辛 秀 方澤凱 楊芷華

（五邑大學信息工程學院，廣東 江門529020）

0 引言

近來，由于高速交通工具的發(fā)展，人們對在享用快速交通的同時又可實時的觀看圖像視頻資料有了很大的需求。

在高速移動通信系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)之一是調(diào)制技術(shù)。MSK調(diào)制技術(shù)是最小頻移鍵控(MSK,Minimum Shift Keying)調(diào)制技術(shù)。MSK調(diào)制信號與其他調(diào)制信號相比較，具有信號功率譜密度集中、頻帶利用率很高、頻帶較窄等優(yōu)點。采用很包絡(luò)與“1”碼及“0”碼的信號波形正交，有利于構(gòu)成最佳接收系統(tǒng)來降低誤碼率[1]。高速移動通信系統(tǒng)的另一關(guān)鍵技術(shù)之一是MIMO(multiple input multiple output)技術(shù).采用MIMO技術(shù)可以提高系統(tǒng)容量、可靠性，降低誤碼率。前者是利用MIMO信道提供的空間復用增益，后者利用MIMO信道提供的空間分集增益[2]。

由于無線通信系統(tǒng)在高速移動的條件下，有多普勒頻移等復雜因素影響系統(tǒng)通信質(zhì)量，而與高速移動系統(tǒng)相適應的調(diào)制與MIMO技術(shù)是提高通信系統(tǒng)的方案之一。為了獲得MSK和MIMO技術(shù)在高速移動通信系統(tǒng)的優(yōu)點，本文設(shè)計了基于MSK與MIMO技術(shù)的高速移動圖像傳輸通信系統(tǒng)，并對該系統(tǒng)通過仿真實驗，獲得圖像傳輸?shù)男阅芙Y(jié)果。

1 系統(tǒng)原理

1.1 基于MSK與MIMO技術(shù)的高速移動通信圖像傳輸系統(tǒng)模型

圖1 基于MSK與MIMO技術(shù)高速移動通信系統(tǒng)方框圖

圖1所示為基于MSK與MIMO技術(shù)高速移動通信系統(tǒng)方框圖，在該MIMO系統(tǒng)中有發(fā)信與收信天線Mt，Mr根。發(fā)信端將信源數(shù)據(jù)流進行MSK調(diào)制獲得符號流=(s1s2…sMt)，在經(jīng)過串并轉(zhuǎn)換形成發(fā)射向量X=[s1s2…sMt]T。接收端通過信道接收到的信號為：

式（1）中，Y，n均為Mr維列向量。Y=[y1y2…yMr]，n=[n1n2…nMr]，ni(i∈{1,2,…Mr})是復高斯隨機變量ni∈CN(0,σ2)；H為Mr×Mt的信道增益矩陣：

1.2 MIMO高速移動信道模型設(shè)計

如圖2所示，為一基站與高速移動用戶。移動用戶配置有Mr根接收天線，基站有Mt根發(fā)射天線，該用戶與基站進行通信?；拘^(qū)半徑為R，基站到用戶運行方向的最小距離為dmin，移動用戶的行進距離為dm?，F(xiàn)基站有Mt根發(fā)射天線，基站與用戶水平運動方向夾角，為φ[3]。

圖2 基站與高速移動用戶相對位置

現(xiàn)假設(shè)有一用戶收機接收信號，基站天線間的信道增益相關(guān)，hij是H中的第j行第i列的元素，表示從基站的發(fā)射天線i到接收天線j的信道萊斯衰落；

其中Kj表示基站到接收天線之間的物理信道的萊斯因子。夾角計算公式如下：

其中d表示兩發(fā)射天線間距不大于半波長，fc表示載波頻率。c為光速，bji(t)服從N(0,1)，即為bji(t)～CN(0,1)，φ表示的是基站與水平方向的夾角，計算公式為：

1.3 MSK調(diào)制

MSK調(diào)制是用基帶信號對載波的頻率進行鍵控使得調(diào)制信號的相位連續(xù)、包絡(luò)恒定并且占用帶寬最小的二進制調(diào)制方式[4-5]。

