（通信与信息系统专业论文）基于ieee80211a的ofdm发射机系统的fpga设计.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 无线局域网是计算机网络技术和无线通信技术相结合的产物，是利用无线 媒介传输信息的计算机网络。在无线通信信道中，由于多径时延不可避免地存 在符号间干扰，正交频分复用( o f d m ) 作为一种可以有效对抗符号间干扰( i s i ) 和提高频谱利用率的高速传输技术，引起了广泛关注。在无线局域网( w l a n ) 系统中，o f d m 调制技术已经被采用作为其物理层标准，并且公认为是下一代 无线通信系统中的核心技术。基于i e e e 8 0 2 1 1 a 的无线局域网标准的物理层采 用了o f d m 技术，能有效的对抗多径信道衰落，达到5 4 m b p s 的速度，而未来 而的i e e e 8 0 2 1 1 n 将达到1 0 0 m b p s 的高速。因此，研发以o f d m 为核心的原型 机研究非常有必要。 本课题在深入理解o f d m 技术的同时，结合相应的e d a 工具对系统进行 建模并基于i e e e 8 0 2 1 l a 物理层标准给出了一种o f d m 基带发射机系统的 f p g a 实现方案。整个设计采用目前主流的自顶向下的设计方法，由总体设计 至详细设计逐步细化。 在系统功能模块的f p g a 实现过程中，针对x i l i n x 一款1 6 0 万门的 s p a r t a n - 3 ex c s l 6 0 0 e 芯片，依照i e e e 8 0 2 1 l a 帧格式，对发射机系统各个模块 进行了详细设计和仿真： ( 1 ) 训练序列生成模块，包括长，短训练序列； ( 2 ) 信令模块，包括卷积编码，交织，b p s k 调制映射； ( 3 ) 数据模块，包括加扰，卷积编码，删余，交织， b p s k q p s k 1 6 q a m 6 4 q a m 调制映射； ( 4 ) o f d m 处理部分，包括导频插入，加循环前缀，i f f t 处理； ( 5 ) 对整个发射处理部分联调，并给出仿真结果 另外，还完成了接收机部分模块的f p g a 设计，并给出了相应的顶层结构 与仿真波形。最后提出了改进和进一步开发的方向。 关键词：o f d m ，f p g a ，w l a n ，i e e e 8 0 2 1l a 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t 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 ) h a sb e e nw i d e l y r e g a r d e d a sa l le f f e c t i v et e c h n i q u ef o ri n c r e a s e ds p e c t r a le f f i c i e n c ya n df o r c o m b a t i n gt h ed e t r i m e n t a le f f e c t so fi n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c e ( i s i ) t h a ti n e v i t a b l y o c c u r sd u et om u l t i p a t hp r o p a g a t i o ni nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nc h a n n e l s o f d m h a sb e e na p p l i e dt ow o r l d w i d es t a n d a r d so fw l a na n dh a sb e e nc o n s i d e r e dt ob ea p r o m i s i n gt e c h n i q u ef o rh i g hd a t a - r a t e w i r e l e s st r a n s m i s s i o ni nn e x t g e n e r a t i o n m o b i l ec o m m u n i c a t i o n s i nt h i sc a s e ，h o wt or e a l i z ee f f i c i e n to f d ms y s t e mh a s b e e nav e r yi m p o r t a n ti s s u e t h i st h e s i sa i m st oe x p l o r et h ei m p l e m e n t a t i o no fa no f d mb a e s b a n dp r o c e s s t a r g e t e d o ni t s a p p l i c a t i o n i ni e e e 8 0 2 1las y s t e m s ad e s i g na n dh a r