（信息与通信工程专业论文）wimax算法结构分析与系统平台设计.pdf

摘要 随着社会信息化的不断推进，通信网络的宽带化成为个必然的趋势，而传统的接入 网技术已成为新一代宽带通信网络建设的瓶颈。在众多新兴的接入技术中，无线宽带接 入技术以其特有的优势成为近年来通信技术市场的最大亮点。w i m a x 作为种面向无线 城域网( w m a n ) 的宽带接入方案，以其优异的性能和广阔的市场前景雨倍受关注。 w i m a x 系统具有大带宽和大覆盖范围的特点。所咀其所使用的算法复杂度也非常 高。这对y - w i m a x 的系统平台提出了很高的要求。大复杂度的算法需要使用非常强劲 的处理器才能将其实现。而为了保证大的数据吞吐率就必须设计大带宽高速率的总线。 同时，w i m a x 具有很多的实现模式和可选配置以应用于不同的场合。因此它要求平台能 够快速灵活的适应算法的变换。 灵活性的要求使得硬件平台变得越来越“软”。软件无线电，f p g a 等大量新兴的技 术得到应用。以往的专用硬件模块开始被一行行的代码所取代。同时，灵活性带来的另 一个变化是平台中越来越多的模拟模块被数字模块取代。数字系统在带来灵活性的同时， 也极大地提高了系统的稳定性祁可靠性。数字系统需要a d ，d a 的位置存整个数据链路中 的位置尽量靠前。现代通信平台的设计中，a d 和d a 模块已可以紧跟在射频模块之后， 这要得益于混合信号半导体技术的飞速发展令超高速的a d 和d a 模块走入实际系统。 本文首先介绍了w i m a x 的标准化进程和应用前景，然后提出了w i m a x 对承载其运 行的系统平台的要求：大带宽、高性能、可移动、够灵活。 技术应用平台的设计需要对技术本身的了解。在设计平台之前，本文先重点讨论了 8 0 2 1 6 e o f d m a 物理层下行接收机的关键模块一一误差校正模块的结构设计。对于个 宽带接收机，误差校正模块是整个系统中数据吞吐量最大的模块之一，一个好的误差校 正模块结构设计将很大程度上减轻接收机物理平台的设计压力。同时本文也阐述了整个 8 0 2 1 6 e 下行链路的数据仿真，误差校正模块的设计合理性论证必须使用正确的仿真数 据。 整个8 0 2 1 6 基带通信平台的软硬件设计是本文的另个重点。整个平台被分成嵌入式 系统、d s p 、f p g a 、a d & d a 四大模块。嵌入式系统、d s p 、f p g a 都可以成为一个独 立的系统，但是它们作为整个平台中的模块必须相互协调，并行工作。嵌入式操作系统 的定制，模块问的接口设计，软硬件框架的确定则都是平台设计的难点。 本文的最后详细讨论了一个基于平台的f i r 滤波器算法设计，给出了基于d s p 和 f p g a 模块的实现结构。存设计整个f i r 滤波器过程中可以充分的体现整个平台的优秀 架构所带来的算法实现设计的便利。 r y e 键字】8 0 2 1 6 ，0 f d g t a ，基带通信平台，嵌入式系统，d s p ，f p g a ，l i n u x ，f i r a b s t r a c t w i t ht h er a p i da d v a n c e m e n to fs o c i a li n f o r m a t i z a t i o n ，t r a d i t i o n a la c c e s st e c h n i q u e s h a v eb e c o m et h eb o t t l e n e c ki nt h ed e v e l o p m e n to ft h en e x tg e n e r a t i o nb r o a d b a n d c o m m u n i c a t i o nn e t w o r k s ，a n dt h e r e f o r eb r o a d b a n da c c e s si sc o n s i d e r e dt ob ea n i n e v i t a b l et r e n d a m o n gt h en u m e r o u sb u r g e o n i n ga c c e s st e c h n o l o g i e s ，b r o a d b a n d w i r e l e s sa c c e s sh a sa t t r a c t e dt h em o s ta t t e n t i o nf r o mt h ec o m m u n i c a t i o ni n d u s t r y d u r i n gr e c e n ty e a r s ，d u et o i t sp a r t i c u l a ra d v a n t a g e si ns y s t e mp e r f o r m a n c e a sa b r o a d b a n dw i r e l e s sa c c e s ss c h e m ef o rw m a n ( w i r e l e s sm e t r o p o l i t a