（信号与信息处理专业论文）mimoofdm系统发射机关键技术的研究与fpga仿真实现.pdf

摘要 在过去的数十年内，无线通信技术得到了十分迅猛的发展，人们已经在不知 不觉之间步入了4 g 的时代。由于多输入多输出( m i m o m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l e o u t p u t ) 技术能够在不牺牲额外系统带宽和发射天线功率的情况下，极大地提高 信道容量和系统的频带利用率，而正交频分复j 曰( o f d m ：o r t h o g o n a lf r e q u e n c y d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 技术有着极强的对抗频率选择性衰落的能力，二者完美结 合下的m i m o o f d m 技术以其强大的性能已经成为了第四代移动通信( 4 g ) 和网 络接入标准中的核心技术。迄今为止，m i m o o f d m 技术已经获得了包括 i e e e 8 0 2 1i n 、w i m a x 、w i f i 、3 g l t e 等无线通信标准的青睐和广泛应用，而 且有进一步在未来得到长远发展的趋势。 目前，国内外的多所大学、科研机构以及通信产业的公司则都把研究重点放 在了成功搭建m i m o o f d m 的硬件平台上，各种相关的期刊文献和学术论文中 也都频频提到这一点。本文的设计正是基于这种大的研究背景下，构建了简易的 2 * 2m i m o o f d m 收发平台，研究其中发射机部分的关键技术并进行f p g a 仿 真实现，具有一定的参考意义和实用价值。 本文所做的主要工作如下： 第一章首先简要阐述了m i m o o f d m 技术的兴起以及目前国内外的发展概 况和研究热点，然后对本文的主要工作和论文内容的安排进行了概述。 第二章分别详细阐述了m i m o 技术和o f d m 技术的基本原理和系统模型， 以及各自的优缺点，然后分析了m i m o o f d m 系统的基本原理，最后构建了 m i m o o f d m 收发系统的结构模型，简要分析了其中的关键技术。 第三章为全文的难点，分别研究了m i m o o f d m 系统发射机部分的一些关 键技术，包括数字调制、空时编码、i f f t 变换、添加循环前缀，加窗处理等。 然后针对现有的几种空时编码技术进行了对比分析，确立了空时编码技术的方 案，对所选的空时分组编码也有进行深入研究，所有关键技术的研究都有通过 m a t l a b 软件进行仿真实现。 第四章为全文重点，首先根据m i m o o f d m 系统收发平台的原理框图给定 了发射机部分的一些相关参数，然后针对发射机部分的一些关键技术，进行了 f p g a 的设计与实现，包括1 6 q a m 调制、空时分组编码、i f f t 变换、添加循环 前缀、加窗处理等模块，并且给出了各模块的时序仿真波形进行了验证。 第五章对全文的工作进行了概括性的总结，并且展望了下一步的工作任务重 心，探讨了本课题未来的研究方向 关键字：m i m o o f d m ，空时编码技术，添加循环前缀，加窗处理，f p g a a b s t r a c t i nt h ep a s tf e wd e c a d e s ，w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yh a sd e v e l o p e dv e r y q u i c k l ya n dp e o p l ea r ea l r e a d yq u i e t l yi n t ot h e4 ge r a m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t ( m i m o ：m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t ) t e c h n o l o g yc a l ln o ts a c r i f i c et h ea d d i t i o n a l b a n d w i d t ha n dt h ep o w e ro ft h et r a n s m i t t i n ga n t e n n a , w h i c hg r e a t l yi m p r o v et h e c h a n n e lc a p a c i t ya n ds p e c t r a le f f i c i e n c yo ft h es y s t e m ，a n do r t h o g o n a lf r e q u e n c y d i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ( o f d m ：o r t h o g o n a lf r e q u e n c y d i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ) t