【正文】 我要向那些幫助我順利完成畢業(yè)設(shè)計(jì)的老師和同學(xué)表示衷心的感謝。我也要在這里將最真摯的感謝獻(xiàn)給辛勤培育我的老師們，是他們讓我的理想變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，給了我足夠的能力順利完成我的畢業(yè)設(shè)計(jì)工作，沒(méi)有母校和老師的栽培，就不會(huì)有我的知識(shí)和能力。結(jié) 論自從MIMO技術(shù)被應(yīng)用到通信系統(tǒng)以來(lái)，在提升通信系統(tǒng)容量、改善信號(hào)傳輸性能方面起到了重要的作用。所以在誤碼率方面4QAM調(diào)制更加適合MIMO通信系統(tǒng)。如果認(rèn)為不同的天線之間的子信道是獨(dú)立的，則可以利用線性處理得到的判決變量： （48）由于本次研究使用的是線性正交設(shè)計(jì)的空時(shí)分組碼，所以可以使用線性正交的性質(zhì)得到[17] ： （49）其中噪聲 是服從零均值高斯分布，方差為 。將矩陣X寫(xiě)成下面的形式[14] ： （41）其中與是N矩陣， 是發(fā)射的符號(hào)。而且由于本次研究沒(méi)有考慮到一些實(shí)際信道中的其他參量，如用戶移動(dòng)速度、天線相關(guān)性等，對(duì)于這些參數(shù)產(chǎn)生的影響需要進(jìn)一步研究。 三、不同信噪比、相同發(fā)射天線下的仿真為了研究發(fā)射天線與接收天線的不同組合對(duì)信道容量的影響，我們將仿真條件設(shè)定為：信道為瑞利衰落信道模型，SNR分別取0dB、5dB、10dB、15dB，發(fā)射天線為4，接收天線取值從1到30，每種天線配置都計(jì)算1000次求平均值。則式（315）可以寫(xiě)為： （318） 將式（315）與式（318）聯(lián)立可以得到 （319）將帶入可得： （320）所以可以得到MIMO通信系統(tǒng)信道容量C[12] ： （321）第二節(jié) 仿真與結(jié)果分析根據(jù)上一節(jié)對(duì)MIMO通信系統(tǒng)信道容量的推導(dǎo)可得單位帶寬上的信道容量： （322）其中：與分別是發(fā)射機(jī)的天線數(shù)與接收機(jī)的天線數(shù)； H是的數(shù)值服從正態(tài)分布的隨機(jī)矩陣； 為階單位矩陣。如果將公式（31）帶入公式（19）可以推出接收矢量為： （34）下面進(jìn)行變換： （35）其中矢量是零均值的高斯隨機(jī)變量，實(shí)部與虛部是獨(dú)立同分布，則可以將公式（34）變換為： （36）矩陣特征值數(shù)量等于的矩陣H的秩，用 表示，則其最大值為： （37） 即最多有m個(gè)非零的奇異值。三者的數(shù)學(xué)關(guān)系如下[9] ： （21）式中 （22）第五節(jié) 本章小結(jié)本次對(duì)MIMO通信系統(tǒng)的仿真研究使用了MATLAB/Simulink軟件仿真工具，所以本章首先簡(jiǎn)要介紹了MATLAB與Simulink的特點(diǎn)和其對(duì)通信系統(tǒng)仿真的流程，然后介紹了Simulink通信工具箱仿真模塊與S函數(shù)。二、S函數(shù)MATLAB之所以強(qiáng)大而且受到廣大用戶的歡迎很大部分原因是它的開(kāi)放性。利用Simulink仿真模塊可以對(duì)通信系統(tǒng)進(jìn)行誤碼率的計(jì)算、同步電路仿真、擴(kuò)頻通信系統(tǒng)模型仿真、碼分多址通信系統(tǒng)仿真等等。利用MATLAB仿真共有兩種方法：一種是利用MATLAB中通信函數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)流仿真，另一種是用Simulink模型庫(kù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)流仿真。所以在研究實(shí)際信道時(shí)，瑞利衰落信道模型大多適合于發(fā)送端與接收端間存在許多障礙（或者說(shuō)兩端間沒(méi)有直接到達(dá)的信號(hào)）的情況，其中一個(gè)隨機(jī)變量服從瑞利分布，它的平均功率為： （123） （124）令P為1，則可以得到歸一化的平均功率： （125）當(dāng)存在一條路徑是從發(fā)送端直接傳到接收端時(shí)，將不能使用瑞利信道模型，而改用萊斯信道模型，在此不作詳細(xì)推導(dǎo)。簡(jiǎn)單來(lái)講，這種信道模型用h（t,）來(lái)表示信道的脈沖響應(yīng)，t表示時(shí)間，表示時(shí)延，表示接收端到達(dá)角，表示發(fā)射端的離開(kāi)角。