（信息与通信工程专业论文）宽带ofdm系统研究及fpga实现.pdf

浙江大学硕士学位论文y8 7 6 5 7 8 摘要 正交频分复用技术( o f d m ) 是宽带无线通信中的关键技术随着用户对实时多媒体业务 l 高速移动业务需求的迅速增加，由于其频谱效率高，抗多径衰落能力强，抗窄带干扰性能好 j 特点，o f d m 技术正得到了广泛的应用 本文从项目要求出发，对0 f d m 系统的物理层的关键技术进行了全面系统的研究，包括系 j 算法仿真和基于f p g a 的硬件实现，并测试通过。本文还对o f d m 技术与载波干涉扩频编码技 ：，差分调制技术以及多址技术的结合进行了深入研究同时提出了一些新的算法和硬件实 方法，包括时域粗符号定时同步环节的改进s c l i i l i d l 算法：具有硬件易实现性的基于导 的频率同步和采样同步算法；基于c o r d i c 算法的高速流水线浮点f f t 处理器的硬件实现方 ：基于c o r d i c 算法的频偏估计与补偿的硬件设计，全面提高系统速度的阵列除法器设计： 够同时应用于信道达到检测，符号同步估计和分数倍频偏估计的基于相关和迭代的s c a 算 硬件实现。 第一章首先分析了现行宽带无线通信的局限性和发展需求，指出未来宽带无线通信的关 技术：0 f d m 技术和软件无线电技术接下来叙述了0 f d m 技术的发展历史，分析了优缺点及 胃前景然后阐述了软件无线电中的基本思想，给出其关键技术。最后给出了本文的工作目 瓤基本要求 第二章首先分析了无线通信信道的特征，然后详细描述了0 聊技术的基本原理对o f d m 靛波数目和保护间隔长短对系统抗多径衰落性能和多普勒频移的影响进行了深入研究，并 丑了系统基本框图 第三章主要对0 f d m 系统中的各种同步技术和信道估计技术进行研究，给出了各种典型 目步算法，并对其进行了讨论和研究，进行了仿真，比较了各自的优势和不足并提出了一 目的算法 第四章：首先提出了能有效抗拒子信道深衰落和窄带干扰，抑制峰均比的c i o f d m 技术， 推导并验证了其全数字化实现方案，研究了其抑制峰均比性能和误码性能；然后阐述了 调制技术基本原理，研究了其对抗拒一定子载波间干扰性能 第五章：针对项目需求给出了接个宽带无线通信o f 叫系统的解决方案。然后对系统的全 二化调制解调方案和基于f p g a 实现进行了详细的阐述，并提出了系列具有简单性，可行 】可高速运行的硬件实现方法。 ：键字】；宽带无线通信软件无线电o f d mf p g a 同步f f t 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t o f d m ( o n h 0 9 0 n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm i 埘p l e x i g ) j s0 n eo f t h em o s ti l n p o r t 粕t t e c h n d l o g i 皓o f b r o a d b 缸dw l 鼯sc 0 衄i i n i c a 廿o ns y s i e 】咀t om e e t t h ed 锄柚do fr e a l t i m eh i g h 珀l ed a t t i m s e r v i c es u c ha s p h o t o 曲d v i d e og r o w nw i i h d a y s ，柚da t i h es 锄e t i l i l e t 0s u p p o n d a t l l mt f a n s m i s s i o 曲m o 蛐ee n v 的咖n t ，0 f d mi sa p p l i e d 谢d e l y ，f d rt h es a k eo f 窖o o d i n 曲岫坩e st o 缸q u e n c 3 rs d e c l i v e ，m u l 疽- p a 也w i i e k 器c h 柚e l 强dh i g hr 砒i oo fi n f o r m 蚵o nt o b a n d w i d t h a c c o f d i 玎g t o t h ed 锄弛d o f t l l e p m j e 鸭d e e p 陀s e a r c h 衄t h e k e y t e c h l o g ) r o f t h e p h y s i c a l i a y e r o f o f d ms y s t 哪i n d o n e ，i n d u d e t h es i m i l 】a 曲no f t h es y s l e m 锄d t l l e h 舡d w a r e a c h i e v e m e n to f b a s eb 柚dm o d l l l a 曲n 卸dd e m o d l l l a o nb a s e do nf p g a 0 f d ms y s i e m “a c 删盯h e r f e 枷a e l e rs p r e a 曲gc o d e sa n dd 越r e d c em o d i