（通信与信息系统专业论文）基于dspfpga的mimo实时平台的开发.pdf

山东大学硕士学位论文 中文摘要 传统设计的无线通信系统为满足高数据速率的要求，需要额外的信号带宽或 者使用高阶的调制技术，但是可供使用的空中带宽资源是有限的，高阶调制方式 也受到技术上的限制。为了提高无线通信系统的传输数据率以及无线频带的利用 率，m i m o 系统的概念应运而生。m i m o 系统在发射端和接收端使用多天线技术 提高了通信质量和传输速率，在频域上也不需要额外的带宽，而且可以不必使用 高阶的调制技术。 m i m o 技术在无线移动通信领域的应用是具有革命意义的重大技术进步，被 广泛认为是新一代移动通信系统实现高数据传输速率和高传输质量的重要途径之 一。在过去的十年时间里，m i m o 技术在理论、算法方面都已经进行了广泛的研 究，取得了非常多的成果，但这些先进性的成果多是基于信道建模或计算机仿真 得出来的结论，而实际系统的整体性能很难单纯通过理论分析或计算机仿真进行 说明和验证。因此，我们研制开发了多输入多输出无线通信系统真实环境测试平 台，很好地解决了这些问题。 本论文描述了一个多输入多输出通信平台，采用s u n d a n c e 公司的数字信 号处理板，包括d s p 模块、f p g a 模块和a d & d a 模块，通过真实的无线信道进 行传输，实现实时的信号处理的全过程。作为一个先进的无线通信系统，我们提 出的m i m o 通信平台不仅为理论研究者提供了一个真实的通信环境，而且完成了 一个全方位的、开放的、系统的应用平台。 在这个系统中，通过真实的无线通信信道进行传输，克服了无限信道仿真模 型的限制；从信号发送到接收的整个流程的实时传输，满足了一个系统级的验证， 降低了完成预期产品的风险，可以实现从试验平台到最后产品的快速转变；而且 整个系统的模块化设计使平台的使用变得灵活简单，使用者只需要按照自己的需 要修改相关的模块。 山东大学硕士学位论文 本论文的主要工作： 1 全面分析了m i m o 技术的发展历程和m i m o 平台的发展现状；就国内外 m i m o 平台的研究情况，结合m i m o 关键技术，全面分析了m i m o 实时 平台的硬件结构和软件流程，总结出该产品具有的广阔的应用前景。 2 分析了该产品设计中硬件实现的总体框架和几个主要模块，介绍了各部分 芯片所具有的突出功能和硬件电路的工作方法，并在此基础上，给出了硬 件电路设计中的各项需要注意的内容总结，为产品的后续开发提供一定的 借鉴作用。 3 在本论文设计过程中，软件是实现控制的主要部分，结合d i a m o n d 多 处理器实时操作系统，全面介绍了整个系统的任务流程、算法的原理与设 计、各模块之间以及主机与d s p 之间的通信与控制，分析了程序设计的 方法和突出优点。 关键词：多输入多输出；d s p ；f p g a ；测试平台；实时；模块化 2 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t m u l t i p l e - i n p u tm u l t i p l e - o u t p u t 似i m o ) t e c h n o l o g yp r o v i d e ss i g n i f i c a n t a d v a n t a g e si ns y s t e mc a p a c i t yw i t h o u tt h ei n c r e a s ei nt r a n s m i t t i n gp o w e ro rs p e c t r u m t h e r e f o r ei th a sb e e na c c e p t e da so n eo ft h em o s tp r o m i s i n gp h y s i c a ll a y e rs c h e m e si n t h en e x tg e n e r a t i o nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m t h ea d v a n c e si nt h e o r e t i c a l a n a l y s i so fm i m os y s t e ma r ee v a l u a t e do f t e nb a s e do nc o m p u t e rs i m u l a t i o n so rc h a n n d s i m u l a t i o nm o d e l ，s oaf l e x i b l ea n dm o d u l a rm i m oh a r d w a r ep l a t f o r mi sr e q u i r e d w h e r et h ep r a c t i c a lp e r f o r m a n c eo fm i m oa l g o r i t h mc a l lb et e s t e du n d e rr e a lc h a n n e l c o n d i t i o n s 。 