如果用1的列矩陣n來(lái)表示接收到的噪聲，則其元素是服從獨(dú)立的零均值高斯分布，則用協(xié)方差矩陣表示噪聲[4] ： （19）若假設(shè)n個(gè)元素間無(wú)相關(guān)性，且每個(gè)接收天線的噪聲功率都相等，那么該協(xié)方差矩陣可以表示為： （110） 其中表示接收天線接收到的噪聲功率。X1r1r2X2空時(shí)編碼器 空時(shí)譯碼器 rnRXnT 簡(jiǎn)要MIMO通信系統(tǒng)示意圖由于在建模時(shí)選用了瑞利衰落信道模型，所以根據(jù)第一章第四節(jié)我們可以知道X是服從于獨(dú)立高斯分布的零均值變量，將發(fā)射信號(hào)用協(xié)方差矩陣來(lái)表示，就有： （15）其中表示取均值，AH是A的復(fù)共軛轉(zhuǎn)置矩陣。 空時(shí)編碼系統(tǒng)的基本模型因?yàn)榭諘r(shí)編碼技術(shù)在實(shí)驗(yàn)研究過(guò)程中出色的表現(xiàn)，被通信界認(rèn)為是最具有潛力的技術(shù)之一，已經(jīng)被納入了3G標(biāo)準(zhǔn)(CDMA2000與WCDMA)中。接收發(fā)射Y1S1信道空時(shí)編碼空時(shí)譯碼S2Y2信源信宿SnYm MIMO通信系統(tǒng)原理圖如果將天線S1與Y1間距離設(shè)為，Sn與Ym間距離設(shè)為，則對(duì)于44的MIMO通信系統(tǒng)可以得到傳輸矩陣H： （12） 設(shè)發(fā)送信號(hào)為X， n為加性噪聲，則接收信號(hào)Y就可以表示為： （13）MIMO通信系統(tǒng)中的發(fā)送端可以分為M個(gè)數(shù)據(jù)流（M是小于等于發(fā)送端與接收端中最小的天線數(shù)），且這些數(shù)據(jù)流相互獨(dú)立。隨著移動(dòng)通信的普及，通信系統(tǒng)的傳統(tǒng)天線逐漸被智能天線代替。除了這些問(wèn)題，還有一些實(shí)際問(wèn)題需要考慮，例如天線陣元之間的相關(guān)度、較高的頻譜偏移等。1．天線的數(shù)量和間距為了使陣列天線的各個(gè)陣元接收信號(hào)不相關(guān)，天線數(shù)量和間距都會(huì)影響到傳輸速率的提高。二、現(xiàn)狀由于其具有很大的發(fā)展前景，MIMO通信系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用到了多個(gè)未來(lái)無(wú)線通信系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)中（尤其是無(wú)線局域網(wǎng)和蜂窩網(wǎng)），（3rd Generation Partnerhsip Project）標(biāo)準(zhǔn)。第四章首先詳細(xì)介紹了空時(shí)分組編碼與解碼，然后給出在不同調(diào)制下MIMO通信系統(tǒng)的仿真。目前對(duì)MIMO技術(shù)的研究主要分為四個(gè)方面：MIMO信道的建模與測(cè)量，MIMO信道容量的分析，基于MIMO的空時(shí)編碼與解碼，對(duì)MIMO接收機(jī)的研究，如信道估計(jì)問(wèn)題。并且如何才能在復(fù)雜惡劣的信道環(huán)境（多徑衰落與多普勒頻移等問(wèn)題）和有限的帶寬下提高傳輸質(zhì)量和速率，變?yōu)榱藷o(wú)線通信技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵點(diǎn)。自二十世紀(jì)九十年代MIMO（MultipleInput MultipleOutput，多輸入多輸出）技術(shù)提出以來(lái)，由于在提高信道容量方面取得的突出成果，逐漸被無(wú)線通信領(lǐng)域的多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)所應(yīng)用，成為了在提供可靠無(wú)線傳輸鏈路方面一個(gè)重要突破。MIMO技術(shù)是由多天線分集技術(shù)和空間編碼技術(shù)相結(jié)合而產(chǎn)生的，它的一個(gè)很重要的特點(diǎn)就是：不再是對(duì)抗多徑效應(yīng)，而是巧妙地利用它。分集技術(shù)，為了改善信道衰落對(duì)數(shù)字通信系統(tǒng)誤碼率和中斷概率而設(shè)計(jì)的技術(shù)，包括時(shí)間分集、空間分集、頻率分集等。本文的內(nèi)容安排如下。本次研究選用正交空時(shí)分組編碼的MIMO通信系統(tǒng)作為研究對(duì)象，對(duì)在不同調(diào)制方式下的信號(hào)傳輸性能進(jìn)行對(duì)比。(Wireless Fidelity)在公共場(chǎng)合的接入數(shù)據(jù)傳輸速率大約在11Mb/s左右，而引入了MIMO技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)使得在公共場(chǎng)合的接入數(shù)據(jù)傳輸速率超過(guò)了100Mb/s，現(xiàn)在有研究者正在試驗(yàn)使用多個(gè)MIMO配置，以進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)傳輸速率[1] 。