（通信与信息系统专业论文）ofdm收发系统关键模块的fpga实现.pdf

笪查堡三些奎兰三耋堡圭兰堡鎏圣 摘要 正交频分复用( o f d m l 技术是当前移动通信领域的一项关键技术，其基 本原理是将高速的数据流分解成许多低速率的予数据流，利用相互正交且重 叠的多个子载波同时传输。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 ( w l a n ) 、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。 无线局域网是i n t e m e t 和移动通信相结合而成的新技术，它继承了各自 的优点，速度快，成本低，资源丰富，覆盖范围广，且能随时随地获取信息， 具有极大的发展前景和市场潜力。 i e e e 8 0 2 1 1 a 协议采用o f d m 调制方式，可以在整个覆盖范围内提供高 达5 4 m b 口s 的速率，比任何其他无线局域网的解决方案更快。另外，8 0 2 1 l a 工作在5 g h z 频带，由于在这个频带的干涉和频带争用情况较轻，可以满足 高带宽、大量用户的需要，因此选定研究8 0 2 1 1 a 物理层的实现技术具有重 要意义。 本文首先研究了0 f d m 理论，重点分析了o f d m 技术解决码间干扰问 题的原理。然后介绍了无线局域网标准i e e e 8 0 2 1 1 a 的物理层相关o f d m 参数和o f d m 的编码过程，分析了i e e e 8 0 2 1 1 a 协议的各种重要功能模块。 接下来重点研究了i e e e 8 0 2 1 1 a 物理层主要的两个功能模块的实现技术： 卷积码编码与v i t e r b i 译码模块和6 4 点快速傅立叶变换模块。最后在给出现 场可编程门阵列( f p g a ) 设计与实现方法的基础上，通过v 甜l o g h d l 语言编 程，完成具体硬件的实现过程，并且波形仿真验证了其正确性。 关键词正交频分复用；无线局域网；维特比译码：快速傅立叶变换 懈纂蠹茹荔雾薹薰薹篓辩一薹孽囊 蒸一蓁黧雾 塞。嚣嚣熬爨黎型蠹嚣筵蓁攀鬻 矍錾塾纛篓霉嚼麓羯器鬟襄霪鬟骥童糊烈冀蚕到雾j 雾塑骥矍嚣冀珏曲强 囊霾嚣嚣蠹醛释琵霎囊醴蚕冀羹蠢l 阏i ；囊；! 鏊鬟冀錾羹j ；j ； x 坠堑堡三些查兰三兰堡圭兰堡篁耋 1 3 国内外相关技术发展现状 1 3 10 f d m 技术的研究现状 1 3 1 10 f d m 的历史 1 】【2 1 0 f d m 技术的应用可以追溯到上世纪6 0 年代，它 主要用于军用高频通信系统中，例如k i n e p l e x ，a n d e f t 和k a t h r y n 。 但是在早期的o f d m 系统中，发信机和相关接收机所需的副载波阵列是由 正弦信号发生器产生的，并且在相关接收时各子载波需要准确地同步，因此 当子信道数很大时，系统就显得非常复杂和昂贵。一个简单有效的实现 o f d m 技术的方法是在1 9 7 1 年由w e i n s t e i n 和e b e n 提出，他们使用离散傅 立叶变换( d f t ) 来实现o f d m 基带系统中的调制和解调功能，从而省去了正 弦信号发生器。为了抵抗符号间干扰( i s i ) 和载波间干扰( i c i ) ，他们在符号问 加入了保护间隔。但是他们的系统在色散信道上没有获得较好的正交性。另 一个重要的贡献是在1 9 8 0 年p e l e d 和r u i z 使用循环前缀或循环后缀来解决 子载波问的正交性，而不是使用空的保护间隔，他们把o f d m 符号的循环 扩展添加到保护间隔中，只要保护间隔大于信道的最大脉冲响应，即使在色 散信道上也能获得较好的正交性。到8 0 年代，人们研究如何将o f d m 技术 应用于高速m o d e m 。进入9 0 年代以来，o f d m 技术的研究深入到无线调 频信道上的宽带数据传输，o f d m 作为一种宽带无线传输技术的优势很突 出，而且可以利用有效的新技术去修正和弥补o f d m 的固有缺点，因而被 广泛的应用于民用通信系统中，如h d s l 、a d s l 、v d s l 、d v b 、d a b 、 h d t v 等系统。近年来，由于数字信号处理( d s p ) 技术的飞速发展，o f d m 技术作为一种可以有效对抗信号波形间干扰的高速传输技术，更加引起了广 泛的关注。1 9 9 8 年7 月，经过多次的修改之后，i e e e 8 0 2 1 l 标准决定选择 o f d m 作为w l a n ( 工作于5 g h z 波段) 的物理层接入方案，这是o f d m 第 一次被用于分组业务通信当中。2 0 0 0 年1 1 月，o f d m 论坛的固定无线接入 工作组向i e e e 8 0 2 1 6 3 的无线城域网委员会提交了一份建议书，提议采用 o f d m 技术作为i e e e 8 0 2 1 6 3 城域网的物理层( p h y ) 标准。