（通信与信息系统专业论文）ofdmmimo系统发射机关键技术研究与fpga实现.pdf

摘要 摘要 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 ) 系统因其频谱利用率高、抗频 率选择性衰落、抗码间干扰能力强等众多优点，已被广泛应用于宽带高速数据传 输系统中，而o f d m 与m i m o ( m u l t i i n p u tm u l t i o u t p u t ) 技术的结合也被广泛认为 是未来无线通信的关键技术之一。o f d m 的基本原理是将频域中的一个宽带信道 划分成多个重叠的子信道并行地进行窄带传输，每个子信道上用一个子载波承载 数据。在接收端，只要各子信道上子载波正交，就可以将各信道上的数据正确分 离，由于具有多个载波，频带利用率将会大大提高。同时，o f d m 可以采用f f t ( f a s t f o u r i e rt r a n s f o r m ) 算法来进行调制和解调，十分便于硬件实现。但是o f d m 也有 功率峰值功率比过大以及对频偏敏感等缺点，在应用的时候需要采用各种方法来 克服。 针对大容量通信机项目，电子科技大学抗干扰实验室研究并设计了一种基于 o f d m m i m o 链路的通信系统方案，根据无线信道的复杂性和系统数据量要求， 设计了适合的帧结构，实现上拟采用f p g a + d s p 的硬件架构，实现了大容量通信 机收发链路的基本功能。 本文作为大容量通信机项目的重要组成部分之一，重点负责o f d m m i m o 通 信机发射端关键技术的算法研究和f p g a 实现，主要包括o f d m 调制与组帧、数 字上变频以及与此相关的u s b 接口、d s p 接口的f p g a 实现。本设计的f p g a 芯 片采用x i l i n x 公司v i r t e x i ip r o 系列产品x c 2 7 0 ，设计平台采用x i l i n x 公司 的i s e 系列软件。本论文在前期的o f d m 系统算法基础上，设计加入了抑制带外 辐射的o f d m 加窗模块以及缓解高p a p r ( p e a k t oa v e r a g ep o w e rr a t i o ) l b 题的功率 峰均比抑制模块，经过编程实现、仿真测试和电路验证，最终实现系统发射端的 功能，使性能符合设计要求。同时，针对放大器的非线性失真问题，本文讨论了一 种基于自适应预失真算法的高效的f p g a 实现方案，为预失真器在o f d m 通信系 统中的应用提供了一种有效可行的硬件实现方法，具有实用价值。 关键词：o f d m ，帧，f p g a ，数字上变频，预失真 a b s t r a c t a b s t r a c t d u et oi t sh i g h s p e c t r a le f f i c i e n c ya n dr o b u s t n e s sa g a i n s tf r e q u e n c ys e l e c t i v e f a d i n g , 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 ( o f d m ) h a sa l r e a d yb e i n gw i d e l y u s e di nh i g hd a t as p e e dc o m m u n i c a t i o ns y s t e m t h ec o m b i n a t i o no fo f d ma n dm i m e a r et h o u g h t 够o n eo ft h em o s ti m p o r t a n tt e c h n i q u e so ff u t u r ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n t h eb a s i cp r i n c i p l eo fo f d mi st od i v i d eaw i d e b a n df r e q u e n c yc h a n n e li n t os e v e r a l o v e r l a p p i n gs u b c h a t m e l s d e s p i t es p e c t r a lo v e r l a p ，t h ed a t ai ns u b c h a n n e l sc a nb e p e r f e c t l ys e p a r a t e da tt h er e c e i v e ra sl o n ga st h es u b c h a n n e l sa r eo r t h o g o n a l s i n c ei ti s m u l t i - e a l t i e rs y s t e m ，t h e s p e c t r a le f f i c i e n c y c a l lb el a r g e l ye n h a n