（信号与信息处理专业论文）基于导频的ofdm系统中的信道估计算法的研究与硬件实现.pdf

基于导频的o f i ) m 系统中 信道估计算法的研究及其硬件实现 摘要 高速率传输的无线多媒体服务已经成为宽带多媒体通信发展的 一个驱动力，一些高速率无线传输标准诸如数字音频广播( d a b ) 数字视频广播( d v b t ) ，以及宽带无线局域网( i e e e8 2 0 1 l a ) 都采 用了正交频分复用调制技术，该技术的优势在于能将频率选择衰落信 道转化为一组并行的平坦衰落子信道从而消除符号间干扰( i s i ) 在o f d m 系统中，信道估计在对相干解调来说是一项关键的技术， 它在该系统的整体性能上有非常重要的影响。 本文介绍了o f d m 系统的基本原理。着重研究了基于导频的 o f d m 信道估计和插值技术。论述了o f d m 系统中信道估计基础如 l s 信道估计，m m s e 信道估计以及基于变换域的信道估计算法，并 分析了各估计算法的利弊。详细分析了基于p s a 信道估计中的插值 算法，如二维多项式插值，一阶线性插值，高斯插值，f f t 插值。通 过对各种估计方式的比较以及对插值算法的研究，参考实现的复杂 度，最后针对基于d v b t 的宽带无线多媒体通信系统，提出三种复 杂度较低的l s 信道估计结合二维插值的方法，通过在模拟1 2 0 k m h 移动信道环境下的m a t l a b 仿真，比较了三种二维插值算法的性能。 得出性能最好的是时域一阶线性插值结合频域高斯插值的二维插值 方法，并将最优算法进行了硬件实现进行d s p 硬件上的实现。 关键词-o f d md v b t 信道估计插值d s p s t u d ya n dh a e 煳n 口l e m 匣n t 觚o no f c ha n n e le s t i n l 钢【1 0 n i np i l o b a s e do f d ms y s t e m a b s t r a c t w l r e l e s sm u l t i m e d i as e r v i c e st h a tr e q u i r eh i g hd a t ar a t et r a n s m i s s i o n h a v eb e c o m eam a j o rd r i v i n gf o r c ei nt h ed e v e l o p m e n to fb r o a dw i r e l e s s e o m m u n i c a t i o i l s m a n yh i g l l 一s p e e dw i r e l e s st r a n s m i s s i o ns t a n d a r d s 。s u c h a sd i g i t a la u d i ob r o a d c a s t i n g ( d a b ) ，d i g i t a lv i d e ob r o a d c a s t i n g ( d v b - t ) ， a n db r o a d b a n dw i r e l e s s l a n ( i e e e8 0 2 1 l a ) a d o p to 劬o g o n a l f 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 ) m o d u l a t i o n ，w h i hi sk n o w nf o r i t sa d v a n t a g e so ft r a n s f o r i n gf r e q u e n c y - s e l e c t i v ef a d i n gc h a n n e l si n t oa s e to fp a r a l l e lf l a t f a d i n gs u b c h a n n e l sa n de l i m i n a t i n gi n t e r s y m b o l i n t e r f e r e n c e ( i s i ) i nt h i sp a p e r , w em a i n l yi n v e s t i g a t et h ec h a n n de s t i m a t i o na n d i n t e r p o l a t i o nt e c h n o l o g yi nd v b tb a s e do f d ms y s t e m f i r s t l y , w e i n t r o d u c et h eb a s i cp r i n c i p l e so fo f d ma n dt h ec h a n n e la t t r i b u t e si n w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e ma n da n a l y s et h ec o m l n o nc h a n n e l e s t i m a t i o na l g o r i t