（信号与信息处理专业论文）多载波扩频通信的rake接收机理论研究及fpga实现.pdf

北京邮电犬学硕上学位论文多载波扩频通信的r a k c 接收机理论研究及f p g a 实现 多载波扩频通信的r a k e 接收机理论研究及f p g a 实现 摘要 由于移动环境的复杂性，无线信号在发送传输和接收过程中有很明 显的衰落现象，特别是在高频无线通信中，多径衰落或频率选择性衰落对 无线信号的干扰最为严重。通过分集接收技术，r a k e 接收机在c d m a 移动 通信系统中抗多径衰落效果尤为明显。作为一种新颖的多址接入方式，多 载波c d m a 充分利用了o f d m 最优频率利用率以及c d m a 的多址和频率分 集，且系统容量和抗符号间干扰性能明显优于传统的单载波c d m a 。这些 特性使得多载波c d m a 成为未来的宽带无线通信系统最有希望的候选。 本文研究了一种多载波扩频通信系统，介绍了其r a k e 接收机工作原 理和设计思想，进行了理论仿真并用f p g a 予以实现。 本文首先介绍了移动通信系统的发展历史以及o f d m 和c d m a 技术原 理，并描述了o f d m 和c d m a 结合的三种系统( m c d s - c d m a 、m t - c d m a 、 m c c d m a ) 的原理和系统模型；接着，介绍了目前影响移动通信的主要衰 落以及r a k e 接收机基本原理及其作用。多径信号的每路信号都可能含有 可以利用的信息，r a k e 接收机就是通过多个相关接收器接收多径信号中 各路信号，通过信道估计和信道补偿消去信道因子的附加相位，并把他们 合并在一起，以此来改善信号的信噪比和系统的可靠性；在此基础上，论 文提出了一种多载波扩频通信系统的实现方案，并详细介绍了其r a k e 接 收机实现原理，给出了最大比合并时各种分径数目下系统误码率的仿真 图；最后介绍了此方案中r a k e 接收机的f p g a 硬件实现设计方案及其系统 北京邮电人学硕， ：学位论文 多载波扩频通信的r a k e 接收机理论研究及f p g a 实现 测试结果。 仿真结果显示出随着分集径数的增加，系统的误码率显著降低。表明 r a k e 接收机抗多径衰落效果显著，且在多载波c d m a 系统中其分集效果更 好，实现相对简单。最终r a k e 接收机的f p g a 实现结果同理论仿真一致， 时序通过，资源耗费不大，具有较大的实用价值。 关键词：多载波扩频通信，c d m a ，r a k e 接收机，f p g a 北京邮电大学硕上学位论文多载波扩频通信的r a k e 接收机理论研究及f p g a 实现 t h ea n a l y s i sa n di m p l e m e n t a t i o no fr a k e r e c e i v e rb a s e do nt h em u t i c a i u u e rs p r e a d i n g c o m m u n i c a t i o ns y s t e m a bs t r a c t b e c a u s eo ft h ec o m p l e x i t yo fm o b i l ee n v i r o n m e n t ，w i r e l e s ss i g n a l i s f a d i n gi nt h ep r o c e s so ft r a n s m i s s i o na n dr e c e i v i n g e s p e c i a l l yi nt h eh i g h f r e q u e n c yb a n dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ，m u t i - p a t hf a d i n gi st h em o s ts e r i o u s i n t e r f e r e n c e t h r o u g hd i v e r s i t yr e c e i v i n g ，r a k er e c e i v e ri sv e r ye f f e c t i v ei n r e s i s t i n gm u t i p a t hf a d i n go fc d m as y s t e m a san e wm u l t i - a c c e s ss c h e m e ， m u l t i c a r t i e rc d m af u l l yu t i l i z e st h eo p t i m u mf r e q u e n c yu t i l i z a t i o no f o f d ma sw e l la st h em u l t i a c c e s sc a p a b i l i t ya n df r e q u e n c yd i v e r s i t yo f c d m a t h o s ec h a r a c t e r i s t i c sm a k em c c d m at h em o s tp