（微电子学与固体电子学专业论文）ieee+80211b基带物理层研究和设计.pdf

摘要 r7 7 1 2 3 1 摘要 随着i e e e 8 0 2 1 1 系列无线局域网标准的推出，无线局域网获得了飞速的发 展，越来越多的厂家投入到技术研究和市场推广工作中，无线局域网在通信市场 中所占的份额也在稳步提高。 本文主要研究i e e e 8 0 2 1 l b 基带物理层的相关技术，包括发送机和接收机的 原理架构调制技术，无线信道特点，频偏估计以及信道估计均衡等，并利用 m a t l a b 建立模型进行仿真分析。文章同时给出了软件仿真结果，以及v e r i l o g 语 言描述，f p g a 硬件测试的结果。 i e e e 8 0 2 1 l b 物理层包括p l c p 和p m d 两个子层。p l c p 层起着简化p m d 与m a c 层之间的接口的作用。p m d 层规定了数据传输的调制以及扩频方式。 i e e e 8 0 2 i l b 标准规定了四种调制方式，分别是1 m b p sd b p s k 、2 m b p sd q p s k 、 5 5 m b p sc c k 以及l 1m b p sc c k 。 本论文设计的8 0 2 1 l b 基带系统支持标准规定的长帧和短帧两种格式；支持 四种调制方式：滤波器采用1 7 阶的平方根升余弦滚降滤波器；利用b a r k e r 码的 自相关特性定时：频偏估计分粗频偏估计和细频偏估计两步进行：采用快速d m i 算法进行信道估计；均衡器采用非线性的判决反馈均衡器；扰码器改成了8 位的 并行输入输出结构。 文章第一、二、三、五、七介绍了本论文设计的基带系统的具体算法实现及 仿真结果：文章第四章介绍了无线局域网所面临的无线信道的特点；文章第六章 对硬件实现时可能引起的量化误差进行了分析。 关键词： i e e e8 0 2 1 l b 物理层 补码调制无线局域网频偏估计 信道估计 判决反馈均衡器 摘要 a b s t r a c t w i t ht h em a t u r i n go fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ni n d u s t r ys t a n d a r d s ，e s p e c i a l l ya f t e r t e e e8 0 2 1ls e r i e s p r o t o c o lb e i n gp r o p o s e d ，w l a n h a sa c h i e v e dag r e a t i m p r o v e m e n t m o r ea n d m o r ec o m p a n i e sa r ei n v o l v i n gi n t ot h er e s e a r c ha n d m a r k e t i n gp r o m o t i n gw o r k w l a n sa r ep l a y i n gam o t ea n dm o r ei m p o r t a n tr o l ei n t h ec o m m u n i c a t i o nm a r k e t t h i st h e s i sf o c u s e so nt h eb a s e b a n dt e c h n o l o g yo fi e e e8 0 2 1 l bp h y s i c a ll a y e r , i n c l u d i n gt h e r e c e i v e ra n dt h a n s m i t t e r sp r i n c i p l ea n da r c h i t e c t u r e ，m o d u l a t i o n ， w i r e l e s sc h a n n e lc h a r a c t e r i s t i c ，f r e q u e n c ye s t i m a t i o na n ds o0 1 3 t oa n a l y s ei t ，w eb u i l t am a t l a bb a s e b a n dm o d e l i nc h a p t e r7 ，w eg i v eo u tt h es i m u l a t i o nr e s u l ta n df p g a t e s tr e s u l t i e e e8 0 2 1lbp h y l a y e ri n c l u d e st w os u b l a y e r , p l c pl a y e ra n dp m dl a y e r p l c p a c t sa sas i m p l ei n t e r f a c eb e t w e e nm a ca n dp m d p m dp e r f o r m st h em o d u l a t i o n a n df r e q u e n c ys p r