本文檔描述了如何使用NI LabVIEW軟件和NI USRP™(通用軟件無線電外設(shè))硬件來搭建2x2多輸入多輸出(MIMO)系統(tǒng)。在對MIMO進(jìn)行簡短的介紹后，本文將基于LabVIEW深入探討采用Alamouti空時(shí)分組編碼和最大比合并(maximal ratio combining, MRC)的2x2系統(tǒng)的軟件和硬件。

什么是MIMO？

MIMO可在不增加功耗的情況下提高無線系統(tǒng)的性能。它是建立在以下理論的基礎(chǔ)上：使用多個(gè)天線時(shí)，傳輸?shù)男盘枏陌l(fā)射機(jī)天線沿著不同的無線信道傳輸至接收天線，通過信道分集來獲得容量增益。

開發(fā)2x2 MIMO系統(tǒng)

本文介紹的MIMO系統(tǒng)在發(fā)送端采用Alamouti空時(shí)分組編碼，在接收端采用最大比合并(MRC)。這兩種技術(shù)的結(jié)合使得2x2 MIMO系統(tǒng)能夠完全分集。

發(fā)射機(jī)根據(jù)Alamouti方案對符號進(jìn)行如下編碼：前兩個(gè)符號（s1和s2）轉(zhuǎn)化為一個(gè)2x2矩陣，

行代表不同的發(fā)射天線，列代表連續(xù)時(shí)隙。 連續(xù)傳送的每對符號重復(fù)此過程。

2x2 MIMO系統(tǒng)： 硬件配置

2x2系統(tǒng)需要配置四個(gè)NI USRP收發(fā)器，因?yàn)閱蝹€(gè)收發(fā)器無法同步執(zhí)行兩次發(fā)送或接收。推薦采用以下配置：

·  配有免費(fèi)兆位以太網(wǎng)端口的計(jì)算機(jī)。
·  連接至計(jì)算機(jī)的兆位以太網(wǎng)開關(guān)。
·  第一個(gè)收發(fā)器通過以太網(wǎng)直接連接至開關(guān)，第二個(gè)收發(fā)器通過MIMO電纜連接至第一個(gè)收發(fā)器。這兩個(gè)收發(fā)器用作發(fā)射機(jī)。
·  第三個(gè)收發(fā)器通過以太網(wǎng)直接連接至開關(guān)，第四個(gè)收發(fā)器通過MIMO電纜連接至第三個(gè)收發(fā)器。這兩個(gè)收發(fā)器用作接收機(jī)。

圖1. 2x2 MIMO硬件安裝圖

圖1顯示的配置可用于同步兩個(gè)發(fā)射機(jī)之間的參考時(shí)鐘源和兩個(gè)接收機(jī)之間的參考時(shí)鐘源。每個(gè)收發(fā)器的一根天線連接至其中一個(gè)端口（NI推薦較為方便的RX1/TX1）。為了使MIMO系統(tǒng)的每個(gè)信道完全分集，兩個(gè)發(fā)射機(jī)的間距應(yīng)大于所使用的載頻波長的一半（接收機(jī)端也是如此）。

2x2 MIMO系統(tǒng)： 軟件配置

以下2x2 MIMO范例為LabVIEW應(yīng)用，需要配置以下軟件組件：

·  NI LabVIEW 2011版（或更高版本）系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件—完整版、專業(yè)版或?qū)W生版
·  NI-USRP 版本 1.1
·  NI LabVIEW調(diào)制工具包版本4.3.1
·  2x2 MIMO VI范例

范例操作

將附件中的壓縮文件解壓到新文件夾并在LabVIEW中打開名為2x2QAMAlamouti.vi 的文件。

圖2. 2x2QAMAlamouti.vi范例中前面板的系統(tǒng)參數(shù)選項(xiàng)卡

在范例的前面板（圖2）上，單擊系統(tǒng)參數(shù)選項(xiàng)卡。Tx設(shè)置和Rx設(shè)置集群分別包含Tx對和Rx對的NI USRP收發(fā)器參數(shù)。按照以下指示在這些集群和鏈路參數(shù)集群中設(shè)置控件：

USRP IP地址：輸入每個(gè)Tx對和Rx對與兩個(gè)NI USRP收發(fā)器相對應(yīng)的IP地址。使用分號隔開每個(gè)地址，例如： “192.168.10.6; 192.168.10.5.”

