正交空时分组编码的仿真与分析

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实践教学

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兰州理工大学

计算机与通信学院

2013年春季学期

创新课程设计

题目：正交空时分组编码的仿真与分析

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作为一种新的通信信号处理技术和方法,自从空时编码提出以来,全球无线通信领域内掀起了研究空时编码的热潮。本次设计采用正交空时分组编码对无线通信的特性进行仿真与分析。数据经过空时编码后,编码数据分为多个支路数据流,分别经过多个发射天线同时发射出去；接收端的最大似然译码可以通过把不同天线发射的数据解偶来得到更简单的实现形式,利用的是空时码字矩阵的正交性从而得到基于线性处理的最大似然译码算法。最后利用MALAB软件绘制各种情况下的信噪比和误比特率图形。

关键词：信号处理；无线通信；空时分组；最大似然

前言 (1)

一、基于MIMO的空时编码的基本原理 (2)

1.1MIMO技术简介 (2)

1.2瑞利衰落 (2)

1.3空时编码技术 (3)

1.4空时编码技术及其分类 (4)

1.4.1空时发射分集(STTD) (4)

1.4.2正交发射分集(OTD) (5)

二、空时分组编码和译码的实现与仿真 (6)

2.1空时分组编码 (6)

2.2空时分组编码和译码 (6)

2.2.1空时分组编码器的实现 (6)

2.2.2空时分组译码器的实现 (6)

2.3仿真结果及分析 (10)

2.3.1 MPSK调制的仿真函数 (10)

2.3.2 最大似然检测的仿真函数 (11)

2.3.3 瑞利衰落信道的仿真函数 (11)

2.3.4 两根接收天线数目的仿真结果 (12)

总结 (13)

参考文献 (14)

致谢 (15)

附录 (16)

作为一种新的通信信号处理技术和方法,自从空时编码提出以来,全球无线通信领域内掀起了研究空时编码的热潮,除了对如何构造空时编码和空时编码与其他信道编码方式如Turbo 码相结合方面的研究外,许多和工程应用紧密联系的研究方向正在形式.当前虽然关于空时编码的构造和应用有了一些成果,但是这些理论大多假设信道是准静态、平衰落的,各衰落路径也是假设是相互独立的,而实际信道为频率选择性衰落、快变化以至各衰落路径有可能相关,所以为了推动空时编码技术的实用性,有必要对空时编码在信道为频率选择性衰落、快变化以至各衰落路径相关的情况下的性能以及相应的改进措施进行理论和实践研究. 同时,如何将空时编码和第三代移动通讯的标准相结合,研究在CDMA ,WCDMA 环境下空时编码技术的性能以及和其他技术如多用户检测技术的结合目前也吸引了不少的研究人员进行研究,如空时编码和OFDM等通讯技术的结合,使其适用于宽带无线通讯系统。

另外,如何将空时编码和阵列信号处理技术如波束形成技术(Beamforming) 和干扰抵消技术( InterferenceCancellation) 有机地结合起来,充分发挥二者的优点,进一步提高其性能,提高它的实用性,是当前研究的另一个热点和方向;由于二者均是多个阵元天线系统的重要而有效的信号处理技术,所以它们的结合应用就具有的应用基础,最先提出和研究空时编码技术的研究人员也正在进行这方面的研究和探索工作,但是此项工作刚刚开始,具有很大的理论和实际研究价值. 当然,有关在接收端和发射端均得不到信道信息的差分空时编码方面的研究对于空时编码在未来移动蜂窝系统中的应用也是很有意义的。

一、基于MIMO的空时编码的基本原理

1.1MIMO技术简介

MIMO技术对于传统的单天线系统来说，能够大大提高频谱利用率，使得系统能在有限的无线频带下传输更高速率的数据业务。目前，各国已开始或者计划进行新一代移动通信技术（后3G或者4G）的研究，争取在未来移动通信领域内占有一席之地。随着技术的发展，未来移动通信宽带和无线接入融合系统成为当前热门的研究课题，而MIMO系统是人们研究较多的方向之一。

MIMO技术大致可以分为两类：发射/接收分集和空间复用。传统的多天线被用来增加分集度从而克服信道衰落。具有相同信息的信号通过不同的路径被发送出去，在接收机端可以获得数据符号多个独立衰落的复制品，从而获得更高的接收可靠性。举例来说，在慢瑞利衰落信道中，使用1根发射天线n根接收天线，发送信号通过n个不同的路径。如果各个天线之间的衰落是独立的，可以获得最大的分集增益为n，平均误差概率可以减小到，单天线衰落信道的平均误差概率为。对于发射分集技术来说，同样是利用多条路径的增益来提高系统的可靠性。在一个具有m根发射天线n根接收天线的系统中，如果天线对之间的路径增益是独立均匀分布的瑞利衰落，可以获得的最大分集增益为mn。智能天线技术也是通过不同的发射天线来发送相同的数据，形成指向某些用户的赋形波束，从而有效的提高天线增益，降低用户间的干扰。广义上来说，智能天线技术也可以算一种天线分集技术。

分集技术主要用来对抗信道衰落。相反，MIMO信道中的衰落特性可以提供额外的信息来增加通信中的自由度(degrees of freedom)。从本质上来讲，如果每对发送接收天线之间的衰落是独立的，那么可以产生多个并行的子信道。如果在这些并行的子信道上传输不同的信息流，可以提供传输数据速率，这被成为空间复用。需要特别指出的是在高SNR的情况下，传输速率是自由度受限的，此时对于m根发射天线n根接收天线，并且天线对之间是独立均匀分布的瑞利衰落的。

1.2瑞利衰落

瑞利衰落信道（Rayleigh fading channel）是一种无线电信号传播环境的统计

模型。这种模型假设信号通过无线信道之后，其信号幅度是随机的，即“衰落”，并且其服从瑞利分布。

瑞利衰落模型适用于描述建筑物密集的城镇中心地带的无线信道。密集的建筑和其他物体使得无线设备的发射机和接收机之间没有直射路径，而且使得无线信号被衰减、反射、折射、衍射。在曼哈顿的实验证明，当地的无线信道环境确实接近于瑞利衰落。通过电离层和对流层反射的无线电信道也可以用瑞利衰落来描述，因为大气中存在的各种粒子能够将无线信号大量散射。瑞利衰落属于小尺度的衰落效应，它总是叠加于如阴影、衰减等大尺度衰落效应上。如式2-1所示，产生服从瑞利分布的路径衰落r(t)。

上式中n c(t)、n s(t)，分别为窄带高斯过程的同相和正交支路的基带信号。瑞利分布的概率密度函数如图1.1所示。

图1.1瑞利分布的概率分布函数

1.3空时编码技术

空时编码STC (Space-Time Coding) 技术在无线通信领域引起了广泛关注,空时编码的概念是基于Winters 在20世纪80年代中期所做的关于天线分集对于无线通信容量的重要性的开创性工作。空时编码是一种能获取更高数据传输率的信号编码技术，是空间传输信号和时间传输信号的结合，实质上就是空间和时间二