QPSK和16QAM调制下MIMO-OFDM系统Matlab仿真实现
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摘要：本文首先分析了MIMO-OFDM技术的特点，构建了MIMO-OFDM系统总体框图。使用MATLAB对MIMO-OFDM系统进行建模仿真，在低信噪比条件下，采用QPSK和16QAM两种调制方式，对比系统的SNR与误比特率等技术参数。仿真结果表明：QPSK调制的性能优于16QAM调制，MIMO-OFDM技术能够在带宽不变的情况下保障多个天线信号的可靠传输。
关键词：信道容量;MIMO-OFDM;MATLAB;误码率
中图分类号：TN911-4;G434
文献标识码：A
文章编号：1009-3044（2019）34-0237-02
1 概述
多输入多输出（Multiple-lnput Multiple-Output，MIMO）技术是通过多个天线进行信息的传送，能够在较少频带使用的情况下提高信道容量。正交频分复用（Orthogonal Frequency Divi-sion Multiplexing，OFDM）技术能够降低信道对信号的干扰，结合正交频分复用和MIMO技术，能够让信道对系统的数据传输影响降低，使得数据在接收端还原出的数据更准确，通过分集技术，让数据传输的带宽使用更少，传输的可靠性提高[1-3]。因此，对正交频分复用和MIMO技术的仿真分析及MIMO-OFDM的研究很有必要。
在无线通信系统中，不仅需要面对多径衰落对信号的影响，还要考虑频带资源的有限性[4]。正交频分复用技术通过划分子载波，降低数据传输速率的方式，有效的对抗多径衰落，然而对频谱资源的使用得不到较大提高;MIMO技MIMO-OFDM技术将两者的优势相结合，在提高信道容量的同时，对无线信道中的多径衰落和噪声抵抗力提升术通过多发多收的天线，利用空间资源，能够减少频谱资源浪费。MIMO-OFDM技术对无线通信的发展非常重要。
2 MIMO-OFDM系统框图
正交频分复用技术的特点是能够把数据流划分为多个正交的低速数据流，通过多径干扰对低速平坦的信号干扰较小的原理，降低了多径干扰。MIMO技术的信号传输与正交频分复用的信号传输处于相似的信道中。MIMO技术的特点是采用多发多收提高传输速率的同时，充分利用空间资源，减少对频谱资源的浪费[5]。因此，可以看到两个技术的结合能够为信号传输带来好处。结合正交频分复用技术和MIMO技术的优点，能够实现在减少宽带浪费的情况下提高数据在接收端的还原程度。
（1） MIMO-OFDM的发送端
由图1可以看到属于正交频分复用的特征：在复用器将传输过来的信号变为多路信之后，将每一路分信号进行映射，信号映射能够将数字信息调制成为符号信息，之后将多路符号后进行快速反傅里叶变换（IFFT）。这种系统的特点是加入了循环前缀，减少了多径信道对传输信号的影响，循环前缀同样提高了MI-MO-OFDM信号的可靠性，这在多天线的输出中是十分重要的。
（2） MIMO-OFDM的接收端
由发送端的过程可知，在接收端应该有对应的去除循环前缀技术以及快速傅里叶变换来对信号进行还原。
图2可以直观的看出在调制解调上与正交频分复用的相似之处，MIMO-OFDM接收端首先对循环前缀进行去除，变成完整的符号序列;再经过信号的解映射，通过快速傅里叶变换对信号进行解调;最后回到MIMO技术的特有过程，进行空间多路检测，让接收的信号更加可靠;最终将空间多路检测后的准确接收信号通过解复用器还原为信号比特流，MIMO-OFDM系统效率得到改善。
3 MIMO-OFDM系统信号流程图
MIMO-OFDM系统的信号处理流程如图3所示。数据先进行空时编码、串并变换，将并行信号送入IFFT器件，经过IFFT处理后的信号串并变换，添加循环前缀后发送到信道中，在接收端，先对循环前缀进行去除，变成完整的符号序列，再经过信号的解映射，通过快速傅里叶变换对信号进行解调，之后进行空间多路检测，让接收的信号更加可靠，最终将空间多路检测后的准确接收信号通过解复用器还原为信号比特流，还原出原始信号。
4 MIMO-OFDM系统仿真与分析
根据MIMO-OFDM系统总体框图，利用Matlab进行了建模仿真。发送端首先进行空时编码产生正交输出，再经过OFDM模块调制，解决了多径传输中多径干扰的问题。之后经过模拟的瑞利信道，将之前调制的信号经过OFDM解调和空时解码，最后进行接收信号的判决，将发送信号还原。
由于MIMO-OFDM技术结合了OFDM技术的优势，因此对MIMO-OFDM系统可以采用不同的调制方式进行调制和解調，本文对MIMO-OFDM的QPSK和16QAM调制下的误比特率进行了仿真，仿真结果如图4、图5所示。
仿真结果分析：在使用QPSK调制下的2发2收MIMO-OFDM系统误比特率在信噪比为0的时候误比特率为0.1，而16QAM调制下的误比特率达到了0.4，远高于QPSK调制，在实际的应用中误比特率过大，导致信号传输的可靠性很低。对比QPSP调制在信噪比为9dB时，它的误比特率已经低于0.0001，而16QAM调制下的MIMO-OFDM系统还存在0.05的误比特率，因此在信噪比较低的情况下，选择QPSK调制系统更可靠。
5 结束语
该文在正交频分复用和MIMO技术的仿真基础上进一步的拓展和延伸，建立了它们优势相结合的MIMO-OFDM系统框图，并对MIMO-OFDM系统进行了MATLAB的仿真。MIMO-OFDM技术不仅继承了正交频分复用技术良好的抗干扰能力，MIMO技术优秀的提升信道容量技术也得到了展现，解决了频带资源有限性和对信道容量的需求之间的矛盾。本文通过仿真，对MIMO-OFDM系统在QPSK和16QAM调制下的SNR与误比特率（BER）仿真曲线进行分析，通过对BER的分析，得到MI-MO-OFDM有良好的性能，在SNR条件下，QPSK调制的BER更低。
参考文献：
[1]刘赛男，李晖，张蕊.矿井MIMO-OFDM通信系统信道的建模与仿真[J].大连民族大学学报，2018，20（03）：227-233.
[2]李鹏翔.海上MIMO-OFDM无线通信的信道估计和信号检测技术研究[D].海南大学，2018.
[3]宋冬梅.MIMO-OFDM系统同步方法的研究与应用[D].扬州大学，2018.
[4]吴君钦，李宁，王加莉.基于匹配追踪算法阈值改进的MIMO-OFDM信道估计研究[J].现代电子技术，2018，41（01）：9-12+16.
[5]金文杰.MIMO-OFDM信道估计和均衡算法及VLSI实现研究[D].华东师范大学，2017.
【通联编辑：代影】
收稿日期：2019-09-04
基金项目：2018年度湖南省教育厅科学研究一般项目（项目编号：18C1063）;湖南科技学院应用特色学科建设项目资助
作者简介：谭清元（1998-），女（土家族），湖南慈利县人，湖南科技学院电子与信息工程学院通信工程专业2016级学生;通信作者：潘学文（1983 -），男，湖南永州人，湖南科技学院电子与信息工程学院讲师，主要从事电子与通信方面课程教学工作。
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