e a do p e r a t i o n i ni e e e8 0 2 1l bs t a n d a r d ，f o u rt y p e so fm o d u l a t i o n s a r es u p p o r t e d t h e ya r e1 m b p sd b p s k ，2 m b p sd q p s k ，5 5 m b p sc c ka n d11 m b p s c c k t h e8 0 2 1lbb a s e b a n dw ed e s i g e ds u p p o r t st w of o r m a to ff l a m e s ，l o n gf r a m ea n d s h o r tf r a m e i ta l s os u p p o r i sa l lf o u rt y p e so fm o d u l a t i o n s t h em a t c h i n ga n ds h a p i n g f i l t e ri s17t a p sr o l lo f fs q u a r tr a i s ec o s i n ef i l t e r t h et i m es y n c h r o n i z a t i o nw o r ki s b a s e do nb a r k e rc o d ee x c e l l e n ts e l f - c o r r e l a t i o nc h a r a c t e r i s t i c f r e q u e n c ye s t i m a t i o ni s p e r f o r m e di nt w os t e p s t h ef i r s ts t e pi sc o a r s ef r e q u e n c ye s t i m a t i o nw i t h o u ta c i e d d a t a t h es e c o n ds t e pi sf i n ef r e q u e n c ye s t i m a t i o nw i t ha c i e dd a t a c h a n n e le s t i m a t i o n a l g o r i t h mi s f a s td m ia l g o r i t h m e q u a l i z e ri sn o n l i n e a rd a t af e e d b a c k e q u a l i z e r s c r a m b l e ri sap a r a l l e ls c r a m b l e ro f8 b i t s c h a p t e r1 ，2 , 3 ，5 ，7i st h ed e t a i l e da l g o r i t h ma n di m p l e m e n t i o ni n t r o d u c t i o no ft h e b a n d b a n dm o d u l e s c h a p t e r4i st h ew i r e l e s sl a nc h a n n e lc h a r a c t e r i s t i ca n a l y s e c h a p t e r6i st h eq u a n t i f ye l l ? o ra n a l y s e k e yw o r d s ： i e e e8 0 2 b ，p h y s i c sl a y e r , c c k ，w l a n ， 2 摘要 f r e q u e n c ye s t i m a t i o n c h a n n e le s t i m m i o n d f e 第一章概述 第一章概述 1 1i e e e8 0 2 1 1 标准简介 i e e e8 0 2 1 l 标准最先是由i e e e8 0 2 1 l 工作委员会于1 9 9 7 年提出的。标准 对媒体访问控制层( m e d i u ma c c e s sc o n t r o ll a y e r , m a c ) 年 i 物理层( p h y s i c a ll a y e r , p h 规范作了规定。i e e e8 0 2 ，1 1 标准1 1 3 规定了三种物理层规范，其中两种是基 于无线电的直接序列扩展扩频( d i r e c ts e q u e n c es p r e a ds p e c t r u m ，d s s s ) 和跳频 扩频( f r e q u e n c yh o p p i n gs p r e a ds p e c t r u m ，f h s s ) ，使用2 4 g 频段；第三种则利 用红外线( 1 n f r ar e d ，i r ) 传输。 1 9 9 9 年和2 0 0 1 年i e e e8 0 2 1 1 标准委员会又增订了三种新标准，分别是 8 0 2 1 l a 、8 0 2 1 l b 、8 0 2 1 l g 。