r e c e n ty e a r s ，t h en u m b e ro fe x p e r i m e n t a lt e s tp l a t f o r m sk e e p si n c r e a s i n g m o s t o ft h ee x i s t i n gp l a t f o r m sa r eo p e r a t e di no f f - l i n em o d e ，w h i c hh a v eh i g hf l e x i b i l i t y , g o o dn e t w o r ks h a r i n ga b i l i t ya n dl o wd e v e l o p m e n tt i m e ，b u th a v el o wr e a lt i m en a t u r e a n dc a nb eo n l yu s e df o r t h ev a l i d a t i o no ft h e o r y t h ep r o g r a m m a b l eh a r d w a r eb a s e do n d s ph a sap a r tr e a lt i m ep e r f o r m a n c e , a n dt h et e s t b e db a s e do na s i ch a sa h i 【g hr e a l t i m ep e r f o r m a n c eb u tn e e d sl o n gd e v e l o p m e n tt i m e i nt h i sp a p e rw ed e s c r i b eam u l t i p l e - i n p u tm u l t i p l e - o u t p u t ( m i m o ) c o m m u n i c a t i o n t e s t b e d ，i nw h i c hr e a l t i m es i g n a lp r o c e s s i n gi sa c h i e v e dw i t ht h eh e l po fs u n d a n c e s d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n gp l a t f o r mi n c l u d i n gt id s pm o d u l e s ，x i n l i n xf p g a m o d u l e sa n da d d am o d u l e s a sa l la d v a n c e dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，t h e p r e s e n t e dm i m ot e s t b e dn o to n l yp r o v i d e sar e a lc o m m u n i c a t i o nl i n kf o rt h e o r e t i c a l r e s e a r c h e r st oe v a l u a t et h ek e yt e c h n i q u e sa n dd e s i g nt h e i ra l g o r i t h m s ，b u ta l s oa c h i e v e s ac o m p r e h e n s i v e ，o p e na n ds y s t e m i ca p p l i c a t i o nt e s t b e dw i t hs h o r td e v e l o p m e n tt i m e a n df l e x i b l er e c o n f i g u a r a t i o n t h em i m ot e s t b e du s i n gd s pa n df p g ap e r f o r m s r a p i d l yp r o t o t y p i n ga n d e v a l u a t i n go v e rr e a l i s t i cw i r e l e s sc h a n n e l si naf u l lr e a l t i m eo p e r a t i o n i nt h i ss y s t e ma r e a lw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nc h a n n e li sa c h i e v e dw h i c ho v e r c a m et h er e s t r i c t i o no f 3 山东大学硕士学位论文 w i r e l e s sc h a n n e ls i m u l a t i o nm o d e l t h er e a lt i m eo p e r a t i o no ft h ew h o l es y s t e m s a t i s f i e sas y