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基于d s p 的o f d m 调制解调器的设计与实现 基于d s p 的o f d m 调制解调器的设计与实现 摘要 正交频分复用( o f d m ) 技术是当前移动通信领域的一项关键技术。 o f d m 技术具有很强的抗符号间干扰、抗多径衰落能力，适合在无线 信道中传输高速的数据业务，因而倍受关注。o f d m 采用了正交多载 波技术，频谱利用率很高，目前已被应用于无线局域网、数字音频广 播( d a b ) 、数字视频广播( d v b ) 系统中，并且有望成为第四代移动通信 系统的核心技术。 本文通过对o f d m 理论基础的研究，综合比较了现有的无线通信 网络协议规范，设计并实现了基于d s p 的o f d m 基带调制解调器。本 文的研究方法是理论指导实践，实践验证理论，即用o f d m 系统的基 础理论作指导，参考现有无线网络标准，针对本设计的应用环境和硬 件特征制定系统参数，设计基带处理算法，通过优化仿真，验证理论 依据。最后，基于d s p 评估平台搭建o f d m 调制解调系统，设计基带 处理的d s p 软件模块并进行系统调试，进步论证了o f d m 系统的工 作特点及其核心技术。 文中首先详细分析了o f d m 的基本原理和关键技术，包括i f f t 调 制解调、卷积编码与v i t e r b i 解码、分组交织与反交织器、1 6 q a m 与 q p s k 数字编码、信道估计等o f d m 调制解调算法模块。然后通过 基于d s p 的o f d m 调制解调器的设计与实现 l a b v i e w 平台对调制解调模块的整套方案仿真实现，设计调制解调算 法并评估其性能，在算法上加深了对于o f d m 系统各个模块的认识， 从而指导硬件平台的搭建和d s p 软件的编写。最后通过参考现有无线 网络标准，针对本设计的应用环境和硬件特征制定系统参数，基于 t i 公司的6 7 0 1 e v m 数字评估板卡，结合模拟前端搭建数字中频平台， 设计基带处理的d s p 软件模块并进行系统调试，基本实现了一套完整 的o f d m 调制解调方案。该方案提供了以2 5 6 点i f f t f f t 和以5 1 2 点 i f f t f f t 为基础的两种0 f d m 算法模式，提供了r a d i x 一2 与r a d i x 一4 两种i f f t f f t 算法核心，提供了1 6 q a m 和q p s k 两种调制方式，提供 了升余弦滚降系数的多种选择，允许用户根据实际情况搭配软件模 块，建立不同性能速率的o f d m 连接，因而充分体现了软件无线电思 想；针对系统特性优化的各算法模块( i f f t f f t ，v i t e r b i 等) ，充 分挖掘了硬件潜能。通过该设计不仅可以更清楚地了解o f d m 系统的 工作过程，验证设计的理论依据，而且可以达到更进一步理解系统的 目的。 【关键词】正交频分复用，d s p ，无线城域网，调制解调器， l a b v i e w 仿真，6 7 0 1 评估板 硕i ：学位论文基于d s p 的o f d m 调制解调； ；的设计j 实现 t h ed e s i g na n dr e a l i z a t i o no fo f d mb a s e b a n dm o d e m o nt h eb a s i so fd s p a b s t r a c t o r t h o g o n a l - f r e q u e n c y d i v i s i o n - m u l t i p l e x i n g i so n eo f k e y t e c h n o l o g i e si nm o b i l ec o m m u n i c a t i o nf i e l d s b e c a u s eo fi t s e f f i c i e n t r e s i s t a n c eo ni n t e r s y m b o li n t e r f e r e n c ea n dm u f t i - p a t hf a d i n g ，o f d mi s s u i t a b l ef o rh i g hr a t ed a t at r a n s m i s s i o ni nw i r e l e s sc h a n n e l s ，w h i c hh a s b e c o m ea na t t r a c t i v e t e c h n o l o g yn o w a d a y s b e c a u s eo f d mi s a m u l t i p l e - c a r r i e r st e c h n o l o g ys u p p o r t i n gh i g hr a t ed a t at r a n s m i s s i o nw i t h h i g hs p e c t r u me f f i