h m s s e c o n d l y , w es t u d yt h ei n t e r p o l a t i o na l g o r i t h m si n p s ac h a n n e le s t i o m a t i o ns c e n a r i o 2 - dp o l y n o m i a li n t e r p o l a t i o n ，l i n e a r i n t e r p o l a t i o n ，g a u s f i a ni n t e r p o l a t i o n ，f f t - b a s e di n t e r p o l a t i o n a r e i n t r o d u c e d t h i r d l y , s e p a r a t e2 d i n t e r p o l a t i o na l g o r i t h m sa r ed e s i g n e d f o rd v b ts y s t e m t y p i c a lu r b a nm o b i l ee n v i r o n m e n tw i t h1 2 0 k m h s p e e di sa s s u m e di nt h i sp a p e r t h r e ei n t e r p o l a t i o nm e t h o d sa r ec o m p a r e d ， b o t hi nt e r m so fm e a n s q u a r e de r r o ra n db i t - e r r o rr a t e sw i t hs o f t w a r e s i m u l a t i o n t oe v a l u a t et h ep r a c t i c a b i l i t y , t h eb e s tm e t h o di si m p l e m e n t e d o nd s p p l a t f o r m k e y w o r d s ：o f d md v b tc h a n n e le s t i m a t i o ni n t e r p o l a t i o nd s p 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的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。尽我所 知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他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己在论文中作了明确的说明并表示了谢 意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：逖世 日期： 宣! ! z 主：2 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保留并向国家 有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布 学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位 论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 哿辇 北京邮电大学硕士论文基于导频的o f d m 系统中信道估计算法的研究及其硬件实现 1 1 移动通信发展 第l 章绪论 目前，移动通信已经发展到个人通信时代。1 9 7 8 年底，美国贝尔实验室研 制成功先进移动电话系统( a m p s ) ，建成了蜂窝状模拟移动通信网，大大提高 了系统容量。这个系统一般被当作是第一代移动通信系统。 8 0 年代中期，欧洲首先推出了全球移动通信系统( g s m ：g l o b a ls y s t e mf o r m o b i l e ) 。第二代移动通信系统主要是为支持话音和低速率的数据业务而设计的。 但随着人们对通信业务范围和业务速率要求的不断提高，已有的第二代移动通信 网将很难满足新的业务需求。为了适应新的市场需求，人们制定出第三代( 3 g ) 移动通信系统，在该系统中，用户业务既可以是单一的语音、数据、图像、也可 以是多媒体业务，它已于本世纪初投入商业化运营其中最具有代表性的有北美的 c d m a 2 0 0 0 ，欧洲与日本的w c d m ，以及我国提出的t d s c d m a 系统。目前， 人们已经把目光越来越多得投向超三代( b e y o n g3 g ) 的移动通信系统中，使其 可以容纳市场庞大的用户数，以及达到高速数据传输的要求。若从技术层面来看， 第三代移动通信系统主要是以c d m a 为核心技术，三代以后的移动通信系统则 以正交频分复用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 i n g ) 最受瞩目。 