（通信与信息系统专业论文）gbps无线通信系统多天线信号检测技术研究及实现.pdf

摘要 摘要 随着i n t e r a c t 和多媒体等高速数据业务在无线通信系统中的广泛应用，下一代移动 通信系统( b 3 g 4 g 系统) 需要在有限的无线频率资源范围内，提供比现有的第二代移动 通信( 2 g ) 系统和第三代移动通信( 3 g ) 系统更高的传输速率，更大的覆盖范围，更稳定的 性能。而且还要能够满足各种业务的传输要求。 东南大学移动通信国家重点实验室在国家自然科学基金重大项目和前期8 6 3 重大 项目的基础上，设计在小于1 0 0m h z 的无线传输带宽和5 0 米的传播距离内，实现无 线传输速率超过lg b p s 的通信系统。为我国在下一代无线通信系统的核心技术掌握、 标准制定、乃至今后实际系统的建设等方面提供技术储备，推动我国从无线通信大国到 强国的跨越。本文作为8 6 3 项目“g b p s 无线传输关键技术与试验系统研究开发”的一 部分，研究了多天线检测部分的技术理论和算法实现。 本文首先叙述了g b p s 系统中运用的主要关键技术，包括m i m o 、o f d m 等。之后 重点讨论了多天先检测技术，特别是基于q r 分解的检测算法，并以此为基础通过浮点 仿真和定点仿真，研究出适用于本高速通信系统的检测算法。最后将此检测算法在x i l i n x v i r t e x 一5 的芯片上进行f p g a 设计，并对占用资源进行估算 关键宇：g b p s ，m i m o ，o f d m ，多天线检测，q r 分解，f p g a a b s t r a c t w i t ht h ew i d e l yu s eo f h i g h - s p e e dd a t as e r v i c es u c ha si n t e r n e ta n dm u l t i m e d i a , t h en e x t g e n e r a t i o no f m o b i l ec o m m u n i c a t i o n ss y s t e m ( b 3 g ，4 gs y s t e m ) w i l lh a v eh i g h e rs p e e d 。l a r g e r c o v e r a g e a n db e t t e r p e r f o r m a n c e i n c o m p a r i s o n w i t ht h es e c o n d g e n e r a t i o n m o b i l e c o m m u n i c a t i o ns y s t e m ( 2 g ) a n dt h et h i r dg 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 ns y s t e m ( 3 g ) i t c a na l s om e e tt h ed e m a n do f d i f f e r e n td a t as e r v i c ew i t h i nt h ef i n i t ef r e q u e n c yr e s o u r c e b a s e do nt h en a t i o n a ls c i e n c ef o u n d a t i o np r o j e c ta n dp r e v i o u s8 6 3r e s e a r c hp r o j e c t , n a t i o n a lm o b i l ec o m m u n i c a t i o n sr e s e a r c h l a b o r a t o r y o fs o u t h e a s tu n i v e r s i t ya r c r e s e a r c h i n gan e wc o m m u n i c a t i o n ss y s t e mw h i c hc a na c h i e v et h et r a n s m i s s i o na f g r e a t e rt h a n 1g b si na1 0 0 - m h zc h a n n e lb a n d w i d t hi nt h ed i s t a n c eo f 5 0m e t r e s t h er e s e a r c h i n gc a nn o t o n l yp r o v i d et e c h n i c a ls u p p o r tf o ro u rc o u n t yt om a s t