（信息与通信工程专业论文）基于ieee80216d的ofdm系统中同步与信道估计技术的研究与实现.pdf

国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 摘要 i e e e 8 0 2 1 6 d 标准规定了固定宽带无线接入系统的空中接口规范，该标准使用 的o f d m 技术是一种频带利用率高、抗多径能力强的多载波传输技术。本文主要 研究与实现了基于i e e e 8 0 2 1 6 d 的o f d m 系统中同步与信道估计技术a 在o f d m 系统的同步技术中，本文概括了经典的符号定时同步与载波频率同 步算法，并对经典算法做了改进，使同步算法更加适用于基于i e e e 8 0 2 1 6 d 的 o f d m 系统。仿真验证结果表明，利用短符号进行自相关和互相关的符号定时同 步算法消除了相关平台带来的定位模糊问题，提高了符号定时的精度；利用短符 号进行小数倍和整数倍频偏估计，均方误差更小，估计范围更大。 本文提出了基于i e e e 8 0 2 1 6 d 的同步算法的f p g a 实现方案，给出了各个模 块的实现框图。在符号定时同步算法的实现过程中，本文研究了调试过程中遇到 的a g c 调整问题，通过预检测，使得同步算法能够适应a g c 调整。 在o f d m 系统的信道估计技术中，本文重点讨论了基于导频的信道估计算法， 包括导频的选择、导频位置及非导频位置信道信息的获取。针对非导频位置信道 信息的获取，从幅度和相位内插的角度，本文提出了一阶线性a 0 内插方法，并 且基于i e e e 8 0 2 1 6 d 的o f d m 系统，分析了一阶线性i - q 与a 0 内插方法的原理， 并在不同信道环境下进行了仿真，一阶线性a 0 内插方法在某些信道环境下表现 出良好的性能。 本文给出了基于i e e e 8 0 2 1 6 d 的信道估计算法的f p g a 实现过程，分别实现 了一阶线性i q 和a 0 内插方法，并且进行了复杂度分析与比较，一阶线性a 0 内 插方法提高性能的同时也提高了复杂度。 主题词：l e e e 8 0 2 1 6 d 0 f d m ， 符号定时同步，频偏估计， 信道估计 线性内插，f p g a 第i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 a b s t r a c t i nt h es t a n d a r db a s e do ni e e e 8 0 2 16 d ，a na i ri n t e r f a c ec r i t e r i o nf o rf i x e d b r o a d b a n dw i r e l e s sa c c e s ss y s t e m si sp r e s c r i b e d t h eo f d mi sam u l t i - c a r r i e r t r a n s m i s s i o nt e c h n i q u eu s e db yi e e e 8 0 2 16 d ，w h i c hi so fh i g hu t i l i z a t i o ne f f i c i e n c yo f f r e q u e n c ys p e c t r u ma n dr e s i s t a n tf o rm u l t i p a t h t h et h e s i sm a i n l yi n v e s t i g a t e sa n d i m p l e m e n t ss y n c h r o n i z a t i o na n dc h a n n e le s t i m a t i o nt e c h n o l o g i e s i no f d ms y s t e m s b a s e do ni e e e 8 0 2 16 d i nt e c h n i q u e so fs y n c h r o n i z a t i o ni no f d ms y s t e m s ，c l a s s i c a lm e t h o d so fs y m b o l t i m i n ga n dc a r r i e rf r e q u e n c ys y n c h r o n i z a t i o na r es u m m e du pb yt h ep a p e r ，a n dt h e ya r e i m p r o v e ds om u c ht h a tt h e ya r ea p p l i c a b l et oo f d ms y s t e m sb a s e do ni e e e 8 0 2 1 6 d t h er e s u l tf r o ms i m u l a t i o na n dv e r i f i c a t i o ni n d i c a t