c e d m e a n w h i l e , o f d mc a l lb ee a s i l yr e a l i z e db yi f f t f f ta l g o r i t h m ，t h u si t sv e r yc o n v e n i e n tt o i m p l e m e n t eo nh a r d w a r e h o w e v e r , t h e r ea r es t i l ld i s a d v a n t a g e so fo f d m s u c ha sh i g h p a p r , s e n s i t i v i t yt of r e q u e n c yo f f s e t w h i c hh a v et ob ei m p r o v e db yv a r i o u sm e t h o d s w h i l e l e ya r ei m p l e m e n t e d d e d i c a t e dt ot h ep r o j e c to fl a r g ec a p a c i t yc o m m u n i c a t i o ns y s t e m , u e s t cw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o nl a bh a sd e s i g n e da no f d m - m i m oc o m m u n i c a t i o ns y s t e ms c h e m e ， i n c l u d ep r o p e rf r a m es t r u c t u r e ，a n dp l a n e dt oi m p l e m e n ti tt h r o u g hf p g a + d s p h a r d w a r es t r u c t u r et of u l f i l lb a s i cf t m c t i o n so fl a r g ec a p a c i t yc o m m u n i c a t i o n a sak e yp a r to fl a r g ec a p a c i t yc o m m u n i c a t i o ns y s t e mp r o j e c t ，t h i st h e s i si s m a i n l yr e s p o n s i b l ef o ra l g o r i t h mr e s e a r c ha n df p g ai m p l e m e n t a t i o no fk e yt e c h n i q u e i no f d m m i m et l 丑n s m i t t e r , i n c l u d eo f d mm o d u l a t i o na n df r f l i n ec o n s t r u c t i n g , d i g i t a lu pc o n v e r s i o na n dr e l a t i v ei n t e r f a c e s t h i sd e s i g ni sb a s e do nx i l i n x sv i r t e x - i i p r op r o d u c t , x c 2 v p 7 0 ，a n dx i l i n xi s es o f t w a r ep l a t f o r m a p a r tf i o mp r e v i o u so f d m s c h e m e ，t h i st h e s i sa d d saw i n d o wm o d u l et or e s t r a i nl e a kp o w e ro u t s i d et h eb a n d w i d t h , a n dp a p rr e s t r a i n i n gm o d u l et or e d u c eh i g hp a p r m e a n w h i l e , af p g ad e s i g n s c h e m eo fa d p t i v ed i g i t a lp r e d i s t o r t i o ni sp r o p o s e da n da n a l y s e d t h r o u g hc o d i n g , s i m u l a t i o na n dv e r i f i c a t i o n , t h et r a n s m i t t e rf u n c t i o ni sf i n a l l yr e a l i z e da n dc a np e r f e c t l y m e e to u rs y s t e mr e q u i r e m e n t s m e a n w h i l e , f o rt h ep o w e ra m p l i