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题目：MIMO-OFDM系统中信道估计及信号检测算法的研究独创性（或创新性）声明本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。
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本人签名：夺^摘要MIMO-OFDM系统中信道估计及信号检测算法的研究输入多输出（MIMO)和正交频分复用（OFDM)是LTE的两大核心技术。
多输入多输出（MIMO)技术利用各种分集技术带来的分集增益可以提高系统的信道容量、数据的传输速率以及系统的频谱利用率，这些都是在不增加系统带宽和发射功率的情况下取得的；正交频分复用（OFDM)技术是多载波调制技术的一种，其物理信道是由若干个并行的正交子信道组成，因此可有效地对抗频率选择性衰落，同时通过插入循环前缀（CP)可以有效消除由多径而引起的符号间干扰(ISI)。
由于多输入多输出（MIMO)在提高系统容量和正交频分复用（OFDM)在对抗多径衰落方面的优势，基于两者结合的MIMO-OFDM系统已经引起了广泛的关注。
信道估计算法和信号检测算法是MIMO-OFDM系统的关键技术。
其中信道估计算法对MIMO-OFDM系统接收端的相干解调和空时检测起着至关重要的作用，信道估计的准确性将影响系统的整体性能。
基于子空间算法的MIMO OFDM盲信道估计研究摘要：统一了应用于SISO-OFDM系统子空间算法盲信道估计的识别条件并推广到MIMO-OFDM系统中，实现了基于噪声子空间算法的盲信道估计技术。
该算法对信道的真实阶数不敏感，只需要MIMO 信道阶数的上限，且可以获得信道的精确估计，并且能快速收敛。
仿真结果验证了该算法的均方误差性能。
关键词：MIMO-OFDM系统；盲信道估计；循环前缀；虚拟子载波0 引言MIMO-OFDM技术将OFDM与空时编码技术有机地结合在一起，将空间分集、频率分集以及时间分集有机地结合在一起，这样可以大大地提高了无线通信中的信道容量和传输效率，并能有效地抵抗衰落、抑制干扰和噪声。
但MIMO-OFDM系统的接收机需要准确的信道参数来进行分集合并、相干检测和解码，因此信道估计的准确性对提高系统的性能十分关键。
在MIMO-OFDM系统中，相关信号检测需要一个对发射天线与接收天线之间信道冲击响应（CIR）的可靠估计，普通的信道估计可以采取发射训练序列来估计，但是对训练序列的要求确实非常严格。
更重要的是，对某些系统发射训练序列并不一定可行。
因此，盲信道估计成为近年来信道估计研究的热点。
目前，盲信道估计的算法比较多，如文献［2］提出了基于冗余线性预编码和噪声子空间的MIMO-OFDM系统的子空间的盲信道估计算法。
文献［3］提出了利用二阶信号周期平稳统计特性并采用了周期非常量模天线预编码的算法来对MIMO-OFDM系统进行盲信道估计和均衡。
文献［4］提出了基于非冗余线性分组码和相关性操作的盲信道估计算法。
提出了利用噪声子空间算法对多用户多天线填零MIMO-OFDM系统的子空间估计。
本文给出了MIMO-OFDM盲信道估计的识别条件，并实现了基于噪声子空间的盲信道估计。
该算法统一了现存SISO-OFDM盲信道估计器的条件，并推广到多天线的MIMO-OFDM系统中。
采用CP 比采用VC可获得更精确的精度，但当信噪比和OFDM数目选取比较适当的时候采用VC也可实现较好的性能，这就潜在地增加了频带的利用率，因此该算法前景比较乐观。
第39卷 第6期吉林大学学报(信息科学版)Vol.39 No.62021年11月Journal of Jilin University (Information Science Edition)Nov.2021文章编号:1671⁃5896(2021)06⁃0630⁃07基于AD9361的MIMO⁃OFDM 同步定时接收系统收稿日期:2020⁃09⁃16基金项目:陕西省自然科学基金资助项目(SKJ(2019)2210⁃04)作者简介:贺更新(1972 ),男,辽宁锦州人,中国电科39所高级工程师,主要从事天线技术及移动通信信号处理研究,(Tel)86⁃135****9263(E⁃mail)135****9263@㊂贺更新,陈 莹(中国电子科技集团公司第39研究所,西安710065)摘要:随着第五代通信技术的飞速发展,通信数据量快速增长,为解决通信效率低下的问题,提出一种更高数据传输速率及频率利用率的数据接收系统㊂通过分析AD9361技术在无线通信系统中的应用,设计了基于AD9361的多输入多输出(MIMO:Multiple⁃Input