MIMO-OFDM通信系统仿真报告

1、目录目录一摘要：11、系统概述12、正交频分复用调制解调23、跟随坏前缀44.信道估计65、正交频分复用误码率分析86、总结与感悟97.主要程序附录10多输入多输出正交频分复用通信系统仿真摘要多输入多输出正交频分复用是第四代通信系统的核心技术。这是一种结合了正交频分复用和多输入多输出的新技术。正交频分复用的核心能力是将信道分成多个正交子信道，并对每个子信道进行窄带调制和传输，从而减少子信道之间的相互干扰，提高频率利用率。事实上，它指的是正交频分复用系统抵抗多径衰落的能力。多输入多输出技术是目前最常见的无线技术之一。1908年，马可尼首次提出了这种方法，它使用多根天线来抑制信道衰落。本文的主要内

2、容是多输入多输出和正交频分复用部分，讨论了其实现原理和在瑞利信道下的MATLAB仿真效果。最后，给出了加性高斯白噪声情况下误码率与信噪比的仿真曲线。关键词：多输入多输出正交频分复用，瑞利信道，QPSK调制，信道估计，MATLAB仿真。1、系统概述下图显示了整个多输入多输出正交频分复用通信系统的流程图：图1是系统的总体流程图从图中可以看出，该通信系统大致包括信源编码、比特流形成、QPSK调制、多输入多输出-正交频分复用信号形成、瑞利信道和加性高斯白噪声、多输入多输出-正交频分复用信号解决方案、QPSK调制解决方案和信宿解码。信源编码部分主要是将信源要发送的字符串转换成ASCII码。例如，如果我们

3、想发送字符串Hello，其相应的输出是“”。QPSK和QPSK是两个相应的模块。QPSK也被称为4QAM，这是信号星座调制的最简单的形式。QPSK调制后的符号可以携带2比特信息，频带利用率可以提高近一倍。多输入多输出技术是指在发射端和接收端分别使用多根发射天线和接收天线，使信号能够通过发射端和接收端的多根天线发射和接收，从而提高通信质量。它可以充分利用空间资源，通过多根天线实现多重发射和多重接收。在不增加频谱资源和天线发射功率的情况下，它可以将系统信道容量提高一倍，显示出明显的优势，被认为是下一代移动通信的核心技术。正交频分复用是一种正交频分复用技术，实际上是多载波调制，一种多载波调制。瑞利衰

4、落信道是无线电信号传播环境的统计模型。该模型假设信号通过无线信道后，其信号幅度是随机的，即衰落。其包络服从瑞利分布。该信道模型可以描述具有电离层和对流层反射的短波信道，以及没有密集建筑物的城市环境。瑞利信道仅适用于发射机和接收机之间没有直接信号(视距、视线)的情况，否则莱斯衰落信道模型应被用作信道模型。信道估计，即所谓的信道估计，是从接收数据中估计某个假设信道模型的模型参数的过程。如果信道是线性的，那么信道估计就是估计系统脉冲响应。应该强调的是，信道估计是信道对输入信号的影响的数学表示，而“好的”信道估计是将某些估计误差最小化的估计算法。具体实现将在以下章节中进行分析。系统的其他部分是误码率计

5、算和信源解码。这部分不是本文的重点，所以这里没有太多介绍。最后介绍了整个系统的流程图，并给出了整个通信系统实验所需的仿真图和主要代码。2、正交频分复用调制和解调正交频分复用发射机将信息比特流映射成PSK或正交频分复用符号序列，然后将符号序列转换成n个并行符号流。每n个串行和并行转换的符号由不同的子载波调制。以指示第一子载波上的第一传输符号。由于串并转换，n个符号的传输时间被延长到，这是单个正交频分复用符号的持续时间，即，让第一个正交频分复用信号表示在第一个副载波上：(1)时间连续通带和基带信号可以表示为：(2)和(3)此时对等式(2)和(3)中的中间连续基带正交频分复用信号进行采样可以获得相应

