（通信与信息系统专业论文）ieee80211物理层传输技术及应用开发.pdf

摘要 无线局域网技术是当今数字通信领域的一大研究热点，它能够满足人们随时 随地构建宽带无线网络的需求。i e e e 8 0 2 1 l 系列标准已经成为高速无线局域网事 实上的工业标准，相关产品已经进入广泛的商用和普及阶段。但是目前国内无线 局域网技术距离国外还有很大差距，开发拥有自主知识产权的低成本基带芯片具 有紧迫的现实意义。 本文以使用o f d m 技术的8 0 2 1 l a 和目前应用最广泛的8 0 2 1 1 b 协议作为 i e e e 8 0 2 1 l 系列标准代表，研究无线局域网基带传输技术。从两协议的帧结构出 发，设计了其基带通信系统收发信机结构，并在d s p 与f p g a 硬件平台上予以实 现。最后，通过大量测试和分析，验证了系统良好的性能。本文在实现基带系统 关键技术时，通过算法改进和硬件优化，节省了大量资源，尤其是所设计的频偏估 计和定时同步模块，实现结构简单，在两套系统中具有很好的通用性。这些关键 技术的实现不仅使得降低产品成本成为可能，对i e e e 8 0 2 1 1 系列其它协议的基带 实现也起到了很好的借鉴作用。 关键词：i e e e 8 0 2 1 l a bo f d m 频偏估计定时同步 a b s t r a c t w l a nt e c h n o l o g yi sar e s e a r c hf o c u si nm o d e md i g i t a lc o m m u n i c a t i o n ，w h i c h c a nm e e tt h er e q u i r e m e n to fb u i l d i n gb r o a d b a n dw i r e l e s sn e t w o r ka ta n y t i m ea n d a n y w h e r e i e e e s 0 2 11s t a n d a r d sh a sa l r e a d yb e c o m et h er e a li n d u s t r i a ls t a n d a r df o r h i g h - s p e e dw l a n ，a n dr e l a t e dp r o d u c t se n t e r e dt h ec o m m e r c i a la n dp o p u l a r i z e dp h a s e a n dh a v ea l r e a d yb e e nw i d e l yu s e d t h e r ei ss t i l lag r e a tg a pb e t w e e nd o m e s t i cw l a n t e c h n o l o g ya n di n t e r n a t i o n a lo n e t h e r e f o r e ，d e v e l o p i n gl o w - c o s tb a s e b a n dc h i p sw i t h i n d e p e n d e n ti n t e l l e c t u a lp r o p e r t yh a sp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，o f d m b a s e d8 0 2 1laa n d8 0 2 1lbp r o t o c o l sa 托a d o p t e dt o s t u d yt h eb a s e b a n dt r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g yf o rw l a n b a s e do nf r a m es t r u c t u r e si n t h et w op r o t o c o l s ，t h et r a n s c e i v e rs t r u c t u r eo fb a s e b a n dc o m m u n i c a t i o ns y s t e mi s d e s i g n e da n di m p l e m e n t e do nt h ed s p f p g ah a r d w a r ep l a t f o r m f i n a l l y , t h eg o o d s y s t e mp e r f o r m a n c ei sv e r i f i e db yl a r g ea m o u n to f t e s t sa n da n a l y s i s a d d i t i o n a l l y , t h e s y s t e md e s i g n e dc a ns a v er e s o u r c e sb yi m p r o v e da l g o r i t h ma n dh a r d w a r eo p t i m i z a t i