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MIMO-CPM的信道模型、空时编码和同步技术研究

作　者: 沈文丽
导　师: 仇佩亮；赵民建
学　校: 浙江大学
专　业: 通信与信息系统
关键词: 连续相位调制多输入多输出非线性MIMO相关信道空时编译码非相干检测符号定时同步
分类号: TN919.3
类　型: 博士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

人们对信息需求的增长与有限的可利用的频谱资源之间的矛盾,要求下一代的通信系统必须具有更高的频谱效率,才能满足通信容量迅速增长的需求。多输入多输出(MIMO)技术可以显著提高系统的频谱利用率、传输效率和性能。在未来无线通信系统中具有良好的应用前景。连续相位调制(CPM)模式,通过平滑符号间过渡相位来改善谱密度特性。它是一种性能优良的调制模式,是各种新型移动通信、无线电台的主要调制模式之一。本文从MIMO和CPM的基本原理出发,针对MIMO-CPM系统的几项关键技术进行了探索与创新性研究。无线信道是影响传输系统数学模型和算法设计的关键因素。基于已有的理论成果,本文给出了一种非线性相关信道模型的建模方法,从空间相关性着手,采用经典的Jakes模型来生成衰落信号并结合非线性功放的特性,提出了非线性MIMO相关衰落系数矩阵的产生方法。另一方面,本文分析了2天线正交空时编码的CPM(OST-CPM)系统的最大似然序列检测算法(MLSD)在非线性MIMO相关信道中的性能特性。信道相关性对OST-CPM系统的影响与对空时编码结合线性调制模式时的影响类似,它将导致OST-CPM系统MLSD算法的编码性能下降,但是分集增益不变,而且仍可达到满增益。当存在非线性失真时,本文采用预失真电路来补偿非线性功放对OST-CPM系统MLSD算法性能的影响。由于CPM信号的恒包络特性,非线性功放对OST-CPM系统的非相干检测算法的编码性能基本没有影响。这也是MIMO-CPM系统优于多天线结合线性调制模式系统的主要性能之一。MIMO-CPM系统的另一个关键技术是空时编译码问题。利用CPM信号的Rimoldi分解思想,本文提出了两种空时编码CPM系统的设计方法,空时编码采用Zp域上的卷积编码和空时网格编码方式。这两种联合编码的CPM系统不仅适用于RC和REC成形的全响应CPM信号,而且适用于部分响应CPM信号。通过将空时编码与CPM信号中的CPE模块联合编码设计后,系统的整体编码方式相当简单。虽然空时编码结合部分响应CPM信号的STC-2RC-CPM系统比全响应的STC-1RC-CPM性能略差,但是由于部分响应CPM信号具有更高的频谱利用率,因此在实际通信系统中具有更广的应用前景。针对OST-CPM系统,本文又提出了一种适用于RC以及REC成形的全响应CPM信号的非相干检测算法。在准静态衰落信道中,非相干检测算法的性能虽然比MLSD算法的性能略差,但是由于该算法不需要知道信道状态信息,因此具有实用价值。然而在快Rayleigh衰落信道中,当增加观察窗口长度时,非相干检测算法的性能急剧恶化,这也是该算法的应用局限。同步是通信系统接收机工作的基础。针对MIMO-CPM系统,本文提出了两种基于不同形式的训练序列的符号定时估计算法。两种符号定时同步算法均不依赖于具体的空时码型,因此适用于任意的空时编码结合CPM信号的MIMO-CPM系统,具有很强的通用性。方法二较方法一具有更简单的结构、更少的运算量、更广的应用范围以及更优的估计性能。空时网格编码CPM系统在非理想同步情况下采用方法二时的误帧率(Frame Error Rate,FER)性能下降不大。但是,当衰落速度增加时,方法二的均方误差性能逐渐下降,因此该算法不适用于快衰落的Rayleigh信道。