e rt h et e c h n o l o g i e s s t a n d a r da n d c o n s t r u c t i o n s ，b u ta l s ot r a n s f o r mc h i n ai n t oac o m m u n i c a t i o n sg i a n t a sap a r to ft h e8 6 3 p r o j e c t k c yt e c h n o l o g yi ng b p sw i r e l e s st r a n s m i s s i o ns y s t e m ”，t h i sp a p e rf o c u s e so nt h e t h e o r ya n di m p l e m e n t a t i o no f t h em u l t i a n t e n n ad e t e c t i o n f i r s tt h ek e yt e c h n o l o g i e so fo b p ss y s t e ma r ep r e s e n t e d ，i n c l u d i n gm i m o ，o f d ma n d s oo n t h e nm u l t i - a n t e n n ad e t e c t i o n sa r ed i s c u s s e d ，e s p e c i a l l yt h ed e t e c t i o na l g o r i t h mb a s e d o nq r d e c o m p o s i t i o n b yr e s e a r c h i n go nt h ef l o a tp o i n ts i m u l a t i o n sa n d f i xp o i n ts i m u l a t i o n s ， t h ea l g o r i t h mw en e e dh a sb e e nd e s i g n e d a tl a s t , t h ea l g o r i t h mi si m p l e m e n t e di nt h ec h i po f x i l i n xv i r t e x 一5 。a n da l s ot h er e s o u r c en e e d e di se s t i m a t e d k e yw o r d ：g b p s ，m i m o ，o f d m ，m u l t i a n t e n n ad e t e c t i o n ，q rd e c o m p o s i t i o n ，f p g a 插图目录 图l - l 图l - 2 闰1 3 图i - 4 图1 5 图l - 6 图1 7 图1 - 8 图i 9 图1 1 0 图2 i 图2 2 图2 。3 图2 4 图2 5 图2 6 图2 7 图2 8 图2 - 9 图3 - 1 图3 - 2 图3 3 图3 - 4 图3 - 5 图3 - 6 图3 7 图3 - 8 图3 - 9 图3 1 0 图3 1 l 插图目录 无线信道中的衰落2 多径衰落信道统计模型5 m i m o 系统模型6 单个o f d m 载波频谱9 多个o f d m 载波频谱9 o f d m 时域频域图一9 o f d m 发送端9 o f d m 接收端l o g b p s 系统发射端1 l g b p s 系统接收端1 2 时域传输框图1 3 频域传输框图1 3 硬判决对性能影响2 0 s j = s 2 = s n t = l 的球形检测2 9 l d p c 编码系统框图3 0 1 6 q a m 星座3 3 q p s k 星座3 4 1 6 q a m 星座3 4 6 4 q a m 星座3 5 链路仿真框图3 7 频域不相关复高斯信道仿真框图3 7 链路仿真的流程图3 8 子载波分配图。4 0 一次排序和多次排序比较( 4 发4 收一q p s k ) ，4 0 一次排序和多次排序比较( 4 发4 收- - 1 6 q a m ) 4 1 一次排序和多次排序比较( 4 发6 收- - 6 4 q a m ) 4 1 线性检测( 4 发4 收q p s k ) 4 2 线性检测( 4 发4 收1 6 q a m ) 4 3 线性检测( 4 发6 收1 6 q a m ) 4 3 球形检测( 4 发4 收q p s k ) “ v 插图目录 图3 - 1 2 图3 - 1 3 图3 1 4 图3 1 5 图3 1 6 图3 1 7 图3 - 1 8 图3 1 9 图3 - 2 0 图3 2 l 图3 - 2 2 图3 2 3 图3 2 4 图3 2 5 图3 - 2 6 图4 1 图4 2 图4 3 图4 4 图4 5 图4 6 图4 7 图4 8 图4 9 图4 - 1 0 球形检测( 4 发4 收1 6 q a m ) 球形检测( 4 发6 收6 4 q a m ) l d p c 编码( g a u s s ) 链路仿真和频域不相关复高斯信道仿真比较误比特率4 7 链路仿真和频域不相关复高斯信道仿真比较误帧率4 7 不同仿真信道对性能的影响 l d p c 编码系统检测性能误比特率4 9 l d p c 编码系统检测性能误帧率4 9 一次排序检测性能误比特率s o 一次捧序检测性能误帧率。