基于话音业务的电路交换模式的第二代移动通信系统不能满足多媒体业务 的需要。对于高速数据业务来说，单载波t d m a ( t i m ed i v i s i o nm u l t i p l e a c c e s s ) 系统和窄带c d m a 系统中都存在很大的缺附1 1 。由于无线信道存在时延扩展， 而且高速信息流的符号宽度又相对较窄，所以符号之间会存在较严重的符号间干 扰( i s i ：i n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c e ) ，因此对单载波t d m a 系统中使用的均衡器 提出非常高的要求。对于窄带c d m a 来说，其主要问题在于扩频增益与高速数 据流之间的矛盾。保证相同带宽的前提下，高速数据流所使用的扩频增益就不能 太高，这样就大大限制了c d m a 系统噪声平均的优点，从而使得系统的软容量 受到一定的影响，因此，人们开始关注正交频分复用( o f d m ) 系统【堆】，希望 通过这种方法来解决高速信息流在无线信道中的传输问题，从而可以满足性能要 求更高的各种应用。 1 2o f d m 的发展历史及其现状 正交频分复用( 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 i n g ) 并不是新 北京邮电人学硕士论文 基于导频的o f d m 系统中信道估计算法的研究及其硬件实现 生事物，它由多载波调制( m c m ) 发展而来。美国军方早在上世纪的5 0 、6 0 年 代就创建了世界上第一个m c m 系统，在1 9 7 0 年衍生出采用大规模子载波和频 率重叠技术的o f d m 系统。但在以后相当长的一段时间，o f d m 理论迈向实践 的脚步放缓了。由于o f d m 的各个子载波之间相互正交，采用f f t 实现这种调 制，但在实际应用中，实时傅立叶变换设备的复杂度、发射机和接收机振荡器的 稳定性以及射频功率放大器的线性要求等因素都成为o f d m 技术实现的制约条 件。 后来经过大量研究，终于在2 0 世纪8 0 年代，m c m 获得了突破性进展，大 规模集成电路让f f t 技术的实现不再是难以逾越的障碍，一些其它难以实现的 困难也都得到了解决，自此，o f d m 走上了通信的舞台，逐步迈入高速宽带通 信和数字移动通信的领域。 近年来，由于d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ) 技术的飞速发展，o f d m 技术 也突飞猛进它作为一种可以有效对抗i s i 的高速传输技术，既可用于移动的无线 网络，也可以用于固定的无线网络，它通过在楼层、使用者、交通工具和现场之 间的信号切换，有效地解决了其中的信息冲突问题。它在以下领域中已经有了 很好的应用： 1 高清晰度数字电视广播 o f d m 在数字广播电视系统中取得了广泛的应用，其中数字音频广播( d a b ) 1 1 2 标准是第一个正式使用o f d m 的标准。另外，当前国际上全数字高清晰度电 视传输系统中采用的调制技术中就包括o f d m 技术，欧洲h d t v 传输系统已经 采用c o f d m ( c o d e do f d m ：编码o f d m ) 技术。它具有很高的频谱利用率， 可以进一步提高抗干扰能力，满足电视系统的传输要求。选择o f d m 作为数字 音频广播和数字视频广播( d v b ) 1 1 3 的主要原因在于：o f d m 技术可以有效地 解决多径时延扩展问题。 因此不难看出，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。欧洲的d a b 系统使用的o f d m 调制技术其试验系统已在运行，很快吸引了 大量听众。它明显地改善了移动中接收无线广播的效果，用于d a b 的成套芯片 的开发工作正在一项欧洲发展项目中进行，它将使o f d m 接收机的价格大大降 低，其市场前景非常看好。 2 无线局域网 h i p e r l a n 2 物理层应用了o f d m 和链路自适应技术，媒体接入控制( m a c ) 层采用面向连接、集中资源控制的t d m a t d d 方式和无线a t m 技术，最高速 率达5 4 m b p s ，实际应用最低也能保持在2 0 m b p s 左右另外，i e e e8 0 2 1 1 无线 北京邮电大学硕士论文基于导频的o f d m 系统中信道估计算法的研究及其硬件实现 局域网工作于i s m 免许可证频段，分别在5 8 g h z 和2 4 g h z 两个频段定义了采 用o f d m 技术的i e e e8 0 2 1 l a 和i e e e8 0 2 1 l g l l 4 】标准，其最高数据传输速率提 高到5 4 m b p s 。 技术的不断发展，引发了融合。一些4 g 及3 5 g 的关键技术，如o f d m 技 术、m i m o 技术、智能天线和软件无线电等，开始应用到无线局域网中，以提升 w l a n 的性能。如8 0 2 1 1 a 和8 0 2 1 l g 采用o f d m 调制技术，提高了传输速率， 增加了网络吞吐量。