基带BPSK、QPSK、16QAM、OFDM仿真C实现

移动通信系统仿真——标准C实现的利与弊

github/28hua

摘要

本文介绍采用标准C语言搭建BPSK、QPSK、16QAM、OFDM基带移动通信仿真系统的原理和实现，深刻揭示了使用标准C语言进行移动通信系统仿真的优势和弊端，认为虽然标准C具有运行速度快和占用内存小的优点，但是缺乏科学计算库，抽象层次低，内存管理复杂，并发严重依赖操作系统，在语言层面和标准库没有对多线程的直接支持，不适合进行模型的快速构建和理论验证。本系统除C语言标准库外仅仅依赖第三方库FFTW3，程序采用高内聚、低耦合的模块化程序设计思想进行设计，代码重用率高，具有较强的可扩展性和可重用性。

本文所有仿真系统模仿香农经典通信系统模型，即点对点通信，不涉及网络通信。信道模型包含高斯噪声信道和瑞利信道。系统仿真的结果是误比特率曲线，通过比较不同调制方法的误比特率曲线，分析其抗噪声、抗衰落性能。

关键字：BPSK QPSK 16QAM OFDM 标准C

电汽锅一、简介

1. 各种调制方法简介

BPSK

BPSK即二进制相移键控，采用相位相反的正弦载波表示0和1。

QPSK

BPSK的一个符号代表一个比特，即，在QPSK中，一个符号代表两个比特，即。QPSK的编码采用格雷码，在星座图中某点与距离其最近的点的汉明距离最小。

16QAM

对于BPSK和QPSK，每种信号的能量或者振幅是相同的，对于16QAM可以有三种能量或振幅的信号。OFDM星座图中的点也采用格雷码表示，某点与距离其最近的点的汉明距离最小。

OFDM

BPSK、QPSK、16QAM都只有一路载波，而OFDM采用多路相互正交的子载波，子载波的频率间隔，为OFDM信号的符号周期，其调制解调框图如下所示。

2. BER、SNR和

BER：误比特率，即

SNR：信噪比

：信噪比的分贝形式：

: 功率效率

：带宽效率

: 的分贝形式：

在编程实现中，假设各种调制系统的发送信号平均每比特能量相同且为，假设码元发送速率已知且，通过改变的值测试不同功率效率下的误比特率，待求变量是，由上述方程和假设已知条件可得，

假设，则

3. 标准C回顾

为使用C语言进行系统仿真，必须深入理解C语言语法，其中最重要的是数组与指针。

在C的世界里，数组和指针都是基本数据类型。指针变量中存放的是某段内存空间的起始地址，指针的类型暗示指针做自加运算时偏移的字节数。当数组作为函数参数或者函数返

回值或者赋值给指针时，数组被隐式转换为指针，丢失数组大小信息。

局部变量存储在栈上，局部变量离开其作用域时，内存不能再被访问。举例，函数体内不加static关键字定义的数组作为返回值返回，此返回值赋值给指针，试图使用指针访问之前在函数体内定义的数组将会发生错误，因为此数组在栈上分配，栈上内存在函数结束时被计算机回收。为使函数体内分配的内存具有跨函数的生命周期，采用动态内存分配或者static关键字修饰，前者灵活但不易编程，后者编程方便但所分配内存直到程序结束才释放。

二、系统模型

对于BPSK、QPSK、16QAM、OFDM仿真系统，编程实现由易到难，但简单仿真系统的子模块经常可以复用到复杂仿真系统，并且简单仿真系统可以为复杂仿真系统提供设计思路。

本文从最简单的BPSK仿真系统开始，规定各种仿真系统平均每比特能量。首先生成0/1伪随机序列，对于基带仿真系统，不考虑高频正弦载波，因此使用1表示比特1，使用-1表示比特0。然后模拟信道传输，添加噪声（和衰落），如果发送x，噪声，则接收，如果衰落，则接收。最后判决，计算误码率。

