【正文】 我要向那些幫助我順利完成畢業(yè)設(shè)計的老師和同學(xué)表示衷心的感謝。我也要在這里將最真摯的感謝獻給辛勤培育我的老師們，是他們讓我的理想變?yōu)楝F(xiàn)實，給了我足夠的能力順利完成我的畢業(yè)設(shè)計工作，沒有母校和老師的栽培，就不會有我的知識和能力。結(jié) 論自從MIMO技術(shù)被應(yīng)用到通信系統(tǒng)以來，在提升通信系統(tǒng)容量、改善信號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)。如果認為不同的天線之間的子信道是獨立的，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)計的空時分組碼，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寫成下面的形式[14] ： （41）其中與是N矩陣， 是發(fā)射的符號。而且由于本次研究沒有考慮到一些實際信道中的其他參量，如用戶移動速度、天線相關(guān)性等，對于這些參數(shù)產(chǎn)生的影響需要進一步研究。 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，每種天線配置都計算1000次求平均值。則式（315）可以寫為： （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)射機的天線數(shù)與接收機的天線數(shù)； H是的數(shù)值服從正態(tài)分布的隨機矩陣； 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）下面進行變換： （35）其中矢量是零均值的高斯隨機變量，實部與虛部是獨立同分布，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，所以本章首先簡要介紹了MATLAB與Simulink的特點和其對通信系統(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之所以強大而且受到廣大用戶的歡迎很大部分原因是它的開放性。利用Simulink仿真模塊可以對通信系統(tǒng)進行誤碼率的計算、同步電路仿真、擴頻通信系統(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)進行數(shù)據(jù)流仿真，另一種是用Simulink模型庫進行動態(tài)流仿真。所以在研究實際信道時，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（或者說兩端間沒有直接到達的信號）的情況，其中一個隨機變量服從瑞利分布，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）當存在一條路徑是從發(fā)送端直接傳到接收端時，將不能使用瑞利信道模型，而改用萊斯信道模型，在此不作詳細推導(dǎo)。簡單來講，這種信道模型用h（t,）來表示信道的脈沖響應(yīng)，t表示時間，表示時延，表示接收端到達角，表示發(fā)射端的離開角。如果用1的列矩陣n來表示接收到的噪聲，則其元素是服從獨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個元素間無相關(guān)性，且每個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空時編碼器 空時譯碼器 rnRXnT 簡要MIMO通信系統(tǒng)示意圖由于在建模時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是服從于獨立高斯分布的零均值變量，將發(fā)射信號用協(xié)方差矩陣來表示，就有： （15）其中表示取均值，AH是A的復(fù)共軛轉(zhuǎn)置矩陣。 空時編碼系統(tǒng)的基本模型因為空時編碼技術(shù)在實驗研究過程中出色的表現(xiàn)，被通信界認為是最具有潛力的技術(shù)之一，已經(jīng)被納入了3G標準(CDMA2000與WCDMA)中。接收發(fā)射Y1S1信道空時編碼空時譯碼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)送信號為X， n為加性噪聲，則接收信號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)流相互獨立。隨著移動通信的普及，通信系統(tǒng)的傳統(tǒng)天線逐漸被智能天線代替。除了這些問題，還有一些實際問題需要考慮，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陣元接收信號不相關(guān)，天線數(shù)量和間距都會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)用到了多個未來無線通信系統(tǒng)的標準中（尤其是無線局域網(wǎng)和蜂窩網(wǎng)），（3rd Generation Partnerhsip Project）標準。第四章首先詳細介紹了空時分組編碼與解碼，然后給出在不同調(diào)制下MIMO通信系統(tǒng)的仿真。目前對MIMO技術(shù)的研究主要分為四個方面：MIMO信道的建模與測量，MIMO信道容量的分析，基于MIMO的空時編碼與解碼，對MIMO接收機的研究，如信道估計問題。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題）和有限的帶寬下提高傳輸質(zhì)量和速率，變?yōu)榱藷o線通信技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵點。自二十世紀九十年代MIMO（MultipleInput MultipleOutput，多輸入多輸出）技術(shù)提出以來，由于在提高信道容量方面取得的突出成果，逐漸被無線通信領(lǐng)域的多個標準所應(yīng)用，成為了在提供可靠無線傳輸鏈路方面一個重要突破。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，它的一個很重要的特點就是：不再是對抗多徑效應(yīng)，而是巧妙地利用它。分集技術(shù)，為了改善信道衰落對數(shù)字通信系統(tǒng)誤碼率和中斷概率而設(shè)計的技術(shù)，包括時間分集、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分組編碼的MIMO通信系統(tǒng)作為研究對象，對在不同調(diào)制方式下的信號傳輸性能進行對比。(Wireless Fidelity)在公共場合的接入數(shù)據(jù)傳輸速率大約在11Mb/s左右，而引入了MIMO技術(shù)的標準使得在公共場合的接入數(shù)據(jù)傳輸速率超過了100Mb/s，現(xiàn)在有研究者正在試驗使用多個MIMO配置，以進一步提高數(shù)據(jù)傳輸速率[1] 。而對于手機來說加入兩根天線就已經(jīng)達到極限。二、發(fā)展趨勢雖然在現(xiàn)階段MIMO技術(shù)仍存在還未解決的問題，但是由于MIMO技術(shù)能與許多技術(shù)相結(jié)合，其在無線寬帶移動通信、傳統(tǒng)蜂窩移動通信、可見光通信、雷達等領(lǐng)域具有廣闊的前景，被稱為是目前無線通信系統(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，然后按照需求通過一定的方式進行加權(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，通過我們粗略地計算就會發(fā)現(xiàn)了MIMO技術(shù)對提高信道容量方面起到的作用是相當可觀的?，F(xiàn)在的空時編碼技術(shù)有三類：分層空時編碼（LSTC）、空時分組碼（STBC）和空時格形碼（STTC）。如果設(shè)總發(fā)射功率都為P，則無論如何取值，都會有： （16）其中為的跡，如果我們假設(shè)每一個天線發(fā)射的功率都為，則發(fā)射信號的協(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（無記憶信道）。 在接收端使用最大似然準則。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，正是由于大量的研究人員將時間和精力放在了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單化，容易上手。它的一個重要特征就是構(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) 信道容量計算概述對MIMO通信系統(tǒng)信道容量的研究是對MIMO通信系統(tǒng)研究的一個很重要的課題。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)射信號無關(guān)，即無信道增益。 是信噪比，用SNR表示。進行仿真的編碼見附錄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=4，從1到30的MIMO通信系統(tǒng)信道容量與當=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正交空時分組的仿真第一節(jié) MIMO通信系統(tǒng)與空時分組編碼講空時分組碼前，要先介紹一個天才設(shè)計理念的例子——Alamouti方案[3] 。經(jīng)過舉例當N==M=2,3,4…可以得出結(jié)論：當且僅當式（42）成立時，矩陣X的列是正交的[14] 。這里得到的正交空時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)制下的接收信號的信號軌跡與離散時間散點圖：，可以發(fā)現(xiàn)4PAM調(diào)制下通信系統(tǒng)的接收信號軌跡是雜亂無章的；，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、趨勢以及現(xiàn)在存在的問題，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)計完成了，在這個過程中我學(xué)到了很多東西。參考文獻 [1] 王怡瑩, 王云生. 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