r o m i s i n gc a n d i d a t e o ff u t u r e4 gc o m m u n i c a t i o ns y s t e m i nt h i sp a p e r , t h et h e o r ya n dd e s i g n i n gm e t h o do fr a k er e c e i v e ri nt h e m u t i t o n e s p r e a d i n g c o m m u n i c a t i o ni s b e i n g d i s c u s s e da n di t b e i n g i m p l e m e n t e dw i t hf p g a t h eh i s t o r yo fm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，a sw e l la so f d ma n d c d m a p r i n c i p l e sa r ef i r s tp r e s e n t e di nt h i sp a p e r , t h r e et y p e so fo f d m a n d c d m ac o m b i n e ds y s t e m s ( m c d s c d m a ，m t - c d m a ，m c - c d m a ) ，t h e i r p r i n c i p l e sa n ds y s t e mm o d e l sa r ed e s c r i b e d n e x t ，t h et h e s i sa n a l y z e st h e 北京邮电大学硕上学位论文多载波扩频通信的r a k e 接收机理论研究及f p g a 实现 t h e o r ya n di m p o r t a n c eo fr a k er e c e i v e r b e c a u s em u l t i p a t hs i g n a lc o n t a i n s u s e f u ll i n f o r m a t i o n ，t h er e c e i v e rc a nc h a n g es n rb yr e c e i v i n gi t r a k e r e c e i v e ri sb a s e do nr e c e i v i n gm u l t i p a t hs i g n a lb ym u l t i r e c e i v e r b a s e do nt h i s ， t h et h e s i si n t r o d u c e sap r o je c to fm t - d s - c d m as y s t e ma n da n a l y z e st h e d e s i g n i n gp r i n c i p l e so fr a k er e c e i v e ri nt h i sp r o je c t ，t h e ni tp r e s e n t e st h e s i m u l a t i o nr e s u l to ft h es y s t e m sb i t se r r o rr a t ew i t hm a x i m a lr a t ec o m b i n a t i o n m e t h o d b a s e do nt h ed i s c u s s i o na b o v ew eu s ev e r i l o gh d lt oi m p l e m e n tt h e f u n c t i o no ft h ef p g a p a r t o nt h eh a r d w a r eb o a r d a f t e rt e s t i n gt h es y s t e m s o m er e l a t e ds i m u l a t i o nr e s u l t sa n dt e s tr e s u l t sa lep r e s e n t e d t h es i m u l a t i o nr e s u l t s p r e s e n t e st h a tt h eb e rd e c r e a s e sw h e nt h e n u m b e ro fr e c e i v i n gm u l t i p a t hs i g n a li n c r e a s e s i ts h o w st h a tt h ep e r f o r m a n c e o ft h er a k er e c e i v e ri sv e r yg o o di nr e s i s t i n gm u t i - p a t hf a d i n g e s p e c i a l l yi n m t - d s c d m as y s t e m ，t h ei m p l e m e n t