沈阳航空航天大学电子信息工程学院毕业设计（论文）
第4章 多天线OFDM系统的性能分析
4.1 平台介绍
本设计是基于MATLAB进行算法仿真，通过构建两发两收的多天线OFDM模型对两种算法进行仿真模拟。
4.1.1 OFDM调制
TxS/PQPSKIFFTP/SCP插入AWGNRxS/P解映射FFT
图4.1 OFDM调制系统框
S/PCP去除（1）S/P串并转换：即将串行数据变换为并行的，这一过程的主要目的是为了便于做傅里叶反变换，在解调部分是下变换。最后还要再通过并串变换变为串行数据输出。串并转换和并串转换都是为了FFT的服务的。
（2）QPSK：在数字信号的调制方式中QPSK四相移键控是最常用的一种卫星数字信号调制方式,它具有较高的频谱利用率、较强的抗干扰性、在电路上实现也较为简单。偏移四相相移键控信号简称“O-QPSK”。全称为offset QPSK，也就是相对移相方式OQPSK。它具有一系列独特的优点，已经广泛应用于无线通信中，成为现代通信中一种十分重要的调制解调方式。
（3）QPSK数字解调包括：模数转换、抽取或插值、匹配滤波、时钟和载波恢复等。在实际的调谐解调电路中，采用的是非相干载波解调，本振信号与发射端的载波信号存在频率偏差和相位抖动，因而解调出来的模拟I、Q基带信号是带有载波误差的信号。这样的模拟基带信号即使采用定时准确的时钟进行取样判决，得到的数字
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信号也不是原来发射端的调制信号，误差的积累将导致抽样判决后的误码率增大，因此数字QPSK解调电路要对载波误差进行补偿，减少非相干载波解调带来的影响。此外，ADC的取样时钟也不是从信号中提取的，当取样时钟与输入的数据不同步时，取样将不在最佳取样时刻进行所得到的取样值的统计信噪比就不是最高，误码率就高，因此，在电路中还需要恢复出一个与输入符号率同步的时钟，来校正固定取样带来的样点误差，并且准确的位定时信息可为数字解调后的信道纠错解码提供正确的时钟。校正办法是由定时恢复和载波恢复模块通过某种算法产生定时和载波误差，插值或抽取器在定时和载波误差信号的控制下，对A/D转换后的取样值进行抽取或插值滤波，得到信号在最佳取样点的值，不同芯片采用的算法不尽相同，例如可以采用据辅助法(DA)载波相位和定时相位联合估计的最大似然算法。
（4）IFFT：IFFT的特点是能同时传输多个参数，是一种高效的调制方式。IFFT/FFT不是对信号进行变换，而是对承载了信号的载波进行变换，当然这里的信号就是待传送的数据。总之，IFFT应该理解为一个波形发生器，以传输的数据块内容为参数，产生相应的波形。
（5）CP插入：CP的作用是消除符号干扰(ISI)和信道间干扰(ICI)，由于多径效应的影响系统中会出现OFDM符号的时延信号这样在FFT运算时间长度内第一个子载波与带有时延的第二个子载波之间的周期个数之差不再是整数。这样当接收机对第一个子载波解调时，第二载波会对其造成干扰。加入CP目的就是为了消除ISI和ICI。当循环前缀的长度大于或等于信道冲击响应长度时，可以有效地消除ISI和ICI[1]。
（6）AWGN高斯信道：加性高斯白噪声 (Additive White Gaussian Noise) AWGN 是最基本的噪声与干扰模型。加性噪声：叠加在信号上的一种噪声，通常记为n(t)，而且无论有无信号，噪声n(t)都是始终存在的。因此通常称它为加性噪声或者加性干扰。白噪声：噪声的功率谱密度在所有的频率上均为一常数，则称这样的噪声为白噪声。如果白噪声取值的概率分布服从高斯分布，则称这样的噪声为高斯白噪声。
（7）CP去除：CP是作为同时消除ISI和ICI而后加入系统中的，但CP的作用仅限于在信道传输中消除 ISI和ICI，在信息传到接收端时CP已经没有了作用，在解调是秩序解调信息本身而不用去解调循环前缀CP，所以讲CP去除[1]。
（8）解映射：将发射端经过映射的信息进行解映射，还原所传递的信息。
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4.1.2 STBC编码
IFFTQPSK映射STBC编码IFFTIFFTSTBC解码解调
图4.2 STBC编码流程图
在基站通过双天线发送数据，经过STBC编码产生正交输出，再经过OFDM调制进行频分复用，解决了多径传输中多径干扰的问题。之后经过模拟的瑞利信道，将之前调制的信号经过OFDM解调和STBC解码，最后进行接收信号的判决，将发送信号还原。
4.1.3 VBLAST编码
IFFTIFFT交织调制串并转换IFFT无线信道信道估计解交织解调V-BLAST检测信道估计FFTFFT 图4.3 VBLAST编码流程图
VBLAST检测算法是在接收端对接收信号进行处理以恢复发送信号。对应以上的系统模型，检测模块接收信道估计模块输出的信道信息H和用户信息r。VBLAST OFDM系统在每一个子载波上，都是一个窄带的VBLAST系统，因此在每个子载波上可以应用标准的VBLAST检测算法独立进行信号检测。 算法的实现主要包含以下三个方面：
(1)排序：通过乘加运算得到矩阵的列范数，然后根据列范数的大小进行排序得到矩阵H。由于列范数需要与检测算法恢复的发送信息y同时输出给V-BLAST检测之
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后的软解调模块，因此排序过程中求得的列范数需要存储一定的时间。
(2)获取迫零向量：获取迫零向量是一个循环迭代的过程，且每次循环都具有不同的维数。由于最后一次循环求出的迫零向量需要最先给译码运算，因而为了配合时序，需要存储先计算出的迫零向量。
(3)译码：译码过程需将计算出的M个y信号转换成排序之前的顺序，然后和列范数一同输出给系统的软解调模块。
4.2 性能分析
4.2.1 STBC性能分析
图4.4 QPSK理论值与采用QPSK的STBC编码仿真值比较图
基于之前提到的系统模型，进行了计算机仿真，采用QPSK数字调制方式，两个发射天线，两个接收天线，OFDM调制的子载波数目为100。从仿真曲线图中可以看出,两种编码性能较为地相似，但是经过仔细观察在低信噪比时STBC性能不如传统QPSK调制，然而随着信噪比的增加STBC的优点体现了出来，STBC的斜率更大。分集增益与性能曲线的斜率有关,随着发送天线的增加,曲线的斜率越来越大,分集增益也越来越大。空时分组码可以获得满分集且译码较为简单,可以有效地简化接收机的结构。但是,空时分组码传输速率较低,且不能提供编码增益,因此,可以看成是一种分集技术。
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4.2.2 VBLAST性能分析
图4.6 VBLAST仿真图
信道为平坦慢衰落信道, 调制方式为:QPSK 调制, 天线为4 发4 收或2 发2 收. 我们做了直接ZF 检测、ZF-VBLAST检测、MMSE-VBLAST 检测、最大似然检测的误比特率的仿真比较, 结果显示直接ZF 检测性能最差, MMSE-VBLAST检测最接近最大似然检测。
VBLAST 检测算法优于直接ZF 检测算法.而VBLAST检测算法中MMSE-VBLAST 检测算法优于ZF-VBLAST 检测算法, 更接近于理想的最大似然检测算法.如果当天线数较多时发端进行适当编码, 增加编码增益, 进一步对抗误差传播能力,MMSE-VBLAST 检测算法MMSE-VBLAST 检测算法优势会更明显。
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