BPSK/QPSK調(diào)制方式下的STC-OFDM系統(tǒng)性能

張志斌， 陳 紅

（西南交通大學(xué) 信息編碼與傳輸四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610031）

0 引言

當(dāng)前，全球移動(dòng)通信行業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)極為激烈，為了維持在移動(dòng)通信行業(yè)中的競(jìng)爭(zhēng)力和主導(dǎo)地位，3GPP組織啟動(dòng)了長(zhǎng)期演進(jìn)計(jì)劃（LTE）以實(shí)現(xiàn)3G技術(shù)向B3G和4G的平滑過(guò)渡。LTE系統(tǒng)的技術(shù)基礎(chǔ)和主要特點(diǎn)是MIMO-OFDM技術(shù)，而空時(shí)編碼（STC）是 MIMO的核心技術(shù)，因此有人就提出了STC-OFDM系統(tǒng)這一概念[1]。

在 OFDM系統(tǒng)中采用BPSK和QPSK調(diào)制的誤碼率BER性能是相同的[2]，然而在STC-OFDM 系統(tǒng)中采用不同的調(diào)制方式，誤碼率性能會(huì)有所不同。文獻(xiàn)[3]對(duì)BPSK調(diào)制在STC-OFDM系統(tǒng)中的誤碼率性能進(jìn)行了理論分析和仿真，文獻(xiàn)[4]對(duì)4QAM調(diào)制在STC-OFDM系統(tǒng)中的誤碼率性能進(jìn)行了仿真，文獻(xiàn)[5]分析MPSK調(diào)制方式在STC-OFDM系統(tǒng)中的誤碼率性能。

1 系統(tǒng)模型

STC-OFDM 系統(tǒng)的發(fā)送端和接收端框圖分別如圖 1和圖2所示，天線采用兩發(fā)一收。在發(fā)送端，把經(jīng)過(guò)調(diào)制后的符號(hào)以?xún)蓚€(gè)為一組送入空時(shí)編碼模塊進(jìn)行空時(shí)編碼?？諘r(shí)編碼之后產(chǎn)生兩路信號(hào)并分別進(jìn)行OFDM調(diào)制，最后把這兩路信號(hào)分別從天線1和天線2上發(fā)射出去。在接收端，接收到的信號(hào)先進(jìn)行OFDM解調(diào)，然后進(jìn)行空時(shí)譯碼并把譯碼后的數(shù)據(jù)進(jìn)行解調(diào)得到原始信號(hào)。

圖1 系統(tǒng)發(fā)送端

圖2 系統(tǒng)接收端

1.1 發(fā)送端信號(hào)處理

如圖1所示，在發(fā)送端，信源數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)調(diào)制映射并通過(guò)串并變換之后得到符號(hào)向量 X ( n)，再進(jìn)行空時(shí)編碼得到X1(n)和 X2(n)：

X1(n)和 X2(n)經(jīng)過(guò)OFDM調(diào)制之后分別從天線1和天線2上發(fā)射出去。假設(shè) Xe(n)和Xo(n)分別代表偶數(shù)符號(hào)向量和奇數(shù)符號(hào)向量，也就是符號(hào)向量 X ( n)的奇數(shù)部分和偶數(shù)部分，表示如下：

依此類(lèi)推，X1,e(n)和 X1,o(n)分別表示 X1(n)的偶數(shù)部分和奇數(shù)部分； X2,e(n)和 X2,o(n)分別表示 X2(n)的偶數(shù)部分和奇數(shù)部分。因此，公式(1)和式(2)又可以表示如下：

1.2 接收端信號(hào)處理

如圖2所示,假設(shè)發(fā)射天線1和天線2到接收天線的信道沖激響應(yīng)分別為h（1n）和h（2n），對(duì)其進(jìn)行DFT變換得到H1(n)和 H2(n)。因此，接收端經(jīng)過(guò) OFDM 解調(diào)之后的信