na r e an e t w o r k s ) ， w i m a x ( w o r l di n t e r o p e r a b i l i t yf o rm i c r o w a v ea c c e s s ) h a sr e c e i v e dp r i m a r yc o n c e r n b e c a u s eo fi t so u t s t a n d i n gs y s t e mp e r f o r m a n c ea n dw i d em a r k e to u t l o o k t h ew i m a xs y s t e ma c h i e v e sw i d eb a n d w i d t ha n dl a r g ec o v e r a g e ，w h i c hm a k e s t h ea l g o r i t h m sa p p l i e di ni th i g h l yc o m p l e x t h e r e f o r e ，g r e a t e rd e m a n d sa r em a d eo n t h ep l a t f o r mf o rt h ew i m a xs y s t e m a l g o r i t h m sw i t hh i g hc o m p l e x i t yc a no n l yb e r e a l i z e di np o w e r f u lp r o c e s s o r s ，a n do n l yt h eb u s e ss u p p o r t i n gl a r g eb a n d w i d t ha n d h i g hs p e e dc a ns a t i s f yt h er e q u e s tf o rl a r g ed a t at h r o u g h p u t a tt h es a m et i m e ，i no r d e r t om e e tt h ed e m a n d si nd i f f e r e n ta p p l y i n gs i t u a t i o n s 。m u l t i p l er e a l i z a t i o nm o d e sa n d o p t i o n a lc o n f i g u r a t i o n sa r ei n c l u d e d i nt h ew i m a xs t a n d a r d ，w h i c hr e q u i r e st h e p l a t f o r m st or a p i d l ya d a p tt h e m s e l v e st ot h ec h a n g e s i na l g o r i t h m s t h ei n c r e a s i n gr e q u i r e m e n ti n p l a t f o r mf l e x i b i l i t ym a k e st h eh a r d w a r ep l a t f o r m b e c o m es o f t e ra n ds o f t e r s o f t w a r er a d i o ，f p g aa n do t h e re m e r g i n gt e c h n o l o g i e sa r e a p p l i e d a sar e s u l t ，m o r ea n dm o r et r a d i t i o n a ls p e c i a lh a r d w a r em o d u l e si nt h e p l a t f o r m sa r er e p l a c e db yl i n e so fc o d e s ，a n dm o r ea n dm o r ea n a l o gm o d u l e sa r e c o n v e r t e di n t od i g i t a lm o d u l e s i na d d i t i o nt ot h ei m p r o v e m e n ti np l a t f o r mf l e x i b i l i t y ， s y s t e md i g i t s l i z a t i o na l s om a k e st h ew h o l ep l a t f o r mm o r es t a b l ea n dr e l i a b l e i nd i g i t a l s y s t e m t h ep o s i t i o no fa da n dd ai sr e q u i r e dt ob ea sc l o s e rt ot h ea n t e n n aa s p o s s i b l e h o w e v e r , i nm o d e r nc o m m u