5 0 不同编码速率的检测性能比较误比特率5 l 不同编码速率的检测性能比较误帧率5 1 传输帧格式5 3 数据位长度对定点仿真的性能影响5 6 系统采用检测算法的定点仿真5 7 q r 分解部分硬件框图( 前半部分) 6 1 q r 分解部分硬件框图( 后半部分) 6 2 向量q ，的存储结构一 n o g n l = 慨1 1 2 的硬件设计。6 3 非均匀查表的硬件设计“ 珞= q h q i 硬件设计6 5 ，。，取：加。一2 丛二硬件设计6 6 n o f f f l q = q t r , k q ，硬件设计6 6 检测部分硬件框图6 7 解上三角方程硬件框图6 8 v l 表3 - l 表3 - 2 表3 - 3 表3 4 表4 1 表格目录 仿真参数3 9 s u i 3 信道参数。 检测算法运算量比较一5 2 x i l i n xv i r t e x5 芯片资源表5 2 解上三角阵的流水线结构 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个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，也不包含为获得东南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。 研究生签名：匡垂日期：三! ：! 二! ! ：笙研究生签名：生生日期：兰：! 二! ! ：r 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名： 匡正 导师签名：日期： 翮管一o ；一口争 第一章绪论 1 1 论文背景 第一章绪论 随着i n t e m e t 和多媒体等高速数据业务在无线通信系统中的广泛应用，下一代移动通信系统 ( b 3 g 4 g 系统) 需要在有限的无线频率资源范围内，提供比现有的第二代移动通信( 2 g ) 系统和第三代 移动通信( 3 g ) 系统更高的传输速率，更大的覆盖范围，更稳定的性能。而且还要能够满足各种业务 的传输要求。为了实现上述目标国际上普遍认为b 3 g 4 g 系统应当在1 0 0 m h z 无线频段范围内达 到i g b p s 的峰值速率，也就是频谱效率高达1 0 b p s h z 。同时，为了满足绿色环保要求，b 3 g 4 g 系统 的发射功率还要远低于2 g 和3 g 系统。 日本n 兀d o c o m o 公司在2 0 0 5 年5 月进行实验，实现了最大速度i g b p s 的无线通信系统，并 于2 0 0 6 年在原来的系统中采用了多值化技术，将解调方式由1 6 q a m 改为了6 4 q a m ，将多路输入 输出( m 1 m o ) 天线由4 x 4 增加到了6 x 6 ，从而实现了最大2 5 g b p s 的分组信号传输，所占带宽为 i o o m h z 。频率利用效率高达2 5 b p s h z ，终端以大约2 0 k m h 的速度移动时也可接收信号。2 0 0 6 年 1 2 月，n t t d o c o m o 在1 0 千米时速下实现了5 g b p s 的传输速率，m i m o 收发天线数量为1 2 个。 2 0 0 6 年8 月，韩国三星电子利用高传输率的m i m o 技术，通过8 个收发天线同时收发信号，在 静止时实现了3 5 g b p s 、6 0 千米时速下1 0 0 m b p s 传输速率的实验结果。2 0 0 7 年1 0 月韩国电子通信 研究院( e t r i ) 展示了4 g 无线系统，在低速移动状态下实现了3 6 g b p s 的传输速率。e t k l 实现了对 8 0 个高清电视频道同时进行实时传输，还利用f t p 文件传输展示了高速传送移动数据 国际电信联盟( i t u ) 对于4 g 技术的定义是静止状态下速率1 g b p s ，高速移动状态1 0 0 m b p s 。目 前“4 g 标准”尚未成型，但各国已经在争相研究开发4 g 通信系统。