e c h n o l o g yh a sav e r ys t r o n ga b i l i t yt oc o m b a tf r e q u e n c ys e l e c t i v ef a d i n g ，b o t ht h e p e r f e c tc o m b i n a t i o no fm i m o - o f d mt e c h n o l o g y 、舫t l li t sp o w e r f u lp e r f o r m a n c eh a s b e c o m et h ec o r et e c h n o l o g yo ft h ef o u r t hg e n e r a t i o nm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s ( 4 g ) a n dn e t w o r ka c c e s ss t a n d a r d s s of a r , t h em i m o o f d mt e c h n o l o g yh a sw o nt h e f a v o ro fi e e e 8 0 2 1 li l ，w i l 、压ax ，w 讯i ，3 g l t ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o i l ss t a n d a r d s ， a n dh a st h et r e n do fl o n g - t e r md e v e l o p m e n ta n daw i d er a n g eo fa p p l i c a t i o n si nt h e f u t u r e n o w , a th o m ea n da b r o a d ，m a n yu n i v e r s i t i e s ，r e s e a r c hi n s t i t u t i o n s ，a sw e l la s t h ec o m m u n i c a t i o n si n d u s t r yc o m p a n i e sr e g a r dt h es t u d yf o c u s e do ns u c c e s s f u l l y s e t t i n gu pt h eh a r d w a r ep l a t f o r mf o rm i m o - o f d m av a r i e t yo fr e l a t e dj o u r n a l a r t i c l e sa n da c a d e m i cp a p e r sa l ef r e q u e n t l yr e f e r r e dt ot h i s 1 1 1 ed e s i g no f t h i sp a p e ri s b a s e do nt h er e s e a r c h i n gb a c k g r o u n d w eb u i l do nas i m p l e2 幸2m i m o o f d m t r a n s c e i v e rp l a t f o r mo nt h eb a s i so fc o n t e x to ft h i ss t u d y , a n dr e s e a r c ht h ek e y t e c h n o l o g i e so ft h et r a n s m i t t e rp a r t , w h i c hh a ss o m er e f e r e n c es i g n i f i c a n c ea n d p r a c t i c a lv a l u e p r i m a r i l yd o n ei nt h i sa r t i c l ea r ea sf o l l o w s ： t h ef i r s tc h a p t e rb r i e f l yd e s c r i b e st h er i s eo ft h em i m o - o f d mt e c h n o l o g ya n d o v e r v i e wt h ed e v e l o p m e n ta n dr e s e a r c hf o c u so ft h em i m o o f d mt e c h n o l o g ya t h o m ea n da b r o a d , a n dt h e np r o v i d e sa no v e r v i e wo ft h em a i nw o r ka n dt h e a r r a n g e m e n t so ft h et h e s i s t h es e c o n dc h a p t e re l a b o r a t e st h eb a s i cp r i n c i p