a t i o no fd i v e r s i t yr e c e i v i n gi sm u c h e a s i e r a n dt h er e s u l ta n dp e r f o r m a n c eo ft h ei m p l e m e n t a t i o nw i t hf p g ai s s a m ea st h es i m u l a t i o n ，w h i c hh a sm u c hp r a c t i c a lv a l u e k e y w o r d s ：m u t i - c a r r i e rs p r e a d i n gc o m m u n i c a t i o n ；c d m a ；r a k e r e c e i v e r ；f p g a 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师周炯桀教授和林家儒教授、吴文礼教 授、别志松讲师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文 中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他教育机构的学位或证书而 使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了 明确的说明并表示了谢意。 申请学位论 本人签名： 处，本人承 日期： 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学 本人签名 导师签名 用本授 日期： 日期： 北京邮电大学硕l 学位论文多载波扩频通信的r f k e 接收机理论研究及f p g a 实现 第一章绪论 本章介绍了有关第三代移动通信系统的概况以及第四代移动通信中的关键技术 的展望，然后简要说明了o f d m 技术和c d m a 技术，并对它们结合所产生的三种多 载波c d m a 方案分别进行了介绍和比较，接着阐述了r a k e 接收机基本理论和f p g a 设计的相关内容，最后对本论文的研究内容和意义进行了说明。 1 1 无线通信系统概述 第一个成功的无线通信范例可追溯到1 8 9 7 年意大利科学家马可尼利用无线电使 在英吉利海峡行驶的船只保持连续的通信：从此以后，人们都在憧憬着无线通信的美 好未来：但是相当长的一段时间内，无线移动通信领域的发展是非常缓慢的，向所有 人提供无线通信能力的方案一直没有很好的解决，直到六、七十年代贝尔实验室提出 了蜂窝的概念。 第一个移动通信的典型代表是美国的高级移动电话业务( a m p s ) 和欧洲的全接入 通信系统( e t a c s ) a m p s 于1 9 8 3 年末在芝加哥的市内及郊区第一次投入使用，a m p s 系统采用频分多址( f d m a ) 和模拟技术，蜂窝服用模式采用7 小区复用，可在需要时 采用扇区化和小区分裂来提高容量。美国、南美地区、澳大利亚和中国当时广泛采用 了a m p s 。欧洲的e t a c s 系统在2 0 世纪8 0 年代中期开发成功，除信道带宽和用户 电话号码与a m p s 不一致外，其他都与a m p s 系统的一致。欧洲的第一代移动通信 系统还包括德国的c - 4 5 0 以及意大利的r t m s 等等。由于当时模拟技术十分成熟，在 第一代移动通信系统的发展初期得到了广泛的应用。但是模拟系统的缺点是频谱利用 率低、抗干扰能力差、保密性差以及其主要应用是话音业务。 由于第一代模拟a m p s 系统的设计不能满足日益增长的用户容量的需求，美国在 2 0 世纪8 0 年代发展了美国第二代数字蜂窝系统( u s d c ) u s d c 是一个时分多址 ( t d m a ) 系统，它能在每个a m p s 信道上支持3 个全速率用户或6 个半速率用户，因 此，u s d c 提供了6 倍于a m p s 的容量。u s d c 在许多方面保持了与a m p s 的兼容 性，所以u s d c 也被称作数字a m p s ( d a m p s ) 。1 9 9 0 年，双模式u s d c a m p s 被 美国电子工业协会和通信工业协会( e i a t i a ) 制定为暂时标准i s 5 4 。由于c d m a 比 t d m a 和f d m a 具有一些不可比拟的优越性，t i a 颁布了基于c d m a 的可提高系统 容量的美国数字蜂窝系统，即i s 9 5 ，i s 9 5 与i s 5 4 一样，与现存的a m p s 的频带兼 容i s 9 5 也是第二代移动通信系统的标准。为了解决欧洲第一代蜂窝系统四分五裂的 状态，欧洲统一发展了第二代蜂窝系统g s m ，g s m 的本意是欧洲电信管理部门下设 的移动特别组，由于商业化的原因，g s m 改名为全球移动系统第二代移动通信系统 北京邮电大学硕士学位论文 多载波扩频通信的r a k e 接收机理论研究及f p g a 实现 业务种类主要限于话音和低速数据，而社会的发展对通信业务种类和数据业务提出了 更高的要求，第二代系统已不能满足高数据率业务以及大用户容量。