e st h a ta u t o c o r r e l a t i o na n d c r o s s c o r r e l a t i o n s y n c h r o n i z a t i o nt e c h n i q u e su s i n gs h o r tp r e a m b l ec o u l d e l i m i n a t e t i m i n gi l l e g i b i l i t yr e s u l t i n gf r o mc o r r e l a t i o n f l a t p h e n o m e n a ，m o r e o v e r ，t h e yc a n i m p r o v et h et i m i n gp r e c i s i o n d e c i m a la n di n t e g r a lf r e q u e n c yo f f s e te s t i m a t i o nu s i n g s h o r tp r e a m b l ea r eo fs m a l l e rm e a ns q u a r ee r r o ra n dl a r g e re s t i m a t i o ne x t e n s i o n t h ei m p l e m e n t a t i o np r o c e s so nf p g ac h i p sf o rs y m b o lt i m i n ga n dc a r r i e r f r e q u e n c ys y n c h r o n i z a t i o nb a s e do ni e e e 8 0 2 16 di se x p a t i a t e d i nt h et h e s i s ，a n d f u n c t i o nd i a g r a m so fe v e r ym o d u l ea r el i s t e d t h ed i s s e r t a t i o ns t u d i e st h ep r o b l e mo f a g c a d j u s t i n g ，w h i c hw a sc o n f r o n t e di nt h et e s t i n gp e r i o d w i t hd e t e c t i n gi na d v a n c e ， t h es y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h mc a nb ec a p a b l ew h e nt h ea g cu n i ti sa d j u s t i n g i nc h a n n e le s t i m a t i o nt e c h n i q u e s ，t h ep a p e rs t r e s s e st od i s c u s st h ea l g o r i t h mo f p i l o t - a i d e dc h a n n e le s t i m a t i o n ，i n c l u d i n g c h o i c e so fp i l o t s ，c a p t u r eo ft h ec h a n n e l i n f o r m a t i o no fp i l o ta n dn o n p i l o tp o s i t i o n a tt h ep o i n to fv i e wo fa m p l i t u d ea n dp h a s e ， t h ew a yo fl i n e a ra 0 i n t e r p o l a t i o nf o rt h en o n - p i l o tp o s i t i o ni sp r e s e n t e d t h ep a p e r a n a l y z e st h ep r i n c i p l eo fl i n e a ri - qa n da 一0i n t e r p o l a t i o ni no f d ms y s t e m sb a s e do n i e e e 8 0 2 16 d ，a n dc o n c l u d e st h a tl i n e a ra - 0i n t e r p o l a t i o nw i l lp e r f o r mb e t t e r t h et h e s i sg i v e su st h ep r o c e d u r ef o rf p g ai m p l e m e n t a t i o no fc h a n n e le s t i m a t i o n b a s e do ni e e e 8 0 2 16 d ，a n di m p l e m e n t