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摘要 超宽带( u w b ) 技术作为一种极具潜力的高速、短距离、低功耗的无线传输 方式，近些年在学术界和工业界都引起了极大的关注。随着w i m e d i a 联盟的多 带正交频分复用( m b 0 f d m ) 标准最终通过国际标准化组织( i s o ) 认证，正 式成为第一个u w b 的国际标准，m b o f d mu w b 技术已在无线传输领域得到 了广泛的应用。 首先，本文简要地介绍了m b o f d mu w b 系统的数字基带，其中重点介绍 了笔者提出的基于双端口存储器的( 解) 交织器结构。该结构消除了传统交织器 实现中复杂连线在布局布线和串绕方面带来的问题且能兼容不同的交织长度，有 效地降低了硬件实现的复杂度和资源的消耗。从现场可编程门阵列( f p g a ) 的 实现报告中可以看到，本文提出的新结构所消耗的f p g a 资源数目对于交织器和 解交织器来说分别降低了4 6 和7 8 。 在介绍完数字基带后，本文重点介绍了笔者提出的适用于m b o f d mu w b 系统的信道估计方法一虚拟导频辅助信道估计( p p a c e ) 算法。该方法具有低的 硬件实现复杂度，且能有效地抵抗多径信道带来的符号间干扰。在不知道信道和 噪声的统计信息的情况下，基于离散傅立叶变换( d f t ) 的信道估计方法通常被 用来提高基于最d - - 乘( l s ) 准则的信道估计算法的性能。但由于基于d f t 的 信道估计器中需要使用额外的f f t i f f t 对，这会带来较高的计算复杂度以及相 应较大的面积和功耗开销。本文提出的p p a c e 算法仅使用了3 2 点的d f t ，大 大降低了硬件开销。仿真结果表明，低复杂度的p p a c e 算法要优于传统的基于 d f t 的算法，甚至优于基于线性最小均方差( l m m s e ) 准则的信道估计方法。 另外，本文作者根据u w b 信道模型的参数提出了一种通用加窗技术，该技术能 提高基于d f t 的信道估计算法的均方误差( m s e ) 性能。 随着超宽带技术的演进，多天线( m i m o ) 技术与超宽带的结合是大势所趋， 此举可将超宽带的数据率提高至g b p s 数量级，大大满足了市场对高速无线传输 的需求。然而m i m o 技术的引入给信道估计带来了不小的困难，因为多天线系 统的接收信号是多个发射天线发送信号的衰落与加性噪声的叠加。若采用以前适 用于o f d m 系统的信道估计方法，对于某个特定的发射接收天线对，来自于其 它天线的信号即为干扰，这样信号噪声功率比常常在0 d b 以下，从而带来很大 的估计误差，导致系统性能急剧下降。 结合本文提出的p p a c e 信道估计算法，本论文将其应用到m i m o o f d m 系 i i i 统。仿真结果和实现结果表明在关注的信噪比范围内，本文提出的p p a c e 算法 要优于传统的l s 算法，且信道估计器的硬件实现复杂度大大降低。 总而言之，本文提出的p p a c e 算法不仅适用于m b o f d mu w b 系统和 m i m o o f d mu w b 系统，稍加改动还适用于其它以o f d m 技术为基础的无线 通信系统。 关键词：超宽带，正交频分复用，数字基带，交织器，信道估计，多天线系统 中图分类号：t n 4 9 2 i v a b s t r a c t u l t r a - w i d e b a n d0 j w b ) t e c h n o l o g yi sap r o m i s i n gh i g hd a t a - r a t e ，s h o r t - d i s t a n c e a n dl o w - p o w e rw i r e l e s st r a n s m i s s i o ns o l u t i o nw h i c hh a sa t t r a c t e dm o r ea n dm o r e a t t e n t i o nb o t hf r o mt h ea c a d e m i ca n dt h ei n d u s t r y r e l e a s e da si s o i e c2 6 9 0 7 ， m u l t i b a n do r t h o g o n a l f r e q u e n c y d i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ( m b - o f d m ) u w b t e c h n o l o g yh a sf i n a l l yb e e na p p r o v e d b yt h ei s oa n di e ca n