c i e n c y , a tp r e s e n tt h i st e c h n o l o g yh a sb e e nu s e di n m a n yf i e l d s ，s u c ha sw i r e l e s sl o c a ln e t w o r k ，d a b ，d v bs y s t e m sa n ds o f o r t h ，w h i c hi sv e r yp r o m i s i n gt ob eac o r et e c h n o l o g yo ft h e f o u r t h g e n e r a t i o nm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s t h ep u r p o s eo ft h e t h e s i si st or e s e a r c ht h ef u n d a m e n t a li n o f d m s y s t e m ，t oi n t e g r a t ea n dc o m p a r et h ec u r r e n tp r o t o c o lo fw i r e l e s s c o m m u n i c a t i n gn e t w o r k ，t od e s i g na n di m p l e m e n tt h eo f d m m o d e mo n t h eb a s i so fd s p p l a t f o r m t h er e s e a r c hm e t h o do f t h i st h e s i si st oa p p l y a n dv e r i f yt h e o r yi np r a c t i c e ，w h i c hi st ot a k ea d v a n t a g eo fo f d m p r i n c i p l e a s g u i d a n c e ，t o r e f e rt ot h ec u r r e n ts t a n d a r d so fw i r e l e s s n e t w o r k s ，t o e s t a b l i s h s y s t e mp a r a m e t e r s i nt e r m so ft h e a v a i l a b l e i i i 硕 二学位论文基于d s p 的o f d m 调制解调器的设计j 实现 e n v i r o n m e n ta n dh a r d w a r ef e a t u r e s ，t o d e s i g na r i t h m e t i ci n b a s e b a n d m a n a g e m e n t ，t ot a k eo p t i m i z i n ga n ds i m u l a t i n gp r o c e s s ，i n o r d e rt o e v a l u a t et h e p r i n c i p l e s i n t h e o r y e v e n t u a l l y , b ye s t a b l i s h i n go f d m m o d e ms y s t e mb a s e do nd s pe v a l u a t i o np l a t f o r ma n dd e s i g n i n gd s p s o f t w a r em o d u l eo nb a s e b a n dm a n a g e m e n t ，t od e m o n s t r a t ec h a r a c t e r i s t i c s o fo f d m s y s t e ma n dt h ec o r et e c h n o l o g i e si naf u r t h e rw a y f i r s t l y , t h et h e s i sa n a l y z e sf u n d a m e n t a la n dk e yt e c h n o l o g yo f o f d m s y s t e m ，i n c l u d i n ga r i t h m e t i c a lm o d u l e sa si f 唧f tm o d u l a t i o n ， c o n v o l u t i o n c o d i n g a n dv i t e r b i d e c o d i n g ，i n t e r l e a v e rc o d i n g a n d d e c o d i n g ，16 q a m a n dq p s kc o d i n g ，c h a n n e le s t i m a t i o nm e t h o d ，a n ds o f o r t h t h e ni m p l e m e n tt