（通信与信息系统专业论文）基于dsp和fpga平台的ofdm物理层实现研究.pdf

西北 业大学硕士学位论文 摘要 摘要 本文在深入研究o f d m 技术的同时，结合相应的e d a 工具对系统进行建模并 参考m e e 8 0 2 1 6 c 物理层标准给出了一种基于d s p + f p g a 平台o f i m 基带传输的 系统实现方案。 论文首先介绍了0 f d m 技术的发展、研究价值及优缺点，简要说明了0 f d m 系统的基本要素以及当前的研究热点。接下来从o f d m 系统的原理入手，对o h ) m 系统中多载波调制技术和其它关键算法进行了系统的研究和分析，结合m e e 8 0 2 1 6 标准在m 棚a b 平台上进行了0 f d m 系统仿真。之后给出了系统的总体设计方案 并且实现了基于d s p + f p g a 硬件平台的o f d m 发射机设计，包括模块划分和接口 实现。在控制功能模块的d s p 实现过程中，针对1 m s 3 2 0 v c 5 5 1 0 芯片使用d s p b 1 0 s 进行了设计，在算法功能模块的f p g a 实现过程中，针对a i t e r ac y c l o n c l l 系列 的e p 2 c 7 0 f 8 9 6 碍芯片对各个模块进行了详细设计。然后对o f d m 核心部分的f f r 算法进行开g a 的口c o 佗设计实现，严格按照伽r a a n 卸t i c 接口协议实现了i p c o r c 的接口控制器，同时实现了q a m 映射器、循环前缀、加窗处理和乒乓操作的 r a m 缓冲模块。其中由双端口r a m 构成的乒乓结构缓冲模块实现各功能模块的高 速互连和流水线操作。最后对各设计的时序仿真结果做了分析，验证了各设计的正 确性。 关键字：o l d m ，d s 删o s ，h g a ，h t ，口核 西北工业大学硕士学位论文a b 吣c t b 勰i i l g t h e 强t 如s i v e 锄de m b e d d c dr e s 雠h 0 f d mt c c h n o l o g y ，t h i st h e s i s p r c n 协ad c s 细t oi m p l 咖e mo f d ms y s t e m 卵f e 柑n gm e e 8 0 2 1 6 es t a n d 删加a m o d e mp l a t f o 加o fd s p 蛐df p g 丸 n ct h e s i s 丘体i l yp r c s e n t st h c g 蛐c r a ll m o w l e d g eo f0 f d mi n c l u d i j l g i 协 d e v e l o p m e n t ，k e y 蛔加o l o 画e s ，a d v a n t 8 9 c sa n dd i s a d v a n t a g c s ，f e 眦hm e r i l 卸dt h c i l i t e m a t i o n a l 黜a r c hl e v c l t h 锄，“d o 髂s y s t c m a t i l l y 豫a r c h 蛐t h em u l t i 啪r r i c r m o d u l a t i o nt c c h 肿l o g ya n do m c rk e ya l g o r i t h m sb ys i m u l a t i l l gt h eo f d ms y s t e mw i t h m 御n l b b 勰i n g 伽t h ce m b c d d e dt h c o r y a r 也i tp r o m o t c s 锄o v e 珀no f d m t r a n s m i ts y s t e md 龉i 驴b 勰c d t h eh a r d w a p l 州f b 瑚o fd s pa n df p g aw h i c hi n v o l v m o d u i ep a r t i t i 叩姐di n t e r f a c cd e s i g n t h es y s t c m 呻l e m e n 协i 姆c o n t r o lf u n c d 曲o n t m s 3 2 0 v c 5 5 1 0w i t hd s p b l o st o o l sw h i l ct h cd e s i 鲫so fa l g o r i t h mm o d u l e sa b 勰c d a m r a c y d o n e i le 唧f 8 9 6 1 8f p ( 认a sm eo o r ct h l l o l o g yo fo f d m ，f f r m o d u l ei sd e s i 驴e d 、j l ，i t ht h cl pc o r eo fw h i c ht h ei n t e r f a c cf o l l o w sa i ：兀猓aa t k m t i c p m t o c 0 1 1 na d d i t i o n ，t l i et h e s