QPSK和16QAM調(diào)制下MIMO-OFDM系統(tǒng)Matlab仿真實(shí)現(xiàn)

譚清元 潘學(xué)文

摘要：本文首先分析了MIMO-OFDM技術(shù)的特點(diǎn)，構(gòu)建了MIMO-OFDM系統(tǒng)總體框圖。使用MATLAB對(duì)MIMO-OFDM系統(tǒng)進(jìn)行建模仿真，在低信噪比條件下，采用QPSK和16QAM兩種調(diào)制方式，對(duì)比系統(tǒng)的SNR與誤比特率等技術(shù)參數(shù)。仿真結(jié)果表明：QPSK調(diào)制的性能優(yōu)于16QAM調(diào)制，MIMO-OFDM技術(shù)能夠在帶寬不變的情況下保障多個(gè)天線信號(hào)的可靠傳輸。

關(guān)鍵詞：信道容量;MIMO-OFDM;MATLAB;誤碼率

中圖分類號(hào)：TN911-4;G434

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2019）34-0237-02

1 概述

多輸入多輸出（Multiple-lnput Multiple-Output，MIMO）技術(shù)是通過多個(gè)天線進(jìn)行信息的傳送，能夠在較少頻帶使用的情況下提高信道容量。正交頻分復(fù)用（Orthogonal Frequency Divi-sion Multiplexing，OFDM）技術(shù)能夠降低信道對(duì)信號(hào)的干擾，結(jié)合正交頻分復(fù)用和MIMO技術(shù)，能夠讓信道對(duì)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸影響降低，使得數(shù)據(jù)在接收端還原出的數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確，通過分集技術(shù)，讓數(shù)據(jù)傳輸?shù)膸捠褂酶?，傳輸?shù)目煽啃蕴岣遊1-3]。因此，對(duì)正交頻分復(fù)用和MIMO技術(shù)的仿真分析及MIMO-OFDM的研究很有必要。

在無線通信系統(tǒng)中，不僅需要面對(duì)多徑衰落對(duì)信號(hào)的影響，還要考慮頻帶資源的有限性[4]。正交頻分復(fù)用技術(shù)通過劃分子載波，降低數(shù)據(jù)傳輸速率的方式，有效的對(duì)抗多徑衰落，然而對(duì)頻譜資源的使用得不到較大提高;MIMO技MIMO-OFDM技術(shù)將兩者的優(yōu)勢相結(jié)合，在提高信道容量的同時(shí)，對(duì)無線信道中的多徑衰落和噪聲抵抗力提升術(shù)通過多發(fā)多收的天線，利用空間資源，能夠減少頻譜資源浪費(fèi)。MIMO-OFDM技術(shù)對(duì)無線通信的發(fā)展非常重要。

2 MIMO-OFDM系統(tǒng)框圖

正交頻分復(fù)用技術(shù)的特點(diǎn)是能夠把數(shù)據(jù)流劃分為多個(gè)正交的低速數(shù)據(jù)流，通過多徑干擾對(duì)低速平坦的信號(hào)干擾較小的原理，降低了多徑干擾。MIMO技術(shù)的信號(hào)傳輸與正交頻分復(fù)用的信號(hào)傳輸處于相似的信道中。MIMO技術(shù)的特點(diǎn)是采用多發(fā)多收提高傳輸速率的同時(shí)，充分利用空間資源，減少對(duì)頻譜資源的浪費(fèi)[5]。因此，可以看到兩個(gè)技術(shù)的結(jié)合能夠?yàn)樾盘?hào)傳輸帶來好處。結(jié)合正交頻分復(fù)用技術(shù)和MIMO技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)在減少寬帶浪費(fèi)的情況下提高數(shù)據(jù)在接收端的還原程度。

（1） MIMO-OFDM的發(fā)送端

由圖1可以看到屬于正交頻分復(fù)用的特征：在復(fù)用器將傳輸過來的信號(hào)變?yōu)槎嗦沸胖?，將每一路分信?hào)進(jìn)行映射，信號(hào)映射能夠?qū)?shù)字信息調(diào)制成為符號(hào)信息，之后將多路符號(hào)后進(jìn)行快速反傅里葉變換（IFFT）。這種系統(tǒng)的特點(diǎn)是加入了循環(huán)前綴，減少了多徑信道對(duì)傳輸信號(hào)的影響，循環(huán)前綴同樣提高了MI-MO-OFDM信號(hào)的可靠性，這在多天線的輸出中是十分重要的。

（2） MIMO-OFDM的接收端

由發(fā)送端的過程可知，在接收端應(yīng)該有對(duì)應(yīng)的去除循環(huán)前綴技術(shù)以及快速傅里葉變換來對(duì)信號(hào)進(jìn)行還原。

圖2可以直觀的看出在調(diào)制解調(diào)上與正交頻分復(fù)用的相似之處，MIMO-OFDM接收端首先對(duì)循環(huán)前綴進(jìn)行去除，變成完整的符號(hào)序列;再經(jīng)過信號(hào)的解映射，通過快速傅里葉變換對(duì)信號(hào)進(jìn)行解調(diào);最后回到MIMO技術(shù)的特有過程，進(jìn)行空間多路檢測，讓接收的信號(hào)更加可靠;最終將空間多路檢測后的準(zhǔn)確接收信號(hào)通過解復(fù)用器還原為信號(hào)比特流，MIMO-OFDM系統(tǒng)效率得到改善。