j l a 0 no f d ms y s t e ma r ca l s od e e p l y i e s e a r c h e d a t 也es a i et h e ，也i sd i 鹞e n a d o a l s od e v e l o p sas e r i e so fi n n o v 撕o n s ，s 吐c ha s i i l l p l o v e ds c a a r i t h r n e t i co fs y n c h l o n i 船n o no fs y i n b o lam e t h o do fs y n c h r o n i z a n o no fs 嘲p k 柚dc a r f i e r 缸q u e n c yf e a t l l r i n gs i m p l ea c h i e v c db yh a r d 帅e ；e h ed e s i 驴a di m p l e 瑚旧n t a t i o no f h i 曲一s p e e dn o a t p o i n tp i p e l i n ef f l rp r o s s o ri nf p g a b a do n r d i ca f i t h m e t i c ；t h ed e s i g n 锄d i m p l e m 缸t 撕0 no fc 删e rf r e q u 跖c yo 位e te s t i m a l i o 锄dc o m p e n s a t i o ni nf p g a b 够e d0 nc o f d i c a r i t h n l c t i c ；t h ed e s i 盟o f h 逸b - s p e e d 蝴yd i v i s i a dt h cc i i c u i ld e s i 铲f o rm 柚yf i l n c o 璐s u c h a sc & r r j e r 丘e q u e n c yo f f s e tc s t i m a d o na l l d 胁e 删v e d e t e c t e d c h a p 衄1 纽的d u c e st h ed e m 蛆d 犏dk e yt e i 抽a o l o g yo fw i d e b 粕dw j i c l e 辐c o m m l - n i c a t i o n s y s t e mf i r s n y ，柚dt i l e n ，m ea d v 姐t a g e 柚dd i s a d v 姐t a g e0 fo f d m ，t h em a i n i d e ao fs o f c w a r e r a d i o ，丘n a u y 舀v e st h em a i w o r ko ft h ed i s s e r t a t i o n c h a p t e f2 柚a l y z et h ef e a t u r eo f 诎s sm o b 丑ec 0 姗岫i c a d o nc h a i l i l e l 丘r s y ，i n t r o d u c e t h e e l 锄e 10 f o f d m ，柚d f i n a l l ys t u d i e s t h e i n f e c t i o no f t h e t i m es p a c e o f c y d e p r e 丘x 皿d t l l e m l b c ro fc a r r i e r st 0t h es y s t e m 咖t c r3a s a h y p a n o f t h e o r y i e s c a r c ho f t l l ed i s s e r t a 6 0 n m a 池y f o c u s e s o n 也e s y n c h r o i z a t i o no f r e c e i v e r a d t l l e m e t h o d s o f c h 蛐e le s t i a 虹伽o f o f d ms y s t c m f i 璐y ， i n n u e n c c so fs y n c h l o n i z a t i o ne n d r sa 咒卸a l y z e di nt b e o r y ，衄dt l i e n ( h es y n c l l r o n i z a t i o n a l g o r i 恤那a f ed e d u c e da n a l i c a l l ym s o 山es 沛u l a t i o nf j g u r e sa r eg i v e n f i n a l l ys e v c r a l m e t h o d so fc h 柚n e le 妇a t i o na r ed e d u c c da n a l ”i c a u y c h a p t e r4i sa b o u tt h ec o m b i n a d 咖o fo f d mw i t hc a r r i e ri n t