（通信与信息系统专业论文）mimoofdm系统数据传输dsp实现技术研究.pdf

摘要 摘要 随着移动通信和其他无线网络的飞速发展，频谱资源日益紧张，如何在有限 频谱资源的情况下提高系统的数据传输效率已成为一个迫在眉睫的问题。m i m o 技术利用空间复用与分集增益，将串行信道转化为可以并行传输的信道，从而有 效地提高了系统的容量和性能；o f d m 技术通过将频率选择性信道分割成许多可 以看成是平坦的小信道，从而提高了系统对抗多径衰落的能力。m i m o o f d m 系 统将两者的优点结合起来，从而有效地提高了系统的容量与可靠性。 本课题来源于m i m o o f d m 无线通信试验系统的项目，该项目采用软件无线 电的思想，使用了d s p + f p g a 的硬件体系架构。数据最初由p c 机产生，经过串 口将数据给f p g a ，然后再传给d s p ，d s p 完成发送端相应的数据处理后再给 f p g a ，最终由射频端发送出去，而在接收端正好是个逆过程。为了充分消除天线 间干扰并提高系统性能，在接收端t u r b o 与解调模块进行了多次迭代。 本文研究的重点是m i m o 。o f d m 试验系统设计和d s p 实现。在完成本系统整 体方案的设计与仿真的基础上，独立完成了本系统多速率、多传输制式下共六条 数据链路绝大部分数据处理模块的d s p 实现。为了充分提高接收端两块d s p 数据 处理效率，本文根据本系统的链路和硬件平台特点，提出了个新的t u r b o 均衡迭 代方案，并独立完成了相应方案的d s p 实现。仿真结果表明，本文提出的t u r b o 均衡链路方案能有效增加系统的迭代次数，提高系统性能。 为了充分测试系统性能，首先，本文对所有链路进行了室内有线小信号测试， 以验证系统可以正常工作的信号的范围；其次，本文将过了m a t l a b 中高斯和高频 信道的数据导入d s p 测试各条链路，以验证定点实现与浮点仿真之间的性能差距； 再次，通过用信道模拟器测来模拟真实的天波环境，从而测试系统的性能与稳定 性；最后，又对所有链路进行了室内无线测试，在室内无线环境下将所有设备进 行联合调试，通过收发数据文件来验证无线环境下系统在各种工作频率下的性能。 关键词：m i m o o f d m ，s f b c ，v b l a s t ，d s p ，t u r b o 均衡迭代 a b s t r a ( 玎 a bs t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h em o b i l ec o m m u n i c a t i o n sa n do t h e rw i r e l e s s n e t w o r k s ，t h es h o r t a g eo fs p e c t r u mr e s o u r c e sb e c o m e sm o r ea n dm o r es e r i o u s h o wt o i m p r o v et h ee f f i c i e n c y o fd a t at r a n s m i s s i o nh a sb e c o m ev e r yi m p o r t a n t m i m o t e c h n o l o g yc o n v e r t st h es e r i a lc h a n n e lt op a r a l l e lc h a n n e l sa n dt h e ni m p r o v e st h e s y s t e mc a p a c i t ye f f e c t i v e l y o f d mt e c h n o l o g yd i v i d e st h ef r e q u e n c y - s e l e c t i v ec h a n n e l i n t om a n ys m a l lf l a t c h a n n e l s ，a n dt h e ni n c r e a s e st h es y s t e m sa b i l i t yt oc o m b a t m u l t i - p a t hf a d i n g m i m o o f d ms y s t e mh a st h ea l la d v a n t a g e so fo f d ma n dm i m o ， s oi tc a r li m p r o v et h es y s t e mc a p a c i t ya n dr e l i a b i l i t ye f f e c t i v e l y t 1 1 i st o p i ci sd e s i g n e db y u s i n gs o f t w a r er a d i ot h e o r