db e c a m et h ef i r s tu w b s t a n d a r di nt h ew o r l d f i r s to fa l l ，t h i sp a p e rb r i e f l yi n t r o d u c e st h ed i g i t a lb a s e b a n do fm b o f d mu w b s y s t e m si nw h i c ht h ea u t h o re m p h a s i z e so np r e s e n t i n gan o v e ll o w - c o m p l e x i t yf p g a i m p l e m e n t a t i o no f ( d e ) i m e r l e a v e r t h ep r o p o s e da p p r o a c hu s e so fd u a l p o r tm e m o r y f r o mx i l i n xi pc o r ew h i c hp o s s e s s e sau n i q u ef e a t u r et h a tr e a d w i d t hi sn o t n e c e s s a r i l ye q u a lt ow r i t e w i d t h f p g as y n t h e s i sr e p o r t sa r ep r o v i d e dt h a to u rd e s i g n c a l lr e d u c ea r e ac o n s u m p t i o ns i g n i f i c a n t l ya n dt h en u m b e r so fo c c u p i e ds l i c e sa r e r e d u c e db y4 6 a n d7 8 f o ri n t e r l e a v e ra n dd e i n t e r l e a v e r , r e s p e c t i v e l y a f t e rt h a t ，a st h ek e r n e lo ft h i s p a p e r , t h ea u t h o rp r o p o s e s ar o b u s ta n d l o w - c o m p l e x i 够c h a n n e le s t i m a t i o na l g o r i t h mu s i n gp s e u d o - p i l o t f o rm b o f d m u w bs y s t e m s t h ep r o p o s ea l g o r i t h mc a ne f f e c t i v e l yp r o t e c ta g a i n s ti 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 ) c a u s e db ym u l t i p a t hc h a n n e l w i t h o u ta n yp r i o rk n o w l e d g eo f c h a n n e ls t a t i s t i c sa n dn o i s ev a r i a n c e ，d f t - b a s e dc h a n n e le s t i m a t i o ni su s u a l l yu s e dt o i m p r o v et h ep e r f o r m a n c e o fl e a s t s q u a r e ( l s ) c h a n n e le s t i m a t i o n h o w e v e r , a d d i t i o n a lf f t i f f to p e r a t i o n si nd f t - b a s e da l g o r i t h md r a s t i c a l l yi n c r e a s et h e c o m p u t a t i o n a lc o m p l e x i t ya n dc o r r e s p o n d i n ga r e aa n dp o w e rc o n s u m p t i o n , w h e r e a sa n o v e lp s e u d o p i l o ta s s i s t e dc h a n n e le s t i m a t i o n ( p p a c e ) a l g o r i t h mi sp r e s e n t e di nt h i s p a p e ru s i