sl i n e a ri - qa n da 0i n t e r p o l a t i o ns e p a r a t e l y ， t h e na n a l y z e sa n dc o m p a r e st h ec o m p l e x i t y a st h ep e r f o r m a n c ei si m p r o v e d ，t h e c o m p l e x i t yo fa 0i n t e r p o l a t i o ni n c r e a s e s k e yw o r d s ： ie e e 8 0 2 16 d ，o f d m ，s y m b o lt i m i n gs y n c h r o n i z a t i o n ， f r e q u e n c yo f f s e te s t i m a t i o n ， c h a n n e le s t i m a t i o n 。l i n e a ri n t e r p o l a t i o n ， f p g a 第i i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 表 目录 表2 1s u i 1 信道模型参数1 0 表2 2s u i 。3 信道模型参数。1 0 第1 i i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图目录 图1 1 同步算法归纳。4 图2 1o f d m 系统仿真链路功能框图7 图2 2b p s k 、q p s k 、1 6 q a m 映射星座图8 图2 3o f d m 符号频域结构8 图2 4o f d m 短符号与长符号的时域结构9 图2 5 子载波顺序调整示意图。9 图2 6c p 抗多径示意图1 0 图3 1 训练序列的时域结构1 3 图3 2 定时度量函数曲线1 4 图3 3 改进的训练序列的时域结构1 5 图3 4 多种算法的定时度量函数曲线比较图1 6 图3 5 基于i e e e 8 0 2 1 6 d 的符号定时算法的自相关函数曲线2 0 图3 6 归一化和平滑后定时度量函数曲线2 1 图3 7 无频偏时互相关算法定时度量函数曲线2 2 图3 8 频偏影响下互相关算法定时度量函数曲线2 2 图3 9 差分改进后的互相关算法定时度量函数曲线2 3 图3 1 0 自相关算法和互相关算法在不同信道环境下的定时估计m s e 2 4 图3 1 1 自相关算法和互相关算法在不同信道环境下的定时估计错误概率。2 4 图3 1 2 定时误差影响下整数倍频偏估计曲线。2 7 图3 1 3 差分后整数倍频偏估计曲线。2 8 图3 1 4 利用短符号与长符号进行小数倍频偏估计的m s e 2 9 图3 1 5 分别利用短符号与长符号进行整数倍频偏估计曲线2 9 图4 1 接收信号自相关实现结构框图3 2 图4 2 乘累加单元实现结构框图3 2 图4 3 接收信号能量计算结构框图3 3 图4 4 噪声区间归一化出现的峰值3 3 图4 5m o d e l s i m 仿真归一化时序图。3 4 图4 6 峰值定位模块结构框图。3 5 图4 7c h i p s e o p e 采集出来的信号及自相关峰3 5 图4 8 修正后c h i p s c o p e 采集出来的信号及自相关峰3 6 图4 9 数字下变频示意图3 7 图4 1 0d d s 配置图3 7 第1 v 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图4 1 1 抽取模块的示意图3 8 图4 1 2 小数倍频偏估计算法的f p g a 实现框图3 8 图4 13 频率控制字生成示意图3 8 图5 1 块状导频结构4 l 图5 2 梳状导频结构4 l 图5 3f f t 插值算法结构图4 5 图5 4 两种内插方法原理示意图4 6 图5 5 信道的幅频响应示意图4 6 图5 61 6 q a m 调制方式一阶线性i - q 内插后获得的解调星座图4 7 图5 71 6 q a m 调制方式一阶线性a o 内插后获得的解调星座图4 7 图5 8 三种信道下估计的均方误差性能比较4 8 图5 9 三种信道下估计的调制精度性能比较4 9 图5 1 0 三种信道下估计的误比特率性能比较4 9 图6 1 偶数子载波信道估计的f p g a 实现框图5 2 图6 2 截取长符号时序图5 2 图6 3 一阶线性i q 内插实现框图5 3 图6 4 中频2 1 4 m 接收系统采用一阶线性i - q 内插获得的解调星座图5 4 图6 5 一阶线性a o 内插实现框图5 4 图6 6 中频2 1 4 m 接收系统采用一阶线性a 0 内插获得的解调星座图5 5 第v 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师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的地方外，论文中不包含 其他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它 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 学位论文题目：基王巨至e 丝：! 