i si n l p l e m 锄协t h ed e s i g no fq a m ，c y c l cp t d i x ( c p ) ， h 卸n i n gw i n d o w 锄dp i n g p 柚gb u 虢r a tl a s t ，t h et h e s i s 锄a l y s i s 船t h es i m u l a t i 伽e s u l t s a n dv a l i d a t e st h c 玳d n e s so ft h ed e s i 鲫s k e yw o i m s ：o 阳m ， d s p ，b l o s ，f p g a 聊盯； 口c o 件 西北工业大学业 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知 识产权单位属于西北工业大学。学校有权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。本人允许论文被查阅和借阋。学校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。同时本人保证，毕 业后结合学位论文研究课题再撰写的文章一律注明作者单位为西北工业大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：欧冯趣) 指导教师签名：趁墨兰 聊年了月甥日土彩 年弓月彩日 西北工业大学 学位论文原创性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人 在导师的指导下进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容和致 谢的地方外，本论文不包含任何其他个人或集体己经公开发表或撰写过的研究成果，不包 含本人或其他已申请学位或其他用途使用过的成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和 集体，均已在文中以明确方式表明。 本人学位论文与资料若有不实，愿意承担一切相关的法律责任。 学位论文作者签名：i i 暨查壁2 ) 问年3 月2 占日 西北工业大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题背景和来源 正交频分复用( o f d m ) 技术的应用始于2 0 世纪6 0 年代，主要用在军事通信 中，但因其结构复杂限制了它的进一步推广。7 0 年代，人们提出采用离散傅氏变换 实现多载波调制的方法，使0 f d m 技术开始走向实用化。随着数字信号处理技术和 高速器件的发展，0 f d m 在a d s l 、v d s l 、d 、，b 、d a b 和h d l 等系统中得到成 功应用。进入9 0 年代以来，对o f d m 技术的研究深入到了无线信道的宽带传输。 无线信道的一个重要特点是多径传播，它使接收信号相互重叠，产生符号间干 扰( 1 s i ) 。当传输速率较高时，信号持续时间越短，相应带宽越宽，若信号带宽超过 信道相干带宽时，信道时间弥散特性将对接收信号产生频率选择性衰落。为解决这 个问题，人们提出了多载波调制( m c m ) 技术。它把高速率数据流分成多个低传输 比特速率的数据流，用并行数据流去调制多个载波。多载波调制的方式有多音道 ( m u l t i t o n e ) 、o f d m 、m c c d m a 等。传统的并行多载波系统把整个带宽分割后被 送到子信道中，频带没有重叠，其频谱利用率很低。 o f d m 在频域把信道分成许多正交子信道，各子信道的载波间保持正交，频谱 相互重叠，这样减小了子信道间干扰，提高了频谱利用率。同时在每个子信道上信 号带宽小于信道带宽，所以虽然整个信道是非平坦的频率选择性，但是每个子信道 是相对平坦的，大大减小了符号问干扰。 近几年来，随着下一代无线通信系统的研发，0 f d m ( 正交频分复用) 技术大有取 代其他技术的趋势。从w ia n 到w m a x 、f l 鹤h o f d m ，从u e 到b 3 g ，还有u w b ， 0 f d m 几乎成了新一代无线通信技术的标志。o f d m 技术之所以有代替c d m a 成 为新一代无线通信核心技术的趋势，是因为它具有如下的优点： 频谱效率高由于h 呵处理使各子载波可以部分重叠，理论上可以接近n y q u i s t 极限。以o f d m 为基础的多址技术0 f d m a ( 正交频分多址) 可以实现小区内各用户 之间的正交性，从而有效地避免了用户间干扰。这使o f d m 系统可以实现很高的小 区容量。 带宽扩展性强由于o f d m 系统的信号带宽取决于使用的子载波的数量，因此 o f d m 系统具有很好的带宽扩展性。小到几百k k ，大到几百m h z ，都很容易实现。 西北t 业大学硕十学付论文第一章绪论 频谱资源灵活分配0 f d m 系统可以通过灵活的选择适合的子载波进行传输， 来实现动态的频域资源分配，从而充分利用频率分集和多用户分集，以获得最佳的 系统性能。 