于是，要求一种 能够提供全球漫游，支持多媒体业务且有足够容量的第三代移动通信系统就应运而 生。 国际电联曾经想将第三代移动通信标准统一为一种制式，以实现全球的无缝接 入、完全无障碍的自由通信。但由于各国第二代移动通信系统的不同，考虑到本国运 营商的利益，各个国家采取第三代移动通信标准不同也就不足为奇。美国为了兼容其 第二代的i s 9 5 ，提出了i m t - 2 0 0 0 ( i n t e r n a t i o n a l m o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o n s ) c d m a m c ( 多载波) 即c d m a 2 0 0 0 技术。欧洲和日本共同提出的i m t - 2 0 0 0 c d m a d s ( 直接扩频1 即w c d m a 技术。我国提出的t d s c d m a 和欧洲提出的u t r a t d d 相互融合统称为i m t - 2 0 0 0c d m at d d ( 时分双工) 。以上是第三代移动通信标准 的三种主流技术，另外还存在两种基于t d m a 技术的标准：i m t - 2 0 0 0t d m as c ( u w c l3 6 ) 和i m t - 2 0 0 0t d m am c ( d e c t ) 。 在第三代移动通信系统中，车载、步行和室内环境下支持的最高信息比特速率分 别为1 4 4 k b p s ，3 8 4 k b p s 和2 m b p s ，这些速率对于当今飞速发展的无线数据业务来说是 远远不够的，研究人员已把目光投向了更远的下一代移动通信系统，即第四代移动通 信系统【4 1 。 1 2 第四代移动通信系统理论研究 第三代移动通信系统向个人通信的目标迈出了一大步，但这还不能算是完全的个 人通信。那么第四代移动通信到底会如何呢? 首先，它应该比第三代移动通信系统更 接近与个人通信，即在任何人、任何地方和任何地点的基础上，实现任何形式的通信。 其次，在技术上应该比第三代移动通信系统踏上更高的台阶。第三，在应用上，第四 代移动通信的终端将不仅仅是手机。虽然人们对4 g 系统的说法不尽相同，但在以下 几个方面有一些基本的共识： 1 4 g 系统将作为广泛用于各种电信环境的无线系统的总和，包括蜂窝、无线局 域网等，支持各种空中接口。 2 4 g 系统将是一种新型的移动通信系统，该系统基于i p v 6 核心网互联互通， 承载与控制全程分离，符合全i p 的发展趋势。 3 4 g 将适合分组突发业务的系统，峰值传输速率应达到2 0 1 0 0 mb i t s ，适用于 大动态范围业务( 8 kb i t s 2 0 mb i t s ) ，频谱利用率应远大于3 g 系统。 4 分类端到端q o s ，实时业务的q o s 优于现有电信级；能支持电信业务。 总的来说在4 g 关键技术研究中需要回答以下问题： 1 物理层将采用何种技术来有效克服或利用无线移动通信的多径衰落、多普勒频 北京邮电人学硕1 ：学位论文多载波扩频通信的r a k e 接收机理论研究及f p g a 实现 移、多址干扰等不利因素，以保证物理链路的可靠传输。 2 如何实现多种不同类型业务共存时系统资源的有效管理，从而满足4 g 支持各 种具有不同速率和延时的业务要求。 3 如何解决4 g 系统针对i p 分组优化传输的问题以及如何实现与i p 网络的无缝 连接。 针对4 g 中存在的巨大挑战，在4 g 关键技术的研究中就必须从联合优化时间、 频率、空间、功率等资源的角度出发，结合多媒体业务信源特性、多种服务质量( q o s ) 需求和多用户应用环境，分层次地研究基础应用理论和基础应用技术。 在物理层这些基础理论和关键技术具体体现为： 1 由于4 g 要在有限频率资源的条件下传输高速的数据信息，因此系统需要采用 具有高频谱效率、能够有效抵抗多径延时的调制技术。o f d m 技术由于使用了正交重 叠的频谱，频率效率较高，另外还具有抗多径时延、硬件实现简单等优点，目前已基 本被公认为4 g 的核心技术。 2 在4 g 中，采用的载频会有所提高，所以在4 g 中多天线结构的采用成为可能， 因此空时信号处理的研究就十分重要。 3 在通信环境中，不可避免地存在多用户干扰，而多用户检测由于综合考虑并利 用了多个用户间的干扰，可以明显地提高系统的性能。在此基础上，再灵活地采用空 时编码技术、自适应传输技术、高效的信道编解码技术和智能天线技术等，就可以构 成完整的物理层解决方案。 未来移动通信系统最明显的趋势是要求数据速率、高机动性和无缝隙漫游。实现 这些要求在技术上将面临更大挑战。从技术角度来说，第四代移动通信应与i m t - 2 0 0 0 标准有本质性的区别，其核心网络可以以演进形式发展，但空中接口应当是革命性的。 首先，这是由于第四代移动通信系统的峰值传输速率应为3 g 系统的1 0 至5 0 倍，达 到2 0 m b i t s 至1 0 0 m b i t s ，若简单地重复使用3 g 技术，则其发射功率需要增加1 0 至 5 0 倍，从而使电磁干扰问题达到无法忍受的地步。