n ga3 2 一p o i n tf f tt oa f f o r dr o b u s ta n dl o wc o m p l e x i t yc h a n n e le s t i m a t i o n 、析也a c c e p t a b l ep e r f o r m a n c el o s s i tw i l lb es h o w ni ns i m u l a t i o nr e s u l t st h a tp r o p o s e d l o wc o m p l e x i t yp p a c ea l g o r i t h mi sb e t t e rt h a nt r a d i t i o n a ld f t - b a s e da l g o r i t h ma n d l i n e a rm i n i r n u i nm e a ns q u a r ee r r o r ( l m m s e ) a l g o r i t h m w ea l s op r o p o s e dh e r ea g e n e r a l i z e dl o wc o m p l e x i t yw i n d o w i n gt e c h n o l o g yf o rd f t - b a s e dc h a n n e le s t i m a t i o n a c c o r d i n gt ou w bc h a n n e lm o d e lp a r a m e t e r s t oi m p r o v et h em e a ns q u a r ee r r o r ( m s e ) p e r f o r m a n c e m o r e o v e r , c o m b i n i n g 晰t hm 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 ) t e c h n o l o g yi s v a p r o m i s i n gd e v e l o p m e n ta n dt e n d e n c yo fu w b w h i c hc a l lp r o v i d em o r et h a n1g b p s d a t ar a t ef o ru l t r a - h i g hs p e e dw i r e l e s st r a n s m i s s i o na p p l i c a t i o n s h o w e v e r , f o r m i m o o f d ms y s t e m st h er e c e i v e ds i g n a li st h es u p e r p o s i t i o no fd i f f e r e n ts i g n a l s f r o md i f f e r e n ta n t e n n a sa n dn o i s e i ft h ec h a n n e lp a r a m e t e r sc o r r e s p o n d i n gt oe a c h t r a n s m i t t e ra n dr e c e i v e ra n t e n n ap a i ra r ee s t i m a t e db yt h ea p p r o a c hd e v e l o p e d p r e v i o u s l yi no f d ms y s t e m s ，t h es i g n a l sf r o mo t h e rt r a n s m i t t e ra n t e n n a ( s ) w i l l b e c o m ei n t e r f e r e n c e t h es i g n a l t o - i n t e r f e r e n c er a t i ow i l la l w a y sb el e s st h a n0d b ， a n dt h em s eo ft h ee s t i m a t i o nw i l lb ev e r yl a r g e a tl a s t , t h i sp a p e rp r o p o s e sal o w - c o m p l e x i t yc h a n n e le s t i m a t i o na l g o r i t h mf o r m i m o o f d mu w bs y s t e mi nv i r t u eo fp p a c ea l g o r i t h m t h es i m u l a t i o nr e s u l t s a