ya n dt h eh a r d w a r ea r c h i t e c t u r e i sd s pa n df p g a t h ed a t ai sg e n e r a t e db yt h ep c ，a n dt r a n s f e r r e dt ot h ef p g aa n d d s ea f t e rt h ed s pa n df p g ac o m p l e t et h ed a t ap r o c e s s i n g ，t h ed a t ai ss e n tb yt h e r a d i ot r a n s m i t t e r t h ep r o c e s s i n go ft h er e c e i v e ri sj u s tar e v e r s e i no r d e rt oe l i m i n a t e i n t e r - a n t e n n ai n t e r f e r e n c ea n di m p r o v es y s t e mp e r f o r m a n c em u c hb e t t e r , w ed e s i g nt h e i t e r a t i v ed e c o d e ra tt h er e c e i v e t t h i sd i s s e r t a t i o nf o c u s e so nt h ed e s i g na n dd s pi m p l e m e n t a t i o no fm i m o o f d m s y s t e m t oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c ea n dr e l i a b i l i t yo ft h es y s t e m ，i ta l s oc o m p l e t e st h e p r o t o c o la n di n t e r f a c ed e s i g no ft h et u r b oi t e r a t i v ee q u a l i z a t i o nl i n k s t h es i m u l a t i o n r e s u l t ss h o wt h a ti tc a ni n c r e a s et h en u m b e ro fi t e r a t i o n se f f e c t i v e l y i no r d e rt ot e s tt h es y s t e mp e r f o r m a n c ef u l l y , f i r s to fa l l ，t h i sd i s s e r t a t i o nc o n d u c t e s a i li n d o o rw i r e ds m a l ls i g n a lt e s t i n gf o ra l ll i n k st ov e n f 3 ，t h es i g n a lr a n g e ，o nw h i c ht h e s y s t e mc a nw o r kp r o p e r l y s e c o n d l y , i tv a l i d a t e st h ep e r f o r m a n c eb e t w e e nf l o a t i n g p o i n t s i m u l a t i o na n df i x e d p o i n ti m p l e m e n t a t i o no fd s pb yi m p o r t i n gd a t a t h i r d l y , b yu s i n g t h ec h a n n e ls i m u l a t o rt os i m u l a t et h er e a lw i r e l e s se n v i r o n m e n t ，i tt e s t e st h e p e r f o r m a n c ea n ds t a b i l i t yo ft h es y s t e m a tl a s t ，i tt e s t e sa l lt h ed a t al i n k si nw i r e l e s s e n v i r o n m e n ta n dv e r i f yt h es y s t e mp e r f o r m a n c eu n d e rav a r i e t yo f o p e r a t i n gf r e q u e n c y k e y w o r d s ：m i m o - o f d m ，s f b c ，v b l a s t , d s p , t u r b oe q u a l i z a t i o ni t e r a t i o n i l 图目录 图目录 图1 1m i m o 信道模型示意图2 图1 2f d m 与o f d m 的频谱示意图3 图1 3o f d m 系统模型框图3 图2 1 试验样机的收发原理图一7 图2 2 试验样机的硬件框图9 图2 3 试验样机接收端的数据传输图1o 图3 1b l a s t 系统结构图。