（通信与信息系统专业论文）ofdm软硬件仿真研究.pdf

兰州大学研究生学位论文 摘要 在无线信道中，可靠、高速的传输数据是无线通信的目标和要求。而o f d m 技术 具有抗多径时延、抗信道衰落、频谱利用率高和硬件实现简单的特点，近年来获得了广 泛的应用，并且有望成为4 g 的核心技术。同时，由于无线信道具有复杂、多变的特点， 为了获得无线通信系统的最佳性能，需要建立软硬件仿真平台为通信系统的设计提供指 导，并且通过建立这个平台为新算法在实际通信系统中的应用提供测试手段。 本文首先详细介绍了o f d m 的原理和用s i m u l i n k 仿真软件设计的瑞利无线信道 o f d m 基带仿真系统模型。在该模型上，分别测试了l d p c 编码与r s 编码、q p s k 与 1 6 q a m 信道映射对信噪比的影响：同时也对本文提出的一种基于p n 训练队列的信道 估计方法进行了测试，验证其效果好于传统的l s 、m m s e 方法。本文在该o f d m 基带 仿真模型上获得了大量数据，为实际通信系统设计的取舍提供了依据。 其次在f p g a 上仿真了o f d m 硬件实现中最关键的模块f f t 处理器。本文设 计的f f t 处理器采用流水线和并行处理技术，在6 4 个时钟周期完成6 4 点复数定点f f t 运算，可以满足o f d m 系统的需要。 最后，在o f d m 仿真模型和f f t 处理器的基础上，本文在f p g a 上仿真了一个 o f d m 基带调制模块。该模块中除了包括f f t 模块外，还有串并转换、r s 编码、q p s k 映射和添加循环前缀等模块。由于采用三级流水线处理速度达到1 7 m b i t s s ，可以满足实 际应用的需要。该仿真模块为整个o f d m 硬件系统的实现和基带a s i c 的设计打下了基 础。 关键词：正交频分复用( o f d m ) ；s i m u l i n k 仿真；信道估计：f f t 处理器；里德一索 洛蒙编码( r s 码) ；现场可编程门阵列( f p g a ) 兰州大学研究生学位论文 a b s t r a c t d 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 sw i t hh i g hs p e e da n dr e l i a b i l i t yi sr e q u i r e di nf u t u r e w i r e l e s ss y s t e m s o f d m ，w i t ht h ea n v a n t a g eo f h i g hs p e c t r u me f f i c i e n c ya n d e a s yr e a l i z a t i o n ， c a ns t r o n g l yc o m b a tm u l t i - p a t ha n dd i s p e r s i v ec h a n n e li n t e r f e r e n c e ，s oi t sa p p l i c a t i o ni s r e m a r k a b l ea n di tw i l lb et h ek e yt e c h n o l o g yo f4 gw i t h o u tq u e s t i o n ，a tt h es a m et i m e ，a s o f t w m - ea n dh a r d w a r es i m u l a t i o ns y s t e mi sn e c e s s a r yf o ro b t a i n i n gt h eb e s tp e r f o r m a n c ea n d t e s t i n gt h en e w a r i t h m e t i c f i r s t ，t h i sp a p e rd e t a i l e d l yi n t r o d u c e st h ep r i n c i p l e so fo f d ma n dt h eb a s e b a n ds i m u l a t i o n m o d e lo fo f d mi nr a y l e i g hc h a n n e lb ys i m u l i n k i nt h i sm o d e l ，l d p cv sr s ，q p s kv s 1 6 q a ma r et e s t e df o rt h ep e r f o r m a n c eo fs n r an e w a r i t h m e t i co fc h a n n e le s t i m a t eb a s e d o np nc o d ei sa l s ot e s t e d ，w h i c hh a sb e t t e rp e r f o r m a n c ec o m p a r e dt ot h el s ，m m s e a r i t h m