n dt h ef p g ai m p l e m e n t a t i o nr e s u l t sp r o v et h a tt h en o v e la l g o r i t h mo u t p e r f o r m st h e t r a d i t i o n a lm i m o o f d mc h a n n e le s t i m a t i o n a l g o r i t h m a n d i m p l e m e n t a t i o n c o m p l e x i t yh a sb e e nr e d u c e dd r a m a t i c a l l y i nc o n c l u s i o n ，t h ep p a c ea l g o r i t h mp r o p o s e di nt h i sp a p e rc a nn o to n l yb e a p p l i e di nm b o f d mu w b a n dm i m o o f d mu w bs y s t e m sb u ta l s ob es u i t a b l e f o ro t h e ro f d m b a s 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 sw i t hm i n o rm o d i f i c a t i o n k e yw o r d s ：u w b ，o f d m ，d i g i t a lb a s e b a n d ，i n t e r l e a v e r , c h a n n e le s t i m a t i o n ，m i m o s y s t e m s c l cn u m b e r ：t n 4 9 2 v i 第一章引言 第一章引言 随着无线通信技术的发展，各种无线通信系统相继出现，使可利用的频谱资 源日趋饱和。然而，人们对无线通信系统的需求仍在不断提高，希望其提供更高 的数据传输速率、成本更低、功耗更小。在这样的背景下，超宽带( u w b ， u l t r a - w i d e b a n d ) 技术引起了人们的重视，逐渐成为无线通信领域研究、开发的 一大热点，并被视为下一代短距离无线通信的关键技术之一。 1 1 论文研究背景 1 1 1u w b 技术发展简介 超宽带技术始于2 0 世纪6 0 年代兴起的脉冲通信技术，又称为脉冲无线 电( i m p u l s er a d i o ) 技术。与通信系统中广泛采用的载波调制技术不同，该技术 并不需要载波调制，而是用上升沿和下降沿都很陡的基带脉冲直接通信，所以又 称为基带传输( b a s e b a n dt r a n s m i s s i o n ) 或无载波( c a r r i e r l e s s ) 技术。 脉冲u w b 技术的脉冲长度通常在亚纳秒量级，信号带宽经常达数千兆赫兹， 比传统无线通信技术的带宽都大得多，所以最终在1 9 8 9 年被美国国防部命名为 超宽带技术。u w b 设备的平均发射功率很低，可以与其他无线通信系统“安静 的共存”，同时也有低成本、保密性好、抗多径干扰等优点。但与此同时，脉冲 u w b 系统频谱利用率较低，不适合高数据率传输。另外，早期脉冲u w b 技术 的专利多掌握在一些小公司手中。因此，当英特尔、德州仪器，摩托罗拉等大公 司开发高速u w b 技术时，不约而同的摒弃了脉冲方法，转而对传统的载波调制 技术进行改造，开发新的u w b 技术。在对u w b 进行标准化的i e e e8 0 2 1 5 3 a 工作组中就形成了多频带正交频分复用( m b o f d m ) 和直接序列码分多址 ( d s c d m a ) 两大方案竞争的格局。这两种方案都是在对传统技术进行改进后 满足u w b 技术的特征的。 由于超宽带信号具有精确的定时特性，其最初的应用多集中在雷达系统。然 而，由于最近高速无线通信技术的发展，人们逐渐发现u w b 技术在低成本无线 通信系统，尤其是短距离无线通信系统中具有巨大的应用潜力。2 0 0 2 年4 月2 2 日，美国联邦通信委员会( f c c ) 发布了民用u w b 设备使用频谱和功率的初步 规定。按照f c c 的定义，u w b 设备是相对带宽大于0 2 或在传输的任何时刻带 第一章引言 宽大于5 0 0 m h z 的设备。这里相对带宽定义为： 厂：厶二五 几( 厶+ f l ) 2 ( 1 1 ) 其中f h 和龟分别为系统的高端和低端频点( 按1 0 d b 计算) 。根据f c c 的规定， 室内u w b 通信的实际使用频谱范围为3 1 1 0 6 g h z ，并在这一范围内，有效各 向同性发射功率( e i r p ，e f f e c t i v ei s o t r o p i cr a d i a t e dp o w e r ) 不超过4 1 3 d b m m h z 。 