提前抢占4 g 的话语权对国家 民族有着十分重要的惫义。 东南大学移动通信国家重点实验室在国家自然科学基金重大项目和前期8 6 3 重大项目的基础 上，设计能够在小于1 0 0m h z 的无线传输带宽内，5 0 米的传播距离内。实现的无线传输速率超过 lg b p s 的通信系统。为我国在下一代无线通信系统的核心技术掌握、标准制定、乃至今后实际系统 的建设等方面提供技术储备，推动我国从无线通信大国到强国的跨越。本文作为8 6 3 项日“g b p s 无 线传输关键技术与试验系统研究开发”的一部分，研究了多天线检测部分的技术理论和算法实现。 1 2 g b p s 系统关键技术 本节将对g b p s 系统采用的关键技术一一进行介绍。我们首先归纳了无线移动通信信道的特点- 给出了多径衰落信道的模型：之后介绍了g b p s 中采用的关键技术m i m o 技术和o f d m 技术；最 后，介绍了g b p s 通信系统，包括系统的构架以及这些关键技术在此系统中的运用 东南大学硕士学位论文 1 2 1 无线信道特性和模型 在无线通信中。发射信号在传播过程中，往往会受到环境中的各种物体所引起的遮挡、吸收、 反射等影响，形成多条路径到达接收机，使得接收机的接收信号产生失真、波形展宽，波形重叠和 畸变，甚至不能完全通信。此外，如果发射机或接收机处于移动状态，或者信道环境发生变化，接 收信号由于多普勒( d o p p i c r ) 效应会产生更为严重的失真下面分别介绍无线信道的各个特性n t 2 1 1 衰落作用 无线信道对信号豹衰减作用使接收信号的功率减小它由传输路径的长度、直达信号路径中的 障碍情况决定，任何阻挡在发射机和接收机之间的障碍都会引起信号功率的衰减。无线通信中的衰 减作用体现在以下三个方面1 2 j ： ( 1 ) 路径损耗：当发射机和接收机之间的距离在较大尺度上( 数百米或数千米) 变化时，接收信号 的平均功率值与信号传播距离d 的n 次方成反比。对于自由空同的皂波传输来讲，n 取2 。 ( 2 ) 阴影( s h a d o w ) 衰落：电磁波在空间传播时受到地形起伏和高大建筑物的阻挡。在这些障碍物 的后面会产生电磁场的阴影引起信号衰减，其统计特性通常符合对数正态分布，称作阴影衰落。 ( 3 ) 小尺度衰落( 多径衰落，快衰落) ：在无线通信中，由于电波经过的多条路径的距离不同， 各条路径中的发射波到达接收机的时问、相位都不相同。不同相位的多个信号在接收端反相迭加使 信号的幅度削弱，称为小尺度衰落。 露 v 耪 蝌 距离( 对敷) 图1 1无线信道中的衰落 路径损耗和阴影衰落合并在一起反映了无线信道在大尺度上对传输信号的影响，称为大尺度衰落 因为这种衰落对信号的影响反映为信号随传播距离的增加而缓慢起伏变化，所以也称为慢衰落。小 尺度衰落又称为快衰落，它反映了无线信号在较短的距离或时间之内的快速变化特性，它严重影响 信号传输的质量，必须采用抗衰落技术来抑制它的影响。 t 2 1 2 多径效应 在无线通信中，由于地面和周围建筑物的反射来自发射机的射频信号通常会受到各种障碍物 2 墨二兰丝丝 和其他移动物体的影响，以致到达接收端的信号是来自不同传播路径的信号之和。一般无线系统通 常工作在载频周围带宽为w 的通带范围内m 一矿，2 ，正+ w 2 ，然而系统的主要处理，如信道编 码译码，调制解调等都在基带完成，所以从系统的设计的角度看，用等效基带表示通信系统比较方 便。多径信道冲激响应的等效基带形式为【，】 c ( f ；f ) = ( f ) e x p ( 一，2 ，r 正( f ) ) 占( f 一( f ) ) ( 1 1 ) c ( r ；t ) 为信道在f 时刻加入的冲激在f 刻的响应，乙( f ) 是第n 径在f 刻的时延。a r t ) 第n 径在f 时 刻的衰落因子。 1 2 ，i 2 ，j 瑞利和莱斯衰落 在无线通信中，来自发射机的射频信号在传播过程中往往收到各种障碍物和其它移动物体的影 响。以至于到达接收端的信号是来自不同传播路径的信号之和。 如果各条路径信号的幅值和到达天线的方位角是随机的且满足统计独立，则接收信号的包络服 从瑞利( r a y l e i g h ) 3 j 布。瑞利分布是用于描述平坦衰落或独立多径分量情况下接收信号包络统计特性 的一种典型分布类型。 础，= 扩 ( 1 2 ) 其中占是包络检波之前所收到的接收信号的均方根。 如果发射机和接收机之同的多径传播中存在视距传播路径( l o s ，l i n eo f s i g h t ) ，则接收信号的 包络服从莱斯c r i c e ) 分布。在这种情况下，从不同角度随机到达的多径分量迭加在静态的主要信号上。 接收机包络检波器的输出端会在随机多径分量上迭加一个直流分量。 