基于matlab的MIMO通信系统

1、-. z.- - - z -邮电大学实验报告基于Matlab的MIMO通信系统仿真目录 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc392119944 一、概述 PAGEREF _Toc392119944 h 3HYPERLINK l _Toc392119945 1.1课程设计目标： PAGEREF _Toc392119945 h 3HYPERLINK l _Toc392119946 1.2数字通信系统概述 PAGEREF _Toc392119946 h 3HYPERLINK l _Toc392119947 二、根本原理 PAGEREF _Toc392119947 h 3H

2、YPERLINK l _Toc392119948 三、仿真设计 PAGEREF _Toc392119948 h 3HYPERLINK l _Toc392119949 3.1流程图 PAGEREF _Toc392119949 h 1HYPERLINK l _Toc392119950 3.2主要模块 PAGEREF _Toc392119950 h 3HYPERLINK l _Toc392119951 3.3主要参数 PAGEREF _Toc392119951 h 3HYPERLINK l _Toc392119952 四、程序块设计 PAGEREF _Toc392119952 h 3HYPERLIN

3、K l _Toc392119953 4.1构造性和关键语句 PAGEREF _Toc392119953 h 3HYPERLINK l _Toc392119954 4.2状态检验 PAGEREF _Toc392119954 h 3HYPERLINK l _Toc392119955 4.3性能测试 PAGEREF _Toc392119955 h 3HYPERLINK l _Toc392119956 五、误码性能 PAGEREF _Toc392119956 h 3HYPERLINK l _Toc392119957 六、仿真结果与分析 PAGEREF _Toc392119957 h 3HYPERLIN

4、K l _Toc392119958 七、重点研究的问题 PAGEREF _Toc392119958 h 3HYPERLINK l _Toc392119959 八、结论 PAGEREF _Toc392119959 h 3HYPERLINK l _Toc392119960 九、参考文献 PAGEREF _Toc392119960 h 3概述1.1课程设计目标：1了解移动通信关键技术2了解数字通信系统仿真流程3学会用Matlab实现根本的信道编译码、调制解调等通信模块4学习并实现MIMO空时处理技术5学习和掌握性能分析的思路和方法。1.2数字通信系统概述信道中传输的是数字信号的通信方式称为数字通信，

5、它包括将基带数字信号直接送往信道传输的数字基带传输和经载波调制后在送往信道传输的数字载波传输。对应的通信系统称为数字通信系统。具体的通信流程如上图所示。对于本次实验中需要完成的MIMO通信系统，流程相应为：产生信源，而后利用卷积码进展信道编码，调制方式使用QPSK调制，再将其通过双天线传输后通过白高斯噪声信道，传播后利用ML进展判决，译码方式采用维特比译码，最终得到传输后的数据。二、根本原理2.1MIMO概述及原理MIMO 表示多输入多输出。在第四代移动通信技术标准中被广泛采用，例如IEEE 802.16e (Wima*)，长期演进(LTE)。在新一代无线局域网(WLAN)标准中，通常用于 I

6、EEE 802.11n，但也可以用于其他 802.11 技术。MIMO 有时被称作空间分集，因为它使用多空间通道传送和接收数据。只有站点移动设备或接入点AP支持 MIMO 时才能部署 MIMO。MIMO 技术的应用，使空间成为一种可以用于提高性能的资源，并能够增加无线系统的覆盖围。MIMO 允许多个天线同时发送和接收多个空间流，并能够区分发往或来自不同空间方位的信号。多天线系统的应用，使得多达 min(Nt,Nr)的并行数据流可以同时传送。同时，在发送端或接收端采用多天线，可以显著克制信道的衰落，降低误码率。利用MIMO技术可以提高信道的容量，同时也可以提高信道的可靠性，降低误码率。前者是利用

