（信号与信息处理专业论文）ofdm基带调制解调系统的dsp设计与实现.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 正交频分复用( o f d m ) 是当今无线通信领域中的项核心技术，它支持很高的数据 传输速率，理论上可以达到n y q u i s t 极限，具有很强的抗多径符号间干扰，抗多径衰落 能力，并且它还具有一个特征，在接收端可以省去常规的信道补偿器。随着o f d m 各 项关键技术的不断发展和成熟，如今o f d m 已经应用到数字音频广播( d a b ) ，地面数字 电视广播( d v b ) ，w l a n ，w i m a x 等多项技术中，并且大部分的下一代无线通信标准 都将采用o f d m 作为物理层的关键技术。在8 0 2 1 6 e ( w i m a x ) 系统中，o f d m 也是一项 必备技术，同时还加入了对o f d m a 的支持。本文将基于8 0 2 1 6 e 标准o f d m 调制解调 系统各项参数，进行d s p 平台的分析和设计。 文章首先分析了o f d m 调制解调系统的基本原理，以及相关的信道编码解码方法， 参考8 0 2 1 6 c 的各项设计参数，选择了利于d s p 和各个模块设计的复杂度较低的具体实 现方法。系统中采用长度为2 5 6 点的f f t ，r s 块编码和卷积内码，译码方法则是使用 t e r b i 硬判决译码和欧几里德算法。并且详细分析了各个模块算法的基本理论和实现方 法，通过m a t l a b 仿真，验证了几个主要算法模块的可行性和性能。 然后设计了实现算法的硬件平台，用以验证算法在实际硬件环境下的正确性和性能。 主要研究了d s p 的主机接口( h p i ) 和多通道串行通信口( m c b s p ) 与外设器件的连接，以 及u s b 接口芯片c y 7 c 6 8 0 1 3 与主机的连接和供电模块的设计。 软件设计是实现o f d m 调制解调系统的核心，本文首先分析了d s p 上电初始化方 式和u s b 芯片固件设计，使d s p 和上位机及d a 输出端能够进行正常通信。然后详细 阐述了o f d m 基带解调系统中各个模块的软件实现方式，通过灵活的存储管理方式， 实现了t e r b i 连续译码和r s 块译码，以及其他的解调器模块。 在本文的最后给出了d s p 解调器各个模块的工作波形图，验证了系统工作的性能及 正确性。 关键词：o f d m ，8 0 2 1 6 e ，d s p ，u s b 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，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 ( o f d m ) h a sp l a y e da l l i m p o r t a n tp a r ti nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o na r e a ，i ts u p p o r th i 曲d a t at r a n s f e rr a t ew h i c hn e a r l y r e a c ht h en y q u i s tl i m i ti nt h e o r y i ta l s oh a sas g o n gr e s i s t a n c ea g a i n s tm u l t i p a t hi n t e r - s y m b o l i n t e r f e r e n c e ( i s i ) a n dm u l t i p a t hf a d i n g b e s i d e s ，i th a sau s e f u lf e a t u r et h a tw ec a nr e m o v et h e c o n v e n t i o n a lc h a n n e lc o m p e n s a t o ri n r e c e i v i n gd e v i c e a c c o m p a n yw i t ht h ec o n t i n u o u s d e v e l o p m e n ta n dm a t u r i t yo fs o m eo f d m sk e yt e c h n o l o g y , o f d mh a sb e e na p p l i e di n d i g i t a la u d i ob r o a d c a s t i n g ( d a b ) ，d i g i t a lt e l e v i s i o nb r o a d c a s t i n g ( d v b ) ，w l a n ，w i m a x ， a n ds o m eo t h e rs y s t e m s i nt h em e a n t i m e ， m o s t o fa l ln e x t g e n e r a t i o n w i r e l e s s c o m m u n i c a t i o ns t a n d a r d sw i