（信号与信息处理专业论文）mimo系统中空时频移键控与卷积码的仿真及实现.pdf

摘要 摘要 多入多出( m i m o ) 技术被认为是现代通信技术中的重大突破之一，越来越成为 无线通信领域的研究热点。它利用信道多径效应，极大改善无线通信的频谱效率 和通信可靠性；它在发射端和接收端利用多个空间分散的天线进行信号的发射和 接收，从而在多径环境下获得空间分集，可以在不增加系统带宽的情况下极大地 提高系统容量。m i m o 系统中的调制解调和纠错编码都是关键的技术，在数字化 实现要求较高的今天，这些都显得尤为重要。课题要求实现超视距传输的信道是 对流层散射，对流层的散射信号很不稳定，无论是在时域或是频域上都存在衰落。 本文研究的调制方式是空时频移键控，纠错码是卷积码，把空时频移键控和卷积 码结合来降低误比特率。本文的主要工作如下： 1 、概述了m i m o 系统的模型，对m i m o 系统的传播环境进行了分析，总结 了m i m o 系统的研究现状，特别是调制技术和纠错码的研究现状。 2 、详细地介绍了空时频移键控( s t - f s k ) 调制解调理论和卷积码编码、维特 比译码理论。s t - f s k 集编码和调制于一体，在接收和发射端，都不需要任何的 信道状态信息。s t o f s k 调制是一种特殊的酉空时调制方式。s t - f s k 设计简单， 而酉空时调制需要繁琐的数学搜索过程。s t - f s k 采用简单的最大似然解调方式。 s t - f s k 既可应用于数字域，也可应用于模拟域。当然，这些优点是建立在降低一 定谱效率基础之上的。卷积码广泛应用于卫星通信和无线通信中，编码简单，且 能够获得较高的编码增益。维特比译码算法简单，是一种很好的最大似然译码方 法。 3 、对空时频移键控与卷积码结合后的性能作了大量的m a t l a b 仿真，得到 了相应的误比特率曲线；后对二者结合进行了f p g a 实现。s t - f s k 调制采用查表 的方式；解调采用分时复用结构。维特比译码采用串行结构，对传统的寄存器交 换法作了一定的改进，直接存储状态转移时的输入信息，不需要回溯，也应用到 了分时复用的方法。分别在q u a r t u s l l 6 0 软件平台中软件仿真和下载到f p g a 芯片 中硬件仿真，得到的结果都验证了设计的正确性。 关键词：m i m o ，空时频移键控，卷积码，维特比译码，误比特率，f p g a 实现 a b s t r a c t a b s t r a c t t h em u l t i p l e i n p u tm u l t i p l e - o u t p u t ( m i m o ) t e c h n o l o g yi sc o n s i d e r e da so n eo f t h em o s tp r o m i s i n gb r e a k t h r o u g ht e c h n o l o g y ，a n di ti sb e c o m i n gt h er e s e a r c h e dh o t s p o t o ft h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nf i e l d s u s i n gt h ec h a n n e l sm u l t i p l ep a t he f f e c t , i t i m p r o v e st h es p e c t r a le f f i c i e n c ya n dt h er e l i a b i l i t yo ft h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n i t a c q u i r e st h es p a c e sd i s p e r s i o ni nt h em u l t i p l ea c c e s se n v i r o n m e n tt om a k eu s eo f m a n y a n t e n n a sa tt h et r a n s m i t t e ra n dt h er e c e i v e r t h e ni tc a ni m p r o v et h es y s t e m s c a p a b i l i t yu n d e rn o ti n c r e a s i n gt h es y s t e m sb a n d w i d t h t h em o d u l a t i o n 、d e m o d u l a t i o n a n dt h ee n c o d e rt oc o r r e c te r r o ra l eb o t hk e yt e c h n o l o g y n o w ，t h ed i 酉t a lr e a l i z a t i o n b e c o m e sh i g h e rt h a np a s t ，t