n i c a t i o np l a t f o r m s ，a da n dd ac a na l r e a d yb e t a g g e da l o n gw i t ht h er fm o d u l ed u e t ot h ea p p l i c a t i o no fu l t r ah i g hs p e e da da n dd a m o d u l e s r e s u l t i n g 仟o m t h e r a p i dd e v e l o p m e n to fm i x e d s i g n a ls e m i c o n d u c t o r t e c h n o l o g y a tt h eb e g i n n i n go f t h i st h e s i s ，t h es t a n d a r d i z a t i o np r o c e s sa n da p p l i c a t i o n p r o s p e c to fw i m a xw i l lb ei n t r o d u c e d t h e nt h er e q u e s tf o rs y s t e mp l a t f o r mw h i c h w i m a xn e e d ss u p p o r tf r o mw i l lb eg i v e n ：w i d eb a n d w i d t h ，h i g hp e r f o r m a n c e ，p o r t a b l e ， a n df l e x i b l e ac o m p r e h e n s i v eu n d e r s t a n d i n go ft h ew i m a xt e c h n o l o g yi sn e e d e db e f o r ew e s t a r tt od e s i g nt h ec o r r e s p o n d i n gp l a t f o r m t h e r e f o r e ，t h es t r u c t u r ed e s i g nf o rt h ee r r o r c o r r e c t i o nm o d u l e w h i c hi st h ek e ym o d u l eo f8 0 2 16 eo f d m a p h y s i c a ll a y e rd o w n l i n k r e c e i v e r ，w i l ib ec h e w e do v e r t h ee r r o rc o r r e c t i o nm o d u l ei so n eo ft h el a r g e s td a t a t h r o u g h p u tm o d u l e si nt h ew h o l eb r o a d b a n dr e c e i v e r ，s oag o o ds t r u c t u r ed e s i g nf o r t h i sm o d u l ec a ng r e a t l yl i g h t e nt h ep r e s s u r ei np h y s i c a lp l a t f o r md e s i g n i n g i na d d i t i o n ， t h ee n t i r es i m u l a t i o ni n8 0 216 ed o w n l i n kw i l lb ee x p a t i a t e di nt h i st h e s i s i no r d e rt o p r o v et h er a t i o n a l i t yi nm o d u l ed e s i g n i n g a n o t h e re m p h a s i so ft h i st h e s i si st h es o f t w a r ea n dh a r d w a r ed e s i g no ft h ew h o l e 8 0 2 16b a s e b a n dc o m m u n i c a t i o np l a t f o r mw h i c hc a nb ed i v i d e di n t of o u rp a r t s ：t h e e m b e d d e ds y s t e m ，d s p , f p g aa n da d & d at h ee m b e d d e ds y s t e m ，d s p , a n df p g a c a nb eb u i l ta st h r e es e p a r a t es y s t e m s h o w e v e r , a st h ec o n s t i t u t i n gm o d u l e so ft h e w h o l ep l a t f