8 0 2 1 i b 2 】工作于2 4 g 频段，采用补码键控调制 ( c o m p l e m e n t a r yc o d ek e y i n g ，c c k ) 技术，最高传输速率可以达到1 1 m b p s 。 8 0 2 1 1 a 【3j 工作于5 g 频段，采用正交频分复用调制技术( 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 ，o f d m ) ，最高传输速率可以达到5 4 m b p s 。8 0 2 1 l g 4 1 工作 在2 4 g 和5 g 双频段，采用下交频分复用调制技术，最高传输速率可以达到 5 4 m b p s 。8 0 2 1 l a 、b 、g 的具体比较参见表一。 表一8 0 2 1 l a ，b ，g 比较 8 0 2 1 l b 8 0 2 1 l g 8 0 2 1 1 a d a t ar a t em a n d o p t m a n d o p t m a n d o p t ( m b p s ) 1b a r k e rb a r k e r 2b a r k e rb a r k e r 5 5c c kp b c cc c kp b c c 6o f d mc c k o f d mo f d m 9 c c k - o f d m ； o f d m o f d m 1 l c c kp b c cc c kp b c c 1 2o f d mc c k o f d mo f d m 1 8c c k o f d m ：o f d m o f d m 2 2p b c c 2 4o f d mc c k 0 f d mo f d m 3 3p b c c 3 6 c c k o f d m ：o f d m 第一章概述 o f d m 4 8c c k - o f d m ：o f d m o f d m 5 4c c k o f d m ：o f d m o f d m 1 2 本论文的主要成果及内容安排 本论文是在导师指导下，对无线局域网8 0 2 1 1 b 标准进行研究和设计的结 果。论文首先对8 0 2 1 l b 基带物理层发送和接收各模块算法进行了分析，建立 了相应的软件模型仿真以测定其性能指标，并利用v e r i l o gh d l 语言进行硬 件描述和仿真，f p g a 测试结果表明了该系统的可行性。文章的主要工作及创 新有： 1 ) 建立了发送机和接收机的m a t l a b 软件模型，确定了其中加扰、解扰、 同步、调制解调、频偏估计、信道估计、均衡以及滤波等模块的具体 算法。 2 ) 建立了整个物理层基带系统的浮点和定点仿真平台，对其中关键模块 进行了优化并给出了相应的硬件实现框图。 3 ) 在准静念无线信道环境下，仿真了不同调制方式时的误码率和误帧率， 确定了该系统的可靠性。 4 ) 对整个基带系统利用v e r i l o gh d l 语言硬件实现，利用f p g a 进行测试， 并给出了相应的测试结果。 文章的内容安排如下： 第一章绪论简要介绍了i e e e8 0 2 1 l 标准，并就文章的主要内容及安排做个 概述。 第二章对8 0 2 1 l b 物理层规范及帧结构作了一个比较详细的浇明，并就发 送和接收端各模块功能及时序予以介绍。 第三章详细介绍了发送机各模块具体算法及功能，并给出了部分模块的电 路实现框图。 第四章就系统仿真中的信道模型给出了理论分析及计算机仿真方法。 第五章详细介绍了接收机各模块的具体算法及功能，并给出了部分模块的 电路实现框图。 第一章概述 第六章是量法误差分析，并对几种常用的算术模块量化后的量化误差进行 了分析。 第七章是仿真与测试结果。 第八章是总结和展望。 第一章i e e e8 0 2 i ib 物理层规范及系统模刑 第二章i e e e8 0 2 1 i b 物理层规范及系统模型 2 1 8 0 2 1 l b 物理层规范l l l1 2 】 i e e e8 0 2 “b 标准对可以利用的物理层传输媒质作了规定，包括以下三个 功能实体。 1 物理层管理功能实体( p l m e ) ：p l m e 与m a c 层管理互连，执行本地 物理层的管理功能。 2 物理层汇聚功能实体( p l c p ) ：p l c p 层定义了如何将8 0 2 1 lm a c 层 协议数据单元m p d u 映射为合适的帧格式，用于收发用户数据和管理 信息。p l c p 为m p d u 添加附加字段，包含物理层接收机和发送机所 需的信息，从而形成物理层协议数据单元p p d u 。m a c 层与p l c p 层 通过物理层服务访问点s a p ，采用固定格式的原语( p r i m i t i v e ) 方式进行 通信。 3 物理媒体从属功能实体( p m d ) ：p m d 子层定义了两点和多点之间通 过无线媒体收发数据的特性和方法。p m d 在p l c p 下方，支持两个站 点通过无线媒体实现物理层实体的发送和接收。