l e so fm i m oa n do f d m t e c h n o l o g ya n ds y s t e mm o d e l s ，a sw e l la st h e i ra d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s ，a n d t h e na n a l y z et h eb a s i cp r i n c i p l e so fm i m o - o f d ms y s t e m s ，a n df i n a l l yb u i l da s t r u c t u r a lm o d e lo ft h em i m o - o f d mt r a n s c e i v e rs y s t e ma n db r i e f l ya n a l y z et h ek e y t e c h n o l o g i e so f i t t h et l l i r d c h a p t e rr e s e a r c h e st h ep a r to fk e yt e c h n o l o g i e so fm i m o o f d m i i s y s t e mt r a n s m i t t e r , i n c l u d i n gd i g i t a lm o d u l a t i o n , s p a c e - t i m ec o d i n g ，i f f tt r a n s f o r m ， a d dt h ec y c l i cp r e f i xa n dw i n d o w i n gp r o c e s s i n g t h e nc o m p a r e so ft h ee x i s t i n g s e v e r a ls p a c e - t i m ec o d i n gt e c h n i q u e s ，e s t a b l i s h e sap r o g r a mo fs p a c e t i m ec o d i n g t e c h n i q u e s ，i n - d e p t hs t u d i e s o l lt h es e l e c t e ds p a c e - t i m eb l o c kc o d i n g a l lt h ek e y t e c h n o l o g i e sh a v em a t l a bs o t t w a r et os i m u l a t ea c h i e v e d t h ef o r t hc h a p t e rg i v e ss o m eo ft h er e l e v a n tp a r a m e t e r so ft h et r a n s m i t t e ro nt h e b a s i so ft h eb l o c kd i a g r a mo fm i m o o f d ms y s t e mt r a n s c e i v e rp l a t f o r m a n dt h e n h a v es o m eo ft h e k e yt e c h n o l o g i e s o ft h et r a n s m i r e r p a r td e s i g n e d a n d i m p l e m e n t a t i o ni nf p g a ，i n c l u d i n g16 q a mm o d u l a t i o n ，s p a c e t i m eb l o c kc o d i n g , i f f tt r a n s f o r m a t i o n ，a d dt h ec y c l i cp r e f i x ，p l u st h ew i n d o wp r o c e s s i n gm o d u l e ，a n d g i v e st h et i m i n gs i m u l a t i o nw a v e f o r mo fe a c hm o d u l ev e r i f i e d t h ef i n a lc h a p t e rg i v e st h ef u l lt e x to ft h ew o r ko ft h eg e n e r a l i t yo ft h es u m m a r y a n do u t l o o k st h en e x tt a s kf o c u s ，e x p l o r e st h ef u t u r er e s e a r c hd i r e c t i o n so ft h es u b j e c t k e y w o r d s ：m i m o o f d m ，s p a c e - t i m ec o d i n gt e c h n i q u e s ，a d dt h ec y c l i cp r e f i x ， w i n d o w i n gp r o c e s s i n g ，f p g a 1 1 1 武汉理工人学硕+ 学位论文 第1 章绪论 1 1m i m o o f d m 技术的兴起 在过去的数十年内，无线通信技术得到了十分迅猛的发展，人们已经在不 知不觉之间步入了4 g 的时代。