论文部分内容阅读
[摘 要 ]文章主要通过Matlab软件中的Simulink工具对OFDM在通信系统中的传输进行仿真、性能进行对比分析。仿真结果表明：在OFDM技术的通信仿真系统中，插入CP对消除系统中由多径效应带来的ISI和ICI有很大效果，并且，对接收信号的还原起了一定作用;经过RS编码后的系统，可明显地看出系统抗误码性能提高了几倍，系统可靠性大大增强;在同等条件下，运用4QAM调制解调技术的系统，其误码性能明显优于16-QAM、64-QAM、128QAM和256-QAM的调制系统;QAM技术比较适合在大信噪比的信道中使用，而QPSK比较适合在小信噪比信道中使用。
[关键词]OFDM;Simulink;通信系统
[中图分类号]TN911-4;G434 [文献标志码]A [文章编号]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世纪，通信技术百花争艳，通信工具层出不穷[1]。从2013年12月4日工业与信息化部正式发放4G牌照起，以OFDM技术为核心的第4代通信技术迅速崛起并普及全国，使我国的通信形象焕然一新，惠及军事、电信、经济金融、医疗教育等多个领域[2，3]。正是因为4G时代前所未有的发展速度，不仅改变了人们的生活，更是直接加速了社会的发展。
文章利用数学软件Matlab对OFDM系统创建仿真模型、设置仿真参数并进行性能对比分析。以插入CP并进行RS编码研究OFDM在移动通信系统中对于消除ISI和多径效应带来的ICI的变化;对以信道估计的方法来分析OFDM在高斯信道与瑞利衰落信道中的抗噪声性能与抗多径衰落性能，以不同的调制方式，即QAM、QPSK來比较OFDM在移动通信系统中误码率与信噪比的优劣。
1 OFDM技术
OFDM的基本原理是把传输信道划分为N个正交的子传输信道，把高速串行的数据流变为低速并行的子数据流，分别对应到N个子信道中，进行调制与传输。使用快速傅立叶反变换与快速傅立叶变换提高信号传输速度;对OFDM在通信系统中产生的频率性选择衰落，因为其划分的N个子信道，使得各个子信道在其频率特性上都近似平坦，从而实现频率分集，来抵抗多径带来的干扰。
OFDM分离的各子载波一大特点就是其正交性，它要求每一路已调信号都必须严格正交，以便于在接收端能根据其正交性将各路子载波分离，从而实现对频带的充分利用。
OFDM信号的产生是基于快速离散傅立叶反变换（IFFT）实现的，而接收端则是利用快速离散傅立叶变换（FFT）实现的。根据OFDM调制与解调与阿尼拉，结合QAM调制技术，得出OFDM系统模型如图1所示。
2 仿真模型构建
按照图1OFDM原理框图设计基本仿真框架，以QPSK与QAM基带调制为调制方式。按照模型的调制顺序，首先是输入一个随机信号，对其进行RS编码，对此时的基带信号进行QAM或者QPSK基带调制，进行OFDM调制，然后插入循环保护间隔CP，对信号进行串并变换，随后在系统中插入瑞利衰落信道与高斯信道，模拟信号通信环境。然后开始进行数据解调，首先对信号进行并串变换，去除循环保护间隔CP，调出OFDM解调系统，然后开始进行信道估计，进行信道补偿，去零，恢复信号，进行QAM或QPSK解调，最后进行RS解码，完成整个信号的通信。
通过对OFDM主要模块及参数进行设置，得出QAM、QPSK的基带调制系统框图，QAM调制系统如图2所示。在搭建仿真模型时，很多模块无法直接能搜出来选定，就比如最经典的Selector模块，参考模型给出的是2个左U输入右Y输出的模型，而直接在模块库中是这样一个完全一样的模块的，需要调出最基本的Selector模块，进行参数设定，才能得到相应的模块。根据参数的设计合理匹配各模块之间速率，经过反复调试，最终得出系统的仿真模型。 3 仿真结果分析
采用QPSK、QAM两种调制，设置高斯信道中设置比特信噪比为30 dB，瑞利衰落信道中初始多普勒频率偏移为1 Hz。在同等条件下，16QAM的抗噪能力明显的优于QPSK的抗噪性能;将QAM与QPSK调制方式下的系统信噪比降低至10 dB、5 dB、3 dB之后，QPSK的抗噪能力反而优于16QAM的抗噪性能。由此可见，在小信噪比的情况下，QPSK调试带宽比QAM调制大2倍，但是抗噪声性能得到有效地提高，在大信噪比情况下，QAM调制带宽比QPSK调制减小了一倍，系统的可靠性也得到了增强。
