多天线实验指导书

实验十二多天线一、实验目标本实验主要是利用LabVIEW软件和USRP硬件来搭建2x2多输入多输出(MIMO)系统。通过对多天线收发原理的掌握，编写出空时分组编码（STBC）的编解码程序，实现视频和图片的传输，从而加深对多天线技术相关内容的理解以及通信过程中的符号同步、帧同步、载波同步和信道估计等技术的认识。二、实验介绍多输入多输出(MIMO)技术是无线通信领域的重大突破，它利用空间中增加的无线传输信道，在发送端和接收端采用多天线同时收发信号。由于各发射天线同时发送的信号占用同一个频带，所以并未增加带宽，因而能够成倍的提高系统的容量和频谱利用率。多输入和多输出既可以来自于多个数据流，也可以来自于一个数据流的多个版本，因此各种多天线技术都可以算作MIMO技术，如图1所示。图1MIMO技术分类1、STBC编码空时编码技术是一种建立在MIMO技术的基础上来提高系统性能的编码技术，最早源于Alamouti提出的基于两发射天线的空时发射分集方案，其实质上是将同一信息经过正交编码后从多根天线上发射出去，所形成的多路信号由于具有正交性，因此接收端就能够将这些多路独立的信号区分出来，只需要做简单的线性合并就可以得到满分集增益。假设发送两个符号，，将其按（1）方式编码，经编码后的符号分别从两根天线上发送出去：在第一个发射周期里，分别从第一根天线和第二根天线上同时发送符号，；在第二个发射周期中，从第一根天线和第二根天线上同时发送符号，，。也就是说，x的第一列表示第一时刻从不同天线发送出去的信号，x的第一行表示从第一根天线在不同时刻发送出去的信号，依次类推。（1）2、STBC接收本实验的空时分组译码方案是利用最大比值合并接收方法进行空时分组译码，其原理是：假设天线端发送的数据a,b；经过空时分组编码后为：（2）假设估计出的信道参数矩阵为：（3）表示第i根接收天线收到第j根发送天线数据的传输信道参数。则接收到的数据为：（4）对估计出的信道参数以及接收的信号进行处理：（5）对接收数组r精心处理，令（6）则解调后的信号y：（7）令（8）则完成最大比值合并接收，解调出a,b.三、实验任务依据实验介绍中的空时分组编解码理论知识，编写出空时分组编码和空时分组译码程序，即完成“STU_STBC编码.vi”和“STU_STBC译码接收.vi”两个程序，实现多天线的视频和图像传输。1、完成“STU_STBC编码.vi”“STU_STBC编码.vi”的功能为输入一个数据包的一维数组，输出经过空时分组编码映射到两根天线的二维数组。该程序的输入输出模型如图2所示：图2STU_STBC编码vi输入输出模型当你编写完编码程序后，可以进行如下验证试验：输入四个QPSK符号“0.707+0.707i，0.707-0.707i，-0.707-0.707i，-0.707+0.707i”，若输出数组如图3所示，那么就说明你所编写的“STU_STBC编码.vi”正确，否则不然。图3STU_STBC编码vi验证输出2、完成“STU_STBC译码接收.vi”“STU_STBC译码接收.vi”该程序的模型如图4所示：图4最大比值合并接收进行空时分组译码程序输入输出模型当你编写完译码接收程序后，可以进行如下验证试验：假设信道参数“h11=0.8+0.6i，h12=0.7+0.8i，h21=0.8+0.7i，h22=0.9+0.8i”，两根天线接收到的信号值如下所示：经过STBC译码接收，若输出数组如图5所示，那么就说明你所编写的“STU_STBC译码接收.vi”正确，否则不然。图5STU_STBC译码接收vi验证输出3、完成MIMO实验本实验总原理图如图6所示：图6多天线视频传输实验原理图发送部分本实验的发送端主程序为“MIMOTX.vi”，在此程序中，首先利用LabVIEW的IMAQdx模块获取摄像头图像，并将图像信息转换成字符串数组，然后将字符串数组转换成为有符号8位整数（-128~127）数组，通过子程序“subvi_有符号8位数转01比特.vi”，有符号8位整数数组转换为比特数组，这就完成了比特生成。在子程序“subvi_数据包生成.vi”中，根据设定的数据包大小，生成的信息比特被切割成若干个数据包，如图7所示。我们可以发现，每个数据包由五个部分组成，数据包保护头38bits、数据包头16bits、每包比特数（即数据包大小）16bits、信息比特、数据包保护尾200bits。其结构图如图8所示。