基于Simulink的OFDM通信系统数字预失真仿真模型

资 源 简 介

本项目在MATLAB Simulink环境下设计并实现了一个集成数字预失真技术的OFDM通信系统仿真平台。 该模型完整展示了信号从信源产生到经过功率放大器输出的全过程。核心功能包括OFDM发射机模块，负责执行QAM星座映射、IFFT变换及循环前缀添加；数字预失真模块，通过建立功率放大器的逆模型特性（采用记忆多项式或Volterra级数模型），对待发信号进行预补偿，以抵消后续功率放大器产生的幅度和相位失真；功率放大器行为模块，模拟Saleh模型或Rapp模型下的非线性压缩特性。 系统还包含一个自适应反馈回路

详 情 说 明

基于记忆多项式的OFDM通信系统数字预失真(DPD)仿真平台

项目介绍

本项目是一个构建在MATLAB环境下的OFDM通信系统仿真模型，专门用于研究和验证数字预失真（DPD）技术对射频功率放大器（PA）非线性畸变的补偿效果。在无线通信中，功率放大器的高效率工作通常伴随着严重的非线性失真，导致信号频谱展宽（邻道干扰）和星座图畸变（误码率升高）。本项目通过建立放大器的逆模型，在信号发射前进行预补偿，从而在提升系统线性度的同时保持较高的功率效率。

功能特性

• 完备的OFDM链路动态仿真：实现了从物理层比特流生成、QAM调制、IFFT变换、循环前缀（CP）添加，到过采样插值滤波的完整发射机流程。
• 非线性记忆功率放大器建模：内置了一个包含奇数阶非线性项（三阶、五阶）及记忆效应的处理函数，模拟真实功率放大器的增益压缩与相位失真。
• 基于间接学习架构（ILA）的DPD：系统通过提取功率放大器的输出与输入样点，利用最小二乘法（LS）离线估计功率放大器的逆模型系数。
• 记忆多项式补偿算法：预失真器支持自定义非线性阶数和记忆深度，能够有效抑制由于功率放大器记忆效应引起的信号失真。
• 多维度性能分析可视化：提供功率谱密度（PSD）对比、AM-AM特性曲线、接收机星座图以及误码率（BER）和误差矢量幅度（EVM）的实时统计。

运行环境与系统要求

• 软件环境：MATLAB R2020a 或更高版本。
• 所需工具箱：

- Signal Processing Toolbox（用于重采样和功率谱估计） - Communications Toolbox（用于QAM调制解调和比特误码率计算）

系统逻辑实现说明

仿真流程严格遵循现代数字信号处理架构，具体步骤如下：

1. 参数初始化：

系统默认采用16QAM调制，1024点的FFT规模，并设置4倍过采样。过采样是观察频谱再生（Spectral Regrowth）和执行DPD算法的关键前提。

1. 信号产生与调制：

随机生成的比特流经过QAM映射后转化为频域符号，通过IFFT进入时域。系统添加循环前缀以抵消符号间干扰，并利用插值滤波器（resample函数）进行上采样，将信号带宽调整至适合观察PA非线性的范围。

1. 功率放大器行为模拟：

代码实现了一个具有记忆特性的多项式模型。该模型不仅考虑了当前输入信号的幅阶（$x(n)|x(n)|^2$ 等），还引入了历史样点的延迟项，模拟射频电路中储能元件导致的记忆效应。

1. 预失真系数训练（核心算法）：

采用间接学习架构（Indirect Learning Architecture）。系统首先让原始信号通过功率放大器，收集PA的输出信号。随后，将PA的输出作为“自变量”，PA的输入作为“因变量”，通过构造包含不同阶数和延迟项的特征矩阵（Basis Matrix），利用最小二乘法（LS）求解出能够抵消PA畸变的预失真参数。

1. 信号补偿与发射：

将计算得到的系数应用于待发信号，生成预补偿后的信号。该信号再次进入功率放大器，此时PA的非线性特性与预失真器的逆特性相互抵消，输出接近线性的放大信号。

1. 接收机处理与解调：

接收端执行下采样、去除CP、FFT变换及均衡处理。系统通过对比有无DPD干预下的解调结果，验证算法性能。

关键函数与实现细节

• 特征矩阵构造（construct_basis_matrix）：这是DPD实现的核心逻辑。该函数接收信号、非线性阶数及记忆深度作为输入，构建一个复杂的矩阵。矩阵的每一列代表一个基函数项，例如 $x(n), x(n)|x(n)|^2, x(n-q)|x(n-q)|^4$。这种结构允许模型捕获复杂的非线性相互作用。
• 功率放大器模型执行（apply_pa_model）：该函数通过固定的多项式系数对输入向量进行变换。它通过结合当前点与延迟点的非线性项，产生具有压缩特性的输出信号。
• 性能评估（MeanSquareError & simplify_demod）：

- EVM计算：通过归一化均方误差（MSE）来衡量PA输出信号与原始参考信号之间的偏差。 - 简化解调器：实现了完整的逆OFDM变换流程，包括单标量等效均衡，确保在非线性环境下依然能准确评估系统的BER指标。

使用方法

1. 打开MATLAB，将工作目录指向项目文件夹。
2. 直接在命令行窗口运行核心仿真脚本。
3. 仿真运行结束后，系统将自动弹出可视化图形窗口：

- 左上图：观察DPD开启前后，邻道功率泄露（ACLR）的改善程度。 - 右上图：观察AM-AM曲线，有DPD时曲线应更接近一条从原点出发的直线。 - 左下图：观察星座图的收敛情况，有DPD时星座点会更加集中。 - 右下图：查看具体的BER、EVM性能数值总结。