（通信与信息系统专业论文）mimogmc系统上行同步技术研究与硬件实现.pdf

摘要 近年来，第三代( 3 g ) 移动通信系统已在全球扩大商用，第四代( b 3 g 4 g ) 移动通信技术的研究和 开发正在全球范围展开。在中国，第四代移动通信f u t u r e 计划已被正式列入国家“十五”8 6 3 研 究计划。根据国家f u t u r e 计划拟订的关于新一代蜂窝移动通信系统的研究目标，东南大学b 3 g 课 题组提出了支持多天线的广义多载波( m i m o - g m c ) 无线传输技术。本论文根据f u t u r e 计划二期课 题的研究目标，在m i m o - g m c 系统总体框架下研究上行定时同步技术及硬件实现。 首先基于信号参数估值理论，研究最大似然定时估计的原理，详细介绍和讨论了定时估计的理 论推导和定时恢复的实现方案，并对其进行了性能分析。接着介绍了m i m o - g m c 系统空中接口规 范和定时同步流程，再重点介绍了上行定时同步算法。 在理论研究和算法学习的基础上，使用m a l l 曲和c 语言搭建了上行同步仿真平台，对 m i m o - g m c 系统中上行定时同步进行了完整的浮点性能仿真，并对上行同步各主要模块进行定点仿 真，比较各种定点化方案的优劣，为硬件实现方案的确定提供了性能和参数依据。 根据上行定时同步浮点和定点仿真结果，给出了易于硬件实现的方案和参数，进行上行定时同 步的逻辑设计。通过不断的修改、优化和论证，最终确定了满足硬件接口时序和功能需求、结构清 晰、资源占用少的硬件实现方案。硬件实现中根据各模块的不同需求，采用多路复用技术和流水线 技术等达到面积和速度的平衡和优化，有效地利用了硬件资源。在i s e 集成开发环境下，使用v e r i l o g 语言对设计方案进行f p g a 实现。实现结果表明：上行定时同步电路满足功能和时序要求，资源占 用也达到了预期的设计目标。最后，在m i m o - g m c 系统试验板的x i l i n xv i r t e x - l lp r o1 0 0 芯片上， 对上行定时同步实现结果进行在线调试，通过了板级测试，论证了设计的正确性。 关键字：上行定时同步m i m o - - g m c 浮点仿真定点仿真f p g a a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ec o m m e r c i a ld e p l o y m e n t so ft h e3 t og 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 s ，t h er & d a c t i v i t i e so nt h e4 t hg 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 na r eb e i n gc a r d e do u tg l o b a l l y i nc h i n a ，t h e f u t u r ep l a no n4 t hg 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 nh a sb e e nf o r m a l l yl a u n c h e da so n eo ft h e1 0 t h f i v e y e a r8 6 3r e s e a r c hp r o j e c t s t om e e tt h er e s e a r c hg o a lo ft h ef u t u r e ，t h eb 3 gr e s e a r c hg r o u pa t s o u t h e a s tu n i v e r s i t yh a sp r o p o s e dt h ea d v a n c e dm i m o - g m cr a d i ot r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g y t h i st h e s i si s o nt h eu p l i n ks y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h ma n dh a r d w a r ei m p l e m e n t a t i o nf o r t h em i m o - g m cs y s t e mt om e e t t h er e q u i r e m e n t so f t h es e c o n dp h a s eo f t h ef u t u r e b a s e do nt h ep a r a m e t e re s t i m a t i o nt h e o r y ，p r i n c i p l e so f t h em a x i m u m - l i k e l i h o o d6 m i n ge