6、的离散时间正交频分复用符号：(4)可以证明等式(4)是PSK的n点IDFT或QAM数据符号，并且可以通过IFFT算法进行有效计算。考虑基带正交频分复用接收符号。使用子载波之间的正交性，可以重建元传输符号：(5)事实上，表达式是点的离散傅立叶变换，并表明快速傅立叶变换算法可以更有效地用于计算。如下图所示，频域信号具有调制频率的子载波，其中子载波的数量为，即。在接收机处，可以利用子载波之间的正交性来解调这些信号。注意，原始符号的周期是，通过并行传输符号，它的周期被延长到。正交频分复用符号是一种周期为。下图显示了所有子载波之间正交性的典型实现。这种多载波调制可以通过在发射机和接收机分别使用IFFT和

7、快速傅立叶变换来实现。图2，正交频分复用调制和解调图3，副载波的正交实现3、跟随坏前缀正交频分复用保护间隔有两种不同的插入方法。一种方法是零填充，ZP)，即在保护间隔中填充零。另一种方法是使用循环前缀或循环后缀来实现正交频分复用符号的循环扩展(为了某种连续性)。将正交频分复用符号后面的样本复制到前面，实现正交频分复用符号的扩展。如果循环前缀的长度用样本数来表示，则扩展的正交频分复用符号周期变为。如图4所示，有两个连续的OFDM符号，每个符号的长度为，其中CP的长度为。图5描绘了来自时域和频域的OFDM信号，并且图6示出了OFDM符号中的一些子载波上的多径信道的ISI效应。从图6中可以看出，如果

8、CP的长度大于或等于多径信道的最大延迟，则一个OFDM符号对下一个OFDM符号的ISI效应(虚线)将被限制在保护间隔内，因此下一个OFDM符号的FFT变换将不受影响，并且其周期为。这意味着，只要保护间隔的长度大于多径信道的最大延迟，就可以保持子载波的正交性。因为CP可以确保每个子载波经历延迟的连续性，所以其中的每个子载波都与其他子载波正交。也就是说，对于具有时间延迟的第一个正交频分复用符号，它满足：(6)对于具有延迟的第二子载波信号，满足以下要求：(7)图4，具有循环前缀的正交频分复用符号图5是使用CP的OFDM符号的时域和频域描述图6，多径信道对每个子载波的码间干扰效应现在，假设循环前缀的长

9、度不小于信道的最大延迟，并且假设在保护间隔内确定了正交频分复用符号的快速傅立叶变换窗口的起始点，则正交频分复用接收机对接收的样本信号执行快速傅立叶变换以获得：(8)其中，分别表示发送符号、接收符号、信道的频率响应和第一符号的子载波上的频域噪声。等式(8)中的最后一行示出了可以将正交频分复用系统视为输入符号和频域中的信道频率响应的乘积。换句话说，正交频分复用系统可以等效于频域的卷积过程。在没有噪声的情况下，仅通过将接收信号除以信道(即，信道)，抽头均衡器就可以检测到发送的符号。对于卷积运算*，当。因此，如果没有合作伙伴关系，那么。事实上，对于循环卷积运算，当时，换句话说，CP被插入到传输信号中，

10、使得传输样本和信道样本满足循环卷积，并且因此可以在接收机处获得。图7，多径信道对OFDM符号的影响；CP长度小于信道最大延迟本文也采用了上述方法，因为上面提到除了循环前缀之外，还有零填充和循环后缀，零填充和循环后缀也有相应的技术，由于篇幅的限制，这里不再介绍。事实上，本文已经提到了与信道估计相关的知识，更详细的介绍将在下面占据一定的篇幅。4.信道估计无线信道有许多特征，其中两个是多径和时变的。如果系统采用空时编码，接收机需要准确地知道信道特性，因此准确的信道估计在无线系统中非常重要。根据导频信息的需要，MIMOOFDM系统的信道估计算法分为基于训练序列的盲信道估计算法和半盲信道估计算法或导频信

11、道估计算法。必须有一定的标准来制定这个算法。常用的标准是最小二乘(LS)标准和最小均方误差(MMSE)标准。对于导频信道估计：通过将导频(块导频、梳状导频)信号插入到发送的正交频分复用符号中，接收端根据导频位置处的接收信号估计导频位置处的信道频率响应，然后根据插值算法计算整个信道的频率响应。典型的算法有：最小二乘算法、线性最小均方误差算法和误差很小的最大似然算法。因此，收敛速度也很快，所以该算法需要更成熟的讨论。然而，由于需要发送导频或训练序列，需要使用某些系统资源。盲信道估计是指使用信道统计信息(如循环平稳特性)的信道估计。由于不需要传输导频信号和训练序列，可以节省开销，提高系统的有效数据传