d w a r e i m p l e m e n t a t i o no f t h et r a n s m i t t e rp r o c e s s o rh a sb e e na c c o m p l i s h e do nx i l i n x s p a r t e n 3 e f i e l d p r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ( f p g a ) t h e w h o l e d e s i g n i s a c c o m p a n i e dw i t ht h et o p d o w ns t r a t e g y t h ed e t a i l e dd e s i g na n ds i m u l a t i o no ft h et r a n s m i tf u n c t i o n a lm o d e l sa r ea s f o l l o w s ： ( 1 ) t r a i n i n gs e q u e n c eg e n e r a t o rm o d u l e ，i n c l u d i n gb o t hl o n ga n ds h o r tt r a i n i n g s e q u e n c e ； ( 2 ) s i g n a ls y m b o lg e n e r a t o rm o d u l e ，a sw e l la sc o n v o l u t i o n e r , i n t e r l e a v e r , b p s km a p p e r ； ( 3 ) d a t as y m b o lg e n e r a t o rm o d u l e ，w h i c h c o n t a i ns c r a m b l e r , c o n v o l u t i o n e r , i n t e r l e a v e r , b p s k q p s k 16 q a m 6 4 q a mm a p p e r ； ( 4 ) o f d mm o d u l a t em o d u l e ，i n c l u d i n gp i l o ti n s e r tm o d u l e ，c y c l ep r e f i xa d d e d m o d l u ea n di f f t f f tm o d u l e ； ( 5 ) c o m p l e t et h ej o i n t d e b u go f t r a n s m i t t e rm o d u l es u c c e s s f u l l y ； i na d d i t i o n ，p a r to fr e c e i v e rm o d u l e sh a v ea l s ob e e nd e s i g n e db a s e do nf p g a k e yw o r d s ：o f d m ；f p g a ；w l a n ；i e e e 8 0 2 1 la i i 独创性声明 本人声明，所呈交的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。尽我所知，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，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育 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了谢意。 签名：幽i t 期： 关于论文使用授权的说明 2 创哆舔 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权 保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名： 监通 导师签名： 盘奎：e t期： 塑g ! 妄 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 无线局域网概述 第1 章绪论 无线局域网指的是采用无线传输媒介的计算机局域网络，是计算机网络技 术和无线通信技术结合的产物。它提供了一种使用无线多址信道的有效方法来 支持计算机之间的通信，并为通信的移动化、个人化和多媒体应用提供了潜在 的手段。无线局域网既可以作为传统有线网络的延伸，在某些环境下也可以替 代传统有线网络。对比传统有线网络，无线局域网的特点非常显廿【1 】： ( 1 ) 无线局域网中的站点通过无线方式进行通信，摆脱了缆线的束缚，增 强了灵活性和可移动性，只要在网络覆盖范围内，用户不管在任何地方都可以 实时的访问信息；同时，无线局域网中不仅支持移动站点之间的通信，而且允 许无线设备接入有线网络。 ( 2 ) 无线局域网的拓扑结构可以根据需要灵活配置，在无线局域网中增加 或减少移动站点都是相当容易的，可以组成多种拓扑结构，可以十分容易地从 少数用户的对等网络规模式扩展到上千用户的结构化网络。 ( 3 ) 无线局域网的组网快速简单，投资少，可以省去建网初期缆线的投资 和减少维护管理的开销，能快速方便的解决以有线方式不易实现的网络信道的联 通问趔2 1 。一般只要安装一个或多个接入点设备，就可建立覆盖整个建筑或地区 的局域网络。在需要频繁移动和变化的动态环境中，网络投资的收益更高。 由于无线局域网具有的独特技术优势，它已经成为当今数字通信领域的一 大研究热点。全球的各厂商都看准这一高速增长的市场，纷纷抓紧商机。包括 i n t e r s i l ，t i 、c i s c o ，l u c e n t ，n o r t e l 、i b m 、d e c 、a m d 、3 c o m ，d l i n k ，k i n g s t o n ， n o k i a 、r a d i ol a n 和c y l i n k 在内的厂商相继研制、生产符合标准的无线局域网 产品。而i e e e 8 0 2 委员会以及欧洲电信标准化协会e t s i 也相继研究出台宽带的 无线局域网标准以满足人们日渐增长的对数据、话音、图像等高速率网络通信 的要求。 早在1 9 9 0 年，国际电子、电器工程师协会( i e e e ) 就专门成立了i e e e8 0 2 1 1 无线局域网工作委员会，着手制定无线局域网络技术标准。1 9 9 7 年i e e e8 0 2 1 1 武汉理工大学硕士学位论文 工作组公布了第一代无线局域网标准8 0 2 1 1 ，它采用2 4 g h z 的i s m ( 工业、科 学、医疗) 频段，最高支持2 m b p s 数据通信，由于与常规网络的带宽差距较大， 因此并没有得到用户的青睐。1 9 9 9 年8 0 2 1 1 工作组又相继公布了8 0 2 1 l b 和 8 0 2 1 1 a 两个标准，其中8 0 2 1 1 b 仍然采用2 4 g h z 频段 3 1 ，物理层调制方式选用 补码键控( c c k ) ，支持5 5 m b p s 、11 m b p s 的通信速率，并在低速率场合( 2 m b p s 和1 m b p s ) 与8 0 2 1 1 兼容。而8 0 2 1 l a 则工作在5 g h z 的u n i l ( u n l i c e n s e dn a t i o n a l i n f o r m a t i o ni n f r a s t r u c t u r e ) 频段 3 1 ，在物理层采用了正交频分复用技术 ( 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 i t p e x i n g ) ，可支持最高达5 4 m b p s 的传 输速率。但是，8 0 2 1 l a 存在不能与8 0 2 1 l b 兼容的缺点。2 0 0 1 年1 1 月，i e e e 批准了一种新的技术标准8 0 2 1 1 9 4 ，该标准与8 0 2 1 l b 相同，使用2 4 g h z 频带， 不过也同样采用i e e e8 0 2 1 l a 的o f d m 调制技术，数据传输速度也与8 0 2 1 l a 相同，可以提高到5 4 m b p s 。而且，其最大特点是与8 0 2 1 l b 具有向前兼容性， 也支持c c k 调制，这样就能使以前无法互通或不兼容的两个w l a n 标准实现 融合，有利于开发多模w l a n 产品。 随着人们对高速无线局域网的需求大大增加，现行的能支持5 4 m b p s 的 i e e e 8 0 2 1 1 a 和h i p e r l a n 2 及i e e e8 0 2 1 1 9 标准必将成为市场的趋势和主流1 5 j ， o f d m 调制技术也成为了一个研究热点。 1 2o f d m 技术 1 2 1o f d m 技术原理 o f d m 的基本思想是将串行的数据，并行地调制在多个正交的子载波上， 这样可以降低每个子载波的码元速率，增大码元的符号周期，提高系统的抗衰 落和干扰的能力，同时由于每个子载波的正交性，大大提高了频谱的利用率， 所以非常适合衰落移动场合中的高速传输【6 j 。 设基带调制信号的带宽为w ，码元调制速率为r ，码元周期为f 。，且信道 的最大迟延扩展a 。 r 。o f d m 的原理是将原信号分割为n 个子信号，分割后 码元速率为，= r n 、周期为疋= n t 。，然后用n 个子信号去分别调制n 个相 互正交的子载波。 由于信道的多径扩展，使得o f d m 信号的各个子信道在接收端不再正交， 2 武汉理工大学硕士学位论文 因而发送前就在码元间插入保护时间间隔万。如果保护间隔万大于最大时延扩 展。，则所有时延小于万的多径信号将不会延伸到下一个码元期间，因而有效 地消除了码间串扰。接收端只要将保护间隔去掉，就可以全部或部分消除i s i 的影响。 o f d m 调制信号可以表示为 一1 d ( f ) = d ( n ) e x p ( j 2 n f t ) ，【o ，丁】 ( 1 - 1 ) 这里d ( 刀) 为第n 个调制码元， ( t = 马+ 万) 。各子载波的频率为： 无= 厶譬 瓦为码元周期，t 为码元周期加保护时间 o f d m 系统的调制原理示意图如图1 1 所示。 ( 1 - 2 ) 图1 1o f d m 的调制原理图 串并单元读取一帧信号所需的串行数据流，6 豇，分为n 组分别进行q a m 或其他映射，第i 组n ，b i t 包含的码元，且满足 y ”，：n ， ( 1 3 ) 智 。 这里n 表示传输中实际使用的子载波数量。n ，b i t 的码元为映射第f 个子信 道的调制矢量符号，即d ( f ) = 口( f ) + b ( i ) j ，f _ 0 ，n 一1 。整个频带分成多个正交 3 武汉理工大学硕士学位论文 的子信道，每个子信道的频谱均为咖z 形，各子信道频谱相互交叠【7 】，但在每个 子信道载频的位置来自其他子信道的干扰为零，如图1 2 所示。接收端只要接 收到的子信道信号与本地相关信号在码元期间正交就可以做到无信道间干扰传 输。因此与常规的f d m 系统相比，可以最大限度的利用频谱资源，频谱效率 比单载波系统提高近一倍。 。一v v 踟瓜八。恻v 野 图1 - 2o f d m 频谱示意图 1 2 2o f d m 的f f t 实现 用f f t 实现o f d m 的原理为，在不考虑保护时间间隔的情况下，根据式 ( 1 2 ) ， 五= f o + k t ，各子载波的频率总可以表示为射频载波的频率与串行 码流频率的整数倍频之和【8 】，因此由式( 1 - 1 ) 表示的o f d m 调制信号可以写成： - i 一 j d ( f ) = r ed ( 刀) e x p o 等刀f ) 】e x p ( j 2 7 t f o t ) = x ( t ) e x p ( j 2 z r f o t ) ( 1 - 4 ) n = o j i 5 式中x ( t ) 为复等效基带信号： - 1 一 x o ) = e a ( 以) e x p u 等拧f ) f o ，马】 ( 1 5 ) n = ov j d ( n ) 为第n 个子载波上的调制矢量符号，其数字基带信号的时域波形为矩 形脉冲。串行码的码元周期为r ，经过串并变换以后，码元周期增大为m 。，因 此符号的频率降低为1 肋。 由抽样定理可知，如果信号的频带有限，就是说，信号厂( r ) 的频谱只在区 间( 一缈。，彩。) 内为有限值，抽样角频率魄2 c o m 就可以有效的恢复原信号【9 1 。 4 武汉理工大学硕士学位论文 对x ( t ) 进行抽样，抽样速率为_ 1 ，即= 詹。，则有 i j - 1 一 x ( k ) = e e l ) e x p ( j 等n k ) 0 七( n - 1 ) ( 1 - 6 ) n = 0 由式( 1 - 6 ) 可知，x ( k ) = x ( t 女) 恰恰是d ( n ) 的离散傅立叶反变换( i d f t ) ， 这种信号经过数模转换器滤波后就可上变频在信道中传输了。因此，o f d m 调 制可由i d f t 实现。如图1 4 剥糯妻蓑目- 肿h 曩 图1 3o f d m 的调制器( d f t 实现方式) 低通f 俐 滤波r 对于接收端，由式( 1 6 ) 和式( 1 - 5 ) 我们看到，接收信号经过抽样以后 的表达式是对d ( ”) 进行i d f t 的表达式，为了恢复出d ) ，根据离散傅立叶变 换的性质，只需将接收信号再做一次d f t ，就可以恢复d ( ”) 。再解调时，利用 下式得到输出信号： ，一1 戈( 疗) = z x ( k ) e x p ( 一歹等聆七) o k ( 一1 ) ( 1 7 ) 式( 1 6 ) 是离散傅立叶反变换( i d f t ) 的一般形式，而式( 1 7 ) 是离散 傅立叶变换的一般形式。这就是利用数字信号处理技术实现多载波并行传输的 基本原理。这样就大大简化了多载波并行系统的结构，而且在o f d m 系统的实 际应用中，可以采用更加方便快捷的快速傅立叶变换( f f t i f f t ) 来增强系统 的实用性f 1 0 1 。 5 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 3o f d m 的系统框图 图1 7 给出了一个o f d m 系统的实现框图。串行的输入数据经过编码，可 能包括纠错编码、交织、差分编码，然后进行星座图映射，这时就得到了频域 数据。经过快速傅立叶反变换( i f f t ) 将数据的频谱表达式转变到时域上。变 换后的信号经并串变换，将串行数据尾部长度为易p 的样点复制到符号前部，作 为循环前缀，构成一个长度为疋+ 耳，的完整的数据帧，经d a 变换后送入信 道。如果进行基带传输，就不再需要上变频。其中，上半部分对应于发射机链 路，下半部分对应于接收机链路。由于f f t 操作类似于i f f t ，因此发射机和接 收机可以使用同一硬件设备。当然，这种复杂性的减少则意味着该系统不能同 时进行发送和接收操作。接收端进行与发送端相反的过程。f f t 将时域数据进 行解频分复用，利用正交性得到发送的数据。再经过判决、译码后送到信宿， 完成通信的全部过程。 