基于SIMULINK的OFDM-16QAM系统仿真与分析

余志靓 潘学文

摘要：该文分析了OFDM系统的组成，构建了OFDM系统SIMULINK仿真流程。建立了正交频分复用系统框图，并通过SIMULINK进行建模仿真，对不同信噪比下系统的误码率进行仿真分析。仿真结果表明：在16QAM调制下，15dB到10dB的范围内误比特率起伏大，在高于15dB的信噪比条件下，信号传榆的可靠性更高。

关键词：正交频分复用;仿真;SIMULINK;-～码率;信噪比

中图分类号：TN911-4;G434 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2019）33-0292-03

1概述

“第四代”移动通信的重要技术正交频分复用技术，集成了多载波技术和离散傅里叶变换等技术优势，能够更好地兼容多种多媒体通信。OFDM（Orthogonal～equency division multi-plexing）在降低频谱浪费上有优势，在处理信号的选择性衰落方面受到大众青睐。由于信道会导致不同的频率下的信号波形失真，正交频分复用将数据变为低速，减少了波形的失真，同时让码间串扰变得更少。

2正交频分复用系统组成

正交频分复用系统组成如图1所示。系统的信号处理过程为：在发送端首先对信号进行交织编码提高了数据传输的准确性，之后加入导频，以作为载波同步信号便于接收端进行信号恢复。之后进行并串变换，再串并变换后送入快速傅里叶反变换器件使得频域信号变为时域信号，将处理完的信号依次并串变换、加入循环前缀和数模变换后发送到信道中。

接收端是一个解调的过程，首先去掉循环前缀、基本解决了多径时延下的干扰，傅里叶变换器件将串并变换的信号进行解调，将时域信号变为频域信号，最后解交织和编码就可以将源信号还原。

3OFDM系统仿真模型构建

为了加深对正交频分复用的认识，通过对正交频分复用系统进行SIMULINK仿真，本文结合前面章节对正交频分复用的介绍，构建出正交频分复用的结构框图。利用SIMULINK实现对正交频分复用系统每一个模块的仿真，使得在仿真过程中的模块数据调试和分析更便捷。

正交频分复用的仿真过程：输入二进制比特序列，对输入的比特序列进行编码和交织，编码交织的二进制比特序列通过16QAM调制，进行对输人数据的调制映射，映射为相应的调制信息序列{x（n）}，之后进行的IFFT变换，将数据频域上的频谱表达式转换到时域上，添加循环前缀后经过串并变换器，将时域信号发送出去，获得OFDM调制信号的时域波形，正交频分复用的原理框图如图2所示。

在接收端部分进行发送端的逆向操作，先串并变换，将信号变为并行的时域信号，去掉循环前缀，经后进行FFT变换，去掉多余添加的零，经解调后还原出原始信号，整个正交频分复用过程结束。

4OFDM系统SlMULINK仿真实现

利用SIMULINK对OFDM系统的16QAM调制进行建模仿真，仿真模型如下图3所示。

对正交频分复用系统各模块设置如下：

（1）伯努利信号发生器（Bernoulli Binary Generator）：这个模块能够产生随机的二进制数据，并且产生的二进制中0和1的出现概率都是0.5，设置Bernoulli Binary Generator每一列采样个数为44。

（2）RS编码和交织：使用RS编码和交织的目的是：通过增加传输信号的冗余度，来提高系统传输数据的可靠性。RS编码模块（Binary-Input RS Encoder）的作用是纠正衰落信道中的随机误差，交织模块（General Block Intedeaver）对衰落信道的突发错误能够有效地抑制。

（3）16QAM调制下的正交频分复用系统子模块内部结构如图4所示。

图5显示的是OFDM子系统内部模块，被RS编码模块和交织模块处理后的数据经过16QAM调制、补O、IF-FT变换、插人循环前缀后，变为并行时域信号，再采用并串变换处理后发射出去。在接收端对发送的数据进行逆向操作，就能够将数据还原，具体内部模块如图5所示。

①16QAM调制：调制的过程就是一个星座映射的过程，而星座映射的作用是进行数值转换。调制后的序列通过IFFT变换到各个子信道上，这个过程提高正交频分复用系统的频带利用率。本次仿真采用频谱效率较高的16QAM调制。

②补0模块：由于IFFT变换要求输人点数为2N，所以在数据传人IFFT模块之前要对信号进行补0操作。

③IFFT变换模块：IFFT模块的作用是在OFDM的调制中，降低了系统的实现复杂度。根通过16QAM调制和补0模块，将IFFT参数设为32。

④插入循环前缀（selector）：由于信道中的多径干扰会导致传输信号产生多径时延，造成符号间干扰，为减少多径对信号的影响，在每个IFFT变换后的子载波前添加循环前缀形成保护间隔，保护间隔的长度应该大于多径时延扩展的最大值。

⑤并串变换fReshape）：将并行数据转换为串行数据。

（4）信道：加性高斯白噪声（AWGN）的特点是：幅度分布服从高斯分布功率谱密度在整个频域内均匀分布。信号传输过程中，AWGN信号的功率越大，信号受到的影响越大，到达接收端时的误码率也会增大。

在发送信号时，发送端的数字信号转换为模拟信号，在信道中传输时受到AWGN的干扰，进入接收端时，先进行模数转换，再对信号进行OFDM的解调操作。

（5）接收端正交频分复用子模块：对信号的处理是一个反过程。OFDM接收端结构如图6所示。

图7为正交频分复用系统子模块，对接收到的信号进行串并转换、去除循环前缀、FFT变换，去0和成帧，最后进行16QAM解调。

①去循环前缀：将模块的index修改为【5：20】。

②FFT变换和去0：FFF的调制的点数与发送端的IFFT点数相等，为16，去0模塊在signal routing上选择selector，再发送端补0参数中的index值修改为【1：15】。

③成帧和数字解调：接收端使用成帧模块，是进行16QAM解调的输人信号要求是基于帧的数据，再通过16QAM解调操作，还原成比特流。

（6）解码部分：与发送端的RS编码交织相对应，模块的参数设置于发送端一致。

（7）误比特率统计模块：将传输过来的信号与发送端的信号进行对比，得出误比特率。

5仿真结果

正交频分复用系统在16QAM调制下不同信噪比下的误比特率：

通过不同信噪比下的数据传输的误比特率比较，发现在信噪比为15dB到10dB的范围内误比特率变化很快，从0.0073上升到0.1482，得到结论：在进行编码交织和添加循环前缀的的系统，如果想要进一步提高信息传输的可靠性，信号传输的信噪比最好在15dB以上。

6结束语

本文对正交频分复用系统进行了SIMULINK仿真与分析，对整个正交频分复用系统的各个模块进行了具体介绍，构建了信源模块、16QAM调制和解调模块、IFFT/FFT模块、串并变换模块和循环前缀的添加和去除模块等等，通过这些模块，实现了正交频分复用有对信道干扰的较好抵抗性能，并且随着SNR的提高，信号传输的可靠性得到了保障。