r， p ( 一： 砉p 虿，0 ( 多) ( 0 向)( 】3 ) 【0 ( r 毋) 和快衰落信道( e 日) 3 1 相干时问 4 第一章绪论 相干时间正在时域上描述信道的频率色散的时变特性。它与多普勒扩展成反比，是信道冲激响 应维持不变的时间问隔的统计平均值。信道的相干时间定义如下： z = l 力 ( 1 8 ) 1 2 1 4 无线信道模型 ( i ) 瑞利衰落和莱斯衰落信道模型 无线信道的离散时间基带模型可以写成嗍： h , c k ) = 军专) 卯一审】 ( 1 9 ) 岛( t ) 为k 时刻第，个信道滤波器的复抽头系数，( f ) 表示时延p ( f ) 所对应的路径增益w 为系 统带宽。i u ( w t ) 1 ；土2 磊，i ，t e z 其中，4 ，是k r o n c c k e r d e l t a 函数a 对信道滤波器抽头啊( 女) 建模时。假设每个抽头都是大量独立循环对称随机变量的叠加。根据中 心极限定理 ( 女) 服从零均值循环对称复高斯( z m c s c g ) 分布，岛( | | ) 的幅度服从g a y l e i g l l 分布 当存在较大幅度能量的直达路径时，同时信道还有大量独立路径。在这种情况下，至少一个信 道滤波器抽头建模为： 孵) = 辱 睁( o 砰) 其中，第一项表示具有均匀相位的直达径，第二项表示反射和散射路径的累加 达径和反射径能量之比。r 越大，随机变量的幅度服从r i c i a n 分布。 多径衰落信道的统计模型可如下所示： 2 1 改进的j a k e s 模型 图1 - 2 多径衰落信道统计模型 5 ( 1 1 0 ) r 为k 因子，是直 查塑盔兰堡圭兰壁丝苎 本文仿真中采用的信道模型为包络服从r a y l e i g h 分布，相位服从均匀分布的多径衰落信道。经典 的j a l c c s 模型嘲是通过采用多个正弦信号叠加的方法来仿真信道特性的衰落信道模型，i 扫j a k e s 模型产 生的时变衰落信道的多普勒频移谱为经典多普勒频移谱。由于单纯的j a k e s 模型并不能产生多个独立 的衰落信道，所以本文中仿真采用的是改进的j a k e s 模型川。 当信道为频率选择性瑞利衰落信道时，各条径分别对余弦函数加上互不相关的初始相位即可。 设乙( f ) 为第t 条可辨多径的衰落函数，为保证不同路径衰落互( f ) ，z ，( ) ， f ) 互不相关，有 如下表示： i i ， 肘 l 乙( ，) 2j 寺 善c o s 【r c o s 吼+ 奴】+ ，善c o s 【f s n + 纯一 u 1 ” 其中o = ( 2 a n 一# + o k ) 4 ，r ，磊t 、吼t 和口互相统计独立，且对于所有的1 ，k 服从【一7 l ，z ) 的 均匀分布。 1 2 2m i m o 技术 t 2 2 1 m i m o 概述【8 】 随着m 【e m e t 和多媒体等高速数据业务在无线通信系统中的广泛应用。下一代移动通信系统 ( 即：b 3 g 4 g 系统) 需要在有限的无线频率资源范围内，提供比现有的第二代和第三代移动通信系统更 高的传输速率，更大的覆盖范围，更稳定的性能，而且还要能够满足各种业务的传输要求。国际上 普遍认为b 3 g 4 g 系统应当在i o o m h z 无线频段范围内达到i g b p s 的峰值速率，也就是频谱效率高 达i o b p s h z ，同时为了满足绿色环保要求，b 3 g 4 g 系统的发射功率还要远低于2 g 和3 g 系统。 然而，由经典的香农信息论可知，上述对b 3 g 4 g 系统容量的要求远远超过了传统的香农信道 容量极限。换句话说，采用传统的通信手段根本无法获得如此高的信道容量的。因此，要想超越经 典香农理论设定的信道容量极限，必须要有全新的理论支持。 贝尔实验室的t e l a t a r 和f o s c h i n i 等人的研究成果显示：在无线富反射衰落环境下采用多个发射天 线和接收天线可以成倍地提高无线通信系统的信道容量，这种采用多个收发天线的系统通常被称为 多入多, q 4 , ( m i m o ) 系统1 9 l ，其信道容量近似于收发天线数目的晟小值成正比，这意味着：通过增加收发 信机两端的天线数目就可以大幅度提高无线系统的频谱效率。 1 2 2 2 m i m o 系统模型 图1 - 3m i m o 系统模型 6 i i ( o = a ，万( 卜f p ) ( 1 1 2 ) 其中0 表示第p 径的延时系数，a ，c “。r 表示收发天线间第p 个独立可辨路径的信道矩阵： fa 1 。( p ) q r ( p ) 1 a p = l ； l 0 1 3 ) i ，- ( p ) 竹( p ) j 信道在空间上存在相关性。假设发送接收天线之间的相关阵分别为r ，r ，c r 川，发送和接收信 ，。