铂悃悃圃 州固团圆囤 匕叵堆 图1 5o f d m 收发机框图 6 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 课题来源及本论文研究工作 o f d m 技术是当前通信领域的热点之一，基于i e e e 8 0 2 1 l a 标准的无线局域 网作为典型的采用o f d m 作为物理层接入方式以其广泛的应用前景更是受到了 极大的关注。 本课题来源于中原电子集团有限公司预研项目：无线局域网在车通中的应 用。为实现用无线局域网代替传统的有线方式实现车辆内和车际间的指挥控制。 本文正是以i e e e 8 0 2 1 l a 无线局域网标准为基础，对o f d m 基带处理在 f p g a 上进行了完整的设计与实现。本文的主要工作在于对整个设计在 f p g a ( f 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y j j ) 上予以了实现。我们选 用x i l i n x 公司的1 6 0 万门s p a r t a n 3 ex c 3 s 1 6 0 0 e 型f p g a 作为目标硬件，使用 v h d l 作为描述语言，完成o f d m 发射，接收过程，发送端按照8 0 2 1l a p l c p 帧结构组帧，包括( 训练序列生成模块，信号符号生成模块，数据符号生成模块， 导频插入模块，i f f t 处理模块，加循环前缀) ，接收端包括同步模块，v i t e r b i 译 码模块，文中给出了各个模块的顶层结构和功能仿真图。 本文行文安排如下： 第一章：介绍o f d m 技术的背景，发展以及其中牵涉的特性和关键技术等 做了理论分析，并引出了本文的主要工作。 第二章：详尽介绍了i e e e s 0 2 1 1 a 物理层标准，p p d u 帧结构以及o f d m 编码过程，为后文的基带处理设计做铺垫。 第三章：基于i e e e 8 0 2 1 1 a 的o f d m 发送端设计，按照i e e e 8 0 2 1l a 协议 的p p d u 帧结构，根据自顶向下的设计给出了硬件语言总体设计及各功能模块 的原理。依次完成各个模块的设计。 第四章：完成o f d m 接收端的f p g a 设计，主要针对同步模块与v i t e r b i 译 码模块，因为其他部分是发送端的逆过程。 第五章：总结论文的工作情况，并给出改进方向与下一步研究方向。 7 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章i e e e 8 0 2 1l a 协议 由于本文的设计是基于i e e e 8 0 2 1 1 a w l a n 标准进行的，故本章将对 i e e e 8 0 2 1 l a 标准，尤其是8 0 2 1 l a 的物理层协议进行介绍f l l 】，这样有助于更好 的理解后续章节所描述的o f d m 基带处理器的设计工作。 2 1 无线局域网标准概述 1 9 9 7 年，作为全球公认的局域网权威，i e e e 8 0 2 工作组经过了7 年的工作 以后，发布了8 0 2 1 1 协议，这是工作于2 4 g h zi s m 频段的第一个w l a n 标准， 也是在无线局域网领域内的第一个国际上被认可的标准。该标准规定了三种不 同的物理层技术直接序列扩频( d i r e c t s e q u e n c es p r e a d s p e c t r u m ，d s s s ) ，跳频 扩频( f r e q u e n c y - h o p p i n gs p r e a d - s p e c m m a ，f h s ) 和红外( i n f r a r e d ，i r ) ，可以提供 2 m b s 的数据速率。在1 9 9 9 年9 月，8 0 2 1 1 工作组又提出了8 0 2 1 1 b ”h i 曲r a t e ” 协议，用来对8 0 2 1 1 协议进行补充，8 0 2 1 l b 通过用补码键控( c c k ) 技术改进 d s s s 机制，从而在8 0 2 1 1 的1 m b s 和2 m b s 速率下又增加了5 5 m b s 和11 m b s 两个新的网络吞吐率。工作于2 4 g h z 频段的标准后来又进一步演进到8 0 2 1 l g 的5 4 m b s ，直至8 0 2 1 1 n 的1 0 8 m b s 。 实际上，8 0 2 1 1 标准数据速率的第二次提高是在1 9 9 9 年9 月由8 0 2 1 l a 工 作组完成的，它工作在5 g h z 频段，利用o f d m 作为物理层技术，提供6 m b s 到5 4 m b s d e 数据速率。在5 g 频段内，美国联邦通信委员会( f e d e r a l c o m m u n i c a f i o n sc o m m i s s i o n f c c ) 分配了3 个i o o m h z 的带宽作为免授权国家 信息基础设施( u n l i c e n s e d - n a t i o n a li n f o r m a t i o ni n f r a s t r u c t u r e ，u - n i i ) 频段使用，以 提供高速的无线数据通信。 利用8 0 2 1 1 ，移动用户能够获得同以太网( e t h e m e t ) 一样的性能，网络吞吐 率和可用性。