l lu s eo f d ma st h e i rp h y s i c a l l a y e rt e c h n o l o g y i n8 0 2 16 e ( w i m a x ) s y s t e m ，o f d mi sa l s on e c e s s a r y , a n do f d m a h a sb e e ns u p p o r t e d t h i sa r t i c l e w i l la n a l y s i sa n dd e s i g nad s pp l a t f o r mb a s e do nt h ep a r a m e t e r so fo f d mm o d u l a t i o na n d d e m o d u l a t i o ns y s t e mi n8 0 2 16 es t a n d a r d 。 f i r s t ，t h ea r t i c l ew i l la n a l y z et h eb a s i cp r i n c i p l eo fo f d mm o d u l a t i o na n dd e m o d u l a t i o n s y s t e m s ，i n t r o d u c es o m ea s s o c i a t e dc h a n n e lc o d i n ga n dd e c o d i n gm e t h o d t h e ni tw i l ls e l e c ta h e l p f u la n ds i m p l em e t h o df o rd s pa n ds o m em o d u l e s r e a l i z e ，r e f e rt ot h ep a r a m e t e r so f 8 0 2 16 es t a n d a r d t h i ss y s t e mh a sa2 5 6p o i n tf f tl e n g t h ，a n di tw i l lu s er sb l o c kc o d i n g a n dc o n v o l u t i o n a lc o d i n gf o ri n n e rc o d e f o rt h ed e c o d i n gt e c h n o l o g y , i tw i l lt a k et h ev i t e r b i d e c o d i n gm e t h o da n de u c l i d e a na l g o r i t h m ，i ta n a l y s i se a c hm o d u l e b a s i ca l g o r i t h ma n d r e a l i z a t i o nm e t h o da tt h es a m et i m e a tt h ee n do ft h i sp a r t ，i tw i l lv e n f yt h ef e a s i b i l i t ya n d p e r f o r m a n c eo fs o m em a i n m o d u l eb yu s i n gm a t l a bt o o l s s e c o n d ，t h ea r t i c l ed e s i g n e dah a r d w a r ep l a t f o r mt op e r f o r mt h o s ea l g o r i t h m s ，i tc a l l v 甜旬t h ea l g o r i t h m s c o r r e c t n e s sa n dp e r f o r m a n c ei na c t u a lh a r d w a r ee n v i r o n m e n t i nt h i s p a r t ，w i l lm a i n l ya n a l y s i st h ec o n n e c t i n gm e t h o db e t w e e nd s p sh o s ti n t e r f a c e ( h p i ) o r m u l t i c h a n n e ls e r i a lc o m m u n i c a t i o np o r t ( m c b s p ) a n d p e r i p h e r a ld e v i c e s ，i tw i l l a l s o d e s c r i b et h ec o n n e c t i o nb e t w e e nc y 7 c 6 8 0 13u s bi n t e r f a c ea n dp c i nt h ee n d ，id e s i g n e d t h ep o w e rs u p p l ya n dr e s e tm o d u l e t h em o s ti m p o r t a n tp a r to ft h i ss y s t e mi ss o f t w a r ed e s i g n f i r s tt h i sp a