關(guān)于空時編碼算法的仿真研究及其DSP+FPGA的硬件實(shí)現(xiàn)詳解

移動通信是目前通信領(lǐng)域發(fā)展最迅速、進(jìn)步最快的行業(yè)之一，業(yè)務(wù)量的增加進(jìn)一步促進(jìn)移動通信向前發(fā)展，為了能夠向用戶提供更多的無線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)以及更高的數(shù)據(jù)傳輸速率，國際電信聯(lián)盟于20世紀(jì)90年代提出了IMT2000系統(tǒng)，目的為世界各國的無線通信系統(tǒng)制定統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。而能提高系統(tǒng)的通信速率，多載波、多址與多輸入多輸出（MIMO）技術(shù)在該系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。但是由于無線信道多徑的存在，會產(chǎn)生頻率選擇性衰落，會使數(shù)據(jù)在高速傳輸過程中產(chǎn)生碼間串?dāng)_，所以就產(chǎn)生了正交頻分復(fù)用（0FDM）技術(shù)。本文在分析多輸入多輸出系統(tǒng)的技術(shù)上，對其中的空時編碼的Alamouti方案進(jìn)行了仿真研究，同時結(jié)合自己的工作實(shí)際給出了其方案的2發(fā)1收的DSP+FPGA的硬件實(shí)現(xiàn)，從而驗(yàn)證了空時編碼的性能。

1 空時編、譯碼原理

空時編碼（Space Time Coding）技術(shù)是針對多個發(fā)射天線和多個接收天線（MTMR）構(gòu)成的多輸人多輸出（MIMO）結(jié)構(gòu)而提出的一種技術(shù)，其突出特點(diǎn)是針對空時二維進(jìn)行聯(lián)合編碼。能夠顯著提高無線信道中的傳輸速率。圖l是空時編碼的一般結(jié)構(gòu)圖。

空時編碼的物理實(shí)質(zhì)在于：利用存在于空域與時域之間的正交或準(zhǔn)正交特性，按照某種設(shè)計準(zhǔn)則，把編碼冗余信息盡量均勻地映射到空時二維平面，以減弱無線多徑傳播所引起的空間選擇性衰落的不利影響，從而實(shí)現(xiàn)無線信道中高可靠性的高速數(shù)據(jù)傳輸。

空時編碼結(jié)構(gòu)上的不同，主要分為空時格形碼（STTC）、空時分組碼（STBC）和分層空時碼（BLAST）等。其中，STBC能夠通過簡單的譯碼算法實(shí)現(xiàn)最大可能的分集優(yōu)勢，由于它很簡單，所以非常吸引人。

最簡單的空時編碼是由Alamouti于1998年首先提出。Alamouti方案是為發(fā)射天線數(shù)為2的系統(tǒng)提供完全發(fā)射增益的第一種空時分組碼。

2 空時編譯碼的性能仿真

根據(jù)以上Alamouti方案，我們選擇慢瑞利衰落信道下對空時編譯碼進(jìn)行仿真試驗(yàn)和評估。對于慢的瑞利衰落信道，

Alamouti方案的成對差錯概率可以表示為：

因此在試驗(yàn)中假定每一根發(fā)射天線到接收天線的衰落都是相互獨(dú)立的，并且接收機(jī)完全知道信道系數(shù)，下圖給出了使

用QPSK調(diào)制的Alamouti方案相對于每根接收天線信噪比（SNR）的誤比特率（BER）性能。對兩種模式下的STBC性能進(jìn)行了仿真。進(jìn)行仿真時，假定無論發(fā)射天線數(shù)多少，它們的發(fā)射總功率相同，并且都?xì)w一化為1。其仿真結(jié)果如下圖。

從圖中的仿真結(jié)果顯示來看，無論是Alamouti方案還是其它幾種sTBc方案都提供了分集增益，其中2發(fā)1收的Alamouti方案提供的分集增益較小，2發(fā)2收和4發(fā)l收的分集增益居中，2發(fā)4收和4發(fā)2收sTBc提供的分集增益較大，通過比較2發(fā)4收和4發(fā)2收兩條曲線，可以看出它們的斜率是相同的，說明它們提供的分集增益也是相同的，只不過4發(fā)2收模式下每根發(fā)射天線的發(fā)射功率比2發(fā)4收模式下小了一倍，所以其性能降低了大約3db，2發(fā)2收和4發(fā)1收的情況也如此。

3 空時編碼的DSP+FPGA實(shí)現(xiàn)

為了試驗(yàn)方便用來驗(yàn)證Alamouti方案的原理，我們采用2發(fā)l收的最簡單的方式來驗(yàn)證，DSP我們采用TMS320C型通用芯片，因此只需上行空域處理模塊、上下行數(shù)據(jù)交換模塊和2個下行通道模塊以及1個上行通道模塊。下行鏈路模塊實(shí)現(xiàn)空時編碼，下行鏈路實(shí)現(xiàn)空時譯碼。針對這樣的思想，我們設(shè)計的模塊間接口如圖3所示。

從圖中可以看出，下行數(shù)據(jù)交換要把空域送來的信源數(shù)據(jù)經(jīng)過空時編碼后發(fā)到兩個下行通道模塊中去，因此FPGA主要實(shí)現(xiàn)模塊間的接口，DSP主要完成空時編碼算法，空時編碼算法是嵌入在數(shù)據(jù)交換調(diào)度的整個過程中去。而空時編碼主要靠訓(xùn)練符號定位算法來實(shí)現(xiàn)。

DSP從下行空域模塊的FIF0中進(jìn)行一次EDMA讀操作，讀進(jìn)來l024個16比特的無符號數(shù)，把這些數(shù)據(jù)存放在數(shù)組中，訓(xùn)練符號定位算法執(zhí)行完后，實(shí)際上就從接收數(shù)據(jù)中找到了訓(xùn)練符號，因?yàn)榘l(fā)射的訓(xùn)練序列是已知的，所以找到訓(xùn)練符號后很容易解出信道衰落系數(shù)，從而完成信道的估計。

在具體DSP實(shí)現(xiàn)時，我們設(shè)計的OFDM子載波數(shù)字為4個，這樣在2發(fā)1收模式下，總共8個信道衰落系數(shù)需要估計。

整個編碼和譯碼是通過訓(xùn)練符號定位、信道估計、最大似然譯碼、解映射等步驟來實(shí)現(xiàn)的。

4 小結(jié)

空時編碼是多輸人多輸出系統(tǒng)中一個非常重要的技術(shù)，它把編碼冗余信息盡量均勻地映射到空時二維平面，以減弱無線多徑傳播所引起的空間選擇性衰落的不利影響，從而實(shí)現(xiàn)無線信道中高可靠性的高速數(shù)據(jù)傳輸。通過試驗(yàn)仿真和硬件實(shí)現(xiàn)來看，空時編碼是一個應(yīng)用在該系統(tǒng)中非常好的技術(shù)。