翻约鲤望丛至纽宣团垒苎盔必进丝勘触刎 学位论文题目：差王巨至e 丝：! 翻约鲤望丛至纽宣团垒苎盔必吐丝勘舷刎 学位论文作者签名： 豳缝红日期：d 一8 年，月，乒日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定。本人授权 国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 文档，允许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书。) 学位论文题目：红孚也盟倒业纽牲归盥幽知交础 日期：莎一吕年1 1 月，乒日 日期：a 彤年l1 月，汐日 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第一章绪论帚一早三百t 匕 1 1i e e e 8 0 2 1 6 标准简介 1 9 9 9 年，i e e e 成立i e e e 8 0 2 1 6 工作组来专门研究固定宽带无线接入技术规 范，目标就是要建立一个全球统一的宽带无线接入标准。该工作组于2 0 0 2 年4 月 8 日正式发布了i e e e 8 0 2 1 6 2 0 0 1 标准【，为宽度无线接入( b w a ) 定义了无线城域 n ( w m a n ) 的空中接口规范，此标准更大程度地扩展了无线接入的范围，从无线 局域网( w l a n ) 到无线城域网( w m a n ) ，可以让更多的用户不受时间、地点的限制 接入到全球网络中。 i e e e 8 0 2 1 6 2 0 0 1 工作在1 0 6 6 g h z 频段，由于这个频段对于像建筑物和树这 样的障碍物无穿透能力，故要求基站和用户终端是视距( l o s ) 链路，从而加大了基 站的架设难度。可以看出，该频段对用户终端天线的设计与安装要求很高，而且 受雨衰等环境因素影响较大，因而阻碍了该标准市场的进一步发展。 该工作组于2 0 0 3 年4 月颁布了i e e e 8 0 2 1 6 a t 2 1 ，该标准是对i e e e 8 0 2 1 6 2 0 0 1 标准的进一步改善，支持的工作频段为2 l1 g h z ，包括了需要发放牌照频段和免 牌照频段。与1 0 - 6 6 g h z 频段相比，该频段受雨衰等环境因素影响不大，降低了对 用户安装的要求。另外，i e e e 8 0 2 1 6 a 的m a c 层提供服务质量( q o s ) 保证机制，可 支持语音和视频等实时性业务，还增加了对网络拓扑结构的支持，能适应多种物 理层环境。这些特点使得i e e e 8 0 2 16 a 与i e e e 8 0 2 16 - 2 0 01 相比更具有市场应用价 值，更能够受到用户的青睐。 由于i e e e 8 0 2 1 6 a 标准只是i e e e 8 0 2 1 6 2 0 0 1 标准的修改和扩展，不是一个独 立的标准，所以2 0 0 4 年7 月工作组又通过了i e e e 8 0 2 1 6 d t 引，该标准对2 - 6 6 g h z 频段的空中接口物理层和m a c 层都做了详细的规范，定义了支持多种业务类型如 p m p 、m e s h 等的固定宽带无线接入系统的m a c 层和相对应的物理层。该标准对 i e e e 8 0 2 1 6 2 0 0 1 和i e e e s 0 2 1 6 a 进行了整合和修订，仍属于固定宽带无线接入规 范，是相对比较成熟并且实用的一个版本。 以上介绍的几个标准都是为固定用户而建立的，但考虑到用户的移动性，以 上标准显然不能满足需要。于是2 0 0 5 年，工作组又确立了i e e e 8 0 2 1 6 e 1 4 1 ，该标准 是工作在2 , - - 6 g h z 频段支持移动性的宽带无线接入空中接口标准。制定此标准的目 的是为了实现既能够提供高速数据业务，又满足用户移动性的需要。所以该标准 能够向下兼容i e e e s 0 2 1 6 d ，被业界视为目前唯一能与3 g 竞争的下一代宽带无线 接入技术。 2 0 0 6 年1 2 月，i e e e s a 标准委员会通过了i e e e 8 0 2 1 6 w g 提交的i e e e s 0 2 1 6 m 第1 页 国防科学技术大学研究生院硕上学位论文 标准的立项申请，该标准的制定在i e e e 8 0 2 1 6 w g 下设的t g m 任务组中进行。 i e e e 8 0 2 委员会之所以决定制定1 6 m 标准，首先是因为目前1 6 e 标准在某些方面 提供的能力有限，需要进一步增强。