h e yb e c o m em o r ei m p o r t a n t t h et o p i ca s k st oa c h i e v et h e n o n - e y ed i s t a n c et r a n s m i s s i o nb yt h et r o p o s p h e r e sd i s p e r s i o n t h ed i s p e r s i o ns i g n a l s a r em u c hu n s t a b l e ，w h i c he x i s tf a d i n ge t h e ri n t h et i m ef i e l do ri n t h es p e c t r a lf i e l d t h e m o d u l a t i o nw a yi nt h i sa r t i c l ei st h es p a c e t i m ef r e q u e n c ys h i f tk e y i n g , a n dt h e c o r r e c t i n gc o d ei st h ec o n v o l u t i o n a lc o d e t h e ya r ec o m b i n e dt od e s c r e a s et h eb i te r r o r r a t e t h em a i nc o n t e n t so ft h i sd i s s e r t a t i o na r es h o w e da sf o l l o w s ： 1 s u m m a r i z e dt h em i m os y s t e m sm o d e l ，a n da n a l y s e dt h em i m os y s t e m s t r a n s m i s s i o nc i r c u m s t a n c e ，a n da l s os u r m i s e dt h em i m os y s t e m sr e s e a r c ha c t u a l i t y e s p e c i a l l yc o n c e r n e dt h em o d u l a t i o nt e c h n o l o g ya n dt h ec o r r e c t i n gc o d e 2 i n t r o d u c e dt h es p a c e - t i m ef r e q u e n c ys h i f tk e y i n ga n dt h ec o n v o l u t i o n a lc o d e t h e o r yi nd e t a i l s t o f s kg a t h e r e dt h ec o d i n ga n dm o d u l a t i o n , w h i c hd o e sn o tr e q u i r e a n yc h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o na tt h et r a n s m i t t e ra n d t h er e c e i v e r s t - f s kc a l lb ev i e w e d a sas p e c i a lu n i t a r ys tm o d u l a t i o nd e s i g n s t - f s ki se a s i e rt od e s i g n ，a n de n j o y sl o w e r d e c o d i n gc o m p l e x i t y s t - f s ka l l o w s f o ras i m p l i f i e dm a x i m u m l i k e l i h o o d ( m l ) d e t e c t o r s t - f s kc a l lb ea d o p t e di nt h ed i g i t a la sw e l la si nt h ea n a l o gd o m a i n a s e x p e c t e d ，a l lt h e s ea d v a n t a g e sc o m ea tt h ec o s to f ad e c r e a s ei ns p e c t r a le f f i c i e n c y t h e c o n v o l u t i o n a lc o d ei sw i d e l ya p p l i e di nt h es a t e l l i t ec o m m u n i c a t i o n sa n dt h ew i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n s c o d i n gi se a s y , a