实现m l m o 技术较简单由于每个o f d m 子载波内的信道可看作水平衰落信 道，多天线( m l m o ) 系统带来的额外复杂度可以控制在较低的水平( 随天线数量呈线 性增加1 。相反，单载波m i m 0 系统的复杂度与天线数量和多径数量的乘积的幂成 正比，很不利于m l m o 技术的应用。 由于o f i ) m 具有上述诸多优点，可以有效地克服多径传播中的衰落，消除符号 间干扰，提高频谱利用率，已在宽带通信中获得了广泛的应用。 1 、数字声广播工程( d a b ) 较早采用0 f d m 技术包括d a b ( 数字广播) 和d v b ( 数字电视) 。欧洲的数字声广 播工程( d a b ) 一d a b e u r e k a l 4 7 计划已成功地使用了o f d m 技术。为了克服多 个基站可能产生的重声现象，人们在o f d m 信号前增加了一定的保护时隙，有效地 解决了基站问的同频干扰，实现了单频网广播，大大减少整个广播占用的频带宽度。 2 、高清晰度电视( h d l r v ) 由于现有的专用d s p 芯片最快可以在1 0 0 i is 内完成1 0 2 4 点f f r ，这正好能满 足8 m h z 带宽以内视频传输的需要，从而为应用于视频业务提供了可能。目前，欧 洲已把f d m 作为发展地面数字电视的基础；日本也将它用于发展便携电视和安 装在旅游车、出租车上的车载电视。 3 、卫星通信 v s a t 的卫星通信网使用了0 f d m 技术，由于通信卫星是处于赤道上空的静止 卫星，因此o f i m 无需设置保护间隔，利用d f t 技术实现o f d m 将极大地简化主 站设备的复杂性，尤其适用于向个小站发送不同的信息。 4 、h f c 网 h f q h 州d f i b c r c 曲l e ) 是一种光纤同轴混合网。近来，o f d m 被应用到有线电 视网中，在干线上采用光纤传输，而用户分配网络仍然使用同轴电缆。这种光电混 合传输方式，提高了图像质量，并且可以传到很远的地方，扩大了有线电视的使用 范围。 5 、移动通信 在移动通信信道中，由多径传播造成的时延扩展在城市地区大致为几微秒至数 十微秒，这会带来码间串扰，恶化系统性能。近年来，国外已有人研究采用多载波 2 西北工业大学硕士学位论文第一章绪论 并传1 6 q a m 调制的移动通信系统。将0 f d m 技术和交织技术、信道编码技术结合， 可以有效对抗码问干扰，这已成为移动通信环境中抗衰落技术的研究方向。目前正 在研发的3 g p p u e ( 长期演进) 技术也很可能选用o f d m 及其改进型( 下行o f d m 、 上行d 兀：s - o f d 蛐作为基本多址技术。 6 、无线l a n 在新一代w i a n 技术标准，美国的m e e8 0 2 1 1 a 和欧洲e t s l 的i i i p e r i a n 尼 中，均采用了o f d m 技术。i e e e8 0 2 1 1 a 工作在5 g h 睦频带，采用o f d m 调制技 术，速率可达5 4 m b i 怕。h i p e f u l - 坭物理层应用了o h ，m 和链路自适应技术，媒 体接入控制( m a c ) 层采用面向连接、集中资源控制的t d m 椰d 方式和无线 删技术，最高速率达5 4 m b i 体，实际应用最低也能保持在2 0 m b i t s 左右。 7 、宽带无线接入中的o f d m o f d m 是适用于无线环境下的高速传输技术，除了无线局域网标准( m e e 8 0 2 1 1 9 a 、h i p c r ia n 2 等) 外，还在宽带无线接入( b 、 ，a ) 中得到应用，所谓宽带 ( b 阳a d b 粕d ) 是指速率高于1 0 m b i 怕的传输系统，宽带无线接入系统是针对微波 及毫米波段中新的空中接口标准，它具有速率高、抗干扰性强等特点，能支持无线 多媒体通信，适用于商务大楼、热点地区及家庭用户的宽带接入。珥e e 舳2 1 6 工作 组专门负责b w 方面的技术工作，它已经开发了一个2 1 1 g h zb w a 的标准 m e e 8 0 2 1 6 删c ，8 0 2 2 0 ( 可能基于n 勰h o f d m ) ，物理层采用了o f i ) m 技术。 该标 准不仅是新一代的无线接入技术，而且对未来蜂窝移动通信的发展也具有重要意义。 目前，在b w r a 领域，一些公司开发的技术虽然都基于o f d m ，但有各自的特色。 形成一些专利技术，如a s c o 和i o s p 缸公司的娥皤o f d m o f d m ) v 晒1a n 公司的晰d e b a n d o f d m ( w o f d m ) ，f 1 a f i o n 公司的n a s h 0 f d m 。 8 、超宽带通信中的o h ) m 另外，近距离通信删0 2 1 5 3 a u w b 技术的两个备选方案之一也采用了m b ( 多 载波1 旬f d m 。预计未来的b 3 g 技术也将基于0 f d m 。 目前，根据不同组织的不同标准，o f d m 技术主要有c o f d m 、v o f d m 、 w o f d m 、n 够h o f d m 四种，它们在模块化设计等方面各有千秋，但是相对而言， n 觞h o f d m 更代表了移动性的特点。