p m d 直接面对无线媒 体，对帧传输进行调制和解调。p l c p 和p m d 通过原语进行通信，实 现发送和接收功能。 图2 1 是个8 0 2 1 1 基带的参考模型，该模型将整个系统划为高端的数据 链路层和低端的物理层两大块，p l c p 从属于物理层，和m a c 层与p m d 层相 连，主要起着简化m a c 与p m d 之阳j 接口与数据传输的作用。 幽2 i 8 0 2 1 1 b 基带模刑 第一二章i e e e8 0 2 11 b 物理层规范及系统模删 2 2 8 0 2 1 i b 物理层长帧格式【2 l i e e e8 0 2 1 l b 标准规定允许有跳频( f h s s ) 、直接序列扩频( d s s s ) 以及 红外线( i r ) 三种传送方式。根据项目需要，本文只考虑d s s s 一种扩频方式。 在发送信号时，p l c p 将从m a c 层传输柬的m p d u 加上导言( p r e a m b l e ) 和帧头( h e a d e r ) ，形成p p d u ，然后传输给p m d 发送。在接收信号时，p l c p 则将从p m d 传来的p p d u 去除导吉和帧头部分，形成m p d u ，然后传输给m a c 层。i e e e8 0 2 ，1 1 b 标准对d s s s 定义了两种不同的帧：长帧和短帧。其中长帧 是强制性的，即所有的系统都应支持而短帧是可选择的，设计者可以根据系 统要求自行选择支持与否。 图2 2 是p l c pp p d u 长帧的格式示意图。p p d u 由p l c p 导言、p l c p 帧头 和p s d u 三部分组成。p l c p 导言包含s y n c ( s y n c h r o n i z a t i o n ) 和s f d ( s t a r t f r a m ed e l i m i t e r ) 两部分。p l c p 帧头则包括s i g n a l 、s e r v i c e 、l e n g t h 、 c r c 四个部分。p s d u 为从m a c 层传送来的帧。i e e e8 0 2 1 l b 标准规定p l c p 长帧导言和帧头部分必须采用1 m b p sd b p s k 方式调制，p s d u 则可选用1 m b d s d b p s k 、2 m b p sd q p s k 、5 5 m b p sc c k 和l1 m b p sc c k 任意一种方式进行调 带i l 。 图2 2p l c pp p d u 长帧格式 2 2 1s y n c s y n c 部分由1 2 8 位全l 序列经扰码后得到。接收机利用该部分进行数据 接收前的一些必要的同步和参数估计操作。 2 2 2s f d s f d 部分则指示了一帧的的开始，便于接收机和发送机进行必要的初始化。 对于d s s s 长帧来说，该部分长为1 6 位，数据为【1 1 1 10 0 1 1 1 0 1 0o o o o ，发送 第一二章i e e e8 0 2 1i b 物理层规范及系统模型 顺序为从低位到高位。 2 2 3s i g n a l s i g n a l 部分长为8 位，指示当酊帧p s d u 部分的调制方式，数值等于发 送速率乘以l o ，数据的发送方式为从低位到高位。对于高速d s s s 帧来说，共 有4 种调制方式可供选择，其相对应的s i g n a l 数据为： s i g n a lm o d u l a t e 1 x 0 a 1 m b p sd b p s k 2 x 1 4 2 m b p sd q p s k 3 x 3 7 5 5 m c c k 4 x 6 el l m c c k 2 2 4s e r v i c e s e r v i c e 部分长为8 位。若系统发送频率和系统时钟由同振荡器产生， 则b 2 位为1 ，否则为0 。b 3 位指示系统调制方式，0 为c c k 调制，1 为p b c c 调制。b 7 为l e n g t h 部分的补充位。其余各位b o 、b 1 、b 4 、b 5 、b 6 为系统保 留位，尚未有定义。如表2 1 所示。 表2 1s e r v i c e 域定义 b o b 1b 2b 3b 4b 5 b 6b 7 r e s e r v e d r e s e r v e dl o c k e dm o d r e s e r v e dr e s e r v e dr e s e r v e d l e n g t h c l o c k ss e l e c t i o ne x t e n s i o n b i t s o = c c kb i t o ；n o t1 = p b c c 1 = l o c k e d s e r c e 部分应从低位到高位进行发送。 2 2 5l e n g t h p l c pl e n g t h 部分为一长为1 6 b i t 的无符号整数，其值等于p s d u 发送所 需要的时间数( 单位微秒) 。