e t i c s e c o n d ，t h i sp a p e rs i m u l a t e st h ef f tp r o c e s s e ri nf p g aw h i c hi st h ek e yb l o c ko fo f d m h a r d w a r es y s t e m t h ef f tp r o e e s s e ra d o p t st h ep i p e l i n ea n dp a r a l l e lt e c h n o l o g ya n dc a n c o m p l e t e6 4p o i n t sf f tc o m p u t a t i o ni n6 4c l o c k s i ti sa b l e t om e e tt h en e e do fo f d m s y s t e m t h el a s t b a s e do nt h es i m u l a t i o no fo f d ma n df f tp r o c e s s o r , t h i sp a p e rs i m u l a t e sa o f d mm o d u l a t i o nb l o c ki nf p g a t h i sb l o c kc o n c l u d e ss e r i a lt op a r a l l e ln o c k ，r sc o d e r , q p s km a pb l o c kb e s i d e sf 】盯p r o c e s s o lw i t ha d o p t i n gt h et h r e el e v e l p i p e l i n et e c h n o l o g y , t h ep r o c e s ss p e e dh a sr e a c h e d1 7 m b i t s s ，s ot h i sb l o c kc a nm e e tt h en e e do fp r a c t i c a l a p p l i c a t i o n k e y w o r d s ：o f d m ；s i m u l i n ks i m u n i c a t i o n ；c h a n n e le s t i m a t e ；f f tp r o c e s s o r ；r sc o d e ； f p g a i j 原创性声明 本人郑重声明：本人所呈交的学位论文，是在导师的指导下独立 进行研究所取得的成果学位论文中凡引用他人已经发表或未发 表的成果、数据、观点等，均已明确注明出处。除文中已经注明 引用的内容外，不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研 成果对本文的研究成果做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以 明确方式标明。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者主名：盘呈j 圭 日 关于学位论文使用授权的声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归 属兰州大学。本人完全了解兰州大学有关保存、使用学位论文的规定， 同意学校保存或向国家有关部门或机构送交论文的纸质版和电子版， 允许论文被查阅和借阅；本人授权兰州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，可以采用任何复制手段保存和 汇编本学位论文本人离校后发表、使用学位论文或与该论文直接相 关的学术论文或成果时，第一署名单位仍然为兰州大学。 保密论文在解密后应遵守此规定。 论文作者签名：盘焦导师签名；甚越冬e l 期：z 盔纽z 兰州大学研究生学位论文 第一章绪论 近年来，无线通信技术得到了迅猛的发展和广泛的应用，已成为信息和通信学科中 最活跃的研究领域。同时，o f d m 技术由于具有抗时延弥散、抗多径衰落、结构简单和 频率利用率高等优点而成为新一代无线接入的方式的佼佼者，目前已经被推为第四代 ( 4 g ) 移动通信的候选技术【l j 。 然而，o f d m 技术的研究工作的开展需要一个软硬件的仿真平台。本文通过o f d m 各个重要模块所提出的各种方案进行了以数字仿真结果为依据的对比，充分展示了所提 出各种方案的性能、优缺点，并且相应地提出了在特定环境下如何权衡取舍的方法。 1 1o f d m 技术的发展与仿真 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 t i p l e x i n g ) 即正交频分复用，是一种多载 波调制( m c m ) 技术。2 0 世纪6 0 年代已经提出了o f d m 的基本原理，1 9 7 1 年w e i n s t e i n 和e b e r p 又提出用离散傅立叶变换来等效多个调制解调器的功能，简化了系统结构，使 o f d m 技术更趋于实用化。