利用快速跳频技术把信号扩频，具有频率分 集能力，减小了同一小区内的用户间干扰，它同时具有o f d m 和跳频扩频技术的优 点。除了跳频外，为解决小区间干扰，采用了功率控制，用户只发射能有效通信的 功率。空中接口采用分组业务，支持全腰通信。丑a s h o f d m 的m a c 层不但增强 西北工业大学硕士学位论文第一章绪论 了空中接口的性能，而且支持全i p 网络接口。 总之，目前无线通信领域所有的新兴技术几乎都以o f d m 为核心，o f d m 技 术已经成为下一代无线通信技术的风向标。基于以上的分析，本文将以第四代宽带 无线通信系统中基带信号处理的核心技术一一o ) m 算法及其d s p + f p g a 实现作 为本次毕业课题的研究方向。 1 2 课题意义和本文的工作 本文通过广泛查阅国内外0 f d m 相关文献资料，对基于d s p 和f p g a 平台的 0 f d m 系统物理层实现进行了深入研究。在设计过程中采用了先进的设计平台和多 种先进的设计理念和设计技术。该课题是一个前沿并且很有发展前途的课题，随着 0 f d m 技术的推广以及未来通信对o f d m 技术的倚重，本论文的工作对0 h ) m 基 带传输系统的原型设计和实现具有一定的参考价值。 本文在对o f d m 系统的理论进行认真研究的基础上，主要进行了系统分析和 设计，提出了d s p + f p g a 实现的方案，然后进行了仿真验证。完成的主要工作具体 分为以下三部分： 第一部分首先对o f d m 系统中调制方式、关键算法和系统参数设置进行了系 统的研究和分析，在结合e e 8 0 2 1 6 标准的基础上，对、 qa n 中的o f d m 系统的 原理和关键技术进行了研究并在m 棚a b 平台上进行了o f d m 系统仿真。第二部 分实现基于d s p + f p c 认硬件平台的0 f d m 发射机设计，包括模块划分和接口实现。 在实现过程中，d s p 设计采用了d s p b i o s 的调度管理，f p g a 设计部分采用了i p 核设计，加速了设计过程和设计的稳定性。第三部分对o f d m 核心部分的h t 算 法进行f p g a 的i p c o r e 设计实现，i p c 0 f e 的接口控制器严格按照a i t e r aa t l 如t i c 接口协议实现，同时实现了q a m 映射器、循环前缀、加窗处理和乒乓操作的r a m 缓冲模块。 1 3 论文内容和结构 本文在理论研究的阶段，为了加深理解，提出改进方案，然后对这种理解和改 进加以验证，本文对系统算法进行了m 枷a b 定点仿真。在此基础上，通过深入 研究和分析，构建了可以实际应用的系统方案。最后对该方案进行了具体实现。 本文主要内容如下： 4 西北t 业大学硕士学位论文第一章绪论 研究和设计了基于d s p 和h 唱a 硬件平台的o f d m 基带调制系统，完成了d s p 与f p g a 接口设计、d s p 设计、f p g a 部分的q a m 调制、具有乒乓操作功能的缓 冲模块、f f r 调制、f i 呵模块的控制器设计。 本文按照设计要求完成了以上模块的设计，并在设计过程中采用了许多先进的 技术和设计理念，主要体现在系统规划设计阶段采用了白顶向下和流水设计理念， 在功能实现和接口设计方面采用了同步时序设计和模块复用的设计方法。 本文的章节安排如下： 第一章介绍了本文的课题背景、意义、论文内容和结构。 第二章介绍了o f d m 系统的工作原理、o f d m 基带调制系统发送端和接收端 的总体设计方案，并对方案进行了m 棚a b 系统仿真。 第三章根据自顶向下的思路介绍了整体设计。 第四章详细介绍了f f r 的设计及实现。 第五章介绍了o h ) m 系统中编码调制的f p g a 实现 第六章总结全文，并给出了一些改进思路。 5 西北t 业大学硕十学位论文第章o f d m 系统设计的理论基础 第二章o h ) m 系统设计的理论基础 2 1o f d m 系统基本原理 0 f d m 是一种无线环境下的高速传输技术。无线信道的频率响应大多是非平坦 的，而o f d m 技术的主要思想就是：在频域内把所给信道分解为许多正交子信道，每 个子信道使用一个载波进行调制，并且各子载波并行传输。这样尽管总的信道是非 平坦的、也就是具有频率选择性，但每个子信道是相对平坦的，并且每个子信道进 行的是窄带传输，信号带宽小于信道的相关带宽，大大消除了符号间干扰( 1 s i ) 。其 具体的实现方法是采用在频率上等间隔的n 个子载波，它们分别调制一路独立的数 据信息，调制之后n 个子载波的信号相加同时发送，并且每个符号的频谱只占用信 道的全部可用带宽的一部分。为了提高频谱利用率，各载波上的频谱是互相重叠的， 但这些载被在整个符号周期内满足正交性，这样在接收端通过相关滤波器在码元期 间内接收相应的子信道信号，由于其他子信道信号与这个本地相关信号在码元期间 正交，排除了其他子信号的干扰，因此能够保证无失真地复原发送信息。从频域看 ( 经过矩形脉冲成型) 如图2 1 所示。 ( a ) c o f d m 子载波频谱( b ) c o f d m 多载波频谱 图2 1c 0 阳m 频谱示意图 0 f i ) m 系统发射机中信号处理过程如图2 - 2 所示。 6 西北下业大学硕士学位论文第章o f d m 系统设计的理论基础 图2 - 2o f d m 系统发射机框图 其中编码可以是分组编码或者卷积编码，然后通过交织抵抗突发干扰，采用 q a m 或q p s k 数字调制进行符号映射，接着进行串并转换分成m 路低速数据流外 加上路导频信息共圳+ 三路作为子载波，通过i f f t 实现o f d m 调制，再并串转 换成一路数据，添加保护前缀和加窗处理。这个过程就是通用o f d m 发射机的基带 处理。 2 2 n 丌在o f d m 系统中的应用 传统的实现方法是利用多个正弦波发生器产生多个正交的载频，再把有用信息 分别调制到各载频上， d 兀yd i s a e t ef o u r i e rt r a n s f 0 珊离散傅里叶变换) 是将有限长序列( 数字序列或 抽样数值序列1 变换成为频域表示的一种数学方法。d f r 之所以重要，是开辟了频域 离散化的道路，从此可以用频域中有限的点( 离散化的点) 来表示信号。频域离散化 使信号在频域中的处理可以采用数字运算的方式进行，使数字信号的处理变得灵活 及方便。 存在定义，使m 的点d 兀 为： 石驻) 一d 玎b 伽) 】一三z o ) 哆，七一o ，1 v 一1 ( 2 - 1 ) x 例的l d f r ( h v e 璐ed i s a c t ef o u r i c f1 r a n s f o r m 离散傅里叶逆变换) 为： 砸) i d 2 虿l x 辑) 】。专荟x 8 ) l 户，露- o ，l ”一1 ( 2 2 ) 其中h _ e 一。可以证明：i d f r p r 】具有唯一性。式( 2 1 ) 和( 2 2 ) 构成一个变换对a 观察式( 2 2 ) 中的旋转因子： 町“一e 叫争一撕等) + ，s i n ( 幼等) ( 2 - 3 ) 工似的抽样频率为，则抽样间隔为其倒数。上式变形为： 时i e - 争。静叫等争小妯( 等争( 2 川 她。等棚i j 町“i 7 争菇叫魄争小i n ( 争( 2 - 5 ) 采用d ，a 转换，上面的旋转因子由数字量变换为模拟量，即令f n 正，有： 町“i 。地争( 扣汹( 和 ( 2 _ 6 ) 使用l d f l y d f r 来代替0 f d m 系统多载波调制及解调，可以不再用众多振荡器来 产生所需子载波。o f d m 技术的核心就是i 哦算。从式( 2 _ 6 ) 可以知道旋转因子经 功a 转换以后其实部就是一个载波集： 伽池专嘎七一o ，1 一1 k _ o 时，载波频率为：q 。警，o k _ 1 时，载波频率为：q ，一号 k - 2 时，载波频率为：q ：- 等 k - 3 时，载波频率为：q ，一等 以此类推，载波频率间隔最小为号 可以证明： y o ) 。善c o s ( ) c 0 8 魄渺i o ，- 0 1 2 一1 _ ，； ( 2 。7 ) 利用这个正交载波集可以发送数字序列x ) ： 工o ) = r e ( m 玎 ) d 。专薹x ) s ( 吐七一o 1 一1 ( 2 8 ) 工化、是x 伽1 的傅立叶变换x 伯m 1 在f o ，2 1 上的点等间隔采样，但是在这里 8 两北工业大学硕士学位论文第二章o f d m 系统设计的理论基础 并没有频谱分析的意义，只是一种纯粹数学意义上的变换。 使用l d f r 代替o f d m 多载波调制的重要意义在于d 兀y 玎口兀有多种快速算法 ( f a s tf o u r i 盯t r a n s f o 珊h 砌f f t ) ，从而使信号的实时处理得到实现和调制解调设 备得以简化。把式( 2 8 ) 换一个习惯符号表示即为： 1 幽 _ ) ，o ) - r e ( f r p o ) 】) 一吉罗j 0 ) c o s ( n k f ) ，n - o ，1 一1 ( 2 9 ) yf 哥 一次l f f t 输出) ，o x m - l 称为一个o f d m 符号。 一般还需要对o f d m 符号进行过采样，即在原有的采样点之间再添加一些采样 点，构成p _ 个采样值。这种过采样的实施也可以通过利用j f f 呵，矸t 的方法来实现， 实施i f f r 运算时，需要在原始的个输入值的中间添加巾j ) 个零，而实施f f r 运算时，需要在原始的个输入值的后面添加血j ) 个零。 2 3o f d m 中的信道估计 无线通信系统的发射机和接收机之间的传播路径非常复杂，同时无线信道具有 很大的随机性，会导致接收信号的幅度、相位和频率失真，造成信道分析的难度， 这些都制约了系统的性能。考虑多径传播的o f d l m 系统接收端进行相干接收时，必 须进行信道估计。 ( 1 ) 基本概念 在理论研究中，为了更好地描述信道对信号的影响，引入信道模型的概念。无 线信道的建模通常采用统计的方法来进行，而且一般都是通过研究信号在特定环境 下的特性来实现的。信道估计可以定义为描述物理信道对输入信号的影响并进行定 性研究的过程。如果信道是线性的，那么信道估计就是对系统冲击响应进行估计。 