l e n g t h 的数值可以根据原语 p h y - t x s t a r t r e q u e s t 中t x v e c t o r 向量的l e n g t h 和d a t a r a t e 两参数计算得 到。 其计算方法为： 若调制方式为1 mb p sd b p s k ，则l e n g t h = l e n g t l + 8 。 若调制方式为2 mb p sd q p s k ，则l e n g t h = l e n g t h + 4 。 第一二章i e e e8 0 2 1 l b 物理层规范及系统模猁 若调制方式为5 5 mb p sc c k ，则l e n g t h = ( l e n g t h + 8 5 5 ) 进位取整。 若调制方式为l l mb p sc c k ，则l e n g t h = ( l e n 群h + 8 1 1 ) 进位取整，若进位 值大于8 1 i ，则s e r v i c eb 7 位置1 ，否则置0 。 若调制方式为5 5 mb p sp b c c ，则l e n g t h = ( l e n g t h + i ) + 8 5 5 进位取整。 若调制方式为1 1 mb p sp b c c ，则l e n g t h = ( l e n g t h + 1 ) + 8 1 l 进位取整， s e r v i c eb 7 位设置方法同1 1 mb p sc c k 。 2 2 6c r c p l c p 帧头部分( s i g n a ls e r v i c el e n g t h ) 必须用1 6 位c r c 进行校 验保护。c r c 校验方程为x + 工”+ x 5 + l ，其初始值为【l l l l1 1 1 l1 1 1 l1 1 1 1 1 。 图2 _ 3 是该c r c 实现的一个示意图。 幽2 3c r c 1 6 校验器 2 2 7p s d u p s d u 即为从m a c 层传送过来的m a c 帧数据。 2 3 8 0 2 1 l b 物理层短帧格式1 2 】 p l c p 短帧同长帧一样，也包括导言、帧头和p s d u 三个部分。不同处主 要有： 1 ) s y n c 为5 6 b i t 全0 序列随机码。 2 ) s f d 部分为1 6 b i t 数据 o o o o 0 1 0 11 1 0 01 1 1 l 】。 3 ) s i g n a l 部分调制方式只有x 1 4 、x 3 7 、x 6 e 三种选择。 4 ) p l c p 短帧导苦和帧头部分必须采用2 mb p sd q p s k 方式进行调制发送， p s d u 部分则可选择2 m b p sd q p s k 、5 5 m b p sc c k 、1 1 m b p sc c k 中任一种调 7 第r 二章i e e e8 0 2 1l b 物理层规范及系统模印 制方式。 2 4p l c p 工作原理 i e e e8 0 2 1 l b 标准规范了p l c p 层状态机的使用。共有载波监听信道估计、 发送、接收三个状态机，每个状念机实现一种功能，状态机之间通过原语来通 信，各状态机之涮关系如图2 4 所示。 幽2 4p l c p 状态机 2 4 1 载波监听，信道估计机制 在8 0 2 il b 系统中，物理层通过p m d 子层检测媒体状态来执行检波侦听功 能。如果站点没有发送或者接收帧，p l c p 层则启动c c a 状态机，完成以下监 听工作： 检测信号的到来：p l c p 持续的对媒体进行监听，媒体忙时，p l c p 读取帧 导言和帧头，并试图同步接收机和信号速率。 信道空闲指示( c l e a rc h a n n e la s s e s s m e n t ) ：信道空闲指示用于测定无线媒 体处于繁忙还是空闲状态。若检测到媒体空闲，p l c p 将发送一段表征媒体空 闲的原语( p h y - c c a i n d i c a t e ( s t a t e = i d l e ) ) 到m a c 层，若媒体繁忙则发送 原语( p h y - c c a i n d i c a t e ( s t a t e = b u s y ) ) 到m a c 层。m a c 层将根据媒体空 闲指示决定发送接收数据与否。 高速p h y 提供以下五种模式的信道空闲指示2 j ： 1 ) c c a 模式1 ：能量超过门限。当监测到信号能量超过门限，报告媒体忙。 2 ) c c a 模式2 ：载波监测。当监测到d s s s 信号时报告媒体忙。 第一章i e e e8 0 2 1 1 b 物理层规范及系统模删 3 ) c c a 模式3 ：能量超过门限& 载波检测。当检测到d s s s 信号并且能量 超过门限时报告媒体忙。 4 ) c c a 模式4 ：时钟载波检测。c c a 将丌始一个持续时间为3 6 5 m s 的检 测，当在这段时间内监测到高速p h y 信号，报告媒体忙。 5 ) c c a 模式5 ：能量超过门限载波检测。当天线f 在接收高速p p d u 且 能量超过门限，报告媒体忙。 