h eo v e r a l l s i m u l a t i n gm o d e ms o l u t i o n a b o v e l a b v i e w p l a t f o r m ，d e s i g nm o d e m a r i t h m e t i ca n de s t i m a t et h ec a p a b i l i t y , t od e e p e nr e a l i z a t i o no fa r i t h m e t i c ，t og u i d ee s t a b l i s h m e n to fh a r d w a r e p l a t f o r ma n dp r o g r a m m i n go fd s ps o f t w a r ec o d e s e v e n t u a l l y , b y r e f e r r i n g t oc u r r e n tw i r e l e s sn e t w o r k p r o t o c o l s ，e s t a b l i s hs y s t e m p a r a m e t e r si nt e r m so ft h ea v a i l a b l ee n v i r o n m e n ta n dh a r d w a r ef e a t u r e s ， b u i l dd i g i t a li n t e r m e d i a t ef r e q u e n c yp l a t f o r mb a s e do n6 7 0 1 e v mw i t h a n a l o gf a c i l i t i e sc o m b i n e d ，d e s i g nd s ps o f t w a r em o d u l eo nb a s e b a n d m a n a g e m e n t ，p r o c e s ss y s t e md e b u g g i n g ，t or e a l i z eas u i t eo fi n t e g r a t e d o f d mm o d e ms o l u t i o no nt h ew h o l e t h i ss o l u t i o ns u p p l i e so f d m a r i t h m e t i c sb a s e do nb o t h2 5 6 一p o i n ti f 肿f ta n d51 2 一p o i n ti f f r f f e s u p p l i e si f f r f f tm o d u l e si n b o t hr a d i x 一2a n d r a d i x 一4 ，s u p p l i e s i v 硕t 学位论文 基fd s p 的o f d m 调制解调器的设计! j 实现 m o d u l a t i o n sa c c o r d i n gb o t h1 6 q a ma n dq p s k , a n ds u p p l i e sab u n c ho f a l t e r n a t i v ep a r a m e t e r si n “c o s i n et a p e r e dw i n d o w a l la b o v ea l l o wu s e r t os e l e c ta n de s t a b l i s hv a r i o u so f d m s y s t e m sw i t hd i f f e r e n tp e r f o r m a n c e ， r e p r e s e n t i n gt h es o f t w a r e i n - r a d i oc o n c e p ti nt h i ss o l u t i o ns u f f i c i e n t l y a l l o p t i m i z e dm o d u l e s ( a si f f l f f t ，v i t e r b i ，e t c ) e x p l o i th a r d w a r e c a p a b i l i t y t h r o u g ht h i sp r o j e c tw ec a nn o to n l yr e a l i z et h ep r o c e s so f o f d ms y s t e m ，o rt h ef u n d a m e n t a lt h e o r y , b u ta l s oa c h i e v ep u r p o s eo f c o m p r e h e n d i n gs y s t e mi naf u r t h e rw a y l i uc h a o ( c o m m u n i c a t i o na n di n f o r m a t i o ns y s t e m s ) s u p e r v i s e db yq i ur u n h e k e yw o r d s o f d m ，d s p ，w m a n ，m o d e m ，l a b v i e w s i m u l a t i o n ， 6 7 0 1 e v m v 东华大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学位 论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除 文中已明确注明和引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 已经发表或撰写过的作品及成果的内容。