基于16QAM调制的OFDM系统仿真实现

基于16QAM调制的OFDM系统仿真实现

【摘要】正交频分复用（OFDM）是一种运用多载波的调制技术，具有频谱效率高、能有效抗多径、信道均衡简单等多种优势，是第四代移动通信的核心技术，研究其有重要意义。本文根据OFDM基本原理,利用MATLAB平台，仿真实现了基于十六进制正交幅度调制（16QAM）调制的OFDM系统各阶段对信号的处理。实验中，通过添加循环前缀（CP）消除了码间串扰（ISI），利用部分传输序列（PTS）方法降低了系统的峰均功率比（PAPR），通过插入训练序列（TS）的方法实现了三种常用的同步方法，并进行了比较，另外，研究了理想同步情况下，利用迫零均衡的方式进行信道估计与频域均衡的方法，给出了在不同的信道条件下（高斯噪声信道和瑞利衰减信道）,均衡对OFDM系统误码率影响的比较曲线，以及不同子载波的误码性能。最后，给出了在高斯噪声信道下，不同的16QAM调制编码方案对OFDM系统误码率影响的比较曲线，得出了较理想的结论。
【关键词】OFDM；MATLAB；同步方法；降PAPR；信道估计与迫零均衡；误码率曲线；格雷编码
1.绪论
随着要求传输的码元速率不断提高，传输带宽也越来越宽。今日多媒体通信的信息传输速率要求已经达到若干Mb/s,并且移动通信的传输信道可能是在大城市中多径衰落严重的无线信道。为了解决这个问题，并行调制的体制再次受到重视。在这种形势下，OFDM技术应运而生，并随着数字信号处理（DSP）技术迅速发展。OFDM是一种运用多载波的调制技术，其技术特点是易实现信道均衡，降低了接收端均衡的复杂度，并且具有较强的抗信道频率选择性衰落性能，是抗信道多径的有效方法。其主要思想是在频域内将信道分成许多正交子信道，在每个子信道上使用一个子载波进行调制，并且不同子载波并行传输，大大提高了频谱利用率。由于其具有频谱效率高、能有效抵抗多径衰落信道、传输数据速率高、信道均衡简单、实现简单等多种优势，也因此成为第四代移动通信的核心技术，研究其有重要意义。
本文根据OFDM基本原理,利用MATLAB平台，在发送端产生随机二进制信号以后，依次通过星座映射、串并变换、埃尔米特映射、IFFT、降PAPR、插入CP、并串变换、添加TS后发射，经过高斯信道或瑞利衰落信道，在接收端接收后经过同步、串并变换、信道估计与迫零均衡、去CP、FFT、去埃尔米对称、降PAPR后处理、并串变换、解星座映射恢复出原始二进制数据，并与发送端比较求误码率，如图1示出了实验中实现的OFDM系统框图。由于无线传输信道中存在多径效应，会产生ISI，为消除ISI，实验中采用了添加CP的方式。为了确定每个OFDM符号的正确起止时刻，去除CP，实现OFDM帧同步，本文中通过插入TS，分别采用了三种常用的符号定时同步方法，并对三种同步方法的性能进行了比较。另外，为克服频率选择性衰落和时间选择性衰落的影响，并充分利用信道信息，实验中，研究了在理想同步情况下，利用迫零均衡的方式进行信道估计与频域均衡的方法，并给出了在不同的信道条件下（高斯噪声信道和瑞利衰减信道）,均衡对OFDM系统误码率影响的比较曲线，以及不同子载波的误码性能。当然，OFDM也有缺点，一是对信道产生的频率偏移和相位噪声很敏感，再者信号峰值功率和平均功率的比值（PAPR）较大,这将会降低射频功率放大器的效率。前者通过添加CP后可以有效解决。抑制PAPR的方法有多种，在本文中采用了PTS方法有效的抑制了PAPR。实验最后，通过采用不同的16QAM调制编码方案，即用方形或环形星座图、用格雷码等，在高斯噪声信道和理想同步的情况下，比较了不同方案对系统误码率曲线的影响。

图1 实验中所用的OFDM系统框图
本文的其余部分安排如下。第二部分将介绍OFDM系统部分重要处理模块的相关原理及实现过程，第三部分将展示我们实验仿真所得出的数据及图像结果，并进行分析，最后在第四部分得出结论。

部分仿真结果：

两种星座图：

同步效果：

高斯白噪信道误码率比较：

瑞利衰落信道误码率比较：

综合比较：

降PAPR效果：

不同16QAM调制方案（星座图）误码率比较：

更多详细内容（代码、实验总结等）详见：https://download.csdn.net/download/hyl1181/12646924