最新一代的移动通信( 4 g ) 系统已经能够实现 1 0 0 m b i t s 至1 g b i f f s 的数据传输速掣1 1 。而引领4 g 通信时代浪潮的核心技术正 是m i m o o f d m 技术。m i m o o f d m 技术可能对大多数人来说还非常陌生，其 实，m i m o o f d m 技术的简单理解就是o f d m 技术与m i m o 技术的完美结合， 优势互补1 2 j 。 多输入多输出( m 1 m o ：m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t ) 技术最初是在1 9 0 8 年 由m a r c o n i 率先提出的，为的是利用阵列天线技术来抑制信道衰落【3 j 。根据收发 两端天线的数量，相对于普通的s i s o ( s i n g l ei n p u ts i n g l eo u t p u t ) 系统，m i m o 系 统还可以包括s i m o ( s i n g l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t ) 系统和m i s o ( m u l t i p l ei n p u t s i n g l eo u t p u t ) 系统1 4 j 。可以看出，此时的信道容量随着天线数量的增大而线性增 大。这也就意味着利用m i m o 技术可以成倍地提高信道容量【5 1 。而且在不牺牲 额外系统带宽和发射天线功率的情况下，极大地提高系统的频带利用率【6 】。 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 ) 技术实际 上是m c m ( m u l t ic a r r i e rm o d u l a t i o n ，多载波调制技术) 的一种【7 j 。o f d m 传输方案是在1 9 6 6 年由c h a n g 首次提出的，其主要思想是将信道分成若干 正交子信道，将高速数据信号转换成并行的低速子数据流，调制后在每个 子信道上进行传输f 8 1 。正交信号可以通过在接收端采用相关技术来分开，这 样可以减少子信道之间的相互干扰( i c i ) 例。每个子信道上的信号带宽小于 信道的相关带宽，因此每个子信道上都可以看成平坦性衰落，从而可以消 除符号问干扰( i s i ) b o 】。而且由于每个子信道的带宽仅仅是原信道带宽的一 小部分，信道均衡变得相对容易i l 。 m i m o 系统在一定程度上可以利用传播中的多径分量，也就是说m i m o 可以对抗多径衰落，但是m i m o 系统对于频率选择性深衰落依然毫无办法， 而o f d m 技术j 下好可以帮助m i m o 系统解决这一难题【1 2 1 。另一方面，由于 4 g 对频谱利用率的效率要求很高，而o f d m 技术在这点上的能力比较有 武汉理t 大学硕十学位论文 限，因此在o f d m 技术的基础上合理开发空间资源，也就是m i m o 技术和 o f d m 相结合，可以大大提高数据传输速率【l 引。另外o f d m 由于码率低和 加入了时间保护问隔而具有极强的抗多径干扰能力。同时，m i m o o f d m 技 术通过在o f d m 系统中采用阵列天线，利用时间、频率和空间三种分集技术， 大大提高了系统对噪声干扰和多径衰落的容限，改善了系统的误码性能【l4 1 。目 前，m i m o o f d m 技术已经获得了包括i e e e 8 0 2 1i n 、w i m a x 、w i f i 、3 g l t e 等无线通信标准的青睐和广泛应用，而且有进一步在未来得到长远发展和应用 的趋势1 1 5 】。 1 2m i m o o f d m 技术国内外发展概况 目前，m i m o o f d m 技术的研究热潮正不断升温，并且己经逐渐趋于成熟 的状态，其标准在不断更新中，商用产品也不断被应用l l6 。m i m o o f d m 技术 最早是由a i r g on e t w o r k s 公司提出的，而该公司也促成了m i m o o f d m 技术最 先获得了i e e e 8 0 2 1 l n 无线通信标准的青睐【1 7 1 。而i e e e 8 0 2 1 6 e 标准也己经明确 了w i m a x 无线接入技术中决定了在物理层技术上采用m i m o o f d m 技术为核 心【l 酊。因此，m i m o o f d m 技术在无线接入技术方面的研究已经发展到了城域 网空间。同时，m i m o o f d m 技术还被视为各种军用无线电技术中的研究重点， 在军事化的通信领域也得到了长足的发展1 1 9 1 。