由于o f d m 的各个子载波问相互正交，采用f f t 实现正交 调制，在当时的系统应用中，实时傅立叶变换的复杂度、发射机和接收机振荡器以及射 频功率放大器的线性要求等因素都成为o f d m 技术实现的制约条件。近年来，数字信 号处理技术和超大规模集成电路技术( v l s i ) 的发展才使得制约o f d m 技术发展的屏 障不复存在，o f d m 逐步走向实用。1 9 9 5 年欧洲电信标准委员会( e t s i ) 将o f d m 作 为数字音频广播( d a b ) 的调制方式，这是第一个以o f d m 作为传输技术的标准。欧 洲数字视频广播联盟在1 9 9 7 年采用o f d m 作为其地面广播( d v b - - t ) 的调制标准。 1 9 9 9 年，o f d m 作为无线本地局域网的传输技术被h i p e r l a n - - i i 标准和i e e e 8 0 2 1 1 扩展标准选用。o f d m 的主要应用领域还包括：非对称数字用户环路( a d s l ) 、高清晰 电视( h d t v ) 和无线局域网( w l a n ) 。 目前，通信系统仿真主要用s y s t e m v i e w 、s i m u l i n k 、l a b v i e wo p n e t 等工具软件， 这些软件都有使用方便灵活、既可以编程实现也可以用图形化方法实现的特点。它们可 以完成基带、射频、信道等通信系统各个部分的仿真。而且各种工具都支持硬件厂家的 工具包( 如s i m u l i n k 就支持t i 和a l t e r a 公司的工具包) ，可以实现由系统模型直接 向代码转换。现在各种o f d m 系统计算机仿真模型已经被建立起来，不仅有无线环境 兰州大学研究生学位论文 下的o f d m 系统【3 】【4 】删，还有特殊环境下的o f d m 应用，如电力纠6 】、水声通信刀等特 殊的应用环境。这些仿真模型用来优化系统参数和验证算法，为研究和实际应用打下了 坚实的基础。 1 2 f p g a 和可编程信号处理器 通用的可编程数字信号处理器( p r o g r a m m a b l ed - g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r , p d s p ) 在近 2 0 年里已经取得了巨大的成功1 8 。但是p d s p 技术的发展总是落后于d s p ( d i g i t a ls i 皿a l p r o c e s s i n g ) 理论的发展，特别是面对现代电子产品的品种和性能的更高要求，这种矛 盾更加突出。这主要表现在随着d s p 应用领域的拓宽和各类性能指标的不断提升，采 用p d s p ( 如t i 的t m s 3 2 0 c 系列) 的解决方案日益面临着不断增加的技术挑战，而其 自身的技术瓶颈( 如运算速度、吞吐量、总线结构的可变性、系统结构的可重配置性、 硬件的可升级性等) 致使这种解决方案在许多新的领域的道路越走越窄。例如，软件无 线电的概念在1 0 年前就已提出，并付诸研究和实现，仅其频域中数字信号处理器的等 效速率也需达到5 0 g i p s 。然而到目前为止，最快的数字信号处理器，如t i 的c 6 x 系列 也没能超过5 g 口s ，最常用的t m s 3 2 0 c 5 4 x 系列只有o 1g i p s 。 事实上，在d s p 领域，除了普通的p d s p 外，利用f p g a 来实现d s p 系统已非常 普遍，例如：实时图像处理、联合战术无线电通信系统、3 g 移动基站等。用f p g a 实 现数字信号处理是基于s o c 和e d a 技术的现代电子技术发展的产物，它有效地克服了 p d s p 的诸多技术瓶颈，在许多方面显示了突出的优势，如实时性和高速性( a l t e r a 基于f p g a 的d s p 等效速度大于7 0 g 坤s ) 、高可靠性、自主知识产权化、系统的可配 置与硬件可重构性、单片d s p 系统的可实现性以及开发的标准化和高效率【1 。 本文在第四章和第五章采用a l t e r a 公司的q u a m 皿软件和s t r a t i x 固i i 器件仿真了 一个o f d m 基带调制模块。q u a t l l s l i 是一个集成开发环境，可以完成f p g a c p l d 整个 开发过程，提供与结构无关的设计环境和强大的逻辑综合能力。q u a m 勰n 界面风格简洁， 易学易用，系统设计输入可以采用图形方式或文本方式，并支持h a r d c o p y i i 技术，很 方便由f p g a 向a s i c 的实现。q 1 l a 嘲1 s 具有强大的仿真测试功能，可以完成逻辑仿真 和时序仿真，在时序仿真可以准确地反映器件的门延迟和布线延迟，使硬件的开发工作 尽可能地集中在计算机上实现，业界普遍认为q u a n u s 可以完成f p g a 开发8 0 的工 作o l 。 