8 0 2 1 l n 计划采用m i m o 与o f d m 相结合，使传输速率成 倍提高。另外，天线技术及传输技术，使得无线局域网的传输距离大大增加，可 以达到几公里( 并且能够保障1 0 0 m b p s 的传输速率) 。 而对于今后要开展的在无线局域网中的多媒体业务来说，最高为5 4 m b p s 的 数据传输速率还远远不够。为了进一步提升无线局域网的数据传输速率，实现有 线与无线局域网的无缝结合，i e e e 成立了i e e e8 0 2 1 1 n 工作小组，以制定一项 新的高速无线局域网标准。i e e e8 0 2 1 l n 计划将w l a n 的传输速率从8 0 2 1 l a 和8 0 2 1 l g 的5 4 m b p s 增加至1 0 8 m b p s 以上，最高速率可达3 2 0 m b p s ，成为 8 0 2 1 l b a g 之后的另一场重头戏。和以往的8 0 2 1 1 标准不同，8 0 2 1 1 n 协议为双 频工作模式( 包含2 4 g h z 和5 8 g h z 两个工作频段) 。这样8 0 2 1 l n 保证了与以 往的8 0 2 1 l a b 幢标准兼容。 3 宽带无线接入 o f d m 技术适用于无线环境下的高速传输，不仅应用于无线局域网，还在宽 带无线接入( b w a ) 中得到应用。i e e e8 0 2 1 6 工作组专门负责b w a 方面的技 术工作，它已经开发了一个2 g h z 1 1 g h zb w a 的标准一m e e8 0 2 1 6 a ，物理层 就采用了o f d m 技术。该标准不仅是新一代的无线接入技术，而且对未来蜂窝 移动通信的发展也具有重要意义。 在b w a 领域，一些公司开发的技术虽然都基于o f d m ，但有各自的特色， 形成一些专利技术，如c i s c o 和i o s p a n 公司的v e c t o r o f d m ( v o f d m ) 、w i l a n 公司的w i d c b a n d o f d m ( w o f d m ) 、f l a r i o n 公司的f l a s h o f d m 。其中，v o f d m 由c i s c o 公司支持，w o f d m 则由w i - l a n 公司提出，构成了基于两个组织的 o f d m 两大阵营：宽带无线i n t e m e t 论坛( b w 球) 和o f d m 论坛，它们力图使 自己的o f d m 模式成为标准。其中由w i l a n 公司倡导的o f d m 论坛，有5 0 多个成员，其中有如b r e e z e c o m 、s t a r t - u p b e a m r e a c h n e t w o r k s 和n o k i a 等参加， 主要是协调提交到i e e e 的o f d m 提案。而宽带i n t e r n e t 论坛( b w 口) 则是在 c i s c o 倡导下，由i e e e 工业标准技术组织i e e e i s t o 成立的，其主要目标是提 供低成本宽带无线接入技术，号召采用基于v o f d m 的标准作为解决方案。 北京邮电大学硕上论文幕于导频的o f d m 系统中信道估计算法的研究及其硬件实现 除了在上述领域中o f d m 技术已经得到广泛的应用，第四代移动通信系统 ( 4 g ) 计划以o f d m ( j e 交频分复用) 做为物理层的核心技术。它在宽带领域的 应用具有很大的潜力。较之第三代移动通信系统，采用多种新技术的o f d m 具 有更高的频谱利用率和良好的抗多径干扰能力，它不仅仅可以增加系统容量，更 重要的是它能更好地满足多媒体通信要求，将包括语音，数据、影像等大量信息 的多媒体业务通过宽频信道高品质地传送出去。 1 30 f d m 系统的优缺点 近年来，o f d m 技术备受关注其原因在于o f d m 技术有以下优点： 把高速率数据流通过串并转换，使得每个子载波上的数据符号持续长度相对 增加，从而有效的减少无线信道的时间弥散所带来的i s i e l 0 , i l l ，这样就减小了接 收机内均衡的复杂度。 而o f d m 系统由于各个子载波之间存在正交性，允许子信道的频谱相互重 叠，o f d m 系统可以最大限度的利用频谱资源。当子载波个数很大时，系统的频 谱利用率趋于2 波特h z 。 各个子信道中的正交调制和解调可以通过采用i d f t 和d f t 的方法来实现。 对于n 很大的系统中，可以通过采用快速傅立叶( f f d 来实现。 o f d m 系统可以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 可以容易的与其他多种接入方法结合使用。 但是o f d m 系统内由于存在有多个正交的子载波，而且其输出信号是多个子 信道的叠加，因此与单载波系统相比，存在如下缺点： 1 易受频率偏差的影响。由于子信道的频谱相互覆盖，这就对它们之间的 正交性提出了严格的要求。由于无线信道的时变性，在传输过程中出现无线信号 的频谱偏移，或发射机与接收机本地振荡器之问存在的频率偏差，都会使o f d m 系统子载波之间的正交性遭到破坏，导致子信道的信号相互干扰( i c i ) ，这种对 频率偏差的敏感是o f d m 系统的主要缺点之一。 