1 3 图3 2 高斯信道下q p s k 和s f b cq p s k 误码率1 6 图3 3 高斯信道下v b l a s tq p s k 、1 6 q a m 和s f b c1 6 q a m 误码率1 7 图3 4 高频信道和高斯信道下v b l a s t16 q a m 误码率17 图3 5 高频信道信道下q p s k 和s f b cq p s k 误码率1 8 图3 - 6 高频信道下v b l a s tq p s k 、1 6 q a m 和s f b c1 6 q a m 误码率1 9 图3 7 高频信道下v b l a s t1 6 q a m 迭代次数不同时的误码率1 9 图4 1 发送端数据处理流程图2 2 图4 2q p s k 映射星座图2 5 图4 3 16 q a m 映射星座图一2 5 图4 4 导频符号与数据符号示意图：2 7 图4 5 发送端发送的帧格式示意图2 9 图4 6 接收端数据处理流程图。3 0 图4 7 接收端d s p l 数据处理流程图。3 1 图4 - 8 接收端d s p 0 数据处理流程图3 2 图4 9 信道估计流程图3 7 图4 1 0 接收端t u r b o 均衡迭代链路的整体框架及空间分配图4 8 图4 1 1d s p l 向d s p 0 传输数据示意图5 1 图4 - 1 2d s p l 向d s p 0 传输数据的流程图5 3 图4 - 1 3d s p l 从d s p 0 接收数据的流程图5 4 图4 - 1 4d s p 0 从d s p l 接收数据的流程图5 5 图5 1 试验样机图5 8 v l i 图目录 图5 2f p g a 电路板和射频板5 9 图5 3d s p 电路板5 9 图5 _ 4 室内有线小信号测试连接示意图6 0 图5 5 高斯信道下q p s k 和s f b cq p s k 链路的误码率6 2 图5 - 6 高斯信道下v b l a s tq p s k 、s f b c1 6 q a m 和1 6 q a m 误码率6 3 图5 7 高斯信道下v b l a s t16 q a m 链路的误码率6 3 图5 8 高频信道下q p s k 和s f b cq p s k 链路的误码率6 4 图5 - 9 高频信道下v b l a s tq p s k 、s f b c16 q a m 和16 q a m 误码率6 4 图5 1 0 高频信道下v b l a s t1 6 q a m 链路的误码率6 5 图5 11 信道模拟器6 6 图5 1 2 室内加信道模拟器测试高斯信道连接示意图6 7 图5 1 3 发送端控制界面及发送的图片6 8 图5 1 4 接收端控制界面及接收的图片6 9 图5 1 5 高斯信道下q p s k 和s f b cq p s k 链路的误码率6 9 图5 1 6 高斯信道下v b l a s tq p s k 、s f b c1 6 q a m 和1 6 q a m 误码率7 0 图5 1 7 高斯信道下v b l a s t1 6 q a m 链路的误码率7 0 图5 i8 高频信道下q p s k 链路的误码率7 1 图5 1 9 高频信道下v b l a s tq p s k 和1 6 q a m 链路的误码率7 2 图5 2 0 高频信道下v b l a s t1 6 q a m 链路的误码率7 2 图5 2 1 在信道模拟器的各种高频信道下q p s k 链路的误码率7 3 图5 2 2 在信道模拟器的各种高频信道下v b l a s tq p s k 误码率7 3 图5 2 3 在信道模拟器的各种高频信道下1 6 q a m 链路的误码率7 4 图5 2 4 在信道模拟器的各种高频信道下v b l a s t1 6 q a m 误码率7 4 图5 2 5 室内无线测试连接示意图7 5 图5 2 6 控制信道机发送端的终端界面示意图7 6 图5 2 7 控制信道机接收端的终端界面示意图7 7 v i i i 表目录 表目录 表2 1 试验样机的系统参数表8 表4 1 存储器资源占用表2 3 表4 2 发送端数据处理复杂度( 0 2 优化) 2 3 表4 3 子载波映射表2 8 表4 - 4 接收端d s p 0 存储器资源占用表3 3 表4 5 接收端d s p l 存储器资源占用表3 3 表4 - 6 接收端数据处理复杂度( 0 2 优化) 3 3 表4 7d s p l 与d s p 0 之间的邮箱4 