随着i e e e 8 0 2 1 1 a 和b r a n h y p e r l a n 2 两个标准在局域网的普及应用，0 f d m 技术将会进一步 在无线数据本地环路的广域网领域做出重大贡献。 1 3 1 2 现存的o f d m 技术现存o f d m 技术有以下几种p 。5 j ： ( 1 ) v o f d m 由宽带产品供应商i o s p a n 公司和c i s c o 系统公司开发 哈尔滨t 业大学工学硕士学位论文 v o d m ( v e 髓o fo f d m ) 。该系统褒惩空瘸分集技零，稳恁多纛信号发射以 提高带宽，通过使用特殊天线和信号处理来实现。天线接收信譬再进行信号 处理，使娥迟信号合并变为更高的数据流。v 0 f d m 大多用于固定无线城 域网( m a n ) 。 ( 2 ) w 一0 擎狰m 嚣蔻，w 一0 f d 醚f w i d 曲a 艇o f 驺撼 基经歪式邋遥l e 嚣e 缀 织的认证，成为i e e e8 0 2 1 6 a 标准( 蠢线城域网的阑际通用标准) 物理层调制 技术。o f d m 论坛称w i l a n 公司的w o f d m _ 陂该是标准版本。w o f d m 使用的不是紧压缩正交裁波，而是在豫交信道之间弓f 入额外频率空问。通过 在w o f d m 数据戆每一犊捶入一骜溅翔兹摇诗冀懑传赣羡遂瓣“甓诗”( 这 个“估计”就是理论中的“传输函数”) ，并利用这个“估计”来纠正选频 衰落的影响。这能更好地减少干扰，并且对o f d m 传输中存在的一些问鼷 如抖动有了更高的容忍发。无线互联网商务服务供应商在城域网中使用 w o f d m ，瓣隽藏壤嚣中懿收发售橇缝往是在室羚著需要更褰豹客锗疑力。 ( 3 ) f o f d mf o f d m ( f l a s ho f d m ) 是1 9 9 8 年由b e l l 实验塞发明，后来 由朗讯科技下设的f l a r i o n 公司推出商用化产品。相对v o f d m 、w o f d m 瑟言，它的特点是熊在移动环境下工终，是一种移动宽带接入i n t e m e l 勰决 方案。f 一0 擎粉m 在o f d m 中弓l 入快遮虢频扩壤毅零，该菝拳程传输孛不赣 变换频率，即在每个时隙中可以根据跳频图样来选择每个用户所用的子载波 频率。这霉俘睫借埋警墓蒿彗薹蚕馥壁琵舅孺淄臻带毽穗溺覆? 卤环境娈饯 酲黼髓鋈蟛蓑筒螽! 霈墼耋萝丽切换蕊8 0 2 1 1 b 使用动态速率漂移，可 因环 境变化，在1 l m b p s ，5 5 m b p s ，2 m b p s ，1 m b p s 之间切换，且在2 m b p s ，l m b p s 速率时与8 0 2 1 1 兼容。 8 0 2 1 l a ：工作在5 g h z u - n i i 频带，物理层速率可达5 4 m b p s ，传输层可 达2 5 m b p s 。它采用0 f d m 技术，可提供2 5 m b p s 的无线a t m 接口和1 0 m b p s 的以太网无线帧结构接口，以及t d d t d ma 的空中接口，支持语音、数据、 图像业务，一个扇区可接入多个用户，每个用户可带多个用户终端。 8 0 2 1 1 9 ：这是一种极有争议的标准。与80 2 1 1 a 相比，8 0 2 1 1 9 在技术 上与8 0 2 1 1 b 更接近。i e e e8 0 2 1 1g 是在与8 0 2 1 1 b 相同的频谱( 2 4 g h z ) 中 实现最高5 4 m b p s 的数据传输i l 。 h i pe r l a n 2 ：h i p e r l a n 2 网络的特征是具有移动终端，可通过由 h i pe r l a n 2 标准定义的空中接口与各接入点通信。在两种m t ( 移动终端) 之间，也有一种直接通信方式。m t 的用户可在h i p e r l a n 2 网络中自由移 动，这将保证用户和m t 得到尽可能好的传输性能，一个m t 在登录之后， 堕尘堡三兰尘兰三：竺：竺兰銮 个并行空间信道。通过这些并行空间信道独立地传输信息使得数据传输率得 以提高。而o f d m 技术有极好的抗衰落特性，通过在o f d m 传输系统中采 用阵列天线实现空间分集，可结合二者优点，使无线系统对噪声、干扰、多 径的容限大大增加，而且大大提高频谱利用率和业务覆盖范围。由于m i m o 和o f d m 在提高无线链路的传输速率和可靠性的巨大潜力，使得这两种技 术特别是二者的结合有望成为过渡到4 g 的潜在技术。 ( 5 1 m u l t i b a n d o f d m m u l t i b a n d o f d m 联盟由5 0 多个世界知名企业所组 成，手机芯片制造商德州仪器( t i ) 是该联盟的发起人之一。s a m s l l i i g 、 p a n a s o n i c 及n o k i a 等公司都是该联盟的成员。m u l t i b a i l do f d m 联盟称，与 w o f d m 相比，该技术产品的数据将更为强大，其中包括能轻松处理视频 流的能力。 