MIMO-OFDM系统STBC编码与QPSK调制仿真

资 源 简 介

本项目旨在设计并实现一个基于正交频分复用（OFDM）技术和空时分组码（STBC，具体采用Alamouti编码）的无线通信仿真系统。 系统首先将输入的随机二进制数据流进行QPSK映射，并根据Alamouti编码原理在两个连续的OFDM符号周期内对数据进行编码，从而实现在发射端的空间分集。 OFDM处理流程包括对编码后的符号进行串并转换、插入导频信号、执行IFFT变换将频域信号转为时域信号，并添加循环前缀（CP）以消除多径干扰和保持子载波间的正交性。 信号在传输过程中经过具有频率选择性特征的多径瑞利衰落信道，

详 情 说 明

OFDM系统中的STBC编码与QPSK调制实现项目说明文档

项目项目介绍

本项目提供了一个基于正交频分复用（OFDM）与空时分组码（STBC）技术的无线通信系统仿真框架。系统核心采用 Alamouti 方案，旨在通过在发射端引入空间分集来对抗多径瑞利衰落信道的影响。通过该仿真，可以深入理解 MIMO-OFDM 系统的物理层处理流程，包括数据调制、空时编码、OFDM 符号构建、多径信道模拟以及接收端的信号合并与判决过程。

系统功能特性

1. 支持 2x2 多输入多输出（MIMO）配置，采用经典 Alamouti 双天线发射方案。
2. 实现标准的 OFDM 调制解调流程，包括 IFFT/FFT 变换及循环前缀（CP）的添加与去除。
3. 集成 QPSK 调制与硬判决解调功能。
4. 模拟频率选择性瑞利衰落信道，支持自定义多径抽取数。
5. 实现基于理想信道估计的 STBC 最大比合并（MRC）解码算法。
6. 提供闭环的比特误码率（BER）计算与多维度的结果可视化分析。

使用方法

可以在 MATLAB 环境下直接运行主程序函数。系统将自动开始循环执行不同信噪比（SNR）下的 Monte Carlo 仿真。程序运行过程中会实时处理每一帧数据，并在完成后自动弹出包含 BER 曲线、信号星座图、信道频率响应及比特对比图的可视化窗口。

系统要求

1. 运行环境：MATLAB R2016b 或更高版本。
2. 核心工具箱：基础 MATLAB 即可。

系统实现逻辑与功能详细说明

系统的实现逻辑严格遵循现代通信物理层的处理步骤，具体流程如下：

1. 参数配置阶段

系统初始化了关键的 OFDM 参数：FFT 点数为 64，其中有效子载波数量为 48（采用居中对齐方式映射），循环前缀长度定为 16。仿真设置了 0dB 到 20dB 的 SNR 步进范围，并采用 2 发 2 收的抗衰落配置。

1. 数据生成与 QPSK 调制

程序首先生成随机二进制比特流。每两个 OFDM 符号周期为一个处理单位，对比比特进行 QPSK 映射。映射规则遵循特定的复数星座点定义，将比特对转换为复数符号，并进行 1/sqrt(2) 的功率归一化处理。

1. Alamouti 空时编码

这是系统的核心环节。对于每一对 QPSK 符号 s1 和 s2，系统在两个连续的 OFDM 符号时间内进行编码：

• 时间段 1：发射天线 1 发送 s1，发射天线 2 发送 s2。
• 时间段 2：发射天线 1 发送 -conj(s2)，发射天线 2 发送 conj(s1)。

该操作在频域的有效子载波位置完成。

1. OFDM 调制过程

编码后的频域数据经过 IFFT 变换转换为时域信号。为了消除多径引起的符号间干扰（ISI），在每个时域符号前添加了长度为 16 的循环前缀（CP）。

1. 物理信道模拟

信号通过一个具有 6 条径的频率选择性瑞利衰落信道。系统为发射天线 1、2 到接收天线的每一条链路生成独立的信道冲击响应。在接收端，信号会叠加多径分量，并根据设定的信噪比加入高斯白噪声（AWGN）。

1. 接收端信号处理

接收端首先对每个接收天线的信号进行 CP 去除，随后执行 FFT 变换将其恢复至频域。

1. Alamouti 合并与解码

利用理想获取的信道频率响应，系统对子载波进行逐一处理。对于每个子载波，结合两个时间段内的接收信号与信道矩阵，执行最大比合并逻辑。通过公式 Y1*conj(H1) + conj(Y2)*H2 等方式提取出原始信号的估值，并除以信道功率之和进行归一化。

1. 硬判决与性能统计

对解码后的复数符号进行实部与虚部的零阈值判决，恢复出原始二进制序列。系统统计总比特数与错误比特数，计算各 SNR 点下的平均误码率。

关键函数与算法分析

1. 子载波映射算法

代码通过特定的索引计算实现子载波的居中对齐，即屏蔽直流分量并在高频边缘留出保护带，确保信号分布在 FFT 的双边带中间部分。

1. 多径信道建模

采用随机正态分布生成复增益的冲击响应，并通过 filter 函数实现信号与卷积的线性过滤。信道功率经过归一化处理，保证了信号能量的稳定性。

1. STBC 合并算法

实现的是经典的频域 Alamouti 组合方案，该方案利用了信道在两个连续 OFDM 符号间保持恒定的特性，通过简单的线性运算实现了分集增益，显著抵消了单径衰落导致的信号中断。

1. 结果可视化逻辑

• BER 曲线：使用半对数坐标（semilogy）展示误码率随 SNR 增加的下降趋势。
• 星座图：在 14dB 高信噪比下抓取接收信号，直观展示 QPSK 符号的聚类情况及噪声扩散效应。
• 频率响应图：展示不同天线链路在频域上的深衰落特性，体现频率选择性信道的本质。
• 比特对比图：通过离散序列图直观对比原始比特与恢复比特的吻合程度。