e r f e r o m e 时s p r e a d i n gc o d e s ， d i 佼鹏n c em o d u l a d o na n dm u l 6 a c c e s s t h ep c f f o 衄a n c eo fw h i c ha t ed e 印l yr e s e a f c ha d 2 浙江大学硕士学位论文 s i m i i l a i e d c h a p t e r5 勰i h e 如do ft h ed i s s e n a t j o n ，觚yd e s 耐b e sn l cs 仃u c t u r eo fo f i ) mb a s cb 柚d s y s t e m ，g i v e st h ep a 舳e t e ro f t h es y s t e m t h c nf i l l l yd j s 印s s e dt l l ed e s i 驴柏di 1 1 1 p l e m e n t a d 仰o f a 1 1t h es y t n b 0 1 si nt h es y s t e m 。 k e yw o r d s ：b m a d b a 耐w i r e l e s sc o 岫u n i 曲“佃，s o f t w 矗r e 确d ho f d m ，玎g a s y n c h m n i z a t o n 更f r 3 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 引言 随着信息社会的到来，移动用户数量的迅速增长，人们对移动通信的各种需求也与日俱 增。可以预见的是。传统意义上的语音通信业务增长已趋近饱和，而高速移动数据业务及多 媒体业务的需求将越来越大，现存的移动通信必须向着能够支持更高速率多媒体业务的宽带 移动通信发展。第三代移动通信的目标是面向高速数据和多媒体应用，终端在室内可达 2 m b i t s ，步行时速率为3 8 4 k b i t s ，高速车辆行走时为1 4 4 k b i t s 。3 g 要比2 g 优越得多， 但3 g 仍然遗留了一些尚未解决的问题，其局限性主要体现在如下几个方面； ( 1 ) 难以支持更高速率的业务。各种不同q o s 和性能要求的高速业务之间过多的干扰， 使得采用c d 姒技术的3 g 系统难以支持更高速率的业务，无法满足人们对未来高带宽业务的 爆炸性要求 ( 2 ) 频谱资源的缺乏和带宽饱和。在1 2 g h z 频段附近分配给3 g 系统使用的可用带宽不久 将饱和，而使用时分多址方式又受到无线管理部门的限制。 ( 3 ) 在支持下一代的因特网协议( i p v 6 ) 方面存在困难。i p v 6 能满足庞大的3 g 设备对网 络地址的需求。但在现有3 g 系统中难以实现支持新版本的因特网协议( i p v 6 ) 。 ( 4 ) 要实现在不同频段间的不同业务环境中的漫游显得非常困难。 ( 5 ) 无法提供全范围的多速率业务。由于受到3 g 空中接口标准的限制，3 g 系统难以提 供具有不同q o s 和性能要求的各种多速率业务。 ( 6 ) 缺乏端到端的无线传输机制。用户在跨越一个可移动的子网( 如蓝牙、p a n 等) 和固 定网络时，3 g 缺乏端到端的无缝传输机制。 因此，为了解决3 g 中遇到的上述问题，满足人们对高速数据业务的需求，有必要开发 具有更强大多媒体业务能力，能提供更多应用业务和更高传输容量的移动通信系统。 1 1 1 未来宽带移动通信系统的技术特点： ( 1 ) 高效的数据传输速率：数据速率从2 砧p s 提高到1 0 0n p 8 ； ( 2 ) 以移动数据为主，面向i n t e r n e t 。大范围覆盖高速移动通信网络，移动传输速率至少 为2 胁p s ； ( 3 ) 采用多天线或分布天线的系统结构及终端形式： ( 4 ) 发射功率低，和3 g 相比，功率要降低1 0 1 0 0 倍，能较好的解决电磁干扰问题； ( 5 ) 支持更为丰富的移动通信业务，包括高分辨率实时图像业务、会议电视虚拟现实业务 等，可以实现“任何人( 弧o e v e r ) 在任何地方( * h e r e v e r ) 任何时间( 1 l f l e n e v e r ) 可以同 浙江大学硕士学位论文 任何对方( i | h e v e r ) 进行任何形式( 帅a t e v e r ) 的通信”，并且保证服务质量( q 0 s ) 。 1 1 2 未来宽带移动通信网络的物理层关键技术 1 1 3 1 o 蹦与多载波技术 o f 删多载波接入技术将信道分为许多窄的子信道来进行并行传输，可有效对抗多径衰 落，应用在移动无线信道上可提供高比特速率传输；o f 删采用正交子载波，各子带之间紧 密相邻，可大大提高频谱利用率；0 f 叫还可以在不同的子信道上自适应地分配传输负荷可 优化总的传输速率；且嘲系统可采用f 计i f 研实现调制解调。因此o f d 与多载波技术 非常适合宽带传输，被看作是未来可能的无线宽带高速移动通信系统的空中接口标准。 