r tw i l la n a l y z et h e i n i t i a l i z a t i o no fd s pa n du s bf i r m w a r ed e s i g n ，t h i sw i l le n s u r et h ep cd s pa n dd am o d u l e w o r kc o r r e c t l y t h e ni tw i l le l a b o r a t et h es o f t w a r er e a l i z a t i o nm e t h o do fo f d ms y s t e m b y f l e x i b l es t o r a g em a n a g e m e n tt h i sp a r to fa r t i c l ew i l la c h i e v ec o n t i n u o u sv i t e r b id e c o d i n ga n d r sb l o c kd e c o d i n g ，a n do t h e rd e m o d u l a t o rm o d u l e 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i i 页 i nt h ee n do ft h i sa r t i c l e ，1w i l ls h o wt h ew a v e f o r mo fe a c hm o d u l eo fd s pd e m o d u l a t o r a n dv e n f yt h es y s t e m sp e r f o r m a n c ea n dc o r r e c t n e s s k e yw o r d s ：o f d m ，8 0 2 16 e ，d s p , u s b 西南交通大学曲南交遗大莩 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本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 和汇编本学位论文。 保密口，在一年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密早声 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名：连：i 绳 日期：2 0 l 。年月1 弓日 指导教师签名：私巾犯 日期：- z , lp 年石月，日 西南交通大学学位论文主要工作( 贡献) 声明 本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下： 1 、利用m a t l a b 系统仿真工具设计了适合8 0 2 1 6 e 标准的o f d m 调制解调系统仿真 平台，并对关键模块进行了性能和仿真分析。 2 、设计了o f d m 调制解调系统的硬件实现平台，利用u s b 2 0 接口，实现了p c 机与d s p 处理器的数据通信，然后采用d a 转换模块输出数据。同时进行了d s p 与各 种外设接口通信的软件设计。 3 、设计了o f d m 解调系统各模块的d s p 实现方法，并通过最终的仿真调试，验证 设计的性能和可行性。 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得到的成 果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写 过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明。本人 完全了解违反上述声明所引起的一切法律责任将由本人承担。 学位论文作者签名：童二；铭 日期：2 0 lo 6 1 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 随着社会的进步和科技的不断发展，信息化各项技术已深入到社会各个领域，并且 还继续向着更广更深的领域迈进，“地球村 的概念早已深入人心，人类己进入一个崭 新的历史阶段，即信息化时代。计算机、电子产业以及通信、信息服务行业是信息产业 的支柱，同时也是整个信息化社会的基础。同时，计算机、电子与通信技术相辅相成， 相互融合，在各种硬件软件技术的不断进步过程中，通信技术也日新月异，整个通信网 络及相应基础设施正向着高速、高效、低功耗、数字化、智能化和个人化发展。 o f d m ( 正交频分复用) 是一项多载波调制技术，具备相当高的频谱利用率，理论 上可以达到n y q u i s t 极限，同时具有很强的多径对抗能力，以及实现m i m o 技术简单等 优势。如今，从w l a n 到w i m a x ，从l t e 到b 3 g ，u w b ，o f d m 已经成为新一代无线 通信技术的标志。 d s p 是美国t i 公司2 0 世纪8 0 年代推出的划时代产品，作为一种通用型c p u ，它 具备很强的数字处理能力，以及丰富的片上资源，现在已广泛应用到通信、信息处理、 控制等领域。 