o r m ，t h e ym u s tw o r kc o o p e r a t i v e l y i nt h i st h e s i s ，t h ed i f f i c u l t i e si np l a t f o r m d e s i g nl i ei nt h m ea s p e c t s ：t h ec u s t o m i z a t i o no ft h ee m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m ，p o r t d e s i g nb e t w e e nd i f f e r e n tm o d u l e s a n dt h ed e t e r m i n a t i o ni ns o f t w a r ea n dh a r d w a r e f r a m e w o r k a tt h ee n do ft h i st h e s i s ，ap l a t f o r m b a s e df i rf i l t e rd e s i g nw i l lb ed i s c u s s e di n d e t a i l ，a n dt h er e a l i z a t i o ns t r u c t u r eb a s e do nd s pa n df p g am o d u l e sw i l lb eg i v e n t h ee n t i r ed e s i g np r o c e s so ft h ef i rf i l t e rc a ne m b o d yt h ec o n v e n i e n c ei na l g o r i t h m r e a l i z a t i o nw h i c hi sr e s u l t e df r o mt h ee x c e l l e n tf r a m e w o r ko ft h ew h o l ep l a t f o r m 【k e yw o n s 8 0 2 1 6 ，o f d m a ，b a s e b a n dc o m m u n i c a t i o np l a t f o r m ， e m b e d d e ds y s t e m ，d s p , f p g a ，l i n u x ，f i r 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 随着社会信息化的不断推进及通信技术快速发展，用户对信息业务的需求日益丰富， 以互联网业务为代表的宽带多媒体数据业务正成为网络业务发展的主流，宽带用户的数 量在全球呈现出非常强势的增长态势。因此，构建宽带化、全业务、智能化的现代通信 网络已成为大势所趋。而通信网络的宽带化不仅需要拓展广域网、城域干线网的带宽， 而且也要解决好接入网的带宽问题。目前随着光通讯技术的逐渐成熟，光纤网络的大量 应用，广域和城域干线网的建设发展呈现出良好的趋势并颇具规模。而接入网作为网络 建设的投资重点，传统的接入方式已成为新一代网络建设的瓶颈。近年来也出现了光纤 接入、x d s l 、以太网接入和无线接入等新兴接入技术来解决宽带网络的最后一公里问题。 在众多的宽带接入技术中，无线宽带接入技术成为近年来通信技术市场的最大亮点， 是构成未来通信技术的重要组成部分。无线通信技术满足了用户对在不同移动状态下获 取网络信息的强烈需求，也符合当今社会人员流动性大、工作生活节奏紧张的发展趋势。 另一方面，无线通信技术具有网络部署迅速便捷的特点，对于缺乏线缆资源的新兴运营 商来说，无线通信技术是成功部署通信网络，迅速为用户提供语音和数据服务的最佳手 段。 国际电气电子工程师协会( t h ei n s t i t u t eo f e l e c t r i e a la n d e l e c t r o n i c se n i g n e e r s i e e e ) 根据无线宽带接入网的传输距离将它们分成四类，分别是无线个域网 w p a n ( w i r e l e s sp e r s o n a la r e an e t w o r k ) 、无线局域嘲w l a n ( w i r e l e s sl o c a l a r e a n e t w o r k ) 、无线城域网w m a n ( w i r e l e s sm e t r o p o l i t a na r e an e t w o r k ) 和无线广域网 y n a n ( w i r e l e s sw i d ea r e an e t w o r k ) 。表1 1 给出了各类接入网的几种具体技术及它们 的一些数据。