兰州大学研究生学位论文 s t t a t i x i i 器件建立在1 2 v 、9 0 r i m 、s r a m 工艺之上，拥有1 5 6 0 0 至1 7 9 4 0 0 个逻辑 单元和百万门以上的规模，是市场上规模最大的f p g a 。器件内部有9 m b i t s 的片内r a m ， 高度优化的数字信号处理模块中( 1 8 1 8 ) 嵌入式乘法器数量达到3 8 4 个，采用 h a r d c o p y h 结构化方式实现a s i c ，以极低的风险实现成本降低1 。 1 3 论文的意义和内容 本文主要研究用s i m u l i n k 搭建一个o f d m 的在瑞利多径衰落信道下的传输模型， 对其中的编码技术、信道映射、信道估计进行了仿真，对各种方案进行了对比，为系统 的实现和进一步研究打下了基础。在这个模型的基础上，本文在f p g a 上仿真了其中的 关键的快速傅立叶模块，并且以傅立叶模块为基础实现了o f d m 调制模块。 第一章介绍了o f d m 技术的发展和如何用f p g a 实现数字信号处理。第二章详细 介绍了0 f d m 的原理和用s i m u l i n k 仿真软件设计的瑞利无线信道o f d m 基带仿真系统 模型。在该模型上，分别测试了l d p c 编码与r s 编码、q p s k 与1 6 - q a m 信道映射对 信噪比的影响：同时也对本文提出的一种基于p n 训练队列的信道估计方法进行了测试， 验证其效果好于传统的l s 、m m s e 方法。第三章在f p g a 上仿真了o f d m 硬件实现中 最关键的模块一f f t 处理器。本章设计的f f t 处理器采用流水线和并行处理技术，在 6 4 个时钟周期内完成6 4 点复数定点f f t 运算，可以满足o f d m 系统的需要，同时给 出了仿真时序图。第四章在f p g a 上仿真了一个o f d m 基带调制模块。该模块中除了 包括f f t 模块外，还有串并转换、r s 编码、q p s k 映射和添加循环前缀等模块。同时 给出了仿真时序图。 兰州大学研究生学位论文 第二章o f d m 系统介绍与仿真 o f d m 的主要思想是把高速率串行码流变若干个并行的低速码流，调制到等间隔组 正交的子载波上。其基本原理是将总的信道带宽分成多个带宽相等地子信道，每个子信 道通过各自的子载波调制各自的信息符号，因此在时域的每个o f d m 符号持续时间比 单载波长的多，于是抗多径衰落能力比单载波好很多。另外，o f d m 符号中引入保护间 隔能有效地克服多径信道的延时扩展，消除码间干扰，因此不必采用复杂昂贵的均衡器。 在本章中除了介绍o f d m 的基本原理外，主要工作是用s i m u l i n k 建立一个仿真模 型，测试了l d p c 和r s 模块、q p s k 和1 6 - q a m 映射模块，提出了一种具有实用价值 的基于p n 码的信道估计方法，同传统的l s 和l m m s e 算法相比具有抗噪声能力强、 计算简单的特点。 2 1o f d m 基本原理 2 1 1o f d m 信号 在串行数据系统中，若是需要以非常高的速率传输数据，就会使信道的带宽增加， 易产生码间干扰，从而增加误码率。在多径传播过程中甚至造成突发性误码，使得数据 系统的传输量大大下降。如果把信道带宽划分成若干子信道，这样每一条子信道近乎理 想，可以有效利用带宽，同时抑制码问干扰。多载波通信系统就是利用各个相互独立的 子信道同时传输码元。o f d m 就是这样一种频分复用的多载波系统。 设 ) 是组载波，各载波的频率关系为 五) = f o + k t , k = 0 , 1 ，2 ，一- , n l ( 2 - - 1 ) 式中t 是单个码元的持续时间， 是最低使用频率。 作为载波的单元信号组定义为 g 以奠2 e 止坩，o s r ( 2 2 ) l g 以后) = 0 ，o t h e r w i s h 这种子载波的设定保证了载波 ( g ( f ，蛾g ( t ，) ) ：知( f ，忌) + g ( ) 毋：x ，：邪。叫： o d t ：t i e j z 等毋：r ( k - 1 ) ( 2 3 ) 可以得出，o f d m 由一系列在频率上等间隔的子载波构成，每个子载波被单独的数 4 兰州大学研究生学位论文 字符号调制，调制的方法可以相同也可以不同，但各个子载波的信号功率谱形式是相同 的，都为s i n f f 型，它对应于时域的方波。 当以一组取自有限集的复数e j , k 表示数字信号对机 的调制时，则 - i j ( ，) = q ，t g ( t - n t , k ) = 巧( r ) ( 2 4 ) f = i = of = “ j ( f ) 即为o f d m 信号。o f d m 合成信号的频谱非常接近于矩形，因此频带的利用率可趋 向香农信息论的理论极限【舯。o f d m 信号波形图如图2 - - 1 图2 - - 1o f d m 信号 由于子载波的正交性，可以很方便的提取出信息。 