虽然，m i m o o f d m 技术在学术 界和工业界都获得了极大的关注和深入的研究，但是，随着各种无线通信标准 的不断制定更新，无线通信市场需求的同趋激烈，仅仅停留在理论阶段的分析 和理想环境下的仿真结果已经不能满足未来无线通信网络大规模建设的需要了 【2 0 】。因而，搭建实时的硬件系统平台，模拟实际的信道环境，从而验证 m i m o o f d m 技术的理论研究就毫无争议的成为了现阶段的新趋势和新挑战。 迄今为止，国外已经有多所大学、科研机构以及通信产业的公司搭建成功 了m i m o o f d m 的硬件平台。加拿大公司l y r t e c h 开发了包含基带硬件和r f 在 内的商业化平台1 2 1 1 。美国r i c e 大学中开发的w a r p ( 无线开放式介入研究平台) ， 硬件部分选用的是x i l i n x 公司的v h - t e x i ip r o 系列的f p g a 芯片，其中内嵌的 p o w e rp c 处理器能够为物理层和m a c 层联合编程提供平台瞄1 。而以日本的北 海道大学和瑞士的联邦理工大学为代表还停留在开发m i m o o f d m 的实时测试 平台阶段团】。我国国内在m i m o o f d m 实时平台上投了的研究精力也不小，北 京都科摩通信技术有限公司成功搭建了8 * 8 的基于f p g a 的m i m o o f d m 实时 2 武汉理：l ：人学硕士学位论文 平台，在系统带宽仅为6 2 5 m h z 的情况下实现了2 3 5 g h z 的系统发射频率1 2 4 1 。 可见，国内外的无线通信领域方面的科研人员都积极地投身于m i m o o f d m 技 术的深入研究与硬件实时平台开发中。本文的设计正是基于这种大的研究背景 下，在f p g a 平台上构建了一个简易的2 * 2 的m i m o o f d m 收发平台，研究其 中发射机部分的关键技术，具有一定的参考意义和实用价值。 1 3 本文的主要研究内容 1 3 1 论文的研究任务 本文前面已经简单介绍了些与本课题相关的背景知识，以及提出该课题 的原因，而本文的研究目标是针对m i m o o f d m 系统发射机部分的关键技术： 数字调制、空时编码、o f d m 调制、添加循环前缀、加窗处理等技术，有针对 性地选择相关算法、关键参数及技术方案，以及在硬件平台f p g a 上设计与仿 真实现。研究的内容包括： ( 1 ) 详细分析m i m o o f d m 系统的基本原理、优缺点和系统模型； ( 2 ) 研究m i m o o f d m 系统发射机部分的一些关键技术，对比选择而后确 定m i m o o f d m 系统中空时编码的方案； ( 3 ) 通过m a t l a b 软件进行仿真得出关键技术研究的重要结论，给f p g a 的设计与仿真实现提供了实验基础； ( 4 ) m i m o o f d m 系统发射机部分关键技术的f p g a 设计与仿真实现。 1 3 2 论文结构及内容安排 第一章首先简要阐述了m i m o o f d m 技术的兴起以及目前国内外的发展概 况和研究热点，然后对本文的主要工作和论文内容的安排进行了概述。 第二章分别详细阐述了m i m o 技术和o f d m 技术的基本原理和系统模型， 以及各自的优缺点，然后分析了m i m o o f d m 系统的基本原理，最后构建了 m i m o o f d m 收发系统的结构模型，简要分析了其中的关键技术。 第三章为全文的难点，分别研究了m i m o o f d m 系统发射机部分的一些关 键技术，包括数字调制、空时编码、i f f t 变换、添加循环前缀，加窗处理等。 然后针对现有的几种空时编码技术进行了对比分析，确立了空时编码技术的方 案，对所选的空时分组编码也有进行深入研究，所有关键技术的研究都有通过 3 武汉理一i - 大学硕士学位论文 m a t l a b 软件进行仿真实现。 第四章为全文重点，首先根据m i m o o f d m 系统收发平台的原理框图给定 了发射机部分的一些相关参数，然后针对发射机部分的一些关键技术，进行了 f p g a 的设计与实现，包括1 6 q a m 调制、空时分组编码、i f f t 变换、添加循环 前缀、加窗处理等模块，并且给出了各模块的时序仿真波形进行了验证。 第五章对全文的工作进行了概括性的总结，并且展望了下一步的工作任务 重心，探讨了本课题未来的研究方向。 4 武汉理 人学硕士学位论文 第2 章m i m o o f d m 系统模型构建 为了在f p g a 上实现m i m o o f d m 发射机系统的关键技术，首先就要分析 m i m o o f d m 系统的基本原理，然后确立m i m o o f d m 系统的发射机模型，从 而逐个研究发射机部分的关键技术然后进行f p g a 的设计于仿真实现。 2 1m i m o 系统模型 m i m o 系统其实就是在收发端都配置多条天线，然后让数据流并行发送到 空间信道后再进行接收。因为各发送信号占用的是同一频带，所以并未牺牲带 宽。