1 1 3 2 软件无线电技术 实现宽带多网络闻的透明无缝业务的方法之一就是研究开发多模、多带终端，这种终端 可自动进行模式识别，并可根据用户、网络指示或用户剖面及业务q o s 要求自适应地进行模 式切换跨网操作，由于终端复杂性的限副不可能在其上热载多个网络的软硬件系统，所以多 采用软件无线电技术实现可配置终端。将软件无线电技术应用于无线系统和网络中可实现网 络的自我更新及演进功能，同样也具备基带可配置、开放的结构、模块及系统升级能力、适 时的软件下载更新能力以及与终端及网管动态交互的能力等。软件无线电是实现不同多址接 入方式兼容的最佳方案。利用软件无线电技术开发新代的多模移动通信手机，可以实现一 机在手，漫游天下的设想。随着移动通信和p c s 业务的不断拓展，软件无线电必将成为移动 通信中的主流技术。 1 2o f d m 技术 1 2 1o f d m 的发展历史 o f d m 技术的历史可以追溯到1 9 6 6 年。r w c h a n g 发表了一篇将带限正交的信号综合用 于多信道传输的论文f l l ，第一次提出了在线性带限信道实现无信道问干扰( i c i ：i n t e r c h a n n e li n t e r f e r e n c e ) 和符号问干扰( i s i ：i n t e rs m o li n t e r f e r e n c e ) 的多信道传输 原理，1 9 6 7 年，b r s a l t z b e r g 分析了该传输技术的性能汹，指出这种方式下数据的传输速 率可以非常接近n y q u i s t 速率，而且多窄带信道对抗时延和幅度畸变也非常有效。另外， s a l t z b e r g 还得出重要的结论：由于在并行传输系统中，子信道问干扰占支配地位，所以该系 统的设计重点应该放在减少子信道间的干扰而不是优化各个单独的子信道。 1 9 7 1 年，g e i n s t e i n 和e b e r t 发现了透过i d f t 和d f t 快速实现o f d m 的调制和解调方法f 3 j ， 7 浙江大学硕士学位论文 为后来0 f d m 广泛应用于通信领域开辟了道路。他们的工作重点集中在如何快速有效地实现 0 f d m 的调制和解调，从而消除了以前并行系统需要子载波振荡器组这一缺点。为了防止i c i 和i s i ，他们在0 f 删符号间插入了保护间隔，并在时域上使用了升余弦窑。另外，他们还讨 论了o f 蹦系统中的时不变线性信道影响及信道均衡。最后为了避免信道均衡，他们又提出差 分o f 蹦系统，这也是最早的差分o f d m 。虽然他们的系统在多径信道下不能保持很好的正交性， 但是他们引入i d f t 和d f t 用于0 f d m 的调制解调对o f 耻技术发展的贡献是不能低估的。 1 9 8 0 年，p e l e d 和r u i z 提出了循环前缀c p ( c y c l i cp r e f i x ) 的概念【4 】。他们不是在符号间 插入空的保护间隔，而是插入o f 蹦符号的周期扩展。这种做法有效的将信道和传送符号问的 线性卷积近似成循环卷积，当循环前缀长度大于信道冲激响应时，o f 蹦子信道之间仍保持很 好的正交特性。尽管这将造成一定程度的能量损失，且能量损失正比于循环前缀长度，但和 它消除的i c i 相比较，这种能量损失可以接受。 在2 0 世纪8 0 年代，o f d m 技术被研究用于高速调制解调器，数字移动通信等领域。1 9 8 7 年，欧洲采用了o f d m 技术应用子数字语音广播系统。9 0 年代，由于数字信号处理技术和大规 模集成电路技术的进步，0 f d m 技术在高速数据传输领域受到了人们的广泛关注。今天，o f 咖 己经在欧洲的数字音视频广播( 如。a b 和d v b ) 1 9 l ，欧洲和北美的高速无线局域网系统( 如 h i p e r l n 2 ，i e e e 8 0 2 1 l a ) ，以及高比特率数字用户线( 如a d s l 和v d s l ) 中得到了广泛的应用。 目前，人们正在考虑在基于i e e e8 0 2 1 6 标准的无线城域网，基于i e e e8 0 2 1 5 标准的个人信 息网以及未来的下一代无线蜂窝移动通信系统中使用o f 删技术。显然，0 f d m 作为一项高频带 利用率，高的传输带宽和抗多径干扰的通信技术受到前所未有的重视。 1 2 2o f d m 技术的优缺点 o f d m 技术具有广阔的应用前景，如同c d l i a 作为第三代的核心技术样，o f d m 也将会成为 第四代移动通信系统的核心技术。但这之间还有很长一段路程，因为0 f d m 技术尽管有很多诱 人的优势，但它同样也具有严重的缺点。在此，我们将对0 f d m 技术的优点和缺点进行全面的 概述 o l r i ) m 的优点如下嘲： ( 1 ) o f d m 的最大优点是对抗频率选择性衰落。无线通信信道往往是频率选择性信道，不同的 频率段有不同的增益。o f 伽技术的主要思想就是在频域内将给定信道分成许多正交子信 道，在每个子信道上使用一个予载波进行调制，各子载波并行传输。因此每个子载波上 的信道频率响应是平坦的，可以消除符号间干扰( i s i ) ( 2 ) 由于0 f d m 系统通过将高速串行的数据流变成低速的并行数据进行传输，从而使得每个子 载波的数据符号持续时间大大增加，可以有效的减少无线信道时间弥散所带来的i s i 。 