其中，w i m a x 技术是作为一种新兴的w m a n 技术以其优异的性能倍受关 沣 表1 1几种无线接入网技术 r p a n “i w l a n u ，m a n 咿w w a n “c t t 一 b l u ew i m a x i r d au w b8 0 2 1 l b 8 0 2 1 l g w c d m a t o o t h2 0 0 08 0 2 1 6 e 传输数据率 4 1l l o | 1 5 4 2 3 1 3 0 ( m b p s ) 传输距离 l m 1 0 m1 0 ml o o m15 0 m数l o k m数l o k m j 时，数据分成( k 一1 ) 块均包含j 个子信道的f e c 块、一块包含c e i l ( ( m 十j ) 2 ) 个子信道的f e c 块和块包含f l o o r ( ( r e + j ) 2 ) 个子信道的f e c 块。 例如假定每个用户所占子信道均为三个，调制方式分别为1 、2 、3 、4 、5 、6 、7 。根 据以上分块规则，用户i 、2 、3 均不需分块，因为n j 。对于用户4 ，其1 1 值大于j 值( j = 2 ) ，则计算值k - 1 = o ，c e i l ( ( m + j ) 2 ) - 。2 ，n o o r ( ( m + j ) 2 ) = l 。故根据协议，原先占用三个 信道的用户4 数据应被分为两块，分别占用两个、一个子信道。对于用户5 、6 、7 ，分 块方法与用户4 一致，其中用户5 数据应被分为两块，分别占用两个、一个子信道：用 户6 、7 数据应被分为三块，每块均占用一个子信道。 2 3 ，2 扰码 采用扰码的原因是由于任一数据流可能包含任意的比特模式。假如某一模式包含 很长一段同值数据比特，则不能为接收机提供足够的数据比特用于传输同步。因此扰码 过程就类似于传统的m o d e m ，其中扰码器表示一种反馈寄存器，以确保数据比特流被修改， 可产生足够的0 到1 的变化( 或相反的变化) ，由此保证接收机可根据数据流来自 同步。接收端有相同的解扰码器用以恢复出原始数据流。 扰码的实现结构见下图所示，该扰码器的生成多项式s ( x ) 为s ( x ) = x ”+ x ”“。 浙江大学硕士学位论文 图2 9 扰码器结构 其中，在8 0 2 1 6 e 协议修正版中，寄存器初值从高位到低位依次为0 1 1 0 1 1 1 0 0 0 1 0 1 0 1 。 每一个f e c 块扰码器初始化一次。 2 3 3 前向纠错编码 现在几乎所有的o f d m 系统实现中都用到了某种形式的前向纠错( f e c ，f o r w a r de r r o r c o r r e c t i o n ) 。不过与o f d m 模式不同的是o f d m a 模式前向纠错码由原来的r s 级联卷积码 结构改成了单纯的卷积码。卷积码是目前系统中最为广泛应用的一个信道编码，目前所 有主要的蜂窝系统都使用了卷积信道编码。卷积码( n ，k ，n ) 的信息码元个数k 和码长 n 通常较小，故时延小，特别适合于以串行形式传输信息的场合。定义n 为约束长度，随 着n 的增加，卷积码的纠错能力随之增强，误码率则呈指数下降。正因为卷积码在编码 过程中充分应用了各码组之间的相关性，无论是从理论上还是实际上均己证明其性能优 于分组码，因此在通信领域应用得越来越多。 卷积码将连续输入的k 个比特映射成n 个比特输出，该映射是通过对输入比特和二进 制冲激响应进行卷积完成的，故称之为卷积码。i e e e 8 0 2 1 6 e 通过卷积编码插入冗余比特， 实现前向纠错功能，支持r = 1 2 、2 3 、3 4 三种编码速率( 卷积码的速率r = k n ) 。卷积 编码器通过移位寄存器和模2 加法器来实现。通常先实现r = i z 的卷积编码器，r = 2 3 、 3 4 是在此基础上通过凿孔( p u n c t u r e ) 实现的。 图2 1 0 所示的就是i e e e s 0 2 1 6 e 中使用的卷积编码器的结构图。这是速率为1 2 ， 生成多项式为g ，= 1 7 1 。，即0 0 11 1 10 0 1 和g 。= 1 3 3 。，即0 0 1 0 1 1 0 1 1 的编码。每输入i b i t 数据都有2 b i t 的输出x 和y 。交替输出x 和y 就得到编码结果。每一对输出比特 x y ) 与 七个输入比特有关，即当前输入比特和前面输入的存储在移位寄存器中的六个比特。这 个值7 或移位寄存器长度加l 称为约束长度。 浙江大学硕士学位论文 图2 1 0 卷积编码器结构图“ 移位寄存器单元的数量决定了卷积码所能获得的编码增益大小。移位寄存器越长， 码的功能就越大，但是最大似然v i t e r b i 算法的解码的复杂性随着移位寄存器单元的数 量呈指数增加，复杂性的增加规律把目前采用的卷积码限制在八个移位寄存器单元， i e e e s 0 2 1 6 e 规定只使用六个移位寄存器单元。 当r - - 2 3 或者3 4 时要同时使用凿孔技术( p u n c t u r e d ) ，例如，对上述码效率为1 2 的卷积码，如果在输出的每6 个比特中删除2 个比特，那么就变成效率为3 4 的码了， 凿孔后的比特输出为 x t 】，y z x 3 z y 4 y s 6 - ) 。凿孔方法如下表2 2 所示，译码时只需在 凿孔位置补0 就可仍用1 2 的译码方法。