MSK調(diào)制器可以分解為一個卷積碼編碼器（稱為相位編碼器D）和一個無記憶波形映射[6]，如圖4為兩種經(jīng)典的MSK編碼調(diào)制。其中調(diào)制器的輸入為二進制碼元，相位編碼器的輸出為二元(a,b)，其中a,b∈{0,1}?！癕SK映射1”的映射準則為：

“MSK映射2”的映射準則為：

圖3 兩種經(jīng)典的MSK編碼調(diào)制

1.4 維特比判決譯碼

維特比判決是一種基于最大似然序列檢測（MLSD,Maximum likelihood sequence detection）的順序網(wǎng)格搜索算法，MLSD算法通過最小歐氏距離的路徑進行符號判決。最大似然檢測準則為：

維特比算法譯碼是根據(jù)網(wǎng)格圖搜索路徑，在每一級搜索各路徑時，計算歐氏距離，然后保留最小路徑，這樣每一次搜索路徑的數(shù)量會減小一半，降低了運算量。維特比判決法在搜索最小路徑時,充分利用了MSK信號前后碼元間的相關(guān)性,一定程度上提高了誤碼性能。

2 仿真實驗

假設(shè)實驗條件為Mr=2，Mt=2，其中載波頻率fc=2GHz，萊斯因子k=6，最小距離dmin=30m，基站半徑R=3Km，用戶運行速度v=360Km/h，測量周期設(shè)定為Ts=500ms。

圖4 誤碼性能曲線

分別采用MSK調(diào)制、BPSK調(diào)制和QPSK調(diào)制（采用QPSK調(diào)制時，兩根天線發(fā)的符號相同），通過仿真實驗，比較三種調(diào)制方式的誤碼曲線。從圖4可以看出在發(fā)送同比特的情況下，MSK調(diào)制的抗干擾性能優(yōu)于QPSK和BPSK，提高了系統(tǒng)的傳輸性能，降低了誤碼率。在誤碼率為10-4時，采用MSK調(diào)制方式比BPSK調(diào)制方式的通信系統(tǒng)有6dB的增益。

圖5左是原圖像和在信噪比snr=4的情況下，分別采用MSK，QPSK，BPSK調(diào)制后的圖像，可以看到采用MSK調(diào)制的圖像清晰度明顯高于BPSK調(diào)制與QPSK調(diào)制。

圖5右是snr=14的情況下，分別采用MSK，QPSK，BPSK調(diào)制后的圖像。MSK的圖像最清晰，抗干擾性最強。并且MSK調(diào)制在snr=14比snr=4的圖片效果好很多。

圖5 SNR=4.0dB（左）與SNR=14.0dB（右）接收到的圖片效果比較

3 結(jié)論

高速移動通信系統(tǒng)中，由于高速移動而產(chǎn)生多普勒頻移等一系列復雜因素，嚴重影響通信系統(tǒng)的通信質(zhì)量，然而采用MIMO技術(shù)和MSK技術(shù)能使系統(tǒng)獲得很好通信效果，因此對MSK技術(shù)和MIMO技術(shù)的研究很有必要。

為了提高高速移動通信的通信質(zhì)量，本文設(shè)計了一個基于MSK和MIMO技術(shù)的高速移動通信圖片傳輸系統(tǒng)并對其進行了仿真實驗。實驗結(jié)果表明，采用MSK和MIMO技術(shù)在整體上提高了系統(tǒng)的傳輸性能，降低了誤碼率，并改善了傳輸圖片的質(zhì)量，使整個通信系統(tǒng)具有較強的抗干擾能力。

［1］吉利萍.MSK調(diào)制技術(shù)研究[J].電腦知識與技術(shù),2009,5(18).

［2］Telatar E.Capacity of Multi-antenna Gaussian Channels[J].European transactions on telecommunications,1999,10(6)：585-595.

［3］Cheng M,Fang X.Location information-assisted opportunistic beamforming in LTE system for high-speed railway [J].EURASIP Journal on Wireless Communications and Networking,2012,2012(1)：1-7.

［4］樊昌信.曹麗娜.通信原理[M].6版.北京：國防工業(yè)出版社,2008.

［5］Anderson J B,Offer E.Reduced-state sequence detection with convolutional codes[J].Information Theory,IEEE Transactions on,1994,40(3)：965-972.

［6］Rimoldi B E.A decomposition approach to CPM[J].Information Theory,IEEE Transactions on,1988,34(2)：260-270.