BPSK/QPSK調制方式下的STC-OFDM系統性能

張志斌， 陳 紅

（西南交通大學 信息編碼與傳輸四川省重點實驗室，四川 成都 610031）

0 引言

當前，全球移動通信行業的競爭極為激烈，為了維持在移動通信行業中的競爭力和主導地位，3GPP組織啟動了長期演進計劃（LTE）以實現3G技術向B3G和4G的平滑過渡。LTE系統的技術基礎和主要特點是MIMO-OFDM技術，而空時編碼（STC）是 MIMO的核心技術，因此有人就提出了STC-OFDM系統這一概念[1]。

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

1 系統模型

STC-OFDM 系統的發送端和接收端框圖分別如圖 1和圖2所示，天線采用兩發一收。在發送端，把經過調制后的符號以兩個為一組送入空時編碼模塊進行空時編碼。空時編碼之后產生兩路信號并分別進行OFDM調制，最后把這兩路信號分別從天線1和天線2上發射出去。在接收端，接收到的信號先進行OFDM解調，然后進行空時譯碼并把譯碼后的數據進行解調得到原始信號。

圖1 系統發送端

圖2 系統接收端

1.1 發送端信號處理

如圖1所示，在發送端，信源數據經過調制映射并通過串并變換之后得到符號向量 X ( n)，再進行空時編碼得到X1(n)和 X2(n)：

X1(n)和 X2(n)經過OFDM調制之后分別從天線1和天線2上發射出去。假設 Xe(n)和Xo(n)分別代表偶數符號向量和奇數符號向量，也就是符號向量 X ( n)的奇數部分和偶數部分，表示如下：

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

1.2 接收端信號處理

如圖2所示,假設發射天線1和天線2到接收天線的信道沖激響應分別為h（1n）和h（2n），對其進行DFT變換得到H1(n)和 H2(n)。因此，接收端經過 OFDM 解調之后的信

根據式(5)和式(6)，可把上兩式變換如下：

假設信道估計是理想的，則發送向量可以估計如下：

把式(10)和式(11)分別代入式(12)、(13)并進一步推算可得：

最后對eX 和oX 進行解映射即可恢復信源數據。

2 誤碼率分析

在理想的OFDM系統中，采用BPSK或QPSK調制方式，在瑞利衰落環境下OFDM系統的誤碼率為[2]：

這與BPSK和QPSK調制的誤碼率性能是相同的[2]。

其中，

3 仿真分析

仿真系統采用Alamouti方案的空時編碼[6]，信道為6徑的瑞利衰落信道，抽樣間隔為20 ns，天線采用兩發一收的方案。在仿真過程中，假定每一根發射天線到接收天線的衰落都是相互獨立的，并且采用理想的信道估計。BPSK和QPSK兩種調制方式分別在OFDM系統和STC-OFDM系統中的誤碼率性能如圖3所示。從圖中分析可知，采用空時編碼技術的STC-OFDM系統的BER性能明顯優于OFDM系統，即在原有的 OFDM 系統基礎上增加空時編碼技術以實現空間分集，可以有效對抗多徑信道衰落，而且隨著信道條件的變好，這種性能優勢逐漸增大。另外，對于OFDM系統，BPSK和QPSK兩種調制方式的誤碼率性能是一樣的，與單獨 BPSK和QPSK調制的性能是相同的。而在采用空時編碼的OFDM系統中，兩種調制方式的BER性能卻出現的差異，BPSK調制的誤碼率性能優于QPSK約3 dB。因此在STC-OFDM系統中，當采用自適應調制方案時，在信道條件差的情況下應該考慮BPSK調制，這樣將進一步提高系統的總體性能。

圖3 OFDM和STC-OFDM系統的性能比較

4 結語

將空時編碼和OFDM結合而形成的空時OFDM技術將為B3G及4G寬帶移動通信的無線傳輸找到一種可行的解決方案。本文研究了 BPSK和 QPSK兩種調制方式分別在OFDM系統和STC-OFDM系統中的誤碼率性能。分析表明STC-OFDM 系統通過空間分集，可以更有效地對抗多徑衰落，而且隨著信道條件的變好，這種性能優勢逐漸增大。另外，在 STC-OFDM 系統中 BPSK調制的誤碼率性能優于QPSK約3 dB，因此在采用自適應調制方案時應加以考慮。

[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.