基于MATLAB的数字化广播传输特性仿真与分析

吴秋燕

（滕州市融媒体中心，山东枣庄 277500）

0 引言

目前，广播信号已实现数字化传输，这也是音频信号的主要传输方式，易于存储。数字化的广播信号传输离不开数字编码[1]与信号解调[2]，若出现编码异常，将导致信号延迟或误码率较高[3]。理论上数字化广播传输依赖于3 种操作方式，分别是模拟信号的输入、数字信道编码和调制以及信号发送。其中，数学信道编码和调制是确保广播信号稳定性和准确性的关键环节，需要多个模块协同完成[4]，如扰码模块、LDPC 编码模块、卷积编码模块、星座映射模块、交织模块和OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交频分复用技术）模块等成。

随着互联网时代的发展，数字广播的容量和需求越来越大，虽然先进的通信标准[5]为传输效率提供了良好的条件，但误码率仍无法避免。因此，文中基于MATALB 软件对数学信道编码和调制中的关键模块进行仿真分析，判断系统的合理性与可行性。

1 仿真方案与原理

1.1 仿真方案确定

系统的仿真分析是工程上一种常见的技术研究手段，能够有效弥补或替代实验。它不但能降低研发成本，还可以摆脱复杂非线性的限制，使研究结果更加科学和可靠。针对无线广播传输的特点，需要对相关的算法进行验证，即通过MATLAB 数据处理平台，验证无线传输系统的合理性和可行性。该软件集成了先进的矩阵处理模块，可以实现复杂的非线性求解、有效验证信号传输效果，并针对评测结果进行相应评价。

1.2 通信系统仿真原理

在整个无线传输系统中，功能的实现涉及到的设备和介质非常多，因此需要针对各关键模块进行独立建模和仿真分析。无线数据通信的主要原理是将特定的信号源以数字信号的形式发送至另一个中继端，通过连续转接达到终端。由此可见，不同模块之间的通信结构和匹配性是决定通信模型的关键[6-8]。在MATLAB中，执行系统仿真的主要流程有：首先，将分析目标抽象化，在仿真平台中选择合理的模型；其次，对模型进行分割处理，依次解决子问题；然后，选定合理的参数与边界条件，优化配置方法和估算结果；最后，对仿真结果进行验证。随着通信技术的发展，各个模块逐渐具备可拓展性[9]，即满足搭建通信。这也是验证信号传输稳定性的重要需求。

2 仿真结果分析

2.1 正交幅度调制仿真分析

不同的载波幅值与相位可代表不同的数字化信息，而正交幅度调制可将已经调制完成的信号进行频谱正交化处理，相比于传统的调制方法，可实现更高的频带利用率，节能降耗效果显著。在实际通讯过程中，频带和功率的利用率是评价调制效果的关键参数，能够反映出传输效率和相对误差，对于不同的通信方式和信号类型，两者要求的比重有所差异。

为验证正交幅度的调制效果，在MATLAB 中调用Scatterplot 函数，并采用Reshape 函数和Bi2de 函数将序列进行变形。针对调制信号的特点增设匹配的白噪声信号，进而对比信号干扰下的传输特性。根据信号的波形进行二进制的转换，基于Biterr 函数能够查看相应的参数结果（图1）。在正交幅度调制条件下，有噪声和无噪声干扰下的星座图如图2 所示。

图1 调制后信号二进制序列

图2 噪声信号对正交分量的影响

从仿真结果可以看出：通过正交幅度调制的二进制序列，其误比特数以及误比特率保持数值零，这表明调制序列准确可靠，未出现偏差等问题；正交幅度调制对噪声信号不敏感，在白噪声影响下，虽然同相分量与正交分量的分布在局部更为分散，但仍保持了区域性，与其他信号数据之间未发生干涉现象。因此，调节的数据不会受到本质的影响，这表明该映射方式抗干扰能力强、稳定性高。

2.2 卷积编码仿真分析

无线广播信号在传输过程中，串扰[10]和噪声[11-12]是导致误码的主要因素，一般可采用增大发射功率、优化调制方式、处理信道编码等方式。卷积编码是一种先进的信道编码方式，可针对数字信号的序列进行诊断和恢复，对于误码率的降低有重要作用。在MATLAB 软件中，运用Randi 函数声场一系列非随机的数值序列。根据仿真原理可知，十进制的数值序列更利于结果的查看，因此，应通过Reshape 函数和Bi2de 函数将二进制序列进行转换，使其变为十进制序列。卷积编码的仿真分析结果如图3 所示，在卷积编码条件下，误码率显著降低，并且在白噪声作用下其误比特率仍保持在较小的数值。

图3 卷积编码对比仿真结果

2.3 OFDM 仿真分析

OFDM 是目前应用最为广泛的多载波无线传输方式之一，其具有实现难度低、操作简便等优点，整个调制和解调的过程分别依赖于IFFT（Inverse Fast Fourier Transform，离散傅立叶反变换的快速算法）和FFT（Fast Fourier Transform，离散傅立叶变换的快速算法）的函数变换，相比常规的IFFT 处理，还增加了传输信号的保护和循环功能。为了验证正交频分复用的应用效果，对比OFDM 和常规的IFFT 在不同时间下的响应特性，可得出正交频分复用对比仿真结果（图4）。从图4 可以看出，正交频分复用条件下的幅值与IFFT 具有良好的匹配性和等效性。另外，由于OFDM 采用了卷积编码，可有效降低白噪声的敏感性，使得频谱密度达到稳定的时间更短，高效性更显著。

图4 正交频分复用对比仿真结果

3 结论

随着通信技术和互联网技术的发展，数字化广播传输方式表现出显著的灵活性和多样性，有效满足了用户对媒体传播的需要。数字化广播技术的改革是信息技术广泛应用的必然结果，只有确保了通信质量才能被认可。目前，信道编码与调制的标准不统一，只有稳定性高、误码率低的模块才具有市场竞争力。本文通过对正交幅度调制、卷积编码和正交频分复用等功能研究，确保了基于该模块对数字化音频广播传输的可靠性，这个对于视频的数字传输改进有着重要指导意义。