1 3 1 3o f d m 技术的优缺点f 6 9 1 0 f d m 技术主要有如下几个优点： ( 1 ) 抗衰落能力强0 f d m 把用户信息通过多个子载波传输，在每个子载 波上的信号时间就相应地比同速率的单载波系统上的信号时间长很多倍，使 0 f d m 对脉冲噪声( i m p u l s en o i s e ) 和信道快衰落的抵抗力更强。同时，通过 子载波的联合编码，达到了予信道间的频率分集的作用，也增强了对脉冲噪 声和信道快衰落的抵抗力。因此，如果衰落不是特别严重，就没有必要再添 加时域均衡器。 ( 2 ) 频率利用率高0 f d m 允许重叠的正交子载波作为子信道，而不是传 统的利用保护频带分离子信道的方式，提高了频率利用效率。再者，适合高 速数据传输。o f d m 自适应调制机制使不同的子载波可以按照信道情况和噪 音背景的不同使用不同的调制方式。当信道条件好的时候，采用效率高的调 制方式。当信道条件差的时候，采用抗干扰能力强的调制方式。 f 3 1 0 f d m 加载算法的采用使系统可以把更多的数据集中放在条件好 的信道上以高速率进行传送。因此，o f d m 技术非常适合高速数据传输。 ( 4 ) 抗码间干扰( i s i ) 能力强码间干扰是数字通信系统中除噪声干扰之 外最主要的干扰，它与加性的噪声干扰不同，是一种乘性的干扰。造成码间 干扰的原因有很多，实际上，只要传输信道的频带是有限的，就会造成一定 的码间干扰。o f d m 由于采用了循环前缀，对抗码间干扰的能力很强。 o f d m 技术的不足之处包括以下两方面： ( 1 ) 对频偏和相位噪声比较敏感o f d m 技术区分各个子信道的方法是 利用各个子载波之间严格的正交性。频偏和相位噪声会使各个子载波之间的 正交特性恶化，导致子信道问干扰( i c i ) 。仅仅1 的频偏就会使信噪比下降 哈宅小暑班甲；业宝人昂= 工暴兰 需一圣三耋；茹# 茎j j 甓墓蓑捌；箝艟粲商氍爵篙醑譬氯直；酽麦“蹦吖趔那弘托 受蚧骶非。翼羹较慢的数据传输率成了萁拼幕套；新皤神畦刁蹦翼雾蠢娶 卧糊。推出了新的高速粝邂夔期漏涵仟籍。篓；萼囊萋确鞘谛詹又推出了相当 主叫j 署囊甜i ， | i 囊。饕薹垂饷耋鞫? 瞒。墓鬟i 峪；鋈鸺；耋咧羹鬻硌；兰善筢南瀚爿；誊薹萋制 崩搽彰鸯；熏萝i 髫耋耄；l i ；喜鹭强 非酷叫型霸 州强警萋秀i 蓁篓誊虞箍 冀葫j 囊萋囊卜* 黝烈础l 。萋鬟翥薹薹磊；未萤誊薹| 蓁霎耄霞磐笃胡! 珲薹主藿飘 勰黼蒜鞘烈帑彭墅囊蓍笳野；蜷浠岐。踣曜增踹哩毳i 雏溺湘潲淀羹。骝辔 氢潼一攀蠢霉坠謦磊烈坠一霉耐栽瀚国稀甜鞋扣睡种躺弧礁吲罄。錾焦4 罐 嵩2 睇酲5 蕃曼墓壁g 妊5 榷茵坯诺；j 曜噎荡曜终“佩懈“墅墓蠹淀 筋能釉经垡；梵烈燃研恫氍舀昨薰= 咝墓萎薹墓荔硒堪嗍薛窥稍廷一巍掣采 窿音# 咨墓嚣蟛罄未；御鞋“搿肇薪型臻鲁娶曾经暨揄裂”鐾单裹 螋攀量薹j 噩；蟹腑计鞠墅孙去龋x 鼠骄皤珑刈鳎靼爵性蹬羹鬻刊野酥黝簖# 。 ；i g 冀孽爹荔酬薹i 萋喜蠹! 耋l 囊羹蕉= 鞫；圣自# 垂 括探差j j ；阿i 堇型磊理；蛋耐 蚕章鱼输掮堪幕囊8 l l i 嚣骊掘蘑篓甄娶嘞翅埽i “避嚣薹譬醣。豁。曼莲耋准 卿锺：l 纛謦誊嫠烈甾参强趱靼渥鸯i 制誊雾箍登冀耄剥! 釜j g 薪 i 於拽 雾葵薹一譬董馨管羹霎覆霾羹嬉i 饕转采赢轳蜘籍莱文j 舻妒蠢雾省瑶序殉轳 颜磊矍雾；麓嬷燃昆耀疆溺篓鬻节丽鳓毛旷睨时f 邑爷棼剖魏掣斟湍溺鬣熏淄 翟浠；缉霉俘睫借埋警墓蒿孓i 蚕馥壁琵舅孺淄臻带毽穗溺覆? 卤环境娈饯 酲黼髓鋈蟛蓑筒螽! 霈墼耋萝丽切换蕊8 0 2 i i b 使用动态速率漂移，可因环境变化，在1 l m b p s ，5 5 m b p s ，2 m i i s ，1 m i 耋s 之间切换， 且在2 m b p s ，l m b p s 速率时与8 0 2 1 1 兼容。8 0 2 i i a ：工作在5 g h z u ；羹i i 频带， 物理层速率可达54mbps，传输层可达25mbps。它采用0fdm技术，可提供 25mbps的无线謇熏m接口和10mbps的以太网无线帧结构接口，以及tddtdm a的空中接口，支持语音、数据、图像业务，一个扇区可接入多个用户，每个用户 可带多个用户终端。8021ig：这是一种极有争议的标准。与8 0 2 i i a 相比，8 0 2 i i g 在技术上与8 0 2 ，l i b 更接近。i e e e 8 0 2 _ l _ l g 是在与8 0 2 i l b 相同的频谱( 2 4 g h z ) 中实现最高5 4 m b p s 的数据传输l l 。h i p erlan2：嚣|perlan2网络的特征是具有移动终端，可通过由hip erlan2标准定义的空中接口与各接入点通信。在两种mt(移动终端)之间， x 2 1 引言 第2 章o f d m 技术基础 o f d m 的基本原理就是把高速的数据流经过串并变换，分配到传输速率 相对较低的若干个子信道中进行传输。由于每个子信道中的符号周期会相对 增加，因此可以减轻由无线信道的多径时延扩展所产生的时间弥散性对系统 的影响。