同等条件下，采取4-QAM、16-QAM、64-QAM、128-QAM和在256-QAM调制方式进行仿真，得到的误码率统计表如表1所示。仿真结果表明，4-QAM误码率最小，传输一次信号在信道中出错比特最少，根据调制进制数的增加，系统误码性能变差，误码率越来越高，且得到的功率谱图边带陡峭度降低，经过RS编码后系统总误码率减小。4QAM调制性能最好，16QAM调制性能次之，256QAM调制性能最差。
信噪比设置为30 dB，对多普勒频偏设置为1 Hz，50 Hz，100 Hz和200 Hz分别进行仿真，得到的误码率统计如表2所示。仿真结果表明，在信噪比不变的情况下，系统的中误码率随着多普勒频偏增大而增大。
多普勒频偏保持1 Hz不变，信噪比分别设置为20 dB，30 dB，33 dB和40 dB进行仿真，得到的误码率统计如表3所示。仿真结果表明，在多普勒频偏不变的情况下，系统的中误码率随着信噪比增大而减小，但在超过36 dB时，再增加信噪比已经不能再优化误码性能了。
4 结论
在基本OFDM系统模型中，加入了RS编码与信道估计，并对信道进行了补偿与去零操作，在进行IFFT时插零，解调时运行FFT与去零。侧重分析了RS编码的存在性对系统误码率的影响，在调制方式上，应用两种调制方式进行QPSK与QAM的对比，内部分析则是改变QAM的进制数，對4-QAM、16-QAM、64-QAM与256-QAM进行对比，分析系统的可靠性。仿真结果表明，有RS编码的系统误码率优于未经编码的系统，且信道最适宜的信噪比在36 dB，多普勒频移默认为系统的1 Hz最适宜，因为SER同多普勒频偏成正比，同信噪比成反比。在较好的信道条件的前提下（也就是在合适的信噪比与多普勒频移之下），应当用高阶的调制，增加调制电平数，可以使误码率保持一定小的范围，一般的信道条件应用低阶调制系统可靠性越好，同阶的QPSK与QAM调制，应选择QAM调制，降低系统误码率。
参考文献
[1] 邵玉斌，MATLAB/SIMULINK通信系统建模与仿真实例分析[M].北京：清华大学出版社，2014.
[2] 何小雨.基于MATLAB的OFDM系统设计与仿真[J].延安大学学报（自然科学版），2018，37（3）：51-55.
[3] 王俊平，陈庆东.基于Simulink的OFDM技术在移动通信系统中的研究[J].信息通信，2018（8）：237-238.
[关键词]OFDM;Simulink;通信系统
[中图分类号]TN911-4;G434 [文献标志码]A [文章编号]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世纪，通信技术百花争艳，通信工具层出不穷[1]。从2013年12月4日工业与信息化部正式发放4G牌照起，以OFDM技术为核心的第4代通信技术迅速崛起并普及全国，使我国的通信形象焕然一新，惠及军事、电信、经济金融、医疗教育等多个领域[2，3]。正是因为4G时代前所未有的发展速度，不仅改变了人们的生活，更是直接加速了社会的发展。
文章利用数学软件Matlab对OFDM系统创建仿真模型、设置仿真参数并进行性能对比分析。以插入CP并进行RS编码研究OFDM在移动通信系统中对于消除ISI和多径效应带来的ICI的变化;对以信道估计的方法来分析OFDM在高斯信道与瑞利衰落信道中的抗噪声性能与抗多径衰落性能，以不同的调制方式，即QAM、QPSK來比较OFDM在移动通信系统中误码率与信噪比的优劣。
1 OFDM技术
OFDM的基本原理是把传输信道划分为N个正交的子传输信道，把高速串行的数据流变为低速并行的子数据流，分别对应到N个子信道中，进行调制与传输。使用快速傅立叶反变换与快速傅立叶变换提高信号传输速度;对OFDM在通信系统中产生的频率性选择衰落，因为其划分的N个子信道，使得各个子信道在其频率特性上都近似平坦，从而实现频率分集，来抵抗多径带来的干扰。
OFDM分离的各子载波一大特点就是其正交性，它要求每一路已调信号都必须严格正交，以便于在接收端能根据其正交性将各路子载波分离，从而实现对频带的充分利用。