n di t a l s oc o u l dg a i n su p p e rc o d i n gp l u s v i t e r b i d e c o d i n ga r i t h m e t i ci se a s y , a n di sav e r yg o o dm a x i m u m l i k e l i h o o dd e c o d i n gm e t h o d 3 m a d em a n ys i m u l a t i o n sa b o u tt h ep e r f o r m a n c ea f t e rt h e mc o m b i n e d w e i i a b s t r a c t o b t a i n e dt h ec o r r e s p o n d i n ge r r o r - b i tr a t ec u r v e t h e n ，w ec a r r i e dt h r o u g ht h ef p g a i m p l e m e n t a t i o n s t - f s km o d u l a t i o n m a d eu s eo f l o o k i n gf o rt a b l e ，a n d t h e d e m o d u l a t i o nm a d eu s eo ft h et i m e s h a r i n gs t r u c t u r e v i t e r b id e c o d i n gu s e dt h es e r i a l s t r u c t u r e w ei m p r o v e do nt h ec o n v e n t i o n a lr e g i s t e re x c h a n g em e t h o dt os t o r a g et h e i n p u ti n f o r i d a t i o nd i r e c t l y 嬲也es t a t ed i v e r s i o n i td i d n tn e e dt r a c eb a c k , a n da l s o a p p l i e dt h et i m e s h a r i n gw a y w es i m u l a t e di ti nt h eq u a r t u r s l l 6 0t og e tt h es o f t w a r e s i m u l a t i o nf i g u r e , a n dd o w n l o a d e dt h ev h d lp r o g r a mi nt h ef p g a c h i pt og e tt l l e h a r d w a r es i m u l a t i o nf i g u r e b o t ho ft h ef i g u r e sp r o v e dt h ed e s i g n sc o r r e c t n e s s k e y w o r d s ：m i m o ，s p a c e - t i m ef r e q u e n c ys h i f t ，c o n v o l u t i o n a lc o d i n g , v i t e r i b i d e , c o d i n g , e r r o r - b i tr a t e ，f p g ai m p l e m e n t a t i o n i i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为 获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的 说明并表示谢意。 签名气座 e l 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘， 允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全 部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：进签名缝丝= 生 第一章绪论 第一章绪论 1 1 本文的研究背景和意义 在过去的三十多年里，伴随着半导体技术、微电子技术和计算机技术的发展， 无线通信技术得到了迅猛的发展和广泛的应用，极大的推动了社会的发展进步。 无线通信产业如今已成为世晃各国信息基础建设中不可缺少的一部分。在我国， 近几年的个人移动用户数目激增，无线通信行业的大发展带动了整个通信产业的 繁荣，信息与通信产业在我国国民生产总值中所占的比重也不断提高，逐渐成为 经济发展的支柱型产业【1 】 2 】【3 1 。 当前对无线通信的研究主要集中在宽带移动通信和宽带无线接入两个方向。 宽带移动通信系统主要提供广域覆盖，支持用户终端的大范围漫游与高速移动。 