和其他i e e e 8 0 2 标准一样，8 0 2 1 1 协议只涉及开放系统互联参考 模型( i s o r m ) 的最低两层，也就是物理层( p h yl a y e o 和数字链路层( d a t al i n k l a y e r ) 中的介质访问控制层( m a cl a y e r ) t 川。 w l a n 接入i n t e m e t 的模式与有线l a n 类似，可以通过接入点( a c c e s sp o i n t , 8 武汉理工大学硕士学位论文 a p ) 设备连接至有线网络。另外，8 0 2 1 1 w l a n 系统还可以工作在a dh o c 模式， 无线客户端直接互相通信( 不使用无线a p ) 。使用a dh o c 模式通信的两个或多个 无线客户端就形成了一个独立基础服务集( i n d e p e n d e n tb a s i cs e r v i c es e t ， i b s s ) t 1 3 】。a dh o c 模式用于在没有提供无线a p 时连接无线客户端。 i e e e 8 0 2 1 1 a 标准是作为i e e e 8 0 2 1 1 的增补协议出现的，主要涉及物理层 协议的实现。该标准将o f d m 作为无线局域网调制解调的核心技术。工作频率 定在5 1 5 5 2 5 ，5 2 5 - - - 5 3 5 以及5 7 2 5 - 一5 8 2 5 g h z 。通信数据载荷定为6 ，9 ， 1 2 ，1 8 ，2 4 ，3 6 ，4 8 和5 4 m b i t s 。目前的产品已经支持数据载荷为6 ，1 2 ，2 4 m b i t s 。 2 2i e e e 8 0 2 1 l a 物理层协议 表2 1i e e e 8 0 2 1 1 a w l a np h y 层标准的主要参数 参数数值 数据速率 6 , 9 ，12 ，18 ，2 4 ，3 6 ，4 8 ，5 4 m b p s 调制方式 b p s k ，q p s l ( ，16 q a m ，6 4 q a m 编码速率 1 2 ，2 3 ，3 4 子载波数 5 2 导频数 4 o f d m 符号间隔4 i f f 聊f t 间隔 3 2 保护间隔0 8 予载波间隔 3 1 2 5 k h z 3 d b 带宽 16 6 6 叫z 信道间隔 2 0 _ i z 上表给出了i e e e 8 0 2 1 1 a 物理层o f d m 技术标准的主要参数，长度为8 0 0 n s 的保护间隔( g i ) ，根据编码效率和调制方式，这一保护间隔可以容忍几百纳秒的 r m s 时延扩展【1 3 】，这就意味着这一选择方案可以用于任何室内环境，而且通过采 用定向天线降低延时扩展，还可以用于室外环境，这足以满足无线局域网的使 9 武汉理工大学硕士学位论文 用要求。 为了把保护间隔所占用的功率减小到l d b ，o f d m 符号长度定为4 u s ，除去 g i 有效数据进行数据传输，这样，当调制方式为b p s k 或1 6 q a m 时，可以提 供的未编码数据速率分别为4 8 x l x l 4 u s = 1 2 m b s 和4 8 x 4 x l 4 u s = 4 8 m b s 。除了这 4 8 个传输数据的子载波外，每个o f d m 符号内还包括4 个导频( p i l o t s ) 子载波， 可用于接收处理器在初始频率校正之后跟踪剩余的载波频率偏差【l 训，也可用于 信道估计和采样频率偏差的估计。 为了兼顾传输效率与可靠性的要求，系统可以根据信道的状况采用不同效 率的纠错编码在各个子载波之间进行信道编码，再配合不同的调试方式即可获 得6 - 5 4 m b s 的编码数据速率。其中编码方式为约束长度为7 ，编码效率为1 2 的卷积编码( c o n v o l u t i o n a le n c o d i n g ) ，其生成多项式为( 1 3 3 ，1 7 1 ) ，编码结构如下图。 图2 1 ( 1 3 3 ，1 7 1 ) 卷积码编码框图 通过对上述编码进行删余( p u n c t u r i n g ) 操作，可以获得码率为2 3 和3 4 的卷积 编码，删余编码，删除比特以及插入空比特。 下图2 2 分别为1 2 编码通过删余操作变换为3 4 码率和2 3 码率的编码。 1 2 码率的编码与b p s k ，q p s k ，1 6 q a m 调制分别可以提供6 ，1 2 ，2 4 m b s 的数据传输速率；2 3 码率的编码与6 4 q a m 一起可以提供4 8 m b s 的数据传输速 率；此外，3 4 码率的编码与b p s k ，q o s k ，1 6 q a m 和6 4 q a m 调制分别可以提供 9 ，1 8 ，3 6 和5 4 m b s 的传输速率。表2 2 给出了调制方式，编码方式与数据速 率的对应关系。 