f i e rn o n i i l l e a rd i s t o r t i o n , a ne f f e c t i v ef p g as c h e m eb a s e do na l la d a p t i v ep r e - d i s t o r t i o na l g o r i t h mi sd i s c u s s e d ， a b s t r a c t w h i c hh a so f f e r e daf e a s i b l ew a yf o rt h ep r e - d i s t o r t e rt ob ei m p l e m e n t e di no f d m s y s t e m k e y w o r d ：o f d m ，f la m e ，f p g a ，d u c ，d p d i i i 缩略语对照表 a d c a s i c c d m a c l b c i c c o r d i c c p c p l d d c m d a c d p d d s p d u c e d a f f t f i f o f p g a f i r h d l i c i c i i f f t i o b 口 缩略语对照表 a n a l o gt od i 百t a lc o n v e r t e r a p p l i c a t i o ns p e c i f i ci n t e g r a t e dc i r c u i t c o d ed i v i s i o nm u l t i p l e xa c c e s s c o n f i g u r a b l el o g i cb l o c k c a s c a d ei n t e g r a t o rc o m b c o o r d i n a t er o t a t i o n a ld i g i t a lc o m p u t e r c y c l i cp r e f i x c o m p l e xp r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e d i g i t a lc l o c km a n a g e r d i g i t a lt oa n a l o gc o n v e r t e r d i g i t a lp r e - d i s t o r t i o n d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g d 诤t a lu pc o n v e r t e r e l e c t r o n i cd e s i g na u t o m a t i c f a s tf o u r i e rt r a n s f o r m f i r s ti n p u tf i r s to u t p u t f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y f i n i t ei m p u l s er e s p o n s e h a r d w a r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g e i n t e g r a t e dc i r c u i t i n t e rc a r t i e ri n t e r f e r e n c e i n v e r s ef a s tf o u r i e rt r a n s f c i n n i n p u t o u t p u tb l o c k i n t e l l i g e n c ep r o p e r t y i x 模数转换器 专业集成电路 码分多址 可配置逻辑模块 级联积分梳状 坐标旋转数字计算 循环前缀 复杂可编程逻辑器件 数字时钟管理器 数模转换器 数字预失真 数字信号处理 数字上变频 电子设计自动化 快速傅立叶变换 先进先出 现场可编程门阵列 有限冲击响应 硬件描述语言 集成电路 载波间干扰 快速傅立叶反变换 输入输出接口模块 知识产权 缩略语对照表 i s i j t a g l u t m s e m m o o f d m p a p r p l d p n r t l s p i t d d t d m a u c f v h d l v l s i w l a n i n t e rs y m b o li n t e r f e r e n c e j o i n tt e s ta c t i o ng r o u p l o o k - u pt a b l e m e a ns q u a r ee r r o r m u l t i - i n p u tm u l t i o u t p u t o r t h o g o n a lf r e q u e n c y d i v i s i o nm u l t i p l e x p e a k - - t o a