对宽带移动通信系统的研究主要集中于对3 g 演进技术以及对b 3 g ( b e y o n d3 g ) 系统的研究【3 】【4 1 。目前对b 3 g 的说法莫衷一是，但人们普遍认为b 3 g 系统将是 基于m v 6 核心网互连互通，适合于突发分组业务和各种多媒体业务，峰值传输速 率达到2 0 1 0 0 m b s ，广泛应用于各种电信环境的无线系统的总和。宽带无线接 入系统主要提供从几米到几十千米范围的本地覆盖。目前的宽带无线接入系统主 要有无线个域网( w p ? h q ，w i r e l e s sp e r s o n a la r e an e t w o r k ) ，包括i e e e ( i n s t i t u t e f o r e l e c t r i c a la n de l e c t r o n i ce n g i n e e r s ，电气与电子工程师协会) 8 0 2 1 5 系列：无线局 域网( w l a n ，w i r e l e s sl o c a l a r e an e t w o r k ) ，包括欧洲的h i p e r l a n 系列和 i e e e 8 0 2 1 1 系列，如8 0 2 1 l a 、8 0 2 1 l b ( w i f i ) 、8 0 2 1 1 9 以及正在制定中的下一代 无线局域网标准8 0 2 1 1 n ；无线区域网( w r a n ，w i r e l e s sr e g i o n a l a r e an e t w o r k ) ，包 括正在制定中的i e e e 8 0 2 2 2 标准；固定宽带无线接入系统，包括i e e e 的无线 城域网( w m a n ，w i r e l e s sm e t r o p o l i t a na r e an e t w o r k ) 8 0 2 16 ( w i m a x ) 系列等【l 】。此 外，i e e e 8 0 2 工作组正在制定支持移动的宽带无线接入标准 i e e e 8 0 2 2 0 ( m o b i l e 。f i ) 【3 】，8 0 2 1 6 e 协议标准也支持高速的移动接入。 随着无线通信技术的不断发展，用户对数据传输速率和多种无线业务的需求 也在不断增加，除了传统的语音业务外，人们期望能以较低的价格和更高的数据 速率获取i n t e r n e t 接入和多媒体服务。此外，以g s m ( g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l e c o m m u n i c a t i o n ) 为代表的第二代蜂窝移动通信系统频谱利用率较低，可利用的无线 电子科技人学硕士学位论文 频谱资源又日趋紧张，无线通信系统在系统容量、网络覆盖、运营成本等方面出 现了一些新的问题和矛盾。上述两个方面的需求不断地推动着新型无线通信技术 的诞生、发展和应用。尤其近几年来，无线数据和移动i n t e m e t 业务需求的持续 增长，使得如何实现高频谱利用率并支持分组业务的高速数据传输成为迫切需要 解决的根本问题，这对未来一代无线通信网络和无线传输技术提出了巨大挑战。 从技术角度看，解决这一问题需要研究全新的无线网络结构和新型的无线传输技 术【l 】【2 】【3 】【5 1 。 在过去十几年里，无线通信中受到较多关注的新兴技术主要有：码分多址 ( c d m * ，c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 、正交频分复用( o f d m , o r t h o g o n a l f r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 、智能天线( s m a r t a n t e n n a ) 、u w b ( u l t r aw i d e b a n d ， 超宽带) 技术、多入多出( m i m o ，m u l t i p l e i n p u tm u l t i p l e o u t p u t ) 技术嘲丌、软件无线 电技术以及认知无线电( c o g n i t i v er a d i o ) 等。在上述的这几种技术中，以m i m o 为 代表的多天线技术在无线通信中的应用显得更为广泛，正扮演着越来越重要的角 色。目前m i m o 技术已经在前述的无线通信的两个主要领域宽带移动通信系 统和宽带无线接入系统中得到了广泛的应用，如3 g 、b 3 g 、i e e e 8 0 2 1 6 和 i e e e 8 0 2 1 l n 等系统【3 】。第3 代移动通信合作计划( 3 g p p ) 已经在标准中加入了 m i m o 技术的相关内容，4 g 系统中也将应用到m i m o 技术。超宽带系统、感知无 线电系统等都在考虑应用m i m o 技术。 在无线通信系统中，m i m o 定义为无线链路的发送端和接收端同时配置多个 天线阵元时构成的一种空时通信结构。m i m o 系统结构如图1 1 所示。