s t i m a t i o na r e f i r s td i s c u s s e d ，s e v e r a ls y m b o lt i m i n ge s t i m a t i o nm e t h o d sa n dt i m i n gr e c o v e r yi m p l e m e n t a t i o ns c h e m e sa s w e l la st h e i rp e r f o r m a n c e sa r cd i s c u s s e d 1 1 1 ea i ri n t e r f a c es p e c i f i c a t i o no fm i m e - g m cs y s t e m t i m i n g s y n c h r o n i z a t i o np r o c e d u r ea n de s p e c i a l l yt h eu p l i n kt i m i n gs y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h m sa t ed i s c u s s e d b o t h f l o a t i n g - p o i n t a n df i x e d p o i n tm i m o - g m cu p l i n k s y n c h r o n i z a t i o na l g o r i f l u ns i m u l a t i o n p l a t f o r m sa r es e t u p 1 1 1 es y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h mi se v a l u a t e d h a r d w a r ei m p l e m e n t a t i o ns c h e m ew h i c h c a nf u l f i l lt h er e q u i r e m e n t si sp r o p o s e db a s e do nt h ef l o a t i n gp o i n ta n df i x e dp o i n ts i m u l a t i o nr e s u l t s ，a n d t h ed e s i g ni si m p l e m e n t e du s i n gf p g a r e s u l t ss h o wt h a tt h ed e s i g n e du p l i n ks y n c h r o n i z a t i o nm o d u l ec a n m e e tt h ef u n c t i o n a la n dt i m i n gr e q u i r e m e n t s ，a n dt h er e s o u r c eu s a g ea l s om e e t st h ee x p e c t e dg o a l f i n a l l y ， t h eo n l i n ed e b u gu s i n gx i l i n xv i r t e x - l lp r o1 0 0c h i p so nt h em i m o - g m ce x p e r i m e n t a lb o a r di sp e r f o r m e d t h eb o a r d 1 e v e lt e s th a sh e e nc a r r i e do u tt ov e r i f yt h ed e s i g n k e yw o r d s ：u p l i n kt i m i n gs y n c h r o n i z a t i o n ，m i m o - g m c ，f l o a t i n g p o i n ts i m u l a t i o n ， f i x e d p o i n ts i m u l a t i o n ，f p g a 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面使用过 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： 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：导师签名： 第一章绪论 1 1 论文背景 第一章绪论 近年来，移动通信技术在世界范围内飞速发展。目前，3 g ( 3 r d g e n e r a t i o n ) 移动通信已形成标 准，从2 0 0 1 年起开始在全球逐渐扩大商用。然而3 g 系统实际所能提供的高速移动中的最高速率只 有3 8 4 k b s ，不能完全满足用户的实际需求而且难以满足不断增长的多媒体业务的高数据速率需求， 难以在不同频段的服务区间漫游等i l l 。