基于子载波屏蔽的OFDM频谱特性分析系统

资 源 简 介

该项目旨在通过MATLAB仿真实现对正交频分复用（OFDM）信号中特定子载波的选择性关闭处理，并深入研究该操作对信号功率谱分布及带外旁瓣泄露的影响。实现过程首先包括生成高斯白噪声背景下的随机比特流，进行M-QAM星座映射。在执行IFFT逆快速傅里叶变换调制前，系统会根据用户定义的掩码向量，将特定索引位置的子载波输入电平强制置为零，模拟载波关断或陷波处理。 为了精确观察频谱特性，系统在生成时域信号后会添加循环前缀（CP）并进行过采样处理，利用周期图法或Welch法计算信号的功率谱密度（PSD）。输出界面将直

详 情 说 明

基于子载波屏蔽的OFDM信号频谱特性分析系统

项目介绍

本系统是一个专注于研究正交频分复用（OFDM）技术中子载波选择性屏蔽（Subcarrier Masking）对信号频谱分布影响的仿真平台。在无线通信中，为了避免对邻近频段的窄带干扰或在特定频率范围内创建“频谱空洞”，需要对特定的子载波进行关断处理。本系统模拟了完整的OFDM信号生成流程，并通过对比原始信号与屏蔽后信号的功率谱密度（PSD），定量分析陷波深度（Notch Depth）以及带外旁瓣泄露情况。该研究对于认知无线电中的动态频谱接入和5G/6G灵活空口设计具有重要的理论和工程参考价值。

功能特性

1. 自定义子载波屏蔽：允许用户指定任意范围的子载波索引进行归零处理，模拟实际的陷波器效果。
2. 物理层全流程仿真：涵盖了随机比特生成、M-QAM调制（含Gray映射）、IFFT变换、循环前缀（CP）添加以及加性高斯白噪声（AWGN）模拟。
3. 高分辨率频谱观测：通过频域插零法实现过采样（Oversampling），能够捕捉到比常规FFT更精细的带外旁瓣特征。
4. 增强型PSD估计：采用分段平滑的周期图法（Welch法变体）计算功率谱，提供更稳定的频谱曲线。
5. 自动化指标评估：系统自动提取并计算屏蔽区域的平均陷波深度和带外远端旁瓣的平均衰减水平。
6. 多维度结果可视化：提供时域信号对比、全频段功率谱对比、陷波区域局部细节以及旁瓣泄露分析四个视角的联立展示。

使用方法

1. 环境配置：确保计算机已安装MATLAB开发环境。
2. 参数配置：在主程序脚本的系统参数设置区域，可以直接修改子载波总数、调制阶数、循环前缀长度、过采样倍数以及需要屏蔽的子载波索引列表。
3. 运行仿真：执行主程序。脚本会自动完成信号处理相关计算。
4. 结果解读：

- 观察生成的图形化界面，对比红色（屏蔽信号）与灰色（原始信号）的频谱差异。 - 在MATLAB命令行窗口查看输出的“频谱特性评估结果”，获取精确的陷波深度（dB）和旁瓣抑制（dB）数值。

系统要求

• 软件需求：MATLAB R2016b 及以上版本（为了确保最佳的绘图兼容性）。
• 工具箱依赖：系统核心算法采用底层逻辑实现，不依赖于信号处理工具箱（Signal Processing Toolbox）或通信工具箱（Communications Toolbox），具有极强的独立性和抗环境波动能力。

系统功能实现逻辑

系统按照数字通信链路的标准流程进行模块化设计：

1. 参数初始化：定义FFT点数为1024，采样率为10MHz，设定16-QAM调制，并指定第400至600号子载波为屏蔽区域。
2. 数据映射：生成随机二进制序列，通过内部预定义的映射逻辑将其转化为复杂的16-QAM星座符号。
3. 频域掩码应用：在进行正交调制前，将对应于待屏蔽索引位置的复数数据强制置为零。
4. 时域波形合成：

- 针对完整和屏蔽后的数据，分别在频域中心嵌入高频零填充以实现4倍过采样。 - 执行IFFT变换转换至时域，并根据比例进行能量补偿。 - 提取时域波形的尾部作为循环前缀添加到符号头部，以抵抗多径及保持正交性。

1. 噪声模拟：根据设定的信噪比（SNR），计算信号功率并生成相应的复高斯白噪声叠加到序列上。
2. 指标统计：通过对比屏蔽前后的功率分布，计算活跃频带与静默频带之间的功率差值。

关键算法与实现细节分析

• 16-QAM调制算法：函数内部实现了基于格雷码（Gray Mapping）的映射机制。它将4位二进制比特分为两组，分别映射到实部和虚部的[-3, -1, 1, 3]电平上，并进行了根号下10的功率归一化处理，确保信号平均功率为1。
• 频域过采样技术：不同于简单的时域插值，系统在IFFT输入端通过将低频和高频载波排布在向量两端、中间填充零值的方法实现过采样。这种方法能更准确地模拟模拟滤波器之前的连续信号频谱形态，从而真实反映旁瓣泄露。
• 简化版Welch功率谱估计：为了不依赖外部工具箱，系统内置了功率谱估计算法。该算法将长信号切分为多个重叠片段，应用汉宁窗（Hanning Window）减少频谱泄露，通过FFT计算各段周期图并取平均。这种处理有效地平滑了噪声引起的频谱波动，使陷波结构的观测更加清晰。
• 陷波深度测量：通过定位屏蔽索引对应的频率轴位置，计算该范围内动态功率的平均值，与通带内的参考功率平均值进行对数差运算，从而得出量化的抑制性能指标。
• 兼容性辅助工具：系统包含自定义的字符串转换函数及窗函数生成器，解决了在不同MATLAB版本环境下可能出现的函数缺失问题。