9 表4 8d s p 0 和d s p l 之间的命令字5 0 表4 - 9 链路理论值与实际测试表5 6 表4 1 0 迭代模块时间分配不均时理论与实际系统的迭代次数5 7 表5 1室内有线小信号环境下系统的性能测试6 1 表5 2 室内无线测试误码率表7 7 表a 1 高频信道仿真参数表8 3 i x 缩略词表 缩略词表 英文缩写英文全称中文释义 a d c a n a l o g t o - d i g i t a lc o n v e r t e r模拟数字转换器 c a z a cc o n s t a n ta m p l i t u d ez e r oa u t o c o r r e l a t i o n 恒模零自相关 c p c y c l i cp r e f i x循环前缀 d a c d i g i t a l - t o a n a l o gc o n v e r t e r数字模拟转换器 d b l a s t 襞a g o n a l b e l ll a b o r a t 硎e sl a y e r e ds p a c e 对角分层空时编码 l l m e 。 d f td i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o r m离散傅立叶变换 d s p d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r数字信号处理器 f f tf a s tf o u r i e rt r a n s f o r m 快速傅立叶变换 f p g af i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y 现场可编程门阵列 h b l a s t 靶d z o n t a l b e l ll a b o r a t o f i e sl a y e r e ds p a c e 水平分层空时编码 l l m e 。 i c i i n t e r - c a r r i e ri n t e r f e r e n c e载波间干扰 i d f ti n v e r s ed i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o r n l 离散傅立叶反变换 i s i i n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c e符号间干扰 m i m o m u l t i p l e i n p u tm u l t i p l e - o u t p u t多输入多输出 o f d m 黜篙篡g 脚e n c y d i v i 8 i o n 正交频分复用 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 峰值功率与平均功率比 p np s e u d on o i s e 伪噪声 q a mq u a d r a t u r ea m p l i t u d em o d u l a t i o n正交幅度调制 r a mr a n d o ma c c e s sm e m o r y随机存取存储器 s f b c s p a c ef r e q u e n c yb l o c kc o d i n g空频分组码 s i s o s i n g l e i n p u t - s i n g l e - o u t p u t 单入单出 s t b c s p a c et i m eb l o c kc o d i n g空时分组码 v b l a s t 鬻a 1 b e l ll a b o r a t i 嘶e s l a y e r e ds p a c e 垂直分层空时编码 j n e 。 x 符号表 符号类别 变量 矢量 矢量转置 求和 求自然对数为底的幂 求以2 为底的对数 求自然对数为底的对数 求复数实部 求复数的模 求余弦 求正弦 符号表 x i 字体、说明或用法 小写斜体字符 大写粗体 制忍h矿酬螂岍州h州州 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，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或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技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何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：丛墨噬日期：加d 年争月2 多日 论文使用授权 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 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。