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 表2 2 调制方式，编码方式与数据速率对应关系 数据速率 调制方式编码效率 编码比特子编码比特数据比特 ( m b s )载波o f d m 符号o f d m 符号 6b p s k1 214 82 4 9b p s k3 414 83 6 1 2 q p s k 1 229 64 8 1 8 q p s k 3 429 67 2 2 4 1 6 q a m 1 241 9 29 6 3 6 1 6 q a m 3 441 9 21 4 4 4 8 5 4 q a m 2 362 8 81 9 2 5 4 6 4 q a m 3 462 8 82 1 6 s o u r c ed a t a e n c o d e dd b i ts t o l e b i ti n s e d e c o d e d r = 3 4 x 0x lx 2 x 3 x 4 x 5 a 0a 1露a 3a 4量 b 0冒b 2b 3国b 5 a 0 b 0a 1b 2 a 3b 3a 4 b 5 a 0a 1冒a 3a 4冒 b 0曩b 2b 3圈b 5 s t o l e nb i t 国 图2 2 打孔结构示意图 r = 2 3 x 0x lx 2x 3 a 0a 1a 2a 3 b 0雷b 2 一 a 0 b 0a 1a 2 b 2 a 3 a 0a 1a 2a 3 b 0冒b 2重 i n s e r t e dd u m m yb it 武汉理工大学硕士学位论文 i e e e 8 0 2 1 l a 中使用5 2 个子载波( 实际为5 3 个，其中k = 0 处的直流子载波上 不传输符号) ，由于i f f t 算法基于2 n 点，故采用6 4 点的i f f t 。5 3 个子载波在 频率分配时分别在编号低端和高端留有6 个和5 个空符号，即 k = 一3 2 ，- 2 7 ，2 7 ，3 1 ，这样就可以保证系统的子载波频谱集中，从而使得系统占 用的频谱带宽尽可能窄以节约频谱资源，同时减少信道间干扰。 00 1l 2 2 2 62 6 2 72 7 i f f t 3 7 3 7 3 8 3 8 6 26 2 6 36 3 图2 3 子载波与i f f t 的映射关系 2 3 物理层协议数据单元( p p d u ) 帧结构 图2 4 给出了i e e e 8 0 2 1 l a 标准所规定的物理层协议数据单元( p h y s i c a l p r o t o c o ld a t au n i t ，p p u d ) 帧结构i l5 1 ，也就是基带发射处理器所要生成的数据结 构。图2 5 给出了更为细致的描述，从中可以看到，接收的定时同步，载波频偏 估计以及信道估计等都是由前置的两个训练序列来完成的。训练序列包括了两 部分：1 0 个周期重复的短训练序列( s h o r tt r a i n i n gs y m b o l ，s t s ) t 1 t 1 0 ( 每个符号间 隔为正常o f d m 符号间隔的1 4 ) 和2 个周期重复的长训练序y u ( l o n gt r a i n i n g s y m b o l ，l t s ) t 1 t 2 ( 符号间隔与正常o f d m 符号相同) ，这样，总的训练时间长度 为1 6 u s 。训练序列后面紧跟着”s i g n a l ”域，其中包含有后续数据的调制类型， 编码速率和数据长度这样对接收而言非常重要的信息。以上这些部分一起构成 了帧头( f r a m eh e a d ) 部分，接收机在对数据符号进行译码之前要利用它们完成训 练任务u 6 1 。 1 2 l 1 l呲。2；|8眦m m 嗡吃1 武汉理工大学硕士学位论文 短训练序列的主要用途是进行信号检测，自动增益控s t j ( a g c ) ，符号定时和 粗频率偏差估计。为了实现这些估计，短训练序列经过了精心的设计。它包括 1 0 个重复的符号，每个长度为8 0 0 n s 。这些短符号占用每个o f d m 符号5 2 个 非 i 怒l 糯l 。斑1 2 b i t ，i 勰l 篙等。服1 6 b 务i t ，i 咖ui 鬻l 舔 经过黧罴猾 经过编码的 o f d m 符号 旧襟 。个赫符号 7 l m 蕤 图2 4 i e e e 8 0 2 1l a 的p l c p 帧结构 4 o l i n 4 o p s 4 o p s _ - f 卜_ 纠卜一 卜斗卜+ 卜卜卜一 信号检测 租同步信道估计速率数据 分a g 集c 选择 定时同步细同步帧长 图2 5i e e e 8 0 2 1l a p l c p 前导结构 零予载波中的1 2 个( 载波间隔是正常符号的4 倍) 。如果用一2 6 到2 6 来标志非零 子载波的话，那么短训练符号使用的子载波序号为：2 4 ，2 0 ，1 6 ，1 2 ，8 ， 4 ，4 ，8 ，1 2 ，1 6 ，2 0 ，2 4 。其中传输接收机己知的伪随机序列，用表达式表 示之为： 武汉理工大学硕士学位论文 i o ，0 ，1 + j ，0 ，0 ，o ，- 1 - j ，0 ，0 ，o ，1 + j ，0 ，0 ，0 ，- 1 一j ，0 ，0 ，0 ，l s _ 2 6 。2 6 = 、( 1 3 6 ) 一1 一，0 ，0 ，0 ，1 + ，0 ，0 ，0 ，0 ，0 ，0 ，0 ，一1 一j ，0 ，0 ，0 ，一l 一歹， 1 0 ，0 ，0 ，1 + j ，0 ，0 ，0 ，1 + ，0 ，0 ，0 ，1 + ，0 ，0 ，0 ，1 + j ，0 ，0j 其中x ( 1 3 6 1 为能量归一化因子。 