7、MIMO信道提供的空间复用增益，后者是利用MIMO信道提供的空间分集增益。实现空间复用增益的算法主要有贝尔实验室的BLAST算法、ZF算法、MMSE算法、ML算法。目前MIMO技术领域另一个研究热点就是空时编码。常见的空时码有空时块码、空时格码。空时码的主要思想是利用空间和时间上的编码实现一定的空间分集和时间分集，从而降低信道误码率。2.2MIMO信道模型nT发送天线，nR接收天线信道矩阵：接收信号：即接收信号为信道衰落系数发射信号+接收端噪声MIMO模型中有一个空时编码器，同时含有有多根天线，其系统模型和上述MIMO系统理论一致。一般来说，移动终端所支持的天线数目总是比基站端要少所以发送天线

8、的数目要大于接收天线。2.3分集与复用根据各根天线上发送信息的差异，MIMO可以分为发射分集技术和空间复用技术。发射分集：在不同的天线上发射包含同样信息的信号(信号的具体形式不一定完全一样)，到达空间分集的效果，起到抗衰落的作用典型代表：空时块码STBC空间复用：在不同的天线上发射不同的信息，获得空间复用增益，从而大大提高系统的容量和频谱利用率典型代表：分层空时码。空时块码STBCAlamouti提出了采用两个发射天线和一个接收天线的系统可以得到采用一个发射天线两个接收天线系统同样的分集增益。将每k个输入字符映射为一个矩阵，矩阵的每行对应在p个不同的时间间隔里不同天线上所发送的符号。2*2举例

9、：单天线接收，用表示第1,2个发射符号间隔接收天线的接收信号：采用最优极大似然译码可得：为了要满足各根天线上发送数据的正交，它的编码矩阵需要满足如下条件多天线接收，发送端的编码与传输方案和单接收天线系统一样。只是在接收端的处理变得复杂，需要对不同接收天线上接收到的信号进展合并处理。多接收天线下的判决度量可以通过把各副接收天线上的承受信号得到的判决度量线性合并得到。判决式如下：分层空时码BLAST空时编码利用多天线组成的天线阵同时发送和接收。在发送端，将数据流别离成多个支流，对每个支流进展空时处理和信号设计(空时编码)，然后通过不同天线同时发送；在接收端，利用天线阵接收，并经过空时处理和空时码解

10、码，复原成发送数据流。串并变换信道编码器1信道编码器2空时编码调制器1调制器2天线1天线n图1 分层空时码的发射端系统模型在接收端，用多个天线分集接收，信道参数通过信道估计获得，由线性判决反应均衡器实现分层判决反应干扰抵消，然后进展分层空时译码，单个信道译码器完成信道译码，分层空时码接收端系统框图如下列图所示：信道估计线性判决反应均衡器空时译码信道译码天线1天线2三、仿真设计开场3.1流程图初始化各项参数产生信源信道编码采用卷积码进展QPSK调制STBC双天线发送通过高斯白噪声信道单/多天线接收ML准则进展判决维特比译码进展解调完毕3.2主要模块信源产生要求：产生独立等概的二进制信源实现：ma

11、tlab自带函数 randint()一个信源产生N/2个0,1随机等概数据S1=randint(1,N/2);S2=randint(1,N/2);信道编码方式：卷积码卷积纠错编码函数convenc()格式：code=convenc(msg, trellis)功能：利用poly2trellis函数定义的格形trellis 构造，对二进制矢量信息msg进展卷积编码。将卷积编码多项式转换成格形(trellis)构造函数poly2trellis()格式：trellis = poly2trellis(constrainlength, codegenerator)功能：将前向反应卷积编码器的多项式转换成一

12、格形(trellis)构造。Viterbi 算法译卷积码函数vitdec()格式：decoded = vitdec(code,trellis,tblen,opmode,dectype)功能：利用Viterbi 算法译卷积码。Code为poly2trellis函数或istrellis函数定义的格形trellis构造的卷积码。参数tblen 取正整数，表示记忆(traceback)深度。参数opmode代表解码操作模型。调制与解调根本要求QPSK：在数字信号的调制方式，QPSK四相移键控是目前最常用的一种卫星数字信号调制方式,它具有较高的频谱利用率、较强的抗干扰性、在电路上实现也较为简单。QPSK