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：盐塞肇 导师签名 日期：枷 第一章绪论 第一章绪论 随着移动通信与无线网络的发展，提供的服务越来越多样化，所需的频谱资 源也越来越大，而有限的频谱资源变得越来越紧张。为了突破这个瓶颈，越来越 多的专家学者开始研究如何在有限带宽下尽可能的提高系统的传输速率。然而， 无线环境干扰比较严重，频率选择性衰落等严重制约着系统的性能。 为了解决上述问题，多天线技术( m u l t i p l ei n p u ta n dm u l t i p l eo u t p u t ，m i m o ) 和正交频分复用( 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 ) 技术应运而 生【1 1 。 m i m o 系统使用多根天线，可以获得较好的空间分集增益，同时m i m o 也可 以将串行信道转化为并行的信道，从而在有限的带宽内显著提高系统的容量【2 】。 o f d m 通过将频率选择性衰落信道分割成许多小信道，这些小信道可以近似 地看成是平坦的，从而可以很好的克服频率选择性衰落，也可以提高系统速率。 m i m o 和o f d m 相结合，不仅可以克服多径衰落，也可以提高系统频谱利用 率和数据传输效率。因此，m i m o 与o f d m 已成为下一代移动通信的核心技术。 1 1m i m o 技术 1 1 1m i m o 的基本原理 m i m o 的基本原理是通过多根天线来传输多路数据，如果其传送的是相关的 数据，就可以获得空间分集增益；如果其传送的是不相关的数据，只要天线间的 距离足够远，这些天线发送出来的信号经过的路径就可以看成是相互独立的，在 接收端就可以通过干扰抵消等算法将数据恢复出来【3 1 ，从而在不增加频谱的情况下 提升系统容量。 1 1 2m i m o 信道模型 m i m o 信道模型4 】如图1 1 所示。图中发送端有坼根天线，接收端有心根天 线，发送端每根天线均会对接收端所有天线造成干扰，图中实线箭头表示接收端 天线真正想接收的发送端天线的信号，虚线表示发送端天线对接收端天线的干扰。 电子科技大学硕士学位论文 多天线系统的信道容量突破了传统单天线系统的信道容量的瓶颈，从理论上 而言，只要天线数目足够多并且天线间距离足够远，信道容量就可以无穷大，但 在实际中因为受到信道等其他很多因素的制约，信道容量也不会无穷大。 信源 i x 图1 - 1m i m o 信道模型示意图 1 2o f d m 技术 1 2 1o f d m 的基本原理 在2 0 世纪5 0 年代，o f d m 技术就已经被提出来了。在7 0 年代的时候， s b w e i n s t e i n 提出了用离散傅里叶变换( d i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f 0 1 1 1 1 ，d f t ) 来实现 多载波调制，从而为o f d m 技术的实用化奠定了理论基础【5 1 。在8 0 年代，l j c i m i n i 分析了o f d m 技术在无线通信系统中的应用存在的问题及相应的解决办法【6 】。而 进入9 0 年代以后，o f d m 的研究工作已经深入到无线调频信道上的宽带数据的传 输。正因为o f d m 技术的优势非常突出，并且可以用其他技术有效地弥补o f d m 系统的缺陷，所以o f d m 技术已经广泛应用到了各种通信系统。 o f d m 现在已经被多个标准所以采纳，如：数字音频广播【_ 7 ( d i g i t a la u d i o b r o a d e a s t i n g ，d a b ) 、欧洲地面数字视频广播 s ( t e r r e s t r i a ld i g i t a l v i d e o b r o a d c a s t i n g ，d v b - t ) 等。 随着对o f d m 技术研究的不断深入，又出现了可以用在不同环境并且性能更 加优越的o f d m 技术的各种变型形式，例如：宽带w - o f d m 9 ( w i d e b a n do f d m ) 、 矢量v o f d m 1 0 ( v e c t o ro f d i v l ) 和o f d m a ( o f d ma c e e s s ) 等。 f d m 与o f d m 的频谱如图1 2 所示。o f d m 可以看成是从f d m 上发展起来 的。f d m 系统中不同用户占用的信道是不同的，在接收端通过带通滤波器将不同 用户分离，为了便于接收端的处理，每个用户信道之间都有一定的保护间隔。而 2 回蕊 第一章绪论 o f d m 系统则充分利用了正交性，在频域上的频谱不仅不需要保护间隔，而且都 还是重叠的。