需要强调的是，所谓的信道估计就是信道对输入信号影响的一种数学表示，而“最 佳”的信道估计就是某种可以使得估计误差最小化的估计算法。一般而言，在离散 系统中，接收机接收到的信号可以表示为： r ( 厅) - j ( n ) j i l ( n ) + 咖) ( 2 - 1 0 ) 其中x ( n ) 为发送数据序列，h ( n ) 为信道冲击响应序列；w ( n ) 为a w g n 序列。假设 系统理想同步，那么去除了循环前缀( c p ) 之后的接收信号的f f i 输出为： 埘k 】= f h n o l n | = h l k 】p 律j + h f k 】d ( k 】+ w l k 】 ( 撇) 9 西北工业大学硕士学位论文第二章0 f d m 系统设计的理论基础 其中的p 【k 】和d i k 】分别为数据信号序列和导频序列。可见慢时变信道对信号的 影响只是乘上了信道在该予载波频率处的响应，并加上了高斯白噪声。因此，如果 能够根据对接收信号的分析，较为精确地估计出信道冲击响应，对接收到的信号进 行均衡处理，就可以得到准确的解调信号。 信道估计的基础是信道本身具有时域、频域的相关特性。虽然在具体时刻信道 的时延、多普勒频移、信号的衰减是不可知的，但是信道的某些统计特性是可以知 道的，因此充分利用信道的相关特性就可以进行较好的信道估计。 ( 2 ) 8 0 2 1 6 0 f d m 信道估计技术 目前己有的信道估计方法有两种：第一类是数据辅助估计，包括基于o f d m 的 导频符号、训练符号、训练序列的信道估计方法，这类算法捕获快、精度高、适合 分组数据通信。第二类是非数据辅助估计，即盲估计，它是利用o f d m 信号的结构， 例如，由于加循环前缀使o f i m 符号的前端和后端有一定的相关性、利用虚子载波 来做估计，其最大优点是：避免由于插入导频符号而带来的资源的浪费，缺点是为了 获得高精度需要几十个甚至上百个o f d m 块，捕获时间长，但这类算法适合于下行 的蜂窝系统、广播系统。在基于导频的0 f d m 信道估计中，主要面f 临：导频信息的选 择和如何设计出有较低的复杂度又有良好的导频跟踪能力的信道估计器。估计算法 包括两部分：导频信道估计和信道内插。导频信道估计是指在接收端根据收到的信 息和已知导频来估计导频点的信道传递函数。信道内插是根据导频估计得到的信道 传递函数进行内插，得到有效频带内各数据频点的信道传递函数。 8 0 2 1 6 0 f i ) m 系统采用基于导频的o f d m 信道估计技术。在基于导频的信道估 计中，为了无失真地恢复信道响应，在频域和时域上导频子载波之间的间隔应该满 足使频域和时域抽样率不小于归一化相关带宽和多普勒扩展的两倍。为了通过导频 子载波获得信道冲激响应，频域导频子载波位置数不应小于信道最大多径时延的抽 样数。导频 1 0 t ) 的放置需要尽可能近，系统才能跟上信道传递函数在时域和频域 的变化；又要放置的尽可能远，从而能够提高系统的利用率，提高传输速率。决定 导频模式的最重要的参数是最小相关时间和最小相关带宽。图2 - 3 为导频放置的几种 结构。 l o 西北工业大学硕七学位论文 第_ 章o f d m 系统设计的理论基础 ( a ) 块状导频结构 ( b 】梳状导频结构 一 ( c ) 方形导频结构( d ) 对角导频结构 图2 - 3o f d m 导频结构( 横坐标为时间，纵坐标为频率) 前两种为块状导频和梳状导频，它们分别对应于慢衰落和快衰落的信道情况。 块状导频适用于慢衰落的无线信道中，即在一个o f d m 块中，信道视为准静止。梳 状导频有更高的重传率，在快衰落信道下估计的效果更好，对频率选择性衰落比较 敏感；为了有效地对抗频率选择性衰落，子载波间隔要求比信道的相关带宽要小很 多。方型和对角的导频分布结构具有较高的载波利用率，能够在不降低数据利用率 的条件下更为精确地完成信道估计。在实际的o f d m 数据传输系统中，根据信道特 性的不同，采用不同的导频结构。 除了信道估计之外，我们在实际应用中，还需要根据不同系统的特点，着重注 意解决0 f d m 系统中的同步、降低峰均比、功率控制以及自适应调制等关键技术， 从而保证系统的良好性能。 1 l 西北丁业大学硕十学位论文第二章o f d m 系统设计的理论基础 2 4o f d m 系统中的其他关键技术 2 4 1o f d m 系统的保护间隔( g 1 ) 和循环前级( c p ) ( 1 ) 保护间隔 采用o f i ) m 技术的主要原因之一就是它可以有效对抗多径扩展，通过将输入的数 据流并行分配到n 个并行的子信道上，使每个o f d m 的符号周期扩大为原始数据符 号周期的n 倍，使得时延扩展与符号周期的比值也降低n 倍。在实际的o f d m 系统中， 当调制信号通过无线信道到达接收端时，信道多径效应带来的码间干扰，会使子载 波之间不再保持良好的正交性。为了保持予载波之间的正交性，在发送之前就要在 每个o f i ) m 符号之间插入保护间隔，该保护间隔的长度一般要大于无线信道的最 大时延扩展，才会使一个符号的多径分量不会对下一个符号造成干扰，从而有效消 除码间干扰( i s d ) 如果在这段保护间隔内，不插入任何信号，仅把它作为一段空闲 的传输时段，那么由于多径传播的影响，就会产生子信道间的干扰( 1 c i ) ，这样还是 会破坏子载波之间的正交性，使得各子载波之间产生干扰。