s t e m i cv a l i d a t i o nt or e d u c et h er i s ko ft h ea n t i c i p a t e df u t u r ep r o d u c t ，a n d f u l f i l lt h er a p i dt r a n s f o r mf r o mt h ee x p e r i m e n t a lt e s t b e dt ot h ef i n a lp r o d u c t f o rt h e w h o l es y s t e mt h em o d u l a r i z e dd e s i g nm a k e sr e s e a r c h e r se a s yt or e - d e v e l o pi ta c c o r d i n g t ot h eu s e r - d e f i n e dr e q u i r e m e n t t h i st h e s i sf o c u s e so nt h ed e s i g na n dt h ed e v e l o p m e n to fr e a lt i m em i m ot e s t b e d 、航md s pb o a r dt op r o c e s st h eb a s e b a n ds i g n a la n df p g ab o a r dt od oi n t e r m e d i a t e f r e q u e n c y ( i f ) o p e r a t i o n 。b e c a u s et h es y s t e mi sd e s i g n e dm o d u l a r i z e da n dt a s k sa r e c o m p l e t e l yi n d e p e n d e n te a c ho t h e r , i ti se a s yf o ru s e r st od e v e l o pt h e mi np a r a l l e l a l l w en e e dt ok n o wo n l ya r et h ee x p e c t e di n p u t sa n dw h a to u t p u tp o r t sg e n e r a t e w ec a n d e v o t em u c hm o r et i m ea n de f f o r t st oc r e a t eo u ra l g o r i t h m s t h ew o r kh a sb e e n d o n ei nm yt h e s i sa r e ： 1 b a s e do nt h ed e v e l o p m e n to fm u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u tt e s t b e d ，a n a l y z et h e k e yt e c h n i q u e so fm i m o a n dt h ef o r e g r o u n do ft h i sp r o d u c t 2 i n t r o d u c et h es u m m a r yo fh a r d w a r ef r a m e w o r k a n a l y z et h ec h a r a c t e r i s t i c so f e v e r ym o d u l ea n dt h ew o r k i n gm e t h o do ft h es y s t e m a n dg i v es o m ea d v i c e s d u r i n gt h eh a r d w a r ed e s i g no ft h i sp r o d u c t 3 c o m b i n e dw i t hd i a m o n d ，am u l t i d s pr e a l t i m eo p e r a t i o ns y s t e m ，o u t l i n et h e s y s t e ms o f t w a r ef l o w ，d e t a i lt h ea l g o r i t h m sd e s i g na n dt h ec o m m u n i c a t i o n b e t w e e n m o d u l e s k e yw o r d s ：m u l t i p l e i n p u tm u l t i p l e o u t p u t ；d s p ；f p g a ；t e s t b e d ；r e a l - t i m e ； m o d u l a d z a t i o n 4 d s p f p g a s d b 山东大学硕士学位论文 符号说明 数字信号处理器 f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y现场可编程门阵列 