13、是在M=4时的调相技术，它规定了四种载波相位，分别为45，135，225，315，调制器输入的数据是二进制数字序列，为了能和四进制的载波相位配合起来，则需要把二进制数据变换为四进制数据，这就是说需要把二进制数字序列中每两个比特分成一组，共有四种组合，即00，01，10，11，其中每一组称为双比特码元。每一个双比特码元是由两位二进制信息比特组成，它们分别代表四进制四个符号中的一个符号。QPSK中每次调制可传输2个信息比特，这些信息比特是通过载波的四种相位来传递的。解调器根据星座图及接收到的载波信号的相位来判断发送端发送的信息比特。实现方法：调制：Matlab自带函数 reshape 以及自定义s

14、tar()利用星座点调制解调：Matlab自带函数 reshape 以及ML思想解调，过程中使用min()函数提高要求16QAM：16QAM 是用两路独立的正交 4ASK 信号叠加而成，4ASK 是用多电平信号去键控载波而得到的信号。它是 2ASK 体制的推广，和 2ASK 相比，这种体制的优点在于信息传输速率高。串/并变换器将速率为Rb的二进制码元序列分为两路,速率为Rb/2.2-4电平变换为Rb/2 的二进制码元序列变成4 个电平信号,4 电平信号与正交载波相乘,完成正交调制,两路信号叠加后产生 16QAM信号.在两路速率为Rb/2 的二进制码元序列中,经 2-4 电平变换器输出为 4 电

15、平信号,即M=16.经 4 电平正交幅度调制和叠加后,输出 16 个信号状态,即 16QAM.实现方法：调制：Matlab自带函数 reshape 以及star()用星座点进展调制解调：Matlab自带函数 reshape 以及ML思想解调，过程中使用min()函数3.2.4 空时分组码发送与接收两发一收：两发两收： (1) (2)实现：Matlab自带conj()与.*信道加性高斯白噪声 AWGN(Additive White Gaussian Noise)是最根本的噪声与干扰模型。加性噪声：叠加在信号上的一种噪声，通常记为n(t)，而且无论有无信号，噪声n(t)都是始终存在的。因此通常称它

16、为加性噪声或者加性干扰。白噪声：噪声的功率谱密度在所有的频率上均为一常数，则称这样的噪声为白噪声。如果白噪声取值的概率分布服从高斯分布，则称这样的噪声为高斯白噪声。实现：Matlab自带函数 randn()3.3主要参数PACKET=10; %数据包个数N=2560*4; %包长SNR_dB=0:2:30; %信噪比围030，图中横坐标间隔为2tblen=30; %卷积码记忆深度，存放器的35倍最正确，选择30四、程序块设计4.1构造性和关键语句信源产生ppt中建议使用randsrc()函数，但由于randsrc()产生的信源序列是+1和-1的序列，而进展卷积码编码时输入编码器的序列必须是单极

17、性不归零序列，所以要将序列中的-1修改为0.于是我采用了randi()函数，直接可以产生随机且等概的0,1序列。S1=randi(1,N/2); %产生第1组信号，长度为N/2S2=randi(1,N/2); %产生第2组信号，长度为N/2信道编码卷积码codegen=557 663 711; %8进制表示存放器状态trellis=poly2trellis(constlen,codegen); %转换为格行构造for bag=1:PACKETS1=randi (1,N/2); %产生随机信号1S2=randi (1,N/2); %产生随机信号2S=S1 S2;SJ_1=convenc(S1,t

18、rellis); %对1进展卷积编码SJ_2=convenc(S2,trellis); %对2进展卷积编码根据图可得，有9个移位存放器，1个输入和3个输出。将编码器的3个冲激响应写成二进制序列，最后转化成八进制，最后得到的结果为557，663，711，为八进制的表示形式。维特比译码直接利用公式vitdec()即可冗余校验能被g(*)整除即判断为无错，否则产生错误选取g(*)=1+*5+*12+*16加冗余过程：检查过程调制与解调QPSK星座图与调制QPSK 解调16QAM星座图16QAM调制16QAM解调瑞利信道信道中的信号根据瑞利信道衰减参数，加之公式可得两根天线在两个符号周期在信道中的总信