接下来会介绍在这段保 护间隔内插入循环前缀，就可以避免上述的子信道间干扰( i c i ) 。 ( 2 ) 循环前缀 循环前缀是o f i ) m 技术中很有特色的部分，它的主要优点就是几乎消除了使用 均衡器的必要。信号在多条路径上传播而先后到达接收端，这种现象会引起符号间 干扰( 1 s l ：如t e r 。s y m b o li n t e r f c r e n c e ) 。o f d m 在每个符号前部留出一段保护带( g u a r d t i l e ) ，又叫做前缀( p r c 】奴) ，其时间宽度大于信道的最大时延扩展( d e l a ys p r c a d ) 。 这样前一个符号的多个时延信号完全被前缀吸收，不会影响后一个符号。可以采用 全零前缀，但这种前缀只能消除符号间的l s l ，不能消除符号内部的l a 。为此a p e l e d 和ar u i z 于1 9 8 0 年发表了循环前缀( c y d i cp r c 】丘】【，c p ) 技术，解决了这一问题。它 们不是在符号间插入另外设计的保护间隔，而是插入o f d m 符号的周期扩展。一般 的，实际系统中，前缀使用的是符号最后一段时域信号的拷贝。引入循环前缀叫做 保护带，可以让信道与o f d m 信号的线性卷积近似为循环卷积，并且可以消除符号 之间和符号内部的i s i 。如果接收机的符号定时存在误差，但仍能保证d f t 窗口在这 个符号以内，那么定时误差只会使解调结果中带有附加相移，并不会破坏子载波之 间的正交性。 在实际的系统中，在接收端，首先要将接收符号开始的宽度为正的部分丢弃， 即去除o f d m 符号在送入信道传输之前加入的循环前缀，然后将剩余的宽度为t 的 西北工业大学硕士学位论文第章o f d m 系统设计的理论基础 部分进行傅立叶变换后再进行解调。 在o f d m 符号内加入循环前缀可以保证在一个f f r 周期内，o f d m 符号的时延 副本包含的波形周期个数是整数，这样时延小于保护间隔的时延信号就不会在解 调过程中产生i c i 。一旦多径时延超过了保护间隔，子载波之间的正交性还是会遭到 破坏，就会产生i c i 。在一个o f d m 符号中，循环前缀部分未携带任何信息，它和信 息一起传送会带来功率和信息速率的损失，但是由于保护间隔的插入可以消除多径 传播引起的l c i 影响，能更好地体现多载波传输的优越性，因此上述的损失是值得的。 2 4 2o f d m 通信中的同步 在无线通信系统中，同步往往是系统中比较难解决的问题。在0 f d m 系统中， 同步也是关键技术之一，o f d m 系统中的同步通常包括以下三部分：帧同步( 符号 同步) ，频率同步和采样时钟同步。在o f d m 系统中通常会引入循环前缀( c y c l i cp r e f i x ， c p ) ，帧同步的目的是检测符号的边界，找到去除c p 的合理位置，即确定接收端合 适的做f f r 的位置如果不同步则会引入符号间干扰( i n t e r - s y m b o li n t e 疵f c 眦c ，i s d 频率同步是指补偿发射端和接收端的载频偏差。在o f d m 系统中，由于每一路载波 上调制的都是低速数据流，所以与宽带单载波系统相比较，相同的频偏会造成更为 恶劣的影响。载波频偏会破坏子载波间的正交性，从而造成子载波间干扰 ( h t c r - c a 而e ri n t e 疵瑚c e ，l c i ) 。由于o f d m 系统对频偏极为敏感，因而频率同步是 一个非常重要并被广泛研究的问题。 采样时间同步是指补偿发射端和接收端的采样时钟偏差，由于存在采样时钟的 偏差，每个信号样点会偏离正确采样点位置，并且偏移量随时间线性增加。虽然这 也会破坏0 f d m 系统的正交性，但由于采样时钟的精度可以做得比较高，故造成的 影响很小，可以采用内插滤波器来校正采样时间。 2 4 3o f d m 通信中的峰值功率控制 由于0 f d m 信号是系列子载波上调制信号的叠加，子载波数目较大时叠加后如 果各子载波信号相位相同，总信号会存在很大的峰值，即峰值平均功率比( p e a k t o a v e m g cp 0 w e rr a t i o p a i ，r ) 较大，这样的信号通过射频功放时会产生非线性失真， 造成l c l 和带外泄漏。峰值功率的控制问题一直是o f d m 系统研究中的重点，目前己 经提出了许多的算法，主要有以下几类： ( 1 ) 失真技术采用修剪技术、峰值窗口去除技术或峰值删除技术，使峰位振 幅值简单地线性去除。 两北工业大学硕十学位论文第二章o f d m 系统设计的理论基础 ( 2 ) 编码技术采用专门的前向纠错码，使产生非常大p a p r 的o f d m 符号去 除。 ( 3 ) 扰码技术采用扰码技术，使叠加后信号的互相关性尽量为0 ，从而使p a p r 降低。 在众多的p _ 婀t 抑制算法中，有的能显著地抑制n 廿r ，但算法复杂度非常高； 有的算法比较简单，但会引入额外干扰或p a p r 抑制不明显。