并且还可以在o f d m 符号之间插入保护间隔，令保护间隔大于无 线信道的最大时延扩展，这样就可以最大限度地消除由于多径带来的符号间 干扰( i s i ) 。而且，一般采用循环前缀作为保护间隔，从而可以避免出多径带 来的信道间干扰( i c i ) 。本章将对0 f d m 的基本原理进行简要的阐述【1 8 】。 2 20 f d m 基本原理 2 2 1o f d m 的子载波调制 一个o f d m 符号之内包含多个经过相移键控( p s k ) 或者正交幅度调制 ( q a m ) 的子载波。如果表示子信道的个数，r 表示0 f d m 的符号宽度， d ，( f - 0 ，1 ，一1 ) 是分配给每个子信道的数据符号，工是第o 个子载波的 载波频率，矩形函数旭甜( f ) = 1 ，j f i r 2 ，则从f = 谏一习e x p m 五+ 班训 卜啤p 。， 3 0 2 0 r + 通常 采用等效基带信号来描述o f d m 的输出信号，见公式( 2 - 2 ) 。5 ( f ) = 静僦r ( h 。一守忙咖ss s + r( 2 2 )s (f) = 0f 7 + 其中 x 堕玺鎏：兰銮茎三兰堡圭兰堡篁兰 1 ，f 1m = 力 i 【e x p ( 0 e x p ( ，f ) 础= ( 2 - 3 ) l um h 这种正交性还可以从频域角度理解。图2 3 给出了o f d m 符号中各个 子载波信号的频谱图。从图中可以看出，在每一子载波频率的最大值处所有 其他子信道的频谱值恰好为零。因为个o f d m 接收器从本质上来说就是 计算每个子载波的极大处的频谱值，所以它可以解调出每个子载波而不受其 它子载波的干扰。从图2 3 可以看出，o f d m 符号频谱实际上可以满足奈奎 斯特准则，即多个子载波频谱之间不存在相互干扰。也就是说o f d m 各子 载波信号之间的正交性避免了子信道间干扰( i c i ) 的出现。 图2 3o f d m 子信道符号频谱图 f i g + 2 - 3s p e c t r ao f i n d i v i d u a is u b c a r r i e r s 2 2 2d f t 的实现方法 对于较大的系统来说，式( 2 2 ) 中定义的0 f d m 复等效基带信号可以 采用离散傅立叶逆变换( i d f t ) 方法来实现。 令式( 2 2 ) 中的f 。= o ，并且忽略矩形函数，对于信号s ( f ) 以r 的速率 进行抽样，即令f = 灯( 而= o 1 ，一1 ) ，则得到： 铲啦r ) ：芝矾唧卜兰警1 ( o 兰| _ 1 ) ( 2 - 4 ) 扣01 可以看到以等效为对d i 进行i d f t 运算。同样在接收端，为了恢复出原 2 1 引言 第2 章o f d m 技术基础 o f d m 的基本原理就是把高速的数据流经过串并变换，分配到传输速率 相对较低的若干个子信道中进行传输。由于每个子信道中的符号周期会相对 增加，因此可以减轻由无线信道的多径时延扩展所产生的时间弥散性对系统 的影响。并且还可以在o f d m 符号之间插入保护间隔，令保护间隔大于无 线信道的最大时延扩展，这样就可以最大限度地消除由于多径带来的符号间 干扰( i s i ) 。而且，一般采用循环前缀作为保护间隔，从而可以避免出多径带 来的信道间干扰( i c i ) 。本章将对0 f d m 的基本原理进行简要的阐述【1 8 】。 2 20 f d m 基本原理 2 2 1o f d m 的子载波调制 一个o f d m 符号之内包含多个经过相移键控( p s k ) 或者正交幅度调制 ( q a m ) 的子载波。如果表示子信道的个数，r 表示0 f d m 的符号宽度， d ，( f - 0 ，1 ，一1 ) 是分配给每个子信道的数据符号，工是第o 个子载波的 载波频率，矩形函数旭甜( f ) = 1 ，j f i r 2 ，则从f = 开始的o f d m 符号可以 表示为： 即m e 融删( 一习e x p m 五+ 班训 卜啤p 。， s ( f ) = 0f r + 通常采用等效基带信号来描述o f d m 的输出信号，见公式( 2 - 2 ) 。 5 ( f ) =静r e c r ( h 。一守忙咖 始的数据符号d 。，可以对丑避行逆交换，郯蕊疆得到： 一l， ，、 或= 叩x p 卜，等l ( o f 1 )( 2 5 ) l = o 1 缀据述分疆霹戳番娶o f d 挞系绞魏溪籁程察谣簇分囊囊l d f 影d f t 来代髓。通过点i d f t 运算，把频域数搬符号反变换为时域数据符号以， 经过载波调制之后，发送到无线信道中。在犊收端，将接收信号进行相干解 调，然后将基带信号进行点d f t 运算，即可获得发送的数据符号矗，。在 o f d m 系统戆实际瘟瘸中，爵教采嚣雯潮方霞狭捷瓣捩速薅立时交换 f f t i f f t 来实现调制和解调f ”】。 2 2 3 保护间隔耱循环前缀 威用0 f d m 的一个重要原因是它可以有效地对抗多径时延扩熊。把输 入数掭流串并变换到个并行的子信道中，使得每一个调制予载波的数据 周期褥以扩大为殿始数据符号周麓的倍，因此时延扩展与簿号周期的数 篷魄氇同捧降低倍。