3 MIMO-OFDM系統(tǒng)信號(hào)流程圖

MIMO-OFDM系統(tǒng)的信號(hào)處理流程如圖3所示。數(shù)據(jù)先進(jìn)行空時(shí)編碼、串并變換，將并行信號(hào)送入IFFT器件，經(jīng)過IFFT處理后的信號(hào)串并變換，添加循環(huán)前綴后發(fā)送到信道中，在接收端，先對(duì)循環(huán)前綴進(jìn)行去除，變成完整的符號(hào)序列，再經(jīng)過信號(hào)的解映射，通過快速傅里葉變換對(duì)信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，之后進(jìn)行空間多路檢測，讓接收的信號(hào)更加可靠，最終將空間多路檢測后的準(zhǔn)確接收信號(hào)通過解復(fù)用器還原為信號(hào)比特流，還原出原始信號(hào)。

4 MIMO-OFDM系統(tǒng)仿真與分析

根據(jù)MIMO-OFDM系統(tǒng)總體框圖，利用Matlab進(jìn)行了建模仿真。發(fā)送端首先進(jìn)行空時(shí)編碼產(chǎn)生正交輸出，再經(jīng)過OFDM模塊調(diào)制，解決了多徑傳輸中多徑干擾的問題。之后經(jīng)過模擬的瑞利信道，將之前調(diào)制的信號(hào)經(jīng)過OFDM解調(diào)和空時(shí)解碼，最后進(jìn)行接收信號(hào)的判決，將發(fā)送信號(hào)還原。

由于MIMO-OFDM技術(shù)結(jié)合了OFDM技術(shù)的優(yōu)勢，因此對(duì)MIMO-OFDM系統(tǒng)可以采用不同的調(diào)制方式進(jìn)行調(diào)制和解調(diào)，本文對(duì)MIMO-OFDM的QPSK和16QAM調(diào)制下的誤比特率進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果如圖4、圖5所示。

仿真結(jié)果分析：在使用QPSK調(diào)制下的2發(fā)2收MIMO-OFDM系統(tǒng)誤比特率在信噪比為0的時(shí)候誤比特率為0.1，而16QAM調(diào)制下的誤比特率達(dá)到了0.4，遠(yuǎn)高于QPSK調(diào)制，在實(shí)際的應(yīng)用中誤比特率過大，導(dǎo)致信號(hào)傳輸?shù)目煽啃院艿?。?duì)比QPSP調(diào)制在信噪比為9dB時(shí)，它的誤比特率已經(jīng)低于0.0001，而16QAM調(diào)制下的MIMO-OFDM系統(tǒng)還存在0.05的誤比特率，因此在信噪比較低的情況下，選擇QPSK調(diào)制系統(tǒng)更可靠。

5 結(jié)束語

該文在正交頻分復(fù)用和MIMO技術(shù)的仿真基礎(chǔ)上進(jìn)一步的拓展和延伸，建立了它們優(yōu)勢相結(jié)合的MIMO-OFDM系統(tǒng)框圖，并對(duì)MIMO-OFDM系統(tǒng)進(jìn)行了MATLAB的仿真。MIMO-OFDM技術(shù)不僅繼承了正交頻分復(fù)用技術(shù)良好的抗干擾能力，MIMO技術(shù)優(yōu)秀的提升信道容量技術(shù)也得到了展現(xiàn)，解決了頻帶資源有限性和對(duì)信道容量的需求之間的矛盾。本文通過仿真，對(duì)MIMO-OFDM系統(tǒng)在QPSK和16QAM調(diào)制下的SNR與誤比特率（BER）仿真曲線進(jìn)行分析，通過對(duì)BER的分析，得到MI-MO-OFDM有良好的性能，在SNR條件下，QPSK調(diào)制的BER更低。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉賽男，李暉，張蕊.礦井MIMO-OFDM通信系統(tǒng)信道的建模與仿真[J].大連民族大學(xué)學(xué)報(bào)，2018，20（03）：227-233.

[2]李鵬翔.海上MIMO-OFDM無線通信的信道估計(jì)和信號(hào)檢測技術(shù)研究[D].海南大學(xué)，2018.

[3]宋冬梅.MIMO-OFDM系統(tǒng)同步方法的研究與應(yīng)用[D].揚(yáng)州大學(xué)，2018.

[4]吳君欽，李寧，王加莉.基于匹配追蹤算法閾值改進(jìn)的MIMO-OFDM信道估計(jì)研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2018，41（01）：9-12+16.

[5]金文杰.MIMO-OFDM信道估計(jì)和均衡算法及VLSI實(shí)現(xiàn)研究[D].華東師范大學(xué)，2017.

【通聯(lián)編輯：代影】

收稿日期：2019-09-04

基金項(xiàng)目：2018年度湖南省教育廳科學(xué)研究一般項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：18C1063）;湖南科技學(xué)院應(yīng)用特色學(xué)科建設(shè)項(xiàng)目資助

作者簡介：譚清元（1998-），女（土家族），湖南慈利縣人，湖南科技學(xué)院電子與信息工程學(xué)院通信工程專業(yè)2016級(jí)學(xué)生;通信作者：潘學(xué)文（1983 -），男，湖南永州人，湖南科技學(xué)院電子與信息工程學(xué)院講師，主要從事電子與通信方面課程教學(xué)工作。