v e r a g ep o w e rr a t i o p r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e p s e u d o r a n d o mn u m b e r r e g i s t e rt r a n s f o r m a t i o nl e v e l s e r i a lp o r ti n t e r f a c e t i m ed i v i s i o nd u p l e x t i m ed i v i s i o nm u l t i p l e xa c c e s s u s e rc o n s t r a i n tf i l e v h s i c ( v e r i yh i g hs p e e di c ) h a r d w a r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g e v e r yl a r g es c a l ei c w i r e l e s si ，o c a la r e an e t w o r k x 符号间干扰 联合测试行动小组 查找表 均方误差 多入多出 正交频分复用 峰值平均功率比 可编程逻辑器件 伪随机数 寄存器传输级 串行接口 时分双工 时分多址 用户约束文件 硬件描述语言 超大规模集成电路 宽带无线局域网 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，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 为获得电子科技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 确的说明并表示谢意。 签名： 羔器 日期：枷g 年，月罗e t 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使焉学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：导师签名： 嚣期：矽 第一章引言 1 1 移动通信系统发展概述 第一章引言 随着社会的进步和技术的飞速发展，人们对通信手段的消费水平和需求日益 提高，世界各国都在致力于现代通信技术的研究与开发以及现代通信网的建设【， 在这其中，移动通信作为现代通信领域的重要技术手段得到了长时间的迅猛发展。 第一代移动通信系统是模拟系统，开始于2 0 世纪4 0 年代，发展到7 0 年代中 期由b e l l 实验室提出了蜂窝系统概念。但由于没有公共接口、无法向数字化推进、 系统容量低等问题，已不能满足日益增长的移动用户的需求。 从2 0 世纪8 0 年代中期开始，数字移动通信系统进入了发展和成熟期。8 0 年 代中期，欧洲首先推出了全球移动通信系统g s m 。随后美国q u a l e , o m m 公司推出 了窄带码分多址c d m a 蜂窝移动通信系统，从此，码分多址这种新的无线接入技 术在移动通信领域占有了越来越重要的地位。除此之外，还有欧洲的d c s 一19 0 0 ， 美国的i s 5 4 等。但第二代移动通信系统的缺点是全球无线技术各自为营，没有统 一的标准，而且只支持话音和低速率的数据业务。 第三代移动通信系统于1 9 8 5 年由丌u 提出，当时被称为未来公众陆地移动通 信系统。被公认为世界各国在商用中采用的主流标准为：w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 和t d s c d a m 三种。该系统具有宽带化、智能化、综合化的特点，支持话音和多 媒体数据通信，可以提供各种宽带信息业务。然而，它并不是真正意义上的个人 通信和全球通信，三大标准分支间存在相互兼容的问题，且频谱利用率较低，支 持的最大传输速率2 m b p s ，仍不能满足人们对高速数据传输和多媒体业务需求的 不断增长。 因而，世界各国都纷纷把研究重点转入对未来新一代移动通信技术的研究中 来，后三代( b 3 g ：b e y o n d3 g ) 通信系统成了目前的研究热点。b 3 g 系统要求有高 速率数据传输，根据移动速度支持各种传输速度：3 k m h 以内达到1 0 0 m b s ，6 0 k m h 以内达到2 0 m b p s ，2 5 0 k m h 达到2 m b s ，5 0 0 k m h 达到1m b s ；以口为基础的无 线续接，支持q o s ；各系统之间无缝的业务支持和全球无缝漫游，支持多重模式、 支持对称或非对称业务。因而该系统可以容纳庞大的用户数、改善现有通信质量， 达到高速数据传输的要求。 电子科技大学硕士生学位论文 第三代以后的移动通信系统中，o f d m 是最受瞩目的技术之一。o f d m 系统 的起源可以追朔到上世纪6 0 年代，较早采用o f d m 技术的包括d a b ( 数字广播) 和d v b ( 数字电视) 。随后，宽带无线接入系统i e e e 8 0 2 11 咖、8 0 2 1 6 d e 、8 0 2 2 0 ( 可 能基于f l a s h o f d m ) 也以o f d m o f d m a 技术为基础。