s u n d a n c ed a t ab u s e p r o me r a s a b l ep r o g r a m m a b l er o m a m p s m i m o m m s e s d r a m n 氏g v h d l t d m r a m r o m w d m t d m a v l s i i s d n h d l c i c d d s j t a g w l a n 加 w i f i s u n d a n c e 并行数据总线 易擦除可编程r o m a d v a n c e dm o b i l ep h o n es y s t e m 高级移动电话系统 m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t多输入多输出技术 m i n i m u mm e a ns q u a r ee r r o r最小均方误差算法 s y n c h r o n o u sd y n a m i cr a n d o ma c c e s s 同步动态随机存取内存 m e m o r y j o i n tt e s ta c t i o ng r o u p 联合测试行动小组 v e r y h i g hs p e e di n t e g r a t e dc i r c u i t 高速集成电路硬件描述 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 语言 t i m ed i v i s i o nm u l t i p l e x r a n d o m a c c e s sm e m o r y 时分复用和复用器 随机存取存储器 r e a d o n l ym e m o r y 只读存储器 w a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g t i m ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s 波分复用 时分多址 v e r yl a r g es c a l ei n t e g r a t e dc i r c u i t e s 超大规模集成电路 i n t e g r a t e ds e r v i c ed i 百t a ln e t w o r k 综合业务数字网 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硬件描述语言 c a s c a d ei n t e g r a t o rc o m b d i r e c td i g i t a ls y n t h e s i z e r s j o i n tt e s ta c t i o ng r o u p w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k a n a l o g d i g i t a l w i r e l e s s f i d e l i t y 级联积分梳状滤波器 直接数字式频率合成器 联合测试行动小组 无线局域网 模拟数字 无线保真 5 g p r s s h b s d l h p i l d p c o f d m p c b a s i c n c o 6 山东大学硕士学位论文 g e n e r a l p a c k e tr a d i os e r v i c e s u n d a n c eh i g hs p e e db u s s u n d a n c e d a t al i n ki n t e r f a c e 通用分组无线业务 s u n d a n c e 高速总线 s u n d a n c e 数据接口 主机接口 l o wd e n s i t yp a r i t y - c h e c kc o d e s低密度奇偶校验码 o r t h o g o n a if r e q u e n c yd i v i s i o n正交频分复用技术 m u l t i p l e x i n g p r i n t e dc i r c u i tb o a r d 印刷电路板 a p p l i c a t i o ns p e c i f i ci n t e r g r a t e dc i r c u i t s专用集成电路 n u m b e rc o n t r o l l e do s c i l l a t o r 数控振荡器 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：塑马查 e t 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本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、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：塑刍奎导师签 e t 期：掣 山东大学硕士学位论文 绪论 与有线通信相比，无线通信面临许多挑战，特别是有限的频谱资源和不断增 长的用户需求之间的矛盾以及无线信道表现的衰弱特性，这要求无线通信系统具 有尽可能高的频谱效率和传输可靠性。