文档介绍：基于MIMO的通信系统实验平台的研制
摘要
课题利用软件无线电的思想,采用了matlab语言和GUI图形用户界面作为工具,并且借助了MIMO即多发送多接收天线技术搭建出一个数字通信系统实验平台。研制的MIMO实验平台具有可视化、开放性、可扩展性、无成本、易于使用和维护等优点。
实验系统共划分为四个模块:MIMO通信演示模块、通信系统DIY模块、编码译码模块、调制解调模块。源程序及实验系统说明书另附。
关键词:MIMO、通信系统、MATLAB、图形用户界面
一、引言
课题的研究目的及意义
在当今高度信息化的社会,信息和通信已成为现代社会的“命脉”。日新月异的现代通信技术不仅推动了社会信息化发展,也改变了人们的工作、学习和生活方式,高等院校也随之建立了通信工程或与之相关的专业,相应地,通信原理的教学也发展到了一个新的阶段,面临着许多新问题需要探索和研究,新的通信系统的出现很大程度上是以通信理论的发展为基础的。
通信原理是通信工程专业、电子信息专业的一门重要的专业基础课程,它以各种通信系统的基本理论为研究对象,内容涉及典型的现代通信系统各个组成部分的工作原理分析和设计方法。掌握这门课程对于学生学习、研究有关具体通信系统的后续专业课程,以及将来从事相关的科研、生产和管理工作部是十分重要的。通信原理与实际应用联系密切,又具有很强的理论性和抽象性,并且需要应用概率论、随机过程、信号与系统、模拟与数字电路等多门课程知识为基础,给学生的学习造成了一定的困难。形成学习困难的原因是多方面的,但其中最主要的是学生缺乏一个直观认识通信系统的感性基础
为了解决该问题,使抽象的理论知识具体化、形象化,本课题旨在通过以MATLAB语言进行的GUI编程,搭建出一个简单的、直观的、容易操作的、可视化的人机交互界面。通过参数设置、鼠标点击按钮等,即可观察到通信过程中信号的变化,了解通信的基本原理对MIMO有初步的认识。同时,在具体的模块中,用户可以自己输入信号观察信号编码后的结果,互动性更强以提高学生的学习兴趣。
我们课题的目的是研究基于MIMO的数字通信系统实验平台的设计方法并对其加以实现。
国内外研究现状
在现代计算机技术高度发达的基础上开发出来的软件无线电技术,把现代通信系统的设计与实现途径从基于硬件的、面向用途的系统设计方法中解放出来,而且随着计算机处理能力的提高,基于计算机的仿真技术也得到了快速的发展,仿真已贯穿于整个软件无线电通信系统的设计、实现过程。在通信系统的仿真的实现上,现已有各种形式的开发软件,如SystemView,LabVIEW,mlib等,它们为通信领域的科研与教学工作提供了研究与实践的平台。
基于上述软件平台的通信系统及其子模块的仿真研究很多,如通信系统的软件实验室设计与实现、调制解调的仿真与实现、采样频率仿真、基于Matlab的现代通信系统的仿真与分析等等。
但是仅凭MATLAB M语言编写的文件,虽然能动态改变某些参数,但是对于用户来说,这种修改不够方便、直观。而用MATLAB SIMULINK模块搭建的,虽然可以减少函数的编写,但其封装性使得用户无法真正了解其内部组成原理。因此,我们选择使用MATLAB M文件和图形用户界面GUI编程两者相结合的方法。通过编写MATLAB M文件,可以方便地进行通信系统的分析和仿真,直观清楚,对于比较难理解的概念和原理有非常大的指导作用。配合GUI可以大大改善现行的数字仿真系统的交互性,使其具有友好的人机交互界面,易于用户接受和使用。
在系统级的通信平台开发方面也多有与本项目相类似的研究及相应的论文成果,如南开大学信息学院的“基于MOMO-OFDM无线通信系统的设计与仿真”将MIMO技术与OFDM(正交频分复用)技术结合,用Matlab进行仿真,结果显示其差错性能、信噪比、误比特率的技术指标均较好;由北京航空航天大学开发的“新型开放式通信原理实验平台”,采用以FPGA和单片机为核心、软硬件结合的方案设计开发的一实验平台,由于采用了大量的硬件开关,其“软件”程度也相应降低了许多。这些系统级的实验或为算法仿真,或为软硬件相结合的实验平台,考虑其在硬件要求、用户接口及上述的模块开放性与透明度上的表现,其用于教学实验都多有局限性。故在当前通信课程实验教学水平普遍较低的状况下,开发一硬件要求低、界面友好、有良好开放性的通信系统仿真实验平台有重要的意义。
另外近年来,基于多发多收天线技术的MIMO矢量传输方法提供了从根本上提高无线通信系统信道容量和频谱利用率的新途径。它在算法及无线信道建模方面与传统的双工通信方式相比有许多的创新,如其算法采用了空时编码以及新的复用方案--数据率最大化方案,而对应的信道建模则有空时编解码、空时均衡与收发信随机算法等。将这些基本