1 1 无线通信系统的演进 i e e e 是一个国际性的电子技术与信息科学工程师的协会，它制定了上千个现行 工业标准，其中的8 0 2 又称为l m s c ( 局域网城域网标准委员会) ，专门致力于研 究局域网及城域网各项标准，现行的无线领域各项标准包括i e e e8 0 2 1 5 ( p a n ) ， i e e e8 0 2 1 1 ( w l a n ) ，i e e e8 0 2 1 6 ( w i m a x ) 等。其中i e e e8 0 2 1 6 是应用于无 线城域网的标准，成立于1 9 9 9 年，并于2 0 0 1 年通过批准。 i e e e8 0 2 1 6 又称为i e e ew i r e l e s sm a n 空中接口标准，早期的8 0 2 16 标准工 作于单载波调制模式，对多径干扰的抑制能力很弱，因此只适用于传输距离很短 的情况。 直到2 0 0 3 年，8 0 2 1 6 通过了修正草案i e e e 8 0 2 1 6 a ，该项标准才正式进入了应 用领域，采用了多载波调制技术，使信号对抗多径干扰的能力大大加强，可以进 行非视距传输。8 0 2 16 a 的出现，将彻底解决过去由于距离远、布线困难或者成本 控制等带来的问题，真正实现各个区域的宽带无线接入；它同时也可以作为w i - f i 局域网的回程线路，用户能够通过热点很方便的进入互联网。2 0 0 4 年，i e e e8 0 2 又将8 0 2 1 6 、8 0 2 1 6 a 、8 0 2 1 6 d ( 固定宽带无线接入) 统一合并为i e e e8 0 2 1 6 - 2 0 0 4 ， 使该项技术得到了广泛认同，也是目前最权威的标准。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 8 0 2 1 6 e 是在8 0 2 1 6 d 基础上发展起来的，它定位于移动宽带的无线接入，工作 于2 g h z 到6 g h z 适于移动性的许可频段，可极大的消除多径干扰及多普勒效应。 8 0 2 1 6 e 标准仅定义了空中接口的物理层和m a c 层，而上层的协议栈及核心网部 分并没有进行特殊的制定。与其他无线通信技术相比，w i m a x 具有更高的速率和 更大的覆盖范围，并且支持高速移动的场合，注定成为下一代无线通信的核心技 术。 1 2o f d m 技术的发展及现状 o f d m 是一项多载波调制技术，对于多载波技术的研究和使用可以追溯到上个世纪 中期。当时的多载波技术是将信道带宽分成很多互不重叠的子带，并且在子带之间保留 一定的保护间隔，以减少载波间干扰，数据就在这些分离的子带上传输。从这种多载波 调制方式的原理可以很容易看出，保护间隔的使用必定会大大降低系统的频谱利用率， 当子带数目很多时，保护间隔所占的比例也会相应增大，频谱利用率将会更低。因此， 传统的多载波技术极大的限制了频谱利用率，必定不具备良好的发展前景，人们需要一 种新的多载波技术来实现高频谱利用率下的高速数据传输。 o f d m 最早的雏形产生于上世纪6 0 年代，r w c h a n g 的一篇文章中提出的一种可完 全消除载波间干扰( i c i ) 和符号间干扰( i s i ) 的正交信号多载波调制方案【l 】，但这种 方案只停留在理论算法阶段，并没有得到实际的应用。直到上世纪7 0 年代，w e i s t e i n 和e b e r t 等人通过离散傅立叶变换( d f t ) 和快速傅立叶变换来进行正交信号的调制和 解调【2 j ，大大降低了系统复杂度，并研制成功了一个完整的正交多载波传输系统，才使 得o f d m 趋于实用化。但由于实现f f t 设各的复杂度、发射机和接收机的时钟稳定性 等各种因素，严重制约了o f d m 由理论向实践的步伐。终于在8 0 年代伴随着电子技术 的不断发展，超大规模集成电路( v l s i ) 技术的更新，o f d m 技术进入了一个崭新时 期，人们终于研究出将o f d m 技术应用于高速m o d e m 。并且进入9 0 年代以来，o f d m 更是得到长足发展，成为各项先进无线通信技术中的核心，广泛应用于音视频广播和民 用通信系统，包括非对称数据用户环路( a d s l ) 、e t s 标准的数字音频广播( d a b ) 、 数字视频广播( d v b ) 、高清电视( h d t v ) 、无线局域网( w l a n ) ，并且将广泛应用 在今后的w i m a x 、l t e 、b 3 g 等先进技术中。 1 3d s p 技术及d s p 芯片 数字信号处理( d s p ) 技术是利用专用或通用数字信号处理芯片对通信、语音、图 像等数字信号进行调制解调、解码、滤波等操作的技术。相较于传统模拟信号，数字信 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 号处理具有准确度高、处理速度快、易于实现、抗干扰能力强和体积小等优势，如今各 种新技术基本都是在数字领域进行研究和发展。 早期d s p 的概念仅限于数字信号处理理论算法，作为一个新的理论体系，得到了广 泛的认同和研究。算法一旦成熟并投入到实际应用中，就需要一个能够最大化实现算法 性能的载体，而早期的m p u 在处理速度、处理器结构、指令系统上并不能完全符合数 字信号处理技术的要求。