基于Matlab的分布式空時(shí)編碼實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開發(fā)

曾 捷

(深圳大學(xué) 信息工程學(xué)院，深圳 518060)

目前使用的《通信原理》實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在進(jìn)行空時(shí)編碼實(shí)驗(yàn)時(shí)普遍存在下面兩個(gè)局限性:(1)沒有充分利用傳輸過程中的信道狀態(tài)信息的問題，這和實(shí)際的通信系統(tǒng)不相符合;(2)沒有對(duì)原發(fā)送信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，減小信道間的干擾，因而無法準(zhǔn)確地通過實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)通信系統(tǒng)的信噪比、誤碼率等特性進(jìn)行分析和測(cè)試［1］。

基于上述原因，本文嘗試使用Matlab仿真的方法開發(fā)空時(shí)編碼以及系統(tǒng)信噪比和誤碼率測(cè)試的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，在教學(xué)過程中，將仿真實(shí)驗(yàn)和實(shí)際電路實(shí)驗(yàn)結(jié)合使用，有效地彌補(bǔ)了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的不足，取得了較好的效果。

1 系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)

本文選擇Matlab/RTW作為開發(fā)平臺(tái)，Keil作為編譯軟件，并用Proteus進(jìn)行仿真。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 基于Matlab實(shí)時(shí)仿真分布式空時(shí)編碼實(shí)驗(yàn)

2.1 數(shù)據(jù)傳輸分析

系統(tǒng)包括源節(jié)點(diǎn)K，四個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)(R1，R2，R3，R4)以及目的節(jié)點(diǎn)D，所有節(jié)點(diǎn)都配備單天線且中繼節(jié)點(diǎn)采用放大轉(zhuǎn)發(fā)的傳輸模式，假設(shè)中繼節(jié)點(diǎn)可以獲得統(tǒng)計(jì)信道狀態(tài)信息，目的節(jié)點(diǎn)D已知所有信道的狀態(tài)信息［2］。數(shù)據(jù)傳輸分成兩步:

(1)源節(jié)點(diǎn)K將調(diào)制符號(hào)向量

發(fā)送至所有中繼節(jié)點(diǎn)，其中st(t=1，2，3，4)為調(diào)制信號(hào)。假設(shè)所有的信道都是準(zhǔn)靜態(tài)的，則中繼節(jié)點(diǎn)Rr的接收信號(hào)為

其中，vr是4×1的噪聲向量;P1是源節(jié)點(diǎn)的平均發(fā)射功率;fr表示源節(jié)點(diǎn)到中繼節(jié)點(diǎn)Rr的信道衰落系數(shù)。

(2)各中繼節(jié)點(diǎn)向目的節(jié)點(diǎn)D發(fā)送信號(hào)，中繼節(jié)點(diǎn)R4將原發(fā)送信號(hào)乘以預(yù)處理參數(shù)b后再發(fā)送。因此，第r個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)的發(fā)送信號(hào)可表示為

其中，()·*表示共軛操作;預(yù)處理參數(shù)b由目的節(jié)點(diǎn)D反饋而來;各中繼節(jié)點(diǎn)采用等功率分配，ρr=為第r個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)的比例因子，P是源1節(jié)點(diǎn)的平均發(fā)射功率，P2為中繼節(jié)點(diǎn)總發(fā)射功率;Ar和Br是階數(shù)為4的交換矩陣，由編碼矩陣確定。目的節(jié)點(diǎn)D的接收信號(hào)為4×1的列向量，其表達(dá)式為

其中，w是4×1的噪聲向量;gr(r=1，2，3，4)表示中繼節(jié)點(diǎn)Rr到目的節(jié)點(diǎn)D的信道衰落系數(shù);xr為第r個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)的發(fā)送信號(hào)。

2.2 仿真基本流程

在Microsoft Windows XP操作系統(tǒng)的支撐下，選擇 Matlab Version 7.5.0.342.R2007b、Keil和 Proteus7.1SP2為系統(tǒng)的建模、仿真、開發(fā)和運(yùn)行環(huán)境。系統(tǒng)的建模、仿真、開發(fā)和運(yùn)行環(huán)境的構(gòu)建過程是:先借助Matlab/RTW建立模型并生成RTW(Real－Time Workshop)代碼(C語言)，再使用Keil編譯、調(diào)試Matlab生成的C語言代碼，并且生成HEX文件，之后利用Proteus觀察代碼生成的效果，以驗(yàn)證代碼的正確性，基本流程如圖2所示［3－4］。

2.3 程序?qū)崿F(xiàn)

編寫相應(yīng)的m文件dstcm.m，程序的實(shí)現(xiàn)過程如下:

然后使用一個(gè)循環(huán)得到不同信噪比情況下的運(yùn)行仿真，測(cè)試誤碼率并保存在變量y中。

用函數(shù) semilogy(x，y，‘r’)畫出來即可［5］。

圖2 仿真基本流程

3 仿真結(jié)果及分析

圖3是采用本文實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的誤碼率性能的仿真結(jié)果。信號(hào)調(diào)制方式采用BPSK，QPSK和8PSK，假定所有的信道衰落系數(shù)和噪聲都相互獨(dú)立且服從均值為0，方差為1的復(fù)高斯分布，反饋信息不存在誤差，譯碼方案采用最大似然譯碼。

圖3 不同調(diào)制方式下的誤比特率

由圖3可以看出，(1)當(dāng)誤碼率為10－4，調(diào)制方式采用BPSK，增益為1.8 dB;調(diào)制方式采用QPSK時(shí)，其增益為1.6 dB;調(diào)制方式采用8PSK時(shí)，其增益為1.5 dB;(2)當(dāng)誤碼率為10－5時(shí)，調(diào)制分別采用BPSK、QPSK和8PSK時(shí)，其增益分別為2.4 dB、2.2 dB和1.9 dB。因此可以得出，隨著信噪比的增大，對(duì)系統(tǒng)誤碼率性能的提升越顯著。

4 結(jié)束語

本文構(gòu)建了基于Matlab/RTW和Proteus的分布式空時(shí)編碼實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，使用RTW自動(dòng)生成代碼，再用Keil作為中間軟件，生成單片機(jī)使用的HEX文件，之后借助于Proteus進(jìn)行代碼仿真。該平臺(tái)能夠?qū)崿F(xiàn)全速率全分集，可以針對(duì)不同場(chǎng)景中的分布式空時(shí)編碼實(shí)驗(yàn)展開相關(guān)測(cè)試，極大地改善了實(shí)驗(yàn)仿真時(shí)間和降低了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的復(fù)雜性，對(duì)教學(xué)實(shí)驗(yàn)具有實(shí)際指導(dǎo)意義。

［1］李娟，邱曉紅.分層空時(shí)編碼及應(yīng)用研究［J］.電信科學(xué)，2011，51(4):127－129.

［2］宋章瑜，榮定秀，張翠翠.空時(shí)編碼技術(shù)在OFDM系統(tǒng)中的研究［J］.IEEE Trans on Veh Technol，2010，57(7):46－48.

［3］王正林，王勝開，陳國(guó)順，等.MATLAB/Simulink與控制系統(tǒng)仿真［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2008.

［4］林志琦，郎建軍，李會(huì)杰，等.基于Proteus的單片機(jī)可視化軟硬件仿真［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2006.

［5］裴鋒，楊萬生.LabView與MATLAB混合編程［J］.電子技術(shù)應(yīng)用，2004(3):4－6.