另外，由于许多无线通信系统的组成部分 之一是移动终端，因此其功耗也受到很大限制。在对付无线信道多径衰落方面， 基于c p ( 循环前缀) 的分块传输技术表现出突出的优势，但他们的频谱效率仍然 不是很高。近年来，基于多天线技术的m i m o 通信系统在频谱效率方面表现出无与 伦比的优势，被普遍认为是未来无线通信的主要支撑技术之一。 虽然目前有多种信道模型可用于评价算法在m i m o 系统中的性能，但得到的结 果只是基于简单的数学推导或数学计算( m a t l a b ) 仿真，并且每种信道模型都是基 于某些假设才能成立。实际环境中的无线信道中的噪声功率是未知的，信号波形 在传输中受无线信道带宽的影响，发送接收端的采样时钟差异影响着信号判决的 准确性。以上列举的问题在仿真中或者被简化成固定的数值，或者被假设为按某 种概率密度函数分布，这使得m i m o 系统中的算法在真正投入应用时出现很多不可 预料的结果。 由于m i m o 系列关键算法还只停留在理论分析或计算机仿真阶段，它的正确性、 可靠性和可实现性有待在m i m o 真实环境下进行验证。但现有试验平台较少，服务 对象和服务方式有限，所以急需全方位系统级的试验平台。针对现有的无线通信 系统仅使用简化的无线信道仿真算法所带来的问题，我们提供了一种多输入多输 出无线通信系统真实环境测试平台，该平台使发送接收经历一个完整的从星座映 射、脉冲成型、调制，到同步、解调、判决的实时的传输过程，并通过真实的无 线信道传输，受到整个系统所带来的影响，恢复的信号能够更加准确的检验m i m o 系统算法的性能。 近年来，一些m i m o 试验测试平台开始出现。在现有的m i m o 通信平台中，大 7 山东大学硕士学位论文 多数是采用了非实时操作模式，这些平台虽然有很高的灵活性，很好的网络共享 能力，而且开发时间也相对较短，但是他们缺乏实时传输的特性，离实际应用还 有很大的距离，只能用于理论算法的验证；在实时平台中，基于d s p 开发的平台， 并不能做到整个系统的实时传输，只能做到部分系统实现实时性，基于a s i c 开发 的平台，虽然具有良好的实时特性，但却需要很长的开发时间。 我们开发的m i m 0 实时平台，是基于s u n d a n c e 公司的硬件和软件产品，由d s p 板进行基带处理，f p g a 板进行中频处理，通过真实的无线通信环境进行传输，实 现了整个系统的完全实时的操作。由于系统采用模块化设计，开发者可以同时开 发多个模块；每个模块之间是相对独立的，开发者只需要知道模块的输入和输出， 这样就可以节省大量的时间和精力。 本论文的主要工作是研究m i m o 实时平台的设计与实现。研究过程中融入了 先进的现代无线通信技术m i m o 和采用了s u n d a n c e 公司的先进的数字信号处 理产品t id s p & x i l i n xf p g a ，实现了多天线实时系统地数据传输。本论文的体 系结构是：第一章详细介绍了m i m o 技术的基本原理，m i m o 平台的发展现状， 以及开发m i m o 实时平台的立项背景；第二章介绍了本论文中硬件的总体设计架 构，并按照各功能模块的特点进行了详细介绍，分析了各芯片的优点和系统的连 接关系；第三章为该论文设计过程中的重点，结合d i a m o n d 多处理器实时操作 系统，着重讲述了本论文设计中的软件设计架构及各子部分的软件设计流程，重 点说明了各模块之间的通信过程及终端与后台控制中心的信息交互过程；第四章 为论文设计过程中的一些经验总结，主要是对硬件设计过程中遇到的一系列问题 及设计时的注意事项，为产品的后续研发提供参考；第五章则概括了本论文中产 品的综合价值，并给出了对该类产品的改进方向。最后一部分是本论文设计的参 考文献、致谢和攻读硕士学位期间发表的论文。 8 山东大学硕士学位论文 第一章m i m o 技术及其发展现状 1 1 1m i m o 技术简介 1 1m i m o 技术 在对付无线信道多径衰落方面，基于c p 的分块传输技术( 如o f d m ) 表现出突 出的优势，但他们的频谱效率仍然不是很高。近年来基于多天线技术的 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 ) 通信系统在频谱效率方面有很大提升。m x m o 无线数字通信系统有时也称为大容量数据传输系统。此项技术被认为是现代通信 技术中重大技术突破之一。由于该技术提供了解决未来无线网络中的业务容量需 求瓶颈问题，而名列当今技术进步列表中的显要位置。但更令人吃惊的是m i m o 技术刚刚出现才几年，就在诸如宽带无线接入系统、无线局域网( w l a n ) 和3 g 及 b 3 g 这样的大型商用无线通信产品和网络中得到了充分应用 5 。 多输入多输出( m i m o ) 技术综合了分集技术和现代信号处理技术，可以得到极 高的频谱利用率。