r 一。i 竹，r ，2 i h f ， 啊，f1 h = l ；! i i ，。k ，竹j 其中。表示发射天线n 到接收天线m 的信道参数a ( 1 1 4 ) 系统容量是通信系统的重要指标之一，n r 的m i m o 系统一对于坼发r 收m i m o 系统，假定 信道为独立的r a y i e i g h 衰落，则系统的容量可以表示为： c = i 0 9 2 d c t 【l h + 景h h “】( b p s z ) ( 1 1 5 ) 其中p 是接收端平均信噪比。 当n r ，坼很大时，则信道容量c 近似为： czm i n k ，n t i 。9 2 ( 刍 ( 1 1 6 ) 可以看出。m i m o 系统的信道容量随着天线数量的增大而线性增大。也就是说m i m o 技术可以成倍 东南大学硕士学位论文 地提高无线信道容量，在不增加带宽和天线发送功率的情况下，频谱利用率可以成倍地提高。 1 2 2 3m i m o 现状和前景 m m o 信道容量的新发现是信息理论的一次重大飞跃，它将经典的香农信息论扩展到更加广义 的m 1 m o 信息论，从根本上打破了人们以往对无线频谱效率认识上的拴桔，对无线通信的系统结构、 分析方法、调制技术、编译码算法、信号检铡技术、信道估计技术等各个方面都产生了极其深远的 影响，极大地激励了各种传统通信技术向m i m o 技术的跨越式发展 将m i m o 技术与一些高效的宽带无线传输技术相结合，可以有效地对抗宽带无线信道的频率选 择性衰落，大幅度提高无线通信系统的数据吞吐量。目前，国际上公认的最有效的结合是将m i m o 与正交频分复用( o f d m ) 技术结合而成的m i m 口o f d m 技术l l ”，它集中了m i m o 技术和o f d m 技 术的诸多优点，具有更为强大的通信潜力。能够在宽带无线信道上获得极高的频谱效率，达到惊人 的吞吐量。m i m o - o f d m 己被看作是b 3 g 4 g 系统的核心物理层技术，各国政府，各大通信公司、 科研机构等都己针对基于m i m o o f d m 技术的b 3 g “g 系统制定了周密的研究发展计划并开展了非 常密集的研究工作。此外，其它各种无线通信标准的物理层技术也正在向m i m o - o f d m 技术逐步过 渡，如：3 g p p l t e ，i e e e 8 0 2 1i n ，i e e e 8 0 2 1 6 ，i e e e $ 0 2 2 0 等。 1 2 3o f d m 技术 1 2 3 1 o f d m 概述 正交频分复用( o f d m ) 技术是一种多载波数字通信调制技术“1 。它由多载波调制( m c m ) 技术发展而来。美国军方在上世纪6 0 年代就建造了世界上第一个m c m 系统，随后衍生出采用多 个子载波的o f d m 系统。2 0 世纪9 0 年代，o f d m 开始被欧洲和澳大利亚选用于广播信道的宽带数 据通信、数字音频广播( d a b ) 、高清晰度数字电视( 玎) 1 v ) 和无线局域网( w l a n ) 等。此外- 还 由于其具有更高的频谱利用率和良好的抗多径干扰能力，也被看作是第四代移动通信的核心技术之 t 2 3 ，2o f d m 的实现原理 在传统的多载波通信系统中，整个系统频带被划分为若干个互相分离的子信道( 子载波) 。子信 道之闻有一定的保护间隔，接收端通过滤波器把各个子信道分离之后分别接收所需信息。这样虽然 可以避免不同信道互相干扰。但却以牺牲频率利用率为代价。而且当子信道数量很大的时候r 滤波 器的设置就成了几乎不可能的事情。 o f d m 选择相互之间正交的载波频率作为子载波，既能充分利用信道带宽，也可以避免使用高 速均衡，并且有抗突发噪声差错的能力。o f d m 不采用带通滤波器来分隔子载波，而是通过快速傅 里叶变换( f f t ) 来把混叠在一起的波形分离出来。o f d m 增强了抗频率选择性衰落和抗窄带干扰 的能力。在单载波系统中，单个衰落或者干扰可能导致整个无线链路不能使用，但在多载波的o f d m l 墨二兰堕堡 系统中，只会有一小部分子载波受影响。此外，纠错码还可以帮助恢复这些受损载波上的信息。o f d m 的频谱模式如下图所示，图1 - - 4 是单个o f d m 子信道的频谱。图i - - 5 是o f d m 系统的频谱。通 过合理地挑选子载波位置可以保证各载波之间的正交。 图1 4 单个o f d m 载波频谱 图1 - 5 多个o f d m 载波频谱 1 2 3 2 io f d m 信号发送器 图1 与o f d m 时域频域图 o f d m 信号发送器的原理说明见图1 - - 7 。 唑s pi f f t竺群! 