QPSK和16QAM調制下MIMO-OFDM系統Matlab仿真實現

譚清元 潘學文

摘要：本文首先分析了MIMO-OFDM技術的特點，構建了MIMO-OFDM系統總體框圖。使用MATLAB對MIMO-OFDM系統進行建模仿真，在低信噪比條件下，采用QPSK和16QAM兩種調制方式，對比系統的SNR與誤比特率等技術參數。仿真結果表明：QPSK調制的性能優于16QAM調制，MIMO-OFDM技術能夠在帶寬不變的情況下保障多個天線信號的可靠傳輸。

關鍵詞：信道容量;MIMO-OFDM;MATLAB;誤碼率

中圖分類號：TN911-4;G434

文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）34-0237-02

1 概述

多輸入多輸出（Multiple-lnput Multiple-Output，MIMO）技術是通過多個天線進行信息的傳送，能夠在較少頻帶使用的情況下提高信道容量。正交頻分復用（Orthogonal Frequency Divi-sion Multiplexing，OFDM）技術能夠降低信道對信號的干擾，結合正交頻分復用和MIMO技術，能夠讓信道對系統的數據傳輸影響降低，使得數據在接收端還原出的數據更準確，通過分集技術，讓數據傳輸的帶寬使用更少，傳輸的可靠性提高[1-3]。因此，對正交頻分復用和MIMO技術的仿真分析及MIMO-OFDM的研究很有必要。

在無線通信系統中，不僅需要面對多徑衰落對信號的影響，還要考慮頻帶資源的有限性[4]。正交頻分復用技術通過劃分子載波，降低數據傳輸速率的方式，有效的對抗多徑衰落，然而對頻譜資源的使用得不到較大提高;MIMO技MIMO-OFDM技術將兩者的優勢相結合，在提高信道容量的同時，對無線信道中的多徑衰落和噪聲抵抗力提升術通過多發多收的天線，利用空間資源，能夠減少頻譜資源浪費。MIMO-OFDM技術對無線通信的發展非常重要。

2 MIMO-OFDM系統框圖

正交頻分復用技術的特點是能夠把數據流劃分為多個正交的低速數據流，通過多徑干擾對低速平坦的信號干擾較小的原理，降低了多徑干擾。MIMO技術的信號傳輸與正交頻分復用的信號傳輸處于相似的信道中。MIMO技術的特點是采用多發多收提高傳輸速率的同時，充分利用空間資源，減少對頻譜資源的浪費[5]。因此，可以看到兩個技術的結合能夠為信號傳輸帶來好處。結合正交頻分復用技術和MIMO技術的優點，能夠實現在減少寬帶浪費的情況下提高數據在接收端的還原程度。

（1） MIMO-OFDM的發送端

由圖1可以看到屬于正交頻分復用的特征：在復用器將傳輸過來的信號變為多路信之后，將每一路分信號進行映射，信號映射能夠將數字信息調制成為符號信息，之后將多路符號后進行快速反傅里葉變換（IFFT）。這種系統的特點是加入了循環前綴，減少了多徑信道對傳輸信號的影響，循環前綴同樣提高了MI-MO-OFDM信號的可靠性，這在多天線的輸出中是十分重要的。

（2） MIMO-OFDM的接收端

由發送端的過程可知，在接收端應該有對應的去除循環前綴技術以及快速傅里葉變換來對信號進行還原。

圖2可以直觀的看出在調制解調上與正交頻分復用的相似之處，MIMO-OFDM接收端首先對循環前綴進行去除，變成完整的符號序列;再經過信號的解映射，通過快速傅里葉變換對信號進行解調;最后回到MIMO技術的特有過程，進行空間多路檢測，讓接收的信號更加可靠;最終將空間多路檢測后的準確接收信號通過解復用器還原為信號比特流，MIMO-OFDM系統效率得到改善。

3 MIMO-OFDM系統信號流程圖

MIMO-OFDM系統的信號處理流程如圖3所示。數據先進行空時編碼、串并變換，將并行信號送入IFFT器件，經過IFFT處理后的信號串并變換，添加循環前綴后發送到信道中，在接收端，先對循環前綴進行去除，變成完整的符號序列，再經過信號的解映射，通過快速傅里葉變換對信號進行解調，之后進行空間多路檢測，讓接收的信號更加可靠，最終將空間多路檢測后的準確接收信號通過解復用器還原為信號比特流，還原出原始信號。

4 MIMO-OFDM系統仿真與分析

根據MIMO-OFDM系統總體框圖，利用Matlab進行了建模仿真。發送端首先進行空時編碼產生正交輸出，再經過OFDM模塊調制，解決了多徑傳輸中多徑干擾的問題。之后經過模擬的瑞利信道，將之前調制的信號經過OFDM解調和空時解碼，最后進行接收信號的判決，將發送信號還原。

由于MIMO-OFDM技術結合了OFDM技術的優勢，因此對MIMO-OFDM系統可以采用不同的調制方式進行調制和解調，本文對MIMO-OFDM的QPSK和16QAM調制下的誤比特率進行了仿真，仿真結果如圖4、圖5所示。

仿真結果分析：在使用QPSK調制下的2發2收MIMO-OFDM系統誤比特率在信噪比為0的時候誤比特率為0.1，而16QAM調制下的誤比特率達到了0.4，遠高于QPSK調制，在實際的應用中誤比特率過大，導致信號傳輸的可靠性很低。對比QPSP調制在信噪比為9dB時，它的誤比特率已經低于0.0001，而16QAM調制下的MIMO-OFDM系統還存在0.05的誤比特率，因此在信噪比較低的情況下，選擇QPSK調制系統更可靠。

5 結束語

該文在正交頻分復用和MIMO技術的仿真基礎上進一步的拓展和延伸，建立了它們優勢相結合的MIMO-OFDM系統框圖，并對MIMO-OFDM系統進行了MATLAB的仿真。MIMO-OFDM技術不僅繼承了正交頻分復用技術良好的抗干擾能力，MIMO技術優秀的提升信道容量技術也得到了展現，解決了頻帶資源有限性和對信道容量的需求之間的矛盾。本文通過仿真，對MIMO-OFDM系統在QPSK和16QAM調制下的SNR與誤比特率（BER）仿真曲線進行分析，通過對BER的分析，得到MI-MO-OFDM有良好的性能，在SNR條件下，QPSK調制的BER更低。

參考文獻：

[1]劉賽男，李暉，張蕊.礦井MIMO-OFDM通信系統信道的建模與仿真[J].大連民族大學學報，2018，20（03）：227-233.

[2]李鵬翔.海上MIMO-OFDM無線通信的信道估計和信號檢測技術研究[D].海南大學，2018.

[3]宋冬梅.MIMO-OFDM系統同步方法的研究與應用[D].揚州大學，2018.

[4]吳君欽，李寧，王加莉.基于匹配追蹤算法閾值改進的MIMO-OFDM信道估計研究[J].現代電子技術，2018，41（01）：9-12+16.

[5]金文杰.MIMO-OFDM信道估計和均衡算法及VLSI實現研究[D].華東師范大學，2017.

【通聯編輯：代影】

收稿日期：2019-09-04

基金項目：2018年度湖南省教育廳科學研究一般項目（項目編號：18C1063）;湖南科技學院應用特色學科建設項目資助

作者簡介：譚清元（1998-），女（土家族），湖南慈利縣人，湖南科技學院電子與信息工程學院通信工程專業2016級學生;通信作者：潘學文（1983 -），男，湖南永州人，湖南科技學院電子與信息工程學院講師，主要從事電子與通信方面課程教學工作。