f c c 规定的u w b 通信频谱范围和功率限制如图1 1 所示。 il l i - 1 0 e 粤4 5 暑搠 誊 一5 5 空 瑚 ：确 蓦 ：7 0 i ) 7 5 r l i 图1 1f c c 规定的u w b 室内和室外通信的功率限制 如图1 2 为u w b 技术与其它无线传输方式的比较结果。可以看出，u w b 技 术在短距离( 特别是小于1 0 m ) 时吞吐量远远大于如9 0 2 1 l 系列和蓝牙技术。 其中的原因一方面是由于u w b 技术自身的优势，另一方面是由于f c c 对其发 射功率的限制。简言之，u w b 技术的优势主要表现在1 0 m 内无线短距离通信， 对于更长距离的无线通信，采用其他技术标准可能更优。 岂l 盎 窆 替 冁 豢 l o l 范围( m ) 图1 2u w b 与其它无线传输方式的比较 2 舶 舢 柳 = 搴 瑚 = 睾 m 讲 em鼍暑i，1 coi哇量e叫也蓝m曲j， 第一章引言 1 1 2u w b 技术的实现方式 目前u w b 无线通信的实现方案主要有脉冲无线电( i r ，i m p l u s er a d i o ) ， 直接序列u w b ( d s u w b ，d i r e c t - s e q u e n c eu w b ) 【1 】和m b o f d m 【2 ，3 】方案。 其中后两种方案需要对载波进行调制。接下来简要地介绍一下以上三种信号产生 方案： 1 脉冲无线电 脉冲无线电方案采用了基带脉冲传输方式，又称为无载波传输，是传统的 u w b 传输方式。这种方案中，发射机产生基带窄脉冲序列，并通过脉冲幅度调 制( p a m ) ，脉冲位置调制( p p m ) 或二进制相移键控( b p s k ) 等调制方式携 带信息。由于基带脉冲的形状被设计在指定的无线带宽下传播，无需对载波进行 调制。基带脉冲可以采用多种不同的波形，如高斯脉冲、升余弦脉冲等，其中高 斯脉冲最为普遍。 在脉冲u w b 系统中，单脉冲的宽度一般在亚纳秒级，因此具有极强的多径 信道分辨能力，从而使无线室内通信环境中，密集多径信道的多径分离和处理成 为可能，提供了大幅度提高系统性能的可能性。与接下来介绍的两种方案相比， 该方案的收发信机结构简单，实现成本低，更适合用在低成本和低功耗的系统中。 但在f c c 关于u w b 通信功率谱的规定下，该方案频谱利用率不高，不适合高 速应用，故高速u w b 标准i e e e8 0 2 1 5 3 a 之争主要集中在接下来介绍的两种载 波调制方案中。 2 直接序列方案 在d s u w b 方案中，信号先扩频之后再经载波调制并发送出去，从而可以 在合适的频带范围内传输，克服了无载波脉冲方案频谱利用效率不高的缺点。 d s u w b 方案将f c c 规定的u w b 的频谱使用范围3 1 g h z 一- 1 0 6 g h z 划分为 高，低两个频段，分别为3 1 - - 5 1 5 g h z ( 低频段) 和5 8 2 5 , - - - , 1 0 6 g h z ( 高频段) 。 u w b 信号可以通过对载波进行调制，在这两个频段之一传输，或在这两个频段 同时传输。单独使用低频段可实现2 8 5 m - - 4 0 0 m b p s 的传输速率；单独使用高频 段可实现5 7 m - 8 0 0 m b p s 的传输速率；两个频带同时使用可实现高达1 2 g b p s 的传输速率。 值得注意的是，两个频段之间部分没有使用，这是为了避免与使用美国免授 权国家信息基础设施( u - n i i ) 频段的其它系统和i e e e8 0 2 1 1 a 系统的相互干扰。 在d s u w b 方案中，调制方式采用了二进制相移键控( b p s k ) 。为了克服 室内高速信道的密集多径问题，d s u w b 方案采用了自相关特性较好的三进制 码作为扩频码。d s u w b 系统的接收机一般采用r a k e 接收和判决反馈均衡等 第一章引言 技术以提高系统性能。 3 m 田o f d m 方案 m b o f d m 方案和传统的o f d m 技术基本相似，不同的是这种多频带方式 将可用频谱划分为多个子频带，每个子频带均满足f c c 对u w b 带宽的要求。 信号通过时频码( t f c ) 交替在不同的子频带传输，以提高频谱利用率和分集增 益。时频码是m b o f d mu w b 系统的核心技术之一，利用时频码，一方面可以 对信号作时域和频域扩展以实现不同的数据率，另一方面可以实现多址接入。 由德州仪器，英特尔等公司提出的m b o f d m 方案将3 1 g h z - - - 1 0 6 g h z 可 用的频段分为1 4 个子带，每个子带带宽为5 2 8 m h z ，如图1 3 所示。