m i m o 系统利用其空间复用增益信道可以大幅提高信道容量，而且在不增 加额外带宽的情况下保证较高的频谱利用率。而且，m i m o 系统还可以利用其 空间分集增益来降低误码率，增强传输系统的整体性能。 2 1 1m i m o 系统基本模型 m i m o 系统的简易原理框图如图2 1 所示。收发两端都是多条天线，其目的 就是结合多天线上的信号，进而提高各用户的传输速率。数据传输过程中，发 射端会对信源进行基带处理，再经过空时编码后从不同天线同时发出。信号经 过信道衰减后连同噪声在接收端叠加，最后通过空时解码、解调等逆处理恢复 出原数据信息【1 2 1 。 图2 - 1m i m o 系统的简易原理框图 于是，我们可以把k 时刻的第j 条接收天线上的信号乃( 七) ，j = 1 9o 0 9 m ， 5 一 ， 一 、。 一 k，、，、，、靠一 羲鹾鬈一 百渗黟4 武汉理工大学硕士学位论文 写作： y ，( k ) = ( 七一( 后) + 刀，( k ) ，j = l ，m f 兰l 式中，( k ) 表示第i 条发射天线到第j 条接收天线的衰落信道增益。 将( 2 1 ) 式表示为向量形式，写作： y ( k ) = 日( 七) c ( 后) + 甩( 后) ( 2 1 ) ( 2 2 ) 式中，j ，( 七) = b ( 七) ，( 七) 7 表示接收信号。( 后) = 啊( 七) ，( 七) y 表示m 幸n 维的信道矩阵。c ( 七) = q ( j j ) ，知( 后) 。表示k 时刻发射端发送的n 个码字。以( 七) = ，z l ( 七) ，n m ( 七) 1 则表示接收到的噪声。 公式( 2 1 ) 和( 2 2 ) 是基于以下几点假设得到的： ( 1 ) 信道环境是平坦衰落的，信道矩阵为复高斯矩阵，其元素服从均值为0 ， 方差为1 的高斯分布。 ( 2 ) 发射信号c ( 七) 的各个码字g ( k ) ( 1 f n ) 服从均值为0 ，方差为s 2 的高 斯分布。如果c ( 七) 的总功率为p ，则c ( 七) 的自相关矩阵可以表示为： e c ( 七) c h ( 七) = 占2 凡= 丢厶 ( 2 - 3 ) ( 3 ) 噪声甩( 七) 是加性高斯白噪声，其自相关矩阵可以表示为： e 刀( 七) ( 七) = 仃2 毛( 2 - 4 ) 而且，与c ( 忌) 是相互独立的，眦f f e c ( 七) ( 七) = o 。 ( 4 ) n 个码字分别对应n 条发射天线，并且同时同频率发送。 2 1 2m i m o 系统的特点分析 m i m o 系统的最大优势就在于处理好空间分集与空间复用的相互关系，从 而使系统兼容高效性与可靠性。m i m o 系统的优点可以简单概括为3 个增益【1 3 】： ( 1 ) 阵列增益 阵列增益是指接收端对接收信号进行相干合并而获得的平均信噪比增益。 ( 2 ) 复用增益 复用增益是指m i m o 系统利用空间复用技术所获得的系统增益，即使得信 道容量成倍地增加。 ( 3 ) 分集增益 6 武汉理工大学硕士学位论文 分集增益是指m i m o 系统利用空间分集技术所获得的系统增益，即使得系 统误码率下降，可靠性提高。 m i m o 系统除拥有以上几个优点外也无可避免地存在着一些缺点，具体表 现在以下两个方面： ( 1 ) 空间相关 空间相关的直接影响就是空间独立性被破坏。空间独立性受到破坏便会产 生低秩和低分集指数，这些都会严重影响m i m o 系统的信道容量和误码性能。 ( 2 ) 空间干扰 空间干扰的直接影响就是空间复用增益下降。因此，需要在接收端选用合 适的空间干扰消除算法来避免系统性能受到影响。 2 2o f d m 系统模型 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 ) 技术是一 种特殊的多载波调制方式1 1 4 1 。o f d m 的基本原理是：在时域上，把高速串行的 比特流分割为多路低速并行的比特流，从而增加各子信道上的数据符号周期， 减轻多径时延扩展的不利影响。在频域上，各子信道彼此j 下交并且相互独立， 如果带宽足够窄，则可以把各子信道看成无符号间干扰的平坦信道。另外，由 于各o f d m 符号之间还插入了循环前缀( c p ：c y c l i cp r e f i x ) ，这样便能够极大地 消除多径传输带来的符号间干扰( i s i ：i n t e r - s y m b o li n t e r f e r c n c e ) 。同时，也有助 于保持各子载波之间的正交性不被破坏，从而克服信道间干扰( i c i ：i n t e r - c h a n n e l i n t e r f e r e n c e ) 。因此，o f d m 技术能够有效地对抗多径衰落，极大地消除i s i ，保 证信道的高利用率。 2 2 1o f d m 系统基本模型 每一个o f d m 符号内都是由多个经过p s k 调制或者q a _ m 调制的子载波组 成的。假设，子载波个数为n ，o f d m 的符号宽度为t ，每个子信道的数据符号 为z ( i = o ，l ，n 一1 ) ，第0 个子载波的载波频率为正，矩形函数满足 r e c t ( t ) = 1 ，| ，f t 2 【1 5 】，则从，= 开始的o f d m 符号- - y 以表示为： j ( ，) ：、i r e f 。