堡，p s 兰孥号i 二+ 衢环盼2 + o 二= ；。 x i 。銎。k 。，。一! 图1 70 f d m 发送端 用户信号以串行的方式输入发送器，经过串并变换器，信号以并行的方式输出到m 条线路上 9 东南大学硕士学位论文 表示为x l k ，其中下标i 表示码字所属的子信道，其范围是从l 到m ；下标k 表示第k 个m 码字 组从x i a ，到x h h 组成了一个o f d m 码随后被送入快速傅里叶逆变换模块( 珊盯) ，进行n 点 的快速傅里叶逆变换。快速傅里叶逆变换可以把频域离散的数据转化为时域离散的数据。由此，用 户的原始输入数据就被o f d m 按照频域数据进行了处理，输出n 个时域样值。之后，长度为lp 的 循环前缀( c y c l i c p r e f i x ) 被加到了n 个样值之前，形成长度为n + l p 的o f d m 信息码字，完成了 o f d m 调制。一般来说，该循环前缀就是那n 个时域数据的最后l 。个样值。最后数据经过并串转 换进入信道。 添加循环前缀技术利用的是离散线性系统原理中的一个概念。在连续时间域，两个时域信号的 卷积就等于这两个信号频域形式的乘积。但是，这在离散时域的情况下一般是不成立的，除非卷积 是圆周卷积，所利用循环前缀使o f d m 信息码在我们感兴趣的时间区问内呈现出圆周卷积。循环前 缀的另外一个好处是可以消除码问干扰( i s i ) 。当l p 大于信道长度时，码间干扰仅仅会干扰当前信 息码的循环前缀，从而使o f d m 信息码避免了码问干扰。 1 2 3 2 2 o f d m 信号接收器 攀：善痛咚一i 善p i s 一鲨 t 2 3 3o f d m 技术的优缺点分析 o f d m 技术主要有如下优点。 ( 1 ) 抗衰落能力强。o 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要相 应地比同速率的单载波系统上豹信号时间要长很多，使o f d m 对脉冲噪声( i m p u l s e n o i s e ) 和信道 快衰落的抵抗力更强。 ( 2 ) 频率利用率高。o f d m 采用了正交子载波来承载信息和区分子信道，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。 ( 3 ) 适合恶劣环境下的高速数据佟输。首先，o f d m 自适应调制机制，可以按照信道情况使用不 同的调制方式。再有，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。 ( 4 ) 抗码问干扰( i s l ) 能力强。o f d m 由于采用了相互正交的子载波分别传输部分信息和加入循 环前缀的方式，大大增加了抗码问干扰的能力。 o f d m 技术的不足之处包括：( i ) 对频偏和相位噪声比较敏感：( 2 ) 功率峰值与均值比( p a p r ) 1 0 第一章绪论 大，导致射频放大器的功率效率较低；( 3 ) 负载算法和自适应调制技术会增加系统复杂度 1 2 3 4o f d m 技术的应用现状和发展前景 o f d m 技术良好的性能使得它在很多领域得到了广泛的应用。包括目前已经广泛应用的a d s l 宽带接入系统，欧洲的数字音频广播( d a b ) 、高清晰度数字电视( h d t v ) 和无线局域网( w l a n ) 等。此外，它还被看作是第四代移动通信的核心技术之一 1 2 4 g b p s 通信系统 本方案基于多输入多输出正交频分复用( m i m oo f d m ) 技术，实现无线传输速率超过1g b p $ 的无线通信实验系统。系统采用时分双工( t d d ) 模式，工作在3 5g h z 频段，占用带宽1 0 0m h z 系统采用4 发6 收的m i m o 方案。图1 - - 9 为系统发射端框图。用户数据经过信道编码和符号 映射后，进行快速傅立叶变换( f f t ) ，变换到频域，并进行交织。这里的f f t 、交织，再加上后面 的反向快速傅立叶变换( 球f t ) ，能够将每一时间点上的信号，扩展到同一f f t i f f t 数据块内的各 个时问点上，也能将每一时间点上的信号，扩展到频域的各处，也即进行了信号的时域和频域扩展， 为获得更大的分集增益提供了基础。多个用户的信号复用到4 条天线通路上进行传输。复用的方式 依据信道条件、业务要求等改变。在每一条天线通路上，采用了典型的o f d m 调制技术。 辛期序列p l u l a b l m 麓 瑙辫 f ， t 震 曩 圜 黧 秀 藿措 缓 氇 霞 波竣 冲 g 擎：目 籀码藏寅哇i 叵 黔善，宅 堰瓣 i ，一； 瞄 嚣疆 醴 p 豳嚯墨h 彗 鏊瘤麓 - _ 时髓号 ii啪：删 卜 搬城信号_ 一 时艟诂号。 