根據(jù)式(5)和式(6)，可把上兩式變換如下：

假設(shè)信道估計(jì)是理想的，則發(fā)送向量可以估計(jì)如下：

把式(10)和式(11)分別代入式(12)、(13)并進(jìn)一步推算可得：

最后對(duì)eX 和oX 進(jìn)行解映射即可恢復(fù)信源數(shù)據(jù)。

2 誤碼率分析

在理想的OFDM系統(tǒng)中，采用BPSK或QPSK調(diào)制方式，在瑞利衰落環(huán)境下OFDM系統(tǒng)的誤碼率為[2]：

這與BPSK和QPSK調(diào)制的誤碼率性能是相同的[2]。

其中，

3 仿真分析

仿真系統(tǒng)采用Alamouti方案的空時(shí)編碼[6]，信道為6徑的瑞利衰落信道，抽樣間隔為20 ns，天線采用兩發(fā)一收的方案。在仿真過(guò)程中，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，并且采用理想的信道估計(jì)。BPSK和QPSK兩種調(diào)制方式分別在OFDM系統(tǒng)和STC-OFDM系統(tǒng)中的誤碼率性能如圖3所示。從圖中分析可知，采用空時(shí)編碼技術(shù)的STC-OFDM系統(tǒng)的BER性能明顯優(yōu)于OFDM系統(tǒng)，即在原有的 OFDM 系統(tǒng)基礎(chǔ)上增加空時(shí)編碼技術(shù)以實(shí)現(xiàn)空間分集，可以有效對(duì)抗多徑信道衰落，而且隨著信道條件的變好，這種性能優(yōu)勢(shì)逐漸增大。另外，對(duì)于OFDM系統(tǒng)，BPSK和QPSK兩種調(diào)制方式的誤碼率性能是一樣的，與單獨(dú) BPSK和QPSK調(diào)制的性能是相同的。而在采用空時(shí)編碼的OFDM系統(tǒng)中，兩種調(diào)制方式的BER性能卻出現(xiàn)的差異，BPSK調(diào)制的誤碼率性能優(yōu)于QPSK約3 dB。因此在STC-OFDM系統(tǒng)中，當(dāng)采用自適應(yīng)調(diào)制方案時(shí)，在信道條件差的情況下應(yīng)該考慮BPSK調(diào)制，這樣將進(jìn)一步提高系統(tǒng)的總體性能。

圖3 OFDM和STC-OFDM系統(tǒng)的性能比較

4 結(jié)語(yǔ)

將空時(shí)編碼和OFDM結(jié)合而形成的空時(shí)OFDM技術(shù)將為B3G及4G寬帶移動(dòng)通信的無(wú)線傳輸找到一種可行的解決方案。本文研究了 BPSK和 QPSK兩種調(diào)制方式分別在OFDM系統(tǒng)和STC-OFDM系統(tǒng)中的誤碼率性能。分析表明STC-OFDM 系統(tǒng)通過(guò)空間分集，可以更有效地對(duì)抗多徑衰落，而且隨著信道條件的變好，這種性能優(yōu)勢(shì)逐漸增大。另外，在 STC-OFDM 系統(tǒng)中 BPSK調(diào)制的誤碼率性能優(yōu)于QPSK約3 dB，因此在采用自適應(yīng)調(diào)制方案時(shí)應(yīng)加以考慮。

[1] Agrawal D, Tarokh V，Naguib A, et al. Space-time Coded OFDM for High Data-rate Wireless Communication over Wideband Channels[C]// IEEE Vehicular Technology Conference.USA:IEEE,1998: 2232-2236.

[2] Hiroshi H, Ramjee P. Simulation and Software Radio for Mobile Communications[M].USA: Artech House Press,2002:173-174.

[3] Lima G C, Souza R D, Mendes. Design Simulation and Hardware Implementation of A Digital Television System STC-OFDM and Channel Estimation[C]//Spread Spectrum Techniques and Applications, 2006 IEEE Ninth International Symposium. Manaus,Amazon:IEEE,2006:198-202.

[4] Lee K F, Douglas B W. A Space-time Coded Transmitter Diversity Technique for Frequency Selective Fading Channels[C]// IEEE Sensor Array and Multichannel Signal Processing Workshop.Cambridge:IEEE,2000:149-152.

[5] Sun Yong, Xiong Zixiang.Progressive Image Transmission over Space-Time Coded OFDM-Based MIMO Systems with Adaptive Modulation[J].IEEE Transactions on Mobile Computing, 2006,5(08):1016-1028.

[6] Alamouti S M.A Simple Transmit Diversity Technique for Wireless Communication[J].IEEE Journal on Selected Areas in Communication,1998,16(08):1451-1458.