移动通信环境中存在多个散射体、反射体，在无线通信链路的 发射与接收端存在多条传播路径，多径传播对通信的有效性与可靠性造成了严重 的影响，通常多径要引起衰落，因而被视为有害因素。然而研究结果表明，对于 m i m o 系统来说，多径可以作为一个有利因素加以利用，可以利用多径引起的接 收信号的某些空间特性实现接收端的信号分离。m i m o 技术在通信链路两端均使 用多个天线，发端将信源输出的串行码流转成多路并行子码流，分别通过不同的 发射天线阵列同频、同时发送，接收方则利用多径引起的多个接收天线上信号的 相关性从混合信号中分离估计出原始子码流，这相当于频带资源重复利用，可以 在原有的频带内实现高速率的信息传输，使频谱利用率和链路可靠性极大的提高。 m i m o 系统模型如下图1 1 所示 9 山东大学硕士学位论文 1 1 2m i m o 基本原理 图1 1m i m o 系统模型 m i m o 技术的原理是信号通过发射端的和接收端的多个天线元进行传送，从 而改善每个用户得到的服务质量( 误比特率或数据速率) 。m i m o 技术的核心思想就 是空时信号处理，也就是利用在空间中分布的多个天线将时间域和空间域结合起 来进行信号处理。m i m o 技术的关键特点是能够将传统通信系统中存在的多径影 响因素变成对用户通信性能有利的增强因素。m i m o 技术作为一个新的研究方向， 它的成功之处主要是它能够在不额外增加所占用的信号带宽的前提下带来无线通 信的性能上几个数量级的改善。m i m o 技术实质上是为系统提供空间复用增益和 空间分集增益，目前针对m i m o 信道所进行的研究也主要围绕这两个方面。空间 复用技术可以大大提高信道容量，而空间分集则可以提高信道的可靠性，降低信 道误码率。 1 空间复用技术 空分复用利用传播环境中丰富的多径分量，多个数据通道共用一个频率带宽， 从而使信道容量线性( 与天线数成正比) 增加，而不需要额外带宽或功率消耗。空 间复用在接收端和发射端使用多副天线，充分利用空间传播中的多径分量，在同 1 0 山东大学硕士学位论文 一频带上使用多个数据通道( m i m 0 子信道) 发射信号，从而使得容量随着天线数量 的增加而线性增加。这种信道容量的增加不需要占用额外的带宽，也不需要消耗 额外的发射功率，因此是提高信道和系统容量的一种非常有效的手段。 空间复用首先将需要传送的信号经过串并变换转换成几个平行的信号流，并 且在同一频带上使用各自的天线同时传送，由于多径传播，每- n 发射天线针对 接收端产生一个不同的空间信号，接收方利用信号不同来区分各自的数据流。实 现空间复用必须要求发射和接收天线之间的间距大于相关距离，这样才能保证收 发端各个子信道是独立衰落的不相关信道。 2 发送分集和接收分集 m 1 m o 系统中发射端和接收端结合，得到一个大的分集阶数( d i v e r s i t yo r d e r ) 。 假设发射天线m ，接收天线数n ，最大链路数为mxn ；如果所有这些链路具有 相互独立的衰落，则得到m x n 阶分集。空间分集技术可以分为接收分集和发射 分集两类，通常可以认为s i m o 系统是接收分集，m i s o 系统是发射分集。无线信 号在复杂的无线信道中传播产生r a y l e i g h 衰落，在不同空间位置上其衰落特性不 同。如果两个位置间距大于天线之间的相关距离( 通常相隔十个信号波长以上) ， 就认为两处的信号完全不相关，这样就可以实现信号空间分集接收。空间分集一 般用两副或者多副大于相关距离的天线同时接收信号，然后在基带处理中将多路 信号合并。 s i m o 系统中的接收分集技术可以分成最大比合并( m r c ) 、等增益合并( e g c ) 和选择分集合并( s d c ) 三种类型。在最大比合并的接收中，每一天线的输出用一个 复数加权，然后相加；等增益合并接收使各副天线的输出信号保持同相，然后相 加；选择分集合并接收中，简单地选择众多信号中的一个质量最好的天线的信号 并使用该信号作为接收到的信号。由于最大比率合并之后信号的信噪比等于合并 之前各支路的信噪比之和，因此是最佳的合并方式。 发射分集就是将分集的负担从终端转移到基站端，然而采用发射分集的主要 山东大学硕士学位论文 问题是在发射端不知道衰落信道的信道状态信息( c s d 。因此，必须采用信道编码 以保证各信道具有良好的性能，具体是采用空时编码。1 9 9 8 年，a t & t 实验室的 t a r o k h 等人在发射延迟分集的基础上正式提出了基于发射分集的空时码( s t c ) 的 概念。空时码是信道编码设计和多发射天线的结合，其主要思想是利用空间和时 间上的编码实现一定的空间分集和时间分集，从而降低信道误码率。 空时码在将数据串并转换后，每一路数据流经脉冲成型、调制，然后通过1 1 个天线同时发送到无线空间，建立了空间分离信号( 空域) 和时间分离信号( 时域) 之间的关系。在接收端，可以用单一天线，也可以用多个天线进行接收，每一个 接收天线接收到的是n 个发送信号与干扰噪声线性的叠加( 衰落系数为权重) ，然 后通过最大似然检测等方法，正确地识别出发送信号。 