基于STBC的MIMO系统通信仿真平台

资 源 简 介

本项目旨在通过MATLAB构建一个完整的空时分组码（STBC）通信链路仿真环境，专门用于对比分析在不同天线配置下的系统传输性能。系统核心功能包含随机比特序列生成、数字调制（如QPSK或QAM）、STBC编码、瑞利衰落信道建模、加性高斯白噪声（AWGN）注入以及接收端的信号检测与译码。在编码环节，项目实现了针对2天线发射的经典Alamouti方案以及针对4天线发射的正交/拟正交空时块编码算法。通过模拟多径传播环境中的独立衰落特性，程序能够准确计算并在不同信噪比（SNR）条件下统计比特误码率（BER）。该项目

详 情 说 明

基于STBC的2x2与4x4 MIMO系统性能仿真分析平台

项目介绍

本项目是一个基于MATLAB开发的通信链路仿真平台，旨在研究和对比空时分组码（STBC）在不同天线配置下的分集增益。平台模拟了完整的物理层传输过程，通过对比经典的2x2 Alamouti方案与4x4正交空时块编码方案，直观地展示了空间分集技术对抵抗瑞利衰落信道影响的效果。

功能特性

1. 多天线架构支持：实现了2x2与4x4两种MIMO配置的链路仿真。
2. 标准调制解调：采用QPSK数字调制映射，并包含相应的硬决策解调算法。
3. 复杂信道建模：构建了独立同分布的瑞利衰落信道模型，并注入可调功率的加性高斯白噪声（AWGN）。
4. 正交编码技术：

* 2x2天线采用Rate-1的Alamouti编码算法。 * 4x4天线采用Rate-1/2的正交空时块编码（基于G4矩阵构造，8时隙传输4符号）。

1. 蒙特卡洛仿真分析：支持多帧迭代计算，能够生成精确的比特误码率（BER）统计数据。
2. 可视化输出：自动生成信噪比与误码率的关系曲线，并提供仿真数据的表格化展示与星座图分析。

系统要求

• MATLAB R2016b 或更高版本。
• 无需额外的工具箱依赖（项目中已实现自定义的位运算与调制函数）。

使用方法

1. 运行主程序脚本。
2. 仿真将自动按照预设的信噪比范围（0dB至20dB，步长2dB）执行蒙特卡洛循环。
3. 命令行窗口会实时显示每个SNR点下的BER结果。
4. 仿真结束后，系统会自动弹出误码率性能对比图及星座图。
5. 仿真结果将以表格形式输出在控制台。

实现逻辑与算法说明

1. 仿真流程流转

主程序遵循以下逻辑闭环：

• 参数初始化：定义SNR范围、调制阶数、仿真帧数及每帧符号数。
• 信号产生：随机生成原始比特序列，并将其转换为QPSK符号向量。
• 分路传输：

* 在2x2支路，符号进入Alamouti编码器，通过2x2瑞利信道。 * 在4x4支路，符号进入G4编码器，通过4x4瑞利信道。

• 接收检测：利用完美的信道状态信息（CSI）进行最大似然合并或线性投影译码。
• 性能统计：比对发送比特与接收比特，计算误码率。

2. 关键函数实现细节

空时编码实现：

• 2x2 传输：将两个连续符号 $s_1, s_2$ 构造为 $2 times 2$ 的Alamouti矩阵。在两个时间步长内，第一天线发射 $s_1, -s_2^*$，第二天线发射 $s_2, s_1^*$。
• 4x4 传输：采用Rate-1/2编码方案。将4个符号映射到一个 $8 times 4$ 的传输矩阵中。这种设计虽然牺牲了传输速率（码率为0.5），但极大地增强了分集增益，利用8个时间间隔实现空间正交性。

译码算法：

• 2x2 译码：通过接收信号与信道系数的复共轭合并，消除符号间的干扰，实现线性合并。
• 4x4 译码：针对G4编码矩阵的结构，通过对8个时隙的接收向量进行特定的线性组合。该方法利用信道矩阵的Frobenius范数进行归一化，通过累加各接收天线上的投影分量来恢复原始的4个符号，有效地实现了空间多径的分集。

基础支撑模块：

• 自定义工具函数：为摆脱对通信工具箱的依赖，代码内部实现了本地化的位转换函数（如二进制转十进制、十进制转二进制）。
• QPSK变换：将比特组直接映射至复平面上的四个象限点，并进行功率归一化处理。

3. 系统输出分析

• 性能曲线：通过 semilogy 函数绘制。4x4系统由于具备更高的空间分集阶数，其BER曲线斜率在理论上比2x2系统更陡峭，反映出更强的抗衰落能力。
• 统计表格：利用 table 数据结构汇总 SNR_dB、BER_2x2 及 BER_4x4 关键指标，便于量化评估。
• 星座图：通过对比原始星座点与接收解调后的星座点分布，直观评估噪声和衰落对信号质量的影响。