系统所支持的c c a 模式将在p h y 层m i b 参数d o t l1 c c a m o d e s u p p o r t e d 参数中说明。当前c c a 模式将在p h y 层m i b 参数d o t l l c u r r e n t c c a m o d e 中 说明。能量门限在d o t l l e d t h m s h o l d 参数中说明。 2 4 2 发送机制 图2 5 是8 0 2 1 l b 标准2 l 所规定的p l c p 发送机的时序图。m a c 层、p l c p 层、p m d 层之间都是通过原语互相发送命令以及传递数据的。 c p l p h c y p ；盏 h l 7 n m m 一 麓= = t t x p _ _ f r 刈 ( t x v e c t o r ) n d 川t s e l 一 p k e d _ t x s t a r tr 帕 t x s i a r t “ 矧dd a t a * 口 今 。一 ； p h y - d , t a i t , q 一 一专 _ p k l b r a t e m q _ 一 一土 菖 p m o _ 口 n 件i 一 要塾 ；彗 二c ”h d ”7 。“”告一 晰mr e k ，只需要将输入数据和相应的扰码器寄存器异或即可。 在实际中，常常会遇到r ( h + ) 其中( o f 为带宽，为带宽扩展量。设滚降因子口= ，则升余弦函 数时域冲击响应可以表示为【2 0 】： ( f ) ：s i n ( w h 0 # 鹎 ( 3 1 4 ) c o h t 11 2 a c o d 。 厅 由( 3 1 2 ) 、( 3 1 3 ) 式可以计算出h ，( 脚) 、h 。( ) 的传递函数，进而推导出滤 波器的冲击响应为： 2 0 第二章8 0 2 1 l b 基带物理层发送模块 地：业型杀等笋 其中 = z ( 2 v ) = 。2 ，t 为码元周期。 3 3 2i e e e8 0 2 1 l b 对发送接收滤波器的系统要求 无线局域网8 0 2 1 l b 标准2 对发送端信号频谱作了严格的要求，即在斥一2 2 m h z f f c 一11m h z f c + l 1m h z f f c + 2 2m h z 以及频域范围内应有3 0 d b 以上的衰减，而在中心频率2 2 m 外的信号应有5 0 d b 以上的衰减，如图3 6 所 示。 t r a n s m i t 8 1 ) a c o r n 咄od b ri j n f f i t e m d $ i n x f x 忙- 2 2m h z亿- 1 1m h z亿f e + 1 1m h z忙+ 2 2m h z 幽37 发送端频谱不意划 3 3 3 滤波器设计及仿真 根据以上要求，利用m a t l a b 相关工具生成了一个1 7 阶、系数中心偶对称 的平方根升余弦滤波器。该滤波器为f i r 结构，采用4 倍过采样率，因为输入 信号的采样率为l1 mh z ，因此滤波器的采样速率为4 4 mh z 。根据信号理论一1 ， 插值过程中会在n ( n = l ，2 ，3 ，4 ) 倍频的位置产生镜像信号，升余弦滤波器的另外 一个重要作用就是将这些高频的镜像分量滤除。滤波器的系数如下： h - o 0 2 1 2 ，0 0 0 7 7 ，一0 0 3 7 5 ，一0 0 7 8 4 ，一0 0 5 3 l ，o 0 7 8 4 ，o 2 8 9 3 ，o 4 8 7 2 ， 0 5 6 8 3 ，o 4 8 7 2 ，0 2 8 9 3 ，0 0 7 8 4 ，一o 0 5 3 l ，一o 0 7 8 4 ，一o 0 3 7 5 ，0 0 0 7 7 ，0 0 2 1 2 图3 8 为该滤波器的时域冲击响应，图3 9 为该滤波器的频域冲击响应。由 于采样频率为4 4 mh z ，所以只能看到2 2 m h z 以内的频谱。经观察，在 1 1 m h z f 2 2 m h z 的范围内，滤波器有3 0 d b 以上的衰减，能够满足系统要求。 第三章8 0 2 1 l b 基带物理层发送模块 图3 8 平方根升余弦滤波器时域响应 图3 9 平方根升余弦滤波器频域响应 插值滤波器一般采用多相( p o l y p h a s e ) 的结构硬件实现，这样可以减少硬件 消耗而且滤波的工作频率只有原来的1 n ( n 为升采样数) 。功耗也可大为减少。 但是接收端成型滤波器工作在4 4 m h z ，无法采用p o l y p h a s e 结构实现，考虑到 滤波器系数中心偶对称，且发送端滤波器可以和接收端的硬件复用，滤波器采 用了折叠反馈的结构实现9 1 。注意到滤波器第四个系数和第六个系数互为相反 数，该滤波器的结构可以进一步简化，最终得到的结构图如图3 1 0 所示： 第二章8 0 2 1 】b 基带物理层发送模块 酗3 1 0 升余弦滚降滤波器实现结构 基带的i 路和q 路信号经过该滤波器进行四倍升采样滤波，形成基带数字 波形，就可以传递给d a c 通过射频进行发送了。 