1、 4 系统仿真与性能分析4.1 仿真参数设置结合 OFDM 调制解调系统原理图与仿真流程图，基于 MATLAB 软件平台，设置系统仿真参数，如表 4-1 所示：表 4-1 MATLAB 仿真参数设置IFFT 点数 1024子载波数 200位数/符号 2符号数/载波 50信噪比 SNR（dB） 5调制方式 QPSK（BPSK、16QAM、64QAM）由 OFDM 系统原理和仿真流程可知，由信源产生一个待传输的二进制随机信号。此处，我们以 QPSK 调制为例，根据表 4-1 设置的系统默认仿真参数，子载波数目 1024个，每个子载波中 OFDM 符号数为 50 个，每 OFDM 符号数所含的比特数
2、为 2 bit，信噪比（SNR）为 2 dB，经过运算、取整等操作，可产生一组包含 20000（子载波数 符号数/载波 位数/符号）个由 0 和 1 构成的一维随机二进制数组，即待传信号，截取待传信号的前 101（0100）个码元，其对应的波形与经过 OFDM 系统传输、解调还原后所得到的信号波形，如图 4-1 所示：图 4-1 待传输信号与解调还原信号对比图由图 4-1 可知，经过系统发送、传输、解调过后的信号经过并串变换后，还原后所得到的信号与原信号相比，存在数据出错的情况，即产生误码，此时的误码率如图4-3 所示：图 4-2 默认参数下 QPSK 调制的系统误码率误码率（SER）是衡量数
3、据在规定时间内数据传输精确性的指标。即，数据经过通信信道传输以后，接收端所接收到的数据与发送端发送的原始数据相比，发生错误的码元个数占发送端发送的原始数据的总码元个数之比，误码率的计算公式如下所示：误码率 =错误码元数/传输总码元数一个通信系统在进行数据传输时的误码率越小，则说明该通信系统的传输精确度越高。4.2 OFDM 系统仿真实现以 QPSK 调制为例，系统的仿真参数为默认值。即，子载波数目 1024 个，每个子载波中 OFDM 符号数为 50 个，每 OFDM 符号数所含的比特数为 2 bit，信噪比（SNR）为2 dB。4.2.1 待传信号与还原信号图 4-3 待传信号与还原信号码元
4、波形由仿真参数默认值及仿真程序，信源产生的随机序列的长度为 20000（子载波数符号数/载波 位数/符号） ，大小介于 0 到 1 之间，经过取整后即得到长度为20000，大小为 0 或 1 的待发送的一维随机二进制数组。将待传信号通过发送端输入OFDM 系统，通过系统传输后，到达接收端，还原后得到的一组二进制数组即为完成OFDM 调制解调和传输的信号。 4.2.2 发送端 OFDM 载波幅度谱和相位谱图 4-4 OFDM 载波幅度谱与相位谱待传信号经过 OFDM 系统发送端输入系统后，经过 QPSK 调制产生调制信息，通过串/并变换后加入子载波，再通过快速傅里叶逆变换（IFFT）生成 OFD
5、M 符号，其载波幅度谱和相位谱如图 4-3 所示。在 OFDM 调制解调系统中，若在 IFFFT 间隙内的子载波都存在整数个周期，则子载波之间完全正交。然而，当出现频偏时，IFFFT 间隙内的子载波周期个数不再是整数倍，从而导致载波间干扰的产生。4.2.2 分离的 OFDM 符号子载波波形图 4-5 分离的 OFDM 符号子载波时域波形如图 4-5 表示一个符号周期内的 OFDM 符号的子载波波形，子载波之间相互正交，是 OFDM 正交性根本体现。在时间间隔 t 内，每一个子载波恰好有整数个周期，即每一个子载波的频率是基本频率的整数倍，在一个符号周期内，两个相邻子载波的周期数相差一个周期，两者
6、之间相互正交，保证了每一个子载波都能够被单独的接收并且独立的解调，而不受其他载波的干扰影响。4.2.2 OFDM 信号功率密度谱图 4-6 载波数 200 的 OFDM 信号频谱密度谱如图 4-6 所示，子载波个数为 200 的 OFDM 符号的功率密度谱，图中横轴表示归一化频率，纵轴表示归一化幅度衰减(单位：dB)。我们知道，OFDM 符号功率密度谱下降速度，随着 OFDM 子载波个数的增加而增快。为加速 OFDM 信号功率谱带外衰减部分的下降，通常采取对每个 OFDM 时域符号加窗的方式，使 OFDM 符号周期边缘的幅度值逐渐过渡到零，这与成型滤波的原理相似。成型滤波是在频域加平方根升余弦
7、窗，降低时域信号的拖尾振荡，而 OFDM 符号则是在时域加升余弦窗，降低频域信号拖尾振荡，使带外衰减速度加快。4.2.2 接收端 OFDM 载波幅度谱和相位谱图 4-7 OFDM 载波幅度谱和相位谱OFDM 信号通过信道传输后，到达接收端，在接收端经过串并变换和快速傅里叶变换，得到并行的频域的 OFDM 符号，其幅度谱和相位谱如图 4-7 所示。4.3 仿真性能分析4.3.1 在不同调制方式下，系统误码率（BER）与信噪比（SNR）的关系1. OFDM 系统在 QPSK 调制方式下系统误码率（BER）与信噪比（SNR）的关系曲线：表 4-2 系统误码率（BER）与信噪比（SNR）关系表SNR(