图1 - 9g b p s 系统发射端 图1 一1 0 为系统接收端框图。从6 条天线通路上收到的信号先进行帧检测和粗同步，找到每一 个数据帧的大致起始位置，然后进行频偏检测和校正，去除收发端频偏带来的影响，并提供射频电 路进行自动频率控制( a f c ) 需要的频偏信号，再进行精同步，找到o f d m 解调中进行f f t 变换的 起始样值位置。f f t 变换后，在频域进行信道估计和信号检测。检测出的信号需要对其相位进行校 正。校正后的信号的数据部分进入解复用模块，导频部分用来对频偏进行跟踪，更新相位校正的信 息。数据解复用后分配到各个用户，每个用户进行解交织、i f f t 、符号逆映射和信道解码后，得到 东南大学硕士学位论文 发射信息的估计。 i 酬黜9 叫 li _ 一簟罐佶9 _ 图1 1 0g b p s 系统接收端 1 3 论文的主要研究内容和安排 l 卜- 竹黜9 1 本文是作者在攻读硕士学位期闻，参与移动通信国家重点实验室8 6 3 项目“g b p s 无线传输关键 技术与试验系统研究开发”，对多天线信号检测技术的研究与实现。主要研究g b p s 通信系统中的检 测算法，在阅读文献和报告的基础上对各种已有的检测算法进行仿真、分析、比较和改进，最终寻 求一种性能优良且适合硬件实现的检测方案。 第一章介绍了论文的研究背景、g b p s 通信系统使用的关键技术以及论文的工作安排。 第二章主要研究了移动通信中多天线检测的概念、理论和方法。介绍了传统的检测方法，包括 线性检测和非线性检测，对文献中个各种算法步骤作了详细的总结。研究并提出了改进的检测方法， 以及其适合的环境。最后将检测器和译码器结合，使检测器的输出为l d p c 译码器所需要的软信息。 第三章搭建链路仿真平台，对各种检测算法进行浮点、定点仿真，并在此基础上，分析仿真结 果，寻求性能优良且适合硬件实现的g b p s 通信系统检测方案。 第四章在定点仿真的基础上，设计检测算法基于f p g a 的实现，给出检测各个部分的硬件设计 框图。 第五章对论文的工作作出总结，并提出进一步改进的建议。 第二章多天线系统中的检测算法 第二章多天线系统中的检测算法 2 1 多天线检测概述 自然界和人类社会中信息的传输与交换，都是通过信号这一物理实体来完成的信号是信息的 载体和传送者在信号的产生和传输过程中，必然受到各种干扰因素的影响；因而必须加以处理t 才能提供给信息接收者使用。由于被传输信号本身和各种干扰往往具有随机性，信号处理设备必须 具有进行统计分析，而这个统计分析的基本任务就是检测信号是否存在和估计携带信息的信号参 量由此可知，信号检测与估计理论就是信号处理的统计理论，所要解决的问题是信息传输系统的 基本问题，因而具有广泛的应用。 多天线检测有很多分类方法。可以分为非线性检测和线性检测，非迭代检测和迭代检测，迭代 检测又可以分为检测器内部迭代和检测器和解码器的联合迭代l “。其中由于检测器和解码器的联合 迭代涉及运算量较大，不适合在高速通信系统中实现，本文提到的算法都是非迭代算法或者检测器 内部迭代的算法。 m i m o - o f d m 系统有 0 个发送天线，。个接收天线，可以提供空间分集复用。输入为多个 分支的比特流，每个分支都经过信道编码、正交幅度调制( q a m ) 、交织、插入导频信号、i f f t 变换、 加循环前缀等过程，完成o f d m 调制，再分别经天线发送到无线信道中；在接收端需要进行与发射 端相反的信号处理过程。如：去除循环前缀、f f t 变换，解交织、解调、解码等等。其主要传输框 图如图2 1 所示。 图2 - 1 时域传输框图 本文中我们主要讨论的是信号检测的方案对系统性能的影响而信号的检测又是在频域完成的， 所以可以将时域的传输框图( 圈1 ) 化简为频域的传输框图1 6 l 【”，如图2 所示，后面的内容都是根 据图2 2 来描述的。 图2 - 2 频域传输框图 1 3 东南大学硕士学位论文 其中的 和w 都是高斯白噪声，且”是 i ，经过fft 变换之后的频域表示。s = i s i j * r ，为 坼x l 的发射信号向量，x = 【五。r ，为坼x l 的接收信号向量存在关系x = h s + n ，其中h 为心r 的频域不相关复高斯信道的响应矩阵，n = 【啊。k 】r 表示个接收天线接收到的方差 为的高斯白噪声， e n n “ 2 群i n i 将x = h a + i l l 展开得到： 卧 ，。： 嚏，： jk ： r 如，* ： h n l h f刘 ( 2 i ) 为了方便讨论每个发射天线的平均发射功率被归一化，即e s s ”) - i ，信道为瑞利衰落信道， 即信道矩阵h 中的每个元素均为不相关