在对实时性要求较高的数字信号处理领域，需要一种更能实现 各种算法性能的新型处理器。 在不断的理论研究和各种算法的完善过程中，d s p 数字信号处理器应运而生。8 0 年 代t i 公司的第一款基于n m o s 工艺的d s pt m s 3 2 0 1 0 的出色性能备受业界关注，它针 对数字信号处理的特点，优化了处理器结构和指令，使它以更低的成本、更高的处理速 度，在数字信号处理市场中站稳了脚跟。随后t i 公司又推出了基于c m o s 工艺的d s p ， 并且在第三代d s p 芯片中加入了对高级编程语言的支持，进一步大大降低了开发难度， 缩短了开发周期。 到了9 0 年代，d s p 推出了第五代产品，d s p 已应用到各行各业，通信、存储、语 音处理、汽车电子和消费类音视频产品等等。d s p 还向着更小的体积、更快的速度、更 低的功耗继续不断发展。并且t i 公司还开始提供一种可定制d s p c d s p ，加速了产品 的上市时间。如今，d s p 的处理速度已经达到1 2 g h z ，甚至推出了一片上集成多个d s p 核的处理器，处理速度得到大幅度提升。 性能、价格、功耗一直是d s p 前进的方向，每过一段时期，d s p 的性能、规模、工 艺等都会发生很大改进，d s p 的发展同样遵循着摩尔定律，正以不可思议的速度向前发 展，而促进d s p 行业不断发展的动力是社会的需求，如今，d s p 产品已深入到人们生 活、学习、工作的各个方面，成为整个电子行业的核心力量，具备良好的发展前景。 1 4 本文使用的仿真及设计工具 通信系统的各部分的算法一经提出后，首先要对算法的正确性及性能进行仿真，现 在市面上有许多种仿真工具，如l a b v i e w 、m a t l a b 等，本文使用目前运用最广泛的m a t l a b 数学仿真工具对整个基带处理系统进行仿真和分析。m a t l a b ( 矩阵实验室的简称) 是一种 专业的计算机程序，起初主要用于工程科学的矩阵数学运算，后来逐渐发展成一种灵活 的计算机体系，s i m u l i n k 仿真系统的引入使它的计算机仿真能力更加完善。在解决工程 问题中，m a t l a b 语言是目前最简单高效的语言，它具备大量矩阵处理函数，可以方便的 处理大量数据，非常适合各种数学算法的验证。本文的仿真都将采用m a t l a b 语言 + s i m u l i n k 仿真工具来实现 c c s 是t i 提供的d s p 开发套件，支持汇编、c 、c + + 语言，内设基本的调试工具， 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 可以查看寄存器、存储器，探针工具，断点工具，分析工具等。它还提供了d s p b i o s 工具，d s p b 1 0 s 是一个简易的嵌入式操作系统，它为用户提供了一系列c p u 和外设管 理的接口，使d s p 的开发周期大大缩短，可用于系统实时分析。线程管理、调度软件 中断以及外部硬件中断与各种外设的管理。本设计的存储管理文件、硬件中断等功能都 将通过d s p b l o s 来实现。 另外一个设计工具是c y p r e s s 公司提供的u s b 开发套件e z u s bc o n t r o lp a n e l ，它 内含8 0 5 1 单片机集成开发环境k e i lu v i s i o n 2 ，主要用于u s b 固件程序的开发，通过它 修改固件框架和生成g p i f 波形文件，可以方便的开发u s b 的固件程序，完成u s b 和 d s p h p i 的通信。 1 5 本文的研究目的和方法 本文的研究目的是深入研究o f d m 调制解调技术，及8 0 2 1 6 e 系统的信道编译码算 法，并探讨解调端各种算法，研究出适合于d s p 系统实现的数据处理流程和结构，并 最终在d s p 芯片t m s 3 2 0 c 5 4 1 6 上实现。 本文通过理论指导实践，实践验证理论的研究方法，先深入学习o f d m 系统各种理 论和关键技术。然后通过经典的m a t l a b 工具进行计算机仿真，设计调制解调、编译 码算法，并验证算法的正确性和有效性。 然后运用t i 提供的c c s 软件进行s i m u l a t o r 的仿真，验证接收端各种算法在d s p 系统中的可行性，并进一步优化算法，提升系统的性能。最后再设计合适的d s p 系统， 让代码在实际d s p 系统上运行，完成整个o f d m 基带处理系统的软硬件调试。 1 6 本文的主要工作 本文的主要工作是介绍o f d m 的基础理论及其在无线通信网络中的应用，分析它的 调制解调、信道编解码原理。通过系统仿真工具，验证各项算法的可行性和性能，着重 进行了i f f t f f t 过程，卷积编码和解码，r s 编码和解码，交织和解交织，星座图映射 等算法模块的研究。然后运用理论指导实践，将算法设计成d s p 应用程序，验证算法 在实际应用中的性能。本文的内容共分为五章。 第一章介绍了无线网络技术、o f d m 及d s p 技术和d s p 芯片的发展历史和应用现 状，同时介绍了本文算法的验证和实现过程中所用到的方法和工具。 