m i m o 技 术的核心是空时信号处理，利用在空间中分布的多个天线将时间域和空间域结合 起来进行信号处理。m i m o 技术有效地利用了信道的随机衰落和多径传播来成倍 的提高传输速率，改善传输质量和提高系统容量，能在不额外增加信号带宽的前 提下带来无线通信性能上几个数量级的提高。目前对m i m o 技术的应用主要集中 在以空时编码( s t c ，s p a c e t i m ec o d e s ) 为典型的空间分集( d i v e r s i t y ) 和以 b l a s t ( b e l ll a y e r e ds p a c e t i m ea r c h i t e c t u r e ) ) 白典型的空间复用( m u l t i p l e x i n g ) 两个 方面，文献 8 讨论了分集和复用之间的关系，并提出了如何取得分集与复用最优 折中的一些观点。m i m o 作为未来一代宽带无线通信系统的框架技术，是实现充 分利用空间资源以提高频谱利用率的一个必然途径，基于m i m o 的无线通信理论 和传输技术显示了巨大的潜力和发展前景【3 1 。 但是，要充分在工程上实现m i m o 无线系统的优点，还需要解决很多m i m o 系统的问题，尤其是m i m o 基带系统方面的问题【9 】。 2 第一章绪论 一般通信系统的基带处理系统包括信道均衡的信号处理，调制解调和纠错编 码。m i m o 基带系统也包括用于消除m i m o 系统同信道干扰和符号间干扰的信号 处理，用于实现m i m o 调制的空时编码以及适合m i m o 系统应用的纠错编码等部 分。 调制 编码 映射 数据 图1 - 1m i m o 无线通信系统框图 不同应用环境中的m i m o 系统的设计目标各不相同。有的应用要求尽量高的 传输速率，这需要充分利用m i m o 系统的复用能力；有的应用要求尽量高的传输 可靠性能，这需要充分利用m i m o 系统的分集能力；而另外的应用要求则是合适 的吞吐率和传输延迟性能。 1 2 对流层散射 对流层是大气的最低层部分，从地面算起其高度大约在8 1 8 千米之间( 随地 区的不同而不同) 。其折射指数具有非均匀的空间分布，因而无线电波在其中传播引 起波阵面的偏转，即大气折射效应。在一般的情况下，对流层的温度、压强、湿度都 是随高度的增加而减小，在某些情况下，也可能出现随温度的增加而减小的情况，形 成逆温层。在对流层中，由于上升气流的不均匀性而形成许多涡旋气团，我们称这些 尺寸大小不一的涡旋气团为不均匀介质体，其内部介电常数有着随机的小尺度起伏， 并且与周围空间的介电常数有着微小的差别。当电波投射到这些不均匀体时，就会 在其中产生感应电流，成为一个二次辐射体，将入射的电磁能量向四面八方散射，当 发射的信号穿过这些区域时胄皂量就会被湍流团散射而传到我们看不见的区域，形 成超视距传播。由于湍流运动的不规则性，散射体随机变化，并且它们在电性能上相 互独立，也就是不相干，因而在接收点的场强具有明显的衰落性质。对流层散射信道 是一种变参信道，其特性是不均匀的，使得无线电波产生散射和折射；氧、水和水汽凝 结物对电波具有吸收和散射作用，造成无线电波的衰减：因此对流层的散射信号严 电子科技人学硕士学位论文 重不稳定，无论在时域、频域还是空域上都存在着选择性衰落【1 0 1 【l l 】。 1 3 课题来源与本文主要工作 1 3 1 课题来源 此课题来源于“深圳市通创通信有限公司”，要实现的是基于m i m o 系统的超 视距传输。由上面的叙述知道，在m i m o 系统中存在衰落，对流层有各种散射， 影响通信传输的质量，要保证很高的通信质量，满足不同的需求，就要利用m i m o 系统的分集能力，采用合适的调制解调方式和编译码技术。 1 3 2 本文主要工作 本文研究的调制方式是空时频移键控，纠错码是卷积码。把空时频移键控和 卷积码结合进行了大量的m a t l a b 仿真，分析了主要参数对误比特率的影响。而 后设计了实现流程，用流行的v h d l 语言编写了程序代码，完成了f p g a 实现。 充分利用了s t - f s k 解调算法简单，不需要知道任何信道状态信息，以及卷积码编 码设计简单，维特比译码高效的优点。 1 4 论文结构 第一章绪论，对论文的研究背景和研究意义进行了阐述，指出了课题的来源 以及文论研究的动机和出发点。 第二章m i m o 无线通信系统，阐述了m i m o 无线通信的传播环境，总结了 m i m o 系统中调制方式和纠错编码的研究现状。 第三章空时频移键控原理，详细阐述了s t - f s k 的调制解调原理，分析了其 性能，给出了正交矩阵的设计方法。 第四章卷积码，对卷积编码理论及距离特性作了论述，后详细阐述了维特比 译码算法，对译码性能作了相应的分析。 第五章空时频移键控和卷积码结合的m a t l a b 仿真，建立仿真模型，对二 者结合后的误比特率作了仿真，画出了仿真曲线；还对一些参数影响误比特率的 性能作了仿真，画出了相应的曲线。 第六章s t - f s k 和卷积码结合的f p g a 实现，模块划分，对各模块的实现作 4 第一章绪论 了详细地介绍。