多天线连续相位调制系统关键技术研究

论文摘要

无线通信技术在不断增长的应用需求中正经历着飞速地发展，有限的可利用频谱资源和复杂的无线传输环境是无线通信领域的两大制约因素，也是激励无线通信技术不断发展的两大挑战。连续相位调制（Continues Phase Modulation，CPM）是单天线系统中能够有效利用带宽，提高频谱利用率和功率效率的一种非线性调制方式，在无线通信领域有了广范的应用；多输入多输出（Multi-Input Multi-Output，MIMO）系统能够有效克服信道衰落影响，提高衰落信道的信道容量，在线性调制与之结合的系统中，已经被越来越多的研究证明是未来通信发展的重要课题。本文对MIMO-CPM系统的几项关键技术进行研究，提出适用于任意天线的基于连续相位调制的类正交空时编码算法，提出有效降低译码复杂度的解调算法，并且利用改进的辅助数据矩阵，提出一种信道估计算法可应用于多种空时编码方式下的MIMO-CPM系统，同时针对基于部分响应CPM的正交空时编码系统提出了一种非相干解调的算法，减少系统的信道估计模块，有效降低接收系统的设计复杂度。本文主要内容安排如下：第一章主要介绍了CPM和MIMO系统的特性，并对MIMO-CPM系统的研究现状做了介绍，给出本文内容安排及主要研究成果。第二章首先给出MIMO-CPM系统模型，分析指出格码空时连续相位调制系统（Trellis-CodedSpace-Time CPM，TC-ST-CPM）的性能和复杂度，对比提出类正交空时编码连续相位调制系统（Orthogonal-Like Space-Time Coded CPM，OL-ST-CPM）及其性能分析；本章提出了一种突破发送天线限制的类正交空时编码方法；利用各发送天线发送信号的类正交特性，分析提出了简化的译码算法，大大降低了接收端的译码复杂度；分析了系统的成对差错概率，证明了类正交空时编码的完全分集增益特性；类比线性调制方式，提出了空时编码的设计准则。第三章简要介绍了无线信道的几种主要信道模型，针对准静态Rayleigh衰落信道提出一种适用于MIMO-CPM系统的信道估计算法。算法采用了空时编码信号和训练序列信号的切换式帧结构，提出相位归零辅助矩阵和训练序列的设计方法。依据最小二乘准则，提出了信道估计算法，进一步提出了部分采样点估计和部分矩形（α-REC）成形函数结合的信道估计方法。理论分析表明参数对数均方误差与比特信噪比（Eb/N0）呈线性下降关系。仿真结果表明，采用部分采样点参数估计方法和α-REC成形函数结合，既减少训练序列长度，又能有效抵抗定时误差；在多种MIMO-CPM系统中，与理想信道状态信息（Channel State Information，CSI）条件下相比误比特性能差距均小于0．3dB。第四章首先介绍了全响应和部分响应CPM系统的特性以及全响应正交空时编码系统（OrthogonalSpace-Time Coded CPM，OST-CPM）的非相干解调方法，在此基础上提出了部分响应正交空时编码系统（Orthogonal Space-Time Coded partial-response CPM，OST-PCPM）的非相干解调算法，提出了相位反馈式最大似然估计器的结构，改进算法并提出基于部分训练字的解调算法，有效消除了多接收天线条件下产生的误码门限效应；针对AWGN信道和Rayleigh衰落信道进行了性能分析和仿真，就解调算法的参数选择做了系统分析，提出了可实现的系统设定。第五章是全文工作的总结和工作展望。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 MCPM调制技术发展和特性
• 1.1.1 MCPM调制技术的研究和发展
• 1.1.2 MCPM系统框架
• 1.1.3 MCPM调制关键特性
• 1.1.3.1 高频谱利用率
• 1.1.3.2 非线性信道适应性
• 1.2 MIMO技术发展和特性
• 1.2.1 MIMO技术研究和发展
• 1.2.2 MIMO系统容量特性
• 1.2.2.1 MIMO系统模型
• 1.2.2.2 MIMO信道容量
• 1.2.3 MIMO线性调制空时编码技术
• 1.2.3.1 基本概念
• 1.2.3.2 Alamouti空时编码
• 1.2.3.3 正交空时编码的限制条件
• 1.3 MIMO-CPM技术发展状况
• 1.3.1 MIMO-CPM技术研究状况
• 1.3.2 MIMO-CPM系统框架