第二章详细分析了o f d m 基带调制解调系统的原理和关键技术，对各个模块的算法 进行了分析和介绍，同时还对关键模块进行了m a t l a b 仿真，对各种算法进行了性能分析， 通过m a t l a b 算法仿真，加深了对各个算法模块的认识，同时为d s p 系统硬件平台和应 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 用程序设计提供了理论依据。本章的最后还对o f d m 的其他关键技术进行了一个简要 介绍。 第三章阐述了硬件平台的设计过程，给出了硬件平台各个模块的功能和设计参数， 分析了各个模块设计的关键步骤，并且实现了各个模块之间的连接。 第四章实现了d s p 应用程序的设计。首先是进行系统初始化和实现d s p 与上位机 的通信，及d s p 和d a 输出模块之间的通信。接着详细阐述了o f d m 基带系统中各个 模块的d s p 实现方法和设计流程，并且进行了正确性验证和性能分析。， 最后对本文的内容和所做工作进行了一个总结，归纳了本文主要结论，并分析今后 继续研究的方向。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 第2 章o f d m 基带系统基本原理及关键技术 本文主要研究o f d m 在新一代无线通信系统8 0 2 1 6 e 标准中的应用，各项技术都将 采用8 0 2 1 6 e 中所规定的标准。8 0 2 1 6 e 物理层调制解调方案采用o f d m 技术，采用正 交的多载波技术，可以有效对抗多径干扰，消除i c i 和i s i ，最大限度的提高频谱利用 率，使高速移动中的高速数据传输成为可能。信道编码采用卷积码或t u r b o 码的方式， 并且根据用户的选择可以选择不同的编码方式，增强了系统的灵活性。译码器采用改进 的适合于8 0 2 1 6 e 系统的e u c i l d e a n i 3 】算法和v i t e r b i l 9 译码，将会在后面的内容中进行详 细的介绍。 2 1 无线信道的基本特性 研究系统的调制解调技术，首先要分析信号传输的载体一一信道的具体情况。 8 0 2 1 6 e 是一个专门针对无线通信的标准，相对于传统的有线信道，无线信道会受到许 多外界因素的干扰，例如天气、地形、建筑物、不同频段之间的干扰、自然和人为噪声 等，并且在移动通信中，发送和接收端的移动都会使信号能量扩展，引入噪声，这些因 素使得整个无线信道参数随时随地都在发生变化，导致对无线信道的研究相当困难。无 线信道与有线信道最大的不同是无线电波不是按照单一的路径到达接收端，电波是在整 个空间中传播，会发生一系列如：折射、散射、绕射等现象，使发送端发送的信息经过 各种不同的路径到达接收端，再加上发送端与接收端之间的运动，整个无线信道更加多 变。在接收端势必会接收到经不同信道传输而来的多个信号分量，将这些分量进行叠加 时，同相和反向的叠加都会使信号幅度产生急剧变化，产生多径衰落。 多径效应是无线通信信道的主要特征，从时域上看，多径传播的结果使确定的载波 信号变成了包络和相位受到调制的窄带信号，我们称之为衰落信号；从频域上看，多径 传播引起了频率弥散，我们称之为时延扩展。实践表明，衰落信号可以看成是窄带高斯 过程。另外，多径传播不仅会造成上述的衰落及频率弥散，还会引起频率选择性衰落， 这是影响无线信息传输速率的主要因素。设最大多径时延为t m ，则它的导数定义为相邻 传输零点的频率间隔，这个频率间隔通常又称为相关带宽。当信号带宽大于相关带宽时， 就会发生频率选择性衰落，使信号产生严重的码间干扰。一般情况下，较高的传输速率 对应着较大的带宽，而当带宽大于相干带宽时将会引入频率选择性干扰，因此频率选择 性干扰严重限制了数据的传输速率。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 2 28 0 2 1 6 e 物理层主要参数 8 0 2 1 6 e 是在8 0 2 1 6 d 基础之上发展起来的，它们的物理层实现方式基本一致，主要 差别是对o f d m a 进行了扩展，可以支持2 0 4 8 点、1 0 2 4 点、5 1 2 点及1 2 8 点，适用于 不同场合。下面是8 0 2 1 6 e 物理层的各项主要技术参数表【5 1 。 子载波数2 5 6 ( o f d m ) 1 2 8 、5 1 2 、1 0 2 4 、2 0 4 8 ( o f d m a ) 带宽( m h z )1 2 5 2 0 频段( g h z ) 6 峰值速率( m b i f f s )1 5 ( 5 m h z ) 调制方式q p s k 、16 q a m 、6 4 q a m 信道编码 卷积码、块t u r b o 码、卷积t u r b o 码、l d p c 码 表2 18 0 2 1 6 e 物理层参数 本文采用2 5 6 点的o f d m + q p s k 的调制方式，而编码方式采用r s + 卷积+ 交织的方 式，下面对系统中各部分技术进行介绍。 2 3o f d m 基带调制系统 o f d m 基带调制系统的特点是子载波相互正交，在保证较好的系统性能下可以达到 很高的频谱利用率，理论上可达n y q u i s t 极限。将i f f t f f t 引入后，调制解调的效率也 大大提高并且实现方式简单、成本低。