旷寺t i ( i ，+ 1 ) 肛，k = 0 , - , n - i 2 1 2 用i d f r d f t 实现调制解调 ( 2 5 ) 从上节中所述所知，如果要直接产生o f d m 信号，当n 很大的时候需要很多载波 发生器、滤波器、调制器和相关解调器，实现系统的复杂程度是难以想象的。s b w e i n s t e i n 和p m e b e r r 1 1 在1 9 7 1 年发表的论文中指出o f d m 的调制解调可以利用n 点 的踟d f t 来快速实现，大大降低了系统实现的复杂度。 对o f d m 的基带信号进行符号周期内以z = 正n 作抽样，t 是o f d m 的符号周 期，我们将得到： 。抽：。础；k ，：e x , ，。肼昙 ( 2 6 ) 兰州大学研究生学位论文 可见，对( f ) 以正抽样得到的n 个样值扛抽j 正好是慨，。 的i d f t 。因此，o f d m 的调制可以由i d f t 实现：先对n 点的复调制序列求i d f t 变换，得到离散的o f d m 符 号p ( 功 ，再经过一个低通滤波器就得到所需的连续o f d m 信号s ( t ) 。在接收端，先对 接收信号，( f ) 采样得到轨， ，再对h j 求d f t 即可得 ，即 = 专荟h - i e - 2 x n k = 专d f t ( f ，( 砌 ( 2 7 ) 由上述推导可知，o f d m 信号的调制解调可以由i d f t d f t 来实现。 2 1 3 循环前缀 循环前缀是o f d m 技术中很有特色的部分，它的优点是几乎消除了使用均衡器的 必要。信号可以在多条路径上传播而先后到达接收端，这种现象就引起了符号间干扰 ( 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 ) 。o f d m 在每个信号前部流出一段保护带( g u a r dt i m e ) ， 又叫前缀( p r e f i x ) ，其时间宽度大于信道的最大时延扩展( d e l a ys p r e 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i s i ，不能消除符号内部的i c i ( i n t e r - c h a n n e li n t e r f e r e n c e ) 。为此 a p e l e d 和a r u i z 于1 9 8 0 年发表了有关循环前缀( c y c l i cp r e f i x ，c p ) 的论文解决了 这一问题。他们不是在符号间插入另外保护间隔，而是插入o f d m 符号的周期扩展。 通常，在实际系统中，前缀使用的是符号最后一段的时域信号的拷贝。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。循环前缀示意图如图2 2 舶上翻砰嚣理孵o = f d 婿芍 一 厂7 一复制、 印l m p r o f m ll i ? 蛔i e lln n + l 图2 2 循环前缀示意图 当然，系统加入循环前缀也带来了一定的性能损失。首先，系统损失了信号能量， 6 兰州大学研究生学位论文 凼为目g 重l ( n + l ) 设用采传j 羞循外w u 缴，而循环丽缀征矮收瑞解调时是设删除小用的。 其次，循环前缀降低了系统的有效带宽利用率，即每单位带宽的比特率。理论上，使用 m 进制数字调制的o f d m 系统可以达到l o g zm b i t s l s l h z 。假定输入系统的比特流速率 为r = 1 t ，则m 进制调制后的速率为l ( r i o g ：时) ，而每个子载波上的符号速率为 1 ，( 胴1 0 9 zm ) ，等于子载波间隔v 。o f d m 的带宽为：矿2 南因此，带宽利 用率为= 参l o g ：膨。但是，在加上循环尊缀之后，为保持信息速率不变，o f d m 总 的抽样速率上升为! 生n 兰南，故。f 。m 的带宽也增大到! 笋矿，而系统有效 比特率仍然为r ，所以带宽利用率就降低为七，虽然循环前缀对系统造成了一定 y1 _ 山 的悻能辐央侣县与官带来的优点相比缺点榀失县允许的。 2 2o f d m 系统仿真平台 2 2 1s i m a l i e k 简介 s i m l l 】i n k 是一个用来对动态系统进行建模、仿真和分析的软件包。它提供了一个图 形化的交互环境，只需要用鼠标拖动的方法便能迅速地建立系统模型。它和m a b 的无缝结合使用户可以利用m 觚l a b 的丰富资源来建立仿真模型，监控仿真过程，分 析仿真结果。另外，s i m u l b l k 在系统仿真领域已经得到了广泛承认和应用，许多专用的 仿真系统都支持s _ i m u l m k 模型，这非常有利于代码的重用和移植。使用s i m u l 址可以 方便地进行控制系统、d s p 系统、通信系统以及其他系统的仿真分析和原型设计。 作为s i m m i n l 【建模系统的补充，m a t h w o r k s 公司还开发了专用功能块程序包，如 d s pb l o c k s e t 和c o m m u n i c a t i o nb l o c k s e t 等。