3 4 小结 本节详细介绍了i e e e8 0 2 1l b 基带物理层发送端各模块的具体算法及实 现，包括扰码器、调制器、滤波器等。将标准旱规定的串行扰码器改成了8 位 并行输入输出的格式，这样可以省去p l c p t x 模块、扰码器及调制器之问的串 并转换单元，并有助于降低系统功耗。滤波器采用通讯系统中常用的平方根升 余弦滚降滤波器，f i r 结构，1 7 阶，为了和接收端的滤波器能够硬件复用，采 用了折叠反馈的结构硬件实现。 第四章信道模刑 第四章信道模型 在通信领域，通常以理想的加性高斯白噪声( a w g n ) 作为分析的基础。但实 际中，在无线通信领域我们最常碰到的是多径信道，它比仅因w a g n 而引起降 级的信道要复杂得多。本章将对i e e e8 0 2 1 i b 所面临的信道特点进行讨论，并利 用m a t l a b 建立模型，利于计算机仿真和分析a 4 1a w g n 信道 在任何通信系统中都存在噪声，最常见也最普遍使用的是高斯白噪声。所谓 白色是指噪声功率分布在整个频域上，就像白色包含了所有的单色光一样。因此 白噪声的功率谱密度在整个频域上是常数，这说明噪声功率f 比于频带宽度。“高 斯”则指噪声电压幅度服从高斯概率分布。在实际上，通常将这类随机噪声输入 到待测系统中再测量其误码率等参数，因此这类噪声就被称为加性高斯白噪声 简称“a w g n ”。 图4 1 是一个简单的a w g n 信道模型。 幽4 1a w g n 信道楼州 假定信号在传输过程中没有失真，则在a w g n 信道下，接收机接收到的信 号可以表示为 r ( t 】- r e a s ( t r ) e “。“。】+ n ( q ( 4 1 ) 其中n ( t ) 为高斯白噪声，单边功率谱密度为n o ；0 ) 0 、0 分别为载波角频率和 相角；t 为传输时延；s ( t ) 为发送的数字信号波形，a 为幅度。对于p s k 调制信 号，有【2 7 】 第四章信道模删 s ( t ) = a ( n ) p t 【t n tj 一。 + 。 ( 4 2 ) = p r o ) 0 ( n ) j e f n t ) 一2 t 为符号周期；a ( n ) 为发送的符号序列，且满足 e a ( n a ( n 】1 = 1( 4 ，3 ) 岛( 甜为信号成形对的脉冲响应，如果滤波器采f f p f ：y t f i 爿r 余弦滚降滤波器 则岛( 满足方程 p 7 ( ，) = ( 4 4 ) c 【为滚降因子。根掘公式( 4 2 ) 、( 4 3 ) 、( 4 4 ) 可得 n s ( t l s ( f ) 】= 1( 4 5 ) 将接收信号正交下变频，并假定已经获得精确的载波和符号同步，则基带信 号可以表示为2 7 l r ( t - a s ( t ) + n 2 ( 4 6 ) 其中n 2 为复高斯噪声，单边功率谱密度为4 n o ，且有 e 【n 2 ( f ) ( “”= 2 0 8 ( t 一“)( 4 7 ) 在计算机仿真中，可以使用下式来产生方差可以改变的复高斯噪声。 n = a 击i x t + 此1 ( 4 8 ) 其中x l ，x 2 为相互独立的高斯随机变量，满足均值为0 ，方差为1 的高斯 分布：0 用来设定噪声的功率。一个高斯分布随机变量的概率密度函数可咀表示 为 酬= 丽1 e + + ”兜：2 ( 4 9 ) m 。为随机变量x 的均值，o2 为x 的方差，一= o 2 。 m a t l a b 提供了多种仿真和产生a w g n 的函数，例如w g n o ，利用这些函数 可以方便的产生任意长度任意方差的实或者复加性高斯白噪声。 第四章信道模型 4 2 瑞利( r a y l e i g h ) 衰落信道 在无线通信环境中，由于信道介质的变化，信源和信宿之间空间位旨的变化， 是发送信号经过不同的传输路径到达信宿，从而在接收端造成多个信号的叠加， 形成衰落。对于空剧中的任意点，无线信道可以用一个线性时变的滤波器来表示， 其冲击响应为【2 s 1 ： t 卜l 姒下) = q ( ，) q f 其中t 为观察时刻，t 为脉冲起作用的时刻。n ( t ) 为多径分量的个数，口( r ) 、 t ( ，) 、印( f ) 为随机的时变幅度、到达时刻、相位的序列，6 为狄罩克函数。 通常情况下t 相对于d ，( f ) 、 - i ( f ) 、目，( f ) 的变化率信号速率都快得多，例 如在无线局域网8 0 2 1 l b 中，信号传输速率最高可以达到1 1 m b p s 。因此这些参 数都可近似看作是时不变的随机变量，信道模型也因此可以简化为 度。 一l ( f ) = d ，6 ( 卜伽以 ( 4 1 1 ) ，= o 为了简化分析，可以假设发射的信号为中心频率为的单音信号。 = a e 7 “ 则接收到的信号可以表示为 ( 4 1 2 ) ，( f ) 。若州啪( t - t ，炉彤州1( 4 1 3 ) = a , ( t ) c o s ( 2 7 r f 。t ) + a ，( t ) s i n ( 2 7 r f c t ) 其中 一i a l ( ，) = 爿q ( ，) c o s ( 只) 4 n 。