欢迎光临散文网 会员登陆 & 注册

发射分集 Space Time Block Coding (STBC)

2022-09-19 21:57 作者:乐吧的数学  | 我要投稿

对于两发一收的发射分集系统:

(录制的视频在:https://www.bilibili.com/video/BV1uY4y1N7ZV/

第一时刻: 天线1:    s_1        天线2:   s_2

第二时刻:    天线1:    -s_2%5E*  天线2:   s_1%5E*



那么


r_1%20%3D%20h_1%20s_1%20%2B%20h_2%20%20s_2%20%2B%20z_1%20%5C%5C%0A%0Ar_2%20%3D%20h_2%20s_1%5E*-h_1%20s_2%5E*%20%20%2B%20z_2%20%5C%5C


那么:


%5Cbegin%7Balign%7D%0A%0A%0Ah_1%5E*%20r_1%20%2B%20h_2r_2%5E*%20%26%3D%20h_1%5E*(h_1%20s_1%20%2B%20h_2%20%20s_2%20%2B%20z_1)%20%2B%20h_2(h_2%20s_1%5E*-h_1%20s_2%5E*%20%20%2B%20z_2)%5E*%20%5C%5C%0A%0A%26%3D%20%7Ch_1%7C%5E2%20s_1%20%2B%20h_1%5E*h_2s_2%2Bh_1%5E*z_1%20%2B%20%7Ch_2%7C%5E2%20s_1-h_2h_1%5E*s_2%2Bh_2%20z_2%5E*%20%5C%5C%0A%0A%26%3D%20(%7Ch_1%7C%5E2%20%2B%20%7Ch_2%7C%5E2%20)%20s_1%20%2B%20%20h_1%5E*z_1%20%2B%20h_2%20z_2%5E*%0A%0A%5Cend%7Balign%7D


因此:


%5Chat%20s_1%20%3D%20%5Cfrac%7Bh_1%5E*%20r_1%20%2B%20h_2r_2%5E*%7D%7B(%7Ch_1%7C%5E2%20%2B%20%7Ch_2%7C%5E2%20)%7D%20%3D%20s_1%20%2B%20%5Cfrac%7Bh_1%5E*z_1%20%2B%20h_2%20z_2%5E*%7D%7B(%7Ch_1%7C%5E2%20%2B%20%7Ch_2%7C%5E2%20)%7D


同理:


%5Cbegin%7Balign%7D%0A%0Ah_2%5E*%20r_1%20-%20h_1%20r_2%5E*%20%26%3D%20h_2%5E*(h_1%20s_1%20%2B%20h_2%20%20s_2%20%2B%20z_1)%20-%20h_1(h_2%20s_1%5E*-h_1%20s_2%5E*%20%20%2B%20z_2)%5E*%20%5C%5C%0A%0A%26%3D%20h_2%5E*%20h_1%20s_1%20%2B%20%7Ch_2%7C%5E2%20s_2%2Bh_2%5E*z_1%20%20-%20h_1%20h_2%5E*%20s_1%2B%7Ch_1%7C%5E2%20s_2-h_1%20z_2%5E*%20%5C%5C%0A%0A%26%3D%20(%7Ch_1%7C%5E2%20%2B%20%7Ch_2%7C%5E2%20)%20s_2%20%2B%20%20h_2%5E*z_1%20-%20h_1%20z_2%5E*%0A%5Cend%7Balign%7D


因此:


%5Chat%20s_2%20%3D%20%5Cfrac%7Bh_2%5E*%20r_1%20-%20h_1%20r_2%5E*%7D%7B(%7Ch_1%7C%5E2%20%2B%20%7Ch_2%7C%5E2%20)%7D%20%3D%20s_2%20%2B%20%5Cfrac%7Bh_2%5E*z_1%20-%20h_1%20z_2%5E*%7D%7B(%7Ch_1%7C%5E2%20%2B%20%7Ch_2%7C%5E2%20)%7D


两个方程两个未知数,是有可能确定唯一解的。我们再把这两个方程重新审视一下,把第二个方程两边同时取共轭后得到:


r_1%20%3D%20h_1%20s_1%20%2B%20h_2%20%20s_2%20%2B%20z_1%20%5C%5C%0A%0Ar_2%5E*%20%3D%20h_2%5E*%20s_1-h_1%5E*%20s_2%20%20%2B%20z_2%5E*%20%5C%5C


矩阵形式:


%5Cbegin%7Bpmatrix%7D%0A%0A%20%20r_1%20%5C%5C%0A%0A%20%20r_2%5E*%0A%0A%5Cend%7Bpmatrix%7D%0A%0A%3D%0A%0A%5Cbegin%7Bpmatrix%7D%0A%0A%20%20h_1%26%20h_2%20%5C%5C%0A%0A%20%20h_2%5E*%26%20-h_1*%0A%0A%5Cend%7Bpmatrix%7D%0A%0A%5Cbegin%7Bpmatrix%7D%0A%0A%20%20s_1%20%5C%5C%0A%0A%20%20s_2%0A%0A%5Cend%7Bpmatrix%7D%0A%0A%2B%0A%0A%5Cbegin%7Bpmatrix%7D%0A%0A%20%20z_1%20%5C%5C%0A%0A%20%20z_2%5E*%0A%0A%5Cend%7Bpmatrix%7D


我们来看一下系数矩阵的行列式:


%5Cbegin%7Bvmatrix%7D%0A%0A%20%20h_1%26%20h_2%20%5C%5C%0A%0A%20%20h_2%5E*%26%20-h_1*%0A%0A%5Cend%7Bvmatrix%7D%0A%0A%3D-%EF%BC%88%7Ch_1%7C%5E2%20%2B%20%7Ch_2%7C%5E2)