同时这1 4 个子频带分为5 个带组，前4 个带组每组包含3 个子带，最后一个带组包含2 个子带。目前只有第一个带组的3 个子带，即最低频的3 个子带，是强制使用的， 其余子带均保留以备将来使用。根据目前的需要和硬件实现水平，有两种子频带 的配备方案可供选择，一是前面提到的三带方案，即适用第一个带组；另外一个 方案是7 带方案，即使用子频带l 3 ，6 - - 一9 来实现4 8 0 m b p s 的传输速率，可以 看到为了避免和u - n i l 频段的其它设备干扰，子频带4 ，5 一般避免使用。 图1 3m b 。o f d m u w b 频谱划分 采用m b o f d m 方案的u w b 系统相比前面提到的两种方式有如下优点 4 ： o f d m 技术已广泛地应用于a d s l ，w l a n ，d a b 等系统，技术本身已 十分成熟，有利于公司迅速将u w b 产品推向市场。 o f d m 技术的频谱利用率高，结合多频带技术，可以在发送端自适应地 控制各个子载波和子频带的能量，在充分利用频谱资源的同时，有效地 降低u w b 设备之间，u w b 设备与其它设备之间的干扰。 由于采用了多带技术，u w b 技术可以在不同的国家和地区根据本地的 频带占用情况关掉或打开某些特定的子频带，以符合各地的要求，有很 强的兼容性。 通过在发送端进行打孔操作，采用m b o f d m 方案的u w b 系统可以支 持5 3 3 - - 4 8 0 m b p s 八种不同的速率。 采用f f t ，i f f t 等快速算法能有效地降低u w b 系统的实现复杂度，同 4 第一章引言 时和w l a n 等窄带o f d m 系统相比，由于u w b 子载波之间的间隔较 宽，对载波频偏，采样频偏，符号定时同步等误差有一定的包容性，同 步模块的复杂度大大降低，从而进一步降低u w b 系统的硬件资源消耗。 1 1 3u w b 技术的不足 干扰问题始终是制约民用超宽带技术发展和应用的一个重要问题。f c c 规定 u w b 设备主要的工作频段将位于3 1 g h z 和1 0 6 g h z 之间，这个频段内，其发 射功率被限制在- 4 1 3 d b m m h z 以下。而在此频段以外，实行更严格的功率控制 标准。虽然从理论上说超宽带系统的发射功率频谱密度很低，应能和其他系统“安 静地共存”，但实际应用中超宽带系统对其他系统的兼容性需要用实验证明，特 别是超宽带系统的工作机理和特性还有很多不清楚的方面，比如超宽带系统的带 外干扰问题，即超宽带设备也有可能对在其工作频段之外的无线系统产生一定的 干扰。这部分干扰还很难用理论计算的方法准确估计，如对g p s 的干扰、对个 人通信系统g s m 的干扰、对无线局域网i e e e 8 0 2 1 1 的干扰等。另外，还要考虑 来自于其他无线通信系统的信号对u w b 接收机的带内干扰问题。u w b 设备发 射功率谱密度很低，u w b 接收机容易受到噪声和干扰影响，特别是来自窄带无 线系统的阻塞干扰。目前，随着4 g 标准化进程的加快，u w b 与4 g 的“和平共 处 也值得深入研究。u w b 使用频段与4 g 候选频段有重叠，为了对未来的4 g 系统提供保护，须开展u w b 与4 g 的共存研究。 1 1 4u w b 应用 由于u w b 技术具有传输速率高( 达1 g b i t s ) 、抗多径能力强、功耗低、成 本低、穿透能力强、低截获概率，与现有其他无线通信系统共享频谱等特点，已 经成为无线个人域网( w p a n ) 的首选技术。 在军事应用中，u w b 技术巨大的扩频增益可用来实现远距离、低截获率、 低检测率、高安全性和高速的数据传输。在现实生活中，u w b 技术的应用场景 主要包括家庭、办公室、个人消费电子产品，用无线方式代替传统有线连接，使 办公和生活更加方便灵活。早期的蓝牙技术已经使某些设备的无线互联成为可 能。但由于传输速率过低( 1 m b i t s 以下) ，只能用于某些计算机外设( 如鼠标、 键盘、耳机等) 与主机的连接。而u w b 技术的高传输带宽可以实现主机和显示 屏、摄像头及投影仪等终端设备之间的无线互联。同样，u w b 技术在个人便携 设备上应用也具有很大的前景。 5 第一章引言 1 1 5u w b 标准化进程 2 0 0 0 年，美国f c c 开始了超宽带标准的征集工作。最初，制定u w b 标准 的工作组有两个，一个是i e e e8 0 2 1 5 3 a ，制定的是高速u w b 的标准，该标准 组成立于2 0 0 2 年。另一个是i e e e8 0 2 1 5 4 a ，制定的是低速u w b 标准，成立于 2 0 0 3 年。目前，8 0 2 1 5 4 a 已经通过了采用c h i r p 扩展频谱( c s s ) 传输技术的标 准，速率可达1 m b p s ，工作在2 4 g h z 频段( 不属于超宽带) 。 