通过循环前缀的加入，可以消除无线通信信道多径效应的影响。通过简单的公式推导， 我们可以发现只要最大时延扩展小于循环前缀长度，那么0 f 咖技术可以将时域上的多径 8 浙江大学硕士学位论文 效应转化为频域上的相位，通过信道估计估计出这些相位并加以补偿消除，就能很好的 克服多径带来的干扰。 ( 3 ) o f 聊通过各个子载波的联合编码，具有很强的抗衰落能力。在单载波系统中，单个衰落 或干扰能够导致整个通信链路失败，但是在多载波系统中，仅仅有很小一部分载波会受 到干扰，通过对子信道间的联合编码，加上0 f d m 技术自身的信道频率分集，则可以抗拒 信道中的频率深衰落，使系统性能得到提高。 ( 4 ) o f d m 技术的信道利用率很高，这一点在频谱资源有限的无线环境中尤为重要。传统的频 分多路传输方法是将频带分成若干个不相交的子频带来并行传输数据流，各个子信道之 间要保留足够的保护频带。而删系统由于子载波之间的正交性，允许子信道之间的频 谱相互重叠，因此与常规的频分复用系统相比，0 f 删系统可以最大限度的利用频谱资源。 当子载波个数很大时，系统的频谱利用率趋于2 8 8 u d h z 。 ( 5 ) o f d m 调制方式可以用i f f t f f r 来实现。基于目前成熟的d s p 技术会使得0 f d m 的实现更简 单。 ( 6 ) 在0 f d 系统中，系统可以根据不同的予载波上的信噪比来优化分配每个子载波上传输的 信息比特，从而大大提高系统传输信息的容量。还可以通过自适应分配子载波的数量来 适应不同的传输速率。 ( 7 ) 0 f 叫系统易于和其他多种接入方法和调制方法结合使用，从而大大提高其适用性。 o f d m 的缺点如下： 首先，由于时变多径信道将对子载波上的信号产生不同的相位旋转和幅度的畸变，造成 i 路和q 路信号相互干扰，所以0 f 伽系统需要精确的信道估计进行相关解调。虽然差分调制解 调可以克服这种畸变，但是和单载波系统一样，o f d m 系统的差分解调比相关解调性能差3 d b 。 为了提高系统的性能，精确的信道估计是o f d m 系统不可缺少的重要模块。 其次，o f d m 系统对同步的要求很高。由于o f 蹴采用频谱互相重叠的子载波传输信号， 所以时变信道的多普勒频移和收发端的微小频偏将会破坏各路子载波之间的正交性，从而引 起信道间干扰，导致错误的解调。 再次，0 f d m 系统需要高效的信道编解码模块。由于o f 删信号频谱都较宽，所以在频率选 择性信道下，o f d m 系统的个别子载波不可避免的处于多径信道的深衰落点。这种情况下0 f d m 系统需要功能强大的信道编解码模块才能体现出其对单载波系统的优势。 另外。o f d m 系统还有一个问题是多载波调制后的发送信号幅度变化很大，即峰值平均功 率比( p a p r ：p e a l 【t oa v e r a g ep 钾e rr e a k ) 很高，而如此大的p a p r 会造成发射功放的功率利 用效率极大地降低。因此，在0 f d m 系统中，如何降低多载波信号的峰值平均功率比也是一个 很重要的研究方向。 9 浙江大学硕士学位论文 1 2 3o f d m 技术应用和前景 o f d m 的发展已有近4 0 年的历史第一个o f d m 技术的实际应用是军用的无线高频通信链 路。但这种多载波传输技术在双向无线数据方面的应用却是近十年来的新趋势。经过多年的 发展，该技术在广播式的音频和视频领域已得到广泛的应用。主要的应用包括：非对称的数 字用户环路( a s y e t r i cd i g i t a ls u b s c r i b el i n e ，a d s l ) 、数字音频广播( d i g i t a la u d i o b r o a d c a s t i n g ，d a b ) 、数字视频广播( d i g i t a lv i d e ob r o a d c a s t i n g ，d v b ) 等。1 9 9 9 年i e e e 8 0 2 1 la 【6 】通过了一个5 g h z 的无线局域网标准，其中o f 嘲调制技术被采用为它的物理 层标准。2 0 0 0 年1 1 月，o f d m 论坛的固定无线接入工作组向i e e e 8 0 2 1 6 川的无线城域网委员会 提交了一份建议书，提议采用o f d m 技术作为i e e 船0 2 1 6 f h 城域网的物理层标准。随着 i e e e 8 0 2 1 1 a 和h i p e r l _ n 2 两个标准在局域网的普及应用。o f 蹦技术将会进一步在无线数据 本地环路的广域网领域做出重大贡献。0 f 咖由于其频谱利用率高、成本低等原因越来越受到 人们的关注。随着人们对通信数据化、宽带化、个人化和移动化的需求，o f d m 技术在宽带无 线通信领域将越来越得到广泛的应用。 1 3 软件无线电技术 由于计算机与数字信号处理技术的高度发展和军事通信的迫切需要，在无线通信领域产 生了一种突破性的新技术一软件无线电。近些年来，软件无线电技术己成为人们研究的一个 热点。 