o n ， e s p e c i a l l y i n f r e q u e n c y o f f s e te s t i m a t i o n a n dt i m i n g s y n c h r o n i z a t i o np a r t s t h e i m p l e m e n t a t i o ns t r u c t u r ei ss i m p l ea n dc a nb eu s e du n i v e r s a l l yb e t w e e nt h et w os y s t e m s t h ea c h i e v i n go ft h e s ek e yt e c h n o l o g i e sd on o to n l ym a k el o w e rp r o d u c t sc o s tp o s s i b l e ， b u ta l s oc a nb eu s e df o rr e f e r e n c ew h e nb a s e b a n do fo t h e rp r o t o c o l so fi e e e 8 0 2 11i s d e s i g n e d k e y w o r d s ：i e e e 8 0 2 1 l a b o f d m f r e q u e n c yo f f s e te s t i m a t i o n t i m i n gs y n c h r o n i z a t i o n 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景 无线局域网是计算机网络与无线通信技术相结合的产物，它已成为人们生活 中重要的组成部分。传统有线网络用电缆或光纤把本地区域内的计算机设备相互 连接起来，并完成其间数据传输与资源共享。随着局域网应用领域不断拓宽和现 代通信方式的不断发展，尤其是移动和便携式通信的崛起，无线局域网应运而生。 作为一种灵活的数据通信系统，和有线局域网相比，它采用高频无线电波作为传 输介质，因此可以避开布线的困扰，同时高频无线电波可以穿透玻璃或者墙壁， 能够满足一定范围内的局部组网。在开放性办公室、办公场所变化频繁、移动办 公、展示会议以及场地条件恶劣不适宜布线的场合，无线局域网具有着有线网络 无可替代的优越性。另外，无线局域网构建简单、组网比较容易、管理和维护技 术要求不高，还能够保持与有线网络的兼容，通过接入点设备可以实现无线局域 网与有线网络的无缝连接。由于无线局域网具有的独特技术优势，它已成为当今 数字通信领域的一大研究热点。 在目前众多无线局域网标准中最成功的是i e e e 8 0 2 1 l 系列标准。8 0 2 1 l 系列 标准自九十年代提出以来，因为简单、可靠，得到了快速地发展，已经成为高速 无线局域网事实上的工业标准，包括8 0 2 1 i a b d e t t g h i n 等。其中应用最广泛的 是8 0 2 1 l b ，最高传输速度可达l i m b s ，传输距离在1 0 0 米至3 0 0 米之间。w i f i ( w i r e l e s sf i d e l i t y ) 联盟就是为了力推基于8 0 2 1 1 b 标准的w l a n 而成立的。 现在，i e e e 8 0 2 1 1 系列标准已经进入广泛的商用和普及阶段。已付诸实施的 8 0 2 1 l n 标准更是以接近6 0 0 m b p s 的理论接入速率让i e e e 8 0 2 1 l 协议赢得了更加 广阔的市场。基于8 0 2 1 l 技术的无线局域网现在已经普遍应用在办公楼、校园、 图书馆、展览馆、医院、机场和咖啡厅等场所【l 。2 1 。实践证明了其稳定性、可靠性、 灵活性和移动性，越来越多的无线局域网产品投放市场，价格越来越低、覆盖范 围不断扩大。包括i n t e r s i l 、t i 、c i s c o 、l u c e n t 、a m d 、3 c o r n 、d l i n k 、n o k i a 等 许多厂商，相继研制、生产符合标准的无线局域网产品。至2 0 1 0 年，全球城域无 线宽带网络覆盖面积超过3 2 万平方公里，涉及1 5 0 0 多个城市。在这些无线宽带 网络的最后1 0 0 米接入技术中，以8 0 2 1l b 技术为核心的w i f i 无线网络占据了绝 大部分。同时在无线设备的销售上，2 0 0 7 年全球的w i f i 芯片销售数量达到3 亿块， 预计至2 0 1 2 年全球w i f i 芯片的出货量将突破1 0 亿块【3 】。综上所述，对无线局域 网技术的探索将具有重大的学术研究价值与商用价值。 2 正e e 8 0 2 1l 物理层传输技术及应用开发 1 2 无线局域网的发展和现状 i e e e 8 0 2 1 l 无线局域网标准【4 】的制定是无线网络技术发展的一个里程碑。1 9 9 0 年7 月，i e e e 委员会接受了n c r 公司“c s m a c d 无线媒体标准扩充“的提案， 成立了i e e e 8 0 2 1 l 工作组。