基于MATLAB的數(shù)字化廣播傳輸特性仿真與分析

吳秋燕

（滕州市融媒體中心，山東棗莊 277500）

0 引言

目前，廣播信號已實現(xiàn)數(shù)字化傳輸，這也是音頻信號的主要傳輸方式，易于存儲。數(shù)字化的廣播信號傳輸離不開數(shù)字編碼[1]與信號解調(diào)[2]，若出現(xiàn)編碼異常，將導致信號延遲或誤碼率較高[3]。理論上數(shù)字化廣播傳輸依賴于3 種操作方式，分別是模擬信號的輸入、數(shù)字信道編碼和調(diào)制以及信號發(fā)送。其中，數(shù)學信道編碼和調(diào)制是確保廣播信號穩(wěn)定性和準確性的關鍵環(huán)節(jié)，需要多個模塊協(xié)同完成[4]，如擾碼模塊、LDPC 編碼模塊、卷積編碼模塊、星座映射模塊、交織模塊和OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交頻分復用技術）模塊等成。

隨著互聯(lián)網(wǎng)時代的發(fā)展，數(shù)字廣播的容量和需求越來越大，雖然先進的通信標準[5]為傳輸效率提供了良好的條件，但誤碼率仍無法避免。因此，文中基于MATALB 軟件對數(shù)學信道編碼和調(diào)制中的關鍵模塊進行仿真分析，判斷系統(tǒng)的合理性與可行性。

1 仿真方案與原理

1.1 仿真方案確定

系統(tǒng)的仿真分析是工程上一種常見的技術研究手段，能夠有效彌補或替代實驗。它不但能降低研發(fā)成本，還可以擺脫復雜非線性的限制，使研究結(jié)果更加科學和可靠。針對無線廣播傳輸?shù)奶攸c，需要對相關的算法進行驗證，即通過MATLAB 數(shù)據(jù)處理平臺，驗證無線傳輸系統(tǒng)的合理性和可行性。該軟件集成了先進的矩陣處理模塊，可以實現(xiàn)復雜的非線性求解、有效驗證信號傳輸效果，并針對評測結(jié)果進行相應評價。

1.2 通信系統(tǒng)仿真原理

在整個無線傳輸系統(tǒng)中，功能的實現(xiàn)涉及到的設備和介質(zhì)非常多，因此需要針對各關鍵模塊進行獨立建模和仿真分析。無線數(shù)據(jù)通信的主要原理是將特定的信號源以數(shù)字信號的形式發(fā)送至另一個中繼端，通過連續(xù)轉(zhuǎn)接達到終端。由此可見，不同模塊之間的通信結(jié)構和匹配性是決定通信模型的關鍵[6-8]。在MATLAB中，執(zhí)行系統(tǒng)仿真的主要流程有：首先，將分析目標抽象化，在仿真平臺中選擇合理的模型；其次，對模型進行分割處理，依次解決子問題；然后，選定合理的參數(shù)與邊界條件，優(yōu)化配置方法和估算結(jié)果；最后，對仿真結(jié)果進行驗證。隨著通信技術的發(fā)展，各個模塊逐漸具備可拓展性[9]，即滿足搭建通信。這也是驗證信號傳輸穩(wěn)定性的重要需求。

2 仿真結(jié)果分析

2.1 正交幅度調(diào)制仿真分析

不同的載波幅值與相位可代表不同的數(shù)字化信息，而正交幅度調(diào)制可將已經(jīng)調(diào)制完成的信號進行頻譜正交化處理，相比于傳統(tǒng)的調(diào)制方法，可實現(xiàn)更高的頻帶利用率，節(jié)能降耗效果顯著。在實際通訊過程中，頻帶和功率的利用率是評價調(diào)制效果的關鍵參數(shù)，能夠反映出傳輸效率和相對誤差，對于不同的通信方式和信號類型，兩者要求的比重有所差異。