I/Q采樣率[S/sec]，符號率、Tx過采樣因子和Rx 過采樣因子：在I/Q采樣率中輸入Tx對和Rx對的基帶I/Q信號采樣率，以采樣點(diǎn)/每秒計(jì)。輸入符號率、Tx過采樣率因子和 Rx過采樣率因子的值，I/Q采樣率應(yīng)為所需符號率的偶倍數(shù)。輸入與該偶倍數(shù)對應(yīng)的過采樣因子偶數(shù)值。換而言之，I/Q采樣率、符號率和過采樣因子參數(shù)之間的關(guān)系應(yīng)為如下所示：

              I/Q采樣率= 符號率* 過采樣因子

載波頻率[Hz]: 輸入Tx對和Rx對的正常載波頻率，單位為Hz。用戶需要選擇一個(gè)符合當(dāng)?shù)胤ㄒ?guī)定的頻率。

開始觸發(fā)時(shí)間集群—整數(shù)秒，小數(shù)秒：選擇開始觸發(fā)時(shí)間的整數(shù)秒和小數(shù)秒，確保接收機(jī)開始接收的時(shí)間剛好在發(fā)射機(jī)開始傳送之前。

每個(gè)設(shè)備陣列：每個(gè)設(shè)備陣列是指包含兩個(gè)元素的集群陣列。每個(gè)陣列的元素對應(yīng)Tx對或Rx對的各個(gè)NI USRP收發(fā)器。元素0對應(yīng)USRP IP地址中的第一個(gè)NI USRP收發(fā)器，元素1對應(yīng)USRP IP地址的第二個(gè)NI USRP收發(fā)器。用戶需要配置Tx對和Rx對的NI USRP收發(fā)器的值，使每個(gè)設(shè)備對的收發(fā)器共享同一參考頻率和時(shí)基時(shí)鐘源。用戶可設(shè)置每個(gè)設(shè)備對的一個(gè)NI USRP收發(fā)器（“初級收發(fā)器”），通過MIMO電纜連接將設(shè)置傳輸?shù)搅硪粋€(gè)收發(fā)器（“次級收發(fā)器”）。若需設(shè)置此配置，請按照以下說明設(shè)置每個(gè)設(shè)備陣列的元素：

每個(gè)設(shè)備陣列元素0：
     參考頻率源：內(nèi)部
     時(shí)基時(shí)鐘源：內(nèi)部

每個(gè)設(shè)備陣列元素1：
     參考頻率源：MIMO
     時(shí)基時(shí)鐘源：MIMO

參數(shù)正確設(shè)置后，就可運(yùn)行VI。這樣，Tx對發(fā)射的突發(fā)信號將由Rx對接收。出現(xiàn)圖3所示的波形則表明重構(gòu)成功。

圖3. 最上方的大圖表明2x2系統(tǒng)中的4QAM成功重構(gòu)，圖中顯示的是兩根接收天線的I/Q元件接收的時(shí)域信號樣本（總共4個(gè)信號）。左下方的兩個(gè)星座圖顯示的是兩個(gè)Rx NI USRP收發(fā)器接收到的信號。右下星座圖顯示的是重構(gòu)后的星座圖。

使用LabVIEW搭建2x2 MIMO系統(tǒng)

圖4顯示的是此范例的實(shí)現(xiàn)框圖（LabVIEW圖形化程序）。以下部分描述的是該系統(tǒng)的一些主要應(yīng)用領(lǐng)域。

圖4. 2x2QAMAlamouti.vi LabVIEW框圖由三部分組成。左上部分的代碼用于合成傳輸信號。中間靠下部分的代碼用于啟動(dòng)NI USRP硬件的Tx/Rx操作。右上部分的代碼用于處理接收的信號并顯示接收的波形。

傳輸信號準(zhǔn)備

傳輸信號準(zhǔn)備的第一步是從LabVIEW調(diào)制工具包中調(diào)用子VI（子路徑）。調(diào)用MT Generate Bits將會(huì)生成用作信息位的PN序列。這些信息位通過調(diào)用MT Map Bits to Symbols映射為符號。

然后根據(jù)Alamouti編碼方案對上一步生成的符號（圖 5）進(jìn)行編碼。結(jié)果產(chǎn)生一個(gè)包含兩個(gè)數(shù)據(jù)流的二維符號陣列，每個(gè)數(shù)據(jù)流對應(yīng)一個(gè)發(fā)射機(jī)。