1 9 9 3 年1 1 月形成了基础协议，1 9 9 7 年完成了该协议， 并于1 9 9 8 年被i e e e 标准作为草案，1 9 9 9 年公布了第一个正式版本。标准对介质 访问控制层( m a c ) 和物理层( p h y ) 做了规定。有两种基于无线电的p h y 使用 2 4 g h z 频带，第三种使用红外线。三种p h y 都支持1 m b s 的数据速率，以及可 选的2 m b s 速率。i e e e 8 0 2 1 1 的业务主要限于数据存取，速率最高只能达到2 m b s 。 由于它在速率和传输距离上都不能满足人们的需要，因此，i e e e 工作组在1 9 9 9 年9 月又批准了8 0 2 1 1 b 和8 0 2 1 1 a 两个标准。8 0 2 1 l a 作为主流标准工作频段在 5 g h z ，使用o f d m 调制技术可支持高达5 4 m b p s 的传输速率。8 0 2 1 l a 优势在于 传输速度快、受干扰小，但产品价格相对较高，且与8 0 2 1 1 b ( 工作于2 4 g 频段， 使用c c k 调制) 不兼容。为解决上述问题，2 0 0 3 年7 月8 0 2 1 1 工作组批准了8 0 2 1 l g 标准，其在2 4 g 频段使用o f d m 调制技术，使数据传输速率提高且能够与8 0 2 1 l b 的w i f i 系统互相连通，保障了后向兼容性。 表1 18 0 2 1 l a b g 标准比较 8 0 2 1 l b8 0 2 1 i a 8 0 2 1 l g 标准批 1 9 9 9 年9 月1 9 9 9 年9 月2 0 0 3 年6 月 准时间 最大数 据速率 1 1 m b p s5 4 m b p s5 4 m b p s 调制方式：d b p s k ：l b p s k ：6 ，9 e r p - d s s s ：i ，2 传输速率 d q p s k ：1 q p s k ：1 2 ，1 8 e r p c k k ：5 5 ，11 1 6 一q a m ：2 4 ，3 6 e r p - o f d m ：6 ，9 ，1 2 ，l8 ，2 4 ，3 6 ，4 8 ，5 4 ( m s ) c c k ：5 5 ，l1e r p - p b c c ：5 5 ，11 , 2 2 ，3 3 6 4 - q a m ：4 8 ，5 4 d s s s - o f d m ：6 ，9 ，1 2 ，18 ，2 4 ，3 6 ，4 8 ，5 4 工作频段 5 1 5 5 2 5 ( g h z ) 2 4 2 4 8 3 5 5 2 5 5 3 52 4 2 4 8 3 5 5 7 2 5 5 8 2 5 可用频宽8 3 5 z 3 0 0 m 毗z8 3 5 m h z 但是以上协议主要是对物理层进行了改进，m a c 层协议都是相同的，2 0 0 5 年 底i e e e 8 0 2 1 l e 正式成为标准。8 0 2 1 l e 是i e e e 为满足服务质量方面的要求而制定 w l a n 标准，它增加了对服务质量( q o s ，q u a l i t yo fs e r v i c e ) 的定义。还有一些 相关标准，如：8 0 2 1 1 f 是为了解决漫游问题而制定的接入点之间的协议；8 0 2 1 l i 标准对无线局域网安全做了相应的扩展等等。 为了满足日益发展的多媒体业务对速率的要求，i e e e 在2 0 0 4 年1 月宣布成立 8 0 2 1 l n 小组。8 0 2 1 i n 5 】采用m i m o o f d m 技术，计划将无线局域网的速率增加 第一章绪论 3 至1 0 8 m b p s 以上，最高可达3 2 0 m b p s 。8 0 2 1 l n 协议为双频工作模式( 包括2 4 g h z 和5 g h z 两个工作频段) ，这样保障了它与以往的8 0 2 1l a ，b ，g 标准兼容。另外， 天线技术及传输技术，使无线局域网的传输距离大大增加，可以达到几公里。这 使得8 0 2 1 l n 架起了w i f i 与w i m a x 之间的桥梁，在8 0 2 1 l n 的基础上发展 w i m a x 6 1 ，使全球无线网络上升到无孔不入、无所不在的境界成为可能。 无线局域网在欧洲的发展一直围绕着h i p e r l a n ( h i g h - p e r f o r m a n c er a d i ol a l i 0 进行。h i p e r l a n 2 标准和i e e e 8 0 2 1 l a 无线局域网标准很相似：在链路层设计上， h i p e r l 气n 2 也工作在5 g h z 的频段上，类似于u - n i l 频段；最大速率及覆盖范围 同样是5 4 m b i t s 和3 0 m 。二者仅是在接入层协议以及服务质量支持上有所不同。 从产品和技术的角度来看，随着无线通信技术以及超大规模集成电路( v l s i ) 技术的迅速发展，以i e e e 8 0 2 1 1 系列标准为代表的无线局域网产品正沿着更高的 数据传输速度、增加对流媒体的支持、模块复合型应用、分布式智能化管理和加 强安全机制方向发展。