（通信与信息系统专业论文）物探数据无线采集网络中ofdm无线宽带通信系统的研究设计.pdf

摘要 摘要 传统的石油物探数据采集网络一般采用有线方案，即通过线缆将传感器采集的信息传送 到控制中心进行分析：但是基于有线传输的采集网络在布设、移动、效率和维护等方面存在 着先天的不足。在物探系统中融入先进的无线传输和网络技术，己经成为当今物探技术发展 的方向。 作为“物探数据无线采集网络”项目的一部分，本文主要完成了该采集网络中多点无线 宽带骨干通信系统的研究和设计工作。在对项目的应用环境和性能要求进行分析的基础上， 提出采用正交频分复用( o f d m ) 技术设计该无线通信系统的研究路线；并在o f d m 关键 技术研究和系统信号处理流程设计的基础上，基于通用数字信号处理平台进行了系统的具体 实现，其不仅能够有效针对特定应用，而且有利于在技术研究发展过程中进行系统功能的灵 活扩展和升级。 论文在介绍和分析o f d m 基本原理与性能特点的基础上，针对项目背景的特点，通过 借鉴i e e e s 0 2 1 6 d 等系统所采用的技术，提出了相应的o f d m 宽带无线通信的设计方案， 并就其基带信号处理过程中涉及的某些关键技术问题，如定时同步、频率同步做了具体研究 对其性能进行了仿真分析。论文分析了传输中可能出现的误差，重点讨论了相应的对抗措施， 并通过仿真评估了这些措施的效果，从丽对具体实现进行指导，为实觋i 可靠的数据传输提供 了保证。 论文给出了一种基于a d i 通用d s p 平台的o f d m 通信系统的具体实现方案，分析了系 统硬件平台的功能特点；介绍了系统控制软件的设计方法，以及o f d m 信号处理算法在硬 件平台上的移植和优化；对系统功能实现软件的执行性能也进行了针对性的评估，并验证了 基带信号处理软件运行的有效性。 关键字：正交频分复用数字信号处理萋带优化 东南大学硕士学位论文 a b s t r a c t t r a d i t i o n a lo i lg e o p h y s i c a ld a t aa c q u i s i t i o nn e t w o r k sg e n e r a l l yb a s e do nc a b l e s ，t h a ti sw e u s ec a b l e st ot r a n s m i ti n f o r m a t i o ng a t h e r e db ys e n s o r st ot h ec o n 口o lc e n t e r b u tt h e s ea c q u i s i t i o n n e t w o r k sh a v ec o n g e n i t a ld e f i c i e n c i e si ne m p l a c e m e n t ，m o b i l i t y , e f f i c i e n c ya n dm a i n t e n a n c e i n t e g r a t i o no fa d v a n c e dw i r e l e s st r a n s m i s s i o na n dn e t w o r kt e c h n o l o g yi ng e o p h y s i c a ls y s t e m sh a s b e c o m et h et r e n do f t o d a y sg e o p h y s i c a lt e c h n o l o g y a sap a r to f “g e o p h y s i c a ld a t aa c q u i s i t i o nw i r e l e s sn e t w o r k s ”p r o j e c t ，t h i st h e s i sf o c u s e so n t h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no ft h eb r o a d b a n dm u l t i p o i n tw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e mi nt h i s n e t w o r k t h r o u g ht h ea n a l y s i so fa p p l i c a t i o nb a c k g r o u n da n dp e r f o r m a n c er e q u i r e m e n to ft h e p r o j e c t ，w ec h o o s eo n 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 ) a st h eb o a o ml e v e l t r a n s m i s s i o nm e c h a n i s mo ft h i sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，a n dw ei m p l e m e n ti tb a s e do nag e n e r i c 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 mt om e e tt h es p e c i f i ca p p l i c a t i o na n de x p a n s i b i l i t yr e q u i r e m e n t s b a s e do nt h es t u d yo fp r i n c i p l ea n dt e c h n i c a lf e a t u r eo fo f d mt r a n s m i s s i o n ，t h et h e s i sg i v e s ac o m p l e t eb a s e b a n ds i g n a lp r o c e s s i n gf l o w c h a r to ft h i ss y s t e mb yt h er e f e r e n c eo fe x i s t i n g t e c h n i c a ls t a n d a r d su s i n go f d mt r a n s m i s s i o ns c h e m e ( s u c ha si e e e8 0 2 1 6 ) w ed i s c u s st h ek e y i s s u e si nb a s e b a n ds i g n a lp r o c e s s i n g ，s u c ha st i m es y n c h r o n i z a t i o na n d 疔e q u e n c ys y n c h r o n i z a t i o n ， a n dw ee v a l u a t et h ep e r f o r m a n c eb ys i m u l a t i o n w ep r e d i c tt h ep o s s i b l et r a n s m i s s i o ne r r o r s ， d i s c u s st h ec o r r e s p o n d i n gc o u n t e r - m e a s u r e s ，a n de v a l u a t et h ee f f e c to ft h e s em e a s u r e sb y s i m u l a t i o n s ow ec a ni n s t r u c tt h ea c t u a li m p l e m e n t a t i o nt op r o v i d er e l i a b l ed a t at r a n s m i s s i o n a b i l i t y s u b s e q u e n t l y , t h et h e s i sg i v e sas p e c i f i cr e a l i z a t i o no ft h ec o m m u n i c a t i o ns y s t e mb a s e do n a d i sg e n e r a ld s ew ea n a l y z et h ed e s i g ni d e ao fs y s t e m sh a r d w a r ep l a t f o r m t h e nt h et h e s i s f o c u so nt h es y s t e ms o f t w a r ed e s i g n ，d i s c u s st h em i g r a t i o na n do p t i m i z a t i o no ft h es i g n a l p r o c e s s i n ga l g o r i t h m so f fd s et h em i g r a t i o no fb a s e b a n da l g o r i t h m s i sv a l i d a t e d ，a n dt h e p e r f o r m a n c eo fs o f t w a r ei sa l s oa s s e s s e d k e y w o r d s ：o f d m ，d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ，b a s e b a n d ，o p t i m i z a t i o n i i 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 己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：撼导师签名：半堑趣日期： 第一章绪论 第一章绪论 1 1 物探数据采集网络的现状与发展 物探技术在石油勘探开发领域占据着举足轻重的位置，尤其是地震勘探技术，更是某些 技术服务公司的重点服务项目。