MIMO系統(tǒng)中一種正交相移鍵控均衡技術(shù)

關(guān) 浩，朱耀麟

（西安工程大學(xué)電子信息學(xué)院，西安 710048）

MIMO系統(tǒng)中一種正交相移鍵控均衡技術(shù)

關(guān) 浩，朱耀麟

（西安工程大學(xué)電子信息學(xué)院，西安 710048）

針對MIMO（多輸入多輸出）系統(tǒng)傳輸信道模糊、信道容量受限以及信號誤碼率較高的問題，提出先對信號進(jìn)行QPSK（正交相移鍵控）調(diào)制，然后再將改進(jìn)的CMA（恒模算法）與自適應(yīng)波束形成技術(shù)結(jié)合用于MIMO系統(tǒng)中對信號進(jìn)行均衡處理，使信號具有較強(qiáng)的抗干擾性，同時增強(qiáng)傳輸信息的可靠性和穩(wěn)定性。實(shí)驗結(jié)果表明，采用QPSK調(diào)制均衡技術(shù)可以解決信道容量與誤碼率相矛盾的問題，降低碼間串?dāng)_和信道干擾，還可以校正相位誤差，獲得較快的收斂速度以及低誤碼率，使信號得到最佳恢復(fù)。

多輸入多輸出系統(tǒng)；正交相移鍵控調(diào)制；恒模算法；自適應(yīng)波束形成

0 引 言

在無線通信領(lǐng)域，MIMO（多輸入多輸出）系統(tǒng)憑借容量大和頻譜利用率高的特點(diǎn)［1］，受到廣泛關(guān)注。然而，在高速傳輸系統(tǒng)中，多徑效應(yīng)與頻率選擇性衰落等因素對符號間干擾的影響較為嚴(yán)重［2］，近年來，有許多專家學(xué)者從信道編碼方式、均衡技術(shù)等方面對MIMO系統(tǒng)進(jìn)行了深入的研究與系統(tǒng)設(shè)計。清華大學(xué)的孫守宇等人提出了一種修正的CMA（恒模算法），可以使被修正的誤差函數(shù)最小化，收斂速度加快，輸出的符號間干擾?。?］；Shi Kun等提出了基于MIMO的改進(jìn)CMA和SE-CMA（符號誤差函數(shù)CMA）［4］。由于MIMO信道是一個時變、非平穩(wěn)的系統(tǒng)，所以減少ISI（碼間串?dāng)_）的影響、提高頻譜利用率成為研究的重點(diǎn)，將改進(jìn)CMA與自適應(yīng)波束形成技術(shù)結(jié)合應(yīng)用于MIMO系統(tǒng)中，可以自動跟蹤并調(diào)整信道參數(shù)，使傳輸?shù)男畔⒏訙?zhǔn)確。

1 系統(tǒng)模型

在頻譜資源相對貧乏的通信中，MIMO系統(tǒng)可以很好地提高系統(tǒng)的抗衰落和抗噪聲性能，其容量是單天線的近40倍，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速傳輸，提高傳輸?shù)馁|(zhì)量［5］。圖1所示為MIMO系統(tǒng)模型。

圖1 MIMO系統(tǒng)模型

其中，在CMA后采用了自適應(yīng)波束形成技術(shù)，充分利用信號的恒模特性優(yōu)化其代價函數(shù)，最大程度地恢復(fù)恒模信號。本文采用信道系數(shù)干擾比對

MIMO系統(tǒng)性能進(jìn)行評價，其定義如下［6］：

式中，L為整體信道的長度；N為等效信道的數(shù)量；Gi為均衡后信道矩陣。

在MIMO系統(tǒng)中，信道的容量為

式中，det［］表示矩陣的行列式；IL為L×L的單位矩陣；diag（1+ω）表示將信噪比矩陣對角化；ω為每個信道的信噪比。從公式中可以看出，MIMO系統(tǒng)的信道容量是單天線容量的L倍，若天線數(shù)不斷增加，則信道容量也不斷增大，這樣可以在接收端天線合并時減少衰落的影響，增加信噪比［7］。

2 改進(jìn)CMA及自適應(yīng)波束形成技術(shù)