无线局域网已作为一种宽带网路解决方案得到了应用，随 着网上多媒体技术的日益发展，传输速率更高的无线网路设备将会不断涌现。 1 3 本文研究的意义和内容安排 目前，国外基于8 0 2 1 1 协议的设备已经很普及，一些大型通信芯片公司如高 通、英特尔、m a r v e l l ，三星等都有专门的基带研发部门，其生产的基带芯片集 成了8 0 2 1 l 协议物理层的大部分功能，甚至有的产品已经将w i f i 功能集成到手机 射频芯片上。国内也有一些公司生产无线局域网设备，如华为，中兴，t p l i n k 等， 但距离国外还有很大的差距【_ 7 1 ，它们主要采用国外的芯片或专利来实现，成本很高， 不利于市场竞争。因而，独立开发拥有自主知识产权的低成本基带芯片具有紧迫 的现实意义。本文以此为目的，从减少资源消耗的角度进行了深入研究。 在i e e e 8 0 2 1 l 系列标准中，目前应用最广泛的是基于8 0 2 i l b 的w i f i 技术。 另外，不管是8 0 2 1 l a 、h i p e r l a n 2 、8 0 2 1 1 9 还是未来的8 0 2 1 l n 等无线局域网 协议都采用o f d m 作为调制解调方式。因此以8 0 2 1 l a 与8 0 2 1 l b 标准的应用开发 作为研究对象，具有代表性和前瞻性。 本文从8 0 2 1 l a 与8 0 2 1 1 b 的帧结构出发，设计了基于两协议的基带通信系统 的收发信机结构，然后用尽量少的资源在d s p 与f p g a 上实现了两套系统，最后 在硬件平台上对系统进行了反复测试，取得了理想效果。本文中所设计的频偏估 计实现方法只需消耗很少的资源，并且在两套系统中具有通用性。该模块结合其 它优化的复杂模块，大大降低整个系统所使用的资源，使得降低产品成本成为可 能。 本文共分为五章： 4i e e e 8 0 2 1 l 物理层传输技术及应用开发 第一章介绍论文的研究背景和无线局域网的发展历史与现状，明确了论文研 究的意义和章节安排。 第二章介绍了8 0 2 1 l a 与8 0 2 1 l b 物理层协议，根据二者帧结构设计了基带通 信系统的收发信机结构。 第三章是本论文的研究重点之一，讲述两套基带通信系统中关键技术的实现 方法，如频偏估计，同步，8 0 2 1 1 a 的( i ) f f t 、频域均衡，8 0 2 1 1 b 的成型( 匹配) 滤波等，从原理出发，给出了硬件实现框图与仿真结果。 第四章是本论文的又一重点，首先结合第三章中关键技术的实现，设计了整 个通信系统的硬件实现结构，然后连接a d d a 芯片对系统进行了多次测试。测试 结果证明了关键模块设计的正确性和该系统的可靠性。 第五章对论文工作进行了总结，并明确了后续的研究重点。 第二章i e e e 8 0 2 1l a b 标准与收发信机设计 5 第二章i e e e 8 0 2 1la b 标准与收发信机设计 本章首先介绍了i e e e 8 0 2 1 l a 物理层标准【8 1 及其最重要的o f d m 技术1 9 1 0 】，并 根据8 0 2 1 l a 帧结构设计了基带通信系统的收发信机结构。接收机设计时主要考虑 信号在传输过程中受到的影响及如何恢复。然后，介绍了i e e e 8 0 2 1 l b 的物理层规 范1 ，并设计了具体的收发信机结构。 2 1o f d m 技术与i e e e 8 0 2 1 l a 标准 2 1 1o f d m 技术简介 o f d m 是以数字信号正交处理为基础的一种多载波调制方式，可以使子载波 上符号速率降低，符号周期增加。同时，由于信号时频的正交性允许子载波的频 谱互相交叠，从而提高频谱效率。 1 、o f d m 子载波调制 o f d m 符号可以表示为多个独立调制的正交子载波之和的形式。如果n 表示 子载波的个数，t 表示o f d m 符号的持续时间，d 。0 = o 1 ，2 ，- 砂是分配到每个子 信道的数据符号，z 是第i 个子载波的载波频率，r e c t ( t ) = j ，i ti t1 2 表示矩形函 数，则从f = r 。开始的o f d m 符号可以表示为： s ( t ) = r e z d , r e c t ( t 一一二) 1e x p j 2 n ( f + 专) ( r 一) 】 f + r s ( t ) = 0 t r + 式( 2 一1 ) 通常采用等效基带信号来描述o f d m 的输出信号，公式如下： s ( f ) = 4 r e c t ( t 一乇一争e x p j 2 7 r 专( f 一) 】 r + r s ( f ) = 0 t r + 式( 2 - 2 ) 其中s ( t ) 的实部和虚部分别对应o f d m 符号的同相和正交分量。图2 1 给出了一个 o f d m 符号内包括4 个子载波的情况。从图2 1 可以看到，每个子载波在一个o f d m 符号周期内都包含整数倍周期，而且各个相邻子载波之间相差一个周期。