随着计算机、电子通信和网络技术的高速发展，物探装备和 物探技术水平也在不断的进步【ij 。 传统的石油物探数据采集网络一般采用有线方案，即通过线缆将传感器采集的信息传送 到汇聚中心，然后进行分析。但是，基于有线传输的采集网络在布设、移动、效率和维护等 方面有着先天的劣势；随着勘探区域的扩大( 面积过百平方公里) 和传感器密度的增加( 间 距2 0 米以下) ，基于有线传输方式的物探采集网络已经不能满足当今的要求，无线传输方案 正逐步得到应用，国际上某些先进的设备制造企业已经研制出并开始推广应用蜂窝式无线采 集网络。可见，在物探系统中融入先进的无线传输和网络技术，已经成为当今物探技术发展 的方向。 英国的v i b t e c hi t s 系统就是一套比较知名的采用了无线传输方案的物探数据采集网 络，它采用了蜂窝式的网络结构，混合有线、无线传输方式，其构成方案如图1 1 所示。其 中，汇聚中心是整套采集网络的核心基站设备将其分管小区内各采集站所收集的信息进行 汇总，并通过有线方式传送给汇聚中心；而采集站则通过无线方式将附着在其上的传感器搜 集的信息传送给基站。采集站与基站之间的无线传输具体可以采用i e e e 8 0 2 n b g 标准，而 基站与汇聚中心间的有线传输则是基于i e e e s 0 2 3 以太网标准。该采集网络可认为是由两层 构成，这种上层基于有线传输、下层采用无线接入的网络体系结构比传统的完全基于有线传 输的采集网络更有利于布设和移动，也显得更为灵活。 图1 1v i b t e c hi t s 系统构成方案 然而，基站与汇聚中心间的有线传输方式还是在一定程度上限制了物探系统的灵活性， 在勘探区域变换时，网络布设的工作量仍然比较大，并且在某些情况下布线也存在着实际的 困难。我们自然可以想到，可以基于v i b t e c hi t s 系统的体系结构。改用无线方式实现基站 东南大学硕士学位论文 到汇聚中心闻的数据传输。设计一个具备两层无线传输能力的采集网络，以进一步提高灵活 性和移动性 1 2 课题的引出 1 2 1 项目目标 东南大学移动通信实验室承接的“物探数据无线采集网络的研究与设计”项目，其总体 目标是设计一个具有两层无线传输网络结构的、实时高速率进行物探信息传输的数据采集网 络。该采集网络将分布在一平方公里范围内的约三干个检波器所采集的地震资料信息通过采 集站以无线方式传送到基站，并通过宽带多点无线骨干传输系统将多个无线基站与汇聚中心 进行互联，网络的总体构成方案如图1 2 所示。整套采集网络基于全无线的传输方式，从而 更加适用于大范围的野外流动工作环境。 毒_ 丑一l 心，= - - - - - - l i - 1 2 2 课题任务与研究内容 构建该两层结构的无线传输数据采集网络涉及很多方面的技术问题，包括网络体系结构 的设计，上、下两层无线传输系统的设计，无线采集网络通信协议的设计等等。本课题的任 务主要是基于上述背景，研究该采集网络中无线基站与汇聚中一c j , 间宽带无线通信系统的技术 方案，以及基带系统的关键技术与实现算法，并进行系统实现的具体设计与开发。 物探采集网络中，基站将其分管小区内各采集站所采集的信息进行汇总，并传送给汇聚 中心。就一般性而言，尽管基站和汇聚中心彼此固定通信，但其间地形通常是较为复杂的， 无线多径传输将普遍存在，因此选择并设计一种具有地形广泛适应性、抗多径干扰能力强的 2 第一章绪论 无线传输方式是十分必要的。 此外，根据项目应用目标，采集过程中每个检波器在一次爆炸中采集的逾震信息的数据 量为1 9 2 k b i t s ，以全网三干个检波器计算，系统每次爆炸采集数据的总量为5 7 6 m b i t s ，这 些数据要求在6 秒钟之内通过无线基站传送至汇聚中心，所以基站与汇聚中心间的数据传输 速率至少需满足每秒十兆比特的数量级；而当网络规模扩大时，检波器的数量还要增加。因 而系统要求的传输速率指标还会更高。所以，针对实际系统“海量”数据传输的要求，设计 并选择一种适合高速率数据传输的高效传输技术也是十分重要的。 在宽带传输中，传统的单载波传输方式其码间干扰( i s i ) 会严重影响系统的传输性能， 为了对抗多径干扰，需要引入复杂的均衡算法，代价很大甚至难以实现。多载波调制( m c m ) 的思想，就是在此背景下提出的，目的是在不使用复杂均衡器时仍能实现高速传输。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 i n g ，o f d m ) 作为多载波调制技术中的一 种，由于其频谱利用率高，抗多径干扰能力强，而逐渐倍受瞩目 通过对采集网络中基站与汇聚中心间宽带无线通信系统的应用环境、性能需求进行分 析，结合o f d m 本身的技术特点，我们提出采用o f d m 作为该无线通信系统的底层传输方 式：并采用2 4 g h z 的传输频段，系统带宽可调。从而支持不同的传输速率。