Multiple⁃Output)正交频分复用(OFDM:Orthogonal Frequency Division Multiplexing)同步定时接收系统㊂该系统不仅具有频谱利用率高㊁解调方式灵活以及通信速度快等优点,同时还在5G 建设中具有重要意义㊂测试结果表明,基于AD9361的MIMO⁃OFDM 定时收发同步系统具有较高的收敛性,该系统的现场可编程门阵列(FPGA:Field⁃Programmable Gate Array)资源占用情况整体良好,且采集数据较为稳定㊂同时,在数据定时接收同步过程中,该系统可有效避免误码率影响,不会发生符号间干扰(ISI:Inter Symbol Interference)与信道间干扰(ICI:Inter Channel Interference),并且定时接收同步系统符合传输信道标准,具有较高的无线通信稳定性㊂关键词:AD9361收发器;正交频分复用技术;多入多出技术;现场可编程逻辑门阵列;无线通信中图分类号:TN92文献标识码:ADesign and Performance Evaluation of MIMO⁃OFDM Synchronization Timing Receiving System Based on AD9361HE Gengxin,CHEN Ying(39th Research Institute,China Electronics Technology Group Corporation,Xi’an 710065,China)Abstract :With the rapid development of the fifth⁃generation communication technology,the amount of communication data has grown rapidly.In order to solve the problem of low communication efficiency,a data receiving system with higher data transmission rate and higher frequency efficiency is proposed.By analyzing the application of AD9361technology in wireless communication systems,a MIMO (Multiple⁃Input Multiple⁃Output)㊁OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing)synchronous timing receiving system based on AD9361is designed.This system has the advantages of high spectrum utilization,flexible demodulation mode and fast communication speed having important significance in 5G construction.The test result shows that MIMO⁃OFDM synchronous timing receiving system based on AD9361has high convergence and the FPGA (Field⁃Programmable Gate Array )resource occupancy of the system is generally good,and the collected data is relatively stable.In addition,during the synchronization of data receiving the system can effectively avoid the influence of bit error rate,without ISI(Inter⁃Symbol Interference)and ICI(Inter⁃Channel Interference),and the data receiving system meets the