(4- 1 4 )、 ( f ) = 爿d ，( ，) s i n ( q ) j = 1 n ) 、( f ) 为一对j 下交分量。如果令口= 厢，则日为接收信号的幅 瑞利衰落信道是一种常用的无线信道模型。在瑞利衰落信道中，口的概率密 第四章信道模型 度分布满足方程 ( 4 1 5 ) 其中，盯：是f 交分量d 心) 、( f ) 的方差，衰落信号包络的平均能量与元有 关，它是日，( ，) 、( ，) 的方差之和 即 e t a 2 1 = 2 0 - ： ( 4 1 6 ) 衰落信号的相位西：a r c t a n ( 丝) 是一个在 o ，2 兀】之间均匀分布的随机变量 p 6 ( 西) ：1 一， 0 s 墨2 7 ( 4 1 7 ) z 丌 4 3w l a n8 0 2 1 i b 中的信道模型 无线局域网主要应用于办公室和家庭等室内环境，在这种环境中，信道的时 变性不强，其码元周期远远小于信道衰落的周期，仿真时可以近似的的认为该多 径信道为一准静态的信道1 2 】。所谓准静态，就是认为在接收同一帧的数据时，信 道的特性不发生变化。由此可以建立w l a n8 0 2 “b 信道的简单模型用于仿真以 估计误码率，其噪声主要为高斯白噪声，而多径效应满足平坦瑞利衰落分布【2 6 1 。 图4 2 是一含有高额白噪声的瑞利衰落信道的简化模型。在该通信系统中， 信号同时受到高斯自噪声和瑞利衰落信道的影响。 幽4 2禽高斯向噪声的瑞利衰落倍道模型 对于瑞利衰落信道，可以设h k = h ( o l t = j t 为信道的冲击响应的采样，t s 为 系统的采样率。为满足瑞利衰落的复数随机变量，其相位密度分布符合【o ，2 n 】内的均匀分布，幅度密度分布满足瑞利分布，各径的平均功率按指数衰减。 一一叫 p 旦西 = )n 第四苹信道模刑 则有 = ( o 专a ：) + j + nc 0 ，丢 爵= 1 一e - k t r ” 露= 露e 4 7 ，k = 1 ，2 ，m ( 4 】8 ) 其中t r m s 是多径信道的均方延时，对于无线局域网8 0 2 1 l b 而言，取值一 般在5 1 0 0 n s 。n ( 0 ，吉) 为均值为0 ，方差为；的高斯随机变量。m 为估计 的多径数。 m = c e i l ( 1 0 + 。tj( 4 1 9 ) 从上面的方程可以看出 = 1 ( 4 2 0 ) 这样就可保证各径的能量之和等于l 。 仿真时，对每一帧都生成这样m + 1 个抽头系数k ，同一帧内抽头系数不变， 不同的帧随机生成的不同的系数。 m a t l a b 仿真时，信号通过瑞利衰减信号可以用信号与抽头系数卷积来表 示； 高斯白噪声则可以利用工具库中的函数w g n 0 来生成，直接叠加到信号上， 如下面的程序所示 c h _ s i g = c o n v ( t r a n s m i t ，h ) ； 信号通过信道 r e c _ s i 9 2 c h s i g ( 1 ：l e n g t h ) + w g n ( 1 ，l e n g t h ，n o i s e _ p o w e r , l i n e a r , c o m p l e x ) ； w g n ( ) i 函数的各参量意义可以参见m a t l a b 的帮助手册。 4 4 小结 本节对两种常见的无线信道进行了分析，包括高斯白噪声信道和瑞利衰落信 道。对无线局域网8 0 2 1 l b 所面临的信道特征进行了分析，并给出了信道模型及 m a t l a b 建模及仿真的方法。 第瓦章8 0 2 1i b 基带物理层接收模块 第五章8 0 2 1 i b 基带物理层接收模块 本章主要介绍8 0 2 1 1 b 基带物理层接收模块中各子模块的具体算法及硬件 实现。接收模块的框图可以参见图2 7 ，主要包括接收滤波器、定时、解扩、粗 频偏、细频偏、信道估计、均衡、解调、解扰及p l c pr x 等模块。在数字通信 系统中，接收机普遍比发送机复杂，所要求的性能和算法也更高，以下是分模 块具体介绍。 5 1 接收匹配滤波器 接收滤波器采用和发送滤波器系数完全相同的平方根升余弦滚降滤波器。 从前面第三章发送滤波器的分析中可以看到，当发送滤波器与接收滤波器具有 共厄关系时，系统可咀从中获得更高的信噪比。此外两个平方根升余弦滚降滤 波器级联合成一个升余弦滤波器，理想情况下是一无码问串扰的奈奎斯特滤波 器。 与发送滤波器不同的是，接收滤波器是8 位输入，8 位输出：发送滤波器 是一位输入，8 位输出。而且接收滤波器不需要做降采样的处理。滤波器从a d c 接收到4 4 m h z 的数据序列。滤波以后依旧以4 4 m h z 的数据序列输出。降采样 的处理是在随后的定时模块完成的。 5 2 定时模块 定时模块的目的是从滤波器输出的4 4 m h z 数据序列中取得能量最大的 1 1 m h z 序列，浚功能是在导言部分完成的。考虑到无论长帧还是短帧，其导言 部分都是采用b p s k 调制和b a r k e r 码扩频的，可以利用b a r k e r 码良好的自相关 特性通过寻找相关