数据包保护头主要用于完成接收端比特同步，数据包头包含该数据包的编号以及总数据包大小，每包比特数包含该数据包中信息比特的大小，信息比特中包含该数据包传输的信息比特，数据包保护尾用于保护末尾信息比特，防止在通过成型滤波器时尾部数据丢失。图7数据包生成程序框图图8数据包结构图生成后的数据包将依次通过子程序“subvi_8PSK调制.vi”进行基带调制，本实验设定的调制方式为8PSK,有兴趣的同学可以尝试编写别的调制方式来替代。经过基带调制后的符号将被映射到两根发送天线上，在这里，我们采用你所编写的子程序“STU_STBC编码.vi”来完成符号映射，实现空时分组编码技术。完成空时分组编码后，我们还要通过子程序“subvi_添加训练序列.vi”，在每个数据包前面加上训练序列，训练序列是一组经过QPSK调制的符号，用于接收端进行帧同步，载波同步和信道估计。添加完训练序列的数组如下所示：天线一：训练序列176bits信号天线二：训练序列176bits信号添加完训练序列的数据包，最后经过子程序“subvi_脉冲成型滤波器.vi”完成脉冲成型滤波以及上采样。至此，一个完整的数据包生成完毕，将通过USRP的两根发送出去。接收部分接收部分的主程序是“MIMORX.vi”，首先配置USRP，使两根接收天线接收空中的信号，接收信号的样点数可以设定，目前设定为每次接收15000个信号样点。我们对采集下来的信号样点需要做一个粗略的提取，在子程序“subvi_寻找数据包头.vi”中，通过观察信号样点的功率值分布，以接收信号样点平均功率的0.25倍为门限值，以每50个信号样点为一份，取其平均功率与门限值做比较，高于门限值认定为待处理信息，低于门限值的认定为噪声，从中提取出有效的数据块，其程序框图如图9所示。图9subvi_寻找数据包头.vi程序框图与发送端的脉冲成型滤波器相对应，初步提取后的数据块将被送入子程序“subvi_相关接收机.vi”，完成匹配滤波。匹配滤波后的数据块将会进行符号同步、帧同步以及载波同步这三种同步，分别在子程序“subvi_符号同步.vi”和“subvi_帧同步以及频偏补偿.vi”中完成。符号同步采用“MaxEnergy”算法，根据过采样参数的设置值（假设过采样系数为4），取出不同采样位置下的信号，计算出四个数组的总功率，选择功率值最大的数组对应的采样位置，完成符号同步，并对数据进行降采样。帧同步利用发送端添加的长度为N的训练序列，其前一半和后一半有相同的训练符号，采用SCA算法，完成数据的帧同步。SCA算法如下所示：N/2训练序列N/2训练序列（9）（10）（11）（12）是接收训练序列。是功率归一化因子，可以在一定程度上克服传播距离对信号功率的影响，从而保证较高的同步检测概率。在接收端，最大值对应的采样位置选为数据帧头。完成帧同步后，再对训练序列采用Moose算法进行频偏估计和校正。Moose算法如下所示（13）（14）（15）（16）其中，信道估计长度，N为训练序列长度。将估计出的频偏值取反，对信号样点进行逐点修正。完成三种同步后的数据样点进入到子程序“subvi_信道估计.vi”中，利用训练序列进行信道估计，采用LS信道估计算法，程序框图如图10所示。假设接收到的信号：（17）式中为信道响应；为已知的发送信号；为接收到的信号；为噪声。LS算法就是对上式中的参数进行估计，使函数最小。（18）是经过信道估计后得到的训练序列输出信号；是信道响应的估计值。由此可以得到LS算法的信道估计值为：（19）在本程序接收的二维数据包中，每一行对应两个训练序列，每一个训练序列对应一个相应的发送天线，因此，通过对每行的训练序列进行信号估计，就可以得到四个信道的参数。图10LS信道估计流程图做完信道估计后，就可以去除接收信号中的训练序列。利用估计出的信道参数，进行空时分组译码。在这里，你所编写出的“STU_STBC译码接收.vi”子程序完成空时分组译码。进行完空时分组译码后，数据块将通过子程序“subvi_8PSK解调.vi”完成8PSK的解调，子程序“subvi_提取数据.vi”利用发送端的38bits数据包保护头与解调后的01数组进行互相关运算，最大值的位置即为数据包保护头，根据发送端的数据包帧格式，提取出当前数据包编号，总数据包大小以及该数据包中信息比特大小这三个控制信息。并提取出有效数据。当整个数据包的有效数据都被提取出来后，将数据送入子程序“subvi_01比特转有符号八位数.vi”中，将01比特转化成有符号八位数，再将有符号八位数转换成字符串数组送入LabVI