针对多天线空时分组码系统的最大似然信道均衡算法设计

1、目录摘要1Abstract2第一章 绪论31.1研究背景31.2研究现状41.2.1现有均衡方法41.2.2各均衡方式性能对比61.3研究意义61.4研究难点61.5研究内容71.6论文结构7第二章 基础理论82.1信号/系统模型82.1.1发送端82.1.2信道模型92.1.3接收端模型102.2核心算法理论11第三章 算法设计143.1算法结构143.1.1信号源153.1.2调制153.1.3空时编码153.1.4信道生成163.1.5加性噪声163.1.6最大似然估计均衡173.1.7数据分析183.2程序设计183.2.1空时编码函数space_time_coding()183.2.2最大似然按估计均衡函数coherent_ML_receiver()19第四章 实验设计与结果224.1实验流程224.2实验设置224.2.1有无编码对均衡性能的影响224.2.2接收天线个数对均衡性能的影响224.2.3调制方式对均衡性能的影响234.2.4均衡方式比较234.3实验结果234.3.1有无编码对均衡性能的影响244.3.2接收天线的个数对均衡的影响244.3.3调制方式对均衡的

2、影响254.3.4均衡方式的比较264.4结果分析274.4.1有无编码对均衡性能的影响274.4.2接收天线个数对均衡的影响284.4.3调制方式对均衡的影响284.4.4不同均衡方式的比较29第五章 总结与展望305.1课题总结305.2问题与展望305.2.1发射天线与接收天线如何合理设置？305.2.2 16PSK误码率较高，如何改进算法使之降低？315.2.3信道模型的选择与多径效应315.2.4最大似然估计算法复杂度改善31参考文献32致谢33摘要本文对多天线空时分组码系统的均衡部分进行研究。采用最大似然估计算法，能够有效地克服噪声干扰，以较低的误码率还原出初始信号。本算法结构清晰明了，在信噪比较低的传播环境中，仍然能够有较好的性能。通过计算机软件模拟，该算法在平坦衰落的信道中有着良好的抗干扰性能。同时，本文还深入研究了系统中各参数对均衡性能的影响，具体参数有：接收天线的副数、星座映射点数、空时编码的方式。对结果进行绘图比较，并结合理论知识对结果进行分析与解释，继而提出新的研究方向。最后，本文还将线性均衡与非线性均衡方式进行比较，研究不同均衡方式之间差别与性能优异。关键词：

3、最大似然估计；正交空时分组编码；均衡技术AbstractThis thesis studies the equalization part of multi-antenna space-time block code system. The maximum likelihood estimation algorithm can effectively overcome the noise interference and restore the original signal with a lower bit error rate. The structure of this algorithm is clear, and it can still have better performance in the communication environment with low SNR. Through computer software simulation, the algorithm has good anti-interference performance in flat f

4、ading channels.At the same time, this paper also deeply studies the influence of various parameters in the system on the equalization performance. The specific parameters include: the number of receiving antennas, the number of constellation mapping points, and the space-time encoding method. The results were compared ,analyzed and interpreted in conjunction with theoretical knowledge. Then a new research direction was proposed.Finally, the paper also compares the linear equilibrium with the non

5、linear equilibrium, and studies the differences and performance between different equilibrium methods.Keywords: MLSE ; Orthogonal space-time block coding ; Equalization第一章 绪论1.1研究背景（1）MIMO系统近年来，无线通信技术发展迅速，特别在我国，手机用户已达到7亿之多，手机成为了人们日常生活中的必需品。另一方面，人们对通信的内容和质量的要求也越来越高。据预测，今后十年，无线通信的速率将达到100Mb/s至1Gb/s。对于如此快速的通信要求，理论上证明，单天线（SISO）系统是难以实现的。根据香农的容量理论，单天线系统的平均容量由系统的信噪比决定。要提高单天线系统的有效传输速率，势必要增大发送信号的功率，显然这在手机上是很难实现的，或者说这要付出很大的代价 刘艳艳. MIMO系统预编码技术研究D. 杭州电子科技大学, 2012.。20世纪末发展起来的多天线系统，即发送端与接收端都采用多根天线，从理论上给出了解决上述

6、矛盾的方案。当发送信号的能量给定时，多天线系统的容量随着发送与接收天线数的最小值而线性增长，因此从理论上将，增加发送端与接收端的天线数目就可以很好地满足高速率无线传输的要求。（2）空时编码空时编码是一种联合考虑信道编码、调制、发射和发射分集、同时应用多天线系统的时间维和空间维两个自由度构造码字，从而提高MIMO系统传输性能的编码方式。已知多天线系统中的关键技术就是空时码，最早出现的系统性的构造方法是正交空时码。特殊的正交空时码最先由贝尔实验室的Alamouti提出，随后又相继出现了拟正交空时码，另一方面，酉空时码与差分空时码等相关编码方式也取得相当可观的成果。（3）均衡技术在带宽受限且时间扩散的信道中，码间干扰会使被传输的信号变形，从而导致接受产生误码。码间干扰被认为是在移动通信中传输高速数据时的主要障碍，而均衡技术可以有效地解决码间干扰。广义上来说任何用来削弱码间干扰的信号处理方法都可以被称为均衡。由于信道衰落具有随机性和时变性，因此要求均衡器必须能够实时地跟踪移动通信信道的时变特性。具有这种特性的均衡器称为自适应均衡器 孙桂芳. 时变多径衰落信道中自适应均衡技术的研究D. 哈尔滨工