其次是来自其他标准组织的压力和挑战：3 g p p 正在制定l t e 标准，3 g p p 2 已完成u m b 标准的制定，两套标准也都使用了 o f d m a + m i m o 技术。另外i t u 将于2 0 0 8 年底、2 0 0 9 年初正式收集i m t a d v a n c e d 候选技术，1 6 m p a r 文件明确指出1 6 m 应满足i m t a d v a n c e d 需求，并将作为最 终向i t u 提交的技术提案。与此同时，该标准将兼容现有i e e e 8 0 2 1 6 e ，并满足 n g m n 需求。 为了更好的利用带宽，i e e e 8 0 2 1 6 系列标准都支持时分双i ( t d d ) 年i 频分双工 ( f d d ) 模式，两种模式下都采用突发( b u r s t ) 格式发送。i e e e 8 0 2 1 6 标准的载波带宽 可以采用1 2 5 m h z 2 0 m h z ，考虑各个国家已有固定无线接入系统的载波带宽划 分，i e e e 8 0 2 1 6 规定了载波带宽可以是1 2 5 m h z 或1 7 5 m h z 的倍数。对于 1 0 - 6 6 g h z 的固定无线接入系统，还可以采用2 8 m h z 载波带宽，提供更高的接入 速率。 i e e e 8 0 2 1 6 d 标准中主要规定了两种调制方式：单载波( s c ) 和正交频分复用 ( o f d m ) 。对于1 0 - 6 6 g h z 频段的无线接入系统，由于工作波长较短，为达到一定 的性能，要求视距传输，因而多径衰落是可以忽略的，i e e e 8 0 2 1 6 d 规定在该频段 采用单载波调制方式，具体可以采用q p s k 、1 6 q a m 和6 4 q a m 等。而对于2 l1 g h z 频段，工作波长较长，容易发生绕射等现象，多径衰落的影响就不能被忽略。而 且随着数据传输速率的提高，为了克服i s i ，往往要求均衡器的抽头数很大，均衡 器的复杂性也随之大大增加。o f d m 技术作为一种可以有效对抗i s i 的高速多载波 传输技术，引起了广泛关注，所以在2 1i g h z 频段上主要采用o f d m 技术。 1 2o f d m 技术的特点 正交频分复用( o f d m ) 技术【5 】将数据符号调制到不同的子载波上进行传输，各 子载波可以相互重叠，但要求保持正交，是一种多载波传输技术。与传统的单载 波技术比较，其存在的优点如下【6 j ： ( 1 ) 抗多径干扰能力强。o f d m 技术将高速率的串行数据转换为低速率的并行 数据后调制，这样便扩展了符号周期，降低了系统对信道时延扩展的敏感程度。 循环前缀的添加，一定程度上可以对抗无线信道引入的o f d m 符号间干扰( i s i ) 。 ( 2 ) 频谱资源利用率高。单载波的频分复用( f d m ) ，是将频带划分成多个不相 交的子频带来传输数据，子频带间要求有一定的保护间隔，以便使用接收滤波器 将数据分离处理，这样便造成了频谱资源的浪费；而o f d m 技术各子载波间可以 相互重叠，但要求保持正交可以最大限度地利用频谱资源。 第2 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 ( 3 ) 容易实现。o f d m 技术的调制与解调叮由i f f t 和f f t 完成，随着大规模 集成电路的发展，芯片的信号处理能力大大增强，i f f t 和f f t 是非常容易实现的。 ( 4 ) 调制方式灵活。可以通过动态比特分配、动态功率分配以及动态子信道分 配的方法，降低频率选择性信道和窄带干扰对信息传输的影响。 ( 5 ) 容易实现多种多址方式。如o f d m a ，与t d m a 、c d m a 结合构成 o f d m t d m a 、o f d m - c d m a ，实现多用户同时使用o f d m 技术接入网络。 虽然o f d m 技术具有以上所述的各种优点，但该技术结构本身引入了固有缺 点，下面针对基于i e e e 8 0 2 1 6 d 的o f d m 系统，说明其存在的缺点，这里提到的 o f d m 系统是指使用了o f d m 技术的通信系统，下文便不加以区分。 ( 1 ) i e e e 8 0 2 1 6 d 标准要求采用突发的传输方式，这要求o f d m 系统需采用定 时同步算法进行数据帧的检测，并能够准确判断符号的起始位置。设计简单易实 现而且精度较高的定时同步算法，是o f d m 系统接收机设计的目标之一。 ( 2 ) o f d m 系统解调时要求各子载波间严格正交，但是实际系统发送端和接收 端晶振本身的精度问题，将导致频率发生偏移，严重时会引入子载波间干扰( i c i ) 。 因此接收机需要设计出准确的频偏估计与校正算法，以补偿载波频偏，才能保证 系统正常工作。 ( 3 ) i e e e 8 0 2 1 6 d 标准规定o f d m 系统使用2 5 6 个子载波，经过i f f t 变换后， 会引入较高的峰值平均功率比( p a p r ) 。