羹了最大限度静漕狳符号瘸于撬f l s l ) ，在。笋d 酝籍 号中引入了保护间隔( g i ，c m a r di n t e r v a l ) ，而且该保护间隔长度e 一般耍大 于无线信道的最大时延扩展，这样一个符号的多径分量就不会对下一个符号 造成予拢。在这段僚护间隔内霹默不插任何傣号，印保护间隔是一段密阙靛 传输辩段。然蔼农这释请疆中，由于多径健褥翦影酶，会产生瓮i ，鞭予载 波之间的正交性遭到破坏，使不同的子载波之间产生干扰。为了消除融于多 径传播造成的i c i ，我们将原来宽度为r 的o f d m 符号进行周期扩展，用扩 展信号寒填充僳护阏隔，热弱2 4 所示。耱号的总长发梵嚣= 是+ 野”冀中 墨为o f d m 符号的总长度，疋为擒稃保护间隔长度，孙 为f 订变换产生 的无保护间隔的o f d m 符号长度，则在接收端抽样开始的时刻b 应该满足 下式： f 一 鬈 ( 2 - 6 ) 蕻中f m 。是信道的最太多径时延扩展，警抽样满足该式嚣亨，由予翁一个 符号的干扰只会存在于【o ，f 。】，当子载波个数比较大时，o f d m 的符号周 期r 相对于信道的脉冲响应长度很大，则i s i 的影响很小，甚至没钶i s i ； 翻栗鞠邻o f d m 褥号之逮熬辍护阕疆夏瀵楚磊f 一夔蘩求，赠霹叛完全 克服i s i 的影响。 将保护间隔内的信号称为循环前缀( c y c l i cp r e f i x ) 。由图2 4 可以疆出， 哈尔滨工业人学工学硕士学位论文 锤嚣蔻缀中豹售号与。爹狰m 簿号逗帮宽疫惫墨戆部分穗目。农实嚣系统中 o f d m 符号在送入信道之前，首先要翔入循环前缀，然后送入倍邋进行传送。 在接收端，酋先将接收符号开始的宽腱为疋的部分丢弃，将剩余的宽度为r 的部分进行傅立叶变换，然后进行解调。通过在o f d m 符号内加入循环前 缀霉灌绦谖凌f f 零溺羧瘫，o d 醚簿号豹延辩戮零蠹辑包含瓣波形豹周期 个数是整数。这样，时延小于保护间隔是的时熊信号就不会程解调的过程 中产生i c i 。 德环越缀 1 r ，、 u t u m l 口号 l 曙0 1 0 i l i f f t 输出 。 墨 掰2 。4 加入保护瀚疆静o f d m 籀号 f 遮2 - 4o f d ms y m b o l 谪氆g u a r di n t e 抖a l 2 2 40 f d m 中的加筒技术 根据式( 2 - 1 ) ，令t o ，刚得到功率j 毽一亿的0 f d m 信号敬爱色络表遮 式： 霹净专酗删”争e x p ( 粥雄) ( 2 。) 其中，l 厨表示功率归一亿因予，z = 五+ r 。贝唾个子载波构成瓣 o f d m 信号的功率谱密度函数为： 酞一2 = 击篓p 专警梢 ， 哈尔滨工业人学工学硕士学位论文 锤嚣蔻缀中豹售号与。爹狰m 簿号逗帮宽疫惫墨戆部分穗目。农实嚣系统中 o f d m 符号在送入信道之前，首先要翔入循环前缀，然后送入倍邋进行传送。 在接收端，酋先将接收符号开始的宽腱为疋的部分丢弃，将剩余的宽度为r 的部分进行傅立叶变换，然后进行解调。通过在o f d m 符号内加入循环前 缀霉挺i 稀懿。臻灞濞磷写国商觜增譬南饼漤详融捕燮攀叁毫至羹零 i 荔；毒! ； 墨享孽 篙攀缓鬻 巧三 蠹j 日? 1唑蕈囊jii鬟 l 蟛矗冀“；? l 襄薹 l 孵! * 垂簧霎誊露；薅篓鹫l 她蠹器f 融戮釜蓦蚕i 薹= 薹，喜商荔型蠢瀑囊霎囊薹萋 州驯矧l g 。l i t 嶝奏一囊；狮矬醚理缫降系数，选择不同的芦值，将会对系 统产生不同的性能 影响。具体讲，这种影响是两个方面的。一方面，当值越大，符号带外辐 射功率越小，功率谱密度旁瓣下降越快；另一方面，随着p 值的增大，符号 的保护间隔会相应减小，这就降低了o f d m 符号对时延扩展的容忍度。有 时，即使时延信号的时延长度没有超过保护间隔的疋的长度，但由于保护 间隔的存在，非恒定信号幅度部分有可能落入f f t的时间长度r 之内。因 为，子载波的幅度和相位只有在f f t 周期r 内保持恒定时，子载波之间的 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 在图2 5 中，给出了子载波个数= 2 5 6 时的o f d m 信号的功率谱密度 图。其中纵坐标为归一化功率谱密度，单位是d b ，横坐标为归一化频率疗。 分析该图可以看出，o f d m 符号的功率谱密度的带外功率谱密度衰减比较 一 竺垒鋈三些奎耋三耋堡圭兰竺鲨兰 3 3i e e e 8 0 2 1 l a 物理层的p l c p 子层 3 3 1p l c p 帧格式 为了降低m a c 层对物理媒质依赖( p m d ) 予层的依赖程度，物理层汇聚 协议( p l c p ) 子层将m a c 协议数据单元映射成适合被p m d 子层传送的帧格 式。因此研究p l c p 子层的功能，也就可以研究o f d m 在物理层的实现过 程。 m a c 协议数据单元在p l c p 层被封装上p l c p 导引和p l c p 头，形成 p l c p 协议数据单元( p p d u ) 。