之后，信號經(jīng)過自適應(yīng)波束形成，可以依據(jù)環(huán)境噪聲場的不同自動調(diào)整參數(shù)，利用恒模陣波束形成器最大程度地恢復(fù)恒模信號［9］，并根據(jù)最小均方誤差準(zhǔn)則估計誤差的平方值最小化，抑制干擾并檢測出有用信號。

3 仿真結(jié)果及分析

圖2所示為4×4 MIMO均衡系統(tǒng)在瑞利信道中的BER（誤碼率）曲線。由圖可見，采用MMSE（最小均方誤差）準(zhǔn)則均衡后的BER近似值遠(yuǎn)小于ZF（迫零）準(zhǔn)則下的理論值，也低于MRC（最大比合并）理論值，其BER最小。

圖2 QPSK調(diào)制均衡系統(tǒng)的BER曲線

圖3給出了在相同SNR（信噪比）下采用改進(jìn)CMA和原始CMA時的BER曲線。可以看出，采用改進(jìn)CMA比原始CMA獲得了更低的BER。

圖3 相同SNR下的BER曲線

圖4所示為SNR與信道容量的比較。由圖可見，在相同SNR下，MIMO系統(tǒng)的容量是單線傳輸?shù)?倍多，表明信息傳輸量大。

圖4 SNR與信道容量比較曲線

圖5所示為均衡后系統(tǒng)傳輸信號的星座圖及均衡誤差。均衡系統(tǒng)的濾波器階數(shù)為11，星座點(diǎn)數(shù)為2 000，SNR為25 dB，步長因子為0.001。在圖5的基礎(chǔ)上，對傳輸系統(tǒng)進(jìn)行16相位均衡，星座點(diǎn)數(shù)為5 000，并給出了ISI曲線，如圖6所示。從圖中可以看出，采用此均衡技術(shù)可以明顯提高星座點(diǎn)的收斂速度，降低BER及ISI的影響。

圖5 4相位均衡算法星座圖及均衡誤差

圖6 16相位均衡算法星座圖及ISI

4 結(jié)束語

在MIMO系統(tǒng)中采用QPSK調(diào)制、盲均衡算法以及自適應(yīng)盲均衡波束形成技術(shù)，大大提高了信道容量，而且可以在接收端有效地克服ISI，恢復(fù)出多天線傳輸?shù)男畔?。同時，采用改進(jìn)CMA可以使星座點(diǎn)收斂速度變快，均衡誤差減小，加之利用自適應(yīng)波束形成技術(shù)，減少了信道干擾，有利于信號在信道中傳輸，提高了信號傳輸?shù)臏?zhǔn)確性。MIMO系統(tǒng)中的均衡技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中具有十分重要的意義，尤其在提高接收信號質(zhì)量和信息準(zhǔn)確性以及可靠性方面，具有較高的研究價值。

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［4］ Shi Kun，Zhang Xudong.Blind equalization of MIMO systems based on orthogonal constant modulus algorithm［J］.Journal of Electronics（China），2006，23 （2）：181-183.

［5］ 楊雄，姜玉潔，劉澤，等.基于MIMO-OFDM的衛(wèi)星通信中的MMSE-PIC算法［J］.廣東通信技術(shù)，2015，35 （01）：51-55.

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39-45.

An Equalization Technology of QPSK Modulation in MIMO System

GUAN Hao，ZHU Yao-lin
（College of Electronics and Information，Xi’an Polytechnic University，Xi’an 710048，China）

To solve the problems of the channel blur，limited channel capacity and higher error rate in Multiple-Input Multiple-Output（MIMO）system，we propose a new channel equalization method to compensate the channel distortion to increase the anti-interference，and enhance the reliability and stability of the transmission system.The method is based on the combination of Constant Modulus Algorithm（CMA）and adaptive beamforming technology in MIMO system with Quadrature Phase Shift Keying（QPSK）modulation.The experimental results show that the proposed QPSK equalization technique can solve the contradictory problem between channel capacity and the bit error rate，and reduce the inter-symbol interference and channel interference.In addition，it can achieve the best performances by correcting the phase error with faster the convergence speed and lower bit error rate lower.

MIMO system；QPSK modulation；CMA；adaptive beamforming

TN929.5

A

1005-8788（2016）03-0073-03

10.13756/j.gtxyj.2016.03.023

2015-12-16

陜西省教育廳自然專項項目（14JK1318）

關(guān)浩（1989-），男，山西臨汾人。碩士研究生，主要從事無線通信技術(shù)的研究。