因此，研究出能更好地支持非对称业务、宽带多媒体、i m e m e t 及其综合业务的高速移动无线通信技术，提供高速率、高频谱效率、大容量和低成本的无线多媒体 通信成为一个热点。在此现状下。适应移动通信发展趋势的b 3 g ( b e y o n d3 g ) 4 g 技术的研究正在 全球范围内开展。b 3 g 系统将支持多种无线接入技术，能实现目前多种无线网络的任意组合，包括 w l a n ，w p a n ，g p r s ，3 g 等；b 3 g 系统将具有更宽的频带、更高的数据传输速率、更平滑的小 区切换、更多样的服务和更低的成本等，将具有信令和路由功能闭。 为了满足以上的技术要求，b 3 g 移动通信系统在网络结构，空中接口，传输体制、编码与调制、 检测与估计等各个方面必将具有全新的面貌。在网络结构方面，将采用全m 、分布式、自组织和多 层的无线广带个人通信新体制和新模式；在空中接口方面，将采用分布式的接入方式，多天线技术 具有至关重要的作用；在传输调制方面，多载波并行是必须的，广义多载波技术正交频分复用技术 ( g m c o m m ) 具有潜在的技术优势；在编码与调制方面，t u r b o 码、l d p c 码、高阶调制、以及 自适应编码调制( a m c ) 等将得到发展和应用；在检测与估计方面，迭代式检测与估计是获得最优 性能的有效方法”。 为了在新一轮的竞争中占用主动权，欧洲、北美、日本、韩国等国家均已启动第四代移动通信 的研究计划。而在中国，第四代移动通信f u t u r e ( f u t u r e t e c h n o l o g i e s f o r u n i v e r s a l r a d i o e n v i r o n m e n t ) 计划已被正式列入了国家“十五”8 6 3 研究计划，探索和研究适应未来移动通信发展需求的新理论、 新技术，并建立试验平台测试。f u t u r e 计划的实施旨在为中国的移动通信提供更多的技术保证， 争取更多的核心知识产权，以有力地推动中国移动通信事业的发展。其中f u t u 礓+ e p 将完成，并将 启动f u t u r e i i 研究计划1 4 1 。 根据国家f u t u r e 计划拟订的关于新一代蜂窝移动通信系统的研究目标。东南大学移动通信实 验室b 3 g 课题组提出了支持多天线的广义多载波( m i m o - g m c ) 无线传输技术删。本论文根据课题组 承接的f u t u r e 计划二期课题的研究目标，在m i m o - g m c 无线传输技术总体方案基础上，研究同 步技术理论、上行定时同步算法及其硬件实现，并在m i m o - g m c - f d d 验证系统上进行实验验证。 1 2m i m o - g m c 无线传输技术 m i m o - g m c 无线传输技术方案可描述为阿： ( 1 ) 系统可在基本模式和扩展模式下工作。在基本模式下，可把总带宽为的2 0 m i - i z 信道分解 成一组并行的3 d b 带宽为1 2 8 m h z 的子信道，通过多载波滤波器组进行多载波合路和分路，多载波 滤波器组可通过d f t 快速实现；在扩展模式下，可把相邻的基本子载波合成为带宽为3 8 4 m h z 扩展 子载波，可根据未来不同国家的频谱分配情况，灵活地分配不同的扩展子载波，并可实现与3 g 系 统的共存与后向兼容。 l 东南大学硕七学位论文 ( 2 ) 在每个子载波，采用双循环自适应时隙结构、高效编码与调制、空时分集与空分复用、迭 代式空时联合检测译码等技术，支持高效的分组数据传输，满足b 3 g 系统对传输速率、系统容量、 频谱效率以及功率效率等方面的要求。 ( 3 ) 采用f d d 或t d d 双工方式，适用于广域覆盖和热点覆盖蜂窝通信环境。 ( 4 ) 采用f d m a 、t d m a 和c d m a 混合多址方式共享无线资源，其中c d m a 为辅选，每个 移动用户可动态地占用一个或多个基本子载波或扩展于载波，或占用一个子载波的一个或多个时隙、 码道等。从而达到大动态范围传输的要求。 m i m o g m c 无线传输链路具有如图1 1 所示的模块构成。在发送端，不同用户或同一用户的 m 个并行比特流，分别经过子载波发送处理，得到子载波多天线数字基带发送信号，对应于每个发 送天线的子载波发送信号，经过多载波合成滤波器组进行多载波合成，生成多载波数字基带发送信 号，再经过数模转换和载波调制，分别产生各发射天线上多载波发送射频信号。在接收端，各接收 天线接收的多载波信号经过载波解调和模数转换，产生多载波数字基带接收信号，经过多载波滤波 器组进行多载波分解，并进行定时频率同步，生成同步后各子载波多天线数字基带接收信号，各子 载波的多天线接收信号再经过相应子载波接收处理，得到m 个并行的接收信息比特流。 