论文为本人亲自撰写，我对 所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：旁，3 超 日期： 刁年f 月f p 日 东华大学学位论文版权使用授权书 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 许论文被查阅或借阅。本人授权东华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，在年解密后适用本版权书。 本学位论文属于 不保密口。 学位论文作者签名：圣， 起 日期： 7 年月t 驴日 指导教师签名： 日期：刁年，月；口e t 第一章绪论 第一章绪论 随着社会经济和科学技术的不断发展，人类智力活动范围不断扩大，人类社 会正在步入一个全新的历史时期，即信息化时代。信息、能源和材料构成了经济 的三大支柱。以微电子、光电子、计算机、通信和信息服务业构成的信息产业， 已经成为信息化社会的基础。特别是通信与计算机的密切结合以及软件技术的突 飞猛进，使通信技术同新月异，迅速发展。作为社会基础设施的通信网，正在向 数字化、智能化、综合化、宽带化和个人化方向发展。 正交频分复用技术( o f d m ) “3 是一种多载波系统，通过延长传输符号的周 期，从而增强抵抗多径衰落的能力，是一种新型高效的数字调制技术。它能够有 效地对抗多径传播，使受到干扰的信号能够可靠地接收。它采用了数字信号处理 领域的先进技术，具有高效的频谱利用率、极强的抗多径干扰性能等特点，已经 在众多的研究领域里引起关注，并将在未来的多种先进通信系统中得到越来越广 泛的应用。 1 1 无线城域网技术的发展历史和现状 i e e e8 0 2 在无线领域针对不同的市场需求和应用模式制订了不同的标准， 如应用于p a n 的i e e e8 0 2 1 5 标准，应用于无线局域网的i e e e8 0 2 1 1 标准。i e e e 8 0 2 1 6 乜】贝f j 是为制订无线城 网( w i r e l e s sm a n ) 标准成立的工作组，成立于1 9 9 9 年。其工作主要内容是制订宽带无线接入标准，包括空中接口及其相关功能标准。 它由三个工作小组组成，每个小组分别负责不同的方面：i e e e8 0 2 1 6 1 负责制 定频率为1 0 g h z - - 6 0 g h z 的无线接口标准；i e e e8 0 2 1 6 2 负责制定宽带无线接 入系统共存方而的标准；i e e e8 0 2 1 6 3 负责制定频率范围在2 g h z 一1 0 g h z 之间 获得频率使用许可应用的无线接口标准。 2 0 0 1 年4 月，由业界领先的通信设备公司及器件公司共同成立了一个非盈 利组织微波接入全球互操作性认证联盟w i m a x ( w o r l d w i d ei n t e r o p e r a b i l i t y f o rm i c r o w a v ea c c e s s ) 。该联盟旨在对基于i e e e8 0 2 1 6 标准和e t s ih i p e r m a n 标准的宽带无线接入产品进行一致性和互操作性认证。w i m a x 将使用与w i f i 联盟推动无线局域网行业发展的梢i 刊方法，定义和进行互操作。阽测试。w i f i 模 第一章绪论 式已经影响了整个通信产业。i e e e8 0 2 1 1 无线局域网的规模应用与w i f i 联盟 的作用是分不开的。w i m a x 希望通过它的努力，加快符合i e e e8 0 2 1 6 技术标 准的宽带无线接入设备的上市速度，从而加速全球最后一英罩宽带的部署口1 。 i e e e8 0 2 1 6 标准于2 0 0 1 年1 2 月通过批准，8 0 2 1 6 标准定义无线城域网单 载波空中接口，即传输频率1 0 g h z - 6 6 g h z 的单载波调制模式。由于工作波长 较短，必须要求视距传输( l o s ) ，多径衰落是可以忽略的，因此在该频段的标准 中规定仍然采用单载波调制方式。 i e e e8 0 2 1 6 标准物理层不适合较低频率的应用，其覆盖范围在可视距离之 内。2 0 0 3 年1 月2 9 日，i e e e 8 0 2 1 6 标准有了修正草案i e e e 8 0 2 1 6 a h ，以解决 较低频率的无线连接问题。