MIMO系统中空时频移键控与卷积码的仿真及实现

论文摘要

多入多出（MIMO）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。MIMO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MIMO系统的模型,对MIMO系统的传播环境进行了分析,总结了MIMO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（ST-FSK）调制解调理论和卷积码编码、维特比译码理论。ST-FSK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。ST-FSK调制是一种特殊的酉空时调制方式。ST-FSK设计简单,而酉空时调制需要繁琐的数学搜索过程。ST-FSK采用简单的最大似然解调方式。ST-FSK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MATLAB仿真,得到了相应的误比特率曲线;后对二者结合进行了FPGA实现。ST-FSK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QuartusII6.0软件平台中软件仿真和下载到FPGA芯片中硬件仿真,得到的结果都验证了设计的正确性。

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摘要

ABSTRACT

第一章绪论

1.1 本文的研究背景和意义

1.2 对流层散射

1.3 课题来源与本文主要工作

1.3.1 课题来源

1.3.2 本文主要工作

1.4 论文结构

第二章 MIMO 无线通信系统

2.1 MIMO 系统的传播环境

2.1.1 衰落分布

2.1.2 延迟扩展

2.1.3 Doppler 扩展

2.2 MIMO 系统模型

2.3 MIMO 系统的研究现状

2.3.1 MIMO 系统的调制技术

2.3.2 MIMO 系统的纠错码

2.4 本章小结

第三章空时频移键控原理

3.1 ST-FSK 调制

3.2 ST-FSK 解调

3.3 性能分析

3.4 正交矩阵设计

3.4.1 方形实正交设计

3.4.2 一般实正交矩阵的设计

3.4.3 复正交矩阵设计

3.5 本章小结

第四章卷积码

4.1 卷积码基本概念

4.2 卷积码的表示

4.2.1 状态图法

4.2.2 网格图法

4.2.3 连接矢量表示

4.2.4 多项式表示

4.3 卷积码的转移函数

4.4 卷积码的距离特性

4.5 最大似然译码

4.6 维特比译码原理

4.6.1 维特比算法

4.6.2 维特比算法的性能

4.7 本章小结

第五章空时频移键控和卷积码结合的MATLAB 仿真

5.1 仿真模型

5.2 误比特率

5.3 主要参数对性能的影响

5.3.1 编码效率对误比特率的影响

5.3.2 约束长度对误比特率的影响

5.3.3 回溯长度对误比特率的影响

5.3.4 发射天线数对误比特率的影响

5.3.5 接收天线数对误比特率的影响

5.3.6 不同进制、每组符号数相同对误比特性能的影响

5.3.7 相同进制、每组符号数不同对误比特性能的影响

5.3.8 天线相关性对误比特性能的影响

5.4 FPGA 实现情况的性能图形

5.5 本章小结

第六章 ST-FSK 和卷积码结合的FPGA 实现

6.1 ST-FSK 的FPGA 实现

6.1.1 ST-FSK 调制模块

6.1.2 ST-FSK 解调模块

6.2 卷积码的FPGA 实现

6.2.1 卷积编码模块

6.2.2 维特比译码器

6.3 综合仿真验证

6.3.1 ST-FSK 和卷积码结合硬件验证框图

6.3.2 软件仿真结果

6.3.3 下载验证

6.4 本章小结

第七章总结

7.1 全文总结

7.2 以后工作及展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间的研究成果

MIMO系统中空时频移键控与卷积码的仿真及实现

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