解决此问题的一个重要方法是根据 信息论原理引入多天线环境及其相关的新型空时信号处理方法，从而达到大幅度降低 发射功率、提高频谱利用率的目的。理论研究结果表明，当接收机的天线数目多于发 射机天线数目时，系统容量可随接收天线的数目成比例增长。未来信号处理器以及专 用集成电路性能的大幅提高，也将使一些较为复杂的技术，如多用户检测、t u r b o 接 收等在实现上成为可能。其次，基于c d m a 技术的第三代移动通信系统虽然采用了 一些新技术，能够支撑宽带多媒体业务，但从系统容量、频谱利用率等角度衡量并未 能产生质的飞跃，因而难以满足未来移动通信的需求。再次，业务的需求趋于多样化， 突发式的分组数据业务传输将占据主导地位，3 g 所采用的直接扩频( d s ) c d m a 技术 由于其各方面的限制，很难直接应用于4 g 系统。可以预见，o f d m 和c d m a 相结 合的技术将是最具有竞争力的空中接口技术【3 1 。 北京邮电大学硕i ：学位论文多载波扩频通信的r a k e 接收机理论研究及f p g a 实现 1 3 多载波c d m a 技术 在无线移动通信系统的性能主要受到无线移动信道的制约，信道对接收信号的影 响根据其统计特性可分为两类：大尺度路径损耗和小尺度衰落。大尺度路径损耗描述 的是发射机和接收机之间几百米或几千米距离上的场强变化，影响大尺度路径损耗的 因素有电磁波视距传播损耗、绕射、阴影效应以及雨或植被所造成的衰落。小尺度衰 落是指无线信号在经过短时间或短距离传播后其幅度快速衰落，以至大尺度路径损耗 的影响可以忽略不计。小尺度衰落是由于同一传输信号沿多个路径传播，以微小的时 间差到达接收机的信号相互干涉的。在无线移动通信系统中，主要是克服接收信号的 小尺度衰落。 要传输高速率的数据就必须克服移动信道引起的严重的符号间干扰i s i o f d m 是克服这种失真的有效手段。o f d m 从上个世纪9 0 年代开始成为移动通信的研究热 点，从1 9 9 3 年开始陆续出现讨论将o f d m 与c d m a 结合的文章。这些方法可以分 为两类：频域扩频和时域扩频，频域扩频通常叫做m u l t i c a r r i e rc d m a ，有时也称作 o f d m c d m a 。时域扩频有两种不同的构成方法：m u l t i c a r r i e rd s c d m a 和m u l t i t o n e c d m a 。 1 3 1 多载波调制的优点 多载波调带l j ( m c m ：m u l t i c a r r i e rm o d u l a t e d ) 的基本原理是将要传输的数据流分解成 若干个子数据流，每个子数据流具有低得多的数据传输比特速率，并且用这些数据流 去并行调制若干个载波，然后合成输出。这种思想早在1 9 5 7 年就已经使用，但那时 采用模拟载波调制，1 9 7 1 年，w e i n s t e i n 和e b e n 提出使用i f f t f f t 可以完成正交频 分复用( o f d m ：o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) ，大大促进了多载波技术的 发展。 m c m 之所以越来越引起研究人员的兴趣，主要有两个原因：一是单载波系统接收 机中，由于线性均衡所引起的噪声及干扰提高，当数据速率较高时，均衡器十分复杂。 二是较长的信元周期对噪声和快衰落有更大的抵抗性。在无线信道，特别是陆地移动 信道，由于存在多径效应而对传输的数字信号产生时延扩展，使接收信号中前后码元 交叠，产生相邻符号间干扰( i s i ：i n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c e ) ，影响传输质量。特别是在 码元速率较高的情况下，更为严重。这是由于在码元周期很短的情况下，时延扩展将 跨越较多的码元，造成严重的i s i 。从另一个角度来看，码元速率较高时，信号带宽 较宽，当信号带宽接近或大于信道相干带宽时，信道的时间弥散将对接收信号造成频 率选择性衰落，所以时间弥散是使无线信道传输速率受限的主要原因之一。在多载波 调制的子信道中，数据传输速率低，码元周期长，只要时延扩展与码元周期之比小于 一定的值上说就不会产生码间干扰。因而，从本质上说，多载波调制对信道的时间弥 4 北京邮电人学硕士学位论文多载波扩频通信的r a k e 接收机理论研究及f p g a 实现 散不敏感，或者说具有抗时间弥散的特性。 多载波传输技术以低速并行传输处理该种不利无线电信道，则每个子流内的码元 持续时间增加，使得更加能抗多径弥散，且使得信道对于每个子载波频率非选择。正 交频分多路复用o f d m 采用了并行传输技术，将快衰落造成的突发损伤有效地分散 到多个符号中，而不是将相邻的若干个符号完全损坏；此外，o f d m 的并行处理技术 将传输信号的符号周期延长，从而降低了信号对信道多径扩散的敏感性。同时，码分 多址c d m a 与其他多址技术相比抗衰落特征和抗干扰能力、具有容量高、可实现软 切换、有效地利用了话音沉默期等优点。 o f d m 提供了最优的频率利用率，而c d m a 提供了多址以及频率分集。