8 0 2 1 6 a 在2 g h z 1 1 g h z 的频带上提供连接家庭、 企业和无线局域网热点的无线最后一公里宽带接入。8 0 2 1 6 a 规范作为i e e e 8 0 2 1 6 规范的扩展，大大改进了非视距性能，是在出现树木和建筑等障碍时较 合适的技术。基站可以安装在住宅或建筑顶部，而不必安装在山顶的高塔上。 i e e e8 0 2 1 6 a 标准仅仅是i e e e8 0 2 1 6 2 0 0 1 标准的修改和扩展，不是一个独 立的标准，所以2 0 0 4 年7 月i e e e8 0 2 1 6 组织又通过了i e e e8 0 2 1 6 d ，i e e e 8 0 2 1 6 d 对2 g h z - - - 6 6 g h z 频段的空中接口物理层和m a c 层做了详细规定，定义 了支持多种业务类型的固定宽带无线接入系统的m a c 层和相对应的多个物理 层。该标准对i e e e8 0 2 1 6 a 进行了整合和修订，但仍属于固定宽带无线接入规范， 是相对比较成熟并且最具实用性的一个标准版本。 i e e e8 0 2 1 6 e 5 1 是工作在2 g h z - - - - 6 g h z 频段支持移动性的宽带无线接入空中 接口标准。制订i e e e8 0 2 1 6 e 的目的是为了实现既能提供高速数据业务又使用户 具有移动性的宽带无线接入解决方案。i e e e8 0 2 1 6 e 被业界视为目前唯一能与3 g 竞争的下一代宽带无线技术。i e e e8 0 2 1 6 e 的目标是能够向下兼容i e e e8 0 2 1 6 d ， 因此i e e e8 0 2 1 6 e 的标准化工作基本上是在i e e e8 0 2 1 6 d 的基础上进行的。在 i e e e8 0 2 1 6 d 固定无线接入标准研制的基础上，为了支持移动特性i e e e8 0 2 1 6 e 提出了具有移动特性的系统框架结构，并于2 0 0 4 年9 月通过草案。 近年来，我国宽带用户增长迅猛，主要以有线接入如a d s l 用户为主，这反 映出用户对宽带数据需求迫切。8 0 2 1 6 可以提供移动宽带数据业务，初期面向的 用户将主要是对移动宽带数据需求较大的高端用户。移动和宽带的融合将是电信 第一章绪论 业的必经之路，相信8 0 2 1 6 将会在这种融合的过程中发挥较大作用。 1 2o f d m 技术的发展历史和现状 o f d m 是一种多载波传输技术。多载波传输的思想始于5 0 年代，最初的目 的是克服电话线路中信道特性不理想对信息传输的影响，后来发现此技术在频率 选择性衰落的无线信道中应用也有较好的性能，但是此时多载波系统中子载波频 谱是不重叠的，频谱利用率不高。6 0 年代中期，r w c h a n g e 提出利用并行传输 技术将有限带宽的j 下交信号在信道中传输的技术。由于子信道的信号频谱可以重 叠，所以频谱利用率高，但是此时缺少较好的实现方法，只能通过模拟电路实现， 需要大量的正交载波和窄带滤波器组，成本高、实现困难，限制了其应用。7 0 年1 月美国公布一项技术专利：正交频分复用( o f d m ) 。7 1 年由s b w e i n s t e i n 和 p m e b e r t 提出用d f t 技术实现多载波传输隅1 ，可以利用数字电路实现信号的正 交调制解调，实现简单、性能稳定，为多载波传输广泛使用奠定了基础。8 0 年 代p e l e d 和r u i z 提出在o f d m 中加循环前缀的方法订1 ，通过去除循环前缀消除 o f d m 符号间的干扰，接收端可以采用结构简单的均衡器对信号进行均衡，被 广泛接受为实现o f d m 系统的形式。 随着对o f d m 技术研究的进展，这项技术也得到了日益广泛的应用。在无 线通信应用中，欧洲电信标准委员会( e t s i ) 制定的以o f d m 为核心传输技术 的数字音频视频广播系统( d a b d v b ) 标准已经投入商业使用，大量实验证明 它在瑞利频率选择性衰落信道上性能良好。无线局域网中新的i e e e 8 0 2 1 l a 及 h i p e r l a n 2 标准中将o f d m 作为其物理层的关键技术。在有线通信应用中，1 9 9 3 年美国交换载波标准协会通过建议，采用d m t 作为a d s l 的优选线路编码方案， 正交频分复用技术已经应用在高速用户数字线中。 由于o f d m 具有频谱利用率高、抗多径能力强等优点，成为第三代移动通 信系统c d m a 的后备技术，有可能成为b e y o n d 3 g 和4 g 移动通信的核心技术， 对其研究成为热点。 1 3d s p 技术的发展历史和现状 数字信号处理( d 诤t a ls i g n a lp r o c e s s ，简称d s p ) 足利用专用或通用数字信号 3 第一章绪论 处理芯片，通过数字计算的方法对信号进行处理。与模拟信号处理相比，数字信 号处理具有精确、灵活、抗干扰能力强、可靠性好、体积小、易于大规模集成等 优点引。 数字信号处理的基础是算法和数字计算机或数字信号处理芯片。