这一特 性可以解释各个子载波信号之间的正交性，即有： 专f r e x p ( j t o , ，) e x p ( j c o = r ，d t = ：) ：三： 式( 2 国 6 i e e e 8 0 2 11 物理层传输技术及应用开发 这种正交性还可以从频域角度理解。图2 2 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，在每一个子载波频率的幅度最大值处所有其它 子信道的幅值恰好为零。其实，o f d m 符号频谱满足奈奎斯特准则，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 各个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 1o f d m 符号子载波 图2 2o f d m 子信道符号频谱图 2 、保护间隔 o f d m 的一个特征是它可以有效地对抗多径时延扩展。它的每一个调制子载 波的数据符号周期扩大为原始数据符号周期的n 倍，因此时延扩展与符号周期的 数值比也相应地降低n 倍。为了最大限度的消除符号间干扰( i s i ) ，在o f d m 符 号中需要引入了保护间隔( g i ，g u a r di n t e r v a l ) 。而且该保护间隔长度t 一般要大 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 干扰。常用的方法是将原来宽度为t 的o f d m 符号进行周期扩展，用扩展信号来 填充保护f - j 隔，如图2 3 所示。符号的总长度为i = 瓦+ ，其中z 为o f d m 符 号的总长度，l 为保护间隔的长度，骗为f f t 变换后产生的无保护间隔的o f d m 符号长度。 循环前缀 图2 3 加入保护间隔的o f d m 符号 则在接收端，抽样开始的时刻瓦应该满足下式： k 疋 乏 式( 2 - 4 ) 其中f 。，是信道的最大多径时延扩展。该式成立时，由于前一个符号的干扰只会存 在于【o ，f 一】，若子载波个数较大，o f d m 的符号周期正相对于信道的脉冲相应长 度f 。很大，则i s i 的影响很小，甚至没有i s i ：如果相邻o f d m 符号之间的保护 间隔乙满足t f 一的要求，则可以完全克服l s l 的影响。 第二章i e e e 8 0 2 1la b 标准与收发信机设计 7 3 、o f d m 中加窗计术 由o f d m 符号的表达式，可以得到n 个子载波构成的o f d m 信号的功率谱 密度函数为t 槲i = 斟丁 式( 2 - 5 ) 由于每个子载波上的频谱形状是s i n c 函数，因此o f d m 符号的功率谱密度的 带外功率谱密度衰减比较慢，即带外辐射功率比较大。 图2 4 不同子载波个数下的功率谱 从图2 4 中可以看出，随着子载波数目的增加，功率谱密度的主瓣和旁瓣都在 逐渐变窄，其边沿的下降速度在逐步加快。但是即使在n = 2 5 6 的情况下，, 4 0 d b 带宽仍然达到3 d b 带宽的4 倍。因此，为了降低带外辐射功率，使带外的功率谱 密度下降速度加快，需要对o f d m 符号进行加窗。 对o f d m 符号加窗，就是想办法使符号周期边缘的幅度值逐渐过渡到零，通 常采用的窗类型为升余弦窗，选择不同的滚降系数，将会对系统产生不同的性能 影响。加窗后的o f d m 符号见图2 5 。 t 。= t + t t肼缸tt l , o 血 图2 5 经过加窗处理的o f d m 符号 综上所述，可以看出o f d m 技术与单载波调制相比具有抗衰落能力强、频率 利用率高主、抗码间干扰( i s i ) 能力强的优点。此外，还有以下两个优点【1 2 1 ：一 是自适应调节能力强，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；二是适合无线数据业务，无线数据业务 8 i e e e 8 0 2 11 物理层传输技术及应用开发 一般都存在非对称性，即下行链路中传输的数据量要远远大于上行链路中的数据 传输量，而o f d m 容易通过使用不同数量的子信道来实现上行和下行链路中不同 的传输速率。 o f d m 技术的不足之处主要在两个方面：一是对频偏和相位噪声比较敏感。 因为频偏和相位噪声会使各个子载波之间的正交特性恶化，仅仅l 的频偏就会使 信噪比下降3 0 d b ；二是功率峰值与均值比( p a p r ) 大，导致射频放大器的功率效 率较低。o f d m 信号是由多个独立的经过调制的子载波信号相加而成的，这使得 合成信号有可能产生比较大的峰值功率，也就会带来较大的峰值均值功率比，简 称峰均值比。高峰均值比会增大对射频放大器的要求，导致射频信号放大器的功 率效率降低。 2 1 2i e e e 8 0 2 1 1 a 物理层标准 1 9 9 9 年i e e e 8 0 2 1 l a 通过了一个5 g i - i z 的无线局域网标准，其中o f d m 调制 技术被采用作为它的物理层标准，目标是提供6 m b i t s 到5 4 m b i t s 数据速率。 