o f d m 信号在时域上是正交的，而在频域上采样点上是正交的，而 在采样点外频谱是相互重叠的。同时，o f d m 系统引入了循环前缀，只要循环前 缀的长度大于最大多径时延，就可以消除i s i 和i c i ，从而保证子载波之间的正交 性。通过这种方式，o f d m 系统可以大大提高频谱利用率。 频率 图i - 2f d m 与o f d m 的频谱示意图 图1 - 3o f d m 系统模型框图 o f d m 系统模型如图1 3 所示，在发送端将数据映射到各个子载波上，而在 接收端，通过相应的逆操作将数据还原。因为图中所示模型可以用i f f t 和f f t 来 实现，因此o f d m 系统的实现变得很简单，成本也大大降低。 3 电子科技大学硕士学位论文 1 2 2o f d m 的优缺点 o f d m 技术以及基于o f d m 的多址接入技术是下一代移动通信的核心技术， o f d m 与传统的技术相比具有以下优势： 1 ) 频谱利用率高。o f d m 系统在频域上频谱是相互重叠的，但因为每个子载 波的峰值点恰好是其它子载波的零点，因此这就保证了在这些点上子载波 是正交的。因为不需要保护间隔，因此频谱的效率就提高了； 2 ) 抗多径衰落能力强。o f d m 将衰落信道分割成许多小信道，虽然从整个信 道上看仍是衰落的，但每个小信道可以看成是近似平坦地，因此它可以有 效地克服多径衰落的影响； 3 ) 实现简单。o f d m 可以通过i f f t 和f f t 来快速实现，并且随着数字信号 处理和集成电路的快速发展，该模块所需时间越来越小； 4 ) 信道的均衡较容易实现。o f d m 系统在频域上作均衡时，只需要一个抽头 系数的均衡器便可以实现。 虽然o f d m 有许多优势，但其也有一些缺点： 1 ) 对频偏较敏感。当有频偏存在时，o f d m 在频域上的采样点往往都不是正 交的，这就会使得o f d m 的正交性遭到破坏，从而产生载波间干扰； 2 ) o f d m 系统的峰均功率比( p e a kt oa v e r a g ep o w e rr a t i o ，p a p r ) 较高。 因为o f d m 系统的输出是多个子载波信号的叠加，当这些信号的相位都一 致时，就会使得瞬时功率远大于平均功率，从而使得p a p r 较高，这就对 射频放大器的线性响应提出了更高的要求，从而会增加成本。 综上所述，o f d m 技术虽然有很多优点，但仍有些不足之处，不过经过专家 学者的研究，可以分别用频率同步【1 2 】和p a p r 抑制【1 3 】【1 4 】【1 5 j 来克服上述缺点，因此， o f d m 技术正被广泛应用于各种系统，也成为下一代移动通信的核心技术之一【1 6 j 。 1 3 本文主要研究内容 1 3 1 研究任务 在无线通信领域，m i m o 和o f d m 技术相结合还是一个较新的领域。本文在 m i m o 和o f d m 技术的基础之上，进行了整个试验样机的设计和实现。在实现时 为了方便维护与提高系统的通用性，本系统采用了软件无线电的思想，软硬件协 同处理，基带的数据处理部分在d s p 实现。 4 第一章绪论 本文研究的重点是m i m o o f d m 试验系统设计和d s p 实现，具体如下： 1 ) 首先，本文介绍了m i m o o f d m 试验样机的总体方案，包括系统框图和 硬件结构； 2 ) 其次，本文研究了高斯信道和高频信道的特点，采用了相应的数据链路的 传输方案，同时也在m a t l a b 中作了相关的性能仿真。为了比较各种方案性 能，本文完成了多速率、多传输制式下共六条数据链路的性能仿真。 3 ) 在仿真的基础上，完成试验系统的d s p 算法实现。为了提高运算速度，采 用了定点d s p 进行实现。在上届师兄完成t u r b o 编译码和信道估计模块的 基础上，本文研究并独立完成了其余数据处理模块的重新编写、代码优化 和性能测试，并最终并这六条数据链路程序合并到一个程序。 4 ) 为了提高系统性能，在接收端还进行了t u r b o 均衡迭代，并完成了接收端 t u r b o 均衡迭代链路的整体框架、协议和接口的设计与d s p 实现。本文根 据试验样机的硬件结构，提出了新的迭代方案。在接收端将数据处理部分 分成不迭代部分和迭代部分，并设计了相关协议使得接收端两个d s p 可以 较好地协调处理迭代部分，从而使得在同一时间可以进行两帧数据的处 理。仿真结果表明，使用此方案能有效提高d s p 的处理效率，增加t l 曲o 均衡迭代次数。 5 ) 最后，本文对整个系统多速率、多传输制式下的所有链路进行了充分的测 试，包括室内有线小信号测试、m a t l a b 信道测试、室内加信道模拟器测试 和室内无线测试等。通过比较在各种信道条件下d s p 定点实现与m a t l a b 浮点仿真的性能差距，本试验系统已达到设计要求，并通过了专家组的最 终的项目验收。 