2 存在较高的峰值平均功率比。多载波系统的输出是多个子信道信号的叠 加，因此如果多个信号的相位一致时，所得到的叠加信号的瞬时功率就会远远高 于信号的平均功率，导致出现较大的峰值平均功率比( p a p r ：p e a k t o - a v e r a g e p o w e rr a t i o ) 。这就对发射机内放大器的线性提出了很高的要求，可能带来信号 畸变，使信号的频谱发生变化，从而导致各个子信道间的正交性遭到破坏，产生 干扰，使系统的性能恶化1 1 1 。 北京邮电大学硕士论文基于导频的o f d m 系统中信道估计算法的研究及其硬件实现 1 4 本论文研究意义和内容安排 由于无线移动信道特性是随时间变化的，具有相当大的随机性，会导致接收 信号的幅度，相位，频率失真，为进行信号均衡，以提高通信效率和通信质量，有必 要对当前信道的特性进行估计。因为o f d m 系统对频偏的影响非常敏感，所以 在该系统中信道估计起到尤为重要的作用【i 4 】，并成为o f d m 系统中的关键技 术，是现在的研究热点。在o f d m 系统中，信道估计一般分为两种：一是基于 导频的信道估计，利用接收机己知的信息进行信道估计，该方法在无线通信系统 中应用广泛，但是导频信号占用了信息比特，降低了信道的传输有效性。第二种 方法就是盲估计，该算法的实现需要利用传输数据内在的数学信息，虽然该估计 方法节约了带宽，但是其算法运算量太大，灵活性太差，可实现性不高，在实际 运用中受到限制，应用不是很广泛，在本课题中不做讨论。 本文主要围绕o f d m 系统中的信道估计技术展开分析研究，研究过程中，采 取了理论分析仿真和硬件实现相结合的手段，在理论和实践方面验证研究的正确 性和可行性。论文总共分为六章，结构安排如下： 第二章介绍了宽带无线多媒体通信系统项目概况，详细说明了该系统的基带 处理方案，同时介绍了t m s 3 2 0 6 7 1 3 d s p 硬件开发平台。， 第三章讨论了o f d m 的基本原理和体系结构，指出信道估计是决定系统性能 的关键因素之一，分析了移动信道参数和信道模型，并给出了如l s 信道估计， m m s e 信道估计以及基于变换域的信道估计算法，并分析了各估计算法的利弊。 第四章研究了基于p s a 信道估计的插值算法，在多项式插值算法中，提出针 对矩形导频图案的二维多项式插值方法，分析了常用的几种一维插值算法如一阶 线性插值，高斯插值，f f t 插值，最后指出两个一维插值算法级联可实现性能较 好复杂度较低的二维插值。 第五章研究针对宽带无线多媒体通信系统中无线数据收发部分的信道估计 技术，提出了复杂度较低的l s 信道估计结合二维插值的方法，并通过仿真，比 较了三种二维插值算法的性能。得出性能最好的是时域一阶线性插值结合频域高 斯插值的二维插值方法，并将最优算法进行了硬件实现进行d s p 硬件上的实现。 第六章总结全文，并提出基于宽带无线多媒体通信系统未来的研究重点。 北京邮电人学硕士论文 基十导频i 构1 0 f d m 系统中信道估计算法的研究及其硬件实现 第2 章宽带无线多媒体通信系统项目简介 2 1 开发背景 通信技术，特别是无线通信，是二十一世纪信息社会得以飞速发展的基本保 证。未来的个人通信系统可以提供局域和广域的通信环境，满足人们随时随地进 行信息访问、计算和通信的需求。目前的无线移动通信网络多是基于基础设施的 网络，如卫星通信网络、蜂窝移动通信网络和集群通信网络。这些网络均是借助 于固定设施，如卫星地球站、移动基站和集群天线，实现用户之间大容量的双向 通信。这些网络无论在技术上，还是在商业上都获得了巨大的成功，并且已经在 世界范围内被广泛地应用，对人们日常生活的影响越来越大。但是，随着社会的 发展、世界格局的演变，特别是“9 1 1 ”后，通信技术面l 临着三方面的挑战： 第一，做为日益普及的公众服务，无线通信基础设施极易成为恐怖袭击的首 选目标，以造成民众的恐慌，对政府制造压力，也为开展援救工作制造了极大困 难： 第二，地震、风暴、火灾、洪水等自然灾害极易造成无线通信基础设施的损 坏，造成通信的中断，扩大人员和财产的损失，也不利于后期援救工作的开展； 第三，基于基础设施的无线网络覆盖面有限，在很多地区，如沙漠、丛林、 海洋等，要么没有覆盖，要么需要耗费极大的资源。 基于上述三个原因，很多国家开展了更先进的无线通信技术的研究与部署， 用于战场作战、应急处理、紧急救护、救灾、森林管理、稀有动物追踪、海底作 业和临时办公室等许多特殊环境中。如2 0 0 3 年的伊拉克战争中，美国军方就采 用了目前最先进的a dh o e 自组织网络技术，在战场上进行了应用，并取得了巨 大的战术成功。 这种无线通信技术基于点对点通信，不依赖于任何静态固定设施，系统中各 通信节点可以自由移动，形成任意的拓扑结构，网络拓扑可以快速地变化，并且 其变化是不可预测的。这种系统抗毁性强，对环境的适应能力强，能够应用于一 些固定通信设施的网络所不能及的场合，而且快速地将每个独立的移动用户组建 起来形成一个通信网络也是下一代移动通信的发展方向。 