圖5. subApplyAlamoutiCode.vi的框圖，該子VI簡單明了，采用了Alamouti編碼，通過幾次陣列處理生成所需的二維符號陣列。

符號編碼后，該應(yīng)用將訓(xùn)練符號序列置于每個(gè)數(shù)據(jù)流之前。接收機(jī)通過訓(xùn)練序列實(shí)現(xiàn)同步和通道估計(jì)。

訓(xùn)練序列加法運(yùn)算將同一的序列置于每個(gè)數(shù)據(jù)流之前，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行排列，使得序列先由其中一個(gè)Tx NI USRP收發(fā)器傳輸，然后再由另一個(gè)收發(fā)器傳輸——例如，兩個(gè)Tx NI USRP收發(fā)器中的其中一個(gè)收發(fā)器傳輸序列時(shí)，另一個(gè)收發(fā)器為靜止?fàn)顟B(tài)。而另一個(gè)收發(fā)器傳輸相同的序列時(shí)，前一個(gè)收發(fā)器就處于靜止?fàn)顟B(tài)。

發(fā)射/接收信號之前信號合成的最后一步是以Tx過采樣控件中指定的速率對即將傳輸?shù)姆柨臻g樣本進(jìn)行上采樣，然后通過脈沖整形濾波器對上采樣信號進(jìn)行濾波。

信號恢復(fù)

在接收端，USRP Fetch Rx Data VI恢復(fù)為接收信號的二維陣列，每一行代表從每根天線接收的信號樣本的數(shù)據(jù)流。

在信號恢復(fù)的第一步，用戶需要從接收端的數(shù)據(jù)幀中提取接收的數(shù)據(jù)包。采用能量檢測算法來確定數(shù)據(jù)包的起始點(diǎn)，并丟棄數(shù)據(jù)幀中剩下的非數(shù)據(jù)包部分。

然后，使用匹配濾波器對每個(gè)數(shù)據(jù)流進(jìn)行濾波，并對接收的二維陣列的兩行數(shù)據(jù)之間的能量進(jìn)行比較，確定較強(qiáng)的信號。最后，對信號較強(qiáng)的那一行進(jìn)行符號同步，并在兩行數(shù)據(jù)上加上所計(jì)算的偏移量。

圖6. 圖中顯示的是接收到的四個(gè)波形—來自兩根Rx天線的I和Q波形。 接收的數(shù)據(jù)包的起始部分可進(jìn)行放大，方便用戶觀察從每個(gè)Tx天線接收的訓(xùn)練序列。

幀同步較為復(fù)雜，且取決于發(fā)送端的兩個(gè)訓(xùn)練序列結(jié)構(gòu)。在此情況下，兩個(gè)發(fā)射機(jī)使用的是相同的訓(xùn)練序列，但序列之間存在偏移，因此當(dāng)序列重疊時(shí)，看起來就像是一串兩倍長的連續(xù)訓(xùn)練序列。該應(yīng)用通過搜索接收信號中兩個(gè)包含T個(gè)符號的連續(xù)符號集（每個(gè)訓(xùn)練序列的長度為T）之間關(guān)聯(lián)性最高的部分來實(shí)現(xiàn)幀同步。在接收到的二維陣列的兩行數(shù)據(jù)上加上所計(jì)算的幀補(bǔ)償量。

針對信道估計(jì)，有四個(gè)不同的信道可供選擇。二維陣列的每一行包含兩個(gè)訓(xùn)練序列（每個(gè)序列對應(yīng)一個(gè)發(fā)射機(jī)）。因此，通過對每行的每個(gè)訓(xùn)練序列進(jìn)行信號估計(jì)，就可估計(jì)四個(gè)信道的參數(shù)。

這些參數(shù)估計(jì)對于下一步非常重要，因?yàn)樵谙乱徊街杏脩魧?huì)對Alamouti編碼方案進(jìn)行解碼，執(zhí)行MRC，從而將二維符號陣列轉(zhuǎn)化為正確的一維符號陣列。用戶可分開執(zhí)行最后兩步，或者在此應(yīng)用中使用單矩陣乘法。單矩陣乘法方法比大型MIMO系統(tǒng)更容易普及。

結(jié)果

圖3顯示的是由四個(gè)NI USRP收發(fā)器組成的2x2 MIMO系統(tǒng)測試運(yùn)行時(shí)的兩個(gè)Rx信號星座圖。最右邊的圖顯示的是執(zhí)行Alamouti解碼、MRC和信道均衡后的最終信號星座圖。該圖表明此范例運(yùn)行正常。