QPSK和QAM調(diào)制下OFDM通信系統(tǒng)MATLAB仿真實現(xiàn)

潘學(xué)文

[摘 ? ?要 ]文章主要通過Matlab軟件中的Simulink工具對OFDM在通信系統(tǒng)中的傳輸進(jìn)行仿真、性能進(jìn)行對比分析。仿真結(jié)果表明：在OFDM技術(shù)的通信仿真系統(tǒng)中，插入CP對消除系統(tǒng)中由多徑效應(yīng)帶來的ISI和ICI有很大效果，并且，對接收信號的還原起了一定作用;經(jīng)過RS編碼后的系統(tǒng)，可明顯地看出系統(tǒng)抗誤碼性能提高了幾倍，系統(tǒng)可靠性大大增強(qiáng);在同等條件下，運用4QAM調(diào)制解調(diào)技術(shù)的系統(tǒng)，其誤碼性能明顯優(yōu)于16-QAM、64-QAM、128QAM和256-QAM的調(diào)制系統(tǒng);QAM技術(shù)比較適合在大信噪比的信道中使用，而QPSK比較適合在小信噪比信道中使用。

[關(guān)鍵詞]OFDM;Simulink;通信系統(tǒng)

[中圖分類號]TN911-4;G434 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號]2095–6487（2021）06–0–02

[Abstract]In this paper， the transmission of OFDM in the communication system is simulated and the performance is compared and analyzed through the Simulink tool in Matlab software.The simulation results show that in the communication simulation system of OFDM technology， the insertion of CP has a great effect on eliminating the ISI and ICI caused by the multipath effect in the system， and plays a certain role in restoring the received signal.After RS coding， it is obvious that the anti-error performance of the system has been improved several times and the reliability of the system has been greatly enhanced.Under the same conditions， the error performance of 4QAM modulation and demodulation system is obviously better than that of 16-QAM， 64-QAM， 128QAM and 256-QAM modulation system.QAM technology is more suitable for the use of large SNR channels， while QPSK is more suitable for the use of small SNR channels.

[Keywords]OFDM;Simulink;Communicationsystem

21世紀(jì)，通信技術(shù)百花爭艷，通信工具層出不窮[1]。從2013年12月4日工業(yè)與信息化部正式發(fā)放4G牌照起，以O(shè)FDM技術(shù)為核心的第4代通信技術(shù)迅速崛起并普及全國，使我國的通信形象煥然一新，惠及軍事、電信、經(jīng)濟(jì)金融、醫(yī)療教育等多個領(lǐng)域[2，3]。正是因為4G時代前所未有的發(fā)展速度，不僅改變了人們的生活，更是直接加速了社會的發(fā)展。

文章利用數(shù)學(xué)軟件Matlab對OFDM系統(tǒng)創(chuàng)建仿真模型、設(shè)置仿真參數(shù)并進(jìn)行性能對比分析。以插入CP并進(jìn)行RS編碼研究OFDM在移動通信系統(tǒng)中對于消除ISI和多徑效應(yīng)帶來的ICI的變化;對以信道估計的方法來分析OFDM在高斯信道與瑞利衰落信道中的抗噪聲性能與抗多徑衰落性能，以不同的調(diào)制方式，即QAM、QPSK來比較OFDM在移動通信系統(tǒng)中誤碼率與信噪比的優(yōu)劣。

1 OFDM技術(shù)

OFDM的基本原理是把傳輸信道劃分為N個正交的子傳輸信道，把高速串行的數(shù)據(jù)流變?yōu)榈退俨⑿械淖訑?shù)據(jù)流，分別對應(yīng)到N個子信道中，進(jìn)行調(diào)制與傳輸。使用快速傅立葉反變換與快速傅立葉變換提高信號傳輸速度;對OFDM在通信系統(tǒng)中產(chǎn)生的頻率性選擇衰落，因為其劃分的N個子信道，使得各個子信道在其頻率特性上都近似平坦，從而實現(xiàn)頻率分集，來抵抗多徑帶來的干擾。

OFDM分離的各子載波一大特點就是其正交性，它要求每一路已調(diào)信號都必須嚴(yán)格正交，以便于在接收端能根據(jù)其正交性將各路子載波分離，從而實現(xiàn)對頻帶的充分利用。

OFDM信號的產(chǎn)生是基于快速離散傅立葉反變換（IFFT）實現(xiàn)的，而接收端則是利用快速離散傅立葉變換（FFT）實現(xiàn)的。根據(jù)OFDM調(diào)制與解調(diào)與阿尼拉，結(jié)合QAM調(diào)制技術(shù)，得出OFDM系統(tǒng)模型如圖1所示。

2 仿真模型構(gòu)建

按照圖1OFDM原理框圖設(shè)計基本仿真框架，以QPSK與QAM基帶調(diào)制為調(diào)制方式。按照模型的調(diào)制順序，首先是輸入一個隨機(jī)信號，對其進(jìn)行RS編碼，對此時的基帶信號進(jìn)行QAM或者QPSK基帶調(diào)制，進(jìn)行OFDM調(diào)制，然后插入循環(huán)保護(hù)間隔CP，對信號進(jìn)行串并變換，隨后在系統(tǒng)中插入瑞利衰落信道與高斯信道，模擬信號通信環(huán)境。然后開始進(jìn)行數(shù)據(jù)解調(diào)，首先對信號進(jìn)行并串變換，去除循環(huán)保護(hù)間隔CP，調(diào)出OFDM解調(diào)系統(tǒng)，然后開始進(jìn)行信道估計，進(jìn)行信道補(bǔ)償，去零，恢復(fù)信號，進(jìn)行QAM或QPSK解調(diào)，最后進(jìn)行RS解碼，完成整個信號的通信。