通过这些程序包，用户可以迅速地对系统 进行建模、仿真与分析。更重要的是用户还可以对系统模型进行代码生成，并将生成的 代码下载到不同的目标机上。 要进行o f d m 系统的研究，需要建立一个完整的o f d m 系统，图2 3 为o f d m 7 兰州大学研究生学位论文 的基本结构图【1 3 】。 图2 3o f d m 系统的基本结构 本文采用s i m u l i n k 搭建了一个o f d m 链路层系统模型，如图2 4 。其中r s 模块 和q p s k 映射模块可以换成其他的编码模块和信道映射模块。考虑到瑞利衰落和高斯信 道对信号的畸变，本系统采用信道估计和信道补偿策略。 图2 4o f d m 仿真模型 整个系统的流程为：产生二进制( b e r n o u l l i ) 数据一经过r s ( 或者其他编码模块) 编码一q p s k ( 其他信道方式) 映射一o f d m 系统基带信号调制并加入循环前缀一插入 保护间隔一并串转换一多径瑞利衰落信道一高斯信道一串并变换一删除保护间隔 8 兰州大学研究生学位论文 一o f d m 基带信号解调并删除循环前缀一进行信道估计一进行信道补偿一进行0 删除一 r s ( 或其他译码模块) 译码一进行误码率计算。 图2 5 a 和图2 5 b 分别是o f d m 基带调制和添加循环前缀模块与基带解调和去除 循环前缀模块。在调制模块中数据经过矩阵添零之后的数据格式为 0 , x t ，x 1 ，o ，0 , x s 。，比 ，添加循环前缀模块是把经过f f t 变换后的后1 6 个数据 添加到这组数据的前面。解调模块的工作过程是调制模块的反过程。 上 = = = = = = = = = 目4 k 引习碍 c 扣+n 口 i j l - q = ；_ = _ l 目_ _ t 4 o， 一、- 一。、 、一 r 一一r - 一- - 一。w 。 。“ 一# _ ， 一“。= ( a ) 2 2 3 仿真结果 ( b ) 图2 5o f d m 解调模块 s i m u l i n k 是基于时间流的仿真。所谓时间流仿真，即所有的模块都在每一个时间步 长上同时执行。 分析上述系统的仿真结果，可以得到图2 6 a 和图2 6 b 所示的o f d m 基带信号波 形图。 9 兰州大学研究生学位论文 ( b ) 图2 6 发送端和接收端实部和虚部波形 图2 7 a 和2 7 b 分别是未经信道补偿和经过信道补偿的q p s k 解调图，可以看出 经过信道补偿后效果明显改善。 ( a ) c b ) 图3 - - 7 信道补偿和补偿后的q p s k 调制和解调 为了验证仿真结果的正确性，同时给出了o f d m 信号的归一化功率谱图，如图2 8 a 和图2 8 b 1 0 兰州大学研究生学位论文 2 3 编码仿真 ( b ) 图2 8 发送端和接收端归一化功率谱图 本节的主要内容是在上节所介绍的仿真平台的基础上验证了r s 编码、u ) p c 编码 的效果。r e e d - s o l o m o n ( 简称r s ) 码是多元b c h 码的一种。b c h 码能纠正多个错误的纠 错码，纠错能力强，构造方便，编译码简单，易于实现，在短码和中等码长的条件下性 能接近香农限，多元的b c h 是将二元b c h 码推广到多元域中。r s 码是在现代数据通 信和媒体中应用及其广泛的信道纠错编码，在很早的m m 硬盘、阿波罗登月计划、光 盘编码和高清晰度电视信道编码中都使用了r s 编码。r s 编码原理在第四章中介绍。 低密度奇偶校验( l o w - d e n s i t yp a r i t yc h e c k ，l d p c ) 码，是哥拉格( g a l l a g e r ) 【1 4 】 于1 9 6 2 年提出的一种接近香农限的好码。在很长的一段时间里，l d p c 码并未受到人 们的重视。后来人们研究发现l d p c 码的差错控制能力相当于甚至好于t u r b o 码，性能 非常接近香农限，逐渐成为编码领域的一个研究热点。l d p c 码与其他信道码相比，在 a w g n 信道和不相关平坦瑞利衰落信道上的纠错控制能力突出，将会逐步应用于实际， 尤其是对可靠性要求较高的移动通信领域【1 5 】。 兰州大学研究生学位论文 l d p c 码的译码方式有两种：硬判决迭代译码算法和软判决迭代译码算法。最著名 的软判决迭代译码算法是和积译码算法【1 6 1 。和积译码算法利用因子刚1 刀的边缘，传递概 率信息完成译码过程。 下面给出了o f d m 系统经过r s 编码和l d p c 编码后误码率变化曲线图。 r s 编码为r s ( 1 5 ，1 1 ) ，l d p c 编码为( 6 ，2 ，3 ) 编码，采用q p s k 映射，利用 蒙特卡罗方法产生4 径独立瑞利衰落子信道；各子径延迟时间为【o ，3 ，0 6 ，1 o 】，单位 为微秒：各子径功率为【0 ，- 1 0 ，- 9 0 ，1 0 0 】，单位为分贝，信道最大多普勒频移 丘= 2 0 0 h a ，信道估计方法为本文提出的基于p n 的方法。 