transmission channel standard which has high wireless communication stability.Key words :AD9361transceiver;orthogonal frequency division multiplexing;multiple⁃input multiple⁃output;field⁃programmable gate array;wireless communication0 引 言音乐㊁图像㊁视频等多媒体形式对人们的视野造成了强烈的冲击,而通信技术作为多媒体服务实现的技术载体,其信号传输质量及速度会影响人们的多媒体体验感[1]㊂目前快节奏的生活使人们要求更快的资源下载速度以及更高清晰的画面观感,这些均对无线通信技术提出了较高的挑战㊂因此,在信号源方面,如何使用调制技术提高频谱利用率与信息传输速度成为当前学术界的重要研究内容;在接收端方面,如何提高信号接收的同步性与可靠性是目前国内外学者的研究热点㊂由于正交频分复用(OFDM:Orthogonal Frequency Division Multiplexing)利用串并变换,可以实现高速串行数据的子载波传输,提高信道宽带利用率[2];而AD9361作为射频收发器,具有高线性度与噪声系数[1]㊂为此,笔者基于AD9361技术,提出了传输效率提升的无线通信模型,设计了多输入多输出(MIMO:Multiple⁃Input Multiple⁃Output)OFDM 同步定时接收系统,并对该系统进行了性能评估㊂1 AD9361收发技术AD9361是一种捷变频收发器,具有较高的集成度,主要由接收器与发射器组成,两器件均采用直接变频架构[3]㊂AD9361接收器具有较高的线性度与噪声系数,同时能实现自动增益控制㊁数字滤波以及正交校正功能[4]㊂各接收器均有对应的12位模数转换器,该转换器可将接收到的信号进行数字化处理㊂AD9361的发射器内置有对应的校准电路,发射器由两个12位模数转换器组成,转换器的功能在于数字信号的转换,即信号由数字型转换为模拟型㊂此外各发射器的衰减调整功能较强,能在很大程度上优化信噪比,其内部功能结构如图1所示㊂图1 AD9361功能框架图Fig.1 The function frame diagram of AD9361AD9361主要用于定时接收同步模型的数据收发,作为无线通信的信号接收器与发射器,而MIMO⁃OFDM 定时同步收发模型对AD9361的控制主要通过现场可编程门阵列(FPGA:Field⁃Programmable Gate Array)实现㊂AD9361可以为FPGA 提供数字接口,从而达到简化设计导入的目的㊂通过FPGA 对视频处理器进行编程可实现灵活的参数配置,以满足不同的场景需要㊂AD9361的工作频率覆盖范围广,几乎能囊括所有的执照频段㊂AD9361的芯片接口由4根数据线组成,分别是SPI_ENB,SPI_CLK,SPI_DI,SPI_DO,4个数据接口具有不同的功能,其中SPI_ENB 主要作用于低电平,SPI_DO 主要在于数据读取,SPI_CLK 为最大136第6期贺更新,等:基于AD9361的MIMO⁃OFDM 同步定时接收系统频率时钟模型,SPI_DI 主要功能为数据输入㊂输入的格式为{1′b1,3′b000,2′bxx,10′bwraddr,8′bdata},对应的串行数据格式为24bit,且第1位代表有两种写/读法, 0”为读, 1”为写㊂SPI 接口的读写控制必须满足T cp ≥20ns,T mp ≥9ns,T sc ≥1ns,T hc ≥0ns,T s ≥2ns,T h ≥1ns,3ns≤T CO ≤8ns 的要求㊂AD9361收发的关键在于寄存器,其核心配置为收发滤波器,收发端均支持高阶滤波器参数设置㊂2 MIMO⁃OFDM 定时接收同步模型2.1 MIMO⁃OFDM 模型OFDM 主要功能在于对多载波进行调试[5]㊂随着无线局域网以及数字广播的发展,OFDM 被广泛应用于数字通信领域,在未来的5G(5th Generation Mobile Communication Technology)建设中将发挥重要作用㊂单载波调制存在码间串扰问题,频分复用技术可利用串并变换实现调制数据流的低速转换,从而达到各载波之间不互相影响的效果,这种方式虽然降低了误码率,但会导致资源浪费㊂OFDM 技术可以通过使各子载波间互相正交实现每路子载波的多进制调制,既可以解决码间串扰问题,也可降低频带资源浪费,其实现过程如下所述[6]㊂假定发射机的输入信息为s (t ),则有s (t )=∑N -1k =0x k (t )=∑N -1k =0B k e j2πf k t , f k =f 0+k Δf (1)其中x k (t )为k 路子载波上的调制信息;f k 为k 路子载波对应的频率,f 0为子载波频率的最小值;B k 为k 路子载波的振幅;Δf 为相邻子载波间隔,f k -f k =k -k Δf 为任意两子载波间隔㊂T s 为数模变换过程中的符号周期,1/T 为采样频率,同时满足T s =NT ,则由式(1)可得s (nT )=∑N -1k =0x k (nT )=∑N -1k =0B k e j2πf k nT (2) 时频域功率不变情况下的两种傅里叶变换计算模型如下DFT:X (k )=-∑N -1n =0x (n )e -j(2π/N )nk IDFT:x (n )=1N -∑N -1k =0X (k )e -j(2π/N )nk (3)两种傅里叶变换分别为离散傅里叶变换与离散傅里叶逆变换㊂由式(3)可知,式(2)与式(3)的表达形式非常接近,假定最小子载波f 0的值为0,同时满足Δf =1NT =1T s,也符合子载波正交的条件㊂多输入多输出是一种利用多天线实现信号收发的通信技术[7]㊂MIMO 技术具有信道容量扩展功能,能有效保证信号质量[7]㊂MIMO 的发射端将信号通过空时编码进行发射,接收端接收发射端发出的信号,同时利用空时译码对原始信号进行编译㊂假定发送端在某时刻发送信号为x a (a =1,2, ,N T ),接收端接收信号为y b (b =1,2, ,M R ),则数学表达式为y b =∑N T a =1h ab x a +z b (4)其中h ab 为接收与发射两天线间的信道衰落系数,z b 为接收天线上的加性高斯噪声㊂发射信号模型可表示为X =[x 1,x 2, ,x N T ](5) 信道传输系数表达式为H =h 11h 12 h 1N T h 21h 22 h 2N T ︙︙︙︙h M R 1h M R 2 h M R N éëêêêêêùûúúúúúT (6) 接收端的信号表达式为Y =[y 1,y 2, ,y M R ]T (7)236吉林大学学报(信息科学版)第39卷 信道噪声的表达模型表达式为Z =[z 1,z 2, ,z M R ](8) 因此多输入多输出系统的信道通用表达模型为Y =HX +Z ㊂MIMO⁃OFDM 是一种将多输入多输出与正交频分复用技术相结合的新型技术,在这种技术条件下的数据通信系统具有较高的稳定性,既能有效克服频率选择性衰落,也能通过多渠道接收发射信号,以提升信息接收的稳定性[8]㊂综合可知,MIMO⁃OFDM 技术具有频谱利用率高㊁传输速率高以及传输精确性大的优点,对应的系统关联模型如图2所示㊂图2 MIM0⁃OFDM 系统关联模型Fig.2 MIM0⁃OFDM system association model 由于信号在传输过程中,容易受到信道多渠道与多普勒频移的干扰,故对接收端的信号进行模拟同步的必要性极高㊂由图2可知,MIMO⁃OFDM 系统的接收端主要由3大板块组成,分别是采样偏同步㊁频偏同步以及符号定时同步,其中符号定时同步又包括定时同步与粗定时同步2部分㊂2.2 定时接收同步方案设计接收端接收来自复杂信道的发射端发出的信号,具体的信息接收与处理过程如下所述㊂首先需要利用粗小偏联合估计模块对接收信号进行处理,通过此步骤可以得到粗小偏估计值εcf ㊂之后需要通过频偏纠正模块纠正粗小偏值,且依据同步位置划分对应的快速傅里叶变换(FFT:Fast Fourier Transform)窗,同时完成纠正后的粗小偏值的FFT 转换㊂然后利用整偏估计模块对转换后的数据进行处理,当得到的估计整偏εi ≠0时,需要再次通过频偏纠正模块对其进行纠正,当εi =0时,将进行联合估计㊂将细小偏与采样偏的联合估计值εff 用频偏纠正进行纠正,为保证偏值不出现严重的信道间干扰(ICI:Inter Channel Interference),需要对上述过程进行重复操作㊂即通过采样钟恢复模块对采样钟偏差进行再次纠正,频率偏差得到纠正后,再次利用细定时估计模块对频域信号进行估计㊂为精准化符号定时位置,需要利用估计符号细定时偏移δf 对FFT 窗进行调整㊂完成上述操作后,将频域数据进行判决与解调,对应的接收端同步控制模型如图3所示㊂图3 接收同步模型Fig.3 Synchronization receiving model 