随着2 0 0 8 年奥运会的临近，我国政府对公众安全、应急事件的处理日益重 视，但目前相应的产品却与这种需求严重脱节。虽然便携终端的发展非常迅猛， 如多功能手机、p d a 、掌上电脑等，但它们均缺乏对这种基于点对点通信的支持， 北京邮电大学硕士论文基于导频的o f d m 系统中信道估计算法的研究及其硬件实现 也不具备自组网功能。 国内目前还没有自主研发的相应便携式产品，而代理的国外产品均是数传电 台，虽然可以进行大数据量传输，但体积笨重、功耗很大，只能车载，不适于便 携，不能进行实时音视频的回传，而且在城区环境中的应用效果也很不理想。 虽然目前基于蜂窝网的最新手机可以实现实时音视频数据的回传，但其严重 依赖于固定基础设施，如基站和交换中心等，而且即使在这种高天线、大功率的 环境中，还是不能确保音视频数据进行实时传输的质量。 因此，开发出不依赖于固定基础设施，可进行点对点通信的低天线便携终端， 以适于在紧急情况发生的地区部署，并进行实时音视频数据的传输是当前通信行 业面临的巨大挑战。本系统的开发正是基于此目的，希冀能在便携式点对点通信 及其网络组织与传输方面有所突破。 2 2 项目简介 本项目致力开发的宽带无线多媒体通信系统包括总控中心、分站、中控车和 便携终端，以及连接它们的网络，如下图4 1 所示。其中，基本系统包括便携终 端和中控车两部分。另外，中控车可以与分站进行无线通信，分站可以利用现有 的分组网络或者利用扩频微波技术再与总控中心进行通信。 图2 - 1 无线数字图像通信系统结构 基本的系统是由便携终端和中控车组成的，如图2 2 所示，便携终端与中控 车的无线传输部分基本相同，而区别在于中控车的功耗较大、体积较大，可以由 较高天线，功能上还有和分站通信的模块。 北京邮电人学硕，l 论文 基于导频的o f d m 系统中信道估计算法的研究及其硬件实现 在设计功能上，便携终端和中控车由三大模块构成：一是音视频编解码部 分，主要完成音视频的压缩解压缩、编解码和加解密等功能；二是数据整合解 析部分，包括音视频数据和指令信息以及网络协议信息的合成和解析；三是无线 数据收发部分，实现信号的基带处理、调制解调、射频等功能。在无线数据收发 部分项目采用了o f d m 调整技术 图2 - 2 a 便携终端结构图 图2 - 2 b 中控车结构图 图2 3 为便携终端与中控车的通信流程，便携终端机将音视频数据和指令送 入发送分系统。首先进行数字信道复用及网络协议处理，然后再进入调制和混频 电路，经功率放大后通过天线发射。另外便携终端机的接收分系统只负责接收来 自中控车的指令，将其进行解调后进行分析，并采取相应的动作。 中控车的接收分系统在检测到空中无线信号后进行低噪声放大，将其进行解 调，然后进行网络协议分析，信息解复用后将其中的音视频数据经解码器恢复后 进行回放。另外，中控车的发送分系统将一路或多路便携终端的实时音视频数据 进行封装后进行调制发送给分站。 北京邮电大学硕士论文基于导频的o f d m 系统中信道估计算法的研究及其硬件实现 图2 - 3 便携终端与中控车无线接收的基本原理框图 2 3 参照d v b w 标准的数字基带处理设计方案 考虑到3 5 0 m 频段具有以下优点： 1 具有较高的频谱利用率，采用的多相调制大大提高了频谱利用率，可以 满足在较窄信道上传输高速率数据的要求。 2 抗衰落能力强，特别是抗频率选择性衰落的性能好。 3 抗多径干扰能力强，使系统可以在山区或城市等地形复杂的环境下正常 工作。 所以数字基带处理部分参照了同样工作在u h f 频段的数字电视地面传输标 准，即d v b t 标准【5 】od v b t 是指利用开路地面传输媒介进行m p e g 2 数字电 视传输的标准。它已经被证明在固定、移动、便携接收等方面具有非常出众的性 能【6 】由于都是对高速率视频数据进行无线传输，项目和该系统有一定的相似性， 并且d v b t 作为一个相应成熟的标准，有一系列的应用验证其可靠性，项目设 计实现选择其作为方案参考也是系统性能的一个保障。 d v b t 应用了c o f d m ( 编码的正交频分复用( c o d e do r t h o g o n a lf r 。q u 锄c y d i f i s i o nm u l 邱l c x m g ，c o f d m ) 技术，它是为克服在地面广播发送中多径传播 的干扰和移动接收以及频率资源的利用问题而引入的多载波调制方案。c o f d m 具有以下主要的技术特征： 1 对f e c 纠错编码后的数据进行o f d m 调制。 2 o f d m 保护间隔中插入的是循环前缀，即把每个o f d m 符号的最后一 部分复制到保护间隔中。如果在每个符号间插入保护间隔，则只要多径 延时不超过保护间隔的长度，多径传输就不会带来符号间的相互干扰， 只能是在符号内部相互叠加或相互削弱，而这种特性可以表示为信道的 传输函数。 北京邮电大学硕士论文 基十导频的o f d m 系统中信道估计算法的研究及其硬件实现 3 在o f d m 符号中插入导频信号，使用这些导频信号可以在接收端得到 这样的传输函数，从而可以正确恢复符号的原始值。 由于d v b t ，有两种操作模式：“2 k 模式”和“8 k 模式”，分别进行2 k 和 8 k 点f f t 运算。