基于SIMULINK的OFDM-16QAM系統仿真與分析

余志靚 潘學文

摘要：該文分析了OFDM系統的組成，構建了OFDM系統SIMULINK仿真流程。建立了正交頻分復用系統框圖，并通過SIMULINK進行建模仿真，對不同信噪比下系統的誤碼率進行仿真分析。仿真結果表明：在16QAM調制下，15dB到10dB的范圍內誤比特率起伏大，在高于15dB的信噪比條件下，信號傳榆的可靠性更高。

關鍵詞：正交頻分復用;仿真;SIMULINK;-～碼率;信噪比

中圖分類號：TN911-4;G434 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）33-0292-03

1概述

“第四代”移動通信的重要技術正交頻分復用技術，集成了多載波技術和離散傅里葉變換等技術優勢，能夠更好地兼容多種多媒體通信。OFDM（Orthogonal～equency division multi-plexing）在降低頻譜浪費上有優勢，在處理信號的選擇性衰落方面受到大眾青睞。由于信道會導致不同的頻率下的信號波形失真，正交頻分復用將數據變為低速，減少了波形的失真，同時讓碼間串擾變得更少。

2正交頻分復用系統組成

正交頻分復用系統組成如圖1所示。系統的信號處理過程為：在發送端首先對信號進行交織編碼提高了數據傳輸的準確性，之后加入導頻，以作為載波同步信號便于接收端進行信號恢復。之后進行并串變換，再串并變換后送入快速傅里葉反變換器件使得頻域信號變為時域信號，將處理完的信號依次并串變換、加入循環前綴和數模變換后發送到信道中。

接收端是一個解調的過程，首先去掉循環前綴、基本解決了多徑時延下的干擾，傅里葉變換器件將串并變換的信號進行解調，將時域信號變為頻域信號，最后解交織和編碼就可以將源信號還原。

3OFDM系統仿真模型構建

為了加深對正交頻分復用的認識，通過對正交頻分復用系統進行SIMULINK仿真，本文結合前面章節對正交頻分復用的介紹，構建出正交頻分復用的結構框圖。利用SIMULINK實現對正交頻分復用系統每一個模塊的仿真，使得在仿真過程中的模塊數據調試和分析更便捷。

正交頻分復用的仿真過程：輸入二進制比特序列，對輸入的比特序列進行編碼和交織，編碼交織的二進制比特序列通過16QAM調制，進行對輸人數據的調制映射，映射為相應的調制信息序列{x（n）}，之后進行的IFFT變換，將數據頻域上的頻譜表達式轉換到時域上，添加循環前綴后經過串并變換器，將時域信號發送出去，獲得OFDM調制信號的時域波形，正交頻分復用的原理框圖如圖2所示。

在接收端部分進行發送端的逆向操作，先串并變換，將信號變為并行的時域信號，去掉循環前綴，經后進行FFT變換，去掉多余添加的零，經解調后還原出原始信號，整個正交頻分復用過程結束。

4OFDM系統SlMULINK仿真實現

利用SIMULINK對OFDM系統的16QAM調制進行建模仿真，仿真模型如下圖3所示。

對正交頻分復用系統各模塊設置如下：

（1）伯努利信號發生器（Bernoulli Binary Generator）：這個模塊能夠產生隨機的二進制數據，并且產生的二進制中0和1的出現概率都是0.5，設置Bernoulli Binary Generator每一列采樣個數為44。

（2）RS編碼和交織：使用RS編碼和交織的目的是：通過增加傳輸信號的冗余度，來提高系統傳輸數據的可靠性。RS編碼模塊（Binary-Input RS Encoder）的作用是糾正衰落信道中的隨機誤差，交織模塊（General Block Intedeaver）對衰落信道的突發錯誤能夠有效地抑制。

（3）16QAM調制下的正交頻分復用系統子模塊內部結構如圖4所示。

圖5顯示的是OFDM子系統內部模塊，被RS編碼模塊和交織模塊處理后的數據經過16QAM調制、補O、IF-FT變換、插人循環前綴后，變為并行時域信號，再采用并串變換處理后發射出去。在接收端對發送的數據進行逆向操作，就能夠將數據還原，具體內部模塊如圖5所示。

①16QAM調制：調制的過程就是一個星座映射的過程，而星座映射的作用是進行數值轉換。調制后的序列通過IFFT變換到各個子信道上，這個過程提高正交頻分復用系統的頻帶利用率。本次仿真采用頻譜效率較高的16QAM調制。

②補0模塊：由于IFFT變換要求輸人點數為2N，所以在數據傳人IFFT模塊之前要對信號進行補0操作。

③IFFT變換模塊：IFFT模塊的作用是在OFDM的調制中，降低了系統的實現復雜度。根通過16QAM調制和補0模塊，將IFFT參數設為32。

④插入循環前綴（selector）：由于信道中的多徑干擾會導致傳輸信號產生多徑時延，造成符號間干擾，為減少多徑對信號的影響，在每個IFFT變換后的子載波前添加循環前綴形成保護間隔，保護間隔的長度應該大于多徑時延擴展的最大值。

⑤并串變換fReshape）：將并行數據轉換為串行數據。

（4）信道：加性高斯白噪聲（AWGN）的特點是：幅度分布服從高斯分布功率譜密度在整個頻域內均勻分布。信號傳輸過程中，AWGN信號的功率越大，信號受到的影響越大，到達接收端時的誤碼率也會增大。

在發送信號時，發送端的數字信號轉換為模擬信號，在信道中傳輸時受到AWGN的干擾，進入接收端時，先進行模數轉換，再對信號進行OFDM的解調操作。

（5）接收端正交頻分復用子模塊：對信號的處理是一個反過程。OFDM接收端結構如圖6所示。

圖7為正交頻分復用系統子模塊，對接收到的信號進行串并轉換、去除循環前綴、FFT變換，去0和成幀，最后進行16QAM解調。

①去循環前綴：將模塊的index修改為【5：20】。

②FFT變換和去0：FFF的調制的點數與發送端的IFFT點數相等，為16，去0模塊在signal routing上選擇selector，再發送端補0參數中的index值修改為【1：15】。

③成幀和數字解調：接收端使用成幀模塊，是進行16QAM解調的輸人信號要求是基于幀的數據，再通過16QAM解調操作，還原成比特流。

（6）解碼部分：與發送端的RS編碼交織相對應，模塊的參數設置于發送端一致。

（7）誤比特率統計模塊：將傳輸過來的信號與發送端的信號進行對比，得出誤比特率。

5仿真結果

正交頻分復用系統在16QAM調制下不同信噪比下的誤比特率：

通過不同信噪比下的數據傳輸的誤比特率比較，發現在信噪比為15dB到10dB的范圍內誤比特率變化很快，從0.0073上升到0.1482，得到結論：在進行編碼交織和添加循環前綴的的系統，如果想要進一步提高信息傳輸的可靠性，信號傳輸的信噪比最好在15dB以上。

6結束語

本文對正交頻分復用系統進行了SIMULINK仿真與分析，對整個正交頻分復用系統的各個模塊進行了具體介紹，構建了信源模塊、16QAM調制和解調模塊、IFFT/FFT模塊、串并變換模塊和循環前綴的添加和去除模塊等等，通過這些模塊，實現了正交頻分復用有對信道干擾的較好抵抗性能，并且隨著SNR的提高，信號傳輸的可靠性得到了保障。