在接收机端，p l c p 导引和p l c p 头被用于协 助解调和传输m a c 协议数据单元。 图3 - 1 描述了p p d u 的帧结构，其中包含了o f d mp l c p 导引、p l c p 报头、物理层服务数据单元( p s d u ) 、尾比特( t a i lb i t s ) 、填充比特( p a db i t s ) 。 m ! ! 婴塑燕 _ 速鬻叫嚣_ l 警f 翠f 引豢 繁竽f 填充比特 勰| 咖 图3 - 1p p d u 帧结构 f i g 3 - lp p d uf h m ef o m a t 其中，p l c p 报头包含以下几个域：数据包长度( l e n g t h ) 、数据传输 率( r a t e ) 、保留位、奇偶校验位和服务域f s e r v j c e ) 。在调制时，l e n g t h 、 r a t e 、保留位、奇偶校验位以及值为0 的6 位尾比特和填充比特构成一个 单独的o f d m 符号帧，标记为s i g n a l 。这一帧将映射成最稳定的b p s k 调制模式传输，编码速率为1 2 。p l c p 头的服务域1 6 b i t s 、p s d u 、再加上 6 个尾比特以及填充比特构成数据( d a t a ) 域，按r a t e 域中描述的数据传输 率映射成不同的调制模式，并形成多个o f d m 的数据帧，如表3 1 所示。 堕垒堡三兰奎兰三兰堡圭兰竺鎏兰 ( 4 ) 在s e r v i c e 域后加入p s d u ，并通过增加适当的“0 ”( 至少6 个) 使 比特流的长度是。的整数倍。 ( 5 ) 用非零初值产生的伪随机序列形成扰码并对数据加扰，进行1 2 速率 的卷积编码并根据编码速率进行打孔( p u n c t u r e ) 。 ( 6 ) 将编码输出的数据以 0 。为长度单位分成若干组，然后对每一组进 行交织( i n t e r l e a v i n g ) ，交织后的数据仍以。为长度单位分组，并选择合 适的调制方式，如b p s k 或o a m 调制得到一组复数。 f 7 ) 将这组复数分成4 8 个数一组。每一组复数可对应一个o f d m 符号。 将4 8 个复数标记为0 4 7 分别映射到编号为2 6 2 2 、一2 0 - 8 、6 1 、1 6 、8 2 0 和2 2 2 6 的o f d m 子载波上。编号为一2 1 、一7 、7 和2 l 的子载波 插入导频信号。代表中心频率的o 号子载波被忽略，置为零。 ( 8 1 总信道数为5 2 ，每一组从编号一2 6 2 6 的子载波进行反傅立叶变换 ( i f f t ) 产生时域信号，并将得到的时域信号加循环前缀产生保护间隔( g i ) ， 并对每一个周期性的o f d m 符号进行加窗处理。 ( 9 ) 根据理想信道和传输的中心频率，上行转换复数基带波形到r f 频率 上。 o f d m 物理层的主要参数如表3 2 所示。 表3 2o f d m 物理层主要参数 t a b l e3 2m a j o rp a r a m e t e r so fm eo f d mp h y 数据速率6 、9 、1 2 、1 8 、2 4 、3 6 、4 8 、5 4 m b ，s 调制方式 b p s k 、q p s k 、1 6 - q a m 、6 4 一q a m 编码速率 1 2 、9 1 6 、2 3 、3 4 子载波数 5 2 导频数4 o f d m 符号间隔 4 u s 保护间隔 0 8 u s 子载波间隔 31 2 5 k h z 信道间隔 2 0 m h z 3 3 3p l c p 序列前导及p l c p 时间参数 p l c p 前导部分包括1 0 个短训练符号和2 个长训练符号，用于系统的 定时估计、频率同步、信道估计，如图3 2 所示。 l oxo8 = 8 m 2 x 08 + 2 x 3 2 = 8 皿n 8 + 32 = 4 雌 一08 + 32 = 4 坩0s 十32 = 4 珊 q 芷町同步 图3 2p l c p 前导训练符号结构 f i g 3 - 2o f d mt m i n i n gs t 九l c t u r e 图3 2 中t 1 t 1 0 是1 0 个短训练符号，t l ，t 2 是两个长的训练符号。 其中，t l t 7 阶段为分组检测、a g c ，分集选择：t 8 t 1 0 阶段为粗略频率 偏移估计和符号定时；t 1 和t 2 阶段为精确的频率偏移估计和信道估计。在 t 1 和短训练符号之间加入3 2 取样的循环前缀，保证长训练符号不受短训练 符号的码间干扰( i s l l 。 在o f d m 系统中，导频插入是为了能够防止频谱偏移以及加强自相关 检测的性能和进行信道估计。图3 3 是o f d m 导频的时域和频域结构图。 从频域图中可以看出，前l o 个短训练序列每个占用了1 2 个子载波，5 2 个 子载波里有4 个用作导频用来纠正残留频率偏移误差。 