因此。凿孔使得卷积码的编码要灵活得多，使 用也就方便得多。 表2 2 卷积编码的穿孔“1 c o d er a t 鹳 r a t e1 22 趋3 舟5 躇 靠” 1 0654 xlt o1 0 1l o l o l yln1 1 01 1 0 1 0 x y 蜀扎越n 巧置， l 如妈筠珏】粥珞酶 2 3 4 交织变换 交织是i e e e 8 0 2 ，1 6 e 标准中一个非常重要的组件。发射端编码后的数据经交织器重新 排序后再进行调制，在接收端解调后由去交织器恢复原始顺序再进行解码。由于采用了 交织去交织，突发错误在时域扩散开来，这样就使得每个码字内的错误看起来是独立的， 浙江大学硕士学位论文 使差错控制机制可以纠正。 交织由两个阶段的变换组成。第一个变换保证了相邻的编码比特被映射到不相邻的 子载波。第二个变换保证了相邻的编码比特被分别映射到重要的和非重要的星座图中， 因此长时间的最低位比特( l s b ) 将被避免。 这里在第一次变换前产生下标为k 的编码比特，m 。为第一次变换后的下标， 是第 二次变换后的下标。 第一次变换遵循下面的规则： m t = ( n o 枷d ) k 。m d ) + f l o o r ( k d )k = 0 , 1 ，却，一1 d = 1 6 第二次变换遵循下面的规则： 以。s f l o o r ( m k s ) + ( m k + 却。一f l o o r ( d 却；) ) 。邮) k = 0 , 1 ，| v 却。一1 其中s 刊廖难，对于q p s k ，1 6 q a m ，6 4 q a m 分别为2 ，4 ，6 ，脱为交织块的长度，即 f e c 块的长度。 2 3 5 调制 前面已经提到在每一个簇中包含1 4 个子载波，它们分别被分为2 个导频予载波和1 2 个数据子载波。它们的调制方式是不同的，这里分别进行介绍。 首先介绍导频的调制。导频子载波的功能是用作参考信号。这些参考信号允许接收 机忽略频率和相位的漂移，因为接收机根据导频就能确定漂移值。加入导频信号可以增 强相干检测对于频率偏移和相位噪声的鲁棒性。 冷载波调制 口1 导频的插入位置在前面已经介绍过了。导频的值由公式p i l o t = 詈一w t ) 计算得到， jz 其中w k 是一反馈寄存器的输出值。下标k 表示子载波的序号。反馈寄存器的结构图如下 所示： 图2 1 1导频反馈寄存器的结构图 浙江大学硕士学位论文 j 生i e e e 8 0 2 1 6 e 协议中，寄存器的初始化值为： 高五位b l o b 6 = i d c e l l 的五位二进制值。 高第六、七位b 5 b 4 = s e g m e n t 序号+ 1 的两位二进制值。 低四位b 3 b 0 = 0 f d m a 符号序号的四位二进制值。 它是每一个o f d m a 符号需要初始化+ 一次。 令数据映射 数据的调制是一个映射的过程。交织后的数据被映射为放到频域中的数据符号，该映 射过程可以使用q p s k ，1 6 一q a m 或6 4 q a m 。o f d g a 导致数据流被划分为一个个分组，根据 所用的调制方法，分组有2b i t ，4b i t 或6b i t 几种。每个分组代表菜子载波的星座图 中的- 一点。转换的过程需要依据格雷编码星座映射( g r a y c o d e dc o n s t e l l a t i o nm a p p i n g ) ， 如下图所示： l 应 i l 一4：lj ，一 - - - 9 t 。l ，m 1 o -， 0 - t l - l 1 443：l i，7 1 o 毒 0 - o e 毒 l ， 6 妒， i l1 0o oo lb b 图2 1 2 不同调制方式下的映射星座图 输出的值m a p c o d e ，由i + j o 乘以归一化系数得到，即 m a p c o d e = ( ，+ ，q ) 足。归一化系数k 。由调制类型决定，如下表所示。归一化系数 是为了使不同的映射有相同的平均功率。 表2 3 不同调制方式下的映射归一化系数 l o d u l a t i o n k m q p s k 1 f 矗 1 6 - 0 a m 1 4 i - 6 6 4 一q a ml 砭 浙江大学硕士学位论文 例如，调制方案为1 的用户，其交织后的数据为 1 ，0 ，1 ，1 ，0 ，0 ，0 ，1 ，0 映射得到f - 0 7 0 7 1 1 + 0 7 0 7 1 1 i ，一0 7 0 7 1 卜0 ，7 0 7 1 l i ，+ o 7 0 7 1 1 + 0 7 0 7 1 1 i ， 十o 7 0 7 1 1 - 0 7 0 7 1 1 i ，+ o 7 0 7 儿一0 7 0 7 1 1 i 】。 2 4i f f t 以及加周期前缀 经过以上的过程，已经生成了频域的整个数据流。下一步就是将数据送往i f f t 模块 1 转换成时域数据流。在将数据送入i f f t 输入端前，所有子载波还应该乘于因子2 一w t ) ， 其中m 的值来自与图2 1 1 的导频反馈寄存器。