因此，如何在p a p r 抑 制性能和计算复杂度之间做折中是一个必须考虑的问题。 2 4 4 调制解调方式和编码 由于许多信道不能直接传送基带信号，所以为了更好地适应信道，大多数的实 际通信系统都采用了调制技术。调制方式不同，对应的解调方式也就不同。o f d m 系统中二进制数据比特以m p s l 【或者m q a m 等调制方式调制到相应的子载波上，为 了在接收端进行数据恢复，就需要知道调制值的参考相位和幅度。在实际系统中， 由于载波频率偏移、定时偏差以及信道的频率选择性衰落等的影响，信号会受到破 坏，导致相位偏移和幅度变化等。因此，为了准确恢复信号，对应于发送端的不同 调制方式，接收端的信号解调存在两种信号检测方法，即差分检测和相干检测。差 分检测不需要知道信号的参考值，只需利用相邻两个信号的相位和幅度的差值：相干 检测需要利用信号的参考值来检测信号，即要考虑在不引入过多训练序列的前提下 如何得到检测所需的参考值。总体而言，差分检测方法比较适合于较低传输速率的 0 f i ，m 系统，如欧洲的m 墟系统；而相干检测适合于要求更高传输速率和频谱效 率的o f d m 系统，如e e 8 0 2 1 1 a w i a n 系统。 2 58 0 2 1 6 e 标准 目前主流的宽带无线接入技术可以分为：无线个域网( 晰e l e 踌p c r n a l 觚a n e 咖r bw p m d 技术，如蓝牙技术( b l u e t o o t h ) 和i e e e 舳2 1 5 ；无线局域网( w i r c l e 蟠 l a n ，w ia n ) 技术，如e e8 0 2 1 1 b a 和e t s ih l p e r ia n 2 ； 固定宽带无线接入 技术( f i x c db r o a d b 锄dw i r e l e 豁a c c c 鹞，f b w a ) ，如i e e e8 0 2 1 6 无线城域网( w i f e l e 踞 m e 仃o p o l i t 锄a a n e t 、o r k ，w m a n ) 技术。但是从目前的技术标准来看，无论是 w l a n 还是最新的8 0 2 1 6 城域无线宽带系统，其覆盖范围均十分有限，无法与移动 通信系统相媲美，为此m e e 提出了8 0 2 2 0 规范，即移动宽带无线接入( m b w a ) 。 其中m e e 8 0 2 系列标准对比如表2 1 所示。 1 4 西北工业大学硕士学位论文第二章o f d m 系统设计的理论基础 表2 18 0 2 1 6 系列杯准的比较 8 0 2 1 68 0 2 1 6 a8 0 2 1 6 d8 0 2 - 1 6 e 标准情况2 0 0 1 年1 2 月正式2 0 0 3 年1 月正式2 0 0 4 年6 月2 3 日预计于2 5 年中发 发布发布获批 布 使用频段 1 0 6 6 g h z1 1 g h z1 0 6 6 g h z c i e a r i m a g e 伍 运行结果如下： m 醒s i 印a lk v e l ：o 1 3 7 6 3 r m ss i 印a lk v e l ：0 0 2 5 6 8 9 p c a l 【t or m sp o w e rf a t i o ：1 4 5 7 9 3 d b 1 0 t a l 面m e ：0 7 8 2 s e c 输入： i m a g e f x 运行结果如下： d c 。0 d i n g f r a m e ：1 f h m e s t a n = 1 1 5 2 0 s y m b k n = 3 9 6 8 1 d e d i n gf r a m e ：2 f r a m e s t a n = 3 3 9 3 s y m b 【七丑= 3 9 6 8 1 d e c o d i n g f r 锄e ：3 f m m e s t a r t = 协 西北工业大学硕士学位论文第二章o f d m 系统设计的理论基础 3 3 9 3 s y m b l c n = 3 9 6 8 1 d e 。0 d i n gf r a m e ：4 f m m e s 恤n = 3 3 9 3 s y m b k n = 3 9 6 8 1 b e r 葛0 o 0 0 3 7 5r m s p h 弱ee 0 r = 0 7 1 3 2t o t a l 删m b c ro f e r i o 巧= 1 8 t b t a ln m e ：1 0 1 6 s e c 图2 - 5 发送端o f d m 符号时域图 图2 5 是0 f d m 系统发送端的输出的时域波形，信号最前面恒幅部分是同步头； 接下来是保护间隔，保护间隔包括零填充和循环前缀；总共四帧有用信号，每帧包 括8 个o f d m 符号，从图2 - 5 可以看出：第一帧的开始位置应该是去掉一个同步头 0 a d c r ) 和一个帧保护间隔( f r 锄e s i g ) ，所以是：( 1 0 2 4 + 2 5 回+ 8 + ( 1 0 2 4 + 2 5 6 ) = 1 1 5 2 0 ； 西北工业大学硕士学位论文第章o f d m 系统设计的理论基础 图2 - 6