短训练序列选择这种形式有两个优点：首先，可以在较大的范围内实现粗 频偏估计。通常对于周期为t 的重复符号而言，最大可估计的频率偏差为1 2 t 。 因此，通过测量连续两个长度为8 0 0 n s 的短训练符号间的相位差，可以估计的频 率偏差可达6 2 5 k h z 。再考虑长训练序列，它的长度等于o f d m 符号的有效长度 3 2 u s ，那么可以估计到的频率偏差就只有1 5 6 k h z ，在5 8 g h z 的工作频率下相当于 2 6 p p m 的频率误差，而短训练符号可估计的频率误差则超过了1 0 0 p p m 。 i e e e 8 0 2 1 l a 标准中规定载波频率所能允许的最大误差为2 0 p p m ，如果同时考虑 发射机和接收机，则接收机一方所能看到的频率误差之和可以是4 0 p p m 。因此， 只有先由短训练序列估计才是可靠的。而且，利用短训练符号的这种周期重复 性可以为帧检测提供简单的实现方法。通过计算短训练符号与下一个相同符号 的相关，并且校验该相关值是否超出某一门限值，就可以检测到是否有分组数 据包的出现【l7 。 短训练序列之后跟随的是长训练序列，其长度为8 u s ，其中包括两个有效 o f d m 符号的长度( 3 2 u s ) 和一个长型保护间隔的长度( 1 6 u s ) 。一个长训练序列包 i1 ，1 ，一1 ，一1 ，l ，1 ，一1 ，1 ，一1 ，1 ，l ，l ，1 ，1 ，1 ，一1 ，一1 ，1 ，1 ，i 三一26 , 2 6 = 一1 ，1 ，一1 ，1 ，l ，1 ，1 ，0 ，1 ，一1 ，一1 ，1 ，l ，一1 ，1 ，一1 ，1 ，一l ， l1 ，一1 ，一1 ，一1 ，一1 ，一l ，1 ，1 ，一1 ，一1 ，1 ，一l ，1 ，一1 ，1 ，1 ，1 ，1j 含5 3 个子载波构成( 包括中心处的零载波) ，分别占据从2 6 2 6 的非零子信道， 为了简化接收端的信道估计运算，传输的是b p s k 符号，如上式： 长训练序列主要用于精确的频率偏差估计和信道估计。由前面的分析可知， 由于长训练序列持续时间较长，所以在长符号周期内可以完成精确的频率估计， 这是通过测量长训练符号内相隔为3 2 u s 的样值之间的相位偏转来实现的。 在训练序列之后跟随s i g n a l 域，其中包含r a t e 和l e n g t h 域两个主要 字段，r a t e 用于传输有关随后数据符号所用到的调制和码率的信息。s i g n a l 域中的信息比特采用b p s k 调制和码率为1 2 的卷积编码，这样就可以得到 6 m b p s 的信息传输速率，这是i e e e 8 0 2 1 1 a 中所规定的最低速率，同时也是最为 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 可靠的传输方式，以确保s i g n a l 域的正确接收【l 引。 s i g n a l 域由2 4 比特构成，s i g n a l 域的比特分配如图2 6 所示。其中 o 3 ( r 1 r 4 ) 为r a t e 字段，参考表2 3 可以得到这4 位比特与数据符号传输速率 之间的对应关系。第4 比特为预留比特；5 1 6 比特为l e n g t h 域字段，它表示 m a c 层请求p h y 发送的p s d u 字节数，且低位先发。比特1 7 用作比特0 1 6 的偶校验比特位；剩余的比特1 8 2 3 构成s i g n a l 的尾比特域，所有6 个比特 都被置零，用于初始化卷积编码和终止v i t e r b i 译码器的码网格。 图2 - 6s i g n a l 域比特分配 表2 3r a t e 域速率编码 r a t e ( m b i t s ) r 1 r 4 61 1 0 1 91 1 1 1 1 20 1 0 1 1 80 1 1 l 2 41 0 0 1 3 61 0 1 1 4 80 0 0 1 5 4o o l l 在s i g n a l 域之后跟随的就是数据符号域d a t a ，其中的数据符号要经过前 面所描述的编码，删余，调制映射等一系列基带处理操作。 武汉理工大学硕士学位论文 2 4o f d m 编码过程 i e e e 8 0 2 1 1 a 对o f d m 物理层的编码过程给出了详细的规定，编码过程如下 【4 】： ( 1 ) 生成p l c p 前导序列。此序列由1 0 个重复的短序列和2 个重复的加 保护间隔( g i ) 的长序列构成。1 0 个短序列用来进行接收端的自动增益集中控 制、分集选择、定时捕获以及完成频率的粗同步。长训练序列作用是在接收端 进行信道估计以及进行系统的细同步。 ( 2 ) 生成p l c p 报头信息。根据发送端的数据位、长度和业务位，再加上 适当的比特得到p l c p 报头。p l c p 中的r a t e 和l e n g t h 经过1 2 速率的卷积编 码，映射成一个单独的o f d m 符号，这与s i g n a l