芝，：。z 朋甜( t - t , - t 2 ) e x p 2 万( 正+ 手) ( f 一) ) ，r + r 。2 5 ， l s ( ，) = 0 ，f r + 7 武汉理： 大学硕士学位论文 用等效基带信号的方式来描述o f d m 符号的输出则可以表示为： r i厂：1 s ( f ) ： 善z 厂p d ( t - t , - t 2e x p l 歹2 万事( f 一) j ，r + r ( 2 6 ) i s ( f ) = o ，f r + f j 其中s ( f ) 的实部对应o f d m 符号的同相分量，与相应子载波的余弦分量相 乘；虚部对应o f d m 符号正交分量，与相应子载波的正弦分量相乘，从而构成 最终合成后的o f d m 符号【l l j 。 o f d m 系统的基本原理图如图2 - 2 所示，其中z = 五+ i t 。接收端通过把 接收到的同相分量和正交分量进行逆映射处理来完成子载波的解调。 j 2 u f ti 2 a - f , , t ld o 蔚”。蔗二：匡i 丑虬 一一一从乡 7 一! ：广p _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ 一 串并 也，采2 啡-+ s ( t ) 。e 。仄入岳：。i f l l 竺! 并串 7 拶 7 7 匕 7 u l e 7 。筑k - j 壬a 锌i 虫 d n - i 2 = 7 拶一1 7 型 7 图2 2o f d m 系统基本原理图 公式( 2 5 ) e e ，当n 值较大时，o f d m 符号通常采用离散傅立叶逆变换( i d f t ) 的方式实现。为了简便运算，令f 。= 0 ，并且不考虑矩形函数，然后对s ( f ) 信号 以t n 的速率进行采样，即令f = k t n ( k = o ，l ，n 一1 ) ，可以得n - ：j 批1 exp(j警1，(o绑n-1)(2-7)sk(krln)=2di x p z y g l k = j 百l ，( o 七) 可以发现，& 等效为对吐进行i d f t 运算。同理，在接收端对& 进行逆变换， 便能够恢复出原始数据z ，即通过离散傅立叶变换( d f t ) 得到： 4 ：n - i e f一警1，(o鲻n-1)、(2-8)xpsk 4 = ei 一等| ，( o f ) 、 k = o 根据上述分析可知，o f d m 系统的调制和解调分别可以由i d f t 和d f t 运 算来代替。而在实际应用中，可以选择更加快捷的快速傅星叶逆变换变换 ( i f f 聊m 来实现。n 点的d f t 运算需要进行2 次的复数乘法，而基2 的f f t 运算仅需要进行( ，2 ) l o g ：n 次的复数乘法。所以，f f t 运算可以显著地降低运 算复杂度f 1 6 1 。o f d m 符号的频谱与传统载波频谱的示意图如图2 3 所示，可见 8 武汉理： 大学硕+ 学位论文 o f d m 符号的频谱能够极大的节省系统带宽。 传统频分复用( f d l i ) 多载波调制技术 正交频分复用( 0 f o u ) 多载波调制技术 图2 3o f d m 符号频谱示意图 基本的o f d m 系统模型如图2 4 所示。输入的二元数字序列首先进行串并 转换和编码映射，然后经过快速傅里叶逆变换( i f f t ) 对编码后的星座点进行基带 调制再经并串转换、d a 转换后上变频送到信道。接收端的处理过程与发送端 相反，信道出来的信号先经下变频、a d 转换及串并变换后，再进行快速傅里叶 变换( f f t ) 然后对所得数据进行均衡，以校正信道失真，最终进行译码判决和并 串转换，恢复出原始的二进制数字序列。 串行输入 串行输出 串 编 z 并 数 并 码 点 串 字 转映 一 上 n 转 7 r r 换射 - r l 换 又 一 频 r 信道 并 解 1 数 -串 字 串 码 占 并 转 解 ，t t - 下1 转 变 换 映- - t 换 射 频 图2 4 0 f d m 系统框图 2 2 2o f d m 系统的特点分析 ： 户 o f d m 系统的广泛应用得益于以下几个优点1 7 j ： ( 1 ) 能够有效消除符号间干扰i s i - o f d m 系统通过串并变换，使各子载波 上的数据符号周期增加，降低了时延扩展所引入的i s i ，又利用插入循环前缀的 9 武汉理下大学硕十学位论文 方法更好地抑制了i s i 。 ( 2 ) 频谱利用率高：o f d m 系统中的各子载波间相互正交，子信道频谱允 许重叠，从而大大节省了系统带宽，使频谱资源得到充分利用。 ( 3 ) 实现速度快：各子信道上o f d m 符号的调制与解调都可以通过i f f l 忭f t 运算实现。这在数字信号处理技术飞速发展的今天，已经是非常容易的事情了。 ( 4 ) 动态子信道分配：o f d m 系统能够通过动态子信道分配的方法充分利用 信噪比较高的子信道，从而有效对抗多径衰落，提高系统性能。 ( 5 ) 兼容性好：o f d m 系统易于和其他多种接入方法相结合，如构成 m i m o o f d m 系统，这样能使多个用户同时利用o f d m 技术进行通信。 o f d m 除拥有以上诸多优点外，也存在以下两个主要缺点： ( 1 ) 对频谱偏移和相位噪声敏感：由于无线信道存在时变性，在传输过程中， 无线信号的多普勒频移造成的频偏、发射端的载波频率与接收端的接收频率存 在的相位噪声，这些都会导致o f d m 系统各子载波间的正交性被破坏，从而产 生i c i ，而l 的频率偏差就能导致信噪比下降约3 0 d b 。 ( 2 ) 较高的峰值平均功率比( p a p r ：p e a k t o a v e r a g ep o w e rr a t i o ) ：由于 o f d m 系统的输出是由各子信道的子载波叠加而成，如果多个子信号的相位达 到一致时，那么叠加信号的瞬时功率就会远远高于信号的平均功率。如果发射 机内部的线性放大器的动态范围不能满足信号的变化，便有可能导致信号畸变， 产生信道间干扰( i c i ) ，使系统性能严重下降。 2 3m i m o o f d m 系统方案 通常，在m i m o 系统的各收发天线上都应用o f d m 技术便可以称为 m i m o o f d m 系统。由于m i m o 技术合理地在收发端配置阵列天线，在不额外 牺牲带宽和系统发射功率的情况下，通过空间复用增益成倍地提高了信道容量， 另外，通过空间分集增益来降低系统误码率，提高了传输的可靠性。而o f d m 技术通过把频率选择性衰落信道转变为多个并行的平坦子信道，极大地降低了 i s i t l 3 1 ，与m i m o 系统相结合正好可以帮助m i m o 系统对抗频率选择性衰落导 致的性能恶化。因此，m i m o o f d m 系统不仅具有m i m o 技术和o f d m 技术 各自的诸多的优点，还实现了空间、时间、频率三种分集方式的完美结合，从 而能够大大的提高无线通信系统的信道容量和传输速率，有效地对抗信道衰落 和抑制干扰，被业界认为是构建未来宽带无线通信系统关键的物理层传输方案。 l o 武汉理jj ：大学硕十学位论文 图2 5 是一个简易的m i m o o f d m 系统发射机模型，信号比特流经过串并 变换后从多路天线发送，分别经过信号映射和o f d m 调制等过程。 图2 5m i m o o f d m 系统发射机框图 其中m i m o o f d m 系统中任意一个子载波上的输入输出关系可以表示为： 儿( t ) = h k ( t ) x k ( t ) + n k ( f ) ( 2 9 ) 其中，在t 时刻，第k 个o f d m 子载波上r 幸l 维的接收符号为儿( f ) ，矸 表示接收天线的数目；第k 个o f d m 子载波上坼 1 维的发射符号为五“) ，r 表示发射天线的数目；第k 个o f d m 子载波上p 宰坼维的m i m o f o d m 系统 信道矩阵为矾( f ) ，皿( t ) 在每个o f d m 符号周期内保持不变：第k 个o f d m 予载波上以1 维的接收天线混入的复高斯噪声为n k ( t 1 ，其元素服从均值为0 ， 方差为万2 的高斯分布。这里n k ( f ) 满足e 体( f ) ( ，) 爿 - 盯2 凡。，k 表示一个 。幸骨的单位矩阵，n k ( f ) 月表示n k ( t 1 的共轭转置矩阵，e 表示求数学期望。 基于上述的原理分析以及系统模型，本文所构建的一个完整的 m i m o o f d m 系统收发机平台如图2 - 6 所示。 一一口恒圃t 霪悃圆 圈_ 匠圃斟；一面 l 吨! 竺兰型一：篓鋈：h 竺! h 竺! 兰竺竺一 同 【，。一 一。f 。m 解调l 卜 型蔓h 数字下变频j l 解交织h 数字解调卜 空时 解码 * - - io f d m 解 i s j 卜霎錾薹! 尉数字下变频i 图2 - 6m l m o o f d m 系统基本框图 武汉理 人学硕士学位论文 上半部分为发射机部分，信号流向为从左至右；下半部分为接收机部分， 信号流向为从右至左。其中发射机部分的关键技术有：数字调制技术、空时编 码技术、o f d m 调制技术、添加循环前缀、加窗处理技术、p a p r 抑制技术、数 字上变频技术等。接收机部分的关键技术有：数字解调技术、空时解码技术、 o f d m 解调技术、同步技术、信道均衡技术、数字下变频技术等。本文的工作 重心则是放在发射机关键技术的研究和f p g a 设计与仿真实现上。 2 4 本章小结 本章首先对m i m o 系统的基本原理进行了阐述，然后给出了m i m o 系统的 模型框图，分析了m i m o 技术的优缺点；然后对o f d m 系统的基本原理进行了 阐述，给出了o f d m 系统的模型框图，分析了o f d m 技术的优缺点；最后分析 了m i m o 技术与o f d m 技术结合的必要性，对完整的m i m o o f d m 系统的基 本原理进行了阐述，并在此基础上搭建了m i m o o f d m 的系统收发机平台，简 要分析了发射机部分和接收机部分各自的关