叫f 载波发送l 卜 数模 障 串并 叫f 载波发送2 卜 多载转换 波合与载 转换 成波调 制 叫子载泼发送1 2 卜 i 3 试验系统简介 - t 子载波接收1k 载艘 多载 _ _ _ _ _ _ _ _ 解调波分 叫子载波接收2 卜 并串 4 攀 与模析与 数转 定时 转换 换同步 i _ 一 叫子载波接收1 2 卜 图1 1m i m 0 - g m c 无线传输链路构成 试验系统如图1 2 所示，由四个接入点( r a u ，r e m o t ea n t e n n au n i t ) 、两个基站( b t s ， b a s e s t a t i o n ) 、一个基站控制器( b s c ，b a s es t a t i o nc o n t r o l l e r ) 、以及三个移动终端( m t ，m 0 b j l e t e r m i n a l ) 组成。其中，接入点r a u 由天线系统和射频前端构成，每个r a u 有4 个射频通道，使 用4 副天线，完成模拟基带信号的载波调制和解调、以及射频信号的发送和接收：b t s 可与三个r a u 通过光缆连接，完成m i m o 基带发送和接收信号处理，通过接口连接到b s c ，并接入因特网；b s c 与两个b t s 相连接，负责小区间无线资源的调配和控制，并通过终端计算机接入因特网 m t 由天 线系统、射频前端、基带系统、以及主控部分构成，有4 个接收和发送通道，使用4 副天线，完成 m i m o 基带处理、载波调制解调、以及射频信号发送接收等，它可以通过r a u 、b t s b s c 接入因 特网嗍。 2 第一章绪论 图1 2b e y o n d3 6 蜂窝移动通信无线接入网络试验系统构成 1 4 论文工作安捧 本文是作者在攻读硕士学位期间，参与f u t u r e 计划二期课题。m i m o - g m c - f d d ”无线 通信系统中上行定时同步技术的研究所作工作的总结。首先对m i m o - - g m c 系统中的上行定时同步 算法进行全面仿真，然后对上行同步各模块进行定点仿真，与浮点仿真结果相比较，以寻找最好的 定点化方案，然后用v e r i l o g 语言在f p g a 芯片上进行实现和板级测试。本文总共分为六章，主要内 容如下： 第一章简要介绍了论文的研究背景，m i m o - g m c 系统的基本框架和主要技术，试验系统的构成 以及论文工作安排。 第二章主要研究了移动通信中定时同步的基础概念，理论和方法，介绍各种定时同步算法模型。 第三章介绍了m i m o - g m c 系统的同步技术规范和同步过程，描述了上行定时同步中捕获、跟 踪以及插值重采样算法的原理。 第四章搭建上行定时同步仿真平台，在各种条件下对同步方案进行性能仿真和定点仿真。并对 仿真结果进行比较和分析，确定硬件实现时的定点化方案。 第五章在试验系统总体框架下，根据系统需求和同步仿真结果，提出上行定时同步的硬件实现 方案，描述了各模块功能和结构，并v e r i l o g 语言进行实现，并给出了几种硬件测试方案，在实验板 上进行调试，并对调试结果进行分析。 第六章对论文工作做了总结。 3 第二章数字通信系统中的同步技术 第二章数字通信系统中的同步技术 2 1 同步技术概述 在无线通信系统接收机的设计过程中同步是实现信号正确接收的前提，是通信系统的基本功 能。m e y r 等学者提出的数字通信系统的模型1 7 1 如图2 1 所示。在m e y r 的模型中将接收机分为内接 收机和外接收机两部分。内接收机的任务就是对未知参数( 以耐眈) 的估计与补偿，然后产生序列 y ( 良m 晓) ，使得在外接收机看来，不存在任何的未知参数，即同步参数估计和信道参数估计都是 理想的。同步处于接收端的内接收机部分。接收端为了从噪声、干扰与畸变中提取信号，必须估计 信号的特征参数，如振幅、频率、相位和时间。信号参数的估值过程就是同步i s l 。 图2 1 数字通信系统一般模型 定时同步包括捕获和跟踪，捕获是粗调，使接收序列和本地码相位差保持在一个码元以内；跟 踪是细调，在信道时变的情况下跟踪变化，调整同步位置。捕获过程主要参数有捕获率、误捕率、 捕获时间等，捕获仿真首先要有假设检验模型，一般使用b a y e s 模型。跟踪般采用d l l ( 延迟锁 定跟踪环) 或m ( f 抖动跟踪环) 。 2 2 信号参数估值理论 如上所述，同步是数字通信系统接收机中的关键技术。同步的任务就是要从接收信号中估计出 定时误差、载波相位等参数，而实现同步的基础是信号参数估值理论。 首先建立接收机信号的数学模型。假设发送信号为j ( ，) ，信道中的噪声为拧( r ) ，则接收信号，( f ) 可表示为，( f ) = s ( t ，m ) + ( f ) ，式中西表示待估值参数矢量，包括各种同步参数，如传播延时f ，载 波相位矿等。在采用相干接收的数字通信系统中，必须估计两个参数f 和妒有两个基本准则广泛 用于信号参数估计：最大似然( 膨) 准则和最大后验概率( m a e ) 准则。在m a p 准则中，信号参数矢 量西被建模成随机的，并用先验概率密度函数来表征；如果信号参数矢量西被处理成确定的但是未 知的，则使用尬准则。 5 东南丈学石负士学位论文 用n 个标准正交函数 z o ) 得到，( ，) 的标准正交展开式，就可以用向量i 2 n ，疋，】表示，( f ) 。 