MSK信號(hào)Alamouti空時(shí)編碼系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真分析*

姜朝宇 方毅偉 胡 波

(1.海軍駐葫蘆島四三一廠代表室 葫蘆島 125004)(2.中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二二研究所 武漢 430079)

MSK信號(hào)Alamouti空時(shí)編碼系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真分析*

姜朝宇1方毅偉2胡 波2

(1.海軍駐葫蘆島四三一廠代表室 葫蘆島 125004)(2.中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二二研究所 武漢 430079)

通過(guò)對(duì)MSK信號(hào)和線性Alamouti系統(tǒng)進(jìn)行分析,對(duì)MSK信號(hào)表達(dá)式進(jìn)行了分析推導(dǎo),使該信號(hào)適合線性Alamouti通信系統(tǒng),使連續(xù)相位信號(hào)不能直接適用Alamouti通信系統(tǒng)的問(wèn)題得到解決,這種雙天線系統(tǒng)適合小型化用戶(hù)終端,對(duì)這種系統(tǒng)進(jìn)行了仿真,仿真結(jié)果顯示在高斯衰減信道下傳輸時(shí),信號(hào)的誤碼率提高了大約8分貝。

最小移頻鍵控信號(hào)；Alamouti；空時(shí)編碼

(1. Navy Representative Office in Huludao 431 Factory, Huludao 125004)(2. 722nd Research Institute of China Shipbuilding Industry Corporation, Wuhan 430079)

Class Number TP391

1 引言

在2009年的IEEE 802.15.3c通信標(biāo)準(zhǔn)中將MSK列為調(diào)制樣式之一[1],MSK信號(hào)是恒包絡(luò)連續(xù)相位調(diào)制信號(hào)[2～3],具有功率穩(wěn)定等特點(diǎn),一直以來(lái)受到重視,但是該調(diào)制樣式在衰落信道中,由于受到衰減的因素使得誤碼率比較高。AT&T的Tarokh提出了空時(shí)編碼的基本概念[4～5]。空時(shí)編碼有效工作需要在多個(gè)發(fā)射天線,多個(gè)或則一個(gè)接受天線,因?yàn)榭諘r(shí)編碼是同時(shí)利用空間和時(shí)間兩維信息來(lái)構(gòu)造碼結(jié)構(gòu),這樣做能有效抵消信道衰落的影響,所以在理論上線性通信系統(tǒng)中空時(shí)編碼理論已經(jīng)比較成熟,并且這種編碼方式有效地降低了衰落信道傳輸信息的誤碼率,綜合考慮MSK信號(hào)的特點(diǎn)[6～7]和空時(shí)編碼的優(yōu)越性使MSK信號(hào)適應(yīng)空時(shí)編碼是一個(gè)重要方向,MSK信號(hào)Alamouti空時(shí)編碼系統(tǒng)提高了誤碼率性能,能有效改善傳輸?shù)囊曨l效果,其同步問(wèn)題可以用仍然傳統(tǒng)的方法進(jìn)行[8～10]。

2 MSK信號(hào)模型

MSK信號(hào)是連續(xù)相位信號(hào)而,Alamouti空時(shí)編碼系統(tǒng)目前主要的研究都是針對(duì)線性系統(tǒng)的,為了使MSK信號(hào)適用Alamouti空時(shí)編碼系統(tǒng),需要對(duì)MSK信號(hào)的表達(dá)式、特點(diǎn)及內(nèi)在要求做出分析,同樣也需要對(duì)Alamouti空時(shí)編碼系統(tǒng)的特點(diǎn)研究分析。

MSK信號(hào)是一種相位連續(xù)的信號(hào),并且變換的兩個(gè)頻率部分是正交的,這就要求MSK信號(hào)的構(gòu)建必須要符合這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。

MSK信號(hào)要傳輸?shù)幕鶐Тa為In,那么要傳輸載有信息的符號(hào)位d(t),表示為

要傳輸?shù)男盘?hào)的相位可以表示為如下表達(dá)式

fd為頻偏。相位可以進(jìn)一步表示為

信號(hào)的指數(shù)形式表示為

波形q(t)是脈沖函數(shù)g(t)的積分,即

g(t)是一個(gè)持續(xù)時(shí)間為T(mén)的脈沖。

圖1 MSK信號(hào)的相位軌跡

3 線性Alamouti空時(shí)編碼系統(tǒng)設(shè)計(jì)

空時(shí)編碼系統(tǒng)采用兩發(fā)一收的Alamouti方案其框圖如圖2所示,其中在接收端來(lái)自?xún)蓚€(gè)天線各自的接收信號(hào)可以表示為

r1=c1s1+c2s2+w1

(1)

s1和s2是發(fā)射天線的兩元天線陣子發(fā)送的信號(hào)要滿足：

r1和r2是接收天線位置的來(lái)自接收天線的兩個(gè)信號(hào)。

圖2 Alamouti系統(tǒng)框圖

(2)