為驗證正交幅度的調(diào)制效果，在MATLAB 中調(diào)用Scatterplot 函數(shù)，并采用Reshape 函數(shù)和Bi2de 函數(shù)將序列進行變形。針對調(diào)制信號的特點增設匹配的白噪聲信號，進而對比信號干擾下的傳輸特性。根據(jù)信號的波形進行二進制的轉(zhuǎn)換，基于Biterr 函數(shù)能夠查看相應的參數(shù)結(jié)果（圖1）。在正交幅度調(diào)制條件下，有噪聲和無噪聲干擾下的星座圖如圖2 所示。

圖1 調(diào)制后信號二進制序列

圖2 噪聲信號對正交分量的影響

從仿真結(jié)果可以看出：通過正交幅度調(diào)制的二進制序列，其誤比特數(shù)以及誤比特率保持數(shù)值零，這表明調(diào)制序列準確可靠，未出現(xiàn)偏差等問題；正交幅度調(diào)制對噪聲信號不敏感，在白噪聲影響下，雖然同相分量與正交分量的分布在局部更為分散，但仍保持了區(qū)域性，與其他信號數(shù)據(jù)之間未發(fā)生干涉現(xiàn)象。因此，調(diào)節(jié)的數(shù)據(jù)不會受到本質(zhì)的影響，這表明該映射方式抗干擾能力強、穩(wěn)定性高。

2.2 卷積編碼仿真分析

無線廣播信號在傳輸過程中，串擾[10]和噪聲[11-12]是導致誤碼的主要因素，一般可采用增大發(fā)射功率、優(yōu)化調(diào)制方式、處理信道編碼等方式。卷積編碼是一種先進的信道編碼方式，可針對數(shù)字信號的序列進行診斷和恢復，對于誤碼率的降低有重要作用。在MATLAB 軟件中，運用Randi 函數(shù)聲場一系列非隨機的數(shù)值序列。根據(jù)仿真原理可知，十進制的數(shù)值序列更利于結(jié)果的查看，因此，應通過Reshape 函數(shù)和Bi2de 函數(shù)將二進制序列進行轉(zhuǎn)換，使其變?yōu)槭M制序列。卷積編碼的仿真分析結(jié)果如圖3 所示，在卷積編碼條件下，誤碼率顯著降低，并且在白噪聲作用下其誤比特率仍保持在較小的數(shù)值。

圖3 卷積編碼對比仿真結(jié)果

2.3 OFDM 仿真分析

OFDM 是目前應用最為廣泛的多載波無線傳輸方式之一，其具有實現(xiàn)難度低、操作簡便等優(yōu)點，整個調(diào)制和解調(diào)的過程分別依賴于IFFT（Inverse Fast Fourier Transform，離散傅立葉反變換的快速算法）和FFT（Fast Fourier Transform，離散傅立葉變換的快速算法）的函數(shù)變換，相比常規(guī)的IFFT 處理，還增加了傳輸信號的保護和循環(huán)功能。為了驗證正交頻分復用的應用效果，對比OFDM 和常規(guī)的IFFT 在不同時間下的響應特性，可得出正交頻分復用對比仿真結(jié)果（圖4）。從圖4 可以看出，正交頻分復用條件下的幅值與IFFT 具有良好的匹配性和等效性。另外，由于OFDM 采用了卷積編碼，可有效降低白噪聲的敏感性，使得頻譜密度達到穩(wěn)定的時間更短，高效性更顯著。

圖4 正交頻分復用對比仿真結(jié)果

3 結(jié)論

隨著通信技術和互聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展，數(shù)字化廣播傳輸方式表現(xiàn)出顯著的靈活性和多樣性，有效滿足了用戶對媒體傳播的需要。數(shù)字化廣播技術的改革是信息技術廣泛應用的必然結(jié)果，只有確保了通信質(zhì)量才能被認可。目前，信道編碼與調(diào)制的標準不統(tǒng)一，只有穩(wěn)定性高、誤碼率低的模塊才具有市場競爭力。本文通過對正交幅度調(diào)制、卷積編碼和正交頻分復用等功能研究，確保了基于該模塊對數(shù)字化音頻廣播傳輸?shù)目煽啃?，這個對于視頻的數(shù)字傳輸改進有著重要指導意義。