l 、o f d m 的帧格式 i e e e 8 0 2 1 l a 对o f d m 的帧结构作了具体的规定，如图2 6 所示，p l c p 协议 数据单元( p p d u ，p c l pp r o t o c o ld a t eu n i t ) 包括o f d mp l c p 前导、o f d mp l c p 报头( h e a d e r ) 、p s d u 、尾比特以及填充比特。p l c p 报头中含有：速率( r a t e ) 位、保留( r e s e r v e d ) 位、长度( l e n g t h ) 位、奇偶校验( p a r i t y ) 位和业务( s e r v i c e ) 位。其中长度位、速率位、保留位、奇偶校验位跟六个“0 的尾比特构成一个单 独的o f d m 符号，叫做信号段( s i g n a l ) 。信号段采用的是b p s k 调制，1 2 的编 码速率。p l c p 报头中的业务位则与p s d u 、尾比特，填充比特一起构成数据段 ( d a t e ) 。信号段的速率位以及长度位决定着数据的比特率，进而决定其调制方式， 编码速率等一系列参数值。 速率保留位长度位 奇偶校验刨尾比特 业务位尾比特 填充比特 r a t er e s e r v e l l e a g 出p a r i t y t a i ls e r b l c p s d u t a n p a d 4 b i t1 b i t1 2 b i tl b l t6 m t1 6 m t6 b h 一、- 、，、，、- 、经过编码的。f d m 符号 经过编码的o f d m 符号 ：( b p s k , r - 1 2 ) ( 速率r a t e 在信号段被确定) p l c p 前导 i信号段s i n g a l 数据段d a t a l 1 2 个o n ) m 符号 i i i o f d m 符号o f d m 符号数日可交 l 图2 6o f d m 的帧格式 2 、o f d m 的编码过程 i e e e 8 0 2 1 l a 对o f d m 物理层编码过程做了详细规定，现将其步骤简述如下： 第二章i e e e s 0 2 1l a b 标准与收发信机设计 9 1 ) 产生p l c p 前导序列，由1 0 个重复的短训练序列和2 个重复的加保护间隔 ( g i ) 的长训练序列构成。 2 ) 计算速率位、长度位和业务位，再添加适当的比特得到p l c p 头。 3 ) 根据发送速率，计算每个o f d m 符号中经过编码后的比特数( 坼嗍) ，并 将加扰、编码、交织完成后输出的数据流以m 嗍为长度单位分成若干组，根据选 择的调制方式将各组调制成复信号。 4 ) 将调制后的复信号按4 8 为单位分成若干组，每组中的符号映射到编号为 2 6 2 2 、2 0 8 、6 l 、l 6 、8 2 0 以及2 2 - 2 6 的o f d m 子载波上形成个o f d m 符号。编号2 l 、7 、7 、2 1 的子载波用来插入导频。总的子载波数是5 2 ( 4 8 + 4 ) 。 5 ) 每一组从编号2 6 - 2 6 的子载波经过逆傅氏变换转为时域信号。对逆傅氏变 换后的波形加循环前缀来形成g i ，并采用时间截短的方法对每一个周期性的 o f d m 符号的波形范围进行加窗处理。 6 ) 前导序列发送结束后，以s i g n a l 段开始的o f d m 符号流一个接一个的进 入信道传输。 3 、系统参数 下面简单介绍一下i e e e8 0 2 1 l a 中一些关键的系统参数，表2 1 是i e e e 8 0 2 “a 物理层的主要时间参数。可以看到在8 0 2 1 l a 系统中用于发送数据的子载 波个数为5 2 个，4 个为导频子载波，4 8 个为有用数据子载波，留出1 2 个虚载波， 当作保护频带。循环前缀的数目为1 6 个，用于f f t 的点数为6 4 。 表2 1i e e e8 0 2 1 l a 物理层的主要时间参数 参数值 n s d ：数据子载波致 4 8 n 睁导频子载波数 4 y s t - 全部子载波致5 2 ( n s d + y s p ) 6 f 子载波频率间隔 0 3 1 2 5m h zf - - 2 0m h 玉 6 4 ) t w r ：i f f t f f t 周期3 2 i l s ( 1 脚) 1 h e a m l e ：前导序列时长1 6 惜( t s h o r t + t l o ) t s l o 妣：s i 口矾l 符号时长( b p s k _ 0 f 棚符号) 4 0 蛉+ t f f r ) t e l ：保护间隔0 8 雌f r e r t , 4 ) t g 弪：训练序列保护间隔1 6 i s 唧) t n m ：符号时间间隔4 i l s 内+ h ) t s h o 盯 强训序列时长 。 8 l l ( 1 0 x t w r 4 ) t l o ：长训序列时长8 雌f r g l 2 + 2 x t v f r ) 因此在做6 4 点的i f f t 变换时，o f d m 符号的5 2 个子载波( 2 “l ，l 2 6 ) 与i f f t 输入位置间的映射关系如下：子载波l 2 6 对应i f f t 变换l 2 6 的输入位置；子载 1 0 i e e e 8 0 2 1 l 物理层传输技术及应用开发 波1 2 6 对应位置为3 8 - 6 3 ；而i f f t 的2 7 - 3 7 和0 ( 直流分量) 位置处的输入则 设置为0 ，可称为空载波。 