先进行纯软件仿真验证，后下载到f p g a 芯片中硬件仿真验证， 得到相应的仿真结果。 第七章总结，对全文进行了总结，说明了以后要做的工作。 5 电子科技大学硕十学位论文 第二章m i m o 无线通信系统 首先介绍了m i m o 系统的传播环境，系统模型，然后综述了m i m o 系统调制 和纠错编码的基本方法。 2 1m i m o 系统的传播环境 无线通信信号从发射天线到接收天线一般都是通过多路径传播的，叫多径传 播。如图2 1 表示。多径传播的原因在于信号传播途中的多次反射和散射。一般的 反射和散射物包括山体，树木，建筑物，车辆等。由于信号传播途中经历不同的 路径，因此具有不同的延迟，不同的衰减，不同的相移和不同的到达角度等。接 收天线接收到发射信号的不同拷贝，因此接收天线的输出是有天线增益加权的多 径信号的和归j 。 多径传播是一种难以描述的复杂现象。通常把多径传播描述为一个空间和时间 上的随机过程。通过大量的现场测量可以了解这种随机过程的统计特性。己经有 丰富的测量结果来描述衰落环境中多径传播的特性。 图2 - 1 多径传播 6 第二章m i m o 无线通信系统 2 1 1 衰落分布 人们通过测量工作发现，在接收和发射天线之间如果没有直射分量或者支配 路径，那么多径信号的衰落幅度用r a y l e i g h 分布来描述【9 1 。r a y l e i g h 分布的概率密 度函数为 厂( x ) = ( 2 1 ) 其中p 是这个分布的参数。x 为接收信号的幅度的包络。 另一方面，在接收和发射天线之间如果有直射分量或者支配路径，该路径信 号强度比其他路径的信号强得多，那么接收到的多径信号的衰落幅度用r i c i a n 分布来描述。r i c i a n 分布的概率密度函数为 饰，：取等) 唧( - 譬卜 协2 ， 【0 其它 其中 厶 ) = i 了e x p ( x c o s 0 ) d 9 是第一类零阶b e s s d 函数。i i 为直射分量或者支配路径的幅度值。图2 - 2 给出了 在不同参数下的分布函数曲线，在u = 0 时为r a y l e i g h 分布。 2 1 2 延迟扩展 如前所述，多径传播已导致接收天线接收到发射信号的不同拷贝，这些拷贝 具有不同的时延。如果在多径传播环境中发射一个窄脉冲，由于多径的影响，不 同延迟和衰减的拷贝会到达接收天线，导致接收信号变为一个更宽的脉冲。这就 是延迟扩展。延迟扩展的影响对不同的信道环境和不同的信号宽度是不同的，因 此有必要将延迟扩展对信号的劣化影响加以量化。 对延迟扩展的描述可以采用功率延迟益线。测量功率延迟曲线的时候，在不 7 o ，j 加 沱 疵 其 ， 户一p 一 0 ，、 p xe x p 电子科技大学硕+ 学位论文 同的地点，先发射一个窄脉冲，然后测量得到的延迟信号功率作为延迟的函数。 这种测量通过空间和时间平均后即得到延迟函数。 图2 - 2 多径传播的分布，u = o 为r a y l e i g h ，其他为r i c a n s p 。( x ) ：l e x p ( i x ) 石0 t p e x p ( - ( 2 3 ) 见( x ) ： i ) 石之 ( 2 3 ) l 0 其它 功率延迟曲线的二阶中心矩，也叫均方根延迟扩展，可以作为多径传播劣化 影响的量化表示。在室内环境中，均方根延迟扩展一般为1 0 1 0 0 n s 。而在室外环 境中均方根延迟扩展一般有1 5 5 u s 。图2 3 是功率延迟分布曲线，其中t 为延迟 时间，s 为大于零的参数，功率延迟函数与t 的关系为( 2 3 ) 的指数关系。 在无线通信系统中，延迟扩展对信号的劣化程度依赖于均方根延迟扩展和发 射信号的调制输出信号的符号周期。 2 1 3d o p p l e r 扩展 当一个单频正弦波在一个没有多径效应的环境中传播时，接收天线和发射天 第二章m i m o 无线通信系统 图2 - 3 延迟扩展( 单位微秒) 线的相互运动会导致接收信号的频率变化。这个频率变化叫做d o p p l e r 频率移动【9 】。 表示d o p p l e r 频率移动的d o p p l e r 谱有如下的表示形式： s ( 力= ( 2 4 ) 其中z 为发射波频率，厶为最大d o p p l e r 频率移动，k 为比例因子。d o p p l e r 谱 如图2 - 4 表示。 2 2m z m o 系统模型 基于前面关于哀落传播环境的讨论，可以建立m i l v l o 系统的信道模型。图2 5 是这个模型的表示【9 】。 图2 5 所示的空时系统模型，其中x 为来自调制器的信号。这里各个调制器 可以是m p s k ，或者q a m 等调制。然后信号经m i m o 的天线系统发射。信号经 过有散射媒质构成的衰落信道后到达接收天线。接收端的天线接收到信号，这样 的空时系统模型可以由如下方程表示： 9 电子科技大学硕+ 学位论文 s ( o k f e - r e - f m a xf c胁a x f 图2 - 4 多普勒频谱 y ( f ) = p ( f ) x ( f 一彳) d f 其中通道参数矩阵h 为一个复数矩阵，它包括幅度和相位的变化。 