1 2m i m o 平台的发展现状和立项背景 1 2 im i m o 平台的发展现状 m i m 0 无线传输技术发展至今，理论日趋成熟，而现场测试亟待解决，因此搭 建一套以算法验证为主、产品应用为目标的系统级m i m 0 试验平台，对于通信新技 术研究和应用是必要的。开发试验平台进行现场测试对于m i m o 通信技术迈向实用 化具有重要意义。先进的多天线系统试验平台，不但可以探测各种传播环境下的 m i m 0 信道特性，验证信号处理算法性能，而且有助于评估算法实现的可行性。这 些试验平台也是进行通信新技术研究和实际系统开发的重要基地。 测试平台设计常常是一项非常耗费时间的工作，m i m 0 ( m u l t i p l ei n p u t m u l t i p l eo u t p u t ) 作为多输入多输出系统，其测试平台设计变的更为复杂。作为 开创性试验，贝尔实验室首先于1 9 9 8 年进行了v - b l a s t 技术的可行性验证，随之 引发了对m i m 0 技术的广泛研究，进而促使业界开发m i m 0 试验平台进行信道测试 和性能分析验证。 1 2 目前，国内外很多科研机构纷纷进行试验平台开发与外场测试，并有大量实 山东大学硕士学位论文 验结果发表，如国内东南大学进行的“多输入多输出移动通信系统 试验，北京 邮电大学研制的“宽带t d d o f d m - m i m o 技术 演示平台，清华大学、东南大学等 参与的f u t u r e 计划课题等。国际上v - b l a s t 的可行性验证试验、i s t m e t r a 项目的 室内外实验、b y u 的室内m i m o 试验、l u c e n t 的m i m o + w c d m a 原型系统试验等；另 外国外大学( v i e n n a 、b r e m e n 、d u i s b u r g 、m c g i l l 、m o n t r e a l 、c a n a d a 、r i c e 等) 也纷纷建立起自己的试验平台，以支持新技术研究和实际系统开发的实验。目前 这些大学及科研机构设计的m i m o 平台，按实时性划分可分为实时性及非实时性两 种。 实时平台 目前已有的实时m i m o 平台，大多具有好的扩展性、模块化、及完全实时性( 基 带、i f 、r f 全硬件实现) ，在m i m o 的研究方面已经发挥了非常重要的作用。其中 d u i s b u r gu n i v 做了大量的工作，他们采用s u n d a n c e 的模块完成基带处理，利用 a t m e l 的r f 模块作为射频模块。上述系统，p c 仅完成控制功能，数据处理由 d s p & f p g a 完成，系统可以做到连续发送，连续接收，发送信号的产生及接收信号 的处理是完全实时的，是理论模型的最真实的仿真。 非实时平台 先利用m a t l a b 产生发送基带数据并存储，再利用发送试验平台发送数据，接 收试验平台实时接收数据并存储，待发送周期结束后，利用m a t l a b 处理数据。上 述过程仅对存储量要求较大，不会增加太大的成本及难度。纵览国内外m i m o 试验 平台的开发现状，形势非常乐观。但是也呈现出其中的一些不足，而这些不足对 于通信新技术研究的负面影响是不可忽视的。主要体现在 以企业为主开发的m i m o 试验平台往往与标准系统紧密耦合，多以实际系统实 现和网络现场测试为导向，开发费用过于昂贵，同时由于业界相互竞争和保密等 因素，难以实现共享，对于通信新技术研究的支持则更显困难。国外大学开发的 m i m o 试验平台，虽然具有良好的科研背景，但同样面临一个对外开放服务的问题。 山东大学硕士学位论文 从目前国内科研院所进行的研制情况看，还少见有以算法验证为主、提供开 放式服务、系统级的m i m o 试验平台。多趋向于以系统实现和演示为目的，很少提 及能提供“算法设计一性能验证一系统实现 开放式、全方位服务平台。即使部分 设备供应商能够提供m i m o 系统测试设备，但不容忽视的一个问题是，设备供应商 和高校科研机构之间往往存在一个供应和需求之间的断层，结果是：一方面高校科 研机构通过设备供应商购买设备，强化高校实验室设备建设；另一方面却往往因 为缺乏对所购设备的充分了解，或设备本身缺乏二次开发能力，使得实验室建设 投资成本巨大，而实际运行效果很差。 1 2 2m i m o 平台的立项背景 本项目在综合考察m i m o 技术发展趋势和国内外m i m o 试验平台开发现状的基 础上，旨在开发一套以算法验证为主、开放式、系统级m i m o 试验平台，以开放式、 验证性和系统集成性为基本特色。所谓开放性，是指m i m o 试验平台将面向教育、 科研、军事、民用以及工业界，提供“算法设计一性能验证一系统实现 的阶段性、 全方位服务。所谓验证性，是指m i m o 试验平台将提供真实的m i m o 无线信道环境， 以克服m i m o 无线信道仿真模型对性能验证的局限性；提供m i m o 系统理论与算法 的实施与验证；提供基带处理算法和通信关键技术的软硬件开发与性能仿真和验 证；支持标准系统的原型开发与系统性能仿真和验证，实现理论向实践应用的快 速转化。所谓集成性，是指m i m o 试验平台提供了完整的m i m o 系统集成解决方案， 通过二次开发，真正建立设备供应商与高校科研机构合作之间的桥梁。 