在o f d m 的帧结构中，s i g n a l 中的r a t e 决定了系统的数据速率，进而决定了 调制方式等一系列参数。8 0 2 1 1 a 标准中给出了各种数据速率对应的编码调制方式 和每个o f d m 符号对应的比特数，如表2 2 中所示： 表2 2r a t e 对应数据速率 速率 调制方式 编码率 每个子载波每个o f d m 符每个o f d m 符 的编码比特号的编码比特号的数据比特 ( m b i e s ) ( r ) ( n 心)( n c 嗍)( n n 孵) 6b p s k1 2l4 82 4 9b p s k3 4l4 8 3 6 1 2 q p s k 1 229 6 4 8 1 8 q p s k 3 429 67 2 2 4 1 6 - q a m l 241 9 2 9 6 3 61 6 q a m 3 441 9 21 4 4 4 8 6 4 - q a m 2 362 8 81 9 2 5 46 4 q a m3 渔62 8 82 1 6 4 、各部分功能介绍 由o f d m 帧结构和i e e e 8 0 2 1 l a 规定的系统参数可以得到如下的发送帧长度 示意图，图2 7 ，下面以该示意图说明各部分的生成与通信中起到的作用。 | ： t 。谯s 。s 辫 l ：。j ：。，：s 。涔 ：0 s 3 2 4 0 i 1 | 0 , 8 3 2 - 4 o 眨1 o s 3 2 4 0 孵t lt2t 3 嚣i t 7 j t g ：t o ：h 习文( g 1 2 t 一。l 一1 2 ：两锹a 萍i ，咖t 汹 ! ， k 51 6 i l i 一， i-iitliit ，、 i， 三麓 黼墓徽葬敷嚣率 蟓数据数据 分釜釜择 定时同步信道估计长度 。”“”“ 图2 7 发送帧长度 1 ) p l c p 前导序列 前导序列由短训序列和长训序列组成，时间长度为1 6 u s ，如图2 7 所示。其中 t l t l o 代表1 0 个短训练序列，时间长是8 u s ，正和e 代表了完全相同的两个长训 练序列符号，加上保护间隔g 1 2 ，总时长也是8 u s 。在功能上，短训序列常用来进 行收端的自动增益集中控制、分集选择、定时捕获以及完成频率的粗同步，长训 序列作用是在接收端进行信道估计以及进行系统频率的细同步。 o f d m 的每个短训序列由调制过的1 2 个子载波构成，8 0 2 1 l a 中明确给出了 生成短训序列的复数序列s ： 第二章i e e e 8 0 2 1l a b 标准与收发信机设计 1 1 拍= ( 1 ) o ，o ，l + _ ，o , o , o 一1 一j , o ，0 , 0 , 1 + j , 0 ，0 ，o ，一1 一j ，o , o ，0 ，一1 j , o , o , o j + j ，式( 2 6 ) 0 , 0 , 0 ，0 ，0 , o , 0 ，- l - j , 0 ，o 0 一l 一工o o o 1 + 工0 ，o ，0 j + j ，0 , o , 0 ，1 + j , o ，田 其中，乘因子、1 3 6 是为了将5 2 子载波中的1 2 个子载波的能量归一化。将s 序列 加上空载波进行6 4 点i f f t 变换，得到就是要发送的短训练序列。图2 8 的m a t l a b 仿真显示的是s 序列进行6 4 点i f f t 变换后的波形图( 上面所示为i 路波形，下 面为q 路波形) 。从图2 8 中可以看到得到的6 4 点波形由四个重复的1 6 点波形组 成，每个1 6 点波形就是要发送的一个短训序列，时长为i f f t 周期的四分之一， 即乃一4 = 3 2 u s 4 = 0 8 u s ，十个短训练序列总时间长即为1 0 x 0 8 u s = 8 u s 。 图2 8 短训序列m a t l a b 仿真波形 o f d m 中的长序列由调制过的5 2 个子载波构成，其中包括直流的零电平。 8 0 2 1 l a 同样给出了其调制序列l ： k 2 6 = l ，l ，一l ，一l ，l1 , - l ，l ，一l ，l ，l ，l ，l ，1 ，l ，一1 ，一1 ，l ，l ，一l ，l ，一l ，l ，l ，l ，l ，0 ，l ，一l ，一l ，l ，l ， 一l ，一l ，l ，l ，一l ，l ，- 1 ，1 ，- 1 ，- 1 ，- 1 ，- 1 ，- 1 ，1 ，1 ，- 1 ，- 1 ，l ，- 1 ，1 ，- 1 ，1 ，1 ，l ，1 长训序列即由l 经过i f f t 变换后得到，因此一个长训序列的时长为 z = z ；= 乙研= 3 2 u s 。采用两个长序列是为了增强信道估计的准确性。长训序列 的保护间隔( g 1 2 ) 是将长训序列的后半部分复制到五之前，因此长训序列的总时 长为：乃，) 惦= 1 6 + 2 x 3 2 u s = 8 u s 。 