由于采集网络 工作时无线基站、汇聚中心的位置较为固定，因此，系统研究中不必对移动性有特别要求， 以降低实现复杂性：在相关信号处理算法设计时也主要针对固定应用环境，并在参考i e e e 8 0 2 1 6 d 协议h 的物理层传输标准的基础上开展了系统的信号处理流程设计工作。 在o f d m 宽带无线通信系统的工程实现设计与开发中，为了有效的针对特定应用，方 便今后对系统功能进行扩展，保证灵活性和可升级性，我们借鉴软件无线电的设计思想。采 用了基于通用数字信号处理平台的硬件系统设计、并以软件编程的方式实现o f d m 传输的 技术方案。 1 2 3 开展的工作 针对课题的研究目标和任务要求，论文开展的工作内容包括： 一 在学习o f d m 技术基本原理的基础上，针对o f d m 传输系统的基本组成，结合目 标系统的应用要求，对设计中所涉及的o f d m 中某些关键问题进行了相应的研究。 在借鉴i e e e8 0 2 1 6 d 物理层传输标准及相关技术基础上，给出了o f d m 系统的实 现方案以及相应的基带信号处理流程；对系统的同步问题进行研究和分析；分析实际传输中 可能出现的误差，给出相应的对抗措施，并对所提方法的性能进行了仿真研究在此基础上。 对所提系统方案的性能也进行了初步的评估。 一提出o f d m 无线宽带通信系统的硬件设计方案，开展基带系统的设计，实施硬件 平台的工程开发，以及f p g a 逻辑的设计和硬件电路调试等。 一 设计基于d s p 的系统控制软件，并将所研究的o f d m 基带信号处理算法在d s p 上进行移植和优化，对系统软件的执行性能进行评估。 一实现通信系统软、硬件整合和运行联调，对基带信号处理系统的有效性进行测试。 3 东南大学硕士学位论文 1 3 论文的安排 本文一共分为六章。第一章简要介绍了项目的背景和目标、本人课题的任务与研究内容， 以及开展的相关工作。 第二章介绍了o f d m 传输技术的基本原理与关键技术。并给出了o f d m 通信系统的一 般模型。 第三章对o f d m 通信系统采用的基带信号处理流程做了详细的阐述，并给出了其中关 键信号处理算法的设计以及相应的仿真结果。 第四章介绍了通信系统的具体实现方案，对系统的硬件设计做了详细的说明。 第五章介绍了系统控制软件的设计方法和o f d m 基带信号处理算法在d s p 上的移植， 并对其中关键模块的程序优化做了详细的说明。 第六章对本课题所作的工作进行了总结，并提出改进和完善的方向。 4 第二章o f d m 的基本原理 第二章o f d m 的基本原理 2 1 概述 o f d m 是一种多载波传输技术，最早于2 0 世纪5 0 年代应用于军事通信。它虽然很早 就被提出，但由于其实现机制复杂，需要多个振荡源和滤波器组，限制了其进一步的推广 7 0 年代，人们提出采用离散傅立叶变换实现多载波调制，使得o f d m 系统实现起来大为简 化；但受限于当时的数字信号处理水平，o f d m 应用并不多见。近年来，随着数字信号处 理技术、半导体技术的飞速发展和大规模集成电路的广泛应用，o f d m 逐渐进入实用化的 阶段。目前，i e e e8 0 2 1l a ，i e e e8 0 2 1l g ，i e e e8 0 2 1 6 d 等通信标准都是基于o f d m 技术， 并且一般认为下一代移动通信的核心技术也将是o f d m t 3 。 o f d m 有许多非常引人注目的优点。首先，o f d m 具有非常高的频谱利用率。普通的 频分复用( f d m ) 系统为了分离开各子信道的信号，需要在相邻的信道间设置一定的保护 间隔，以便接收端通过带通滤波器分离出相应的各子信道的信号，这样就造成了频谱资源的 浪费。而o f d m 系统各子信道间非但没有保护频带。相邻信道的信号频谱的主瓣还可以相 互重叠( 见图2 1 ) ，但由于各子载波的正交特性，这种相互重叠并不影响各子信道信号的分 离。o f d m 各子信道上还可以采用多进制调制方式，如1 6 q a m 、6 4 q a m ，从而进一步提 高了系统的频谱效率。 在物探数据无线采集网络的设计中，基站与汇聚中心间的无线通信系统对数据传输速率 要求较高，尤其是当采集网络的覆盖范围和传感器布设密度不断增加时，o f d m 的高频谱 利用率特性对适应未来更高速率的数据传输需求可提供很好的支持。 ( a ) f d m 信号频谱( b ) o f d m 信号频谱 图2 1o f d m 系统与f d m 系统信号频谱比较 其次，o f d m 系统抗多径干扰、抗衰落能力强。o f d m 传输技术的实现思想是通过串， 并变换，将高速的数据流分散到多个正交的子载波上进行传输。这样一方面使得各个子载波 的符号速率大幅下降，相应的符号持续时间变长，从而减少了符号问干扰( i n t e rs y m b o l i n t e r f e r e n c e ，i s l ) ，有较强的抗时延扩展能力：另一方面信号的并行传输分散了瑞利衰落引 起的突发性错误，提高了系统的抗突发干扰的能力。