i e e e8 0 2 1 5 3 a 任务组负责高速u w b 标准的制定。高速u w b 技术的发展 分为两个阵营。第一个，是在2 0 0 4 年下半年成立的u w b 论坛。该组织希望通 过形成统一的国际标准和规范，以确保不同厂商u w b 产品的互操作性。该组织 的标准为d s c d m a 标准。该组织有成员公司大约2 0 0 家左右，如p u l s e l i n k 、 g l o b a li n - t e c h 、f r e e s c a l e 、r e t r o n i c ，g l o b a ls u n , h a i e r 、i n t e l l o n 等。 另外一个组织是2 0 0 5 年成立的w i m e d i a 联盟。w i m e d i a 联盟是一个行业性 非盈利机构，该机构希望通过在u w b 标准和多提供商的兼容性和互操作性统一， 以及u w b 商业化的市场发展促进u w b 的快速使用。目前，该联盟有成员公司 大约2 0 0 家，主要成员公司如a l e r e o n 、h p 、英特尔、柯达、微软、诺基亚、飞 利浦、三星、索尼、t i 、乙法半导体、s t a c c a t oc o m m u n i c a t i o n s 等。 然而在i e e e8 0 2 1 5 3 a 任务组的最终投票表决中，u w b 论坛所倡导的 d s u w b 方案和w i m e d i a 联盟支持的m b o f d m 方案均未达到所需的超过7 5 的赞成票。与此同时，w i m e d i a 联盟转战欧洲，与欧洲计算机制造联盟( e c m a ) 联合推动m b o f d mu w b 方案的标准化工作。2 0 0 5 年1 2 月e c m a 批准了 m b o f d mu w b 体制，并作为e c m a 3 6 8 和e c m a 3 6 9 标准公布。随后，i e e e 8 0 2 1 5 3 a 任务组于2 0 0 6 年1 月宣布解散。 2 0 0 6 年6 月，w i m e d i a 联盟又将其标准提交到i s o 。2 0 0 7 年3 月，w i m e d i a 联盟的m b o f d m 标准最终通过i s o 认证，正式成为第一个u w b 的国际标准， 而另一个提案d s c d m a 事实上已经被放弃。倡导d s c d m a 提案的阵营u w b 论坛也随着f r e e s c a l e 的退出而宣布解体，但是其成员f r e e s c a l e 和b e l k i n 等仍然 在推动自己的“c a b l e f r e eu s b 的生产和发展。而w i m e d i aa l l i a n c e 同样有这 方面的应用，称之为无线u s b ( w i r e l e s su s b ) 。 在争取成为i e e e 标准的同时，w i m e d i a 联盟也在不断地推进m b o f d m u w b 技术的应用。2 0 0 5 年5 月，u s b 规格制订者论坛( u s b i m p l e m e n t e r sf o r u m ) 选择w i m e d i a 物理层( p h y ) 为其标准。所有的w i m e d i au w b 设备将使用认 证的无线u s b 接口作为标准。2 0 0 6 年3 月，蓝牙技术联盟通过了基于w i m e d i a 标准的蓝牙3 0 标准。 6 第一章引言 1 1 6u w b 系统的发展方向 随着无线通信技术的高速发展，各国均看到了u w b 技术在军事和民用上的 潜力，不断加强对该技术的投入和政府监管。在频率分配方面，英国政府在2 0 0 5 年初就公开表态支持u w b 应用，9 月又向欧洲邮政与电信会议的电子通信委员 会( c e p t e ue c ct g 3 ) 提出了商用u w b 产品频谱规范的建议；日本政府也 于2 0 0 5 年8 月初步批准3 4 g h z 4 8 g h z 和7 2 5 g h z 一1 0 2 5 g h z 的频谱与辐射规 范。国际电信联盟( i t u ) 经过两年多的工作，于2 0 0 5 年l o 月确定了各国和各 地区u w b 频谱分配的若干原则；2 0 0 6 年2 月i t u 第一研究组批准给予u w b 全球监管标准的地位和一系列相关建议，具体规划由各国和各地区的相关组织自 定。 我国在2 0 0 1 年9 月初发布的国家“8 6 3 计划”通信技术主题研究项目中，首 次将“超宽带无线通信关键技术及其共存与兼容技术”作为无线通信共性技术和 创新技术的研究内容，鼓励国内学者加强这方面的研发工作，并力争提出中国自 己的超宽带标准。 