全文目录

致谢  5-6
摘要  6-8
Abstract  8-10
目次  10-13
1 绪论  13-26
  1.1 移动通信的发展  13-20
    1.1.1 移动通信的发展历史  13-15
    1.1.2 MIMO技术的发展历程  15-18
    1.1.3 CPM技术的发展  18-20
  1.2 信道建模的发展现状  20-21
  1.3 MIMO-CPM技术的发展  21-23
    1.3.1 MIMO-CPM技术的提出  21
    1.3.2 MIMO-CPM技术的研究成果  21-23
  1.4 本文内容安排及主要研究成果  23-26
2 连续相位调制和多天线技术原理  26-51
  2.1 CPM原理  26-32
    2.1.1 信号模型  26-28
    2.1.2 CPM信号功率谱特征  28-32
  2.2 空时编码技术  32-35
    2.2.1 正交空时编码  32-34
    2.2.2 空时网格编码  34-35
  2.3 MIMO-CPM系统  35-38
    2.3.1 OST-CPM系统模型  35-37
    2.3.2 STTC-CPM系统模型  37-38
  2.4 随机MIMO信道模型  38-50
    2.4.1 移动多径信道参数  38-42
      2.4.1.1 时延扩展  39-40
      2.4.1.2 多普勒扩展  40
      2.4.1.3 角度扩展  40-42
    2.4.2 衰落的数学模型  42-45
      2.4.2.1 Rayleigh信道  43-44
      2.4.2.2 Rician信道  44-45
    2.4.3 空间相关性  45-50
      2.4.3.1 空间相关系数  46-48
      2.4.3.2 相关系数矩阵  48-50
  2.5 本章小结  50-51
3 非线性的MIMO相关信道模型  51-77
  3.1 MIMO-CPM系统的信道模型  51-53
    3.1.1 两种信道模型  52-53
  3.2 MIMO信道模型  53-61
    3.2.1 多径衰落信道模型  54-57
    3.2.2 频率选择性衰落信道  57-58
    3.2.3 信道非线性  58-60
    3.2.4.非线性MIMO相关信道模型  60-61
  3.3 相关性对OST-CPM系统性能的影响  61-69
    3.3.1 MLSD译码算法  61-64
    3.3.2 性能仿真  64-69
  3.4 非线性对OST-CPM系统性能的影响  69-76
    3.4.1 MLSD译码算法  70-71
    3.4.2 预失真电路  71-72
    3.4.3 仿真结果  72-73
    3.4.4 非相干检测算法  73-76
  3.5 本章小结  76-77
4 MIMO-CPM系统的编码设计与检测  77-105
  4.1 STC-CPM系统  78-82
    4.1.1 CPE的多项式表示  79-82
  4.2 卷积编码CPM系统  82-92
    4.2.1 联合CPE编码  83
    4.2.2 卷积编码  83-85
    4.2.3 最大似然序列检测  85-87
    4.2.4 设计举例  87-90
    4.2.5 仿真结果  90-92
  4.3 网格编码CPM系统  92-99
    4.3.1 联合编码  92-94
    4.3.2 最大似然序列检测  94-95
    4.3.3 设计举例  95-98
    4.3.4 仿真结果  98-99
  4.4 OST-CPM系统  99-104
    4.4.1 非相干检测  99-102
    4.4.2 仿真结果  102-104
  4.5 本章小结  104-105
5 MIMO-CPM系统的符号定时同步  105-125
  5.1 信号模型  105-106
  5.2 基于第一种训练序列的符号定时同步  106-115
    5.2.1 不同成形下的符号定时偏差  109-112
    5.2.2 仿真结果  112-115
  5.3 基于第二种训练序列的符号定时同步  115-122
    5.3.1 不同成形下的符号定时偏差  117-119
    5.3.2 仿真结果  119-122
  5.4 运算量的比较  122-124
    5.4.1 仿真结果的比较  123
    5.4.2 系统仿真  123-124
  5.5 本章小结  124-125
6 全文总结和工作展望  125-128
作者简历  128-129
参考文献  129-136

MIMO-CPM的信道模型、空时编码和同步技术研究

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