此时需要考虑优良的降峰均比算法以满足 功率放大器的线性要求，否则将产生信号畸变，进而破坏各子载波间的正交性， 造成系统性能下降。 ( 4 ) o f d m 系统中循环前缀的使用，导致系统传输效率下降。 1 3 国内外研究现状 同步与信道估计技术是o f d m 系统中的关键技术，下文主要概括了o f d m 系 统中该技术的研究现状。 同步技术是任何一个通信系统都需要解决的问题，其性能直接关系到整个通 信系统的性能。o f d m 系统的同步技术主要包括三个方面：样值同步、符号定时同 步和载波同步。一般可把同步过程分为两个阶段：捕获( a c q u i s i t i o n ) 阶段和跟踪 ( t r a c k i n g ) 阶段。捕获阶段的任务是尽快地进行偏差估计，而跟踪阶段的任务是锁 定并且执行跟踪任务。把上述同步任务分为两个阶段的好处是：每一阶段内的算 法只需要考虑其特定阶段内所要求执行的任务，因此可以在设计同步结构中引入 较大的自由度。在捕获阶段，算法主要完成符号粗定时估计和频偏估计；而在跟 踪阶段，算法需要完成细定时估计和残留频偏校正。如图1 1 所示， 第3 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 同步 捕获阶段 跟踪阶段 粗定时估计 频偏估计 细定时估计 残留频偏校正 图1 1l 司步算法归纳 无论在捕获阶段，还是在跟踪阶段，同步算法一般可分为数据辅助类和非数 据辅助类两种。常用的数据辅助类同步算法主要是指基于特殊训练序列或导频的 同步，而非数据辅助类同步算法主要指基于循环前缀的同步。基于特殊训练序列 的同步算法需要发送端在数据帧前端插入特殊训练序列，这种特殊训练序列一般 都具有某种相关特性，而此算法正是利用这种相关特性进行定时或频偏估计的； 基于导频的同步算法则是利用数据符号中插入的导频进行同步：基于循环前缀的 同步算法充分利用时域o f d m 符号特有的循环前缀的重复特性，通过自相关的方 法进行符号定时估计或频偏估计。与基于特殊训练序列的同步算法相比，该方法 一般需要较长的收敛时间，不适用于突发业务的传输。 s c h m i d l & c o x ( s & c ) 算澍7 】是一种经典的基于特殊i ) w l 练序列的算法，该方法利 用特殊训练序列的重复特性，在获得定时同步的同时可以估计出载波频偏，它的 缺点是获得的定时同步误差较大；针对该算法的缺陷，m i n n 等人在该算法的基础 之上做出了改进，提出了滑动窗口法和训练符号法【8 】；而p & c 算、法【9 1 ，m & l 算法 【l o 】作为s & c 的改进算法，共同特点是通过改变特殊序列的结构，提高了定时估计 精度，但是算法复杂度也相应提高，而且不利于频偏估计的实现；文献【1 1 】和 1 2 】 使用p n 序列作为特殊训练符号，大大提高了定时估计的精度；j j v a nd eb e e k 等 人提出了利用o f d m 循环前缀进行最大似然定时估计和频偏估计的算法【l3 】；此外， 文献 1 4 1 提出了一种细定时同步方法。 以子载波间隔为单位，可以将频偏估计分为两种类型：小数倍和整数倍频偏 估计。p m o o s e 方法【1 5 】连续传输两个相同的o f d m 符号，在频域利用最大似然估 计得到小数倍频偏。这种方法估计值较为精确，但估计范围较小；s c h m i d l & c o x 方法【7 】的小数倍频偏估计是在时域进行的，估计精度取决于符号定时估计的准确 度；基于导频的频偏估计方法【l6 】可以用于频偏跟踪。 目前，符号定时估计与频偏估计的研究逐渐走向统一，人们提出很多有效的 方法进行联合符号定时与频偏估计。文献 1 7 1 使用一个训练符号与循环前缀完成符 号定时估计与小数倍频偏估计，同时利用虚子载波完成整数倍频偏估计；文献 1 8 】 也提出了符号定时与频偏联合估计的算法，该算法使得定时同步更加精确，而且 频偏估计的范围可以达到信号带宽的一半。 信道估计算法一直是o f d m 系统的关键技术之一，一般来说，信道估计算法 第4 页 国防科学技术大学研究生院硕上学位论文 可分为基于导频的信道估计算法【1 9 25 | 、盲信道估计算法 2 6 - 3 0 1 和半盲信道估计算法【3 l 】 三类。基于导频的信道估计，即数据传输过程中，在频域或时域插入导频，然后 根据导频的变化估计信道响应；盲信道估计算法，即充分利用传输的数据先验信 息的统计特性，如信号的调制方式及幅度相位的变化范围等估计信道传输函数； 半盲信道估计算法，即基于导频信道估计算法和盲信道估计算法相结合的估计方 式。 在基于导频的信道估计算法中，首先要考虑导频的插入样式，常见的导频样 式包括块状导频和梳状导频【2 4 1 ，文献 1 9 和 3 2 】阐述了导频位置的信道估计，至于 非导频位置的信道估计，人们一般使用内插的方法1 2 1 2 3 】【3 3 。5 1 获得。 