鉴于项目研究系统需要应用在各类复杂 5 东南大学硕士学位论文 环境中，o f d m 的该项特性有效的支持了实际应用环境，为各种条件下勘探采集信息的可 靠传输提供了保证。 o f d m 的子载波把整个信道划分成许多窄信道。尽管整个信道的衰落有可能是极不平 坦的，但在各子信道上的衰落却是近似平坦的，这使得o f d m 系统的均衡器可在频域进行， 大大降低了实现的复杂性。 与单载波系统比，o f d m 系统在实现时也面临一些困难，必须加以解决。这些问题主 要包括：第一，同步问题。理论分析和实践都表明，o f d m 系统对同步的精度要求更高， 同步误差不仅造成输出信噪比的下降，还会破坏子载波间的正交性，造成载波间干扰( i n t e r c a r r i e ri n t e f e r e n c e ，i c i ) ，从而大大影响系统的性能，甚至使系统无法正常工作。所以，在 进行信号处理算法设计时，要对系统的同步问题格外关注。第二，o f d m 信号的峰值平均 功率比( p e a k t o a v e r a g ep o w e rr a t i o ，p a p r ) 往往很大，使得它对放大器的线性范围要求 很高，增加了系统成本，同时高峰均比也降低了放大器的效率。o f d m 在未来通信系统中 的应用，尤其是在未来移动多媒体通信中的应用，将取决于上述问题的解决程度。 2 2o f d m 的f f t 实现 o f d m 是一种多载波传输技术。一个多载波信号s ( f ) 可以写成如下复数形式： n l m s ( f ) = d ，r e c t ( t - t , 一书1 e x p ( 2 万t ( t - t ，) ) f j ， - t s + 丁 ( 2 - 1 ) i = 0 厶 - 其中d 是数据信息，r e c i 是矩形窗函数tt 是符号周期。 要实现上述多载波传输系统，一般需要个振荡源和相应的带通滤波器组，系统结构 复杂，实现成本高，并且很难保证振荡源和滤波器组之间的正交性。但通过细致的研究可以 发现，上述多载波传输系统的调制解调可以利用离散傅立叶变换( d i s c r e t ef o u r i e r t r a n s f o r m ， d f t ) 实现。下面我们进行具体的分析，看如何利用离散傅立叶变换来实现o f d m 的调制 与解调【4 1 。 对于式( 2 1 ) 的信号s ( f ) ，我们忽略矩形函数，以专的速率对信号进行抽样，即令 t = k t n ( k = o ，1 ，2 ，一1 ) ，可以得到： = s ( k t n ) = ze x p ( j 2 t c i k n ) ( o k 一1 ) ( 2 2 ) 将此式与序列的离散傅立叶逆变换( i d f t ) 表达形式( 忽略系数) g ( k t ) 2 善g ( 击) e x p ( j 2 # i k n ) q 。 进行比较，就可以发现式( 2 2 ) 与式( 2 3 ) 是等价的。传输符号& 等效为对z 进行i d f t 运算。于是在接收端，为了恢复出原始数据符号4 ，可以对s 进行反变换，即d f t 可得： 6 第二章o f d m 的基本原理 n - t 4 = e x p ( - j 2 z r i k n ) ( o f n - 1 ) ( 2 4 ) 通过上述分析，若选择载波频率间隔为l 厂r ，则o f d m 系统不但可以保持子载波问的 正交性还可以通过i d f t d f t 进行实现。这样避免了震荡器组的复杂结构，直接在基带上 实现了o f d m 调制解调，是o f d m 实用化的保证。并且，由于d f t 有著名的快速算法f f r ( f a s t f o u r i e r t r a n s f o r m ) ，进一步降低了o f d m 系统实现时对计算资源的要求。 由于o f d m 采用的基带调制为离散傅立叶逆变换i d f t ，所以我们一般认为数据的编码 映射是在频域进行，经过i d f t 转化为时域信号发送出去；接收端将接收到的时域信号进行 d f t 变换，恢复出频域信号，从而进行解调、解码，恢复出原始的数据信息。下文对信号 处理算法进行具体阐述时也采用了“时域”、“频域”的称呼方式。 2 3 保护间隔与循环前缀 o f d m 系统的一个重要优点就是能够有效地对抗多径时延扩展。通过串，并变换将高速 的数据流分散到多个正交的子载波上传输，使各个子载波的符号速率大幅下降。相应的符号 持续时间变长，从而减少了符号间干扰，降低了多径时延的影响。另外，0 f d m 系统中大 多还采用加入保护间隔( g u a r di n t e r v a l ) 的方法来最大限度的减小符号闻干扰，最常用的一 种保护间隔就是循环前缀( c y c l i cp r e f i x ) ，即将经过i f f t 调制后的信号的最后一部分复制 到本符号的前面进行发送，当循环前缀的长度大于信道最长的多径时延长度时，系统就可以 完全消除符号间的干扰p j 。 