积分器的倍率取为2πf，对于1 kHz的信号，其倍率为6 283 V/V。第二次积分可得到余弦的反相信号，第三次积分可得到正弦的反相信号。

但是，图2(b)电路不能正常仿真：设积分常数为0，输入峰值为10 V的1 kHz正弦波时，积分输出1正常，积分输出2上移了400 V且波形严重失真，积分输出3为0,见图3(a)。当频率为1 Hz和10 Hz时，后两级积分器的输出竟一直上升。

3.3 微分反相型1 kHz四相信号发生器

四种电路中，只有图2(c)所示使用1个微分器和2个反相器的电路能正常仿真。

3.4 积分反相型1 kHz四相信号发生器

保留全积分型电路的第一个积分器，换上两个反相器，形成如图2(d)所示的积分反相型信号产生电路。但是，此电路仿真时的波形如图3(b)所示：-sin信号向下偏移了一半，须在R1之前串入一个1 μF电容才能得到理想波形。

图3 两种异常波形(水平：1 ms/格，垂直：10 V/格)

4 用Multisim产生OFDM信号

将字节数据变换为OFDM信号［19］的Multisim仿真电路如图4所示。字节数据的高4位使用正弦信号，低4位使用余弦信号，0使用同相信号，1使用反相信号。

图中的示波器用于观察信号波形，各示波器的用途如下所述：

XSC1:观察1 kHz信号的正弦、余弦信号及两个反相信号；

XSC2和XSC3:观察高、低半字节OFDM中间信号，高位在上；

XSC7:观察OFDM合成信号；

XSC6:检查3 kHz、4 kHz信号通过模拟开关后的相移情况；

XSC5:观察各原始正弦信号的波形；

XSC4:观察1 kHz正弦信号及其变换后的方波信号。

4.1 四频四相信号的产生

四个正弦信号用1 kHz,2 kHz,3 kHz和4 kHz交流信号源产生，再分别通过倍率分别为0.159 mV/V,0.08 mV/V,0.053 mV/V和0.04 mV/V的微分器产生相应的余弦信号，通过八个 -1倍反相器后得到它们的反相信号。为了补偿模拟开关等电路的相移，经过实验，对正弦信号源分别设置了-108°,-36°,36°和108°的初始相位。

4.2 同相反相信号的选择

四个正弦信号和四个余弦信号送到八个二选一模拟开关的一个输入端，八个反相信号送到模拟开关的另一输入端。当控制端为0时输出正余弦信号，为1时输出相应反相信号(此时的开关状态如图4所示)。

模拟开关的最大工作电压为±15 V，若传输有效值为10 V(峰值为14.14 V)的正弦信号时，会产生饱和失真，波形有轻微的削顶，故信号有效值选为9 V。

4.3 字节信号的合成

八个输出信号通过反相加法器合成一个信号。加法器的反馈电阻为10 kΩ，各信号的输入电阻为100 kΩ，对各路信号的实际放大倍数为-0.1。信号的最大幅度是输入信号的0.8倍，电路不会饱和。

4.4 控制信号的产生

控制信号用字信号发生器产生，为便于同步，使用由比较器U3形成的正弦方波变换器提供外触发信号。为方便观察，触发频率设为250 Hz，每一次触发重复发送4个1 kHz的V1完整波形(含8个V2波形、12个V3波形、16个V4波形)。

4.5 OFDM信号示例

图5(a)为用Multisim产生的OFDM波形(2个全0字节和1个全1字节)。为了便于观察，字信号发生器按两个0000 0000和一个1111 1111的顺序循环发送。

图5(b)为用Multisim产生的字符串“OFDM”(二进制码为0100 1111, 0100 0110, 0100 0100, 0100 1101)的OFDM波形。

三个示波器由上而下分别显示了D7～D0中间信号和合成信号的波形。上边标注的是信号的编码，由波形可以看出信号相位的变化情况。

5 结 语

Multisim是一个实用的电路仿真工具，使用它可以仿真产生出OFDM信号，为OFDM的研究提供一组直观、形象的参考波形。但是，由于种种原因，Multisim不能100%仿真实际电路，仿真结果只能作为一种参考，其他仿真亦然。实际电路须经实际制作调试才能定型。

参 考 文 献

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［19］李萌蕊．OFDM技术研究［D］．西安：第二炮兵工程学院，2008.

作者简介：

李萌蕊 女，1986年出生，济南人，助理工程师。主要研究方向为通信工程。

李正生 男，1957年出生，济南人，教授，硕士生导师。主要研究方向为信号与信息处理。

何 恒 男，1979年出生，西安人，讲师。主要研究方向为移动通信。