我们开发的m i m o 实时平台实现了系统的实时处理，主要用于实际系统地分析 与设计。主要由m i m o 天线阵列、r f 发射机r f 接收机、f p g a 中频处理模块、数模 模数转换( a d c d a c ) & 数字上下变频( d u c d d c ) 、d s p 基带处理模块和后台p c 组成。主要的应用领域： 1 4 m i m o 理论分析与算法验证 m i m o 无线信道建模、m i m o 系统容量分析与验证、m i m o 技术开发与性能验证 山东大学硕士学位论文 ( 例如空间复用、空时编码、波束赋形、智能天线) 、m i m o 天线设计、软件无线 f i 技术； m i m o 基带处理算法的软件实现与性能方针验证 脉冲成形与插值滤波，信号检测与滤波，时域频域同步，调制与解调，信道 估计，信道编译码( t u r b o l d p c ) ，自适应编码调制( a m c ) ，o f d m 与多载波技术， 功率控制，频谱感知； m i m o 关键技术的硬件实现和专用芯片设计 硬件实现的可行性分析，定点实现性能分析与仿真验证，专用芯片设计的前 期功能和性能分析与仿真验证； 标准通信系统的原型开发与系统性能仿真与验证 真实的m i m o 无线环境； 从应用层到无线接入层的全链路、端到端系统原型开发与系统性能仿真和验 证能力； 无线通信新技术和标准的研发，如跨层联合优化设计、认知无线电等。 山东大学硕士学位论文 第二章硬件架构 弟一早 俄什，禾俐 本论文设计中的m i m o 实时平台由发送端和接收端两部分组成。发送端包括一 台计算机、一个基带和中频处理板、一个射频发送设备和天线阵列。它负责将发 送数据经过基带处理、上变频至中频、数模转换、中频模拟上变频至射频的过程 后，最终通过天线将射频模拟信号送至无线信道。 接收端包括一台计算机、一个基带和中频处理板、一个射频接收设备和天线 阵列。它通过天线接收来自发送端的射频模拟信号，并经过射频模拟下变频至中 频、模数转换、中频数字下变频至基带的过程后，对基带数据进行处理，然后送 到主机进行显示。 本论文设计中的m i m o 实时平台的数字处理部分由标准配置及高性能配置两种 配置组成。s u n d a n c e 的标准配置由6 0 0 m t t z 的d s p 、v i r t e x - 2 的f p g a 、2 路1 6 b i t 、 4 0 0 m h z 的高速d a c 、2 路1 4 b i t 、i o o m h z 的高速a d c 组成，在现有的实时平台中属 于功能强大的平台；s u n d a n c e 的高性能配置由1 g h z 的d s p 、v i r t e x 一4 的f p g a 、 2 路1 6 b i t 、5 0 0 m h z 的高速d a c 、2 路1 4 b i t ，1 0 5 m h z 的高速a d c 组成，在现有的 实时平台中属于功能非常强大的平台。 上述系统中的d s p 及f p g a 承担计算任务，运算功能强大，高速a d c 及d a c 也 可满足中频信号处理及产生的任务，上述两个平台，可满足大量实时平台的试验 任务。通常接收端的数据处理工作量比发送端要大的多，因此我们把s u n d a n c e 的 标准配置放在发送端，把s u n d a n c e 的高性能配置放在接收端。 由于系统中有两路a d c 及d a c ，该平台可完成2 发送天线、2 接收天线的m i m o 系统。发送端利用s m t 3 6 5 ( d s p & f p g a ) 完成基带处理产生基带信号；采用s m t 3 7 0 完 成数字上变频及d a c 的功能以产生i f 信号；射频模块产生r f 信号。接收端采用 射频模块将r f 信号变成i f 信号；采用s m t 3 6 8 和s m t 3 5 0 完成i f 信号采样及数字 1 6 尘耋銮：至圭耋兰兰銮 下变频功能以产生基带信号；采用辄t 3 9 5 v p 3 0 - 6 ( d s p 6 4 1 6 模块) 完成基带信号 处理以恢复原始发送符号。 为了不失一般性又简化天线设计方面的考虑，m i 帅天线采用线型阵列结构 但天线之间的间距可根据实际需求自由调节为天线分集测试做准备。 r f 发射机和r f 接收机采用现有设备，工作频率选择在2 4 5 g h z ，主要基于以 下考虑：1 属开放频段，无需授权并全球通用；2 能够提供典型的移动多径环境； 3 天线短，可以做出面积较小的设备。 本系统数字信号处理部分包括s u n i ) m i c e 产品的两个系统，即s m t s 0 3 6 和 s 舯8 0 9 6 ，s f r 8 0 3 6 系统是本系统的发射模块，它由s 砌沼1 0 q 载板、s 岍3 6 5 模块 和s 盯3 7 0 模块组成，其中s 岍3 1 0 。载板可以装载4 个t i m 模块。所谓t i m 是t i 公司定义的一种d s p 模块规范，像s 咐3 6 5 模块就是一个t i m 。s 盯8 0 。6 系统是本 系统的接收模块，它由s m t 3 1 0 0