將式(1)代入式(2)中,最大似然譯碼可以表示為

(3)

(4)

將式(1)帶入上式則可以得到兩個(gè)碼元分組的表達(dá)式

(5)

這里主要是對(duì)符號(hào)的估計(jì),針對(duì)線性系統(tǒng)的解調(diào)譯碼這里不做過(guò)多的分析,MSK利用了這里的傳輸原理,譯碼解調(diào)時(shí)主要用viterbi譯碼匹配濾波解調(diào)。

4 空間傳輸信道模型及MSK信號(hào)Alamouti空時(shí)編碼設(shè)計(jì)

空間信道模型主要考慮到實(shí)際情況單個(gè)信道單個(gè)路徑的情況,在設(shè)計(jì)Alamouti空時(shí)編碼時(shí),主要的考慮因素是使MSK信號(hào)適應(yīng)線性Alamouti方案

4.1 空間傳輸信道模型

為了達(dá)到建模與實(shí)際情況相符合,這里的信道采用高斯衰減信道,由于兩個(gè)天線陣子到達(dá)接收天線是兩個(gè)不同的信道即兩個(gè)路徑不一致,其信道衰減狀態(tài)也不一樣,這里設(shè)計(jì)時(shí)考慮到一般信道是高斯信道,所以這里的衰減也采用高斯衰減。

4.2 空間傳輸信道模型

把MSK信號(hào)改造為適合Alamouti的形式是主要的任務(wù),這就需要把傳輸?shù)拇a元分為數(shù)據(jù)塊,每塊數(shù)據(jù)分為兩組I1和I2,數(shù)據(jù)量大小一樣,分別表示為指數(shù)形式如下,

分別對(duì)S1(t)和S2(t)延時(shí)NT后可以得到如下形式：

再與S1(t)和S2(t)進(jìn)行比較可以得到

則把NT個(gè)碼元看成一個(gè)數(shù)據(jù)塊則符合線性空時(shí)編碼的要求,表示如下

5 MSK信號(hào)恢復(fù)及解調(diào)

利用信道狀態(tài)估計(jì)對(duì)傳輸?shù)男畔⒋a進(jìn)行解調(diào)前的分離,其分離公式根據(jù)線性Alamouti系統(tǒng)的信息處理方式式(4)可得

把分離出來(lái)的信息碼按照發(fā)送前的拆分重新合并成一串信碼序列,再進(jìn)行viterbi解調(diào)。

6 仿真分析

在對(duì)MSK信號(hào)Alamouti空時(shí)編碼系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析時(shí)進(jìn)行參數(shù)設(shè)置要符合對(duì)該系統(tǒng)的假設(shè),即進(jìn)行的信道狀態(tài)估計(jì)要在短時(shí)間內(nèi)不改變,采樣率設(shè)置為每個(gè)碼元內(nèi)采樣點(diǎn)數(shù)為8,數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為128個(gè)碼元,重復(fù)仿真100次,這樣符合信道狀態(tài)假設(shè),進(jìn)行仿真,仿真結(jié)果顯示如圖3所示,在高斯衰減信道模型下,MSK信號(hào)的空時(shí)編碼通信系統(tǒng)比普通的MSK調(diào)制的通信系統(tǒng)的誤碼率提高大約8分貝。

圖3 MSK的Alamouti空時(shí)編碼誤碼率性能仿真曲線

7 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)MSK信號(hào)的相位特性進(jìn)行分析,得出數(shù)據(jù)塊之間的關(guān)系,再結(jié)合線性Alamouti的特點(diǎn),設(shè)計(jì)了MSK信號(hào)的Alamouti空時(shí)編碼系統(tǒng),并對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了仿真,為該系統(tǒng)進(jìn)一步發(fā)展、應(yīng)用指明了方向,但是該系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)考慮到了數(shù)據(jù)塊內(nèi)的信號(hào)的相位連續(xù)性,但是數(shù)據(jù)塊與數(shù)據(jù)塊之間的相位連續(xù)性沒(méi)有解決,有待進(jìn)一步的研究。

[1] http://www.ieee802.org/15/pub/TG3c.html.[EB/OL]

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Alamouti Space-time System Design and Simulation Analysis of MSK

JIANG Chaoyu1FANG Yiwei2HU Bo2

The analysis to MSK is finished and formula is deduced in order to adapt MSK signal to Alamouti space-time block codes communication system,which resolve the problem that the continuous phase signal does not directly apply to Alamouti system.The double antennae terminal can apply to mini-communication system. The simulation is fulfilled and result shows that bit error rate is improved 8 db in fading channels.

MSK, Alamouti, space-time block codes

2016年6月7日,

2016年7月10日

姜朝宇,男,工程師,研究方向:通信與信息系統(tǒng)。方毅偉,女,碩士,高級(jí)工程師,研究方向:艦艇通信系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)。胡波,男,碩士,工程師,研究方向:艦艇通信系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)。

TP391

10.3969/j.issn.1672-9730.2016.12.020