随着通信业务数据量的不断激增,日益紧缺的频谱资源与数据传输速率之间的矛盾逐渐突显，如何在有限的频谱资源中尽可能多地传输数据以及在复杂的通信环境下提高通信系统的可靠性成为通信界一大热点研究问题。

    参考文献[1]和参考文献[2]提出了一种MIMO技术与TDCS技术相结合的方案,并对其性能做了分析和仿真研究。此方案将MIMO技术能够在不增加系统带宽、系统总功率的条件下大幅度提高系统容量的优点和TDCS较强的抗干扰、低检测和低截获性能有效地结合起来[3-4]，在一定程度上改善了传统TDCS系统性能。但对参考文献[2]进一步分析研究发现其使用全部可用子载波传输一个数据符号，频带利用率较低，并且它所使用的解调接收方法相对比较复杂。本文在对成熟的OFDM收发技术分析研究的基础上，对原有系统进行了改进，实现了多数据符号加载。改进后的系统能够在保证一定误码率性能的同时提高系统频谱利用率并简化接收端结构。验证了基于OFDM的多输入多输出变换域通信系统MIMO-TDCS(Multiple Input and Multiple Output-Transform Domain Communication System）在提高频谱利用率方面是一个可以进一步研究的方向。
1 系统结构模型搭建
1.1 OFDM数据收发原理在MIMO-TDCS中的运用
    基于OFDM的MIMO-TDCS系统的主要思想是对MIMO-TDCS符号在频域调制方式下进行多数据符号加载，然后经OFDM收发技术收发[5]。在MIMO-TDCS系统中经过频谱感知、空闲频谱标记和随机相位添加后形成长度为N(为了便于利用快速算法，N一般选取为2的幂次方)的基函数频域向量，然后将N长基函数频域向量划分成P段(为了每个子段能够利用快速算法，P选取为2的幂次数方且P≤N)，用不同数据符号的频域调制形式分别对不同子段调制(当P=N时就类似于OFDM的数据调制形式，当P=1时就相当于原始MIMO-TDCS数据传输的频域调制形式)，然后经过空时编码和IFFT变换后由天线发送传输。OFDM收发思想在MIMO-TDCS中应用的发送端原理图如图1。

1.2  收发端结构模型
    基于OFDM收发思想的频域调制解调的MIMO-TDCS系统就是将OFDM所利用FFT/IFFT调制解调思想引入MIMO-TDCS系统结构中,目的是将OFDM成熟的调制解调技术、信道估计技术和同步技术等应用到MIMO-TDCS系统中，旨在进一步简化系统结构、优化系统性能[6]。
    基于OFDM的MIMO-TDCS发射机结构框图如图2所示。在图2的发射机框图中，系统首先对工作频带范围内的信道环境进行频谱感知，得到信道信号的频域功率谱，然后将功率谱与已设定的门限比较确定干扰位置，剔除干扰所占用的频带，形成基函数频域幅度谱向量，再将生成的与基函数频域幅度谱向量同维数的随机相位向量与基函数频域幅度谱向量对应点相乘，生成频域基函数。接下来的处理过程有别于传统的方法(将频域基函数转化为时域基函数进行数据调制)，而是将经转换结构模块（如图1）的处理过程后的传输数据进行空时编码，数据转换为M路，再利用OFDM数据发送技术由对应的M根发射天线发射传输。
    在PSK调制下，基于OFDM的MIMO-TDCS接收机框图如图3所示。接收天线通过OFDM接收方式接收传来的发送数据、信道噪声和干扰相混合的信号，经IFFT变换输出的数据经过空时解码器恢复原传输数据序列。接收端经过频谱感知、空闲频谱标记和添加随机相位生成与发送端相一致的本地基函数，本地基函数取共轭变换再与接收数据相乘消除随机相位的影响，随后数据序列输入P端转换器分为P组，每组有N/P个数据点，分别对每一组数据进行累加求平均后由PSK解调方式解调，最后将各路解调结果经过P端合并输出。其中使用累加求平均模块可以使噪声平均化，消除个别子载波上较大的噪声功率的影响。