OFDM信号的产生是基于快速离散傅立叶反变换（IFFT）实现的，而接收端则是利用快速离散傅立叶变换（FFT）实现的。根据OFDM调制与解调与阿尼拉，结合QAM调制技术，得出OFDM系统模型如图1所示。
2 仿真模型构建
按照图1OFDM原理框图设计基本仿真框架，以QPSK与QAM基带调制为调制方式。按照模型的调制顺序，首先是输入一个随机信号，对其进行RS编码，对此时的基带信号进行QAM或者QPSK基带调制，进行OFDM调制，然后插入循环保护间隔CP，对信号进行串并变换，随后在系统中插入瑞利衰落信道与高斯信道，模拟信号通信环境。然后开始进行数据解调，首先对信号进行并串变换，去除循环保护间隔CP，调出OFDM解调系统，然后开始进行信道估计，进行信道补偿，去零，恢复信号，进行QAM或QPSK解调，最后进行RS解码，完成整个信号的通信。
通过对OFDM主要模块及参数进行设置，得出QAM、QPSK的基带调制系统框图，QAM调制系统如图2所示。在搭建仿真模型时，很多模块无法直接能搜出来选定，就比如最经典的Selector模块，参考模型给出的是2个左U输入右Y输出的模型，而直接在模块库中是这样一个完全一样的模块的，需要调出最基本的Selector模块，进行参数设定，才能得到相应的模块。根据参数的设计合理匹配各模块之间速率，经过反复调试，最终得出系统的仿真模型。 3 仿真结果分析
采用QPSK、QAM两种调制，设置高斯信道中设置比特信噪比为30 dB，瑞利衰落信道中初始多普勒频率偏移为1 Hz。在同等条件下，16QAM的抗噪能力明显的优于QPSK的抗噪性能;将QAM与QPSK调制方式下的系统信噪比降低至10 dB、5 dB、3 dB之后，QPSK的抗噪能力反而优于16QAM的抗噪性能。由此可见，在小信噪比的情况下，QPSK调试带宽比QAM调制大2倍，但是抗噪声性能得到有效地提高，在大信噪比情况下，QAM调制带宽比QPSK调制减小了一倍，系统的可靠性也得到了增强。
同等条件下，采取4-QAM、16-QAM、64-QAM、128-QAM和在256-QAM调制方式进行仿真，得到的误码率统计表如表1所示。仿真结果表明，4-QAM误码率最小，传输一次信号在信道中出错比特最少，根据调制进制数的增加，系统误码性能变差，误码率越来越高，且得到的功率谱图边带陡峭度降低，经过RS编码后系统总误码率减小。4QAM调制性能最好，16QAM调制性能次之，256QAM调制性能最差。
信噪比设置为30 dB，对多普勒频偏设置为1 Hz，50 Hz，100 Hz和200 Hz分别进行仿真，得到的误码率统计如表2所示。仿真结果表明，在信噪比不变的情况下，系统的中误码率随着多普勒频偏增大而增大。
多普勒频偏保持1 Hz不变，信噪比分别设置为20 dB，30 dB，33 dB和40 dB进行仿真，得到的误码率统计如表3所示。仿真结果表明，在多普勒频偏不变的情况下，系统的中误码率随着信噪比增大而减小，但在超过36 dB时，再增加信噪比已经不能再优化误码性能了。
4 结论
在基本OFDM系统模型中，加入了RS编码与信道估计，并对信道进行了补偿与去零操作，在进行IFFT时插零，解调时运行FFT与去零。侧重分析了RS编码的存在性对系统误码率的影响，在调制方式上，应用两种调制方式进行QPSK与QAM的对比，内部分析则是改变QAM的进制数，對4-QAM、16-QAM、64-QAM与256-QAM进行对比，分析系统的可靠性。仿真结果表明，有RS编码的系统误码率优于未经编码的系统，且信道最适宜的信噪比在36 dB，多普勒频移默认为系统的1 Hz最适宜，因为SER同多普勒频偏成正比，同信噪比成反比。在较好的信道条件的前提下（也就是在合适的信噪比与多普勒频移之下），应当用高阶的调制，增加调制电平数，可以使误码率保持一定小的范围，一般的信道条件应用低阶调制系统可靠性越好，同阶的QPSK与QAM调制，应选择QAM调制，降低系统误码率。
参考文献
[1] 邵玉斌，MATLAB/SIMULINK通信系统建模与仿真实例分析[M].北京：清华大学出版社，2014.
[2] 何小雨.基于MATLAB的OFDM系统设计与仿真[J].延安大学学报（自然科学版），2018，37（3）：51-55.
[3] 王俊平，陈庆东.基于Simulink的OFDM技术在移动通信系统中的研究[J].信息通信，2018（8）：237-238.