把随机变量n ，吃一“】的联合概率密度函数表示为p f f l , $ ) ，那么，西的m l 估计值就是使p ( i l 西) 晟人 的值。由贝叶斯定理可知，m a p 的估计值是使后验概率密度函数p ( 毒 ) 最大的面值，其中： p ( 孵丛雩铲 ( 2 - ) 如果西的先验概率相等，使p ( i 1 西) 达到最大的西值，同时也使_ p ( 西1 i ) 最大。这时最大后验概率 准则和最大似然概率准则具有相同的错误概率。对参数西的最大后验概率估计可简化为对其的最人 似然估计，两者可以等效。如果先验概率不等，而且被精确地知道，则最大后验概率准则检测产生 的错误概率比最大似然概率准则检测产生的错误概率小，即m a p 检测性能优于m l 检测性能。一 般情况下，先验概率是未知的，因此通常选用最大似然检测。 似然函数p ( f f l 西) 表示确定的参数西下，随机矢量i 爿，吒】的概率密度函数。在加性噪声为零 均值高斯分布的情况下，联合概率密度p f f l 面) 为： 斫m = ( 去h 嘻匠笋 亿z ， 其中， 2 or ( t ) f ( t ) d t ，2 o s ( t ) f ( t ) d t ( 2 _ 3 ) 式中，瓦表示对，( f ) 正交展开式中n 个正交函数波形线性叠加的观察间隔。 将式( 2 3 玳入式( 2 2 ) 中的指数部分，并取极限，可以推得下式： l i r a 一喜b 2 0 掣- 一古船h 以西，】2 西 亿a ， - 8 鲁 2 2 口2 拓 1 则p ( 蚓西) 关于参数西的最大化等价为下列似然函数的最大化： a ( 奶= e x p _ 驴1 舭，) _ 印；西) 】2 出 ( 2 5 ) 2 3 符号定时估计方法 在同步数字通信系统中，定时恢复是一个重要的功能。解调出的信号必须以一定的抽样间隔r 在 精确的时刻进行抽样，其中丁为符号间隔。周期抽样的实现要求在接收机中有一个时钟，在接收机 中提取这个时钟信号的处理过程称为符号同步或定时恢复”。 获得符号同步有几种方法，在某些通信系统中，发送机和接收机的时钟都同步到一个主时钟上 该时钟提供一个非常精确的定时信号。在这种情况下，镁收机必须估计和补偿发送与接收信号之问 的相对延迟。另一种方法是提供时钟专用信道，即发送机在伴随信息信号的同时发送一个时钟频率 为1 r 的信号或1 ，丁的倍频信号。接收机使用一个调谐到发送时钟频率上的窄带滤波器提取时钟信 号来抽样，这种方法的缺点是时钟信号的传输占用了有用的信道带宽。时钟信号也可以从接收的数 据信号中提取，这种同步的方法称为自同步”。在自同步系统中，利用最大似然估计方法获取有噪 声环境下的定时同步信息是一种最佳的方法，其性能可以接近均方误差下界。 下面来推导最大似然符号定时估计值。假设载波相位已知，接收信号为r ( f ) = s ( r ；f ) + ”( f ) ，f 为 6 第二章数字通信系统中的同步技术 需要估计的延迟。用f 代瞀。代八公式( 2 5 ) ，似然函数变为： a ( f ) = e x p _ 虿1 肌f ) - 职r ) 】2 西 ( 2 6 ) 上式中的积分表示接收信号r ( f ) 与参考信号j ( f ；f ) 的距离哪，求最大似然估计值相当于遍历所有 可能的f ，找到一个f 。，使得接收信号与参考信号之间的距离最小。把积分表达式展开，并取对数， 可得对数似然函数： l ( f ) - 一击r 2 ( ，) a t + 吉，( f ) 啦) 出一专驴( f f ) a t 显然，2 ( t ) 与f 无关；而瓦足够大时， s 2 ( f ；r ) 出与f 无关怖，这两项都可以看作独立于f 的 常数。于是对数似然函数可以简化为： a l ( 咖嘉丘，( 咖( f ；f ) a t + c ( 2 8 ) 其中，c 专r 2 ( f ) a t 一专俅r ) 出 相应地，对数似然估计为： 证= a r g m a x a 。o ) = a r g m “ r ( f ) 5 ( ，；r ) 出 ( 2 9 ) 定时同步算法有很多，如果传输的数据序列已知，即一些规定的同步字或训练序列，在此前提 下的定时同步方法称为数据辅助a m - a i d e d ) 定时恢复方法。在多数情况下，传输的数据序列是未知 的，如果用接收端估计的数据序列代替实际数据进行定时参数的估计，这种方法称为面向判决 ( d e c i s i o nd i r e c t e d ) 的定时恢复方法；如果没有利用估计出来的数据序列，而按照信息码元取值的概 率密度来平均似然函数，再对平均后的似然函数求极值得到定时估值，这种方式称为非数据辅助( n 咖 d 稚h a i d e d ) 的定时恢复方法网。 2 3 1 数据辅助的最大似然定时估计 实际数字通信系统中。发送端在发送有用数据之前发送一段被称为导频或同步码的已知序列( 训 练序列) ，接收端利用已知的训练序列来估计载波相位或符号定时，这种方式称为数据辅助同步参 数估计。数据辅助的方法有很多i “，采用的训练序列也多种多样。不同的训练序列会产生不同的估 计性能，因此，应该选择合适的训练序列。 