多载波 c d m a 结合了o f d m 和c m d a 的优点，其优势如下： 1 多载波c d m a 与单载波d s c d m a 系统相似，具有较强的抗多径、抗衰落能 力，可以选择扩展因子，使得所有的子载波不可能都位于深衰落中，因此获得频率分 集；具有抗频率选择和脉冲噪声、窄带抗干扰能力、高频谱效率高灵活性的特点。 2 从频谱分析上分析，多载波c d m a 有频谱分布甚佳，抗干扰性能好，而且易 于发射机实现。在合适条件下，多载波c d m a 信号在多径信道上很少失真地传播， 其符号持续时间远远大于延时扩展。因此，多载波c d m a 信号它不易受到延时扩展 和i s i 符号间干扰的影响。对于高速数据的无线传输，多载波c d m a 抗符号间干扰性 能明显优于传统的单载波c d m a 。而且，多普勒扩展引起的i c i 信道间干扰的消除可 以通过对子载波进行适当的加权实现。 3 在接收机端，多载波c d m a 信号还可以用相对简单的接收机结构检测，数据码 元在多个已调子载波中被发送。则信号可以用相对简单的接收机结构，使用f f t 和可 变增益分集合并器，其中每个分支的增益只由该子载波的信道衰减控制。最重要的是， 多载波可以将散布在频域内的能量收集在一起，比起d s - - c d m a 中的r a k e 接收机 试图收集时域的能量要容易得多。因此由于频域均衡相对较简单，系统不是很复杂， 可以在每个载波上实现简单的单抽头均衡器而实现。 o f d m 和c d m a 两种技术的结合可以克服其内部限制，并产生提供好性能和吞吐 量容量的高数据速率的传输方案。而且，现代d s p 技术使得多载波c d m a 的实现可 行且非常有吸引力。这些信号可以很简单地用f f t 被发送，且并接收，而不增加收发 机的复杂度，且由于最小化密集的子载波间隔而获得高频谱效率。所以多载波c d m a 是第四代高速率无线通信系统空气接口很有希望的候趔5 1 。 1 3 2 多载波调制的类型 1 多音实现 它使用通常的频分复用技术和带限信道，将整个射频带宽分割成若干个互不交叉 的子载波信道，来并行传输各个子数据流，在接收端用一组滤波器来分离各个子信道。 北京邮电人学硕 ：学位论文多载波扩频通信的r a k e 接收机理论研究及f p g a 实现 2 o f d m 它利用相互正交的一组子载波构成子信道来传输各个子数据流，子信道的频谱是 可以相互重叠的，这样就提高了频谱效率。o f d m 是当前多载波调制研究的热点。其 重要的优点是o f d m 可以使用f f t 算法来完成调制和解调，并可以采用非常有效的 数字信号处理器技术。 3 多载波码分多址技术 它将多载波调制和码分多址结合( c d m a ) 起来，分为频域扩展和时域扩展两大类。 在下一节将详细介绍【6 1 。 1 3 3 多载波码分多址技术 c d m a 在3 g 中取得了巨大成功，可以提供更大的系统容量，但当数据速率提高 时，会产生i s i o f d m 可以在多径衰落信道中抗时延扩展，但在频率选择性深衰落情 况下，o f d m 在相应子载波上的数据就遭到破坏而这两种技术的有效结合，则可以 达到优势互补，而且还可以从3 g 相对平滑过渡，这是其成为4 g 波c d m a 归为两类 技术研究热点的主要原因。r p r a s a d 和s h a r a 把多载：一类是频域扩展的多载波系统， 另外一类是时域扩展的多载波系统。但后来随着小波的广泛研究，其在多载波调制系 统的应用也引起重视，出现了基于小波包的多载波调制系统，因为小波包在时域和频 域都具有良好的局域化的性质，这种多载波调制c d m a 系统可以看作时频双扩展的 多载波系统 1 9 9 3 年，在日本举行的p i m p c 9 3 会议上，分别由美国和德国学者提出了最早的 多载波c d m a 的方案一频域扩展的m c c d m a 系统其发送框图和功率谱如图1 1 所 示，在此方案中，调制方式选择b p s k ，每个信息符号先经过扩频，扩频后的每个码 片调制到一个子载波上，若伪码的p n 长度为n ，则调制到n 个载波上，显然它是在 频域进行扩频。 1 9 9 3 年1 0 月在荷兰举行的车载通信学术会议上由比利时学者提出的另一种时域 扩展的m t - c d m a 方案，在此方案中，输入数据流先经过串并转换，调制到不同的 子载波上，以形成o f d m 信号，此时子载波之间有1 2 重亚，且满足正交性，o f d m 的符号周期为兀。然后在经过长g 的扩频码扩频，则扩频后每个子载波的带宽扩展为 g m z i t , 而相邻子载波间隔仍保持以前的l i t , ，因此子载波间有更多的重叠，这时子 载波之间己经不再保证正交。m t - c d m a 一般采用较长的扩频码，比d s c d m a 能容 纳更多的用户。 1 4r a k e 接收机抗多径衰落的优点 在c d m a 系统中，其信号带宽远远大于信道的相干带宽，虽然信号的不同频率 成分会相互干扰，但它们呈统计独立状况，其变化互不相关，在这种情况下出现的衰 6 北京邮电大学硕 ：学位论文多载波扩频通信的r a k e 接收机理论研究及f p g a 实现 落为频率选择性衰落。