MSK信號Alamouti空時編碼系統設計與仿真分析*

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.中國船舶重工集團公司第七二二研究所 武漢 430079)

MSK信號Alamouti空時編碼系統設計與仿真分析*

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.中國船舶重工集團公司第七二二研究所 武漢 430079)

通過對MSK信號和線性Alamouti系統進行分析,對MSK信號表達式進行了分析推導,使該信號適合線性Alamouti通信系統,使連續相位信號不能直接適用Alamouti通信系統的問題得到解決,這種雙天線系統適合小型化用戶終端,對這種系統進行了仿真,仿真結果顯示在高斯衰減信道下傳輸時,信號的誤碼率提高了大約8分貝。

最小移頻鍵控信號；Alamouti；空時編碼

(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通信標準中將MSK列為調制樣式之一[1],MSK信號是恒包絡連續相位調制信號[2～3],具有功率穩定等特點,一直以來受到重視,但是該調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提出了空時編碼的基本概念[4～5]。空時編碼有效工作需要在多個發射天線,多個或則一個接受天線,因為空時編碼是同時利用空間和時間兩維信息來構造碼結構,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中空時編碼理論已經比較成熟,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信號的特點[6～7]和空時編碼的優越性使MSK信號適應空時編碼是一個重要方向,MSK信號Alamouti空時編碼系統提高了誤碼率性能,能有效改善傳輸的視頻效果,其同步問題可以用仍然傳統的方法進行[8～10]。

2 MSK信號模型

MSK信號是連續相位信號而,Alamouti空時編碼系統目前主要的研究都是針對線性系統的,為了使MSK信號適用Alamouti空時編碼系統,需要對MSK信號的表達式、特點及內在要求做出分析,同樣也需要對Alamouti空時編碼系統的特點研究分析。

MSK信號是一種相位連續的信號,并且變換的兩個頻率部分是正交的,這就要求MSK信號的構建必須要符合這兩個標準。

MSK信號要傳輸的基帶碼為In,那么要傳輸載有信息的符號位d(t),表示為

要傳輸的信號的相位可以表示為如下表達式

fd為頻偏。相位可以進一步表示為

信號的指數形式表示為

波形q(t)是脈沖函數g(t)的積分,即

g(t)是一個持續時間為T的脈沖。

圖1 MSK信號的相位軌跡

3 線性Alamouti空時編碼系統設計

空時編碼系統采用兩發一收的Alamouti方案其框圖如圖2所示,其中在接收端來自兩個天線各自的接收信號可以表示為

r1=c1s1+c2s2+w1

(1)

s1和s2是發射天線的兩元天線陣子發送的信號要滿足：

r1和r2是接收天線位置的來自接收天線的兩個信號。

圖2 Alamouti系統框圖

(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碼元分組的表達式

(5)

這里主要是對符號的估計,針對線性系統的解調譯碼這里不做過多的分析,MSK利用了這里的傳輸原理,譯碼解調時主要用viterbi譯碼匹配濾波解調。

4 空間傳輸信道模型及MSK信號Alamouti空時編碼設計

空間信道模型主要考慮到實際情況單個信道單個路徑的情況,在設計Alamouti空時編碼時,主要的考慮因素是使MSK信號適應線性Alamouti方案

4.1 空間傳輸信道模型

為了達到建模與實際情況相符合,這里的信道采用高斯衰減信道,由于兩個天線陣子到達接收天線是兩個不同的信道即兩個路徑不一致,其信道衰減狀態也不一樣,這里設計時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信號改造為適合Alamouti的形式是主要的任務,這就需要把傳輸的碼元分為數據塊,每塊數據分為兩組I1和I2,數據量大小一樣,分別表示為指數形式如下,

分別對S1(t)和S2(t)延時NT后可以得到如下形式：

再與S1(t)和S2(t)進行比較可以得到

則把NT個碼元看成一個數據塊則符合線性空時編碼的要求,表示如下

5 MSK信號恢復及解調

利用信道狀態估計對傳輸的信息碼進行解調前的分離,其分離公式根據線性Alamouti系統的信息處理方式式(4)可得

把分離出來的信息碼按照發送前的拆分重新合并成一串信碼序列,再進行viterbi解調。

6 仿真分析

在對MSK信號Alamouti空時編碼系統進行仿真分析時進行參數設置要符合對該系統的假設,即進行的信道狀態估計要在短時間內不改變,采樣率設置為每個碼元內采樣點數為8,數據長度為128個碼元,重復仿真100次,這樣符合信道狀態假設,進行仿真,仿真結果顯示如圖3所示,在高斯衰減信道模型下,MSK信號的空時編碼通信系統比普通的MSK調制的通信系統的誤碼率提高大約8分貝。

圖3 MSK的Alamouti空時編碼誤碼率性能仿真曲線

7 結語

本文通過對MSK信號的相位特性進行分析,得出數據塊之間的關系,再結合線性Alamouti的特點,設計了MSK信號的Alamouti空時編碼系統,并對該系統進行了仿真,為該系統進一步發展、應用指明了方向,但是該系統在設計時考慮到了數據塊內的信號的相位連續性,但是數據塊與數據塊之間的相位連續性沒有解決,有待進一步的研究。

[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。方毅偉,女,碩士,高級工程師,研究方向:艦艇通信系統總體設計。胡波,男,碩士,工程師,研究方向:艦艇通信系統總體設計。

TP391

10.3969/j.issn.1672-9730.2016.12.020