【MATLAB源码-第260期】基于simulink的OFDM+QPSK系统仿真，采用RS编码经过瑞利信道包含信道估计输出各节点波形图以及星座图。

news2024/11/15 9:16:16

操作环境：

MATLAB 2022a

1、算法描述

OFDM-QPSK系统是一种广泛应用于现代无线通信中的数字信号处理系统，结合了正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM）和四相移相键控（Quadrature Phase Shift Keying, QPSK）调制技术。这种系统具有较强的抗多径衰落能力和高频谱利用率，能够有效应对无线信道中复杂的传播环境。我们将通过详细解析Simulink模型中的各个模块来阐述这个系统的工作原理。

1. RS编码与解码

RS编码（Reed-Solomon Coding）是系统中的第一步处理。它是一种强大的纠错编码方式，能够在接收端恢复一定数量的错误数据。图中的RS编码模块将输入的原始比特流进行编码处理，将数据扩展到一个更长的比特序列，从而增加了抗噪声干扰的能力。

在RS编码之后，信号进入RS解码模块。在接收端，RS解码模块根据编码时附加的冗余信息，检测并纠正错误的比特。这种纠错能力对于无线通信系统尤为重要，因为在传输过程中，信号可能会受到噪声、干扰或多径效应的影响，导致数据错误。

2. QPSK调制与解调

接下来是QPSK调制模块。QPSK是一种常见的数字调制方式，通过将数据分为两部分，每部分分别调制到正交的两个载波上，实现了对数据信号的调制。QPSK调制将比特序列映射到四个不同的相位状态，每个相位对应2比特的信息。这种调制方式在保持较低带宽的同时，能够提供较高的数据传输速率。

在接收端，QPSK解调模块将接收到的信号还原为原始的比特序列。由于信号在传输过程中可能会受到噪声和干扰，解调模块还需要处理相位偏移和幅度变化等问题。通过相干解调，系统可以从接收到的信号中提取出最接近的相位状态，从而恢复原始数据。

3. OFDM调制与解调

OFDM调制模块将经过QPSK调制后的信号进一步处理。OFDM技术通过将数据分割到多个正交的子载波上传输，有效减小了符号间干扰（Inter-Symbol Interference, ISI）的影响。OFDM调制包括快速傅里叶变换（FFT）和逆快速傅里叶变换（IFFT）操作，将频域信号转换为时域信号。

OFDM调制的关键优势在于它能够高效利用频谱资源，并且对于多径效应有较强的抵抗力。在多径环境中，不同路径的信号到达接收端的时间不同，可能会引起符号间干扰。而通过在各个子载波上传输数据，OFDM能够将这种干扰限制在最小范围内，从而保证了信号的完整性。

在接收端，OFDM解调模块执行与发射端相反的操作，通过FFT将接收到的时域信号转换回频域信号。接着，系统对每个子载波进行独立解调，恢复原始的数据流。

4. PN序列训练

PN（伪随机）序列训练模块是OFDM系统中用于信道估计的重要部分。训练序列是事先已知的伪随机序列，在发射端插入到数据帧中。在接收端，系统通过比对接收到的训练序列和原始训练序列，估计信道的特性，如增益和相移。

信道估计是为了在复杂的无线信道环境中有效地还原原始信号。由于信道的时变特性和多径效应，信号在传播过程中可能会受到不同程度的衰落和干扰。通过信道估计，系统可以实时调整解调参数，从而提高接收信号的质量。

5. 循环前缀增加和去除

OFDM系统中引入了循环前缀（Cyclic Prefix, CP）来应对多径传播带来的符号间干扰问题。循环前缀是将OFDM符号的末尾部分复制并插入到符号的开始部分。这样，在接收端，尽管信号受到多径效应的影响而出现延迟，仍然可以通过去除前缀来确保接收的信号不受到ISI的干扰。

循环前缀的长度需要足够长，以容纳信号的最大多径延迟，确保接收端能够有效去除ISI。同时，循环前缀的长度不能过长，以避免降低系统的频谱利用率。在接收端，系统会自动去除循环前缀，恢复原始的OFDM符号，进行后续的解调操作。

6. 串并转换与并串转换

串并转换（Serial-to-Parallel, S/P）和并串转换（Parallel-to-Serial, P/S）模块用于数据流的格式转换。在OFDM调制过程中，数据流被分割到多个子载波上传输，因此需要将串行数据转换为并行数据。同样，在OFDM解调过程中，需要将并行数据转换回串行数据，以恢复原始的信息流。

这些转换操作虽然简单，但在整个系统的工作中起着关键作用。通过串并转换，系统能够并行处理多个数据流，极大地提高了数据传输的效率。而通过并串转换，系统能够将并行处理的结果还原为连续的输出数据流，确保系统的整体一致性。