若某个频率成分在信号的平均水平以下，则另一个成分就有可 能在平均水平以上，其净影响会在衰落中减小。即当信号带宽足够大时，多径成分延 时超过一个码片周期以上，可以将它们看作是同一个信号的多个副本，在分集接收机 中可以把它们合并起来，提高系统的性能，这就是r a k e 接收机的主要原理【l 】。 移动通信系统中，由于存在多径传播，接收机需要均衡器来消除相邻符号间的干 扰。c d m a 系统由于采用了自相关特性良好的扩频序列，只要多径分量的相对时延大 于码片间隔，则多径传播造成的干扰不影响信号的解调，因此扩频通信系统不需要均 衡器。同时由于多径分量都携带有相同的信息，传统的单支路接收机由于只考虑某一 路信号能量，当信号处于深度衰落时接收机容易出现错误判决，导致系统性能的下降。 因而扩频通信系统应采用多径分集的r a k e 接收技术来提高系统的性能【2 】。 1 5f p g a 设计简介 f p g a ( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t e a r r a y ) 即现场可编程门阵列，它是在p a l 、g a l 、 e p l d 等可编程器件的基础上进一步发展的产物。作为专用集成电路( a s i c ) 领域中 的一种半定制电路， f p g a 既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门 电路数有限的缺点。f p g a 的使用非常灵活，对于同一片f p g a ，通过配置不同的编 程数据可以产生不同的电路功能。目前，f p g a 在通信、数据处理、网络、仪器、工 业控制、军事和航空航天等众多领域已经得到了广泛的应用。 目前主流的f p g a 是基于查找表( l i j t ) 技术的，并且整合了常用功能的硬核。 f p g a 芯片主要由几大部分组成：分别为：可编程输入输出单元( 1 0 b ) 、可配置逻辑 块( c l b ) 、数字时钟管理模块( d c m ) 、嵌入式块r a m ( b r a m ) 、内嵌专用硬核以 及丰富的布线资源。 f p g a 的设计流程就是利用e d a 开发软件和编程工具对f p g a 芯片进行开发 的过程。f p g a 的开发流程一般包括电路设计、设计输入、功能仿真、综合优化、综 合后仿真、实现、布线后仿真、板级仿真以及芯片编程与调试等主要步骤。 随着数字信号处理技术的不断发展，可供选择的硬件实现方式也有很多，例如 d s p 处理器，专用芯片以及f p g a 等。在过去很长一段时间，d s p 处理器以及面向 d s p 的各类专用a s i c 芯片是数字信号处理系统核心器件的唯一选择。但随着近几年 来f p g a 技术以及制作工艺上的进步，出现了现代大容量，高速的f p g a 芯片。f p g a 生产厂商也推出了一些面向d s p 的开发工具和能够有效应用于数字通信系统的 i p c o r e 。因此它不仅为现代数字信号处理提供了新的实现方式，而且其在开发设计费 用，耗费设计周期以及灵活度方面已经超越了d s p 处理器和专用a s i c 芯片。而且由 于即f p g a 的开发设计思想更加贴进物理底层，所以在通信系统的实现和相关算法的 7 北京邮i b 人学硕f ：学位论文多载波扩频通信的r a k e 接收机理论研究及f p g a 实现 硬件验证上f p g a 有更大的优势。它为通信相关算法的硬件验证提供了一个很好的物 理平台。因此，本论文将基于f p g a 提出可行而有效的技术实现方案，并基于f p g a 进行验i i e t 2 5 1 。 1 6 本课题的研究内容和研究意义 多载波c d m a 从它的提出到现在为止，只有几年的时间，但它很快成为了通信 领域的一个热点技术，由它引出的研究方向也很多。从这一点来讲，多载波c d m a 是一个充满挑战的课题，随时都可能有新的研究成果出现：另外，就整个通信领域来 看，目前的第三代移动通信系统本身并不完美，正经受着技术和市场的考验，因此有 不少的研究人员已经开始投入了第四代移动通信系统研究，以求能够带给现有的移动 通信系统以彻底性的革命。而在新系统的研究中，多载波系统由于它的一系列优势而 成为大家的研究重点，相信随着人们研究的不断深入，多载波c d m a 系统极有可能 为未来的移动通信带来一场真正意义上的通信变革。 在c d m a 移动通信系统中，由于信号带宽较宽，因而在时间上可以分辨出细微 的多径信号，利用这一点，去尽可能多的接收来自不同路径的信号，可以增加接收信 号的电平，以克服多径衰落造成的负面影响。这就是r a k e 多径分集技术一黜皤汪 接收机的基本思想。它可以很好的克服多径信道的频率选择性衰落，具有非常好的接 收效果。 本论文的研究工作正是在这样的背景下展开的，围绕r a k e 接收机在多载波c d m a 系统中的应用，完成了以下工作： 1 对o f d m 技术和c d m a 技术的基本原理进行了一般性的介绍，在此基础 上，引出了两种技术结合产生的三种多载波c d m a ：m c c d m a 、 m c d s c d m a 以及m t - c d m a ，针对这种方案，论文从结构和性能两方面 对它们进行了分析，并就一些关键性能参数，将它们与o f d m 、 m c d s c d m a 做了比较。 