算法一旦建 立，设计者就要寻找合适的计算机或数字信号处理芯片来最有效地实现它们，最 开始的目标是在可以接受的时间内对算法做仿真，随后是将波形存储起来，然后 再加以处理。随着计算机技术、数字信号处理技术与大规模集成电路技术的发展， 这种仿真和脱机处理逐步演变为实时信号处理。 数字信号处理的一个重要技术领域是实时数字信号处理。实时信号处理是指 系统必须在有限的时间内对外部输入信号完成指定的处理功能，即信号处理速度 应当大于信号更新( 传输) 速度。 d s p 芯片，也称数字信号处理器，是一种特别适合于进行数字信号处理的微 处理器。它强调运算处理的实时性，因此除了具备普通微处理器所强调的高速运 算和控制功能外，主要针对实时数字信号处理，在处理器结构、指令系统和数据 流程上做了大的改动。 2 0 世纪6 0 年代以前，数字信号处理技术一直被认为是一种应用面非常狭窄 的技术，只能应用在导弹和语音识别等几种系统中。后来随着各种快速算法的出 现和大规模集成电路的发展，d s p 市场1 9 9 9 年销售额已达4 0 亿美金，数字信号 处理器的能力也从最初的5 m i p s 向1 g m i p s 发展。 d s p 发展历程大致分为3 个阶段：基础研究阶段、产品普及阶段和腾飞阶段。 基础研究阶段在d s p 出现之前数字信号处理只能依靠通用m p u ( 微处理器) 来完成。1 9 6 5 年，c o o l e y 和t u k e y 发表了著名的快速傅立叶变换( f 聊，极大降 低了付氏变换的计算量，从而为数字信号处理的实时处理奠定了算法基础。与此 同时产生了一些通用处理器结构加上专用乘法器构成的d s p 芯片，如1 9 7 9 年 i n t e l 公司推出的2 9 2 0 芯片，a m i 公司的$ 2 8 1 1 芯片。 产品普及阶段随着大规模集成电路技术的发展，1 9 8 2 年德州仪器推出了第 一代d s p 芯片t m s 3 2 0 1 0 。它的问世是个罩程碑，标志着d s p 应用系统由 大型系统向小型化方向迈进了一大步。2 0 世纪8 0 年代中期，随着c m o s 技术的 进步和发展，第二代基于c m o s 工艺的d s p 芯片应运而生。2 0 世纪8 0 年代后 4 第一章绪论 期，以t i 公司的t m s 3 2 0 c 3 0 为代表的第三代d s p 芯片问世，开发者可以使用 高级语言编程，降低了开发难度，缩短了开发时间。 腾飞阶段进入2 0 世纪9 0 年代以后，d s p 发展更快，新技术层出不穷。现在 的d s p 属于第五代产品，与第四代相比，系统集成度更高，速度更快，功耗却 越来越小。将d s p 核心及外围电路集成在单一芯片上，有的甚至将多个d s p 核 集成在一个片内。 经过2 0 多年的发展，d s p 产品的应用已扩大到人们的学习、工作和生活的 各个方面，并逐步成为电子产品更新换代的决定因素。目前，对d s p 爆炸性需 求的时代已经来临，前景十分可观。 1 。4 本文的研究目的和研究途径 本文研究的目的是深入研究o f d m 的理论基础，综合比较i e e e8 0 2 1 1 和 i e e e8 0 2 1 6 等现有无线通信网络的协议规范，设计并实现基于d s p 的o f d m 基 带调制解调器。 本文的研究途径是理论指导实践，实践验证理论，即首先深入学习o f d m 理 论基础和关键技术，包括其信号流程、基带处理调制解调算法、编码算法、信道 估计算法等。其次，研究并比较i e e e8 0 2 1 1 和i e e e8 0 2 1 6 等现有无线通信网 络协议，针对无线城域网下o f d m 的应用参数，结合实验室条件设计本系统参 数要求，并利用l a b v i e w 平台仿真实现o f d m 基带处理模块，设计调制解调算 法并评估其性能。最后，利用现有基带模块结合d s p 评估平台搭建o f d m 调制 解调系统，设计基带处理的d s p 软件模块并进行系统调试，完成整个o f d m 基 带调制解调系统的软硬件调试。 1 5 本文的主要工作 本文的重点是介绍o f d m 的理沦基础及其在无线通信网络中的应用，分析 其调制解调与信号处理原理，通过查阅国内外文献，探讨o f d m 基带系统的设 计思路与方法，着重研究其调制解调过程中i f f l 、f f r 、卷积编解码、 1 6 q a m q p s k 等各算法模块的d s p 平台搭建与实现。通过实践验证o f d m 无 线通信系统中各个模块设计的王哩沦依据。本论文的撰写分为i 章。 5 第一章绪论 第一章介绍了现有无线通信网络技术、o f d m 技术与d s p 技术的发展历史 和研究现状，以及本文对基于d s p 平台实现o f d m 基带调制解调处理系统的研 究途径和分析方法。 第二章详细分析了o f d m 的基本原理和关键技术。通过对o f d m 各算法模 块工作原理的逐个介绍，透彻分析了o f d m 系统各个调制解调模块的算法原理、 同步与信道估计等关键技术。 第三章在对o f d m 调制解调过程中的各个算法步骤进行详细分析的基础 上，粗略提出一套可适应于本实验室的通信参数设计，通过l a b v i e w 平台对调 制解调模块的整套方案仿真实现，设计调制解调算法并评估其性能。