软件无线电概念首先由m i l t r e 公司的科学家j e o m i t 0 1 a 于1 9 9 2 年5 月在美国电信系统 会议上首次提出了的，其目的就是希望建立开放式、标准化、模块化的通用硬件平台，将各 神功能，如工作频段、调制解调类型、数据格式，数据率、加密模式、通信协议等用软件来 完成，并使宽带a d 和d a 转换器尽可能靠近天线，以研制出具有高度灵活性、开放性和兼容 性的新一代无线通信系统。由于其灵活性，兼容性的特点和军方的要求十分吻合。软件无线 电技术一经提出就在军用通信系统中得到广泛运用。 近年来，随着民用无线移动通信技术的飞速发展，各种通信系统得到了广泛的应用并 处在不断的更新换代之中。而不同通信服务采用的通信系统或者说不同标准的通信设备，其 调制方式、频段、传输速率、多址接入方法等不尽相同。无论是现在已经开始商用的第三代 移动通信系统还是正在研究的第四代移动通信系统。都有多种接口标准，这给全球通信造成 了一定困难。我们知道，现有的无线电接收发送机大多采用流水式信号处理结构和专用集 成电路来实现接收发送，一般只适用于单一工作模式。当然就无法和其它通信系统兼容， 对各种通信服务的适应性也比较差。因此，需要研究新的多波段、多速率、多模式、可升级 和具有开放性结构的智能型无线接收发送机。鉴于软件无线电的特点以及在军用领域的逐 渐深入研究，人们注意到软件无线电技术是解决这些问题的希望所在，开始注重软件无线电 技术在民用移动通信领域的研究与应用。例如：欧洲的a c t s ( 先进的通信技术与业务) 计划 中，有三项计划是将软件无线电技术应用在第三代移动通信系统中；f i r s t ( 灵活的综合无 1 0 浙江大学硕士学位论文 线电系统和技术) 计划将软件无线电技术应用到实际多频多模( 可兼容g s m ，d s c l 8 0 0 ，w c d 姒和现有的大多数模拟体制) 可编程手机，这种手机可以自动检测接收信号以接入不同 的网络，且适应不同的接续时间的要求；f r a 肛s ( 未来的无线宽带多址系统) 计划目标是 定义，研究和品故宽带有效的多址接入方案来满足嘣t s 的要求，方法之一就是采样软件无线 电技术；s 0 r t ( 软件无线电技术) 计划是演示灵活的有效的软件可编程电台，它具有无线自 适应接入功能，并符合u m t s 的标准。 软件无线电的实现，使无线通信的发展经历了继由模拟到数字、固定到移动之后由硬件 到软件的第三次变革。在军用通信方面软件无线电代表了军用无线通信的未来。软件无线电 也将越来越多地用于民用通信，尤其是在蜂窝移动通信方面，呈现了广阔的商业应用前景。 可以预见，随着计算机、微电子及天线技术的发展，软件无线电必将成为2 l 世纪无线电通信 领域的核心技术。 1 3 1 软件无线电的基本思想 软件无线电的基本思想是在一个通用，标准，模块化的硬件平台上，通过软件加载的方 式来实现无线电台的各种通信功能，从基于硬件、面向用途的电台设计方法中解放出来。功 能的软件化实现势必要求减少功能单一、灵活性差的硬件电路，尤其是减少模拟环节，将数 字化处理模块( a d 以及d a ) 尽可能靠近天线。软件无线电强调体协结构的开放性和全面可 编程性，通过软件更新改变硬件的配置结构，实现新的功能。软件无线电采用标准的高性能 的开放式总线结构，以利于硬件模块的不断升级和扩展。 j m i t o l a 在他提出的软件无线电系统结构中【9 j ，认为理想的软件无线电平台应该由多 波段的r f 天线、超高速的宽带a d d a 变换器、可编程硬件平台( 如d s p 处理器和通用c p u ) 组 成。a d d a 变换器直接对射频信号进行量化或生成射频信号，由d s p 处理器完成上下变频、 调制解调、信道编解码、加解密、信源编解码，用主处理器( 如通用c p u ) 来实现系统的控 制和人机界面。 如图1 l 所示，为一个典型的软件无线电收发机模型 8 。对于硬件平台而言，理想的目 标就是要尽量减少模拟电路环节，让宽带a d 和d a 模块尽量靠近天线，使得我们可以依靠强 大的数字信号处理器件就可以是实现无线信号的接收发送。这样才有可能按不同需要，通过 软件来更换和重新配置数字信号处理功能。但实际上受到物理器件水平和数字通信技术的限 制，很难实现全波段的射频信号数字化处理。早期只能在较低的波段和低速率数字通信系统 中，如短波电台可以使用多波段r f 天线、高速的 d 、d a 变换器和d s p 处理器来实现软件无 线电通信。随着近年来模拟数字器件水平、数字信号处理技术、全数字调制解调技术的发 展，软件无线电技术逐渐走向实际应用领域。所以，灵活的硬件平台结构和软件构架、合理 的无线网络结构、高速宽带数字模拟器件、各种数字信号处理技术和全数字化调制解调方 法等成为软件无线电研究的关键所在。 虽然目前研究的软件无线电系统已经不仅仅是指无线信号接收发送( 含信道编解码、调 制解调和中频处理) ，还包括信源编解码子系统、网络服务支持子系统、加解密子系统和相 浙江大学硕士学位论文 僵哥赢孺豫惶霎僻 i 一一塑鬯一- j 一一竺翌一_ j 竺 竺翌j 1 3 2 软件无线电中的关键技术 通过前面的描述，总体上我们可以把软件无线电的主要特点归纳如下 1 0 ，1 1 ，1 2 ： ( 1 ) ，它具有很强的灵活性，通过增加软件模块很容易增加新的功能，可以与其他任 何电台进行通信并能作为其他电台的射频中继，还能通过无线方式加载来改变软件模块或者 更新软件。