BPSK/QPSK/16QAM多调制下MLSE与频域MMSE均衡性能对比系统

资 源 简 介

本项目是一个专门用于评估和比较数字通信系统中信道均衡技术的MATLAB仿真平台。其核心功能是针对BPSK、QPSK、8PSK以及16QAM四种主流调制方案，在已知多径衰落信道环境下，对最大似然序列估计（MLSE）均衡与频域最小均方误差（MMSE-FDE）均衡的性能进行定量分析。系统首先通过建立包含符号间干扰（ISI）的离散信道模型，模拟信号通过已知冲激响应信道的过程。在接收端，项目实现了基于维特比算法的MLSE均衡器，通过搜索格图序列寻找概率最大的发送序列，以实现非线性信道补偿；同时实现了频域MMSE均衡

详 情 说 明

BPSK/QPSK/8PSK/16QAM调制下的MLSE与频域MMSE均衡性能对比仿真系统

项目介绍

本项目是一个用于评估和比较数字通信系统中信道均衡技术的MATLAB仿真系统。系统专注于在存在符号间干扰（ISI）的多径衰落信道环境下，对比分析两种主流均衡算法：最大似然序列估计（MLSE）与频域最小均方误差（MMSE-FDE）均衡。通过针对BPSK、QPSK、8PSK及16QAM四种调制方案的自动化仿真，系统能够量化不同算法在误码率（BER）性能和计算复杂度上的权衡，为无线通信系统的物理层设计提供参考。

功能特性

1. 多调制方案支持：完整实现了BPSK、QPSK、8PSK以及16QAM的调制与解调过程，包括星座图映射与硬判决解调。
2. 信道模拟：构建了具有特定冲激响应的离散多径信道模型，能够模拟严重的符号间干扰（ISI）并添加复高斯白噪声（AWGN）。
3. 频域MMSE均衡（MMSE-FDE）：实现了基于循环前缀（CP）的频域线性协议性能。利用FFT将信号转至频域，通过MMSE准则计算补偿权重。
4. 非线性MLSE均衡：实现了基于维特比算法（Viterbi Algorithm）的MLSE均衡器，通过搜索格图序列来对抗ISI，寻找欧氏距离最小的最优路径。
5. 性能可视化：自动生成不同信噪比（SNR）下的BER曲线对比图，并在高信噪比条件下实时显示均衡后的信号星座图。
6. 统计分析：系统输出详细的误码率统计数据，并计算MLSE相对于MMSE的性能增益（dB）。

系统实现逻辑

仿真系统的主逻辑流程遵循标准的数字通信链路模拟过程，具体步骤如下：

1. 参数初始化与信道建模

系统预设信噪比范围为0dB至16dB，步长为2dB。信道采用归一化的离散采样模型（三径模型：[0.8, 0.45, 0.2]）。对于MMSE-FDE算法，系统设定了固定的循环前缀（CP）长度以消除块间干扰（IBI）。

2. 信号生成与传输

• 按位生成：随机生成原始比特流。
• 星座映射：根据选择的调制方式，将比特映射为星座点。
• 帧结构构造：为MMSE-FDE路径添加循环前缀；MLSE路径则直接进行卷积处理。
• 信道作用：信号通过滤波器模拟多径衰落。
• 噪声叠合：根据设定的SNR计算噪声功率 $N_0$，并在接收信号中加入复高斯白噪声。

3. MMSE-FDE 均衡实现

系统在接收端首先去除循环前缀，然后将时域信号通过FFT变换到频域。均衡权重 $W$ 的计算公式遵循： $$W = frac{H^*}{|H|^2 + N_0/E_s}$$ 其中 $H$ 是带零填充的信道频率响应。在频域完成乘积补偿后，通过IFFT变换回时域进行解调。

4. MLSE 均衡实现（维特比算法）

MLSE均衡器通过构建状态机来模拟信道记忆效应。

• 状态定义：状态数由调制阶数 $M$ 和信道长度 $L$ 决定（状态数=$M^{L-1}$）。
• 分支度量计算：计算接收样本与基于当前状态及输入假设的预测样本之间的平方欧氏距离。
• 路径更新：采用维特比算法在每一时刻搜索最优路径，保留具有最小累积度量的存活路径。
• 回溯解调：处理完整个序列后，沿最佳路径回溯输出估算的符号序列。

5. 性能评估与可视化

系统通过对比原始比特与均衡解调后的比特计算误码率。在最后一个SNR采样点，系统会绘制八个子图，展示四种调制方式下两种均衡器输出的星座图分布，最后统一绘制BER-SNR性能分布曲线。

关键算法与函数说明

• 星座获取函数：根据调制类型返回标准化的星座矢量（如16QAM进行均方根能量归一化）。
• 映射/解调器：实现了自定义的比特与十进制索引间的转换逻辑，支持不同阶数的符号制式。
• 维特比处理逻辑：这是系统的核心非线性算法。它通过三层嵌套循环（时间步、当前状态、输入分支）来更新分支路径，解决了在严重ISI背景下的序列恢复问题。
• 辅助转换函数：实现了二进制到十进制及其逆过程的快速转换，专门用于处理多进制调制下的状态索引映射。

使用方法

1. 启动MATLAB软件。
2. 确保所有相关的辅助代码逻辑均在当前工作目录下。
3. 运行主程序脚本。
4. 程序将依次执行四种调制模式下的仿真。
5. 仿真结束后，系统将弹出“均衡后星座图展示”和“MLSE与MMSE-FDE性能对比”两个窗口，并在命令行打印最终的统计分析结果。

系统要求

• 软件环境：MATLAB R2016b 及以上版本。
• 工具箱需求：基础MATLAB环境即可运行（由于包含了自定义的二进制处理函数，不强制依赖通信系统工具箱）。
• 硬件建议：由于16QAM下的MLSE计算复杂度较高（256状态搜索），建议配备8GB以上内存及多核处理器以加快仿真速度。