19、号rij(包括高斯噪声)误比特率的计算利用matlab自带 biterr函数Biterr()用于比拟两组标量序列中不同位数的个数用个数与总位数相除记得到本次循环中的误比特率因为根据不同的系统可能需要屡次循环，故而要对每次循环中的误比特率进展求和并与总循环次数相除，等到真正的误比特率。4.2状态检验每路信源产生N/2=5120个数据经过卷积编码后生成15360个数据因为有三路输出即15360=5120*3个数据QPSK星座图即坐标数据16QAM星座图数据格雷码顺序排列经过QPSK后生成每路信号7680个数据因为QPSK将每路信号分成两路后调制即7680=15360/2个数据经过16QAM后生成每

20、路信号3840个数据因为16QAM将每路信号分成四路后调制即3840=15360/4个数据经过两发两收的QPSK信号调制后产生的信号每路7680个数据与发送前一样两发两收未编码情况每路产生2560个数据经过两发一收的QPSK信号调制后产生的信号每路7680个数据经过两发两收的16QAM信号调制后产生的信号每路3840个数据与发送前一样经过两发一收的16QAM信号调制后产生的信号每路3840个数据解调2发2收QPSK后产生序列15360个经过维特比译码后2发2收产生序列5120个已恢复为0，1序列4.3性能测试当采用packet=10时，每包长2460*4共98400个数据耗时：34s较为快捷，

21、可见代码性能较优此时参加冗余校验，速度大大下降耗时：845 约是不添加冗余校验的17倍且由于在此系统中冗余校验无法实现其功能，即实际纠错故而认为冗余校验用处不大增加包长，不参加冗余校验packet=50, 每包长为依然为2460*4共492000个数据耗时244且两幅图得到的误比特率图线无明显差异，相较之下选择包长为10进展仿真.五、误码性能包长为packet=10时，数据共有98400个此时得到的曲线与packet=50,数据增加5倍即492000个数据时的在QPSK下误码率图线无明显差异,细微来看，packet=50稍平滑一些5.1Packet=10,tblen=305.2packet=5

22、0当包长都取10时，改变卷积码的记忆深度。查取资料可知，卷积码的记忆深度为存放器个数的35倍时性能最正确。本次仿真中因为存放器个数为8个，所以记忆深度在2440中选取比拟适宜。于是我选取30作为常态。比拟大的记忆深度50和比拟小的记忆深度3来画图比拟，从中可以看出，记忆深度较小=3时，未编码曲线较为光滑记忆深度增大=30,=50,编码更为曲线光滑5.3 packet=10 tblen=505.4 packet=10 tblen=3六、仿真结果与分析5.1QPSK情况下误码率图线我选取了三个状态的误比特率来进展分析分别是2发2收的卷积编码BER图线2发1收的卷积编码BER图线以及未进展卷积编码直

23、接调制的BER图线。首先我们2发2收的性能优于2发1收，观察图线，2发2收图线一直在2发1收图线之下，即一样信噪比时，2发2收的误比特率小于2发1收，正确。对于未进展卷积编码的图线与进展编码的图线相比，在信噪比拟小的时候约小于10db未编码信号的误比特率比2发1收的进展QPSK的信号误比特率低，因为本次仿真中的误比特率是经过逐次取平均，扩大围继续平均，数据准确，于是可以得到信噪比小的时候，收发方式对误比特率影响较大。而当超过10db时，未进展卷积码的信号误比特率远远高于经过编码的信号，可见在信噪比大时，编码对通信系统性能的影响更大。5.2 16QAM误码率图线16QAm局部选取2发2收及2发1

24、收的误比特率进展分析。可见在信噪比约为15dB以下时，两条曲线几乎交叠在一起，误比特率相当，然而当信噪比大于15dB时，2发2收误比特率大于2发1收的情况。不符合常理，有待解决。七、重点研究的问题5.1、QPSK与16QAM的调制最开场也考虑过使用matlab直接提供的函数pskmod(),qammod()和相应的解调函数来进展QPSK及16QAM的调制与解调。但因为学习过通信原理，理解了调制的本质实际就是映射，将一维标量映射到QPSK的单位圆及16QAM的星座点上。所以我采用了自己设计调制与解调的函数。其实实施起来也很简单。首先定义QPSK及16QAM的星座点。我采用了这种在通信原理中因为错