为了减少开支，可以根据所需功能的强弱来取舍选用的软件模块。 ( 2 ) ，它具有很强的开放性。它采用标准化、模块化软硬件结构。硬件可以随着器件 发展进行更新和扩展软件也可以根据需要进行升级。这样既能保证和原有的系统兼容，还 可以不断提高性能、增强功能。这样既延长了旧体制电台的使用寿命，也保证了软件无线电 本身长的生命周期。 下面我们将对软件无线电的一些关键技术作讨论说明。 1 、开放式总线结构：软件无线电的重要特点是其开放性，这主要体现在所采用的开放 式标准化总线结构上。先进的标准化总线，使软件无线电能更好地发挥其适应性广、升级换 代方便等方面的特点，因而标准化的总线是构筑硬件平台和软件平台的基础。目前一般采用 控制总线和高速数据总线的双总线结构。控制总线可采用v 娅总线、p c i 总线等，而数据总线 结构则是软件无线电体系结构的关键，目前还没有形成标准。 2 、宽带多频段天线：这是软件无线电不可替代的硬件出入口，只能靠硬件本身来完成， 不能用软件加载实现其全部功能。对这部分的要求包括；天线能覆盖所有的工作频段；能用 程序控制的方法对功能及参数进行设置。实现的技术包括组合式多频段天线及智能化天线技 术；模块化、通用化收发双工技术；多倍频程宽带低噪音放大器方案。 3 、模数转换部分：模数转换部分主要包括采样速率和精度。采样速率一般要求大于信 号带宽的2 5 倍；而采样精度在8 0 d b 的动态范围要求下不能低于1 2 位。常采取多个a d 并联使 用的方法。 4 、数字下变频郝分：数字上下变频是d a 及a d 变换后首先要完成的处理工作。包括数 字变频、滤波和二次采样，是系统中数字处理运算量最大的部分，需用高速d s p 芯片完成。 5 、高速信号处理部分：这部分主要完成基带处理、调制解调、比特流处理和编译码工 作，它既是核心部件也是一个主要瓶颈。单路数字话音编译码、调制解调可用单个d s p 芯片 浙江大学硕士学位论文 实现，也可用多个d s p 芯片并行处理来提高能力。 6 、信令处理部分：软件无线电的任务是将通信协议及软件标准化、通用化和模块化。 无线接入是无线通信的重要内容，其协议的主体部分是公共空间接口，目前已形成许多不同 的标准。因此当用软件无线电实现多模互联时，实现通信信令处理是很必要的。这就需要把 现有的各种无线信令按软件无线电的要求划分成几个标准的层次，开发出标准的信令模块， 研究出通用的信令框架。 1 4 作者的研究成果和本文的主要任务 如上文所述，正交频分复用技术有诸多优点，这也正是其成为未来宽带移动通信的关键 技术的原因本文旨在对0 f d m 系统的关键技术进行研究，并在基于f p g a 的软件平台上设计与 实现一个完整的o f 蹦宽带无线收发系统 作者在对o f d m 进行将近两年时间的研究工作后，建立了一个突发模式的0 f d m 收发系统， 并在f p g a 软件无线电平台上予以实现，经过系统联试，工作稳定为了建立完整的系统并利于 硬件实现，在研究和实现中，作者提出了一些新的算法和硬件实现方法 ( 1 )时域粗符号定时同步环节的改进s c h i d l 算法，该算法对多径时延信道具有很 好的鲁棒性能，能准确定位f f t 窗口的开始位置： ( 2 )具有硬件易实现性的基于导频的频率同步和采样同步算法： ( 3 )基于c o r d i c 算法的高速流水线浮点f f t 处理器的硬件实现方法，解决了以往f f t 处理器控制复杂，硬件开销大，运行速度慢的缺点，大大提高了系统的工作速度： ( 4 )基于c o r d i c 算法的频偏估计与补偿的硬件设计，解决了传统查找表算法的r 叫开 销大，精度不高缺点，仅用较少的硬件开销达到高精度要求 ( 5 ) 用于信遵估计的阵列除法器设计，从而解决了限制系统工作速度的又一个瓶颈： ( 6 )能够同时应用于信号达到检测，符号同步估计和分数倍频偏估计的基于相关和 迭代的s c a 算法硬件实现，简化了系统实现的复杂性，提高了电路的复用性。 此外，本文还对o f d m 技术与载波干涉扩频编码技术的结合进行了深入的研究，提出了其 系统全数字化实现方案，仿真研究了其抗拒子信道深衰落和窄带干扰的误码性能和抑制峰均 比的性能，在这点上，c i o f d m 优于传统o f d m 技术：对差分调制o f d m 系统在各种信道下的误码 性能进行了仿真研究，证明了其具有很好的信道适应性和硬件实现的简单可行性 1 3 浙江大学硕士学位论文 第二章o f d m 的基本原理 2 1 无线通信信道的传播特性 无线信道的传播特性是通信系统设计中的重要园素。细致地了解无线传播环境对成功开 发一个无线通信系统是至关重要的。全面地掌握无线信道的特性，才能设计出高质量的无线 通信系统。 在无线通信中，发射信号在传播过程中往往会受到环境中的各种物体所引起的遮挡、吸 收，反射、折射和衍射的影响，形成多条路径信号分量到达接收机。不同路径的信号分量具 有不同的传播时延、相位和振幅，井附加有信道噪声，它们的叠加会使符合信号相互抵消或 者增强，导致严重的衰落。