从图2 9 可以看出当信噪比较高时r s 编码性能较好，信噪比较低时候r s 编码对 误码率改善不大，同样条件下l d p c 编码要比r s 编码优越得多。 图2 9l d p c 与r s 编码误码率比较 2 4 信道映射仿真 本文在上面的平台上对q p s k 和1 6 - q a m 两种不同的信道映射方法进行仿真，由图 2 1 0 可知，采用高性能的调制方法1 6 - q a m 在信噪比较低时会使系统的误码率增大。 所以在系统设计时，我们就需要对误码率和调制方法进行权衡，例如，如果信道状况良 好，在保证一定误码率的前提下，可以采用更高性能的调制方法，如6 4 - q a m 等。 信道最大多普勒频移兀。= 2 0 0 h a ，利用蒙特卡罗方法产生4 径独立瑞利衰落子信 道；各子径延迟时间为【o ，3 ，0 6 ，1 o 】，单位为微秒；各子径功率为【o ，1 0 ，9 0 ，1 0 0 】， 兰州大学研究生学位论文 单位为分贝，信道估计方法为本文提出的基于p n 的方法。 图2 一i o 信道映射对误码率的影响 另外，利用本仿真平台中的信道估计模块，根据信道估计参数而采取自适应的调制 方式，可以获得最好的性能1 射。 2 5 信道估计 信道估计可分为盲估计和非盲估计，以及由此基础上产生的半盲估计。在基于 o f d m 的新一代无线通信系统中，因为传输速率较高，并且需要使用相干检测技术获得 较高的性能，所以通常使用非盲估计以获得较好的估计效果。这样还可以更高地跟踪无 线信道的变化，提高接收机的性能。对非盲信道估计，从导频插入位置而言，可以分为 导频辅助调制( p s a m ) 和直接判决( d e c i s i o nd i r e c t e d ) 的方法【1 9 1 。对于非盲信道估计， 目前主要采用两种算法：最d , - - - 乘( l s ) 算法和最小均方误差( m m s e ) 算法及其改进 算法，如线性最小均方误差( l m m s e ) 口0 1 算法。本节提出了一种基于p n 码信道估计 的算法，给出了仿真和结论。 基于导频的o f d m 的非盲信道估计算法的基本过程是： 在发送端适当位置插入导频，在接收端利用导频估计出导频位置的信道信息，然后 利用数字信号处理获得该时段的信道信息。采用直接判断的导频结构，这种导频结构估 计方案假定了信道连续几个符号内不变( 慢变信道) ，则根据当前的导频符号得到的信 道估计可以用于连续几个o f d m 符号。针对这种导频结构，本文采用l s 和im m s e 两 种算法。 兰州大学研究生学位论文 l s ( 1 e a s t - s q u a r e ，最小平方) 信道估计就是从最小平方的意义上得到的信道估计器。 它所采用信道模型为 y = x f g + ，l ( 2 8 ) y 为接收到的数据，z 为发送数据，f 为d f t 矩阵，h 为噪声，利用循环脉冲响应g 的l s 估计器使0 ，一x f g ) ”( j ，一x f g ) 最小，通过计算得 氟k = f q b f hxhy(2-9) 将其带入化简后的l s 估计表达式： hb=x“y(2-10) 这就是l s 算法的实现过程。 m m s e 算法的模型同l s 算法一样，只是m v i s e 需要计算一个q 矩阵的逆，计算 量很大，限制了它的应用。我们采用了改进的4 4 a 程e 算法，如l m m s e ，其原理是用信 道白相关矩阵对l s 估计进行修正。 估计时若采用l s 算法，估计值受噪声的影响，在信噪较低时估计精度和性能不高， 而采用l m m s e 算法精度高，估计性能好，但是需要利用每条子路径的功率及延迟等先 验知识构造一个信道自相关矩阵，运算量依然较大。上述两种方法都假定信道在连续几 个符号内不变，当信道在符号间变化快时( 快变信道) ，跟踪信道能力有限，性能将会 下降很大，本章提出了一种新的基于直接判决导频结构的、利用( p n ) 码特性的信道估 计方法，估计性能与l m m s e 算法相似，但计算量有较大的减少，且不需要信道的先验 知识，只要求c p 的长度大于信道的长度。 p n 码序列具有类似白噪声的性质，而且它循环移位后是另外不同的p n 码序列， 各p n 码的自相关值都是1 ，但是任意两个p n 码序列的互相关值接近零口1 1 。利用这些 性质，产生一个o f d m 符号长度的p n 码序列s ( 长度为n ) 作为导频符号，s 表示为： s = p ( o ) ，s ( 1 ) ，s ( n 1 ) 】7 ，加入c p ( 长度为g ) 后为而( 长度为n + g ) 进入多径信道 h 可得接受信号为y ， g - i 儿= 鱼+ 一， ( 2 1 1 ) 只= 儿( o ) ，只( 1 ) ，只( + g 一1 ) 】7 ， 吩= 【吃( 0 ) ，吃( 1 ) ，- 鸭( + g 一1 ) r ， 兰州大学研究生学位论文 = o ，o ，x a o ) ，( 1 ) ，t ( + g i 一1 ) r 上式中各个向量都是( n + g ) x1 的列向量， 拧是信道高斯噪声向量，定义s ，为上式中x ：中去掉c p 后的列向量： 以= i s ，( o ) ，j o ) ，墨( n - 0 7 。