Communication-System/Sys_OFDM_SimpleSimulation.m at master · AsaqeLee/Communication-System · GitHub

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
60
61
62
63
64
65
66
67
68
69
70
71
72
73
74
75
76
77
78
79
80
81
82
83
84
85
86
87
88
89
90
91
92
93
94
95
96
97
98
99
100
101
102
103
104
105
106
107
108
109
110
111
112
113
114
115
116
117
118
119
120
121
122
123
124
125
126
127
128
129
130
131
132
133
134
135
136
137
138
139
140
141
142
143
144
145
146
147
148
149
150
151
152
153
154
155
156
157
158
159
160
161
162
163
%% Simple OFDM Communication System Simulation without Channel Coding and Interference
% 本示例实现了OFDM系统的基本仿真流程

clear; clc; close all;

%% 1. 参数设置
% 生成随机比特流
totalBits = 10000;  % 初始比特数（确保能被bps整除）
bps = 2;  % 每个符号所含比特数 (QPSK)
if mod(totalBits, bps) ~= 0
    totalBits = totalBits + (bps - mod(totalBits, bps));
end
bitStream = randi([0, 1], totalBits, 1);

%% 2. QPSK 星座映射
M = 4;  % QPSK
% 将比特流重塑为2比特一组
bitMatrix = reshape(bitStream, 2, [])';
% 将每组比特转换为十进制符号索引（0~3）
symbolIndices = bi2de(bitMatrix, 'left-msb');
% 星座映射（采用灰度编码）
modSymbols = pskmod(symbolIndices, M, 0, 'gray');

%% 3. OFDM 参数设置
Nfft = 64;       % FFT大小
Ncp = 16;        % 循环前缀长度
Fs = 1e6;        % 采样率设为1MHz，用于绘图
df = Fs/Nfft;    % 子载波间隔

% 填充，使得QPSK符号数能被Nfft整除
numSymbols = length(modSymbols);
remainder = mod(numSymbols, Nfft);
if remainder > 0
    paddingSymbols = Nfft - remainder;
    % 使用符号0的映射（对应比特00）进行填充
    modSymbols = [modSymbols; pskmod(0, M, 0, 'gray')*ones(paddingSymbols,1)];
    % 同时填充比特流（便于后续BER计算，仅比较原始比特数部分）
    bitStream = [bitStream; zeros(paddingSymbols * bps, 1)];
end

%% 4. OFDM 发射端
% 将调制后的符号分帧，每帧包含Nfft个符号
numOFDMSymbols = length(modSymbols) / Nfft;
ofdmSymbols_freq = reshape(modSymbols, Nfft, numOFDMSymbols);

% IFFT 生成时域OFDM符号
ofdmSymbols_time = ifft(ofdmSymbols_freq, Nfft, 1);

% 添加循环前缀：在每帧前添加最后Ncp个样本
ofdmSymbols_withCP = [ofdmSymbols_time(end-Ncp+1:end, :); ofdmSymbols_time];

% 序列化发送信号
txSignal = reshape(ofdmSymbols_withCP, [], 1);

%% 5. 通过AWGN信道
SNR = 5;  % 信噪比 (dB)
rxSignal = awgn(txSignal, SNR, 'measured');

%% 6. OFDM 接收端
% 将接收信号重新分帧，每帧长度为 (Nfft + Ncp)
receivedMatrix = reshape(rxSignal, Nfft+Ncp, []);

% 去除循环前缀
received_noCP = receivedMatrix(Ncp+1:end, :);

% FFT变换恢复频域符号
receivedFreq = fft(received_noCP, Nfft, 1);

% 将恢复的符号序列序列化
receivedSymbols = reshape(receivedFreq, [], 1);

%% 7. QPSK 星座解调
demodSymbols = pskdemod(receivedSymbols, M, 0, 'gray');

%% 8. 将解调符号转换回比特流
rxBitsMatrix = de2bi(demodSymbols, bps, 'left-msb');
rxBitStream = reshape(rxBitsMatrix.', [], 1);

% 对齐比特数：仅比较原始比特数部分
expectedBits = length(bitStream);
rxBitStream = rxBitStream(1:expectedBits);

%% 9. 计算误比特率 (BER)
numErrors = sum(bitStream ~= rxBitStream);
BER = numErrors / expectedBits;
fprintf('OFDM系统最终误比特率 (BER) = %f\n', BER);

%% 10. 绘制时域和频域波形图
% 为了更好地显示波形，只显示第一个OFDM符号
figure('Name', '时域波形');

% 时域波形 - 发送信号
subplot(2,1,1);
t = (0:length(ofdmSymbols_withCP(:,1))-1)/Fs * 1e6; % 转换为微秒
plot(t, real(ofdmSymbols_withCP(:,1)), 'b-', 'LineWidth', 1.5);
hold on;
plot(t, imag(ofdmSymbols_withCP(:,1)), 'r--', 'LineWidth', 1.5);
grid on;
title('发送端OFDM符号时域波形（第一个符号）');
xlabel('时间 (μs)');
ylabel('幅度');
legend('实部', '虚部');

% 时域波形 - 接收信号
subplot(2,1,2);
plot(t, real(receivedMatrix(:,1)), 'b-', 'LineWidth', 1.5);
hold on;
plot(t, imag(receivedMatrix(:,1)), 'r--', 'LineWidth', 1.5);
grid on;
title(['接收端OFDM符号时域波形（第一个符号，SNR = ' num2str(SNR) 'dB）']);
xlabel('时间 (μs)');
ylabel('幅度');
legend('实部', '虚部');

% 频域波形
figure('Name', 'OFDM频谱');

% 计算发送信号频谱
Tx_fft = fftshift(fft(ofdmSymbols_time(:,1), Nfft));
Tx_spectrum = 20*log10(abs(Tx_fft)/max(abs(Tx_fft)));  % 归一化为dB
f = (-Nfft/2:Nfft/2-1)*Fs/Nfft/1e3;  % 频率轴（kHz）

% 计算接收信号频谱
Rx_fft = fftshift(fft(received_noCP(:,1), Nfft));
Rx_spectrum = 20*log10(abs(Rx_fft)/max(abs(Rx_fft)));  % 归一化为dB

% 绘制发送信号频谱
subplot(2,1,1);
plot(f, Tx_spectrum, 'b-', 'LineWidth', 1.5);
grid on;
title('发送端OFDM符号频谱');
xlabel('频率 (kHz)');
ylabel('幅度 (dB)');
ylim([-40 5]);
xlim([-Fs/2e3 Fs/2e3]);

% 绘制接收信号频谱
subplot(2,1,2);
plot(f, Rx_spectrum, 'r-', 'LineWidth', 1.5);
grid on;
title(['接收端OFDM符号频谱 (SNR = ' num2str(SNR) 'dB)']);
xlabel('频率 (kHz)');
ylabel('幅度 (dB)');
ylim([-40 5]);
xlim([-Fs/2e3 Fs/2e3]);

% 绘制星座图
figure('Name', '星座图');
subplot(1,2,1);
scatter(real(modSymbols(1:Nfft)), imag(modSymbols(1:Nfft)), 'b.');
grid on;
title('发送端QPSK星座图');
xlabel('实部');
ylabel('虚部');
axis([-2 2 -2 2]);

subplot(1,2,2);
scatter(real(receivedSymbols(1:Nfft)), imag(receivedSymbols(1:Nfft)), 'r.');
grid on;
title(['接收端QPSK星座图 (SNR = ' num2str(SNR) 'dB)']);
xlabel('实部');
ylabel('虚部');
axis([-2 2 -2 2]);