系统可以选择不同的调制级数和不同的内码码率，也允许两层 分级信道编码和调制。在o f d m 调制中，子载波相互正交，有效载荷与子载波 数目无关，8 k 模式要比2 k 模式载波多4 倍，但是两个系统的比特率是一样的! 由于正交规则，在以短的符号持续时间为代价的情况下，较少的子载波意味 着较大的载波间隔。而大的载波间隔可以容忍多普勒频移产生的回波，所以适于 移动接收。但是，较短的符号持续时间意味着较短的保护间隔，这样限制了接收 回波的最大延迟，也就限制了使用大的传输蜂窝或大的s f n 的网络，不利于频 率规划。反之，大的子载波数目意味着较小的载波间隔，但是符号持续时间大了。 相应的，减小了多普勒容忍能力( 移动接收的能力) ，但是可以有较好的抵抗长 延迟回波，适应大的传输蜂窝或大的s f n 的网络，提供了网络频率规划的灵活 性。 简言之，子载波数目的选择不影响传播能力，但是要在接收移动性( 多普勒 频移) 和频率规划灵活性( 最大回波延迟) 之间折衷。在欧洲d v b t 中，2 k 非 常适合于低码率移动接收。因此在我们设计的系统中使用了2 k 模式。 2 4 系统基带处理的硬件开发环境 数字信号处理是一门涉及许多学科而又广泛应用于许多领域的新兴学科，是 利用计算机或专门处理设备，以数字形式对信号进行采集，变换，滤波，估值， 增强，压缩，识别等处理，以得到符合人们需要的信号形式。在数字信号处理芯 片( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r s ，简称d s p s ) 出现之前，实时信号处理一般是在通用 处理器( 8 0 8 6 和8 0 2 8 6 等) 中完成的。随着集成电路制造工艺的不断提高，2 0 世纪7 0 年代末出现了专门的可编程数字信号处理器，简称d s p s 第一代d s p s 以 a m d 2 9 0 0 ，n e c 7 7 2 0 和t m s 3 2 0 0 为代表，其中t i 公司的t m s 3 2 0 1 0 第一次 使用了哈佛总线结构和硬件乘法器。由于开发工具的问题，最初的d s p s 开发非 常困难，要设计并实现一个基于d s p s 的系统是一个专业很强的工作。美国t i 公司给d s p s 引入许多通用计算机微处理器的特点，并为其产品开发了汇编语言 和c 语言代码产生工具以及各种软硬件调试工具，使得d s p s 的开发难度大大降 低，并且在2 0 世纪8 0 年代末和9 0 年代初进入了快速发展的时期。现在t i 公 司的d s p s 包括了定点，浮点和多处理器3 个类型的产品，每个类型又有不同性 能和价格的具体系列可以供用户选择。在本项目中，就使用了t i 公司的 t m s 3 2 0 6 7 1 3 d s p 芯片，在下面的小节中，将对该芯片的开发做介绍。 北京邮电大学硕士论文基于导频的o f d m 系统中信道估计算法的研究及其硬件实现 2 4 1t m s 3 2 0 c 6 7 1 3 d s p 芯片结构【3 4 】 d s p 是一种具有特殊结构的微处理器。d s p 的内部采用程序总线和数据总 线分开的哈佛结构，具有专门的硬件乘法器，广泛采用流水线操作，提供特殊的 数字信号处理指令，可以用来快速实现各种数字信号处理算法。根据数字信号处 理的要求。d s p 一般具有如下的主要特点： 1 在一个指令周期内，可以完成一次乘法和一次加法； 2 程序和数据空间分开，可以同时访问指令和数据； 3 片内具有快速r a m ，通常可通过独立的数据总线，在两块芯片中同时访 问； 4 具有低开销和无开销的循环和跳转的硬件支持； 5 快速的中断处理和硬件i o 接口支持； 6 具有在单周期内操作的多个硬件地址产生器； 7 可以并行执行多个操作； 8 支持流水操作，使取指、译码、取操作数和执行等操作可以重叠执行。 在本项目中，我们使用的t m s 3 2 0 c 6 7 1 3 d s p 芯片，它是c 6 0 0 0 系列中的一 款浮点d s p 其体系结构上采用了v l i w 指令字( v e r yl o n gi n s t r u c t i o nw o r d ) 结构。 它的内部结构如下图所示： 北京邮电大学硕t 。论文 基于导频的o f d m 系统中信道估计算法的研究及其硬件实现 图2 4t m s 3 2 0 c 6 7 1 3 结构框图 t m s 3 2 0 c 6 7 1 3 的8 个独立的功能单元中有两个乘法器( 3 2 位结果) 和6 个 算术逻辑单元( 3 2 位4 0 位) 。它采用加载存储体系结构，数据在多处理器之间 传输依靠3 2 位通用寄存器。 t m s 3 2 0 c 6 7 1 3 的指令集可以进行字节寻址，获得8 位1 6 位t 3 2 位数据，因 此存储器可以得到充分的利用。指令集中有位操作指令，包括位域抽取，设置， 消除，以及位计数，归一化等。所有的指令都是条件执行指令，可以根据某种条 件决定是否执行。 t m s 3 2 0 c 6 7 1 3 的存储器寻址空间为3 2 位，其中芯片内部集成了1 7 m b 片 内s r a m 。片内r a m 分为两块：一是内部程序c a c h e d 存储器，采用了l i p l 2 ， 二是内部数据c a c h e 存储器，分为两路，也采用了l i d l 2 两级缓冲结构。