基于OFDM的多载波宽带数字调制仿真系统

资 源 简 介

本项目旨在利用MATLAB平台设计并实现一套完整的多载波宽带数字通信系统仿真模型。其核心功能在于模拟正交频分复用（OFDM）技术的完整物理层传输流程。实现过程从随机二进制原始数据生成开始，经过QPSK或QAM等星座映射处理后，将串行数据流转换为并行数据流，分配至大量正交的子载波上。随后，通过逆快速傅里叶变换（IFFT）将频域信号调制为时域复合波形。为解决无线无线传输环境下由于多径效应引起的符号间干扰（ISI），系统设计了循环前缀（CP）插入模块。在接收端，模型通过FFT算法对信号进行解调，并配合信道估计算

详 情 说 明

基于正交频分复用（OFDM）的多载波宽带数字调制仿真系统

项目介绍

本项目是一个基于MATLAB平台开发的OFDM（正交频分复用）物理层通信系统仿真模型。系统旨在模拟宽带数字信号在复杂无线信道环境下的传输过程。通过全流程的仿真，该模型展示了如何将串行高速二进制数据通过并行化处理，分配至多个正交子载波，并利用IFFT/FFT技术简化调制解调过程。系统重点模拟了多径瑞利衰落信道对信号的影响，并验证了循环前缀（CP）和信道均衡技术在消减多径干扰方面的有效性。

功能特性

• 全流程物理层仿真：涵盖了数据生成、星座映射、OFDM调制、信道模拟、接收端解调及误码率统计的完整链路。
• 多径信道建模：实现了三径瑞利衰落信道模型，能够模拟无线通信中真实存在的电磁波多径传播效应。
• 自适应参数配置：支持自定义FFT点数、CP长度、调制阶数（16QAM）以及信噪比（Eb/No）测试范围。
• 性能可视化分析：实时生成时域信号波形图、功率谱密度图（PSD）、理想与接收端星座图对比以及误码率性能曲线。
• 核心算法自主实现：不依赖于特定的通信工具箱扩展包，通过底层函数实现了QAM映射、AWGN加噪、比特转换等核心算法。

系统要求

• 软件环境：MATLAB R2016a 或更高版本。
• 工具箱要求：基于基本数学矩阵运算编写，无需额外的通信系统工具箱（Communication Toolbox），具备极高的代码兼容性。

实现逻辑与功能详细说明

系统的实现逻辑严格遵循OFDM物理层标准协议，分为以下五个核心阶段：

1. 系统参数初始化 设置FFT点数为1024，循环前缀（CP）长度为256，采用16QAM调制（每符号包含4比特）。设定采样率为10MHz。信道模型定义了3条路径，其延迟和功率经过能量归一化处理。

2. 发送端处理流

• 随机序列生成：根据符号数量和调制阶数生成二进制比特流。
• QAM星座映射：比特流按4位一组转换为十进制，并根据16QAM映射方案映射到复平面上的星座点。映射过程包含了能量归一化处理，确保发送信号的平均功率为单位功率。
• 调制与复用：将映射后的符号进行串并转换，映射到1024个正交子载波上。通过逆快速傅里叶变换（IFFT）将频域信号转换为时域复合波形。
• CP插入：为了抵挡多径干扰（ISI），将时域符号末尾的256个采样点复制并添加到符号头部，形成完整的OFDM时域包。

3. 信号特性监测 在信号进入信道前，系统会自动计算并绘制发送端信号的实部时域脉冲序列，并利用Welch法估算功率谱密度，用于观察OFDM信号典型的“方型”频谱分布特征。

4. 复杂信道模拟

• 多径瑞利衰落：信号经过一个具有3条路径的离散多径信道。每条路径的增益服从复高斯分布，模拟了无线环境中的振幅衰减和相位旋转。
• 信噪比换算与加噪：将设定的Eb/No（每比特能量与噪声功率谱密度比）根据编码增益、CP开销和调制阶数精确换算为系统的信噪比（SNR），并向信号中添加复高斯白噪声（AWGN）。

5. 接收端处理与还原

• 去循环前缀与FFT：接收信号从串行转回并行，剥离256点冗余CP，利用FFT算法回归到频域。
• 信道估计与ZF均衡：系统假设接收端已知信道状态信息（CSI），基于迫零（Zero Forcing）准则对各个子载波上的频率响应进行幅度修正和相位补偿。
• 解译码：通过最小欧氏距离判决算法对均衡后的星座图进行硬判决解调，并将十进制索引还原为原始二进制序列。

关键函数与算法分析

星座调制与解调（qam_mod_custom / qam_demod_custom） 系统采用自主开发的坐标映射逻辑。调制函数通过生成格点矩阵并进行能量归一化，将索引准确转换为复数信号。解调函数则遍历所有星座点，通过计算接收信号与标准格点间的几何距离来寻找最近点。

信道响应均衡算法 系统利用FFT计算整个多径信道的频率响应。均衡器通过将接收到的频域信号除以其对应的信道频率响应向量（CSI），消除了多径效应导致的频率选择性衰落，使弥散的星座点回归到标准位置。

位处理与统计（de2bi_custom / bi2de_custom / biterr_custom） 实现了十进制与二进制之间的位移和权重转换逻辑，确保了数据流在调制前后的一致性。误码率统计功能通过对比原始比特与解调比特，逐位计算差异占比。

噪声发生器（awgn） 算法通过分析输入信号的实际功率，根据指定的SNR计算所需的噪声功率，并利用标准正态分布随机数生成同相和正交分量的噪声，确保了仿真的物理真实性。

使用方法

1. 打开MATLAB软件，将脚本路径设置为当前工作目录。
2. 在命令行窗口直接运行该主脚本。
3. 系统将自动执行从0dB到20dB的误码率循环仿真。
4. 运行结束后，系统将弹出四张图表：

* OFDM基带时域信号波形：观察信号的时域分布。 * 功率谱密度（PSD）：观察信号的带宽占用和带外泄露。 * 星座图对比：观察理想映射点与经过瑞利衰落及均衡后的信号分布情况（以16dB为例）。 * BER曲线：评估系统性能，观察随着信噪比增加误码率下降的趋势。