1 3 2 论文结构及主要内容 本文的其余章节内容安排如下： 第二章主要简单介绍了m i m o o f d m 试验样机的总体方案，包括试验样机的 系统框架和硬件结构。 第三章主要是写在高斯和高频信道下m i m o o f d m 试验系统数据链路的设计 及在m a t l a b 环境下作的相关性能仿真。 第四章主要详细说明了m i m o o f d m 试验系统数据链路的d s p 实现，从该系 统的发送端到接收端的所有数据处理部分，另外还包括接收端t u r b o 均衡迭代链路 5 电子科技大学硕士学位论文 的整体框架、协议和接1 ：3 的设计与d s p 实现。 第五章主要是对多速率、多传输制式下的所有链路进行全面测试，包括室内 有线小信号测试、m a t l a b 信道测试、室内加信道模拟器测试和室内无线测试。 第六章是本文的结束章节。该章总结了本文的主要内容，研究成果和收获， 并提出了下一步研究的方向。 1 4 本章小结 本章主要介绍了m i m o 和o f d m 技术，包括m i m o 的基本原理和信道模型 以及o f d m 的基本原理和优缺点。此外，本章还对本文的研究任务、论文结构和 相关内容作了简要的介绍。 6 第二章m i m o o f i d m 试验样机的总体方案 第二章m i m o o f d m 试验样机的总体方案 2 1 试验样机的系统框架 2 1 1 试验样机的原理框图 图2 1试验样机的收发原理图 试验样机的收发原理框图如图2 1 所示。发送端从信源接收到数据，完成数据 处理后再将由射频端发送出去，而接收端则是将接收到的数据进行解调。发送端 d s p 详细处理流程见图4 1 ，接收端d s p 详细处理流程见图4 - 6 。 2 1 2 试验样机的系统参数 7 电子科技大学硕士学位论文 表2 1试验样机的系统参数表 项目指标 发送接收天线数 2 x 2 1 x l 子载波数 1 0 2 4 有效子载波数 6 7 2 10 0 8 预留的保护子载波 1 2 ( 针种- 4 ) 调制方式 16 q a m q p s k o f d m 符号长度 2 5 6 + 3 = 2 8 6 ( m s ) 时间导频间隔时域导频间距：5 频域导频间隔 频域导频间距：6 纠错编码方式 t u r b o 码( 码率：1 2 ) 交织方式分级交织 试验样机的系统参数如表2 1 所示。本系统总共有六条链路，其中有两条单天 线链路和四条双天线链路，所以发送接收天线数有两种，对单天线链路而言是l x l ， 对双天线链路而言是2 x 2 。 因为接收端要做信道估计，所以在发送端要插入导频。为了提高系统传输数 据速率，只对个别o f d m 符号插入导频，并用这些符号来估计其他符号。为了便 于说明，插入导频的o f d m 符号叫导频符号，没插入导频的o f d m 符号叫数据符 号。每个o f d m 符号的子载波数是1 0 2 4 ，预留的保护子载波为1 2 ，对导频符号而 言，加入了3 4 0 个导频，所以用来传送数据的有效子载波数为6 7 2 ( 1 0 2 4 1 2 3 4 0 = 6 7 2 ) ，对数据符号而言，每个符号有4 个预留导频，所以用来传送数据的有效子 载波数为1 0 0 8 ( 1 0 2 4 1 2 - 4 = 1 0 0 8 ) 。 预留的保护子载波的作用是一方面可以防止直流分量对系统的影响，另一方 面是便于滤波器的设计。 每个o f d m 符号持续时间为2 8 6 m s ，其中循环前缀占3 m s ，其余的子载波占 2 5 6 m s 。循环前缀持续的时间要大于最大多径时延，否则会出现符号间干扰，从而 影响系统性能。 交织采用二级交织的方式，第一级交织是行列交织，第二级交织是分簇交织 和螺旋交织，采用多级交织可以让突发错误更好地离散化，从而通过t u r b o 码的纠 错功能能纠正更多的错误。 8 第二章m i m o o f d m 试验样机的总体方案 2 2 试验样机的硬件结构 2 2 1 试验样机的硬件框图 d a c a d 4 4 d i a c a 1 3 9 7 4 4 a d c a d 9 4 3 0 a a d 9 4 3 0 f p g a x c 2 v p t o - f f l 7 0 4 双u r a m l d s p o 下m s 3 2 0 c - 6 416 t 豺钟管理模块 双口 r a m 2 鹏p i 酬ramtms320c64161r 图2 - 2试验样机的硬件框图 试验样机的硬件框图如图2 2 所示。整个试验样机包括f p g a 、d s p 、a d d a 以及外部存储器等。 f p g a 主要完成与外部设备的数据交互，比如f p g a 与高速串口r s 2 3 2 之间、 f p g a 与a d d a 之间等。 d s p 主要完成数据处理部分，详见第四章。 