循环前缀的理论依据我们可以从离散傅里叶变换的圆周移位性质得到，一个有限长序列 x ( 哟的圆周移位是指用它的长度为周期，将其延拓成周期序列i ( 功，将周期序列冤( 功加 以移位，然后取主值区间( 刀= 0 ，1 ，2 一1 ) 上的序列值。对于经过圆周移位的序列，有 如下d f t 性质： 以( d = k 燃x ( 七) = e x p ( - j 2 ，r n ) ( 2 5 ) 其中x ( 后) 是原序列d f t 的结果，x 。( 七) 是经过圆周移位( m 位) 的d f t 结果。 可以看出，圆周移位后信号的d f t 结果与原信号相比只有一个相位的旋转。当发送信 号经过无线信道的多径延时到达接收端时，由于循环前缀的长度大于信道的最大多径时延， 我们去掉循环前缀后的信号就没有受到多径延时的干扰，并且该信号相当于原信号和它经过 不同圆周移位的多个复本的叠加，对这个合成信号进行d f t 运算的结果可以表示成： x ( 七) = y ( 七) ( 1 + w + w + ) ( 2 6 ) ( 2 6 ) 式右边的形形。表示各个多径信号的相位旋转，而这些相位旋转在可以通过信 道估计机制很方便的计入信道传输函数中，从而加以消除。 由于插入了没有额外信息量的循环前缀。不可避免的会带来信号功率和传输速率的损 失。功率损失可以定义为： 7 东南大学硕士学位论文 v 删= 1 0 l o g ( 2 善- g + 1 ) ( 2 7 ) 一 其中疋表示循环前缀的长度，丁是符号周期。 从( 2 7 ) 式可以看到，当循环前缀长度占到符号周期的2 0 时，功率损失也不到l d b ， 但是由此带来的传输速率损失达到2 0 ，可以看出加入循环前缀对于传输速率的影响比较 大。但是插入循环前缀后，可以消除多径效应引起的i c i ，因此这个代价是值得的。循环前 缀越长，对抗多径效应的能力越强，但也降低了系统的效率，因此循环前缀的长度应根据所 处信道环境适当加以选择。当信道多径延时较大时，需要选择较长的循环前缀以对抗多径干 扰；当信道条件较好时，可适当缩短循环前缀长度以减小其造成的传输速率的损失。所以这 要求我们在系统设计时，要注重循环前缀长度的可配置性。 对于保护间隔选择循环前缀的原因，可以这样理解，因为多径传播的影响，到达接收端 的信号经历了不同的时延，当去掉保护间隔进行f f t 运算时，总会有某些多径信号，它的 一部分保护间隔落在f f t 的运算长度中间。如果保护间隔不是循环前缀，就相当于有了其 它的频率分量，这样就会对子载波的正交性造成破坏，产生i c i 从而影响系统性能。 2 4o f d m 系统的组成 o f d m 通信系统的基本组成框图可以由图2 2 表示。 输 入 数 据 输 出 数 据 信 号 映 射 插 入 导 频 审 并 交 换 滩h | | | h 三h 蓁曰辜| 目蓁h 蓁 定时和 频率同步 图2 2 基于f f t 的o f d m 传输系统的基本结构 信 道 载 波 解 调 输入的数据序列x ( n ) ，根据所采用的调制方式，对其进行相应的调制映射，形成调制 信息序列x ( n ) ，并在其中加入某些己知信息，送入i f f t 模块进行变换，得到o f d m 己调 基带信号的时域抽样序列。然后加上循环前缀。送入d a 模块进行变换，得到已调信号的 时域波形即o f d m 基带模拟i q 信号。系统的射频模块再将该信号上变频后，通过天线发 射。 接收端对射频模块送来的基带模拟i q 信号进行a d 变换，通过定时同步和频率同步等 8 第二章0 f d m 的基本原理 一系列处理，得到o f d m 已调信号的时域抽样序列。对该抽样序列作f f r 运算，并根据接 收信号中的某些已知信息进行信道估计和均衡处理，即可得到原调制信息序列x ( n ) ，然后 进行相应的解调运算，完成原始数据的输出。 可见，o f d m 系统设计的重点在于接收端的设计：并且在工作条件一定的情况下。系 统性能主要取决于接收机算法的设计和实现。所以，该部分的内容是论文工作的重点所在。 2 5 小结 o f d m 的基本原理就是将高速的数据流通过串并变换，分配到速率相对较低的若干个 子信道上并行传输，使得每个子信道的符号周期相对变长，因此能够有效地对抗多径时延扩 展。另外，由于子载波的正交特性，o f d m 系统各子信道的信号频谱可以相互重叠，所以 有很高的频谱利用率，非常高效。正是由于o f d m 具有的这些突出特性，十分符合项目研 究的目标通信系统的实际应用环境和性能需求。因而选择采用o f d m 技术进行通信系统实 现的研究路线。 9 第三章o f d m 信号处理算法设计与仿真 第三章o f d m 信号处理算法设计与仿真 3 1 概述 要设计一个o f d m 宽带无线通信系统，首先必须确定的就是系统所采用的信号处理流 程，包括发送端和接收端的相关信号处理算法，这可在前一章所述的基本的o f d m 传输系 统模型上进行扩展；在此基础上，需要对系统所采用的参数进行定义。