p l c p 中有必要说明的还有和时间有关的一些参数如表3 3 所示： 表3 3 和时间相关的参数 1 曲1 e3 3t i m i n g r e l a t e dp a r a m e t e r s 参数参数值 ：数据子载波个数 4 8 口：导频子载波个数 4 虬r ：总子载波数5 2 ( + ”) 堕堡鎏三些奎兰三兰堡圭兰堡兰圣 胃置， ，：子载波带宽 o 3 1 2 5 m h z ( = 2 0 m h z 6 4 ) t ：f f t 的周期时间3 2 p s ( 1 f ) t e l i i b ：前导占用时间 1 6 p s ( z 西r + 毛d ) 五：s i g n a l 符号持续时间4 0 p s ( z 岛+ 耳 ) 嘞：数据区循环前缀时间0 8 p s ( 巧4 ) z 岛2 ：训练符号循环前缀时间1 6 ”s ( 耳”2 ) 珏。：符号间隔4 o p s ( z 矗+ 7 ；) 7 岛r ：短训练序列时间 8 p s ( 1 0 耳h 4 ) 瓦。g ：长训练序列时间 8 p s ( t g l 2 + 2 z 南，) 图3 3 0 f d m 导频结构图 f i g 3 3p i l o ts t r i l c t l l r eo f8 0 2 1 l a 3 4i e e e 8 0 2 “a 物理层收发系统结构 i e e e 8 0 2 1 1 a 物理层接收机和发射机框图如图3 4 所示，下面就其主要 模块功能加以阐述。 2 2 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 输 信 输出信 图3 4 物理层的接收机和发射机框图 f i g3 - 4t r 8 n s m i t t e ra n df e c e i v e rb l o c kd i a g m m f o rt h eo f d mp h y 3 4 1 数据扰码与解扰 根据8 0 2 1 l a 的标准，要求对d a t a 信息部分进行扰码。d a t a 域包括 s e r v i c e 、p s d u 、尾比特以及填充比特。在送入卷积编码器之前要先经过 扰码处理，也就是一个长度为1 2 7 的帧同步码来对d a t a 域进行扰码，加扰的 作用是避免出现长串的1 或o 。p s d u 为串行的比特流传输，扰码的多项式为： s ( 盖) = z 7 + 4 + 1 ( 3 一1 ) 为了进行m 确有效的解扰，要求在收端有相同的扰码器，这就要求接收 端的扰码器不仪要有与发送端相同的生成多项式，而且对接收端的初始状态 提出了要求 汜鹄甄黯靼m 影l 裂疑嚣篓繁誊黎鬟蠢藩罱澍鬣髫善霞燮崮槎i 蘸鹱 连 鎏菠陵瞪诿匿隧瀵； 灌耋饕爨麓露暖爱糕爨鞫裂| ；藿；女；荔鹱露零霪噔。缰i 一；鬈鬻鼗矍曩黪 港 鬟d ，g 丽锚墨釜蕾 妻委虽一蚕翟g l i 目h 够薹l i j ? 一 熬统毒卡褥往。v i t 确 译码_ | 霉予壤率辫玛，它戆 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 输 信 输出信 图3 4 物理层的接收机和发射机框图 f i g3 - 4t r 8 n s m i t t e ra n df e c e i v e rb l o c kd i a g m m f o rt h eo f d mp h y 3 4 1 数据扰码与解扰 根据8 0 2 1 l a 的标准，要求对d a t a 信息部分进行扰码。d a t a 域包括 s e r v i c x 蓍4 p 髦墓囊蚕薹耄善鑫蠹霪霞墓主 蠢吾蔓 耄一 霉i ；i 霎霪囊萋趔刁测m 硪博甚杖嚣 童；塞一鼍害；i i j 簪i i ：? ；e g 篓；j b ”i 1 耋 i 琴昌i ? _ 鑫毒；喜i 囊鏊薹；k 匿彗莓 ；? 鏊? ：鬟鬟夔囊簿羹黧 型攀；j ! _ ! 荆g = 藩滋臻臻；! 篆翻灞鞭譬蛙嘶! 蕊8 ：自黪嚣堪 i 萋鬻萎篓喜j 耋；毫l 羹。姑巍鹭塞饕聪麓基翼。裂舔镳醵嚣嚣戡赫黼弱戮蜀睡菇 豁弱鏊懿i 黧震酝一删铃翁掰i i 轷誉书衙黼巢高攀! ￥滤戮) r 嘲潮。蠢碴巍 蝉丛储遒的囊稍灌萋墓i 烈# i 谨i 譬霪s 扣眄蒜巍擎争黧驯；憾醛舶卵群瓣醐； 冀：m i w 冀i 髦凹；系i；一i ； 菇藓驻羟翳鞭舷麓懿鞫蠢。聚瑟鬻霾鏊磐憨害露臻澍i 毯曦噬懑礓 ! 遵谬篓瑟塑囊嚣蓁嚣篷塑黪疆够鸹纠魏d 聋辞靼；器衽癸磊型斜拳霪灌羁臻 编谰鋈撩墨 汜鹄甄黯靼m 影l 裂疑嚣篓繁誊黎鬟蠢藩罱澍鬣髫善霞燮崮槎i 蘸鹱 连i 委菠陵瞪诿匿隧瀵； 灌耋饕爨麓露暖爱糕爨鞫裂| ；藿；女；荔鹱露零霪噔。缰i 一；鬈鬻鼗矍曩黪 港 鬟d ，g 丽锚墨釜蕾 妻委虽一蚕翟g l i 目h 够薹l i j ? 一 兰玺鎏二些奎茎三兰堡圭兰堡篁圣 3 4 3 子载波调制与解调 0 f d m 采用4 种调制方式，分别为b p s k ，q p s k ，1 6 q a m 和6 4 q a m 。 调制方式的选择根据s i 盟a l 中的速率r a t e 来决定，见表3 1 。调制方法如下： 首先，把输入的二进制序列分成长度为n = l 、2 、4 、6 的组，分别对应 b p s k ，q p s k ，1 6 q a m 和6 4 q a m 。