o f d m 基带调制系统的另一大特点是加入了带循 环前缀的保护间隔，事实证明，循环前缀虽然增加了信息冗余度，但可以很有效的对抗 无线通信中的多径干扰，在o f d m 调制系统中已成为一项必备的关键技术。 2 3 1o f d m 系统的基本原理【8 】 1 4 每个o f d m 符号中都包括n 个经过p s k ( 相移键控) 或q a m ( i e 交振幅调制) 的 子载波，它可以用公式表示为 n - i 4 0 - d f r e t c ( t - t , - t 2 ) e x p ( j 2 m t ( t 一”t ，f t ；+ 丁 ( 2 1 ) i = 0 其中n 为子载波个数，t 为一个o f d m 符号的持续时间， r e t c ( t ) = 1 ，h t _ t 2 ，= 丘+ i t 为子载波频率。式中s o ) 的实部和虚部分别对应于 o f d m 的同相和正交分量。图2 - 1 为生成o f d m 符号的基本模型框图，所有的子载波 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 郡具有利同的幅值和布目位，每个于载_ i 反在一个o f d m 行号周期肉郡包笛整数悟的周别 数，而且各个相邻子载波之间相差一个周期，正是这个特性，保证了子载波之间的正交 性，即 专j ：re x p ( 。r ) e x p ( j c r ) a t = 三：三：( 2 - 2 ) 在解调器端，只需要将o f d m 符号分别除以各子载波，并在t 时间内积分就可以解 调出发送的数据。 = 唧( 砌争以) ) 静唧( 皿扣乙必 = 歹1 缶n - 1 正t ，s + r e x p ( 伽字。) ) 巩叫 仁3 ， 公肼虚粒 s pp s p ，：粕。川矶 且毖n 马 图2 1o f d m 调制解调系统基本模型 从频域角度我们可以更清楚的分析出o f d m 调制解调的原理。式2 1 指出，每个 o f d m 符号中包括n 个非零子载波，而持续时间为t ，因此每个子载波的频谱相当于子 载波频率对应的6 函数与宽度为t 的矩形脉冲的频谱的卷积。矩形脉冲的频谱图为s i n e 函数，s i n e 函数的特点是在1 t 整数倍位置上函数值为零，因此，只要选择合适的子载 波频率，可以使每个子载波频谱值最大处其他的子载波频率恰好为零，也就是o f d m 系统中所使用的正交子载波，解调器也可以从相互重叠的子信道符号中提取每一个子信 道符号。图2 2 为一个o f d m 符号中包括四个子载波的情况，可以看出，在每个子载波 峰值处其他子载波幅值为零，可以方便的提取到子信道符号。同时，o f d m 符号频谱实 际上可以满足n y q u i s t 准则，即多个子信道之间不存在相互干扰，因此，在理想情况下 o f d m 系统可以有效的避免载波间干扰( i c i ) 。 在实际工程设计中，要组成一个o f d m 系统，需要产生n 个正交的子载波，而在 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 接收端也需要对n 个子载波进行同步，当于载波数量相当大时，需要庞大的硬件构成， 而采用1 d f t 和d f t 来实现o f d m 调制解调过程将大大减少计算量。对式2 一l 中的连 续函数进行抽样，抽样间隔为t n ， 令卢刚，并且令k _ o ，则： 铲s ( k t n ) 2 静唧卜。了2 a k j ( 0 啪州) ( 2 - 。 o f d 怦载波 国2 - 2o f d m 子载波及频谱 在解调器端，采用d f t 恢复出原始数据： 吩薹s k e x f ( 一，等 ( ，) ( 2 - 5 ) 运用i d f t 和d f t 进行调制解调还有一项巨大的优势是它t 1 可以使用方便更快捷的 快速傅立叶变换( i f f t f f t ) ，可以显著地降低系统复杂度。为了最大限度提升系统性 能，发挥i f f t f f t 的优势，一般情况下，n 的取值为适台于f f t 计算的2 的k 次幂。 n 点的i d f t 运算需要n 2 次复数乘法，而采用基2 的i f f t 运算仅需要( n 2 ) l 0 9 2 n 次 乘法，当子载波数量相当大时，还可以进一步采用基4 的口n 1 算法来实现傅立叶变换。 图2 3 为o f d m 调制解调过程的简图，图中虚线框的部分叩o f d m 调制和解调器。 斟曝挈1 e i 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 发送端先对二进制数据进行串并转换，将串行数据转换成n 路的比特流，对应调制后的 n 个子载波，降低数据速率。然后把相邻两比特数据进行星座图的映射，并送入i f f t 调制器将数据调制到n 个相互正交的子载波上。由图中可以看出，一个完整的o f d m 系统不仅仅需要将数据调制到相应的子载波上，并且还要在调制数据中加入循环前缀。 在多径情况下，各个子载波经过不同的信道，具有不同的时延，因此子载波间存在 干扰，产生i s i 。在o f d m 系统中，符号传输速率相当于单载波系统的1 n ，可以有效 降低符号间干扰( i s i ) 。