一方面在算 法上加深了对于o f d m 系统各个模块的认识，另一方面为o f d m 硬件平台的搭 建和d s p 软件的编写积累了理论基础和设计经验。 第四章参考现有无线网络标准，针对本设计的应用环境和硬件特征制定系统 参数，基于t l 公司的6 7 0 1 e v m 高性能数字评估板卡，结合模拟前端组成数字中 频平台，设计了一套完整的o f d m 调制解调方案：包括i f f t 调制解调、卷积编 码及v i t e r b i 解码、分组交织及反交织器、1 6 q a m 与q p s k 数字编码、信道估计 等d s p 算法，并对各个模块的实现结果进行图示与分析，最后结合实际信号对 本方案中d s p 处理能力与系统性能进行评价。验证了本设计的理论依据，从而 达到更进一步理解系统的目的。 第五章对本论文所做工作进行总结，归纳本文的主要结论，并指明今后进一 步的研究方向。 6 第二章o f d m 的基本原理及关键技术 第二章o f d m 的基本原理及关键技术 o f d m 是一种无线环境下的高速传输技术，作为一种特殊的多载波调制技 术，提供了让数据以较高的速率在较大延迟的信道上传输的一种途径。o f d m 的 主要思想是在频域内将所给信道分成许多正交子信道，在每个子信道上使用一个 子载波进行调制，把高速的数据流分解成许多低速率的子数据流，以并行的方式 在多个子信道上传输。这样在每一个子载波上的符号持续时间都比信号通过信道 最大延迟长，从而可以比较容易的消除i s i 的影响。由于o f d m 信号这种多载波 的结构特点，使得o f d m 系统的频谱利用率较高，并且具有较强的抵抗多径的 能力。 2 1o f d m 的基本原理 ：o f d m 解调： 1 图2 - 1o f d m 系统框图 o f d m 调制解调过程的简要流程如图2 - 1 所示悖1 。整个系统分为发送和接收 两个部分。在发送部分，首先将调制信息s n 经过串行并行变换，变为n 路并行 的比特流，对应n 个不同的子载波；然后根据信道的情况采用适当的调制方式 进行星座点的映射，得到各个子载波上的调制符号；然后经过i f f r 模块，进行 并行串行转换，得到o f d m 符号有效负载部分；再加上循环前缀得到完整的 o f d m 符号；最后经过数模转换，将信号送入信道。 在接收部分，完成了一个与发送部分相反的流程。首先通过模数转换模块将 7 第二章o f d m 的摹本原理及关键技术 从信道中获得的模拟信号转换成数字信号；在假设各种同步都已完成的情况下， 去除循环前缀；经过串行并行变换后，将得到的数据通过f f l r 模块，获得各个 子载波上的接收信号；然后通过星座点逆映射，得到每个子载波上的接收比特； 最后经并行串行变换得到接收比特流r n 。 2 1 1o f d m 信号的lf f t f f t 实现 o f d m 是一种频分复用方式，由一系列在频率上等间隔的子载波构成。其 低通等效信号可以表示为一组并行传输的调制载波信号： s o ) 。互荟g t o 一以o ) 2 蝥( f ) ( 2 m ) 兵中， 。 础，2 r 其p c 。j 为在第n 个o f d m 符号间隔的第k 个子载波上传输的符号：n 是o f d m 系 统的子载波个数；eo ) 表示第n 个o f d m 信号；0 为o f d m 符号间隔，也是 每个子载波上传输的符号间隔；五是第k 个子载波的频率，无t 厶+ 毒，k = 。， 1 ，一n - - l ；t o 是最低使用频率。这种子载波频率的设定保证了载波g 。( f ) 之 间的正交性， 蠹gk m ? 愀；0e j 2 翻e - 黼t 拈f i e j 2 ”号t 拈t i 6 i k 1 ) q 萄 。毒眺班 k = o , kn - 1 ( 2 3 ) 从上述表达式可见，要实现一个o f d m 传输系统，需要一组振荡器产生n 个子载波，接收端也需要对n 个子载波进行同步。显然，当n 非常大时，系统 的硬件构成将是非常庞大而且不经济的。1 9 7 1 年，w e i n s t e i n 和e b e r t 将d f t 技 术引入o f d m 系统当中 6 | ，使o f d m 变得经济实用。 8 第二章o f d m 的基本原理及关键技术 假定厂o = 0 ，以0 的速率对( 2 1 ) 式的低通等效信号进行采样，o f d m 信 号可以表示为， c 沏) t 只o 。+ 肌) t 薹c 。，七g 。( 万m 巧) 一，( 万1n 磊- 1 c 。 p 似品) = 胛丁( c 。 ) 接收端的解调过程可以用n 可来实现， ( 2 4 ) 驴专一( e = 专薹黔p 胁等p 。h 等一黔肛垆( 2 5 ) 这样就用瑚早买用的i f f i f f r 模块买土见j 多载汲的调制解调过程，大大简 化了o f d m 硬件结构的复杂度。当然，实际的o f d m 系统在使用l h w f f r 模 块时，还需要在公式( 2 4 ) 、( 2 5 ) 的基础上做一点修改，目的是保证在i f f t f f t 。 