通過對OFDM主要模塊及參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，得出QAM、QPSK的基帶調(diào)制系統(tǒng)框圖，QAM調(diào)制系統(tǒng)如圖2所示。在搭建仿真模型時，很多模塊無法直接能搜出來選定，就比如最經(jīng)典的Selector模塊，參考模型給出的是2個左U輸入右Y輸出的模型，而直接在模塊庫中是這樣一個完全一樣的模塊的，需要調(diào)出最基本的Selector模塊，進(jìn)行參數(shù)設(shè)定，才能得到相應(yīng)的模塊。根據(jù)參數(shù)的設(shè)計合理匹配各模塊之間速率，經(jīng)過反復(fù)調(diào)試，最終得出系統(tǒng)的仿真模型。

3 仿真結(jié)果分析

采用QPSK、QAM兩種調(diào)制，設(shè)置高斯信道中設(shè)置比特信噪比為30 dB，瑞利衰落信道中初始多普勒頻率偏移為1 Hz。在同等條件下，16QAM的抗噪能力明顯的優(yōu)于QPSK的抗噪性能;將QAM與QPSK調(diào)制方式下的系統(tǒng)信噪比降低至10 dB、5 dB、3 dB之后，QPSK的抗噪能力反而優(yōu)于16QAM的抗噪性能。由此可見，在小信噪比的情況下，QPSK調(diào)試帶寬比QAM調(diào)制大2倍，但是抗噪聲性能得到有效地提高，在大信噪比情況下，QAM調(diào)制帶寬比QPSK調(diào)制減小了一倍，系統(tǒng)的可靠性也得到了增強(qiáng)。

同等條件下，采取4-QAM、16-QAM、64-QAM、128-QAM和在256-QAM調(diào)制方式進(jìn)行仿真，得到的誤碼率統(tǒng)計表如表1所示。仿真結(jié)果表明，4-QAM誤碼率最小，傳輸一次信號在信道中出錯比特最少，根據(jù)調(diào)制進(jìn)制數(shù)的增加，系統(tǒng)誤碼性能變差，誤碼率越來越高，且得到的功率譜圖邊帶陡峭度降低，經(jīng)過RS編碼后系統(tǒng)總誤碼率減小。4QAM調(diào)制性能最好，16QAM調(diào)制性能次之，256QAM調(diào)制性能最差。

信噪比設(shè)置為30 dB，對多普勒頻偏設(shè)置為1 Hz，50 Hz，100 Hz和200 Hz分別進(jìn)行仿真，得到的誤碼率統(tǒng)計如表2所示。仿真結(jié)果表明，在信噪比不變的情況下，系統(tǒng)的中誤碼率隨著多普勒頻偏增大而增大。

多普勒頻偏保持1 Hz不變，信噪比分別設(shè)置為20 dB，30 dB，33 dB和40 dB進(jìn)行仿真，得到的誤碼率統(tǒng)計如表3所示。仿真結(jié)果表明，在多普勒頻偏不變的情況下，系統(tǒng)的中誤碼率隨著信噪比增大而減小，但在超過36 dB時，再增加信噪比已經(jīng)不能再優(yōu)化誤碼性能了。

4 結(jié)論

在基本OFDM系統(tǒng)模型中，加入了RS編碼與信道估計，并對信道進(jìn)行了補(bǔ)償與去零操作，在進(jìn)行IFFT時插零，解調(diào)時運行FFT與去零。側(cè)重分析了RS編碼的存在性對系統(tǒng)誤碼率的影響，在調(diào)制方式上，應(yīng)用兩種調(diào)制方式進(jìn)行QPSK與QAM的對比，內(nèi)部分析則是改變QAM的進(jìn)制數(shù)，對4-QAM、16-QAM、64-QAM與256-QAM進(jìn)行對比，分析系統(tǒng)的可靠性。仿真結(jié)果表明，有RS編碼的系統(tǒng)誤碼率優(yōu)于未經(jīng)編碼的系統(tǒng)，且信道最適宜的信噪比在36 dB，多普勒頻移默認(rèn)為系統(tǒng)的1 Hz最適宜，因為SER同多普勒頻偏成正比，同信噪比成反比。在較好的信道條件的前提下（也就是在合適的信噪比與多普勒頻移之下），應(yīng)當(dāng)用高階的調(diào)制，增加調(diào)制電平數(shù)，可以使誤碼率保持一定小的范圍，一般的信道條件應(yīng)用低階調(diào)制系統(tǒng)可靠性越好，同階的QPSK與QAM調(diào)制，應(yīng)選擇QAM調(diào)制，降低系統(tǒng)誤碼率。

參考文獻(xiàn)

[1] 邵玉斌，MATLAB/SIMULINK通信系統(tǒng)建模與仿真實例分析[M].北京：清華大學(xué)出版社，2014.

[2] 何小雨.基于MATLAB的OFDM系統(tǒng)設(shè)計與仿真[J].延安大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2018，37（3）：51-55.

[3] 王俊平，陳慶東.基于Simulink的OFDM技術(shù)在移動通信系統(tǒng)中的研究[J].信息通信，2018（8）：237-238.