25、到相邻符号概率小而性能较好的方式，只用直接定义4个点的位置就完成了。16QAM也很简单，同样采用通信原理中较为推荐的格雷码方式排序星座点，用循环的方式定义星座点，以期获得较低的误符号率。之后进展串并变化后，把数据分别变为2行和4行，一列看为一个符号，转换为10进制数字后+1得到在星座点中的序列位置，就完成了调制。5.2、QPSK与16QAM的解调完成了调制，解调的思想也比拟简单。最根底的先要应用ML准则，即找到离当前位置最近的星座点，记录它的位置，再回到回复序列中找到相应序号对应的2或4位数据，再次使用reshape即可恢复为原信号。5.3、瑞利信道中的发送与接收弹性要求中有瑞利信道这一项，所

26、以我查阅了相关资料后了解到，只要定义好锐利信道的参数h0h3,后就能利用书中的公式，将两根天线上相邻时刻到达的信号与瑞利信道系数想乘，就可以得到天线的发射信号，再加上随机噪声sgma.*2*(randn(1,len)+j*randn(1,len)，便得到了信道中的总函数。译码局部比起发送要复杂一些。发送的时候有相应的公式，直接就可以得到，而对于译码，则需要理解两发两收和一收进展的含义，才能写出相应的算法。两发两收交两发一收复杂，但在理解了具体实现的根底上，需要我们用已有的简单的数学知识如负数的共轭计算，算式相消技巧，最终将收端得到的信号恢复为原信号。5.4、冗余校验在本学期的信息处理与编码与编

27、码课中，作为课余知识简单的了解了CRC冗余校验的实现。即与给定的g(*)相除，整除可认为无过失。根据一篇论文尝试编写了冗余校验的程序，虽然程序实现并不太难，但却给程序造成了极大的冗余。在调制前要给两路信号添加冗余，解调译码后要对相应的8个结果解校验。于是程序的运行时间平均提高了近20倍。在之后的调试代码过程中一直将冗余校验注释掉，以免浪费过多的时间。5.5、误比特率的计算比起通信原理中误比特率的计算需要很长的公式，开根乘方不同，在matlab中只要使用简单的biterr函数即可完成。它指示了两个数组中不同比特数的个数也可用异或实现，再与序列总长度相比，很方便的就能得出误比特率。唯一需要注意的是

28、本次仿真中数据量庞大，嵌套着循环，每进展一次发送接收都要计算出本次的误比特率，再加和求平均，便能得到较为可靠的误比特率值。八、结论通过两个星期的课程设计，我完成了MIMO通信系统的QPSK、16QAM调制，拥有循环冗余校验，通过瑞利衰减信道，最终成功传输解调的整个过程。对于MIMO通信系统，最初我们只是在移动通信课上有所了解，但对于它的整个实现流程实际上是陌生的。在第一节教师的指导课上，除了移动通信课程上涉及的MIMO、通信原理上涉及到了QPSK和16QAM调制方式，甚至于弹性要求中在信息处理与编码中涉及的冗余校验以及并未完全理解的瑞利信道的相关容。一次课程设计几乎涵盖了大三所学习的主要课程的最核心容，让我在第一天就很感兴趣。当然，同时也我也面临无从下手的困境，毫无头绪。所幸Matlab在这一个学期的通信网性能根底实验中有了不小的进步，我可以掌握分模块变成的方法，便根据教师给出的根本流程图，一步步拆解，产生信源、调制、解调、最终完成两发两收，在这个过程中，我对基于MATLAB的MIMO通信系统仿真有了比拟深刻的认识。MIMO的优点是能够增加无线围并提高性能。MIMO允许多个天线同时发送和接收多个空间流。它允许天线同时传送和接收。利用MIMO技术可以提高信道的容量，同时也可以提高