8、dB) 1 2 3 4 5 6 7 8BER（%） 0.142 14.29 10.17 6.69 4.63 2.09 01.36 0.37 0.14SNR(dB) 9 10 11 12 13 14 15 16BER（%） 0.055 0.005 0 0 0 0 0 0由表 4-2 中数据可绘制出系统误码率（BER）与信噪比（SNR）的关系曲线如下图所示：图 4-8 系统误码率（BER）与信噪比（SNR）的关系曲线2. OFDM 系统在 BPSK 调制方式下系统误码率（BER）与信噪比（SNR）的关系曲线：表 4-3 系统误码率（BER）与信噪比（SNR）关系表SNR(dB) 1 2 3 4 5
9、 6 7 8BER（%）SNR(dB) 9 10 11 12 13 14 15 16BER（%）由表 4-3 中数据可绘制出系统误码率（BER）与信噪比（SNR）的关系曲线如下图所示：图 4-9 系统误码率（BER）与信噪比（SNR）的关系曲线由上面的误码率曲线图可以看出，在系统参数一致的情况下，对 OFDM 系统分别进行 QPSK 和 BPSK 两种调制，随着系统信噪比的不断增大，系统误码率在不断的减小，当信噪比达到某一临界值时，系统误码率达到零值。因为伴随系统信噪比的增加，系统噪声功率有所下降，因而误码率也随之下降。由于多径效应引起的频率选择性衰落，对系统误码率产生了很大的影响，严重影响了
10、 OFDM 系统性能，对 QPSK 调制的影响尤为明显。故而，BPSK 调制方式的系统性能好于 QPSK 调制方式。3. OFDM 系统在 16QAM 调制方式下系统误码率（BER）与信噪比（SNR）的关系曲线：表 4-4 系统误码率（BER）与信噪比（SNR）关系表SNR(dB) 1 2 3 4 5 6 7 8BER（%）SNR(dB) 9 10 11 12 13 14 15 16BER（%）由表 4-4 中数据可绘制出系统误码率（BER）与信噪比（SNR）的关系曲线如下图所示：图 4-10 系统误码率（BER）与信噪比（SNR）的关系曲线4. OFDM 系统在 64QAM 调制方式下系统误
11、码率（BER）与信噪比（SNR）的关系曲线：表 4-5 系统误码率（BER）与信噪比（SNR）关系表SNR(dB) 1 2 3 4 5 6 7 8BER（%）SNR(dB) 9 10 11 12 13 14 15 16BER（%）由表 4-5 中数据可绘制出系统误码率（BER）与信噪比（SNR）的关系曲线如下图所示：图 4-11 系统误码率（BER）与信噪比（SNR）的关系曲线由上面的误码率曲线图可以看出，在系统参数相同的情况下，对 OFDM 系统分别进行 16QAM 和 64QAM 两种调制，随着系统信噪比的不断增大，系统误码率在不断的减小，而随信噪比的进一步增大，误码率也越来越小，当信噪比
12、达到某一临界值时，系统误码率达到零值。当信噪比相同时，16QAM 调制的误码率明显比 64QAM 调制的误码率低，并且 16QAM 调制方式的性能也明显好于 64QAM 调制方式。综上所述以及系统误码率曲线可以看出，在相同信噪比条件下，采用 BPSK 和 QPSK调制方式比采用 16QAM 和 32QAM 调制方式的系统误码率要小。但 MPSK 调制在性能方面却不如 QAM 调制，尤其当 M 比较大的时候，这种差异尤为明显。若把每个子载波所包含的比特数量限制在 4 bit 之内，MPSK 调制性能较好。矩形 QAM 信号星座具有容易产生的独特优点，并且，相对容易解调。总之，在系统性能上 QAM
13、 调制优于 MPSK 调制。而在系统误码率方面，相同信噪比条件下，QAM 调制下的系统误码率大于 MPSK 调制。 4.3.2 系统误码率(BER)与信号帧长度的关系由仿真程序可知，信源产生的二进制随机序列的长度=（子载波数 符号数/载波位数/符号） ，故，可以通过改变系统子载波数或每个载波所包含的符号数来达到改变信号帧长度的目的，并且保持其他条件不变，观察系统误码率（BER）与信号帧长度的关系。1. 系统误码率（BER）与子载波个数的关系曲线：表 4-6 系统误码率（BER）与信号帧长度关系表子载波个数10 30 50 70 90 110 130 150BER（%） 0 0 0 0.0286 0.1000 0.2818 0.6923 0.9400子载波个数170 190 210 230 250 260 280 300BER（%） 1.5824 1.9526 2.7619 3.7609 3.8667 4.5731 5.1357 6.2767由表 4-6 中数据可绘制出系统误码率（BER）与信号帧长度（子载波个数）关系曲线如下图所示：