若发送数据序列为口，由于接收到的序列，依赖于口，因此同步器的实现取决于如何看待发送序 列口。定时误差的最大似然概率为： p 钾r ) = p g 扫。，r ) 但1 0 ) m l a 如果发送的序列已知，例如在发送有用数据之前发送一段已知序列a 。( 训练序列) ，那么p ( d ) 就可以确切地预知。由于发送序列己知，式( 2 1 0 ) 的求和式中只剩下一项，即此时延时f 的最大似然 估计简化为求似然函数p 日口= ，r ) 的最大化，即：( ) 。= a 唱1 蛩。p 们d = 口o ，f ) 。 7 东南大学硕士学位论文 2 3 2 非数据辅助的展大似然定时估计 2 3 2 1 最大似然定时估计表达式 在非数据辅助定时估计中，首先要对似然函数a ( f ) 在信息符号的p d f 上求平均，得到a ( r ) ； 然后再求使得五( f ) 取极值的估计值i 1 l l 。 假设发送的训i 练序列为5 ( f ；f ) = g o h 丁一f ) ，噪声为双边功率谱密度为o ：的高斯白 噪声n ( t ) 。且脉冲函数具有单位能量且在观测区间上是相互正交的，即满足： j r o g ( t k t ) g ( t r o t ) a t 2 研一m l ( 2 1 1 ) 发送序列 q 是独立高斯分布时，对数据求平均，可得对数似然函数为1 9 l ： 碌f ) 2 志莓玎p ) ( 2 1 2 ) 其中，“( f ) 3 7 ( ，) g u 一，一f ) d r 。 3 t 送序y i j a 。 是二进制p a m 序列时，如信号等概分布，对数据求平均，求得对数似然函数为嗍： = ；n l f 意- - 删 亿 当j 很小时，i n c o s h ( x ) 兰- “q - ，因此在低信噪比下，平方律近似式为： 天l ( 净寿莩玎( f ) ( 2 1 4 ) 发送序列 以 是多电平p a m 序列时，如信号为零均值且单位方差的高斯分布，将a 。( f ) 在高斯 p d f 上求平均，天。( f ) 与式( 2 1 2 ) 一致。对式( 2 1 4 ) 求导可得到f 的m l 估计值的近似值为： 坐d 盟r 兰嘉莓加) 蚴d r ( 2 1 5 ) 一0 2 争“”7 ” 2 3 2 2 非面向判决定时估计方案 基于式( 2 1 3 ) 中a l ( f ) 导数的定时跟踪环实现方案如图2 2 所示n 图2 2 二迸制基带p a m 的非面向判决定时估计 基于式( 2 1 5 ) 的定时估计的跟踪环实现方案如图2 3 所示。 8 第二章数字通信系统中的同步技术 图2 3 基带p a m 的非面向判决定时估计 在以上两种方案中，求和器都是用来驱动压控振荡器v c c 环路的。 2 4 定时估计性能 信号估计和检测的性能需要有一定的评价指标来衡量，信号参数估计的性能一般用偏差及方差 来度量。假设观测向量为 呵，2 矗】，具有条件概率密度函数p ( 司) ，待估参数的实际值为庐，估 计值为( f ) ，则估计值的偏差定义为6 ( ) = 研乒( f ) 】一i i l l 。可以看出，当估计值的期望值e 眵( i ) 】= 时，偏差6 ( 孑) = 0 ，称该估计为无偏的。估计值的方差定义为l “l ： = e ( e f t ) 一e 【e f t ) ) 。 = 联膨( f 玎 一 e l # i f ) l 2 一般精确地计算方差是比较困难的，参数估计理论中方差的克拉默罗限( c r b ：c r a m e r - r a o b o u n d ) _ 应月| j 比较广泛。1 1 4 1 。c r b 限为估计值的均方误差提供了一个性能基准，估计值；( i ) 方差的克 拉默罗限的定义为1 1 n ： 咖高咖 瑚品h 州2 乃 当估计为无偏时，上式中的分子是1 ，c b r 限变为： 乃2 五 与“，p c 司一， 2 c z - s ， 无偏的且方差达到c b r 下界限的估计称为有效估计。有效估计存在时，一般为最大似然估计i “i 。 在对数似然估计中，经过简单推导可得： l i l p ( i 1 矿) = a ( ) + c( 2 1 9 ) 其中a 。( 力为的对数似然函数，c 为与妒无关的常数。 将式( 2 。1 9 ) 代入式( 2 1 8 ) ，可得最大似然估计的方差c b r 下界限为： 咖| 胁 2 公式( 2 2 0 ) 建立了最大似然估计的对数似然函数和c b r 限之间的联系，这个结果是非常有用的。 参数估计理论的一个众所周知的结果是任何m l 参数估计是渐进无偏的和有效的，m l 估计也是渐 进高斯分布的，这些性质构成了m l 参数估计的重要特征，使得m l 参数估计具有期望的优良性能， 东南人学硕士学位论文 并得到了广泛使用i 。 m l 定时估计方筹与脉冲形状有关，当脉冲的自相关函数接近于二次函数的时候，m l 定时估计 的性能接近于c b r 跟o “l 。而在实际系统中，很多脉冲成型在峰值附近接近于二次函数，使得m l 估 计性能接近c r b ，此时定时估计是有效的。有关定时估计器性能限的更详细的论述参考文献。”“。 