2 ) s i g n a l 域与d a t a 域 p l c p 前导序列后紧随着的是s i g n a l 和d a t a 。s i g n a l 前面的4 b i t 表示了传输信 息的速率，l e n g t h 中共1 2 b i t 用来表示物理层要求的p s d u 中八进制数据的长度， 因此传输长度是有限制的。s i g n a l 之后的尾( t a i l ) 比特是为了在接收端使卷积解 码器状态归零的，尾比特都是零。s i g n a l 不需要经过扰码，但需要经过卷积编码再 输出。接收端只要能够正确接收s i g n a l ，便可以从中得到数据的数据速率、长度等 信息，从而正确设置接收端所需的解调方式、解码方式、接收数据长度等参数。 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。根据8 0 2 1 l a 的标准，要 求d a t a 信息部分在送入卷积编码器之前要经过扰码处理，也就是用一长为1 2 7 的 帧同步码来对d a t a 域进行扰码。p s d u 为串行的比特流传输，扰码的多项式为： 1 2 i e e e 8 0 2 i1 物理层传输技术及应用开发 s ( x ) = x 7 + f + l 式( 2 7 ) 3 ) 导频与循环前缀 在o f d m 系统中，导频插入到4 个子载波上，即前面所说的载波- 2 l 、- 7 、7 和2 l 。载波是经过b p s k 调制的伪随机序列，这样能够防止频谱偏移以及加强自 相关检测的性能，因此导频序列在接收端常用来做相位跟踪，以消除频偏估计中 残余频偏影响，甚至在一些方法中被直接用来进行频偏估计或信道估计。 将保护间隔内的信号称为循环前缀( c p ，c y c l i cp r e f i x ) ，循环前缀是o f d m 系 统的一个重要特色，通过引入循环前缀可以有效的对抗由于多径时延带来的i s i 和 i c i 。有些接收机中利用循环前缀进行频偏估计。8 0 2 11 a 中加入循环前缀的方法是 在时域内把o f d m 符号尾部时长o 。8 u s 的数据插入到该符号的开始部分。 2 28 0 2 1 l a 收发信机设计 8 0 2 1 1 a 协议中给出了一般的o f d mp h y 发送接收框图，如图2 9 所示，并在 参数说明中指明发送信号所占用的带宽为1 6 6 m 。这是因为8 0 2 1 l a 规定子载波频 率间隔：厂：2 0 m h z 6 4 ：0 3 1 2 5 m ，全部子载波数为5 2 个，加上零频处的子载波， 占用的带宽计算为：b = ( 5 2 + 1 ) 0 3 1 2 5 m = 1 6 5 6 2 5 m 。对于图中的接收机而言，考 虑到了用a g c 来调整接收信号幅度以及时钟恢复等问题，由此引发思考：在接收 机的设计中都有哪些实际问题需要考虑? 图2 9o f d mp h y 发送接收框图 首先，是符号同步问题。符号同步的目的是确定信息符号开始的位置。符号 同步错误不仅会使信息符号丢失，还会使子载波相位发生旋转，频带边缘的相位 旋转是最大的。 其次，是载波频偏和相偏问题。无线移动通信系统中，由于多普勒频移和收 发振荡器的不一致性，接收的基带信号与发送端存在一定的频率和相位误差，导 致i c i 。o f d m 系统对频偏十分敏感，因此在d f t 之前必须估计和补偿载波频偏。 第二章i e e e 8 0 2 1l a b 标准与收发信机设计1 3 接着，是信道估计问题。由于信道频率选择性衰落，定时偏差、载波相偏等 因素使得子载波的幅度和相位都受到了影响，不利于信号的正确解调。信道估计 能够估计出信道的响应特性并对解调数据进行均衡。 最后，是峰均比改善问题。由于o f d m 信号具有较高的峰均比，而发射机的 放大器又是非线性的，因此当功率动态范围较大的o f d m 信号通过放大器后，信 号将产生非线性失真，产生谐波，造成较明显的频谱扩展和带内信号畸变，导致 整个系统性能的下降。因此需要采用一些技术改善o f d m 信号的峰均比。 综上考虑，本文所设计的8 0 2 1 1 a 物理层收发信机结构【l3 】如图2 1 0 所示。 发射机结构 接收机结构 图2 1 0o f d m 系统的收发信机实现框图 发射机工作过程：根据8 0 2 1 l a 标准中规定的编码过程进行组帧。对于组帧后 的o f d m 符号( 已加窗) ，为了改善信号的峰均比进行了预畸变的操作；最后数字 基带信号送入d a c 进行d a 变换，再经过r f 模块发送出去。 接收机工作过程：r f 模块接收的信号下变频后送入a d c 变成数字信号；此 时信号能量发生了很大变化，要通过a g c 模块将输出信号幅度控制在一定范围之 内，还要对发生畸变的信号进行恢复；对于恢复之后的信号必须要确定符号开始 的位置，因此定时同步模块起着至关重要的作用：接收的数据有可能存在频偏， 这将破坏o f d m 符号子载波的正交性，所以在时域要先对同步后的数据进行频偏 补偿后才能去循环前缀，并做f f t 变换将数据变至频域：对于频域的数据需进行 均衡