12、输效率。然而，该算法需要处理的数据量大、复杂、收敛速度慢，不能在实际中广泛应用。半盲信道估计：该方法使用较少的导频信号和训练序列来确定盲信道估计算法所需的初始值，然后使用该算法进行跟踪和优化，从而获得信道参数。该算法是导频辅助算法和盲估计算法的折衷。半盲估计算法大大降低了盲估计算法的计算复杂度，同时提高了算法的收敛速度。因此，半盲估计算法将成为未来讨论和研究的一个重要方向。分别使用发射符号、接收符号、信道的频率响应和表示第一符号的第一子载波上的频域噪声。等式(8)中的最后一行示出了可以将正交频分复用系统视为输入符号和频域中的信道频率响应的乘积。换句话说，正交频分复用系统可以等效于频域的卷积过程

13、。在没有噪声的情况下，只能通过将接收信号除以预设的传输训练数据来获得信道参数，因此可以通过使用信道参数来获得传输数据。在这种多输入多输出正交频分复用通信系统中，信道估计也是一个非常重要的部分。信道估计的质量直接决定了通信系统的性能。下图显示了chan的效果图8，信噪比为40dB的信道参数估计图9，信噪比为20dB的信道参数估计从图8和图9可以看出，随着信噪比的增加，信道估计情况明显改善，图8是信噪比达到40 dB的情况。从图中可以看出，利用该公式进行信道估计取得了较好的效果，测试证明在这种情况下通信系统的误码率通常为零。对于图9，其估计并不理想。由图中公式得到的参数幅度小，波动大。在这种情况下

14、，误码率通常很大，这是由等式(8)中的加性噪声引起的。5、正交频分复用误码率分析对于AWGN信道和瑞利信道，多径正交频分复用信号的误码率分别为：AWGN频道(9)和；瑞利信道(10)其中，是调制阶数，表示标准正态分布概率密度的尾部面积函数，定义为：(11)如果子载波的总数(快速傅立叶变换大小)是n，其中子载波用于传输数据(即，存在一个虚载波)，那么时域信噪比和频域信噪比是不同的，并且满足以下关系：(12)这些是正交频分复用误码率的理论分析结果。通过与实际误码率比较，可以分析通信系统的整体性能。由于时间问题，我没有做理论误码率曲线，只是给出了实际的多输入多输出正交频分复用通信系统的实际误码率曲线

15、，如图(10)所示。图10是多输入多输出正交频分复用通信系统的实际误码率曲线6、总结和感受随着中国经济发展进入新常态，创新已经成为推动经济合理稳定增长的持久动力。在无线通信领域，各国加快了5G系统的创新研究和战略部署，力争抢占行业和技术制高点。3GPP等国际标准化组织已经明确表示，5G标准的开发将于2016年(即中国十三五规划的第一年)正式启动，预计将于2020年完成。因此，接下来的“十三五”是中国实现“3G赶超、4G同行、5G领先”最终目标的关键时期。随着社会的发展，人们对通信系统的性能和效率会有很高的期望。我们希望MIMO-OFDM技术能够实现这些目标并得到最好的支持，如何掌握下一代通信的关键技术也是提升中国软实力的重要环节。基于这些原因和目的，本文讨论了正交频分复用技术和多输入多输出技术，并得出了一些初步的结论。我相信随着科学技术的发展，会发现更多更好的技术。我们也很幸运出生在这个不断变化的时代，更幸运的是能够在电子通信领域进行研究。我从小就对电子产品特别敏感，我记得当我还是个孩子的时候，我家里没有那种电器，这并没有结束我的生命。这也促使我在后天填写志愿者表格时优先考虑工程和电子信息学院和大学。在大学里与专业知识的逐渐接触增强了我当时的决心。四年的大学时光过得很快，但我觉得我学到了许多不同的东西，但我并不擅长。为了继续揭开通信的神秘面纱，