这种衰落会降低可获得的有用信号功率，并增加干扰的影响，使 得接收机的接收信号产生信号失真，波形展宽，波形重叠和畸变，甚至造成通信系统调制解 调输出大量出错，咀至完全不能通信。此外，如果发射机或者接收机处于移动状态，或者环 境发生变化，台引起信道特性随时间随机变化接收到的信号由于多昔勒效应会产生更加严 重的频谱展宽和信号失真。无线信道对传输信号的影响可表现在衰减，多径效应和时变性三 个方面n n 2 1 1 衰减作用 无线信道对信号的衰减作用使得接收信号的功率减小。它由路径长度职太信号中的障 碍状况决定，任何阻挡在发射机和接收机之间的障碍都会引起信号功率的衰减，一般情况f 接收信号的功率可# 上表达为： p ( d ) i d rs ( d 皿( d ) ( 2 ，1 ) 其中d 表示移动台与基站的距离向量，l d l 表示移动台与基站之问的距离。 根据上面的公式。无线通信信道对信号的衰减作用体现在一下三个方面。 ( 1 ) 大尺度衰落l d i n ；电波在自由空间内的传播损耗，也被称作路径衰落，其与信号 传输距离d 的n 次方成反比，其中n 一般为3 4 ； ( 2 ) 阴影衰落s f d l 由于传播环境的地形起伏、建筑物和其他障碍物对地波的阻塞或 选蔽而引发的衰落，也被称作中等尺度衰落；其统计特性通常符台对数正态分布。 ( 3 ) 多径衰落r f d l ，由于无线电波在空间传播存在反射、绕射、衍射等，导致信号经 过多条路径到达接收端。而每个信号分量的时延、衰落和相位都不相同，在接收端对多个信 号分量叠加时，造成同相相加时信号增强，异相相加时信号减弱的，产生多径衰落。这也被 称作小尺度衰落。由于移动台的运动，还会使得无线信道呈现出时变性其具体的表现之 1 4 浙江大学硕士学位论文 就是会出现多普勒频移。 2 1 2 多径效应 2 1 2 1 瑞利，莱斯衰落 在无线通信种，来自发射机的射频信号在传播工程中往往受到各种障碍物和其他移动物 体的影响，以至达到接收端的信号是来自不同传播路径的信号之和。如果每条路径信号的幅 度和到达接收天线的方位角是随机的且满足统计独立，则接收的信号包络服从瑞利分布。瑞 利分布是用于描述平坦衰落或者独立多径分量情况下接收信号包络的静态信号分量，还存在 视距传播路径，则接收信号的包络服从莱斯分布。这种情况下，从不同角度随机到达的多径 分量叠加在静态的主要信号上，接收机包络检波器的输出端会在随机多径分量上叠加一个直 流分量。 2 1 2 2 时延扩展 发射信号到达接收天线的各条路径分量经历的传播路径不同，因此具有不同的时间延 迟，这就使得接收信号的能量在时间上被宽展。用来描述时延扩展的参数有最大时延扩展 f 。t 平均附加时延r 均方根时延扩展6 。，它们都与功率延迟分布( p d p ) 有关。最大时 延扩展是第一个到达接收天线的信号分量与最后到达的信号分量之间的时间差；平均附加时 延是功率延迟分布的一阶矩；均方根时延扩展是指功率延迟的二阶矩的平方根【1 q ；功率延 迟分布的最大附加时延x ( d b ) 定义为，多径能量从初值衰落到低于最大能量x ( d b ) 的时 延。 在数字通信系统中，由于多径传播的影响，前后发送符号的各条路径分量叠加起来，会 造成符号间干扰( i s i ) 。强的i s i 会使得接收机的符号判决性能出现严重下降。 2 1 2 3 相干带宽一一频率选择性衰落 从频率看，如果多径信道具有恒定增益和线性相位的带宽范围( 称为相关带宽) 小于发 送信号的带宽，则该信道特性会导致接收信号波形产生频率选择性衰落，即某些频率成分信 号的幅度得到加强，而另外有些频率成分的信号的幅值却衰减。在这中情况下，信道冲激响 应具有多径时延扩展，其值大于发送信号波形的带宽的倒数。此时，接收信号中包含经历了 不同衰减和时延的多径波形的叠加，因而产生接收信号失真。反之，如果多径信道的相干带 宽大于发送信号的带宽，则接收机经历平坦衰落过程。在平坦衰落情况下，信道的多径结构 使得发送信号的频谱特性在接收机内仍保持不变。但是，多径效应导致信道增益起伏，使接 收信号的强弱随时间变换。 相干带宽皿表征多径信道特征的一个重要参数，它是指某一特定的频率范围，在该频 率范围内任意两个频率分量都有很强的幅度相关性。如果相关带宽定义为频率相关函数大于 浙江大学硕士学位论文 0 9 的某一特定带宽，则相关带宽近似为 皿一击 其中，为信道的均方根时延扩展。 2 1 3 时变性 ( 2 2 ) 时延扩展和相干带宽描述了无线信道的时间色散特性，但是不能描述无线信道的时变 性。无线信道的时变性是由发射机和接收机的相对运动或者信道中其他物体的运动引起的。 描述无线信道时变性的两个重要的参数是多普勒扩展和相干时间。 3 1 2 1 多普勒频移 当无线电发射机与接收机做相对运动时，接收信号的频率将会发生偏移。当两者做相向 运动时，接收信号的频率将高于发射频率；当两者做方向运动时，接收频率将低于发射频率， 这种现象称为多普勒效应。对于电磁波而言，因为多普勒效应造成的频率偏移取决于两者相 对运动速度，可将这种频率偏移写为： 厶一，o 二c o s 妒 ( 2 3 ) c 其中兀为接收端检测到的发射机频率的变化量，d 是发射机的载频，v 是