由( 3 8 ) 式y 。去掉c p 后得 g l s = + 拧 ( 2 1 2 ) s = i s ( o ) ，s ( i ) ，s ( n 一1 ) 】7 ， 1 1 t 是吃的后n 项元素组成的序列。很容易发现q 正好是p n 码序列循环右移i 位后的序 列，则各毋已知。其中由上式得： g l s ( = h i s ，( | j ) + ，l ( i ) i * 0 ( 2 一1 3 ) 计算s 和各个。j 的互相关z ，： ，n - i，- 1 g - 1 z j2 k 荟跗如，2 k = 0 1 = 0 + 荟i v - ! 一( s ， ( 2 1 4 ) 上式中第二项，相当于用一个p n 码序列对噪声进行扩频，将噪声功率压缩n 倍； 对于第一项，因为假定h 在一个o f d m 符号时间内不变， n - 、壁曼 g i n i g 一1 ，荟委 蹦d j ，( 姊2 善 荟“的s ，】2 蕃a ( 2 1 5 ) _ 即是墨* 0 s j 的互相关，矩阵表示 z = r h + w 或者h = r 4 z + r 1 w 信道估值；：r 。z ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) 新方法具有良好的降噪声性能，由于扩频增益，子载波数越多，降噪性能越好，将 五经过n 点d f t 得到频域信道的估值向量 詹= d f t ( 6 ) ( 2 1 8 ) 在o f d m 系统中，为了跟踪快变信道，每隔几个数据符号就发送二个o f d m 符号 长度的p h i 码序列作为导频符号，然后利用相邻两个导频符号的信道估计做线性插值， 兰州大学研究生学位论文 将插值结果作为中间o f d m 数据的信道估计。插值公式为： t , = h o + f x 【皿一i r 彳o 】m ( 2 1 9 ) 将上述方法总结如下：1 ) 首先发送一个p n 码序列s ，接受端接收得到2 ) 由( 2 - - 1 6 ) 式计算z ：3 ) f l j ( 2 - - 1 7 ) 式计算磊；4 ) 发送( m - - i ) 个o f d m 数据符号；5 ) 重复1 - - 3 步，得到后一个导频符号的信道估计玩；6 ) 计算中间各个o f d m 数据符号 的信道估计。 p n 码信道估计仿真模型结构和信道补偿结构如图2 一l l 和图2 1 2 2 1 1p n 码信道估计仿真模块结构 2 一1 2 信道补偿仿真模块结构 仿真在本章第二节介绍的仿真平台上进行，仿真采用3 0 个p n 码、“个子信道， 循环前缀长度为1 6 ，每发送4 个o f d m 符号插入一个导频符号；采用q p s k 映射，利 用蒙特卡罗方法产生4 径独立瑞利衰落子信道；各子径延迟时间为【0 ，3 ，0 6 ，1 0 1 ，单 位为微秒；各子径功率为【o ，- 1 0 ，- 9 0 ，一1 0 0 】，单位为分贝；信道最大多普勒频移i 咄 分别选用1 0 0 h z 和2 0 0 h z 。图2 1 3 a 和图2 1 3 b 分别是l s 、l m m s e 和新估计方法在 最大多普勒频移为1 0 0 h z 和2 0 0 h z 时误比特率随信噪比的变化曲线图。 1 6 兰卅i 大学研究生学位论文 ( b ) 图2 一1 3 误比特率随信噪比的变化 关于运算量，本文只比较乘除法运算次数。l s 算法需要n 次矩阵的逆，其中n 为 子载波的个数：l m m s e 算法另外需要一个n x n 矩阵对l s 算法进行修正，则总共需 要n x ( n + 1 ) 次乘法运算。本章提出的新方法，则另需要n x g 次乘法运算，g 为循 环前缀的长度，因为g 远小于n ，所以本文提出的新算法的运算量与l m m s e 算法相比 有较大的减少。虽然新算法的运算量大于l s 算法，但是信噪比效果要好于l s 算法。 兰州大学研究生学位论文 第三章f f t 处理器在f p g a 上仿真 本章设计了一个基于流水线的复数f f t 处理器模块，丽f f t 模块是o f d m 中的关 键模块，它的工作速度和价格直接决定了o f d m 系统是否能够实际应用。 本章设计的f f t 模块采用了基4 流水线算法，输入数据为1 6 位定点数( q 1 4 ) ，实 部和虚部共同组成3 2 位数据。数据串行输入，串行输出，流水深度为1 2 8 时钟节拍。 计算6 4 点f f t 仅需要6 4 个时钟节拍。本章设计的f i 叮模块既可以在o f d m 系统中使 用也可以应用到其他数字信号处理领域。现在市场上专用的f f t 芯片和口包的价格比 较昂贵，例如x i l i n x 的f f t i p 包要5 0 0 美元，所以本章所作的工作有一定的经济效益。 3 1 基4f f t 算法 快速傅立叶变换有基4 、基2 算法，基4 算法需要乘法器数据较少，所以本文采用 基4 算法。 当n 和k 以4 进制表示为 一l h = 栉。4 一= o 1 23 i = 0 l - i i = k i 4 。 毛= o 12 3 1 - 0 ( 3 一1 ) ( 3 2 ) 将上二式代