2 5 数字定时恢复方法 2 5 1 定时恢复方法 数字通信中为了实现最佳检测，接收端需要对输入信号在最佳观测点进行采样，以产生同步后 的信号，这就是数字恢复的问题。定时恢复的实现方法一般有三种：( 1 ) 模拟定时恢复方法：( 2 ) 模数混合定时恢复方法； ( 3 ) 数字定时恢复方法i l “。实现方法如图2 4 所示。 有些通信系统中，采样时钟和数据符号速率同步，可用模拟或模数混合的定时恢复方法达到输 入数据的定时同步。其中r 为符号周期，s o t 为接收信号的延时。接收信号的采样时钟通过一个前 馈环路控制，产生定时信号来调整本地时钟相位，同步采样后的信号输入到信号处理器，进行信号 检测等。模数定时恢复是模拟恢复方案的一个改进，与模拟方法不同，采样时钟通过一个反馈环路 来控制，前几节所述的最大似然定时估计基本采用此方法。 而在有些情况下，比如需要多速率的软件接收机中，信号被一个固定频率的时钟采样，而与调 制方案和符号速率无关。此时需要用数字信号处理的方法，对已有采样点进行处理来实现速率变化 和定时同步，而不把信息反馈到模拟端调整采样时钟，这种方法就是数字定时恢复。此时，定时控 制信号完全由其后的数字处理器来产生和调整。 图2 4 定时恢复方法( ( a ) 模拟方法：( b ) 模数混合方法：( c ) 数字方法) 1 0 铲 | | 裂一 第二章数字通信系统中的同步技术 2 , 5 2 插值实现数字定时恢复 数字定时恢复的经典算法是由g a r d n e r 等人提出的利用内插定时恢复最佳采样点，图2 5 描述 了反馈型数字定时恢复的基本组成。 抽样器 图2 5 数字定时恢复的基本组成 假设接收信号j ( f ) 为带限信号，符号周期为r ，采样时钟频率为，采样后的信号为 x t m r , ) = 缸m ) 。插值器参数由控制器产生，对输入的采样点插值，得到符号间隔为r 的插值输出 灭k r , ) ，一般来说，王= 叫k ，k 为较小的整数。数字滤波器对采样点进行处理，得到最佳观测点。 数字滤波器的输出经过定时误差检测模块，提取的误差信号经过环路滤波器和数控振荡器n c o ，得 到插值器所需的控制信号，插值器利用这些信息对已知采样点插值完成定时同步。 下面简述数字定时恢复环路中插值器实现定时恢复的基本原理和方法。为了实现最佳检测，需 要得到接收信号，( f ) 在t = n t + 6 0 t 时刻的采样，但在接收机中实际采样到的样值序列为 缸m i ) = 缸) ，因此需要利用这些已知样值信息插值产生新的样值，使他们和期望采样时刻的样值 一致或者接近。 为了获得插值的模型，首先构造一个插值器的速率变换模型挪，如图2 6 所示。 图2 6 插值器的速率转换模型 在该虚拟模型中，采样信号缸m z ) 经数模转换后经过插值滤波器h a t ) ，输出模拟插值信号y ( f ) ， 可以表示如下： “f ) = x ( m t , ) h t ( t 一) ( 2 2 1 ) 对y ( f ) 用新的采样间隔z 重新抽样，得到新的采样点： y ( k r , ) = x ( m t s ) h ，- m r , ) 上述方法包括模拟信号的处理，但是完全可以用数字的方法得到所需的插值点。 引作如下定义，定义基点下标为： 滤波器下标为： 巩= i m k t , t , 】 f 2 2 2 ) 首先对信号索 东南大学硕士学位论文 分数间隔为 i = i n t k t , t , 一m = m k m 儿= k t , t , - i n t k r , r , 】= 螺r 一 其中，0 以 1 。定时关系如图2 7 所示。 ( 2 2 4 ) ( 2 2 5 ) 标 图2 7 插值器采样时间关系 将式( 2 2 3 ) - - ( 2 2 5 ) 4 弋入式( 2 2 2 ) ，得到 y ( 螺) = y ( + 以) c j ：圭：一f ) i h 阶段) t 2 2 6 如果插值滤波器为有限冲击响应，则计算时总共有i = i ：一i i + 1 个抽头。对于给定的，t j ， 定时参数缸。，朋t ) 可唯一确定，由插值等式( 2 2 6 ) 可知，每个插值点可由i = ，：一，+ 1 个m t 附近的采 样点x b ) 和，个以决定的 ，o ) 的采样点计算得到。由图2 7 所示的时间关系可见，虽然岛，为常量， 但是由于z 和的不一致，相对定耐误差以是时变的。如果r , r ，是无理数，则分数间隔熙也是 无理数，当以具有无限精度时，版永远不会重复；实际系统中数据需要量化，则“的值就是有限 的。如果r , r ，是有理数，则以t 是周期循环的图样。 概括地说，数字定时恢复由以下几步组成：先确定协。，以) 。这一步主要是提取分数间隔段， 一般可由控制实现坤。迸一步可确定数字时变滤波器日，( e j 。r , z 。tj 的系数。由采样点扛( 卅t ) 和 n c o 提供的控制信息，插值获得y ( e r , ) 。 在使用理想插值滤波器的情况下，定时恢复的输出 ) ，0 r + 磊，) 等同于信号最佳采样点的值 扛( 鼯，+ 岛7 ) ；在实际应用中，只能使用有限长的滤波器，因此不可能完全恢复定时i ”。