接下来，把这些二进制序列组分别映射 为星座图中对应的点的复数表示。为了所有的映射点有相同的平均功率，输 出要归一化，所以对应不同的调制方式，要分别乘以不同的归一化系数，见 表3 4 。 表3 4 调制标准化系数 t a b l e3 4m o d u l a t i o n d e d e n d e n tn o 珊a l j z a t i o nf a c t o fk m o d 调制方式k m o d b p s kl o p s k1 压 1 6 q a m l 丽 6 4 q a m1 压 各种调制方式的星座图如图3 7 所示。 b o u 8 ” qji b 曲i l 0 0 l o0 1 1 01 01 0 1 0 一 0 0j lo l 1 1 l l1 0 j l 一 - 0 0 0 l0 lo i l 蔷o l 1 f 0 00 00 lo ol l0 01 00 0 a ) 2 5 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 使回复的可能性降低。交织器的交织深度与采用的调制方式的变化而变化， b p s k ，q p s k ，1 6 q a m ，6 4 q a m 的交织深度分别为：4 8 ，9 6 ，1 9 2 和2 8 8 。 如果用后来代表第一步交织之前的比特，f 代表第一步交织之后、第二步交织 之前的信息比特，甩，代表第二步交织之后、调制之前的信息比特。其计算 公式如下： 第一步： f = f 7 v m 1 6 j 俾i i l o d l 6 ，+ 加o r f ? ；，1 6 j 后= 0 ，1 ，+ 一1 ( 3 - 2 ) 第二步： ，= s 加o r 以盘h 一+ 雕一伽d 柙6 打力m o d s f = o ，1 ，邝雕一1 ( 3 _ 3 ) 其中j = m a ) 【( c 2 ，1 ) 解交织是交织的相反过程，假设胁表示解调之后、第一步解交织之前 接收到的信息比特，f 表示第一步解交织后、第二步解交织之前接受到的信 息比特，七表示第二步之后的信息比特。计算公式如下： 第一步： i = sx n o o r ( ，s 并( t + n c b 口s b o o r n 6 xj ，l q c & r s ) ) b 幽i = o ，。一n c b p s 一、 0 。q 第二步： 七= 1 6 f f 一1 ，+ 加d 吖1 6 州， f = 0 ，1 ，一1( 3 - 5 ) 3 4 5i f f t 与f f t 逆快速傅立叶变换，将5 2 个输入的频域符号变换成6 4 个时域符号输出。 调制后的4 8 个符号、导频重新排序，有1 2 个子载波没有使用。其排序如图3 8 所示。快速傅立叶变换是将时域的接收信号转换到频域。 0 0 ll 2 2 2 6 i f f t 2 6 2 72 7 3 73 7 3 8 3 8 6 26 2 6 3 6 3 图3 8i f f t 输入输出 f 培3 8i n p u t sa n do u t p u t so fi f f t 2 7 一 删舭翅蹦舢眦舢一 粕柚 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 第4 章卷积编码和v i t e r b i 译码原理与实现 4 1 亏l 言 在8 0 2 1 1 a 物理层中，采用前向纠错差错控制方式中的卷积码编码。卷 积码由于更充分地利用鹞字之问的糊关性，可以减少码字长度，简忧编译弼 邀路，莠褥翻较努夔蓑键控铡洼戆，泻魏卷积疆褒逶绩簇域，黪襄是受基涎 信，空间通信领域得到广泛的应用。v i t e r b i 译码算法是用于卷积码译码的一 种最大似然译码算法，v i t e r b i 译码算法由于具有译码性能良好，译码器结构 相对箍单，译码延时低等特性，是前向纠错系统中一种最优化的卷积码译码 箨法。由予f p g a 其存其蠢编程方便、嶷残疫裹、速疫侠、霹套线重耨酝爨 等优点，因而在数字信号处理领域得到大量应用。 4 2 卷积编码的基本理论 4 2 1 卷积码概念 数字遥傣中，交予绞狻特整不爨恕及冬秘予羧耱臻声影确，将产生抟簸 差错。信道编码可显著地改善数字儒惠在传输过裰中由于各种噪声和干扰懈 造成的误石m 码，提高系统的可靠性。 信道编码，对一个具有确定长度的数字信号序列，人为地按一定规则加 逡菲售惠数字序列，竣耩藏一令鹃字( 臻遂编鼹) ，然螽经调潮嚣变换秀逶会 信道传输的信号。经信邋传输后，在接收端经解调器判决解出的数字序列称 为接收序列。再经信道译码器译码尉输出信息序列，而信源译码器则将码元 变换成用户器要豹信息形式。 二遴潮数字信号在传辕中发生熬错误，主要鸯嚣释类鍪；耱提疆误帮突 发错误。随机错误的特点是码元间的错误互相独立，即每个码元的错误概率 与它前后码元错误与否是无关的。突发错误则不然，一个码元的错误往往影 晌前后码元的错误概率。或者说，一个玛元产生铸误，则后磷几个码元都可 能发生镑谖。在实际穰遂中，上述磷辞错误形式德往兼恧毒之。 里玺鋈三些銮兰士兰型圭耋竺丝苎 能发现错