为了有效的支持目标 系统的业务类型，在系统设计时必须选择适当的传输模式；考虑到目标系统的实际应用环境， 在信号处理流程设计时必须考虑相应的误差纠正机制，以保证物探信息的可靠传输：另外， 同步对于o f d m 系统是非常重要的，在算法设计时要对同步问题格外关注。 由于目标系统的数据传输速率至少需达到每秒数十兆比特的数量级，根据o f d m 的频 谱效率系统的基带采样速率也将达到十兆赫兹级别。由于o f d m 信号处理机制相当复杂， 因此，在系统硬件平台处理能力一定的情况下，需要在信号处理流程设计时兼顾算法的性能 与复杂性，以保证可实现性。 3 2 发送端信号处理流程 系统发送端的基带信号处理流程如图3 1 所示，为了减小设计难度，加速系统原型的开 发，在o f d m 基带信号处理流程设计时我们在很大程度上参照了i e e e8 0 2 1 6 d 协议标准m j 。 为了有效的支持数据业务，系统采用了基于帧的突发传输模式，每个突发帧由若干个o f d m 符号组成。和基本的o f d m 模型比较，主要是增加了信道编码部分。发信机将待发送的一 帧数据进行打包、编码、映射、插入导频、i f f t 并加上循环前缀，产生o f d m 数字基带i q 信号流：再送入d a 模块形成模拟基带i q 信号，完成发送端的基带信号处理全过程。射频 模块再将该基带信号上变频、放大并通过天线发送。下文分别介绍了各模块的具体功能与对 应的技术参数。 原始 3 2 1 信道编码 图3 1发送端基带信号处理流程 信道编码由三个部分组成：扰码，前向纠错码( f e c ) 和交织。在进行信道编码前，要 根据具体采用的编码和调制方式对数据进行分块。该模块在进行设计时，参考了i e e e l l 东南大学硕士学位论文 8 0 2 1 6 d 2 】标准的设计方法和参数设置，本节仅对其基本原理进行说明。 3 2 1 1 扰码 数据加扰实质上是对原始数据进行有规律的随机化处理，其目的是减少连续0 或连续1 的个数，使得加扰后的信号频谱更适合基带传输，并达到一定的通信保密功能。 本系统数据加扰所采用的生成多项式为s ( x ) = l 十x + x ”，其实现方式如图3 2 所 示，待发送的数据字节串行( 高位最先，m s bf i r s t ) 进入扰码器，种子值与每个突发的串行 比特流进行异或运算，从而得到加扰后的比特序列。 m s b l s b 图3 2扰码电路 3 2 1 2 前向纠错码 前向纠错码由级联的r s 外编码和一定比率的卷积内编码组成，即r s c c 码。这种码 性能优良，对随机错误和突发错误都有比较好的纠正能力，应用十分广泛。 编码过程如下，数据首先以块的形式经过r s 编码器，然后经过0 截止的卷积编码器。 r s 编码源自使用g f ( 2 8 ) 的e , s ( n = 2 5 5 ，k = 2 3 9 ，t = 8 ) 编码。其中是编码后所有的 字节数，k 是编码前的数据字节数，丁是可以纠正的错误数据字节数并且t = ( 一k ) 2 。 r s ( n = 2 5 5 ，k = 2 3 9 ，t = 8 ) 采用的编码生成的多项式为： g ( 石) = ( x 十旯。) ( x + 旯1 ) ( x 十五2 ) ( x + 五2 t - i ) ，2 = 0 2 h e x ( 3 1 ) 其域产生多项式为： p ( x ) = x 8 + x 4 + 工3 + x 2 + l ( 3 2 ) 卷积码是一个有限记忆系统，它将信息序列切割为长度为k 的分组。当对某一个分组进 行编码时，要根据当前分组信息和之前的三个分组信息共同决定输出码字，即一个码字的产 生一共受到+ 1 个信息分组的制约，因此也称上+ l 为编码的约束长度。并且，我们可以将 一个码率较低的卷积码周期性地删除某些比特，从而得到码率较高的码型，这个过程称之为 打孔( p u n c t u r i n g ) f 7 】o 本系统采用了生成多项式是i1 + d + d 2 + d 3 + d 6 ，1 + d 2 + d 3 + d 5 + d 6i 的( 2 ，l ，7 ) 卷积码，约束长度为7 ，其编码结构如图3 3 所示，并支持厂= l 2 ，2 3 ，3 4 ，5 6 四种编码 速率，其中后三种速率的码可以通过速率为1 2 的码打孔得到。 1 2 第三章o f d m 信号处理算法设计与仿真 1 2 h t a i n 图3 3卷积编码器原理图 3 2 1 3 交织 交织( i n t e r l e a v i n g ) 也是一种差错控制技术，其目的是使误码离散化，将突发错误转变 为离散的随机错误，从而有利于f e c 译码模块纠错，改善数据传输质量。 交织由两个阶段的变换组成。第一个变换使得相邻的编码比特被映射到不相邻的子载 波：第二个变换使得相邻的编码比特被交替映射到星座图的高可靠性位或者低可靠性位，以 避免出现连续的低可靠性比特。其具体实现方法可参考文献m j 3 2 2 波形映射 波形映射模块将数据序列和导频序列进行调制，并分配到相应的子载波上去，该部分所 采用的参数设置也基本按照i e e e8 0 2 1 6 d 标准建议。