只要两个系数不同时为 0 ,则行列式的值就不为 0 ,则矩阵就可逆,因此,方程有唯一解。


我们再把系数矩阵,写成两个列向量,令


v_1%3D%0A%0A%5Cbegin%7Bpmatrix%7D%0A%0Ah_1%20%5C%5C%0A%0Ah_2%5E*%0A%0A%5Cend%7Bpmatrix%7D


以及


v_2%3D%0A%0A%5Cbegin%7Bpmatrix%7D%0A%0Ah_2%20%5C%5C%0A%0A-h_1%5E*%0A%0A%5Cend%7Bpmatrix%7D


我们可以看到,接收到的信号,若不看噪声的干扰的话,接收到的向量是这两个信道系数列向量的线性组合,而这两个列向量是正交的,这个性质太好了,我们可以用线性空间的思想来再理解一下。


我们先证明一下其正交性,证明其内积等于 0 即可。复数向量的内积为:


%3Cv_1%2Cv_2%3E%20%3D%20v_1%5EH%20v2%20%3D%20(h_1%5E*%2Ch_2)%0A%0A%5Cbegin%7Bpmatrix%7D%0A%0Ah_2%20%5C%5C%0A%0A-h_1%5E*%0A%0A%5Cend%7Bpmatrix%7D%0A%0A%3Dh_1%5E*%20h_2%20%2B%20(%20-h_2%20h_1%5E*)%20%3D%200


如果我们再把这两个向量,做归一化处理,则 s_1 和 s_2 就是接收到的向量在这两个基向量上分解后的坐标。


那么,接收到的向量,可以不相互干扰地分解出这两个坐标:


r%3Dv_1%20s_1%20%2B%20v_2%20s_2%20%2B%20z


则两边同时乘以


v_1%5EH


有:


v_1%5EH%20r%20%3D%20v_1%5EH%20v_1%20s_1%20%2B%20v_1%5EH%20%20v_2%20s_2%20%2B%20v_1%5EH%20z%20%3D%20%7Cv_1%7C%5E2%20%20s_1%20%2B%20%20v_1%5EH%20z


同理,若则两边同时乘以


v_2%5EH


有:


v_2%5EH%20r%20%3D%20v_2%5EH%20v_1%20s_1%20%2B%20v_2%5EH%20%20v_2%20s_2%20%2B%20v_2%5EH%20z%20%3D%20%7Cv_2%7C%5E2%20%20s_2%20%2B%20%20v_2%5EH%20z


多优美的结果呀!


我们再来分析一下接收到的信号的信噪比情况,因为接收到的信号的信噪比,直接影响误码率。因为两个发送的符号,在公式上是完全雷同的,分析一个即可。我们用向量的形式来分析。

若对下式把 s_1 的系数变为1,则就是我们对 s_1 的估计值 %5Chat%20s_1


v_1%5EH%20r%20%3D%20v_1%5EH%20v_1%20s_1%20%2B%20v_1%5EH%20%20v_2%20s_2%20%2B%20v_1%5EH%20z%20%3D%20%7Cv_1%7C%5E2%20%20s_1%20%2B%20%20v_1%5EH%20z


得到:


%5Chat%20v_1%20%3D%20%5Cfrac%7Bv_1%5EH%7D%7B%7Cv_1%7C%5E2%7D%20r%20%3D%20s_1%20%2B%20%5Cfrac%7Bv_1%5EH%7D%7B%7Cv_1%7C%5E2%7Dz


则噪声功率为:


(%20%5Cfrac%7Bv_1%5EH%7D%7B%7Cv_1%7C%5E2%7Dz)%5EH%20%20%20%5Cfrac%7Bv_1%5EH%7D%7B%7Cv_1%7C%5E2%7Dz%20%0A%0A%3D%20z%5EH%20(%20%5Cfrac%7Bv_1%7D%7B%7Cv_1%7C%5E2%7D%20%20%5Cfrac%7Bv_1%5EH%7D%7B%7Cv_1%7C%5E2%7D%20)%20z%0A%0A%3D%20z%5EH%20(%5Cfrac%7B1%7D%7B%7Cv_1%7C%5E2%7D)%20z%0A%0A%3D%20%5Cfrac%7B%7Cz%7C%5E2%7D%7B%7Cv_1%7C%5E2%7D

(对这个公式有修正:https://www.bilibili.com/read/cv27585598

则接收信号的信噪比为:


%5Cfrac%7B%5Cquad%7Cs%7C%5E2%5Cquad%7D%7B%20%5Cfrac%7B%7Cz%7C%5E2%7D%7B%7Cv_1%7C%5E2%7D%7D%20%3D%20%5Cfrac%7B%7Cv_1%7C%5E2%20%7Cs%7C%5E2%7D%7B%7Cz%7C%5E2%7D%0A%0A%3D%20%5Cfrac%7B%7Cv_1%7C%5E2%20P%7D%7B%5Csigma%5E2%7D


其中 P 为发射的有用的信号的功率,%5Csigma%5E2 为噪声功率。


这个与 MRRC 是一样的。



matlab 代码一(自己写的,没有考虑效率,但是稍微直观一点)


matlab 代码二(来自 www.dsplog.com)

这个代码还含有 MRRC( 接收分集的,用来做对比,后续我会出一个专门文章分析 MRRC vs Alamouti )


发射分集 Space Time Block Coding (STBC)的评论 (共 条)

分享到微博请遵守国家法律