因子的第一项应对应_ z o f d m a 符号中有用 的第一个子载波，因为1 0 2 4 点的o f d i c i a 符号的左虚子载有9 2 个，故因子序列前面也应加上 9 a 1 - o 因子。 在无线环境中，使用o f d m a 模式一个重要的原因是它可以有效的对付多径时延。通过 将输入的数据流分为1 0 2 4 个子载波，符号的持续时间将增加1 0 2 4 倍。为了几乎完全消除 码间干扰( i s i ) ，每个o f d m a 符号都将引入保护时间间隔。加保护间隔的方法如图2 1 3 所示“。 八、，八j 。；。 1 苴j 溅7 ；彳 灰 、， v o 什 i 坍日隔 厂 一v v 1 伯环兰拍后的糟号长匿 一 图2 1 3 加保护时间的示意图 保护时间要比预期的信道时延稍微大一点，这样构成一个符号的多个信道 ( m u l t i p a t h ) ，而不会干扰下一个符号。保护时间可以不包含任何的信号。那样，各予载 波将升i 再保持正交性，因此载波问干扰( i c i ) 将会出现，i c i 是不同子载波之问的串音。 这个效应由图2 1 4 阐明。在这个例予中，展示了予载波1 和延时的子载波2 。当一个o f d m a 接收机试图去解调第一个子载波，占会受到第二个子载波的干扰，因为在f f t 间隔中，子 载波l 和予载波2 之间没有相隔整数倍周期。同样，第二个子载波也将受到第一个子载波 的干扰。 浙江大学硕士学位论文 八府 秣护潮蕊 一 阱秘赍对蛳= 1 ，虢涟带觉 、 l 八 豫护_ 5 习蕊 一 孵税分辩捌：l 馥渡带盘 图2 1 4 加入循环前缀的区别示意 为了消除i c i ，o f d m a 符号需要在保护间隔中填入循环前缀，具体来说，就是把o f d m a 符号信号时域上波形的后面一段复制到最前面形成保护间隔，这样就保证了在f f t 周期 中，延迟的o f m a 符号总是有整数个周期，通过f f t 后即可消除。可见，只要多径延迟小 于保护间隔，就不会引起i c i 。在i e e e 8 0 2 1 6 e 标准中规定了几种保护间隔的长度，在本 系统的实现算泫中设定长度为符号周期的1 4 。 值得注意的是，1 0 2 4 点的前导字序列也要同o f d m a 数据符号一样，进行类似的i f f t 一 1 变换和加入循环前缀。另外前导字序列的子载波要乘于因子4 , 2 ( 一坼) 。 z 至此完成整个o f d m a 帧的时域数据生成。在送入射频之前，这些数据还要进行一次 升采样和滤波和中频调制从而成为中频信号。这个将在后面的平台设计中进一步讨论。 2 5o f d m a 系统中的误差 o f d m a 系统的数据从发送端到接收端，由于无线信道的恶劣环境以及本身系统设备 的原因会引入各种各样的误差。接收端为了还原出发射端的数据必须消除这些误差，这 个工作是由接收端的误差校正模块负责的。在设计误差校正模块之前，首先必须了解各 类具体的误差。下面将一一介绍o f d m a 系统中的各类误差。 载波频偏误差 由于无线信道多普勒频移以及接收端下变频中心频率与发端上变频中心频率的不一 致等原因，接收信号在频域各个子载波频点上会发生的频率偏移，由o f d m 符号的 频谱特点可以知道，此时子载波间不再满足相互正交的关系，将会引入了栩邻子载波干 浙江大学硕士学位论文 扰( i c i ) 。 rln 一1 其频域表达式为s ) i i 去j k = o qs i “一”五十厂1 。fo 其中：n 为子载波号。 而为子载波间隔。 d 为载波频偏。 载波频偏在对时域信号的影响就是在时域信号上引起一个e 。2 榔相位旋转。 符号定时误差 由于发送端的基带数据是离散化的，它经过d a 以及发送端滤波器以后转变成时域连 续信号，完成了一次离散到连续的变换；而在接收端，只要满足奈奎斯特采样定理，接 收到的连续信号经过a d 采样后，变成基带离散信号，则完成了一次连续到离散的采样 处理过程。在这个离散到连续再到离散的信号处理过程当中由于时钟相位的偏差会造 成采样得到的数据并非发送端相应的离散基带数据，离散点上的符号值不能得到恢复。 如下图2 1 5 所示，这种符号定时误差由固定的采样时延差造成的，它不随时间序列的增 加而累积。其对频域信号的影响是在恢复出来的频域子载波上引起了一个e 伽m 相位旋 转。其中a t 为符号定时误差。t o 为采样间隔。可以看到符号定时误差和载波频偏误差分 别在时域和频域存在着一种对称的关系。因此在校正系统中，两者往往可以同时进行校 正。 图2 1 5固定采样时延引起的符号定时误差示意图 时钟频率误差 符号采样除了会引入符号定时误差，同时还会引入另一种误差一一采样时钟频率误 差。由于发射端和接收端的采样时钟频率很难达到完全一致。因此经过离散到连续再到 离散的信号处理过程，它会使接收的离散信号在时域是被拉伸或者压缩。其对采样信号 的影响也反应在收、发基带数据序列的定时时间误差上，不过与符号定时误差不同，由 它造成的采样时问偏差是会随着时间偏移而累计越来越大，如下图2 。1 6 所示。不过由于 9 浙江大学硕士学位论文 目前时钟制造工艺都比较高，因此时钟的频率偏差都非常的微小，一般都在1 0 p p m 左右， 也就是经过几十万次采样之后，相位旋转才会达到1 个采样间隔。