下面对数据调制，导频调制和子载波 映射这三个步骤分别加以说明。 3 2 2 1 数据调制 交织完成后，数据比特连续输入到星座映射器中进行调制。系统支持图3 4 所示的 b p s k ，g r a y m a p p e dq p s k ，1 6 一q a m 和6 4 一q a m 这四种调制方式，对于每种调制方式， b 0 都是表示最低位。需要注意的是。在数据调制时需要进行功率规格化。即图中所示的星 座图中每个星座点都需乘以功率因子c ，这也可以理解为每种调制方式有不同的调制幅度， 功率规格化的目的是使得各种调制方式总的发送平均功率一致。 1 3 东南大学硕士学位论文 l 压 i ，_ l - 一3：lf一 1 - ， l 7 - 0 ， o ， l 1 一，- 33- 1i 三 ； 一 l -1 0 ， o 。 l - - m l r n l il oo l5 多2 图3 4 b p s k q p s k 1 6 q a m 6 4 - q a m 星座映射 3 2 2 2 导频调制 为了便于接收端进行同步和信道估计等信号处理工作，在构建o f d m 数据符号时，在 某些特定的子载波上发送已知一些信息，这就是所谓的梳状导频，简称导频( p i l o t ) 。导频 子载波应该插入到每个数据符号中，在一次突发中，第k 个o f d m 符号的导频调制值来自 序列，该序列可以通过p r b s 多项式x 1 1 + x 9 + 1 产生，每个导频( 由频率偏移索引表 示) 按以下公式进行b p s k 调制： 钆。= c _ 3 8 = c 6 3 = c 8 8 = 1 2 w k ，气3 = c - 1 3 = q 3 。c 3 8 = 卜2 啄 ( 3 - 3 ) 3 2 2 3 子载波映射 从频域上来看。一个o f d m 符号由子载波组成，而子载波数量等同于系统使用的f f t 、 i f f t 模块点数。系统采用了如下几种子载波类型： 数据子载波：用于承载数据信息。 导频子载波：发送已知信息，用于接收端同步与信道估计。 空子载波：不发送任何数据，作为保护带宽和d c 子载波。保护带宽用于信号自然衰 减以及f f t 频谱成形；而d c 子载波不用来传输数据，主要是为了避免接收机的直流偏移 ( d co f f s e t ) 的影响。 本文采用了2 5 6 点f f l r 与i f f r ，所以一共有2 5 6 个子载波可供使用，按频率高低关系， 可以对子载波进行编号，从1 2 8 一直到1 2 7 。其中低频率的保护带宽子载波数为2 8 个，编 号索引为1 2 8 至1 0 1 ，高频率的保护带宽子载波数为2 7 个，编号索引为1 0 1 至1 2 7 ；d c 子 1 4 第三章o f d m 信号处理算法设计与仿真 载波编号索引为0 ；导频子载波数为8 个，编号索引分别是8 8 ，6 3 ，3 8 ，1 3 ，1 3 ，3 8 ， 6 3 ，8 8 ：其余全都是数据子载波，共1 9 2 个，用以承载数据信息。调制后的数据和导频分别 映射到对应的子载波后，送入i f f t 模块进行变换。 3 2 3i f f t 以及循环前缀 序列工( n ) ，1 1 = 0 ，l ，n 一1 的离散傅里叶变换为 x ( 七) = x ( n ) e - j n k 2 n n ) k = o ，1 2 ，一1 ( 3 - 4 ) 相应的离散傅里叶逆变换为 x ( ，z ) = 吉x ( j j ) p 州2 州 yk - - - o = 专 阡丁m 研胪o ，1 2 ，一1 ( 3 - 5 ) 可以看出，f t 可以用f 兀模块来实现，只需要先求出输入序列的共轭x ( 七) ，然后 进行正常的蝶形运算，在输出时再进行一次求共轭运算，即可实现利用f f t 模块进行i f f t 计算。经过i f f t 模块处理，o f d m 符号由频域形式转换为时域序列。 循环前缀的实现过程非常简单，将o f d m 符号的时域序列最后一部分样点复制到最前 面，即完成循环前缀的添加过程。将这些序列样值逐个送入d a 模块，即完成o f d m 传输 系统发送端的基带信号处理流程。 3 2 4 前导码构造与调制 系统在进行一次突发时，在发送o f d m 数据信号之前，首先会发送两个符号的前导码 ( p r e a m b l e ) ，按发送顺序先后称其为p r e a m b l e l 与p r e a m b l e 2 。这两个符号作为已知信息发 送，目的是便于接收端进行同步与信道估计，从而纠正传输中可能出现的误差。 p r e a m b l e l 的频域序列只。“定义为： = r 苫驯化一曲皂冀 6 ， 其中只( 七) 序列内容参照i e e e8 0 2 1 6 d 协议1 ，该序列具有良好的自相关特性。式子 中前一个2 因子用于补偿均方根( r m s ) 功率的计算：另外一个2 因子与3 d b 功率改进 相关，目的是使得前导码的平均功率为数据符号平均功率的2 倍。从频域上看。p r e a m b l e l 仅仅使用4 的整数倍的子载波