该研究主要实现信号传输过程中大容量㊁高速传输等目标,系统中接收机处理信息的方式为符号定时同步与采样钟定时同步㊂设计定时接收的思路如下所述㊂首先选用Matlab 选定初步方案,涉及系统模型建立㊁同步算法性能测试等㊂一共包括4个流程,分别是OFDM 频域数据生成㊁信道模型构建㊁同步336第6期贺更新,等:基于AD9361的MIMO⁃OFDM 同步定时接收系统算法仿真与模块环节联调㊂OFDM 频域数据生成过程中,需要利用逆快速傅里叶变换(IFFT:Inverse Fast Fourier Transform)进行时域变换,信道模型建立过程中,首先需要对复杂信道环境进行模拟,并依次研究该环境下各种信道模型的特点,最终选出合适的信道,同时进行调节频偏与采样偏操作㊂算法仿真过程中,需要依次对常用的同步算法进行性能测试,最终选择性能最好的算法作为此次研究的同步算法㊂联调环节的实质为方案性能分析,评判标准为最终星座图同误码率,整体收发方案如图4所示㊂图4 收发系统整体方案设计Fig.4 Overall scheme design of transceiver system 由图4可知,笔者设计的MIMO⁃OFDM 模型的主要工作流程分为两大模块,分别是系统发射端模块与系统接收端模块㊂系统发射端模块的主要工作流程可以细分为6步,分别是数据采集与编码㊁码流输入与空包修正㊁连续比特流映射㊁空频编码数据㊁符号生成以及信号发送㊂系统接收端的主要工作流程也可以细分为7步,即定时位置检测㊁位置去除与频域转换㊁偏移与误差纠正㊁信道估计与均衡㊁空频译码㊁星座判决以及码流恢复㊂3 定时接收同步测试结果分析为验证笔者设计的MIMO⁃OFDM 定时同步收发系统的可靠性与适用性,利用Matlab 软件对实际信道传输情况进行深入探讨㊂实验中使用Verilog 代码编写软件为Altera 公司研发的Quartus2.0版本,现场可编程门阵列使用的芯片为StratixⅡ系列的EP2S130F102014,外部晶振的频率为18.285715MHz(±3ppm),并搭建好整体的电路系统㊂在进行综合编译并布局好相应的线路后,需要利用上述设计的MIMO⁃OFDM 定时收发系统对数据进行定时收发检验,其中MIMO⁃OFDM 系统对现场可编程门阵列的资源占用情况如表1所示㊂表1 FPGA 资源占用情况Tab.1 FPGA resource occupationMemory /bit DSP /个Registers /个LUT /个射频收发端3935370343979符号定时同步端2647052138723106采样钟定时同步端2218631939642574芯片资源总数6747841505106033106033频偏定时偏恢复控制模块106416129678859 注:DSP:Digital Signal Processor;LUT:Look Up Table㊂由表1可知,除了芯片资源总数占用FPGA 资源较多以外,其余项占用资源情况总体适中㊂实验测试使用的工具为频谱分析仪㊁Altera 公司研发的Quartus2.0版本的Singaltap 以及Matlab,通过上述3个软件完成在线逻辑分析㊂详细的测试步骤为:首先接通开发板电源,同时通过JTAG(Joint Test Action Group)将对应的程序下载到FPGA;然后将AD9361射频发射端与频谱分析仪进行连接;最后利用Signaltap 对AD9361接收端的芯片数据进行采集,采集的数据包括系统恢复输出数据与基带定时同步数436吉林大学学报(信息科学版)第39卷据,详细情况如图5所示㊂由图5可知,Signatap 采集收发数据的整体效果较好,不仅数据接收范围广且操作十分便捷,不需要打开对应的Signaltap 工具包,直接使用Matlab 即可获取更多数据进行处理,从而节省了劳动力,对工作效率提高意义重大㊂此外根据定时同步位置且参考实需部数据,运用Matlab 软件进行数据分析,从AD9361输出端接收到的数据频谱分析结果如图6所示㊂图5 Signatap 采集AD9361数据Fig.5 Signatap collects AD9361data 图6 AD9361接收数据频谱分析结果Fig.6 AD9361received data spectrum analysis results由图6可知,理想数据与接收数据的频谱分析曲线几乎完全重合,存在较小的差异,只有当归一化频率为-0.8和0.8时,接收数据的频谱波动幅度较大,与理想数据存在较大差别㊂另外以定时同步位置切分符号为依据,分析256QAM (Quadrature AmplitudeModulation)数据在达到均衡状态前后的星座分布,得到了如图7所示的接收机定时同步星座情况㊂由图7的均衡前后对比可以发现,虽然均衡前的256QAM 星座分布较为集中,但总体看时序性较差㊂由于IFFT 的有限字长以及电路存在部分噪声等负面情况的出现,致使256QAM 均衡后的星座图有较强的分散性,但整体排列的逻辑性和顺序性仍较高㊂图7 接收机定时同步均衡前后星座对比Fig.7 Constellation comparison before and after receiver timing synchronization equalization 536第6期贺更新,等:基于AD9361的MIMO⁃OFDM 同步定时接收系统636吉林大学学报(信息科学版)第39卷综合分析可知,笔者研究设计的基于AD9361的MIM0⁃OFDM定时收发同步系统具有较高的收敛性㊂另外在数据定时接收同步的过程中,没有出现严重的符号间干扰(ISI:Inter Symbol Interference)与ICI㊂这两项干扰会对通信质量造成较大的影响,而本研究中没有出现以上问题,故可知笔者所设计的定时接收同步系统符合传输信道标准㊂4 结 语为探讨AD9361技术在OFDM无线通信技术中的应用,笔者设计了基于AD9361技术的MIM0⁃OFDM 同步定时收发系统,该系统可以较好地解决无线信道中因多渠道引发的频率选择性衰落问题,另外系统的多输入多输出技术也可以充分利用多渠道提升信道容量,从而改善通信质量㊂为验证该系统的综合性能,将相关程序下载至FPGA上进行测试,测试指标有FPGA资源占用率㊁数据采集情况以及256QAM 均衡前后星座图㊂资源占用结果显示,除了芯片资源总数占用较多的FPGA资源以外,其余项占用资源整体适中㊂从Signaltap数据采集结果可以看到,系统采集AD9361的输出数据以及基带定时同步数据的情况较为良好㊂256QAM均衡前后星座图表明,该系统在定时位置方面可能存在细微偏差,但不会出现严重的ISI与ICI,且均可以通过信道均衡进行校正㊂此次对AD9361的通信应用研究具有一定的参考意义,同时对即将到来的5G建设具有重大意义㊂但实验中还存在系统收发信号保护间隔设置较大的问题,致使信息传输冗余,因此在接下来的研究中需要进一步完善㊂参考文献:[1]张鹏辉,张翠翠,赵耀,等.基于ZYNQ⁃7000FPGA和AD9361的软件无线电平台设计[J].实验技术与管理,2019, 36(8):85⁃93.ZHANG Penghui,ZHANG Cuicui,ZHAO Yao,et al.Design of Software Radio Platform Based on ZYNQ⁃7000FPGA and AD9361[J].Experimental Technology and Management,2019,36(8):85⁃93.[2]杨勇,夏文龙,史晓荻,等.Design and Implementation of Intelligent Shielding System Based on AD9361[J].太赫兹科学与电子信息学报,2018,16(4):625⁃629,644.YANG Yong,XIA Wenlong,SHI Xiaodi,et al.Design and Implementation of Intelligent Shielding System Based on AD9361 [J].Journal of Terahertz Science and Electronic Information Technology,2018,16(4):625⁃629,644.[3]曹旺斌,尹成群,谢志远,等.宽带MIMO⁃PLC随机参数信道建模与特性[J].电网技术,2017(3):360⁃365. 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沈阳航空航天大学电子信息工程学院毕业设计（论文） - 1 - 第1章 绪 论 现代无线移动通信已从模拟通信发展到了数字移动通信阶段，并且正朝着个人通信这一更高阶段发展。未来移动通信的目标是，能在任何时间、任何地点、向任何人提供快速可靠的通信服务。 随着各种的无线和数据业务不断出现，无线资源如频谱变得越来越紧张，如何更高效地利用有限的通信资源成为无线通信新技术发展的焦点所在。近年来，多天线技术由于能较大幅度地提高频谱效率，被视为未来无线移动通信系统的关键技术之一。本论文主要研究多天线技术和系统的有关问题。 1.1 研究背景