d a 主要是完成数据的数模转化，然后再将其交给天线发送出去，而a d 主要 是完成数据的模数转化，将天线接收到的模拟信号转化为数字信号，然后再交由 f p g a 传递给d s p 作数据处理。 外部存储器包括双口r a m 、s d r a m 和z b ts r a m 。双口r a m 主要是作为 数据的传输桥梁，加在f p g a 和d s p 之间以及d s p 与d s p 之间，可以很方便地 进行跨时钟域的数据传输。 2 2 2 试验样机的硬件介绍 试验样机部分硬件的型号和性能参数如下： 1 ) d s p ：选用t i 公司的c 6 4 1 6 t t l l l ，可支持的最大时钟频率为1 g h z ，有8 9 到三一 电子科技大学硕士学位论文 个功能单元，包括两个寻址单元( d ) ，两个乘法单元( m ) 和其他四个 运算单元( s 和l ) ； 2 ) f p g a ：选用x i l i n x 公司的x c 2 v p 7 0 f f l 7 0 4 芯片，有3 2 8 个1 8 x 1 8 的硬 件乘法器，8 个d c m 时钟管理单元，3 3 0 8 8 个s l i c e s ； 3 ) d a c ：选用a d i 公司的a d 9 7 4 4 ，它支持的最高转换速率为1 6 5 m s p s ，量 化精度为1 4 b i t s ； 4 ) a d c ：选用a d i 公司的a d 9 4 3 0 ，它支持的最高转换速率为1 7 0 m s p s ，量 化精度为1 2 b i t s ； 5 ) 双口r a m * 选用c y p r e s s 公司的c y 7 c 0 2 6 a v ，它的容量为1 6 k x l 6 b i t ， 每次存取的时间为2 0 2 5 n s 。 2 2 3 试验样机的数据传输流程 图2 3试验样机接收端的数据传输图 试验样机接收端的数据传输如图2 3 所示。接收机数据流向如下： 1 ) 从天线接收的模拟信号经过一系列射频端处理后传送到模数转换端口 ( a d c ) 转为数字信号，再传给f p g a ； 2 ) f p g a 完成数据同步等处理后将数据通过双口r a m l 传经d s p l ； 3 ) d s p l 完成相应的数据处理后将数据通过双口r a m 2 传递给d s p o ； 4 ) d s p 0 完成相应的数据处理后如果t u r b o 均衡迭代次数未达到预定次数， 则它又将数据通过双口r a m 2 传递给d s p l ，依次循环直到迭代次数达到 预定次数； 5 ) 达到预定次数后，d s p 0 将数据通过双口r a m 3 传给f p g a ，再由f p g a 将数据传递给高速串口r s 2 3 2 。 而对于发送端而言，数据流向正好与接收端相反，发送端最初始数据从p c 经 过r s 2 3 2 进入f p g a ，然后经过d s p 后再给f p g a ，最终再由f p g a 将数据给d a c 转换成模拟信号后再发给射频端。 1 0 第二章m i m o o f d m 试验样机的总体方案 2 4 本章小结 本章主要是介绍了m i m o o f d m 试验样机的总体方案，包括试验样机的系统 框架和硬件结构。 试验样机的系统框架主要介绍了大概的原理框图及系统参数，详细的介绍可 以参见第四章。 试验样机的硬件结构主要介绍了试验样机的硬件框图及相关硬件介绍，同时 也介绍了一下数据从发送端到接收端的具体流向。 电子科技大学硕士学位论文 第三章m i m o o f d m 试验系统数据链路的设计与仿真 3 im i m o o f d m 试验系统的数据链路的设计 3 1 1 信道简介 本系统是使用波长为1 5 1 0 0 米，频率为2 m h z 3 0 m h z 的电磁波来进行无线 通信的。无线通信主要是通过电离层的反射来实现的，通信的距离较远，但因为 电离层的高度与密度与气候、昼夜等有关，再加上本系统所在频段是公用的，所 以干扰较严重，稳定性较差。 然而，该频段的无线通信仍然受到广泛的关注，主要原因如下： 1 ) 它是唯一不受网络枢钮和有源中继体制约的远程通信手段，如果发生战争 或自然灾害，任何通信网络都有可能受到破坏而无法使用，所以其它通信 网络的抗毁能力和自主通信能力都无法与它相比； 2 ) 在海洋、山区等地区，波长更短的不好覆盖，所以主要使用本系统使用的 频段来进行通信； 3 ) 本系统使用的频段进行通信比卫星通信的成本低。 基于上述原因，本系统所使用频段的通信仍受到普遍关注，发展迅速。该频 段的通信方式主要有两种：地波和天波。 地波损耗较大，而且随着频率的增加，损耗越大。即使在频率较小时，在发 射功率不是很大时，也只能传输几十千米。 天波是通过电离层的反射来进行传输，每反射一次可以达到的最大地面距离 约为4 0 0 0 k m ，多次反射可以达到上万千米。因此本频段的通信大多采用天波传输。 与天波传输息息相关的电离层的电子和离子在空间各处分布不均匀，这就会 造成无线电波的多径、多普勒频