2 由于多载波c d m a 的技术核心是o f d m ，因此论文着重对o f d m 技术做 了研究，包括它的原理、实现以及系统模型的建立。 3 对r a k e 接收机的基本原理作了介绍。 4 介绍了一种多载波扩频通信的实现方案。 5 对此方案的r a k e 接收机部分作了理论仿真和性能分析。并介绍了用f p g a 实现的基本框架和原理以及性能测试结果。 北京邮电大学硕上学位论文多载波扩频通信的r a k e 接收机理论研究及f p g a 实现 2 1 引言 第二章0 f d m 与多载波c d m a 系统原理 码分多址c d m a 与其他多址技术相比具有抗衰落特征和抗干扰能力、容量大等优 点，在移动通信中得到了广泛的应用。但随着多媒体技术的快速发展，人们对传输速 率的需求也进一步提高，这要求脉冲越来越窄，当前的d s c d m a 在数据速率如此之 高时是不可能的。而多载波调制m c m 在数字电视标准d v b 和数字音频广播( d a b ) 等 广播中的成功应用，使得研究人员开始研究其在移动通信中是否也能获得成功。未来 的无线通信需要高速传输以适应用户的多种需要，更高的传输速率意味着信道更易有 频率选择性。多载波技术以低速并行传输处理该种不利无线电信道使得信道，对于每 个子载波为频率非选择。将o f d m 和c d m a 的多载波c d m a 作为下一代宽带无线网络 候选充分利用了o f d m 最优频率利用率以及c d m a 的多址以及频率分集。且对于高速 数据的无线传输，多载波c d m a 抗符号间干扰性能明显优于传统的单载波c d m a 这些 特性使得多载波c d m a 。成为未来的宽带无线通信系统的候选。在此首先介绍结合构 成m c c d m a 的o f d m 和c d m a 原理。 2 20 f d m 基本原理 2 2 1 多载波调制 多载波传输技术的思想初见端倪于5 0 年代的文献 2 】一文。早在6 0 年代就用在当 时的军事系统当中。采用多载波传输的最初目的是要克服传统的电话线路中因信道特 性不理想对信息传输产生的影响。后来发现，对其他非理想信道( 如频率选择性衰落 的无线信道) ，多载波传输也具有较好的优越性。又由于近年来数字信号处理技术和 大规模集成电路技术的发展，使得多载波技术应用于无线环境也成为可能。在数字高 清晰度电视( h d t v ) 传输系统的研制中，多载波调制技术也受到了充分重视。 在传统的单载波系统中，发送信号依次顺序传输，每个数据占用频谱上全部可用 带宽。而多载波系统中顺序的数据流可同时传输，因而在任意时刻都有许多数据单元 9 北京邮电人学硕+ l ：学位论文多载波扩频通信的r a k c 接收机理论研究及f p g a 实现 在信道上传送。多载波调制实际上就是把信道分割成一组独立的子信道，数据通过彼 此独立的各个子信道传输。只要信道被分割的足够小，每个子信道上的传递函数就是 平坦的( 理想情况下) 。整个信号频带被划分成n 个子频带每一个子频带，用一个独立 的信号来调制，这样n 个信道就实现了频分复用。在不同划分子频带的方式中，采用 利用离散傅立叶变换来调制和解调并行数据的方式在发射端和接收端都可以使用高 效的f f t 技术，使得d f t 的运算次数从2 下降到n l o g n ，运算量大为降低。并且， 在并行数据传输中，整个信道带宽被分为很多窄的子载波，每个子载波上的频率响应 相对平滑。由于每个子信道仅仅占用一小部分原始带宽，均衡比起单载波相对较简单。 多载波调制通过把频率选择性衰落分散到众多信号上可以有效地随机消除由衰落 和脉冲干扰引起的误差，因此，与个别信号完全被破坏不同，很多信号只是轻微的受 到干扰，这就使得不用前向错误纠正就可以成功重建绝大部分信号。与单载波调制相 比，多载波调制可以认为是一种频域技术，而单载波调制是一种时域技术。多载波调 制抵抗时域脉冲干扰的能力较强，因为干扰信号能量将分散在整个f f t 块上，但它容 易受到频域脉冲的干扰，不过可以通过均衡对应的子信道来消除其影响；单载波调制 抵御频域和时域干扰的能力则正好相反。两者的另一种时频对偶特性是，为去除i s i ， 单载波调制需要保留一部分频谱用于波形形成( 频域) ，而多载波调制需要插入一定 的保护间隔( 时域) 。另外，对于多径衰落信道，单载波调制可以插入一个训练序列 用于自适应均衡和系统同步，多载波调制通常则是发送一个导频，以获取频域均衡和 信道译码所需要的信道状态信息。作为一种传输技术，多载波调制已经在通信系统中 广泛应用。在无线传输环境中，多载波调制技术通常指的是正交频分复用( o f d m ) 【8 】 o 2 2 2 正交频分复用( o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u i t i p l e x i n g ) o f d m 是一种多载波数字调制技术，其研究历史可以追溯到2 0 世纪6 0 年代中期。 c h a n g 提出了在有限带宽信道上无码间干扰和载波间干扰并行传输数据的方法。 s a l t z