变换前后信号的能量保持不变，以( 2 4 ) 式的i f f r 变换为例，变换前，n 个符号 的能量和为荟b l ，变换后的符号的能量和为： 弘n - i ( 所) j2 一磊n - i 荟n - in 荟- i c ：h ”等 一薹蓦c 。冀c ：夕鬟e ，加等 l 磊川 ( 2 6 是变换前的n 倍，为了使信号在l f f t 前后变换能量保持不变，将式( 2 4 ) 改为， 广一1n - 1j z 硅r n c ( 所) = ( 亩荟c 础e ) = 4 f f 胛丁( c 一 ) ( 2 7 ) 相应的，接收端的解调过程调整为： 乒一丽1 耋e 仰户叩”等。击，肿( ( 2 8 ) 卜式弃罄的表汰了宴际o f d m 系缔的名载波调制解调的讨稗。 9 第一二章o f d m 的堆奉原理及关键技术 2 1 2i f f t f f t 的过采样 在实际应用中，对一个o y d m 符号进行n 点的i f f t 运算所得到的n 个输 出样值，往往不能真正的反映连续o f d m 符号的变化特征，当没有对o f d m 符 号使用过过采样，就将样值点送到模数转换器时，可能会导致形成伪信号。其表 现为当样值点被还原之后，原信号中的高频成分可能会受到损失。针对这种现象， 一般都需要对o f d m 符号进行过采样，即在原来的采样点之间添加一些采样点， 构成p n ( p 为整数) 个采样点。 这种过采样的实施可以利用i f 兀y f f r 运算来实现，在进行i f f t 运算时，需 要在原始的n 个输入样值的中间添加( p - - 1 ) n 个零。而在进行f f t 运算时，则需 要在原始的n 个输入样值的后面添加( p 一1 ) n 个零。 当对以t 为采样间隔的时域采样信号进行p 倍的过采样时，采样间隔变为 t p 。而时域连续信号的频谱宽度保持不变，因此从频域上看来，等效于在连续 信号的带宽之外补零，即相当于在i f f t 运算中，在频域数据中插入零。 以冬llk 一0 , 1 ，n 一1 表示调制在频域上的数据符号，经过l f i 可变换之 后，得到时域的数据符号备；i f = 0 , 1 ，n 一1 ，即： 驴专黔嘴 h ，( 2 9 ) 这罩= p 一7 驯m ，如果希望通过p 倍过采样得到更加精确反映连续信号的 时域离散采样点，可以在进行i f f t 运算之前，在输入的频域数据符号的中间补 充( p - - 1 ) n 个零，扩充为p n 个采样点，形成一个新的输入序列： ；：，i。；。，。；t，zt，掣，r“r，z，。；，一， c ：，。， 这罩s ：i 为经过补零形成的新的序列，m o ，( p u 一1 ) ，然后进行p n 点的l f f r ，则可以得到p 倍过采样的p n 个时域离散采样点： s = 南擎二，嘲 圳 1 卅一1( 2 1 1 ) 这f ! s 。j 即为得到的过采样的时域采样点，可以更加精确的反映o f d m 符 第_ 二章o f d m 的基本原理及关键技术 号的变化情况。唯一不同的就是p n 的i f f t 计算结果的模值为n 点i f f t 计算结 果的p 分之一。 ( a ) 无过采样 _，i、”、70 。，l ， ! ? p j 。；，1 ； 譬ji “。 i： 。= _ 。! jtol。-j o 5 蕾 一誓 ( c ) 3 倍过采样( d ) 4 倍过采样 图2 - 2n = 8 时i f v i 过采样示意图 图2 - 2 为n = 8 ，输入序y w j 为 1 ，- - 1 ，1 ，- - 1 ，1 ，1 ，一1 ，1 ) 时，实施过 采样和不实施过采样的情况的比较，图中( a ) ( b ) ( c ) ( d ) 依次为不实施过采样、2 倍过采样、3 倍过采样和4 倍过采样的情况。横坐标表示采样点的个数，纵坐标 表示i f f t 运算输出的模值，可以看出，过采样的倍数越高越能反映符号变化的 细节。 2 1 3 信道编码 o f d m 系统中采用对传输符号在保护间隔内进行周期扩展的方法，可以有 效地减小i s i 和i c l 对系统性能的不利影响。但足，由于数据同时在各个子载波 信道上并行传输，经过多径衰落信道后到达接收端的所有子载波上的信号幅度将 可能不一样。事实上，某些子信道由于深度衰落，信号甚至会完全湮没在噪声中。 因此，即使在大多数子载波信道上都能做到无差错检测，整个系统的误比特率 ( b e r ) 却仍然会由于幅度很小的个别子信道的影响而很高，系统性能变得非常恶 第二章o f d m 的基本原理及关键技术 劣。为了避免这种现象的出现，需要采用信道编码技术。在子载波中进行信道编 码，较差子信道中的部分差错被纠正后能达到一定的性能，使得o f d m 链路的 性能应由平均接收功率来确定，而不是由最差子信道的接收功率来确定。另一方 面，在无线移动通信中，可以通过增加发射功率来提高信噪比以对抗衰落，但这 样做的同时，对其它无线信道的干扰也将加大。因此，在无线衰落环境下，如果 不采用适当的信道纠错编码技术，要想得到满意的差错性能几乎是不可能的。 近年来，一些新的编码技术，如卷积码，t u r b o 码、网格编码调制( t c m ) 和 空时编码技术( s t c ) 等，在o f d m