物理层空时编码MIMO通信系统仿真平台

资 源 简 介

该项目提供了一套完整的物理层空时编码（Space-Time Coding, STC）端到端MATLAB仿真框架，模拟了从信号发送、无线信道传输到信号接收的闭环通信过程。系统主要实现了典型的空时块编码（STBC）算法，其中包括著名的Alamouti编码方案，能够利用多个发射天线在空间和时间维度上产生冗余。发射端功能涵盖随机比特产生、信源编码、数字调制（如BPSK、QPSK或16QAM）以及空时映射逻辑；信道部分模拟了频率非选择性的瑞利衰落信道，并加入了加性高斯白噪声（AWGN）干扰，以模拟真实无线环境中的多

详 情 说 明

物理层空时编码MIMO通信系统MATLAB仿真平台

项目介绍

本项目是一个基于MATLAB开发的物理层链路级仿真平台，旨在模拟和评估多输入多输出（MIMO）通信系统在空时块编码（STBC）技术下的性能。系统核心实现了经典的Alamouti编码方案，通过在两个发射天线上进行空间与时间维度的信号映射，实现发射分集增益。该平台模拟了从原始比特流产生、数字调制、瑞利衰落信道传输到接收端信号合并与解调的完整端到端通信流程，是研究MIMO系统可靠性和分集特性的理想工具。

功能特性

• 多天线配置支持：支持2x1（双发单收）及2x2（双发双收）等不同的天线配置方案，便于对比分集增益。
• 空时块编码实现：完整实现了Alamouti STBC算法，包括发射端的正交映射和接收端的线性合并逻辑。
• 高阶调制功能：内置16QAM调制与解调模块，包含符号功率归一化处理。
• 信道环境模拟：精确模拟了准静态瑞利衰落信道，即在一个空时编码块周期内信道增益保持恒定。
• 加性噪声干扰：支持根据指定的信号信噪比（SNR）添加加性高斯白噪声（AWGN）。
• 性能可视化分析：自动生成误码率（BER）随SNR变化的特性曲线，并提供接收端合并后的星座图展示。

使用方法

1. 启动MATLAB软件。
2. 将包含仿真代码的文件夹设置为当前工作目录。
3. 在命令行窗口输入 main 并回车运行。
4. 程序将自动执行不同天线配置下的循环仿真。
5. 仿真完成后，系统会弹出BER性能曲线图以及16QAM信号在接收端的星座图映射结果。

系统要求

• MATLAB R2016b 或更高版本。
• 无需额外安装工具箱（代码通过内建逻辑函数实现了调制、解调和码位转换等核心功能）。

仿真平台实现逻辑

1. 参数初始化与环境设置 系统首先定义物理层关键参数，包括发射天线数（固定为2）、接收天线数列表（1和2）、调制阶数（16QAM，每符号4比特）、信噪比范围（0至20dB）以及总仿真比特数。

2. 发射机信号处理链

• 比特产生：生成均匀分布的随机二进制比特流。
• 比特到十进制转换：通过自定义逻辑将每4个比特划分为一组，并转换为对应的十进制数值。
• 16QAM映射：将十进制数值映射到复平面上的16QAM星座点。映射采用了矩形星座逻辑，实部和虚部取值范围为[-3, -1, 1, 3]。
• 功率归一化：为了维持平均发射功率为1，对16QAM符号除以平均能量缩放因子（sqrt(10)）。

3. Alamouti 空时物理层映射 系统将归一化后的符号序列分为两路（s1和s2）。在一个编码块的两个时刻中：

• 时刻 t：发射天线1发送 s1，发射天线2发送 s2。
• 时刻 t+T：发射天线1发送 -conj(s2)，发射天线2发送 conj(s1)。

这种正交结构保证了即使在多径衰落环境下，接收端也能通过简单的线性运算分离出原始信号。

4. 瑞利衰落信道建模

• 信道系数产生：为每个空时编码块生成复高斯分布的信道矩阵 H，模拟瑞利衰落特性。
• 准静态假设：假设在连续的两个符号周期内，信道特征保持不变。
• 叠加噪声：根据当前的SNR计算噪声方差，并向接收信号中注入复高斯白噪声。

5. 接收机信号处理与解耦

• 线性合并（Alamouti解码）：接收端利用已知的信道状态信息（CSI），对每一根接收天线在两个时刻接收到的信号进行加权合并。
• 信道增益归一化：合并后的信号除以等效信道增益因子（所有信道路径能量之和），以消除信道幅度缩放的影响。
• 解调与判决：对合并后的复数信号进行反归一化，随后执行硬判决。判决逻辑通过寻找与接收点距离最近的标准16QAM星座点来恢复十进制符号。
• 十进制到比特转换：将判决后的十进制值还原为二进制比特矩阵。

6. 性能评估与输出

• 误码率计算：对比发送端原始比特与接收端恢复比特，计算差异位占比。
• 绘图展示：使用对数坐标系绘制SNR-BER曲线，直观展示分集阶数提高带来的性能提升（如2x2相较于2x1的斜率变化）。

关键辅助函数说明

• 位转换函数：分别实现了比特流与十进制数值之间的相互转换，支持多位平面并行处理。
• 调制映射函数：基于算术逻辑直接计算星座点坐标，避免了对外部通信工具箱的依赖。
• 硬判决函数：通过对接收点实部和虚部进行限幅和量化，快速确定星座点索引并映射回十进制数值。
• 误码统计函数：逐位比较原始数据与接收数据，输出精确的错误比特数和误码率。