小写字母表示m i m o 系统的直接收发信号。 噪声信道中m i m o 系统的离散化形式可以表示为： 工 灭f ) = 马x ( 卜) + 町 l = l 其中 ( 2 5 ) ( 2 5 ) 中黑体 ( 2 6 ) y ( f ) = 【y 。( f ) ，y 2 0 ) ，y o ) 】7 x ( f ) = 五( f ) ，x 2 ( t ) ，( f ) r 日( f ) ：壹局万( 叶) 2 - 7 日( f ) c m 。 1 0 第二章m i m o 无线通信系统 x ，l x x m i p , + ： ， hj y l y2 ； ： y n 图2 - 5m i m o 系统的信道模型 h ，= 础硝 础础 蟛：蟛： 其中7 ( f ) = 叩，( f ) ，r 2 ( t ) ，r n ( t ) r 是信道噪声。 2 3m i m o 系统的研究现状 2 3 1m i m o 系统的调制技术 ( 2 8 ) 2 3 1 1b l a s t 编码方法 b l a s t 系统是b e l l 实验室提出的一种m i m o 传输体制【9 1 。如果s l ，e e e 9s n 是待发射信号序列，那么对于一个2 2 的m i m o 系统，b l a s t 空时编码方法是将 发射的信号按时间和空间排列为： 墨s 2 ( 2 - 9 ) l 足j 。j o材dn w础端；榴 屯子科技人学硕七学位论文 其中s 2 ，s 3 由天线1 发射，s 4 ，s l 由天线2 发射。 b l a s t 方法的特点在于系统传输效率很高。可以看到多天线在一个时刻能发 射多个符号，从而提高了信道容量。b l a s t 方法的特点在于系统传输效率很高， 但是它的鲁棒性能不好，如出现干扰出现误码，则很难恢复。 2 3 1 2l d c 编码方法 如果s l ，s n 是待发射信号序列，那么l d c 的编码方法是 配，如) = ( + d f 墨) ( 2 - 1 0 ) 其中c i ，d i 是两个l d c 编码矩阵。 可以看出每时刻发射的信号包含了多个发射信号的和，因此如有个时刻信号 被干扰，可从其他时刻恢复，同时发射的信号是从多个天线发出，一定程度上提 高了容量。 文献 9 】提出了一种线性正交弥散编码方法( o l d c ) ，该方法既用了线性弥散码 的特点，得到了传输容量和鲁棒性能的折衷，而且可根据实际的要求，灵活地改 变，同时又利用了正交空时编码的特点，提出用遗传算法得到它的编码矩阵。 2 3 1 3a l a m o u t i 编码方法 a l a m o u t i 系统是鲁棒性能较好的一种m i m o 传输体制【1 2 1 。如果s l ，e et s n 是待发射信号序列，那么a l a m o u t i 空时编码方法为 曼妥 协 其中s l ，s 2 由天线l 发射，s 2 + ，s l * 由天线2 发射。 a l a m o u t i 方法并没有提高信道容量，因此系统传输效率不高，但是它的鲁 棒性能好，能有较强的抗干扰能力。 2 3 1 4 正交空时编码( o s t b c ) 方法 正交设计空时编码是利用正交设计方法设计的矩阵对待发射序列 s = s l ，s 】进行编码【1 3 1 ， x = b s( 2 1 2 ) o s t b c 的传输方法为： 第二章m i m o 无线通信系统 y = h x + q o s t b c 的编码方法中，编码矩阵需要满足： b b = i ( 2 。1 3 ) ( 2 1 4 ) o s t b c 编码的信号检测方法为在接收端信号用正交矩阵b 和接受信号相乘，求其 迹得到： d = t r ( b + h + y ) = t r ( n + h b b + ) x + t r ( b + h + m ( 2 1 5 ) 正交空时编码的设计需要比较高的技巧。而且已经证明，某些情况下，正交 空时编码方法是不存在的。 2 3 2m z m 0 系统的纠错码 m i m o 系统的纠错控制码可以采用级联码方案，外码采用r e e o s o l o m o n ( r s ) 码等循环码，内码采用卷积码，t u r b o 码等二进制码【9 1 。 卷积码的译码方法通常采用v i t e r b i 译码方法，这种方法在实现时由于需要处 理状态网格，因此它的复杂性能是随着码字长度的而迅速增加。v i t e r b i 译码方法 由于其复杂性致使卷积码在高速应用中受到限制。但是，v i t e r b i 译码算法简单， 易于设计实现，所以在无线通信的很多领域得到了广泛的应用。卷积码广泛应用 到无线通信标准中，如g s m 、c d m a 2 0 0 0 、i s 9 5 等。 t u r b o 码由于具有比较好的误码性能，从提出伊始就得到大量关注【1 4 】。但是， t u r b o 码的理论研究工作难以取得突破，人们不能了解t u r b o 码的距离特性，因此 也就不能了解t u r b o 码在各种环境下的性能劣化情况。