1 4 本文的研究意义与主要工作 经过相当一段时间的发展，o f d m 系统中的同步与信道估计技术已经相当成 熟，但根据本人阅读的文献，目前专门针对基于i e e e 8 0 2 1 6 d 的o f d m 系统进行 的研究数量有限，而且虽然有些基于该标准的商用芯片已经上市，但出于产权的 保护，其核心算法大都未公布。针对本实验室开发的硬件平台，我们与电台厂商 合作，为开发替代芯片做准备。因此，本文研究该系统完整的同步与信道估计技 术方案具有定的理论和现实意义。 本文着重讨论了基于i e e e 8 0 2 1 6 d 的o f d m 系统中同步和信道估计技术，重 点进行了算法研究与f p g a 实现。一方面，结合i e e e 8 0 2 1 6 d 标准，本文对经典 算法做了改进或提出了新算法，使同步与信道估计算法更加适用于基于 i e e e 8 0 2 1 6 d 的o f d m 系统；另一方面，本文提出了部分同步与信道估计算法的 f p g a 实现方案，并针对调试过程中遇到的问题进行了分析。 本文主要完成了以下工作： ( 1 ) 建立了基于i e e e 8 0 2 1 6 d 的o f d m 系统仿真链路，并且编写了系统各模块 的仿真函数。 ( 2 ) 重点研究了o f d m 系统中符号定时同步与载波频率同步技术。首先概括了 主要的经典算法，其次，结合i e e e 8 0 2 1 6 d 标准，改进了经典算法，最后通过仿真 进行了性能分析，并得出结论：利用短符号进行自相关和互相关的符号定时同步 算法消除了相关平台带来的定位模糊问题，提高了符号定时的精度；利用短符号 进行小数倍和整数倍频偏估计，均方误差更小，估计范围更大。 ( 3 ) 使用f p g a 实现了基于i e e e 8 0 2 1 6 d 的符号定时同步算法与载波频率同步 算法，给出了各个模块的实现框图。在符号定时同步算法的f p g a 实现过程中， 本文分析了调试过程中遇到的a g c 调整问题，通过预检测，使同步算法能够适应 a g c 调整。 第5 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 ( 4 ) 研究了o f d m 系统中信道估计技术。首先总结了主要的信道估计算法，其 次重点讨论了基于导频的信道估计算法，包括导频的选择、导频位置及非导频位 置信道信息的获取，最后针对非导频位置信道信息的获取，从幅度和相位内插的 角度，提出了一阶线性a 0 内插方法，并且结合基于i e e e 8 0 2 1 6 d 的o f d m 系统， 通过不同信道环境下的仿真，分析说明了一阶线性a 0 内插方法在某些信道环境 下表现出更优的性能。 ( 5 ) 使用f p g a 实现了基于i e e e 8 0 2 1 6 d 的信道估计算法，包括了偶数子载波 与奇数子载波的信道估计，分别实现了一阶线性i - q 和a 0 内插方法，并且进行 了复杂度分析与比较。 第6 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第二章基于i e e e 8 0 2 16 d 的o f d m 系统仿真链路 o f d m 系统仿真链路分为发送端、信道和接收端三个模块。发送端完成物理层 的数据封装，以便发送；接收端则完成对接收信号的检测、拆封装以传递给上层： 信道是为了更加真实地模拟实际系统而添加的，采用了加性高斯白噪声( a w g n ) 、 s u i 等标准信道。整个仿真链路的功能框图如图2 1 所示： 图2 1o f d m 系统仿真链路功能框图 2 1 发送端说明 从系统仿真链路的功能框图可以看出，发送端包含了编码、映射、插导频和 训练符号、调整子载波顺序、i f f t 、加c p 以及d a 转换单元，各个单元分别实 现了不同的功能。 ( 1 ) 编码 编码是指信道编码，包括扰码、f e c 以及交织三个过程。扰码实现了比特流 的随机化，避免了在长时间内传输相同的比特，这一过程可以由移位寄存器完成， i e e e 8 0 2 1 6 d 标准规定的该移位寄存器的生成多项式为1 + 一4 + x 1 5 ；f e c ，即前向 纠错编码，该标准规定了系统的上行和下行链路都必须支持r s c c 编码方式，所 谓r s c c ，是指r s 和卷积码( c c ) 级联的纠错编码方式，块t u r b o 码( b t c ) 和卷积 t u r b o 码( c t c ) 都是编码的可选方案；而交织的作用是将连续的突发错误转化为随 机错误，一定程度上纠正了突发错误，提高了编码的纠错性能。 ( 2 ) 映射 映射即将比特流映射成为频域的数据符号，以便进行调制，i e e e 8 0 2 1 6 d 支持 的映射方式有b p s k 、q p s k 、1 6 q a m 和6 4 q a m ，由于本文的算法研究工作主要 采用了b p s k 、q p s k 和1 6 q a m ，此处给出了这三种映射方式，如图2 2 ， 第7 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图2 2b p s k 、q p s k 、1 6 q a m 映射星座图 图中的c 为功率归一化因子，代表了最低有效位。