新一代移动通信系统所追求的目标就是任何人，任何时候可以与任何地方的任何人进行通信，并要求能以更低成本提供上百兆bits/s 的多媒体数据通信速率，显然必须开发高频谱效率的无线传输方案才可能实现此目标。而随着无线通信技术的快速发展，频谱资源的严重不足己经日益成为遏制无线通信事业的瓶颈。所以如何充分开发利用有限的频谱资源，提高频谱利用率，是当前通信界研究的热点课题之一。追求尽可能高的频谱利用率已成为并且在今后仍然是一个充满挑战的问题。这种挑战促使人们努力开发高效的编码，调制及信号处理技术来提高无线频谱的效率。MIMO 技术被认为是未来移动通信与个人通信系统实现高速率数据传输，提高传输质量的重要途径。近几年来，对无线系统中使用多天线以及空时编码与调制技术的研究己成为无线系统中新的领域，而且在理论和实践上也日渐成熟。当前，空时处理技术已经引入3G 系统、4G 系统、固定和移动IEEE 802.11协议和无线局域网IEEE 802.21 协议等标准中，而且使用空时技术的专利产品也己经出现。 从理论上可以证明，如果在发射端和接收端同时使用多天线，那么这种MIMO 系统的内在信道并行性必然在提高整个系统容量的同时，提高系统性能。如果接收端可以准确地估计信道信息，并保证不同发射接收天线对之间的衰落相互独立，对于一个拥有n 个发射天线和m 个接收天线的系统，能达到的信道容量随着min(n，m)的增加而线性增加。也就是说，在其他条件都相同的前提下，多天线系统的容量是单天线系沈阳航空航天大学电子信息工程学院毕业设计（论文） - 2 - 统的min(n，m)倍。因此，多天线信道容量理论的提出无疑给解决高速无线通信问题开辟了一条新的思路。 1.2 研究意义
随着移动通信的发展，所传输的数据速率越来越高，信号的带宽也远超出信道的相关带宽，采用传统的均衡技术难以保证信号传输的质量。多径衰弱就成为妨碍高速数据传输的主要障碍。采用扩频技术极大地扩展了信息的传输带宽，可以把携带有统一信息的多径信号分离出来并加以利用，因此扩频技术具有频率分集和时间分集的特点。扩频技术是克服多径干扰的有效手段。 MIMO技术，在高速宽带无线通信系统中，多径效应、频率选择性衰落和带宽效率是信号传输过程中必须考虑的几个关键问题。多径效应会引起信号的衰落，因而被视为有害因素。然而MIMO系统是针对多径无线信道而产生的，一定程度上可以利用传播过程中产生的多径分量，也就是说MIMO可以抗多径衰落，多径效应对其影响并不大，反而可以作为一个有利因素加以使用。但MIMO对于频率选择性衰落仍无法避免，目前解决MIMO系统中的频率选择性衰落的方案一般是利用均衡技术和OFDM，而解决频率选择性衰落问题恰恰正是OFDM的一个长处。 而OFDM技术实质上是一种多载波窄带调制，可以将宽带信道转化成若干个平坦的窄带子信道，每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽，所以每个子信道上的频率选择性衰落可以看作是平坦性衰落。 OFDM被认为是第四代移动通信中的核心技术，然而4G需要高的频谱利用技术和高速传输系统，为了进一步提高系统传输速率，使用OFDM技术的无线通信网就必须增加载波的数量，而这种方法会造成系统复杂度的增加，并增大系统的占用带宽。而MIMO多天线技术能在不增加带宽的情况下，在每一个窄带平坦子信道上获得更大的信道容量，可以成倍地提高通信系统的容量和频谱效率，是一种利用空间资源换取频谱资源的技术。在OFDM的基础上合理开发空间资源，也就是MIMO+OFDM，可以提供更高的数据传输速率。另外ODFM由于码率低和加入了时间保护间隔而具有极强的抗多径干扰能力。由于多径时延小于保护间隔，所以系统不受码间干扰的困扰，这就允许单频网络(SFN)可以用于宽带OFDM系统，依靠多天线来实现，即采用由大量低功率发射机组成的发射机阵列消除阴影效应，来实现完全覆盖。 沈阳航空航天大学电子信息工程学院毕业设计（论文） - 3 - 1.3 研究状况 在MIMO系统理论及性能研究方面已有一批文献，这些文献涉及相当广泛的内容。但是由于无线移动通信MIMO信道是一个时变、非平稳多入多出系统，尚有大量问题需要研究。比如说，各文献大多假定信道为分段-恒定衰落信道。这对于宽带信号的4G系统及室外快速移动系统来说是不够的，因此必须采用复杂的模型进行研究。已有不少文献在进行这方面的工作，即对信道为频率选择性衰落和移动台快速移动情况进行研究。