最好的性能分析是由 b e n e d e t t o 等人以码重量多项式为手段，在无码率调整情况下，给定分量码在各种交 织下的平均性能限。同时，由于t u r b o 码的译码采用递归b c j r 算法等概率译码方 法，因此难以实现高速译码器。 低密度码( l d p c l o w d e n s i t yp a r i t y - c h e c kb l o c kc o d e s ) 是r g a l l a g e r 在他的博 士论文中提出的一种性能接近香农( s h a l l i l o n ) 限的好码。这种码可以利用稀疏随机 二部图方便地加以表示。r g a u a g e r 证明，低密度码的码距随着码字长度的增加而 增加。同时，r g a l l a g e r 还提出了一种迭代译码方法。基于迭代译码的低密度码可 以以比较小的复杂度获得误码性能非常优良的高数据速率。但是由于需要的存储 1 3 电子科技大学硕士学位论文 容量比较大，在当时的技术条件下，低密度码并没有获得足够的关注和发展。在 很长的一段时间里，l d p c 码并未受到人们的重视直到1 9 9 3 年，b e 玎o u 等提出了 t u r b o 码后，人们研究发现t u r b o 码其实就是一种l d p c 码，l d p c 码又重新引起 了人们的研究兴趣。1 9 9 5 年，m a c k a y 重新研究了低密度码，并发展了低密度码的 概率传播译码方法一和积算法( s u m p r o d u c ta l g o r i t h m ) 。同时，人们发现l d p c 其 实与t u r b o 码性能非常接近，而且译码思想也相当接近。低密度码的问题在于它的 译码延迟非常大，这个特点一定程度上限制了l d p c 的广泛应用。 2 4 本章小结 本章介绍了m i m o 系统的传播环境、系统模型，综述了m i m o 系统的调制及 纠错码研究现状。 1 4 第三章空时频移键控原理 第三章空时频移键控原理 在功率受限的通信中，f s k 是常用的调制方式。在军事和卫星通信中，f s k 和正交调制结合来应用，以降低一定的频谱效率为代价。s t - f s k 在接收和发射端， 都不需要任何的信道状态信息，和传统的f s k 一样。s t - f s k 调制是一种特殊的酉 空时调制方式。和酉空时调制相比，s t - f s k 又有一定的优点。s f s k 设计简单， 而酉空时调制需要繁琐的数学搜索过程。s t - f s k 还有简单的解码特性。对于两发 射天线，s t - f s k 能实现全分集，酉空时调制设计需要一定的搜索标准。s t - f s k 既可应用于数字域，也可应用于模拟域。当然，这些优点是建立在降低一定谱效 率基础之上的f ”】。 本章要用到的符号定义：( y 。为矩阵的转置，( ) 爿为矩阵的共轭转置，( ) 为取 共轭，固为k r o n e c k e r 积，| 1 1 l 是f r o b e n i u s 范数，【a 】表示矩阵的第( m ，1 ) 个元素， 肛】，表示列矢量k 的第p 个元素，k x 表示n 阶单位矩阵。 3 1s t f s k 调制 假设发射机有m 根发射天线，输入二进制比特流作k 进制变换得到符号序列 和) ，c o ，l ，k 一1 ) 。串并变换后，把每p 个符号作为一组进行f s k 波形基映射， 假设等效低通表示【1 5 】1 刀【1 8 】： f k _ 【1 ，e j 2 z k l k , , e 7 2 础卜1 膳】f ，后 o ，1 ，k - 1 ) ( 3 1 ) 贝 、4 。4 - 足映射关系c f = 后j 五，即c = c l ，c 2 ，勺) 专 彳。】。，石。】2 ，f 【c j , ) 。找到p 肘 维实正交矩阵集 a ， 二。，满足a 尸= i 材，a ；a p ，= 一a r a ，p p ，构造发送矩阵 集合： x = x 。) ，x 。= a ，p ( 3 2 ) 芦= l 其中0 表示i ( r o n e c k e r 积。x 。是一个z m 维矩阵，且r = p k 。使用相同的f s k 波形，s t f s k 的速率和传统的f s k 是一样的。定义速率r 是每个符号占有的比特数， 1 5 电子科技人学硕+ 学位论文 我们得到 r = l o g ：( 1 a 纠) t = l o g ：( k p ) ( k p ) = l o g ：( k ) i k ( 3 3 ) 每发送信号矩阵中发出p 个f s k 波形数，对于全速率实数正交设计有m = 2 时， p = 2 ，k = 2 ，t = 4 。对m = 4 ，8 ，p = 4 ，8 ，k = 2 ，t = 8 ，1 6 时，r = 1 2 。 基带数字调制原理图如图3 1 。 器雪 3 2s t - f s k 解调 c l 。 向l ，旷 ，7 a 。 一x l t u 8 并 c 2 ， 向，p x = f s k 波形基 变换 映射 l 如 ) 如 -_ c p 百- 图3 - 1s t - f s k 基带信号数字调制模块 x 1 x 2 假设信道在连续p 个符号内表现为平坦衰落特性，且