目前正在研发的b 3 g 技术、 3 g p p l t e ( 长期演进) 技术也均选用o f d m 作为基本多址技术。另外，近距离通信 i e e e 8 0 2 15 3 a u w b 技术的两个备选方案之一也采用了m b ( 多载波) o f d m 。总之， 目前无线通信领域所有的新兴技术几乎都以o f d m 为核心，o f d m 技术以其独特 的优势已经成为下一代无线通信技术的标志。 1 2 相关技术发展动态 1 2 1o f d m 和m i m o 技术 o f d m 即是正交频分复用( 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 ) 技术，它以 传输速率快、频带利用率高和抗多径能力强等众多优点受到人们的青睐。对现代 通信系统而言，信道大多数具有频率选择性，多径传输产生了信号的相干衰落与 符号干扰，多径效应引起的时域扩展即码间干扰( i s i ) 是限制数据通信速率的主要因 素。以单载波短波通信为例，单载波短波通信传输速率已达到9 6 k b p s ，对均衡的 要求很高，若要进一步提高传输速率已经很难了 1 】。而正交频分复用( o f d m ) f l t 于 多径时延小于保护间隔，所以系统不受i s i 的影响。另外，o f d m 系统的子载波间 彼此正交，在频谱范围内相互交叠，大大增加了系统的频谱利用率，使短波数据 传输速率大幅度提高。 m i m o 技术即是多进多出( m i m o ：m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t ) 技术，它在发 射端和接收端均采用多天线( 或阵列天线) 和多通道，利用多天线来抑制信道衰落。 利用m i m o 信道成倍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；同时也可以提高信道的可靠性，降低误码率。 前者是利用m i m o 信道提供的空间复用增益，后者是利用m i m o 信道提供的空间 分集增益。空间分集技术主要是指空时编码技术，空时编码是基于m i m o 信道的 信道编码，它能实现高频谱效率的无线传输。此外，由于空时编码不但具有编码 增益，而且能提供空间分集增益，所以具有很强的抗衰落能力。 在未来无线通信系统中，存在着多径衰落和带宽效率两方面严重的挑战。 o f d m 技术通过在频域内将频率选择性信道转变为平坦信道，减小多径衰落的影 2 第一章引言 响。而m i m o 技术能在空间产生独立的并行信道，同时传输多路数据流，这样就 能有效提高系统传输速率，即由m i m o 提供的空间复用技术能在不增加系统带宽 的情况下，提高频谱效率。因此，将o f d m 与m i m o 结合，就能使系统不但具备 很高的传输速率，而且达到很强的可靠性【1 1 。这些突出优点使它们的结合将成为未 来无线通信的必然趋势。 1 2 2 可编程逻辑器件 当今社会是数字化的社会，是数字集成电路广泛应用的社会【3 l 。数字集成电路 本身在不断地进行更新换代。它由早期的电子管、晶体管、小中规模集成电路、 发展到超大规模集成电路( v l s i ，几万门以上) 以及许多具有特定功能的专用集成电 路。但是，随着微电子技术的发展，设计与制造集成电路的任务已不完全由半导 体厂商来独立承担。系统设计师们更愿意自己设计专用集成电路( a s i c ) 芯片，而 且希望a s i c 的设计周期尽可能短，最好是在实验室里就能设计出合适的a s i c 芯 片，并且立即投入实际应用之中，因而出现了现场可编程逻辑器件( f p l d ) ，其中 应用最广泛的当属现场可编程门阵歹i j ( f p g a ) 和复杂可编程逻辑器件( c p l d ) 。 早期的可编程逻辑器件只有可编程只读存贮器( p r o m ) 、紫外线可按除只读存 贮器( e p r o m ) 和电可擦除只读存贮器( e e p r o m ) - - 种。由于结构的限制，它们只能 完成简单的数字逻辑功能【4 1 【5 1 1 6 1 。 其后，出现了一类结构上稍复杂的可编程芯片，即可编程逻辑器件( p l d ) ，它 能够完成各种数字逻辑功能。典型的p l d 由一个“与 门和一个“或 门阵列组 成，而任意一个组合逻辑都可以用“与一或 表达式来描述，所以，p l d 能以乘 积和的形式完成大量的组合逻辑功能。 这一阶段的产品主要有p a l ( 可编程阵列逻辑) 和g a l ( 通用阵列逻辑) 。队l 器 件是现场可编程的，它的实现工艺有反熔丝技术、e p r o m 技术和e e p r o m 技术。 在p a j l 的基础上，又发展了一种通用阵列逻辑g a l ( g e n e r i ca r r a yl o # o ，如 g a l l 6 v 8 g a l 2 2 v 1 0 等。它采用了e e p r o m 工艺，实现了电可按除、电可改写， 其输出结构是可编程的逻辑宏单元，因而它的设计具有很强的灵活性，至今仍有 许多人使用。