        在CSK调制下,基于OFDM的MIMO-TDCS接收机框图如图4所示。图中在P段转换之前的处理流程与PSK解调方式相同。经过消除随机相位的影响后，在严格同步条件下将每个N长的数据分成P段，每段含有N/P个数据点，将N/P个数据点进行N/P点IFFT变换，将频域数据转换到时域。然后对得到的时域数据进行取实部处理。取实部处理可以降低噪声功率，提高信噪比。接着将得到的时域实信号采用N/P*M_ary的粒度抽样，并通过判定最大值的位置提取和估计发送数据符号。最后将各路解调结果经过P端合并输出。
2 调制解调过程分析
2.1 频域调制过程分析
    根据相关的文献，现有的TDCS调制方式主要有5种:双极性调制、BPSK、CSK、BCSK和正交编码调制。不同的调制方式具有不同的调制性能，MIMO-TDCS系统根据通信环境和通信性能指标要求，灵活地调整调制方式以满足不同通信需要。通过分析研究在傅里叶变换域中，不同调制方式可以统一为一个频域数学模型：

    (2) CSK调制方式下的解调过程
    在CSK调制方式下，接收端到P段转换器之前的信号与PSK方式相同。对于P段的每一个分段进行考虑，接下来的处理为[7]：
 
    然后对式(11)的时域信号进行N/P*M_ary的粒度抽样，通过判定最大值的位置提取和估计发送数据符号。最后将各路解调结果经过并串输出模块输出解调数据。
3 仿真结果及分析
    在Matlab仿真平台上，设定发射天线数M=2，接收天线数N=10，随机相位选取的M=16,数据调制进制数为M_ary=16，信号功率为S=0 dB,信道为平坦瑞利衰落信道。
    图5是选取子载波数N0=128，可用子载波为Ns=128，采用ZF检测接收方法，P值选取P=1和P=2的条件下的误码率性能。从P=1的曲线可见，在信噪比较小时，PSK调制性能优于CSK调制性能，当SNR=-3 dB时到达转折点，PSK调制性能与CSK调制性趋于一致；随着信噪比的不断变大，CSK调制性能改善的速率大于PSK调制，从而在大信噪比下CSK性能优于PSK性能。当信噪比SNR=4 dB时，在16PSK调制下P=1变到P=2误码率性能仅下降了0.036，在16CSK调制下误码率性能仅下降了0.019，而此时由P=1变到P=2频带利用率提升了一倍。

        图6是选取子载波N0=1 024，可用子载波Ns=1 024，信噪比SNR=4 dB,采用ZF检测接收方法,P分别取1、2、4、8、16、32、64时的误码率性能。从图可以发现,随着P的增大，误码率性能在不断衰降，当P增大到一定时，系统性能急剧恶化导致系统无法正常工作。在P较小时，CSK调制下误码率性能优于PSK；当P增大时，CSK调制下误码率性能衰落较快，逐渐PSK性能又优于CSK，其主要原因是CSK调制误码率性能较PSK调制更依赖于可用子载波数量，当P增大时，每个子段可用子载波数量急剧减少，性能下降较快。

        基于OFDM的MIMO-TDCS系统能够利用OFDM系统所使用的FFT/IFFT思想在频域进行数据调制，在一个MIMO-TDCS符号上搭载多个数据符号,在每个MIMO-TDCS符号发射功率一定的情况下,系统可以通过牺牲少量的误码率性能大大提高系统的频谱利用率，更好地满足高数据速率传输的需要。利用OFDM成熟的技术以及FFT的快速算法，可以简化MIMO-TDCS系统的结构，优化系统性能。同时,这也为探索在较低的符号发射功率并保证一定误码率性能的情况下实现数据传输速率的提高，提供了一个可行的研究方向。
参考文献
[1] BUDIARJO I, NIKOOKAR H, LIGTHART L P. Cognitive  radio with single carrier TDCS and multicarrier OFDM approach with V-BLAST Receiver in Rayleigh Fading Channel[C]. in Proc. 2nd International Conference on Cognitive Radio Oriented Wireless Communications (Crow Comm),Orlando, USA, Aug. 2007.
[2] 张轶, 任清华, 褚振勇. 一种多输入多输出变换域通信系统的设计与仿真[J]. 电子技术应用,2011,37(8):105-107.
[3] 张蕊, 张利军, 原梦钰. 多输入多输出宽带时变信道分布散射模型研究[J]. 电波科学学报, 2011,26(1):73-78.
[4] 史军，迟永钢，张乃通. 变换域通信系统:原理、技术与发展趋势[J]. 南京邮电大学学报,2009,29(1):87-94.
[5] 于全. 战术通信理论与技术[M]. 北京: 电子工业出版社, 2009.
[6] Han Chuan, Wang Jun, Gong Shuping, et al. Detection and performance of the OFDM-Based transform domain communication system[C]. Communications, Circuits and Systems Proceedings, 2006 International Conference on Volume 2, June 2006.
[7] 韩川. 认知无线电场景中的变换域通信系统研究[D]. 成都: 电子科技大学,2007.