对于QPSK仿真系统，由于QPSK系统的星座图有四个点，每个点离原点距离相同，故能量相同，又因为，因此星座图中每个点的模均为。本系统使用的映射如下

并且采用格雷编码使汉明距离最小的码相邻。

对于16QAM仿真系统，，星座图包括十六个点，离远点距离有三类，分别用a，b，c表示，令则，所以

由方形QAM系统星座图的特点易得，因此x轴和y轴的投影长度只有两种。本系统采用映射如下，依然采用格雷编码:

0, 0, 0, 0->x1, y1 0, 0, 0, 1->x2, y1 0, 0, 1, 0->x1, y2 0, 0, 1, 1->x2, y2

0, 1, 0, 0->x1, -y1 0, 1, 1, 0->x1, -y2 0, 1, 0, 1->x2, -y1 0, 1, 1, 1->x2, -y2

1, 0, 0, 0->-x1, y1 1, 0, 1, 0->-x1, y2 1, 0, 0, 1->-x2, y1 1, 0, 1, 1->-x2, y2

1, 1, 0, 0->-x1,-y1 1, 1, 0, 1->-x2,-y1 1, 1, 1, 0->-x1,-y2 1, 1, 1, 1->-x2,-y2

其中x1=y1=，x2=y2=。

对于OFDM系统，本次仿真产生伪随机0/1序列后立刻做16QAM映射，然后串并变换，快速傅里叶反变换，添加循环前缀，并串变换，模拟噪声（和衰落）信道，接收端采用与发送端相逆的过程，最后统计误码率。

各种调制系统流程图如下图所示：

三、编程实现

1. 瑞利随机数与高斯随机数的产生

瑞利随机数的分布函数为：

在概率论中，根据给定的随机变量x的分布和函数g(x)容易得到y=g(x)的分布。其逆问题是已知随机变量x的分布和y的分布，确定g(x)，使得g(x)服从y的分布。根据概率论理论：



产生瑞利随机数的思想是由[0-1]均匀分布的随机变量u和瑞利分布函数求解g(u)，

令：

解得

根据概率论理论，如果x和y是相互独立的零均值方差为的正太随机变量，那么服从瑞利分布，服从的均匀分布。因此，可以由

产生零均值，方差为的高斯随机数。

2. 动态分配二维矩阵的两种方法

方法一：

方法二：

方法一的优点是需要调整数组维数只需realloc，缺点是malloc和free的复杂度都是o(n)，并且访问每一个元素需要两次寻址；方法二的优点是malloc和free的复杂度都是o(1)，访问每个元素只需要一次寻址，缺点是调整数组维数非常不便，比如OFDM仿真系统需要添加循环前缀，使用第二种方法需要对整个数组做拷贝。

3. 内存管理

使用MatLab、Java等带有垃圾回收机制的编程语言很少操心内存管理，但是在C语言给予用户直接操纵内存的自由，而用户需要为这种自由承担内存管理的责任，为此需要深刻理解操作系统内存布局。

一种典型的操作系统内存由低字节到高字节包括：文本段（代码段）、已初始化数据段、未初始化数据段、栈、堆。

文本段存储将要执行的代码，多个程序实例可以共享文本段，当多个程序实例链接相同动态库时，内存只载入一份此库的副本。文本段还是只读的，程序不能改变自身。

已初始化数据段存储已经初始化的全局变量。

未初始化数据段存储尚未初始化的全局变量，存储在此段中的变量，即所有未初始化的全局变量在程序执行前自动被初始化为0或者NULL。

栈是栈帧的集合，每当一个函数被调用时会为它分配一个栈帧，栈帧中存放被调用函数所有局部变量，传递给被调用函数的参数，被调用函数返回后将要执行的下一条指令的地址。

堆，是C调用malloc或者C++调用new分配内存的区域。堆和栈的生长方向相反。

C语言的内存管理是一项极易犯错的编程任务，培养好的编程习惯可以降低错误发生率

● 为函数编写清晰的注释，尤其涉及内存分配与释放的函数

● 尽力把内存分配逻辑和释放逻辑写到同一作用域内

家庭视频电话● 代码检查，调用malloc的次数等于调用free的次数

红外线烘干箱● 检查malloc返回值，判断内存是否分配成功

● free指针指向的内存后，将指针赋值为NULL

● 浅复制时，当内存被释放后所有指向此处内存区的指针应赋值为NULL；深复制时，复制后的内存也要释放。

4. 头文件一览

#ifndef SIMULAT_H

#define SIMULAT_H

#include <stdbool.h>

#include <fftw3.h>

#include <math.h>

typedef unsigned long ulong;

typedef struct Point {

double SNR_db;

double BER;