这些早期的p l d 器件的一个共同特点是可以实现速度特性较好的逻 辑功能，但其过于简单的结构也使它们只能实现规模较小的电路。 电子科技大学硕士生学位论文 为了弥补这一缺陷，2 0 世纪8 0 年代中期。a l t e r a 和x i l i n x 分别推出了类似 于p a l 结构的扩展型c p l d ( c o m p l e xp r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ) 和与标准门阵 列类似的f p g a ( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ) ，它们都具有体系结构和逻辑单元 灵活、集成度高以及适用范围宽等特点。这两种器件兼容了p l d 和通用门阵列的 优点，可实现较大规模的电路，编程也很灵活。与门阵列等其它a s i c ( a p p l i c a t i o n s p e c i f i ci c ) 相比，它们又具有设计开发周期短、设计制造成本低、开发工具先进、 标准产品无需测试、质量稳定以及可实时在线检验等优点，因此被广泛应用于产 品的原型设计和产品生产( 一般在1 0 ，0 0 0 件以下) 之中。几乎所有应用门阵列、p l d 和中小规模通用数字集成电路的场合均可应用f p g a 和c p l d 器件。 1 3 本文主要研究内容 1 3 1 研究任务 本文的目的是研究大容量o f d m m i m o 发射机的o f d m 调制与组帧以及数 字中频系统、接口方案在本硬件系统里的f p g a 实现，有针对性地设计o f d m 及 其相关技术算法的实现方式、数字上变频器的关键参数及实现等，并最终将发射 机成功应用于整个试验系统中，拟完成与接收端的联调测试。 系统大部分算法是由项目组其他成员提供，性能已经通过仿真验证。本文的 研究内容是找到较为优化的发射端f p g a 实现方案，用较少的资源，达到接近于 算法仿真时所达到的性能。 本文设计的o f d m 调制与组帧及数字中频发射机部分，将要联合项目组其他 成员设计的信道编码、交织、1 6 q a m 调制部分，将p c 送来的原始基带测试信号 处理成系统方案指定特性的中频信号，送入发射机射频前端。接口方面，找到合 适的方案，实现将p c 机、f p g a 、d s p 良好的结合起来，相互配合完成通信和测 试任务。 1 3 2 论文结构及主要内容 第一章首先介绍了短波通信发展现状以及短波通信系统的主要特点，然后对 本项目中短波系统的核心技术刈f d m m i m o 技术及可编程逻辑器件的原理及 发展现状进行了简略介绍。 4 第一章引言 第二章首先对o f d m m i m o 通信系统的总体解决方案、系统参数、系统帧结 构进行了分析和研究，然后对系统关键技术o f d m 及相关技术的基本原理和技术 细节进行了介绍，针对o f d m 系统峰均比过高的特点，阐述了预失真的基本原理， 初步探讨了利用该方法实现自适应预失真的基本原理。 第三章为全文的重点，首先详细讨论了o f d m m i m o 通信系统的电路板级结 构和f p g a 总体结构设计，然后分小章详细地阐述了系统发射机各个子模块的功 能、实现算法和f p g a 设计，包括了o f d m 调制、p a p r 限幅、同步序列插入、 i q 调制与上采样滤波的设计，并对与此相关的d a c 接1 ：3 、与d s p 及p c 机的接 口的设计做了介绍。由于目前的电路板设计并没有考虑到自适应预失真的需要， 没有预留反馈链路，因此无法在目前的系统中加入自适应预失真器。但是在本章 中对这一部分进行了初步探讨，提出了一种带自适应预失真器的系统方案。 第四章首先介绍了本设计采用的验证方法，然后详细分析了各模块及整个链 路的验证结果。最后分析了f p g a 设计的资源占用和运行速度。 第五章，对全文进行总结，提出了下一步的工作任务，探讨了今后可能的研 究方向。 电子科技大学硕士生学位论文 第二章o f d m m i m o 通信系统方案分析 2 1o f d m 基本原理 o f d m 的基本原理是把高速的数据流通过串并变换，分配到传输速率相对较 低的若干子信道中进行传输。在频域内将信道划分为若干互相正交的子信道，每 个子信道均拥有自己的载波分别进行调制，信号通过各个子信道独立的进行传输。 如果每个子信道的带宽被划分得足够窄，每个子信道得频率特性就可近似看做是 平坦的，即每个子信道都可看做无符号间干扰的理想信道。这样，在接收端不需 要使用复杂的信道均衡技术即可对接收信号可靠地进行解调。在o f d m 系统中， 通过在o f d m 符号间插入保护间隔来保证频域子信道之间的正交性，以消除 o f d m 符号之间的干扰【，j 。 2 1 1o f d m 系统基本模型 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。