而對(duì)于手機(jī)來(lái)說(shuō)加入兩根天線就已經(jīng)達(dá)到極限。二、發(fā)展趨勢(shì)雖然在現(xiàn)階段MIMO技術(shù)仍存在還未解決的問(wèn)題，但是由于MIMO技術(shù)能與許多技術(shù)相結(jié)合，其在無(wú)線寬帶移動(dòng)通信、傳統(tǒng)蜂窩移動(dòng)通信、可見(jiàn)光通信、雷達(dá)等領(lǐng)域具有廣闊的前景，被稱為是目前無(wú)線通信系統(tǒng)最為關(guān)鍵的技術(shù)之一。智能天線是指利用空間資源將天線分集，然后按照需求通過(guò)一定的方式進(jìn)行加權(quán)，從而獲得增益。則MIMO通信系統(tǒng)的信道容量可以表示為[12] ： （14） 根據(jù)上述公式，通過(guò)我們粗略地計(jì)算就會(huì)發(fā)現(xiàn)了MIMO技術(shù)對(duì)提高信道容量方面起到的作用是相當(dāng)可觀的?，F(xiàn)在的空時(shí)編碼技術(shù)有三類：分層空時(shí)編碼（LSTC）、空時(shí)分組碼（STBC）和空時(shí)格形碼（STTC）。如果設(shè)總發(fā)射功率都為P，則無(wú)論如何取值，都會(huì)有： （16）其中為的跡，如果我們假設(shè)每一個(gè)天線發(fā)射的功率都為，則發(fā)射信號(hào)的協(xié)方差矩陣可以表示為： （17） 其中為的單位矩陣，如果假設(shè)它有足夠?qū)挼膸?，則信道頻率響應(yīng)是平坦的（無(wú)記憶信道）。 在接收端使用最大似然準(zhǔn)則。如圖是該信道模型的示意圖[5] 。第六節(jié) 本章小結(jié) 本章首先介紹了MIMO技術(shù)的發(fā)展歷史、發(fā)展現(xiàn)狀和以后的發(fā)展趨勢(shì)，正是由于大量的研究人員將時(shí)間和精力放在了MIMO技術(shù)上，才使得MIMO技術(shù)從提出到理論研究再到商用，以迅猛的速度發(fā)展。Simulink的出現(xiàn)更是將仿真變得直觀簡(jiǎn)單化，容易上手。它的一個(gè)重要特征就是構(gòu)造與MATLAB之上。使用者可以根據(jù)自己的需要修改或者加入新的工具包。第三章 MIMO信道容量仿真與分析研究第一節(jié) 信道容量計(jì)算概述對(duì)MIMO通信系統(tǒng)信道容量的研究是對(duì)MIMO通信系統(tǒng)研究的一個(gè)很重要的課題。如果用表示矩陣H的奇異值，帶入到公式（36）則可以得到： （38）或： （39）顯然可以看出只受發(fā)射影響，而且與發(fā)射信號(hào)無(wú)關(guān)，即無(wú)信道增益。 是信噪比，用SNR表示。進(jìn)行仿真的編碼見(jiàn)附錄3，： =4，不同信噪比下，信道容量隨變化仿真圖結(jié)果分析：，我們可以輕易地看出：在相同信噪比下，當(dāng)=4，從1到30的MIMO通信系統(tǒng)信道容量與當(dāng)=4，從1到30的MIMO通信系統(tǒng)的信道容量是一樣的。第四章 MIMO正交空時(shí)分組的仿真第一節(jié) MIMO通信系統(tǒng)與空時(shí)分組編碼講空時(shí)分組碼前，要先介紹一個(gè)天才設(shè)計(jì)理念的例子——Alamouti方案[3] 。經(jīng)過(guò)舉例當(dāng)N==M=2,3,4…可以得出結(jié)論：當(dāng)且僅當(dāng)式（42）成立時(shí)，矩陣X的列是正交的[14] 。這里得到的正交空時(shí)分組碼譯碼使用的信道模型等效于SISO的信道模型。然后我們比較兩種調(diào)制下的接收信號(hào)的信號(hào)軌跡與離散時(shí)間散點(diǎn)圖：，可以發(fā)現(xiàn)4PAM調(diào)制下通信系統(tǒng)的接收信號(hào)軌跡是雜亂無(wú)章的；，可以發(fā)現(xiàn)從頻域角度分析4PAM的頻譜更加分散。本文首先分析了MIMO技術(shù)在通信系統(tǒng)中應(yīng)用的發(fā)展歷史、趨勢(shì)以及現(xiàn)在存在的問(wèn)題，然后介紹了MIMO技術(shù)的基本原理、MIMO通信系統(tǒng)的系統(tǒng)建模和信道模型，接著簡(jiǎn)要介紹了本次研究使用的仿真工具，即MATLAB/Simulink仿真軟件。畢業(yè)設(shè)計(jì)完成了，在這個(gè)過(guò)程中我學(xué)到了很多東西。參考文獻(xiàn) [1] 王怡瑩, 王云生. 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