吳秋燕

（滕州市融媒體中心，山東棗莊 277500）

0 引言

目前，廣播信號(hào)已實(shí)現(xiàn)數(shù)字化傳輸，這也是音頻信號(hào)的主要傳輸方式，易于存儲(chǔ)。數(shù)字化的廣播信號(hào)傳輸離不開(kāi)數(shù)字編碼[1]與信號(hào)解調(diào)[2]，若出現(xiàn)編碼異常，將導(dǎo)致信號(hào)延遲或誤碼率較高[3]。理論上數(shù)字化廣播傳輸依賴于3 種操作方式，分別是模擬信號(hào)的輸入、數(shù)字信道編碼和調(diào)制以及信號(hào)發(fā)送。其中，數(shù)學(xué)信道編碼和調(diào)制是確保廣播信號(hào)穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，需要多個(gè)模塊協(xié)同完成[4]，如擾碼模塊、LDPC 編碼模塊、卷積編碼模塊、星座映射模塊、交織模塊和OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交頻分復(fù)用技術(shù)）模塊等成。

隨著互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的發(fā)展，數(shù)字廣播的容量和需求越來(lái)越大，雖然先進(jìn)的通信標(biāo)準(zhǔn)[5]為傳輸效率提供了良好的條件，但誤碼率仍無(wú)法避免。因此，文中基于MATALB 軟件對(duì)數(shù)學(xué)信道編碼和調(diào)制中的關(guān)鍵模塊進(jìn)行仿真分析，判斷系統(tǒng)的合理性與可行性。

1 仿真方案與原理

1.1 仿真方案確定

系統(tǒng)的仿真分析是工程上一種常見(jiàn)的技術(shù)研究手段，能夠有效彌補(bǔ)或替代實(shí)驗(yàn)。它不但能降低研發(fā)成本，還可以擺脫復(fù)雜非線性的限制，使研究結(jié)果更加科學(xué)和可靠。針對(duì)無(wú)線廣播傳輸?shù)奶攸c(diǎn)，需要對(duì)相關(guān)的算法進(jìn)行驗(yàn)證，即通過(guò)MATLAB 數(shù)據(jù)處理平臺(tái)，驗(yàn)證無(wú)線傳輸系統(tǒng)的合理性和可行性。該軟件集成了先進(jìn)的矩陣處理模塊，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的非線性求解、有效驗(yàn)證信號(hào)傳輸效果，并針對(duì)評(píng)測(cè)結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)評(píng)價(jià)。

1.2 通信系統(tǒng)仿真原理

在整個(gè)無(wú)線傳輸系統(tǒng)中，功能的實(shí)現(xiàn)涉及到的設(shè)備和介質(zhì)非常多，因此需要針對(duì)各關(guān)鍵模塊進(jìn)行獨(dú)立建模和仿真分析。無(wú)線數(shù)據(jù)通信的主要原理是將特定的信號(hào)源以數(shù)字信號(hào)的形式發(fā)送至另一個(gè)中繼端，通過(guò)連續(xù)轉(zhuǎn)接達(dá)到終端。由此可見(jiàn)，不同模塊之間的通信結(jié)構(gòu)和匹配性是決定通信模型的關(guān)鍵[6-8]。在MATLAB中，執(zhí)行系統(tǒng)仿真的主要流程有：首先，將分析目標(biāo)抽象化，在仿真平臺(tái)中選擇合理的模型；其次，對(duì)模型進(jìn)行分割處理，依次解決子問(wèn)題；然后，選定合理的參數(shù)與邊界條件，優(yōu)化配置方法和估算結(jié)果；最后，對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。隨著通信技術(shù)的發(fā)展，各個(gè)模塊逐漸具備可拓展性[9]，即滿足搭建通信。這也是驗(yàn)證信號(hào)傳輸穩(wěn)定性的重要需求。

2 仿真結(jié)果分析

2.1 正交幅度調(diào)制仿真分析

不同的載波幅值與相位可代表不同的數(shù)字化信息，而正交幅度調(diào)制可將已經(jīng)調(diào)制完成的信號(hào)進(jìn)行頻譜正交化處理，相比于傳統(tǒng)的調(diào)制方法，可實(shí)現(xiàn)更高的頻帶利用率，節(jié)能降耗效果顯著。在實(shí)際通訊過(guò)程中，頻帶和功率的利用率是評(píng)價(jià)調(diào)制效果的關(guān)鍵參數(shù)，能夠反映出傳輸效率和相對(duì)誤差，對(duì)于不同的通信方式和信號(hào)類型，兩者要求的比重有所差異。