} Point;

/*串行序列*/

typedef struct Serial {

double * signal;

ulong N;

} Serial;

/*串行序列, but存储的是复数*/

typedef struct Serial_C {

fftw_complex * signal;

ulong N;

} Serial_C;

/*m路并行*/

typedef struct Parallel {

double ** signal;

ulong M;

ulong N;

} Parallel;

/*m路并行, but存储的是复数*/

typedef struct Parallel_C {

fftw_complex ** signal;

ulong M;

ulong N;

} Parallel_C;

double gen_uniform_random(void);

double gen_rayleigh_random(double sigma);

double gen_standard_normal_random(void);

double gen_normal_random(double mean, double sigma);

int gen_binomial_random(double p);

Serial* gen_signal(ulong N);

void bipolar(Serial* serial, double scale);

void add_noise(Serial * serial, double mean, double sigma);

void add_noise_c(Serial_C * serial_c, double mean, double sigma);

void add_noise_and_fading(Serial * serial, double n_mean,

double n_sigma, double r_sigma);

void add_noise_and_fading_c(Serial_C * serial, double n_mean,

double n_sigma, double r_sigma);

Parallel* serial_to_parallel(Serial * serial, ulong M);

荸荠削皮机

Parallel_C* serial_to_parallel_c(Serial_C* serial, ulong M);

Serial_C* parallel_to_serial_c(Parallel_C* parallel_c);

void add_cycle_prefix(Parallel_C* parallel_c);

void del_cycle_prefix(Parallel_C* parallel_c);

Serial* BPSK(Serial* serial);

Serial* rBPSK(Serial* serial);

Serial_C* QPSK(Serial* serial);

Serial* rQPSK(Serial_C* serial_c);

Serial_C* QAM16(Serial* serial);

Serial* rQAM16(Serial_C* serial_c);

void judge4QAM16(Serial_C* serial_c);

void judge4QPSK(Serial_C* serial_c);

void judge4BPSK(Serial* serial);

void fft(Parallel_C* parallel_c);

void ifft(Parallel_C* parallel_c);

void transpose_array(Parallel* parallel);

#endif

5. 绘图脚本

啪啪圈

"""

绘出误码率/信噪比曲线

"""

import sys

import csv

import matplotlib.pyplot as plt

import matplotlib.pylab as plb

from collections import namedtuple

def get_x_y(result_file):

"""

绘出误码率/信噪比曲线

"""

with open(file=result_file, mode='r') as data:

data_csv = ader(data)

headings = next(data)

SNR_BER = namedtuple("SNR_BER", headings)

SNR_db, BER = [], []

for line in data_csv:

row = SNR_BER(*line)磁流体发电机

SNR_db.append(float(row.SNR_db))

BER.append(float(row.BER))

return SNR_db, BER

if __name__ == '__main__':

files = sys.argv[1:]

for file in files:

SNR_db, BER = get_x_y(file)

plt.title("")

plt.yscale("log")

plt.plot(SNR_db, BER, 'r^-')

id(True)

plt.show()

四、仿真结果及讨论

所有仿真系统的产生一千万个伪随机序比特，噪声服从零均值，方差为1的高斯分布，瑞利衰落的参数取0.5，OFDM为16路复用。仿真系统的所有误码率数据保存为.csv格式的文件，读者可以使用最擅长的绘图工具绘制误码率曲线对比研究。笔者使用Python作图，命令行参数为需要比较的误码率文件。

本文发布于:2024-09-22 10:37:25，感谢您对本站的认可！

本文链接：https://www.17tex.com/tex/4/163488.html

上一篇：基于MATLAB的无线电信号功率谱仿真与分析

下一篇：转载B417科研笔记deMatlab代码实现智能反射面的信道仿真

标签：系统内存指针数组函数使用采用

留言与评论（共有 0 条评论）