其中，表示子载波的个数，丁表示o f d m 符号的持续时间( 周期) ， 呸( 江o ，1 ，n - 1 ) 是分配给每个子信道的数据符号，彳是第i 个子载波的载波频 率，矩形函数陀以( f ) = 1 ，i t l t 2 ，则从f = 开始的o f d m 符号可以表示为刀： p 地 篓呸嗍t m 廊山2 嗍，】) 懈”r 仁， 【 s ( t ) = 0 t t + 丁 一旦将要传输的比特分配到各个子载波上，某一种调制模式则将其映射为子 载波的幅度和相位，通常采用等效基带信号来描述o f d m 的输出信号： i n i t - - i 彳 24咧卜-t2)expji=o 2 万扣1 伽归钳丁 ( 2 - 2 ) 1 u 一二， 【 5 ( f ) = 0t + 丁 其中s ( f ) 的实部和虚部分别对应与o f d m 符号的同相( i n - p h a s e ) 和正交( q u a d r a t u r e p h a s e ) 分量，在实际系统中可以分别与相应子载波的c o s 分量和s i l l 分量相乘，构 成最终的子信道信号和合成的o f d m 符号。在图2 1 中给出了o f d m 系统基本模 6 第二章o f d m - m i m o 通信系统方案分析 型框图，其中z = z + i t 。在接收端，将收到的同相和正交矢量映射回数据信息， 完成子载波解调。 图2 1o f i ) m 系统基本模型框图 对于比较大的系统来说，式( 2 2 ) 中的o 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 d 方法来实现。令乞= 0 ，并且忽略矩形函数，对s ( f ) 信号以t n 的速率进行抽样，即令t = k t n ( k = 0 ，1 ，一1 ) ，则得到： = s =n-14(，百2；,rik)(0 m 符号的功率谱密度( 力| 2 为 个子载波上的信号的功率谱密度之和为： i s o o l 2 = 而i 缶n - i l pv v ，枷i ( 2 - 6 ) 根据o f d m 符号的功率谱密度，其带外功率谱密度的衰减比较慢，帮带外辐 射功率比较大。随着子载波数量的增加，由于每个子载波功率谱密度主瓣的旁瓣 交窄，o f d m 符号的功率谱密度鳇下降速度会逐渐增加。 因此为了让带宽之外的功率谱密度下降的更快，则需要对o f d m 符号采用“加 窗：技术( w i n d o w i n g ) 。对o f d m 符号“趣窑意味着：令符号餍期边缘的幅度僮 逐渐过渡到零。通常采用的窗函数类型为升余弦函数。通过加窗能够有效的改善 带外功率辐射的问题，增加频谱的陡降程度，但同时也带来了其他的问题，例如 保护间隔的有效长度缩短。因此，如何选择一个合理的窗函数，使得各个性能都 得到保障便成了问题的关键。 2 2 3 峰均比抑制 与单载波系统相比，毒予o f d m 符号是由多个独立的经过调制豹子载波信号 相加而成的，这样的合成信号就有可能产生比较大的峰值功率，由此会带来较大 的峰值平均功率毙，篱称峰均比p a r 。峰均比可以被定义为【3 】： p a r ( d b ) = 1 0 l o g , o 群 ， 其中毛表示经过l 辩呵运算之后所得到的输出信号，即魏= 去五嘭 v vk = 0 对于包含个子信遭的o f d m 系统来说，当个子信号都以相同匏相位求和 时，所得到信号的峰值就是平均功率的倍。 电子科技大学硕士生学位论文 o f d m 信号的峰均比很高意味着o f d m 系统射频功率放大器必须具有很高的 线性，否则，当信号峰值进入放大器的非线性区域时，就会使信号产生畸变，从 而产生子载波间的互调干扰和带外辐射，破坏子载波间的正交性，降低系统性能。 但使用线性射频功率放大器会导致发射机的成本大幅度增加，而且即使是用线性 射频功率放大器放大，也会严重降低整个系统的效率。因此，为了避免这种情况， 必须采用一定的技术来降低信号的峰均比值或者改善放大器的非线性，使发射机 中的功率放大器高效工作，并提高系统整体性能。 到目前为止，已经提出了许多降低p a p r 值的技术。这些技术可分为三类：第 一类是限幅类技术【9 】【1 0 1 ，即在信号经过放大前，首先要对功率值大于门限值的信号 进行非线性畸变，包括限幅滤波、峰值加窗等，其优点在于简单、直观，但信号 失真对系统性能的造成的损害是不可避免的；第二类是编码的方法【1 1 】【1 2 1 ，即避免 使用那些会生成大峰值功率信号的编码图样，例如采用循环编码方法，但采用这 种方法在子载波数量较大的时候，编码效率会非常低；第三类就是利用不同的 加扰序列对o f d m 符号进行加权处理，从而选择p a r 较小的o f d m 符号来传输 d 3 o 除此之外，还可以从功率放大器的线性化的角度，对链路进行非线性补偿， 从而达到提高系统整体性能的相同目的。目前常用的线性化技术有前馈法 ( f e e d f o r w a r d ) 、反馈法( f e e d b a c k ) 、预失真法( p r e d i s t o r t i o n ) 、用非线性部件实现线性 化等。 2 2 4 预失真技术 上一节中已经提到，欲降低功率放大器非线性的影响、提高系统性能，我们 可以单从降低信号p a p r 的方向上出发，也可以从提高整个系统的线性度的角度出 发。预失真技术就是从整个系统出发来抵消功率放大器固有非线性特性的一种有 效技术。