再有，在基本文献中，均假定接收机精确已知多径信道参数，为此，必须发送训练序列对接收机进行训练。但是若移动台移动速度过快，就使得训练时间太短，这样快速信道估计或盲处理就成为重要的研究内容。另外实验系统是MIMO技术研究的重要一步。实际系统研究的一个重要问题是在移动终端实现多天线和多路接收，学者们正大力进行这方面的研究。由于移动终端设备要求体积小、重量轻、耗电小，因而还有大量工作要做。目前各大公司均在研制实验系统。 Bell实验室的BLAST系统是最早研制的MIMO实验系统。但该系统仅对窄带信号和室内环境进行了研究，对于在3G、4G应用尚有相当大距离。在发送端和接收端各设置多重天线，可以提供空间分集效应，克服电波衰落的不良影响。这是因为安排恰当的多副天线提供多个空间信道，不会全部同时受到衰落。在上述具体实验系统中，每一基台各设置2副发送天线和3副接收天线，而每一用户终端各设置1副发送天线和3副接收天线，即下行通路设置2×3天线、上行通路设置1×3天线。这样与“单输入/单输出天线”SISO相比，传输上取得了10～20dB的好处，相应地加大了系统容量。而且，基台的两副发送天线于必要时可以用来传输不同的数据信号，用户传送的数据速率可以加倍。 朗讯科技的贝尔实验室分层的空时（BLAST）技术是移动通信方面领先的MIMO应用技术，是其智能天线的进一步发展。BLAST技术就其原理而言，是利用每对发送和接收天线上信号特有的“空间标识”，在接收端对其进行“恢复”。利用BLAST技术，如同在原有频段上建立了多个互不干扰、并行的子信道，并利用先进的多用户检测技术，同时准确高效地传送用户数据，其结果是极大提高前向和反向链路容量。BLAST技术证明，在天线发送和接收端同时采用多天线阵，更能够充分利用多径传播，达到“变废为宝”的效果，提高系统容量。理论研究业已证明，采用BLAST技沈阳航空航天大学电子信息工程学院毕业设计（论文） - 4 - 术，系统频谱效率可以随天线个数成线性增长，也就是说，只要允许增加天线个数，系统容量就能够得到不断提升。这也充分证明BLAST技术有着非常大的潜力。鉴于对于无线通信理论的突出贡献，BLAST技术获得了2002年度美国ThomasEdison（爱迪生）发明奖。 1.4 本文主要内容与结构
本文主要研究多天线OFDM系统算法的实现与性能分析。分别研究了STBC（空时分组码）以及VBLAST(垂直分层空时结构)的编码与解码，并与传统算法进行比较。主要内容安排如下： 第一章介绍了本文的研究背景及意义，并对于多天线OFDM系统算法的意义进行了讨论。 第二章为OFDM的原理，介绍了移动通信中OFDM系统的基本原理和优缺点。 第三章为全文的理论基础，深刻研究了STBC编码的编码与解码，所用到的知识点和公式，并且也对V-BLAST编码进行了研究。 第四章介绍了系统中的各个模块，分模块分析其在系统中的作用，分析了多天线OFDM系统相对于普通通信系统的优缺点。 第五章为本文的总结。概括了本论文的主要工作和成果，并指出了今后进一步的研究方向。 沈阳航空航天大学电子信息工程学院毕业设计（论文）
- 5 - 第2章 OFDM基本原理
2.1 OFDM原理 正交频分复用OFDM（OrthogonalFrequencyDivisionMultiplex)是一种多载波调制方式，通过减小和消除码间串扰的影响来克服信道的频率选择性衰落。它的基本原理是将信号分割为N个子信号，然后用N个子信号分别调制N个相互正交的子载波。由于子载波的频谱相互重叠，因而可以得到较高的频谱效率。近几年OFDM在无线通信领域得到了广泛的应用。 为了最大限度地消除符号间干扰，还可以在每个OFDM符号之间插入保护间隔。由于每个OFDM符号中都包括所有的非零子载波信号，而且也同时会出现该OFDM符号的时延信号，因此图2.1中给出了第一子载波和第二子载波的演示信号。
图2.1 OFDM信号与循环前缀时域图 当调制信号通过无线信道到达接收端时，由于信道多径效应带来的码间串扰的作用，子载波之间不再保持良好的正交状态，因而发送前需要在码元间插入保护间隔。如果保护间隔大于最大时延扩展，则所有时延小于保护间隔的多径信号将不会延伸到下一个码元期间，从而有效地消除了码间串扰。当采用单载波调制时，为减小ISI的影响，需要采用多级均衡器，这会遇到收敛和复杂性高等问题。 在发射端，首先对比特流进行QAM或QPSK调制，然后依次经过串并变换和IFFT变换， 10xzNnkknxnZ
(2.1.1)
再将并行数据转化为串行数据，加上保护间隔（又称“循环前缀”），形成OFDM码