另一方面， 实现时硬件的速度限制了插值器的速率，使得插值精度不能无限度的提高。鉴于这些原因，数字定 时恢复存在一定的定时误差。但由于接收端的其他滤波器功能可以补偿插值滤波器的不理想脉冲响 应，所以实际的插值器是可行的。 2 第三章m i m o - g m c 系统定时同步算法 第三章m i m o g m c 系统上行定时同步算法 3 1m i m o - g m c 系统空中接口规范 m i m o - g m c 系统的总带宽为2 0 m h z ，分为1 6 个3 d b 带宽为1 2 8 m h z 的子载波1 2 e l ，系统频带 划分如图3 1 所示。中间的1 2 个载波用于传输数据，首尾的4 个载波预留。发送端将1 2 个子载波 经过合成滤波器组合成多载波信号，接收端将多载波信号分解为1 2 个子载波。下行链路可以使用所 有的1 2 个载波，上行链路可以根据用户的传输速率要求分配1 个或多个载波。 图3 1g m c 系统频带划分 3 1 1 无线资源分配 m i m o - g m c 系统每个子载波有3 层时域结构，依次为超帧、帧和时隙舯。三者的关系如图3 2 所示。 图3 2 超帧、帧和时隙间关系 r 2 t s01 s 1b2髓3r 3 r l s i o t 图3 3m i m 帆m c 系统上行链路无线资源分配示意图 把每个子载波的1 个时隙定义为无线资源单元( 砌t u ) ，由图3 3 可以看到所有r r u 的分配情况。 某些r r u 用于承载同步信道、控制信道、随机接入信道等，其余的可以分配给不同的用户，承载业 1 3 虻垃m s 6 4 2 ，3 5 7 9 东南人学硕士学位论文 务数据。 m 1 m o - g m c 系统上行链路无限资源分配示意图如图3 3 所示。载波1 前4 个时隙用于同步和控 制信道，其中载波1 的第1 个时隙t s 0 是同步信道。t s 0 的前3 个子时隙分别对应3 个用户的同步 信道：载波i 的t s l 、t s 2 和t s 3 分别对应用户l 、用户2 和用户3 的随机接入信道。除了上述4 个时隙外，其他1 1 6 个r r u 用于传输业务数据，分为3 块资源：r 1 、r 2 和r 3 ，分配给3 个用户使 用。用户资源占用信息在每帧的开头由上层通知定时同步电路，同步电路根据此信息进行相应的运 算。 3 1 2 时隙结构 m 1 m o g m c 系统定义了3 种不同的时隙结构，分别为普通时隙、上行同步时隙和下行同步时隙。 普通时隙用于承载随机按入信道r a p c h 、主公共控制信道p - c c p c h 、专用物理控制信道d p c c h 和专用物理数据信道d p d c h ，同步时隙用来承载同步信道。 3 1 2 1 普通时隙 普通时隙的结构如图3 4 所示。每个时隙长度为o 8 3 7 5 m s ，包含1 0 7 2 个符号。每个普通时隙由 4 部分组成：保护段g u a r d ，8 个符号，用来防止多径干扰和辅助信道估计；导频段p i l o t ，3 2 个符号， 用于信道估计和定时同步跟踪；数据和控制信息段d & c ，2 1 6 个符号，用于传送用户业务数据和特 定的控制信息；保护段n u l l 不发送信号。 图3 ，4 普通时隙结构 导频序列是3 2 个符号长的循环正交序列，为了区分不同天线上的信号，4 天线发送不同的导频 序列。原始循环正交序列作为第一根天线的导频序列，其余天线的导频序列是原始序列的循环右移， 每次移8 个符号。 3 1 2 2 上行同步时隙 实验系统每个小区设置了3 个用户，各用户的上行同步信道设置如图3 5 所示。上行同步信道 位于第一个子载波的第一个时隙，3 用户的同步信道时分复用前面的3 个子时隙，考虑到各用户离 基站的距离不同，为防止用户间干扰，同步信道间用一段较长的保护段间隔。 图3 5 上行定时同步时隙结构 同步序列由1 2 8 个符号的g o l a y 序列p ”构成，其自相关特性如图3 6 所示。 第三章m i m o - g m c 系统定时同步算法 同步码自相关曲线 朋m m 怕m灿 i 图3 6 同步码自相关曲线 3 2m i m o - g m c 定时同步流程 3 2 1 概述 m i m o - g m c 实验系统完整的同步流程包括下行链路同步建立、下行链路同步跟踪、上行链路同 步建立和上行链路同步维持。 在上下行同步建立完成后，基站和移动台间可以进行正常的数据业务通信了。但通信过程中由 于移动台的移动，移动台与基站之间的距离会变化；而且无线信道是时变的，因此系统的传播时延 会有轻微的变化，定时同步维持的目的就是跟踪定时漂移。定时同步维持在业务数据通信过程中一 直进行，保证数据的正确发送和接收。当系统检测到失步后，重新启动状态机开始同步建立过程。 无论在同步建立还是同步维持阶段，同步捕获和跟踪一直工作。 3 2 2 上行同步建立 基站从一上电，就开始搜索上行同步信道中的同步码。捕获是在上行同步信道上进行的。各用 户的捕获过程相同，下面以单用户为例介绍。 由于小区较小，上行同步电路只要在小范围内搜索同步码，得到粗同步位置。跟踪电路和捕获 电路同