7、程大学, 2006.。自适应均衡可以分为频域均衡和时域均衡。频域均衡是使总的传输函数（信道传输函数与均衡器传输函数）满足无失真传输条件，即校正幅频特性和群延时特性。模拟通信多采用频域均衡。时域均衡是使总的冲激响应满足无码间干扰的条件，这是通过自适应算法实现的。数字通信中多采用时域均衡 雷洪玉. 第三代移动通信信道建模与通信系统性能研究D. 哈尔滨工程大学, 2004.。（4）最大似然序列估计最大似然估计是非线性均衡器的一种实现方法，最大似然序列估计试图确定最有可能发送的序列。通过在算法中使用冲激响应模拟器，最大似然估计检测所有的数据序列，并选择与信号相似性最大的序列作为输出。1.2研究现状1.2.1现有均衡方法目前均衡技术总体分为两类：线性均衡与非线性均衡。这两种均衡技术的差别在于自适应均衡器的输出结果是否被用于反馈控制。一般来说，如果接收机判决的输出结果被应用于均衡器的反馈逻辑中帮助改变均衡器的后续输出，那么均衡器就是非线性的。下文介绍一下线性均衡器和非线性均衡器的几种常见结构 朱迪. 最大似然序列估计均衡技术研究D. 西安电子科技大学, 2002.。(1)线性均衡器线性均衡器是一种

8、常见的均衡技术。线性均衡可由FIR滤波器实现。这种滤波器是最为简单的，它把所收到的信号当前值、过去值和将来值按照滤波器的抽头系数做线性叠加作为输出。如图1-1所示便是一种以横向滤波器实现的线性均衡器的结构图。图1-1 线性均衡器结构图(2)判决反馈均衡判决反馈的基本思路为：一旦一个比特的信息被正确检测并判决，就可以利用该信息，并结合信道中的冲激响应来计算该比特引起的码间串扰。判决反馈均衡器可由横向滤波器来实现。横向滤波器由一个前向滤波器和一个后向滤波器组成，其结构框图 李玉龙. 无线通信系统中自适应均衡技术的研究D. 贵州大学, 2008.如图1-2所示。图1-2 判决反馈均衡结构框图(3)最大似然均衡与判决反馈均衡相比，最大似然估计从另一个方面出发，试图确定最有可能发送的序列。通过在算法中使用冲激响应模拟器，最大似然估计检测所有可能的数据序列，并选择与信号相似性最大的序列作为输出 孙桂芳. 时变多径衰落信道中自适应均衡技术的研究D. 哈尔滨工程大学, 2006.。因此，算法所需要的计算量比较大，特别是信道时延扩展较大时。最大似然估计是最好的均衡器。其结构框图如图1-3所示。图1-3

9、最大似然序列估计（MLSE）均衡器的结构框图1.2.2各均衡方式性能对比下面将线性均衡、判决反馈均衡、最大似然均衡这三种常见的均衡方式进行对比，比较其各自的优缺点，如下表1-1所示。表1-1 线性均衡、判决均衡、最大似然均衡优劣对比线性均衡判决反馈均衡最大似然均衡优点实现简单，适用于信道条件较好的情况结构简单，适用于信道频谱衰落不均的情况相同信噪比下，误码率最低。缺点当信道出现深度频率衰落时，性能较差自生无法克服的弱点：误差传播符号数以及多径长度较大时，计算量大，难以实现1.3研究意义在实际的无线传输系统中，由于系统接收端或发送端高速移动，会使得信号的相位以及频率的变化，即本设计所说的多普勒频移；同时，在带宽受限且时间扩散的信道中，常会存在诸多延迟不同的传输途径，各条传输路径的传输特性也会随着时间而改变，导致信号的衰落与相移，即多径效应。以上的两大干扰因素是造成传输中产生误码主要因素，本次研究从均衡的角度考虑，采用非线性均衡技术的最大似然估计均衡算法，能够有效补偿时分信道中由于多径效应导致的码间串扰，降低误码率。1.4研究难点（1）本次设计考虑到硬件实现的困难性，因此MIMO系统的各个部分均采用MATLAB软件进行仿真模拟，与现实系统有一定的差距，只能尽可能地贴合真实系统。（2）本次设计的无线信道部分模型比较复杂，需要考虑大尺度衰落、小尺度衰落以及信道各参数的时变等特性，设计尤为复杂，因此本设计暂定使用平坦衰落信道模型。

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