• 1.3.3 MIMO-CPM技术的研究重点
• 1.4 本文内容安排及主要研究成果
• 第二章 MIMO-CPM空时编码设计
• 2.1 TC-ST-CPM系统模型
• 2.1.1 成对差错概率
• 2.1.2 分集增益及设计准则
• 2.1.3 译码复杂度
• 2.2 4天线OL-ST-CPM系统
• 2.3 任意天线OL-ST-CPM系统
• 2.3.1 OL-ST-CPM系统模型
• 2.3.2 正交方阵的设计
• l及辅助数据矩阵C_l的设计'>2.3.3 数据编码矩阵D_l及辅助数据矩阵C_l的设计
• 2.3.3.1 设计目标
• 2.3.3.2 设计要求
• 2.3.3.3 数学模型和约束条件
• 2.3.3.4 数据编码矩阵
• 2.3.3.5 辅助数据矩阵
• 2.3.4 译码复杂度
• 2.3.4.1 简化前的OL-ST-CPM译码复杂度
• 2.3.4.2 简化后的OL-ST-CPM译码复杂度
• t=8天线系统设计及特性分析'>2.3.5 N_t=8天线系统设计及特性分析
• t=8系统成对差错概率和完全分集增益'>2.3.6 N_t=8系统成对差错概率和完全分集增益
• 2.3.7 任意天线OL-ST-CPM的实现
• 2.3.8 仿真结果
• 2.4 本章小结
• 第三章 MIMO-CPM信道估计算法
• 3.1 MIMO-CPM系统模型
• 3.1.1 OL.ST-CPM
• 3.1.2 burst-OSTBC-CPM
• 3.2 信道模型
• 3.2.1 基本无线信道
• 3.2.1.1 信道衰落
• 3.2.1.2 信道扩展
• 3.2.2 无线信道数学模型
• 3.2.2.1 Rayleigh信道
• 3.2.2.2 Rician信道
• 3.2.3 MIMO无线信道
• 3.2.3.1 非频率选择性衰落信道
• 3.2.3.2 频率选择性衰落信道
• 3.2.3.3 相关信道
• 3.3 MIMO信道估计算法
• 3.4 类正交相位归零训练序列设计
• 3.4.1 设计要求
• 3.4.2 设计特点
• 3.4.3 设计方法
• 3.4.4 设计分析
• 3.4.5 设计举例
• 3.5 信道估计算法
• t=3/4信道估计算法实例分析'>3.6 N_t=3/4信道估计算法实例分析
• 3.6.1 信道估计算法
• t=4的信道估计算法'>3.6.1.1 N_t=4的信道估计算法
• t=3的信道估计算法'>3.6.1.2 N_t=3的信道估计算法
• 3.6.1.3 均方误差实例分析
• 3.6.2 系统仿真
• 3.6.2.1 均方误差特性分析
• 3.6.2.2 不同信道对于估计性能的影响
• 3.6.2.3 均方误差特性对于系统性能的影响
• 3.6.2.4 定时偏差对于估计性能的影响
• 3.6.2.5 部分采样点方法
• 3.6.2.6 不同系统性能仿真分析
• 3.7 本章小结
• 第四章 MIMO-PCPM系统非相干解调
• 4.1 部分响应CPM系统性能分析
• 4.1.1 PCPM系统信号构成
• 4.1.2 最小欧氏距离上界
• 4.1.3 频谱效率
• 4.2 MIMO-CPM非相干解调算法
• 4.2.1 G.Wang的2天线MIMO-CPM系统
• 4.2.2 Pande的非相干解调算法
• 4.2.2.1 AWGN信道条件下的非相干解调算法
• 4.2.2.2 Rayleigh信道条件下的非相干解调算法
• 4.3 MIMO-PCPM非相干解调算法
• 4.3.1 MIMO-PCPM系统构建
• 4.3.2 Rayleigh衰落信道条件下非相干解调算法
• 4.3.3 AWGN信道条件下非相干解调算法
• 4.3.4 最大似然估计器优化
• 4.3.5 非相干解调算法的改进
• 4.4 仿真性能分析
• 4.4.1 Rayleigh曲信道条件
• 4.4.1.1 反馈码元个数的影响
• 4.4.1.2 多接收天线对系统性能的影响
• 4.4.2 AWGN信道条件
• 4.4.2.1 反馈码元个数的影响
• 4.4.2.2 多接收天线对系统性能的影响
• 4.4.3 非相干解调和相干解调性能比较
• 4.4.4 全响应和部分相应系统的非相干解调性能比较
• 4.5 本章小结
• 第五章 全文总结和工作展望
• 参考文献
• 攻读博士期间已发表和录用的论文
• 攻读博士期间参加的科研工作
• 致谢
• 附录1
• 附录2