因此只要每隔足够少 的采样点，就对采样定时误差重新校正，即可消除时钟频率误差带来的影响。 圈2 1 6 时钟频率误差引起的符号定时误差示意图 系统加性噪声 加性噪声般与传输信号完全独立。它的产生是由于其他信号源的信号干扰或者物理 设备内部工作的不稳定性。在数学上它可以表示为一个叠加与信号之上的随机序列。常 见的加性噪声可以分为单频噪声、脉冲噪声和起伏噪声三类。噪声由于其时间和空间上 的随机性，一般是无法将其消除的。通信系统为了消除噪声带来的影响，通常通过各种 不同的纠错编码方式来保证在低信噪比的情况下实现很低的误码率。之前介绍到8 0 2 1 6 e 的协议中o f d m a 模式下使用了卷积码，它在消除随机错误的方面有就着非常优异的性 能。而o f d m 模式下使用的r s 码在纠正突发错误方面表现出色。 无线信道的影响 无线信道是一种非常恶劣的信道。信号在无线信道环境下传输时，会经历信道的衰落 影响，包括信道时延、幅度衰减、相位旋转、多普勒频移、多径、频率选择性以及时间 选择性等，从而发生畸变。如果不在接收端消除无线传输信道的各种影响，仅仅通过对 之前提到的误差进行处理是无法最终恢复发送端信号的本来面目达到正确接收和解调信 号的目的的。这里逐一介绍一下无线信道的各种影响。 信道时延主要有三个方面的影响：( 1 ) 使信号发生相位旋转；( 2 ) 发送符号的延时叠 加造成了符号间干扰( i s i ) ；( 3 ) 由i s i 进一步造成了一个符号内的子载波间干扰( i c i ) 。 后面两个影响可以在0 f d m 的每个符号前添加循环前缀作为保护间隔来消除，只要保护间 隔的长度大于信道时域冲击响应的时问即可。对于在慢衰落信道下，信道的响应时问和 时延远远小于0 f d m 的符号周期因而在慢衰落信道情况下该部分线性相位旋转可以忽略 小计。 由于信道关系产生的幅度衰减和相位旋转并不像之前介绍的干扰那么简单，它是具有 频率选择性以及时问选择性的，很难找到确定的规律，因此在纠正这方面带来的信号误 差时需要引入信道估计的机制。具体的实现将在后续章节中具体介绍。 浙江火学硕士学位沦文 - ，曲干接收机位置、发射机位置或者中间的信道媒介的变化，会使接收到的信号发生多 普勒频移，它的影响可以归结到载波频偏中。在纠正载波频偏的时候，可以将其的影响 消除。 由于无线信道往往存在多条信号传输路径，因此接收端接收到的信号很可能是一个多 径信号。其影响主要体现为其降低了系统的有效信噪比s n r 以及载干比c 1 ，同时它与多 普勒频移结合还会导致子载波间干扰l c i 的产生。 2 6 误差校正系统的仿真环境 以上介绍了整个o f d m a 系统数据到达接收端后可能存在的误差。在正式设计误差校 正模块之前，需要先生成仿真验证数据。首先将用户数据按照1 0 2 4 点o f d m a 下行帧分 配结构对数据进行信道编码。整个信道编码包括以下几个步骤；数据分块、扰码、前向 纠错编码、交织变换和调制。完成信道编码后整个频域基带数据就生成完毕了。接着将 频域数据进行i f f t 转换到时域数据，再对时域数据加循环前缀，至此基带的发送数据就 生成完毕。接下来，基带的发送数据还要通过过采样，内插滤波，卜变频变到中频，然 后送到射频模块调制到射频，再发射到无线信道中去。由于这些模块可以直接仿真其引 入的噪声，所以可以省略仿真实现。数据生成的仿真过程可以只生成基带的发送数据。 噪声的引入可以交给其他的仿真模块。 数据卜信道之后会受到信道的干扰，所以需要有个多径信道模型，本次设计的测试 信道为一个t d s c d m a 四径衰落车载信道，时速为5 0 k m 射频中心频率为2 5 g h z 时 多普勒频移为1 1 6 h z 。在接收端由于发送、接收端射频模块的中心频率可能出现误差， 所以需要引入载波频偏误差。接收端无法预知数据符号何时到达，所以需要引入符号定 时误差。发送端的d a 和接收端的a d 时钟频率不一致也可能存在偏差，故要引入时钟 频率误差。另外，任何一个系统都是有加性噪声的，所以还需要引入一定信噪比的加性 噪声。通过在发送数据中引入这些误差便得到了仿真所需的接收端数据源。这里还要提 一点的是，实际系统中。还有一个误差就是载波相位误差，它是由于发送端无法预知接 收端载波相位而导致的，但是这个误差可以在信道模型中反应，所以不需要额外添加。 最后将这个生成数据送入自行设计的接收端时域校正模块、频域校正模块以及信道估 计模块，完成 二述所有误差的校正，得到进入接收端解调器之前的数据。这时便可以通 过观看星座图检查误差的校正情况，当然如果完成后续的解调、解交织、解码、解扰、 数据重组等模块便也可以通过分析误比特率来检仓糇个校正情况。 以下给出物理层数据的整体流程框图。其中实框为仿真实现部分，而虚框为仿真没有 实现的部分。图中右侧的几个模块虽然没有实现，不过它们所引入的噪声由误差仿真模 块加以引入。 浙江大学硕士学位论文 信道编码 产虫韩泼绶踊 产生符号定时误差 产生时钟频率误差 图2 1 7o f d m a 物理层整体流程框图 在上面介绍的过程中系统误差校正模块是按小模块独立分别介绍的。下面给出系统误 差校