3 2 位外部存储器接i ：1 包括直接同步存储器接口，可以和同步动态存储器( s d r a i v o ， 同步突发静态存储器( s b s r a m ) 连接，主要用于大容量高速存储；还包括直接 异步存储器接口，可以与静态存储器( s r a m ) 只读存储器( e p r o m ) 连接， 北京邮电大学硕士论文基于导频的o f d m 系统中信道估计算法的研究及其硬件实现 主要用于小容量数据存储和程序存储；还有直接外部控制接口，可选择与先进先 出寄存器r ( f i f o ) 连接，这是控制接口线最少的方式。因此t m s 3 2 0 c 6 7 1 3 可以配 置不同的速度，不同容量，不同复杂度的存储器。 t m s 3 2 0 c 6 7 1 3 还包含丰富的片上外设接口，包括：1 6 通道增强型直接存储 器存取协议处理器，用于控制数据的e d m a 传输：1 6 位主机端口接口，可以将 t m s 3 2 0 c 6 7 1 3 配置为宿主机的d s p 加速器，两个多通道音频串行口，便于音频 信号的输入输出处理，两个多通道缓冲口，便于d s p 与外设串行通信；两个3 2 位通用定时器，1 6 引脚的通用i o 接口( 可设置外部中断源) ，两个1 2 c 总线， 灵活的锁相环路时钟发生器( x 4 ，x 5 x 2 5 1 2 ，3 2 ) 。可以对输入时钟进行不 同的倍频和分频，此外，芯片内部还有基于i e e e 1 1 4 9 1 标准的边际扫描接口 ( j t a g ) ，可用于芯片的自检和开发。 2 4 2d s p 开发板设计 如下图是基于t m s 3 2 0 c 6 7 1 3 的一个最小开发板，它包含了一个工作在 2 2 5 m h z 的t m s 3 2 0 c 6 7 1 3d s p ：1 6 m 的同步d r a m ；5 1 2 k 的稳定的f l a s h 存 储器；2 个用户l e d s 状态显示；通过板上有u s b 主机接口的j t a g 仿真器以及 + 5 v 电源。 图2 - 5t m s 3 2 0 c 6 7 1 3 最小开发板 北京邮电大学硕l ：论文基于导频f f j o f d m 系统中信道估计算法的研究及其硬件实现 2 4 3d s p 软件开发平台c c s 在d s p 系统项目开发中，软件编程调试的时间占到6 0 ，从算法仿真到功 能调试只是第一步，通常还需要对源程序进行优化。t e x a si n s t r u m e n t s 公司的 d s p 集成开发环境c c s ，它是一个基于w i n d o w s 的d s p 开发平台，可以加速和 提高程序员创建和测试实时嵌入式信号处理系统的开发过程，从而缩短将产品推 向市场所需要的时间。 c c s 主要包含了以下功能： 1 集成可视化代码编辑界面，可直接编写c ，汇编，h 文件，e m d 文件和 g e l 文件 2 集成代码生成工具，包括汇编器，优化c 编译器，连接器。 3 基本调试工具，如装入执行代码( o u t 文件) ，查看寄存器，存储器，反 汇编，变量窗口等，支持c 源码的代码级调试。 4 支持多d s p 调试 5 断点工具，包括硬件断点，数据空间读写断点，条件断点( 使用g e l 编写表达式) 等。 6 探针工具( p r o b ep o i n t s ) ，可用于算法仿真，数据监视等。 7 分析工具( p r o f i l ep o i n t s ) ，可用于评估代码执行的时钟数。 8 数据图形显示工具，可绘制时域频域波形，眼图，星座图，图像等。并 可自动刷新( 使用a n i m a t e 命令进行) 。 9 提供g e l 工具，用户可编写自己的控制面板菜单，方便直观的修改变 量，配置参数等。 l o 支持r t d x ( r e a lt i m ed a t ae x c h a n g e ) 技术，可在不中断目标系统运行的 情况下，实现d s p 与其他应用程序( o l e ) 的数据交换。 1 1 开放式的p l u g _ i n 技术，支持第三方的a c t i v e x 插件，支持包括软件仿真 在内的各种仿真器。 1 2 提供d s p b i o s 工具，增强对代码的实时分析能力，调度程序执行的优 先级，方便管理或使用系统资源( 代码数据占用空间，中断服务程序的 调用，定时器的使用) 从而减少了开发人员对硬件资源熟悉程序的依赖 性。 北京邮电大学硕士论文基于导频的o f d m 系统中信道估计算法的研究及其硬件实现 第3 章o f d m 系统及信道估计 3 1o f d m 基本原理 o f d m 是一种多载波调制技术，其主要思想就是把高速率信源流通过串并变 换，变成低速率的n 路并行数据流，在用n 个正交的子载波进行调制。它不同 于早期的多载波传输系统，信号频带被划分为n 个互不交叠的子载波频段。 o f d m 技术是利用信号时频上的正交性，而使得子载波信号频谱可以有1 2 的重 叠，从而得到高的频谱利用率。图3 1 给出了o f d m 系统的频谱示意图。正交 性即不同载波之间保持一种