為驗(yàn)證正交幅度的調(diào)制效果，在MATLAB 中調(diào)用Scatterplot 函數(shù)，并采用Reshape 函數(shù)和Bi2de 函數(shù)將序列進(jìn)行變形。針對(duì)調(diào)制信號(hào)的特點(diǎn)增設(shè)匹配的白噪聲信號(hào)，進(jìn)而對(duì)比信號(hào)干擾下的傳輸特性。根據(jù)信號(hào)的波形進(jìn)行二進(jìn)制的轉(zhuǎn)換，基于Biterr 函數(shù)能夠查看相應(yīng)的參數(shù)結(jié)果（圖1）。在正交幅度調(diào)制條件下，有噪聲和無(wú)噪聲干擾下的星座圖如圖2 所示。

圖1 調(diào)制后信號(hào)二進(jìn)制序列

圖2 噪聲信號(hào)對(duì)正交分量的影響

從仿真結(jié)果可以看出：通過(guò)正交幅度調(diào)制的二進(jìn)制序列，其誤比特?cái)?shù)以及誤比特率保持?jǐn)?shù)值零，這表明調(diào)制序列準(zhǔn)確可靠，未出現(xiàn)偏差等問(wèn)題；正交幅度調(diào)制對(duì)噪聲信號(hào)不敏感，在白噪聲影響下，雖然同相分量與正交分量的分布在局部更為分散，但仍保持了區(qū)域性，與其他信號(hào)數(shù)據(jù)之間未發(fā)生干涉現(xiàn)象。因此，調(diào)節(jié)的數(shù)據(jù)不會(huì)受到本質(zhì)的影響，這表明該映射方式抗干擾能力強(qiáng)、穩(wěn)定性高。

2.2 卷積編碼仿真分析

無(wú)線廣播信號(hào)在傳輸過(guò)程中，串?dāng)_[10]和噪聲[11-12]是導(dǎo)致誤碼的主要因素，一般可采用增大發(fā)射功率、優(yōu)化調(diào)制方式、處理信道編碼等方式。卷積編碼是一種先進(jìn)的信道編碼方式，可針對(duì)數(shù)字信號(hào)的序列進(jìn)行診斷和恢復(fù)，對(duì)于誤碼率的降低有重要作用。在MATLAB 軟件中，運(yùn)用Randi 函數(shù)聲場(chǎng)一系列非隨機(jī)的數(shù)值序列。根據(jù)仿真原理可知，十進(jìn)制的數(shù)值序列更利于結(jié)果的查看，因此，應(yīng)通過(guò)Reshape 函數(shù)和Bi2de 函數(shù)將二進(jìn)制序列進(jìn)行轉(zhuǎn)換，使其變?yōu)槭M(jìn)制序列。卷積編碼的仿真分析結(jié)果如圖3 所示，在卷積編碼條件下，誤碼率顯著降低，并且在白噪聲作用下其誤比特率仍保持在較小的數(shù)值。

圖3 卷積編碼對(duì)比仿真結(jié)果

2.3 OFDM 仿真分析

OFDM 是目前應(yīng)用最為廣泛的多載波無(wú)線傳輸方式之一，其具有實(shí)現(xiàn)難度低、操作簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)，整個(gè)調(diào)制和解調(diào)的過(guò)程分別依賴于IFFT（Inverse Fast Fourier Transform，離散傅立葉反變換的快速算法）和FFT（Fast Fourier Transform，離散傅立葉變換的快速算法）的函數(shù)變換，相比常規(guī)的IFFT 處理，還增加了傳輸信號(hào)的保護(hù)和循環(huán)功能。為了驗(yàn)證正交頻分復(fù)用的應(yīng)用效果，對(duì)比OFDM 和常規(guī)的IFFT 在不同時(shí)間下的響應(yīng)特性，可得出正交頻分復(fù)用對(duì)比仿真結(jié)果（圖4）。從圖4 可以看出，正交頻分復(fù)用條件下的幅值與IFFT 具有良好的匹配性和等效性。另外，由于OFDM 采用了卷積編碼，可有效降低白噪聲的敏感性，使得頻譜密度達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間更短，高效性更顯著。

圖4 正交頻分復(fù)用對(duì)比仿真結(jié)果

3 結(jié)論

隨著通信技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字化廣播傳輸方式表現(xiàn)出顯著的靈活性和多樣性，有效滿足了用戶對(duì)媒體傳播的需要。數(shù)字化廣播技術(shù)的改革是信息技術(shù)廣泛應(yīng)用的必然結(jié)果，只有確保了通信質(zhì)量才能被認(rèn)可。目前，信道編碼與調(diào)制的標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，只有穩(wěn)定性高、誤碼率低的模塊才具有市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。本文通過(guò)對(duì)正交幅度調(diào)制、卷積編碼和正交頻分復(fù)用等功能研究，確保了基于該模塊對(duì)數(shù)字化音頻廣播傳輸?shù)目煽啃裕@個(gè)對(duì)于視頻的數(shù)字傳輸改進(jìn)有著重要指導(dǎo)意義。