预失真技术让信号在进入功率放大器之前先经过一个非线性器件即预失 真器，通过调节预失真器参数，使得预失真器非线性特性与功放非线性特性相反， 从而使两个非线性系统的级联表现为一线性系统，从而呈现出近似理想的线性放 大。幅度预失真响应图，如图2 3 所示。 1 2 第二章0 髓 醚一m i m o 逶售系统方案分析 1 麓2 - 3 菲线健功率放大器实现幅度线性放大原理 预失真系统基本都是基于以上原理，但具体实现方式又有所不同，主要可分 为以下三种：射频预失真、中频预失真和基带预失真。其中基带预失真技术与前 两者相比具有很大的优势，这是因为数字电路相比较为复杂的射频电路，实现更 篱单，便于利用现代数字信号处理技术来处理信号瑟4 】。 基带预失真的实现通常可分为基于查找表和基于多项式【l 习两种方式，相比基 予多项式的方式，基于查找表豹预失真器运算量较小，实现复杂度较低，医此本 文选用基于查找表的预失真方案。同时，在实际应用中，往往总是期望预失真的 设计能够自动跟随放大器工作点的变化而变化，这样就能适时的补偿由温度、电 源电压等引起工作点变化造成的系统性能的下降。因此，我们总是倾向予采用自 适应算法来更新查找表的系数，以达到更好的补偿性能。 图2 q 是基于查找表的自适应预失真器的内部框图。这里为幅度和相位分别建 立一个查找表，输入信号经过直角坐标与极坐标转换后输出幅度和相位信号，用 幅度信号的量化值作为地址来查找相应的幅度和相位增益，从而对输入信号的幅 度和相位分别进行预补偿。同时，每次查表之后还将对表的内容进行更新，更新 策略为：先计算理想信号与功率放大器实际输出信号的差值，得到误差信号，再 用l m s 自适应算法调整查找表中幅度及相位参数，从而使表中的补偿值越来越精 确直到完全收敛。 1 3 电子科技大学硕士生学位论文 a 图2 _ 4 基于查找表的自适应预失真器的实现框图 图2 - 4 中，为基带输入信号，以为自适应预失真器的输出，乙为非线性功 率放大器对预失真信号的响应。 将输入信号吒表示为极坐标形式： = p e j ( 2 8 ) 从幅度以及相位表中分别得非线性功率放大器线性化需要的幅度与相位与 见，那么预失真器的输出为： 只= t 。( 2 - 9 ) 其中丫。= 见，= 吮+ 幺。因此非线性功率放大器对预失真信号的响应为： 乙= q 伟( 2 1 0 ) 其中r = 彳( l ) ，织= 以y 。) + 。这里彳( ) 和尸( ) 分别表示非线性功率放大器的 a m a m 和a m p m 特性。幅度和相位误差似和必分别定义为期望信号与非线 性功率放大器输出信号之差： 似= 岛一e k 必= 统一织 ( 2 1 1 ) ( 2 - 1 2 ) 其中k 表示非线性功率放大器在线性范围内的线性增益。由最小均方l m s 自适应 算法【16 1 ，可得幅度及相位表的更新表达式为： ，：，+ i = + 儿4 1 只+ 。= 幺+ 鳓必 1 4 ( 2 1 3 ) ( 2 - 1 4 ) 第二章o f d m m i m o 通信系统方案分析 其中心和心分别表示幅度和相位的步长。该步长决定了自适应预失真器收敛速度 的快慢以及稳定性。一旦步长确定，那么自适应预失真器的收敛速度主要由查找 表的大小决定1 6 】【1 7 1 8 】【1 9 1 。 2 2 5 数字上变频技术 对于无线系统发射端而言，基带原始数据在经过信道编码、交织、1 6 q a m 及 o f d m 一系列的基带处理变换后，仍然为基带信号，而最终由射频天线发送至无 线信道的是射频信号。因而，接下来我们需要执行由基带信号向射频信号的转换。 我们知道，数字电路相对射频模拟电路具有更高的精确度和灵活性，因此人 们总期望尽可能多的运用数字电路中的软件来完成系统无线通信功能，而让 d ( 模数) 、d a 变换应尽量靠近天线，这实际上就是所谓软件无线电的本质【2 0 1 。 但由于受到各种关键器件，特别是a d c ( 模数变换器) 和d s p ( 数字信号处理器) 发 展水平的限制，我们不可能将基带数字信号即刻变为射频信号，因而数字中频信 号作为一种经济、适用的折中选择更多的被人们关注。对于如此大的运算带宽需 求，许多d s p 处理器难以满足实际应用，而专用芯片又缺乏相应的灵活性。采用 f p g a 实现数字中频，能够很好的协调处理能力和灵活性之间的矛盾。因而，本 方案也选用f p g a 实现数字中频。数字中频处理实际上包括数字上下变频、削波、 预失真等，本方案在前期着重实现数字上变频技术，后期将进一步拓展实现预失 真技术。 数字上变频技术( d u c ) 就是将基带复信号转化为中频实信号的一种有效方案， 其已在无线通信、有线电视网络( c a b l em o d e m ) 、数字电视广播( d v b ) 、医学成像 设备( 超声) ，以及军事领域当中获得广泛的应用。其原理是利用插值、滤波和混频， 从而将基带信号的频谱直接搬移至中频。数字上变频器的构架及频谱搬移如图2 5 及图2 6 所示【2 l j 。 电子科技大学硕士生学位论文 巾颧 鸯| 城 图2 5 数字上变频器频谱上搬示意 图2 - 6 数字上变频器构架图 ( 1 ) 插值滤波 由n y q