基于MATLAB的數字化廣播傳輸特性仿真與分析

吳秋燕

（滕州市融媒體中心，山東棗莊 277500）

0 引言

目前，廣播信號已實現數字化傳輸，這也是音頻信號的主要傳輸方式，易于存儲。數字化的廣播信號傳輸離不開數字編碼[1]與信號解調[2]，若出現編碼異常，將導致信號延遲或誤碼率較高[3]。理論上數字化廣播傳輸依賴于3 種操作方式，分別是模擬信號的輸入、數字信道編碼和調制以及信號發送。其中，數學信道編碼和調制是確保廣播信號穩定性和準確性的關鍵環節，需要多個模塊協同完成[4]，如擾碼模塊、LDPC 編碼模塊、卷積編碼模塊、星座映射模塊、交織模塊和OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交頻分復用技術）模塊等成。

隨著互聯網時代的發展，數字廣播的容量和需求越來越大，雖然先進的通信標準[5]為傳輸效率提供了良好的條件，但誤碼率仍無法避免。因此，文中基于MATALB 軟件對數學信道編碼和調制中的關鍵模塊進行仿真分析，判斷系統的合理性與可行性。

1 仿真方案與原理

1.1 仿真方案確定

系統的仿真分析是工程上一種常見的技術研究手段，能夠有效彌補或替代實驗。它不但能降低研發成本，還可以擺脫復雜非線性的限制，使研究結果更加科學和可靠。針對無線廣播傳輸的特點，需要對相關的算法進行驗證，即通過MATLAB 數據處理平臺，驗證無線傳輸系統的合理性和可行性。該軟件集成了先進的矩陣處理模塊，可以實現復雜的非線性求解、有效驗證信號傳輸效果，并針對評測結果進行相應評價。

1.2 通信系統仿真原理

在整個無線傳輸系統中，功能的實現涉及到的設備和介質非常多，因此需要針對各關鍵模塊進行獨立建模和仿真分析。無線數據通信的主要原理是將特定的信號源以數字信號的形式發送至另一個中繼端，通過連續轉接達到終端。由此可見，不同模塊之間的通信結構和匹配性是決定通信模型的關鍵[6-8]。在MATLAB中，執行系統仿真的主要流程有：首先，將分析目標抽象化，在仿真平臺中選擇合理的模型；其次，對模型進行分割處理，依次解決子問題；然后，選定合理的參數與邊界條件，優化配置方法和估算結果；最后，對仿真結果進行驗證。隨著通信技術的發展，各個模塊逐漸具備可拓展性[9]，即滿足搭建通信。這也是驗證信號傳輸穩定性的重要需求。

2 仿真結果分析

2.1 正交幅度調制仿真分析

不同的載波幅值與相位可代表不同的數字化信息，而正交幅度調制可將已經調制完成的信號進行頻譜正交化處理，相比于傳統的調制方法，可實現更高的頻帶利用率，節能降耗效果顯著。在實際通訊過程中，頻帶和功率的利用率是評價調制效果的關鍵參數，能夠反映出傳輸效率和相對誤差，對于不同的通信方式和信號類型，兩者要求的比重有所差異。

為驗證正交幅度的調制效果，在MATLAB 中調用Scatterplot 函數，并采用Reshape 函數和Bi2de 函數將序列進行變形。針對調制信號的特點增設匹配的白噪聲信號，進而對比信號干擾下的傳輸特性。根據信號的波形進行二進制的轉換，基于Biterr 函數能夠查看相應的參數結果（圖1）。在正交幅度調制條件下，有噪聲和無噪聲干擾下的星座圖如圖2 所示。

圖1 調制后信號二進制序列

圖2 噪聲信號對正交分量的影響

從仿真結果可以看出：通過正交幅度調制的二進制序列，其誤比特數以及誤比特率保持數值零，這表明調制序列準確可靠，未出現偏差等問題；正交幅度調制對噪聲信號不敏感，在白噪聲影響下，雖然同相分量與正交分量的分布在局部更為分散，但仍保持了區域性，與其他信號數據之間未發生干涉現象。因此，調節的數據不會受到本質的影響，這表明該映射方式抗干擾能力強、穩定性高。

2.2 卷積編碼仿真分析

無線廣播信號在傳輸過程中，串擾[10]和噪聲[11-12]是導致誤碼的主要因素，一般可采用增大發射功率、優化調制方式、處理信道編碼等方式。卷積編碼是一種先進的信道編碼方式，可針對數字信號的序列進行診斷和恢復，對于誤碼率的降低有重要作用。在MATLAB 軟件中，運用Randi 函數聲場一系列非隨機的數值序列。根據仿真原理可知，十進制的數值序列更利于結果的查看，因此，應通過Reshape 函數和Bi2de 函數將二進制序列進行轉換，使其變為十進制序列。卷積編碼的仿真分析結果如圖3 所示，在卷積編碼條件下，誤碼率顯著降低，并且在白噪聲作用下其誤比特率仍保持在較小的數值。

圖3 卷積編碼對比仿真結果

2.3 OFDM 仿真分析

OFDM 是目前應用最為廣泛的多載波無線傳輸方式之一，其具有實現難度低、操作簡便等優點，整個調制和解調的過程分別依賴于IFFT（Inverse Fast Fourier Transform，離散傅立葉反變換的快速算法）和FFT（Fast Fourier Transform，離散傅立葉變換的快速算法）的函數變換，相比常規的IFFT 處理，還增加了傳輸信號的保護和循環功能。為了驗證正交頻分復用的應用效果，對比OFDM 和常規的IFFT 在不同時間下的響應特性，可得出正交頻分復用對比仿真結果（圖4）。從圖4 可以看出，正交頻分復用條件下的幅值與IFFT 具有良好的匹配性和等效性。另外，由于OFDM 采用了卷積編碼，可有效降低白噪聲的敏感性，使得頻譜密度達到穩定的時間更短，高效性更顯著。

圖4 正交頻分復用對比仿真結果

3 結論

隨著通信技術和互聯網技術的發展，數字化廣播傳輸方式表現出顯著的靈活性和多樣性，有效滿足了用戶對媒體傳播的需要。數字化廣播技術的改革是信息技術廣泛應用的必然結果，只有確保了通信質量才能被認可。目前，信道編碼與調制的標準不統一，只有穩定性高、誤碼率低的模塊才具有市場競爭力。本文通過對正交幅度調制、卷積編碼和正交頻分復用等功能研究，確保了基于該模塊對數字化音頻廣播傳輸的可靠性，這個對于視頻的數字傳輸改進有著重要指導意義。