另外，在每个符号的起始位置增加一段保护间隔可以进一步抵 q p s k 映射 并串转换 数模 i f f t 串并转换 插入循环 转换 刖2 凳乏 上 信道 并串转换 q p s k 反映射 模数 卜f f t 去除循环 并串转换 转换 刚缴 图2 - 3o f d m 调制解调过程简图 制i c i 。o f d m 的保护间隔采用循环复制的方法，将符号中的一段数据复制到符号前面， 增加了符号持续时间，也降低了传输效率，但可以有效对抗信道中的多径干扰。实践证 明，当信道多径时延大于o f d m 循环前缀时，将导致子载波之间的正交性遭到破坏， 引入很大的i c i 。一般情况下，循环前缀的长度应选择不小于符号长度的1 4 。 复制 图2 - 4o f d m 符号的循环前缀 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 2 3 2o f d m 基带调制系统仿真及性能分析 o f d m 系统在进行i f f t 之前首先要进行星座图映射，在这里采用q p s k 映射，将 每2 比特数据映射到星座图上，加入导频信息，然后经过i f f t 变换，将数据调制到子 载波上，最后加入循环前缀再发送。在接收端，采取相反的操作：去循环前缀、f f t 解 调、去除导频、解映射得到解调后数据。 下面首先分析i f f t f f t 变换的加入对整个系统误码性能的影响。本设计采用2 5 6 点的i f f t f f t 进行调制和解调，这里没有加入循环前缀的部分，而是只考虑i f f t f f t 的性能。图2 5 是通过m a t l a b 仿真得到的误码性能比较图，如图所示，实线部分为仅仅 通过q p s k 映射，信号经过a w g n 信道的误码率；虚线部分为通过q p s k 映射，然后 进行i f f t f f t 变换后的信号误码率。可以看出经过i f f t f f t 后的信息误码率基本保持 不变，在s n r ( 信噪比) 超过8 d b 后两者才出现很小的偏差，说明i f f 聊f t 变换基本不 会影响系统的误码率。这是由于i f f t f f t 变换仅仅是将信息调制到各子载波上，并且 对数据进行了采样，调制后的码率和调制前保持不变，在没有改变信号能量和冗余度的 前提下，显然也不会对系统性能带来大的影响。 叱 山 o n 图2 - 5i f f l y f f t 对系统误码性能的影响 循环前缀是整个o f d m 的特色，它可以有效对抗多径干扰，同时也增加了系统的冗 余度理论上可以太大降低多径噪声的影响，降低系统的误码率。还是采用2 5 6 点的 f f t 长度，这里采用的循环前缀的长度是o f d m 符号长度的1 ，4 ，因此经过增加循环前 缀后的o f d m 符号变为3 2 0 个点，图2 - 6 是加入循环前缀后的时域波形图。 来加入循环前绽的宾部秉加 循弼= 前壤的虚部 时域r 加入循环前箍的实部 时域n 加 循 f 前辍的虚部 o t 一 l 1o 帅，if 1 ：| 删薹删 卜葡磊寸卜百磊乎 圈2 - 6 加入循环前缀后的时域波形 最大多径延退为叫个数据长度时不阿长度循环酋瓤的误玛性匏 弋 _ 、 循环前撮长度 图2 - 7 不同长度循环前辗的误码辜 图2 7 显示了在固定最大多径延迟下不同循环长度始系统性能带来的影响，仿真中 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 设置多径数量为两径，其中一条路径无延迟，另一条路径具有最大6 4 个数据长度的延 迟。图中表明当循环前缀长度接近最大多径延迟时，可以很好的抑制多径干扰。循环前 缀的加入降低了系统有效带宽利用率，对系统性能造成了一定影响。但从2 7 图的误码 率曲线可以看出，循环前缀的引入在一定程度上可以降低由多径引起的信道间干扰，使 误码率减少。大量的研究表明，要使误码率减少，增加一定的冗余，损失一定的系统性 能是必不可少的。由于无线信道最主要的干扰是来自多径干扰，因此循环前缀带来的性 能损失是可以接受。 2 4 信道编码 o f d m 系统中采用正交的子载波调制数据，并且在每个符号开始位置加入了一段循 环前缀，可以有效减少传输过程中产生的i s i 及i c i 。但是，由于o f d m 系统数据是在 不同的子信道中，每个子信道又具有不同的传递函数，经过多径传输的数据到达接收端 后，各个子载波上的数据幅值和相位都会产生一定的偏差。更为恶劣的情况，某些子信 道上会出现深度衰落，信号出现大尺度变形，甚至完全被噪声所掩盖。解调端虽然在绝 大多数子信道中能实现无差错译码，但是在那些出现深度衰落的信道上会出现大面积的 误码，整个系统的误码率( b e r ) 依然很高。要对抗子信道中的出现的衰落，o f d m 系 统中还必须采用相应的信道编码技术。在8 0 2 1 6 e 系统中，有多种编码方式可以选择， 本系统的信道编码要经过三个步骤：r s 编码、卷积编码、交织。 2 4 1r s 编译码 r s ( 里德索罗门) 码是一种特殊的循环码，它的码元符号和生成多项式g ( x ) 来自同 一伽罗瓦域g f ( q ) ，一般采用二进制的扩展域，即g f ( 2 m ) 。对于可以纠正t 个码元错误 的r s 码，一个码字的构成为：n 个码元符号，k 个信息位，n k = 2 t 个监督位，最小码距 为d = 2 t + l ；生成多项式为g ( x ) = ( x + q ) ( x + q2 ) ( x