这些映射方式并非固定的。 i e e e 8 0 2 1 6 d 下行链路还支持自适应的比特分配、映射方案，以提高传输效率。 ( 3 ) 插导频和训练符号 发送端每个数据符号内都按照一定规律插入了导频，在数据符号的前端插入 了训练符号。i e e e s 0 2 1 6 d 标准采用了2 5 6 个子载波，其中- 1 2 8 - - - 1 0 1 、1 0 1 1 2 7 这 5 5 个子载波作为保护频带不传递数据，0 子载波作为直流分量始终为0 ，每个数据 符号含8 个导频，导频所在子载波的序号为 - 8 8 ，- 6 3 ，- 3 8 r 1 3 ，1 3 ，3 8 ，6 3 ，8 8 】，数据在其 余1 9 2 个子载波上传输，如图2 3 所示 圈2 3o f d m 符号鞭域结构 训练符号位于数据符号的前端，包括一个短符号和一个长符号，它们均与数 据符号具有相同的长度。图2 1 所示的训练符号的插入是在额域进行的，频域内训 练符号按照如下方式选取：短符号定义为： = 舻以”矾蹦枷：翥： 叫， 为了简化o f d m 系统接收端的设计，长符号的调制方式改为b p s k ，长符号 岛。定义为： 第8 页 屯【兰 p广。0j舟1q。扎再i 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 一叫u 的) k m o d 2 = 0 k r o o d 2 0 ( 2 2 ) 其中，气。( - 1 0 0 ：l o o ) = 1 - j ，1 - j ，一1 - j ，l + j ，1 - j ，1 - j ，- l + j ，1 - j ，1 - j ，1 - j ，l + j ，- 1 - j ，l + j ， l + j ，1 - j ，1 + j ，- 1 j ，一1 j ，1 - j ，- 1 + j ，1 - j ，1 - j ，- 1 j ，l + j ，1 - j ，l i j ，1 + j ，1 - j ，1 - j ，1 - j ，1 + j ，一1 _ j ， l + j ，1 + j ，一l - j ，1 + j ，- l - j ，一l - j ，1 j ，- 1 斗j ，1 _ j ，1 - j ，- l - j ，1 q ，l - j l - j ，- l + j ，1 - j ，1 j ，1 - j ，1 + j ， - 1 - j ，1 + j ，l + j ，- 1 - j ，1 + j ，- 1 - j ，一1 - j ，l - j ，l + j ，1 + j ，1 + j ，1 j ，- 1 + j ，l + j ，1 + j ，- 1 - j ，l + j ，1 + j ，1 + j ， - 1 + j ，1 - j ，一l + j ，- 1 + j ，1 j ，- 1 + j ，1 - j ，1 - j ，1 + j ，一1 - j ，一1 - j ，1 j ，一l + j ，1 j ，- 1 - j ，一1 - j ，1 + j ，- 1 j ， 一l - j ，一1 - j ，l - j ，一1 + j ，1 j ，l - j ，1 勺，1 - j ，l + j ，一1 + j ，- 1 - j ，1 + j ，0 ，- 1 - j ，1 + j ，一1 + j ，- l + j ，一1 j ，1 + j ， 1 + j ，1 + j ，一1 - j ，1 + j ，1 - j ，1 - j ，1 j ，- 1 + j ，- l q ，1 勺，一l + j ，1 - j ，一1 j ，1 - j ，一1 一，1 _ j ，l + j ，1 1 ， - l + j ，1 - j ，1 j ，l - j ，- 1 + j ，1 j ，- 1 - j ，1 - j ，- 1 - j ，1 + j ，1 + j ，1 + j ，1 + j ，- 1 - j ，- 1 + j ，一1 ，1 + j ，- 1 - j ，1 - j ， l - j ，l + j ，- l - j ，1 - j ，一1 j ，1 q ，一1 - j ，1 q ，- l + j ，- l + j ，1 - j ，1 - j ，1 - j ，l - j ，1 + j ，1 + j ，1 + j ，一1 - j ，1 + j ， - 1 + j ，- 1 q ，1 j ，1 + j ，1 + j ，1 + j ，- 1 - j ，1 + j ，1 - j ，l - j ，1 - j ，- 1 + j ，一l + j ，1 + j ，- l 勺，l - j ，- 1 j ，- l - j ， 1 - j ，l 勺，一1 l j ，- 1 - j ，1 - j ，一1 斗j ，- l + j ，- 1 + j ，1 - j ，一1 + j ，1 + j ，l + j ，l 斗j ，1 - j ，- l - j ，- l - j ，一1 j ，1 斗j ， 1 - j ，1 - j ) 。 经过i f f t 变换后，长短符号的时域波形具有重复特性，短符号每6