从系统物理层实现的角度出发，作者认为在以下两个方面u w b 技术应该有 很好的发展前景： 1 和m i m o 技术结合，通过多天线技术带来的增益，可以有效地提高u w b 技 术的传输速率 2 和无线传感器网络( w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ，w s n ) 结合，提高w s n 网络 的传输速率和进一步地降低w s n 所需的功耗 1 2 论文的选题和动机 作为一种非常有潜力的短距离高速无线传输技术，超宽带技术在工业界和学 术界都受到了极大的关注。随着w i m e d i a 联盟的m b o f d m 标准最终通过i s o 认证，正式成为第一个u w b 的国际标准，m b o f d mu w b 技术已在如新一代 蓝牙，h d m i 接口技术中得到广泛的应用。 考虑到u w b 系统的应用环境，i e e e 信道模型组将u w b 信道分为 c m l c m 4 ，分别对应于不同的应用场景和环境。由于c m 2 c m 4 信道的脉冲响 应长度比系统规定的循环前缀或零前缀的长度要长，符号之间的干扰将不可避 免，严重影响到信道估计的精确性。如何设计出一种能抵抗符号间干扰的信道估 计技术对于u w b 系统来说具有很强的现实意义。 随着市场对高数据传输率的需求日益增高，将m i m o 技术和u w b 技术结合 7 第一章引言 是短距离无线传输技术的发展方向。但随着天线数目的增多，信道估计模块的复 杂度大大提高，如何设计出一种既能抵抗符号间干扰又具有低的硬件实现复杂度 的信道估计器对于m i m o o f d mu w b 系统来说尤为重要。 1 3 论文的主要工作和贡献 本论文的主要工作和贡献包括以下几个方面： ( 1 ) m b o f d mu w b 系统数字基带的f p g a 实现，提出了一种基于双端口存 储的低复杂度( 解) 交织器结构 ( 2 ) 适用于m b o f d mu w b 系统的低复杂度信道估计算法及f p g a 实现 ( 3 ) 适用于m i m o o f d mu w b 系统的低复杂度信道估计算法及f p g a 实现 总体而言，本论文专注于u w b 系统数字基带的实现以及信道估计算法的创 新性研究，提出了一种适用于o f d m u w b 系统的低复杂度信道估计算法，该算 法能有效地抵抗多径信道带来的符号间干扰，且硬件资源开销大大降低，具有较 强的实用价值。 1 4 论文的组织结构 论文结构上一共分为五章。 第一章引言部分主要介绍了论文的研究背景，包括u w b 技术的发展简介， u w b 技术的标准化进程，u w b 技术的应用，u w b 技术存在的问题和挑战以及 u w b 技术下一步的发展方向。随后阐述了本论文研究课题的动机和设想，并给 出了论文的组织结构。 第二章主要介绍m b o f d mu w b 系统数字基带的各个组成模块以及相应的 实现结构，并重点介绍了本文提出的基于双端口存储器的( 解) 交织器结构。 第三章在回忆了传统的信道估计算法以后，本文根据u w b 信道的特殊之处 设计了一种低复杂度的信道估计算法一虚拟导频辅助信道估计算法( p p a c e ) ， 该算法能有效地抵抗多径干扰，且仅使用了3 2 点f f t ，大大降低了信道估计模 块的复杂度。 第四章是在第三章基础上的扩展，在简要介绍了m i m o o f d mu w b 系统和 相应的信道估计算法之后，本文将第三章提出的p p a c e 算法应用于 m i m o o f d m 系统的信道估计。仿真和f p g a 实现结果均表明p p a c e 算法同样 适用于m i m o o f d mu w b 系统。 第五章对论文进行了总结和展望，首先本文介绍了m b o f d mu w b 系统数 字基带的实现情况，接着重点讲解了本文提出的适用于o f d m u w b 系统的新颖 8 第一章引言 信道估计算法，该算法硬件实现复杂度低，且能有效地抵抗符号间干扰。在目前 研究的基础上，作者指出未来的工作将集中在同步模块和信道估计模块的联合设 计，以及应用于m i m o o f d m 系统的信道估计和符号检测模块的联合设计等方 面。 9 第二章m b - o f d mu w b 系统数字基带的实现 第二章m b o f d mu w b 系统数字基带的 实现 本章介绍了m b o f d mu w b 系统数字基带的硬件实现结构及结果，其中重 点介绍了作者提出的基于双端口存储器的( 解) 交织器结构，该结构消除了传统 交织器的复杂连线在布局布线和串绕方面带来的问题且能兼容三种不同的交织 长度，有效地降低了硬件实现的复杂度和资源的消耗。本章的最后给出了整个数 字基带的f p g a 实现结果。 2 1m b o f d mu w b 数字基带的结构 m b o f d mu w b 方案与传统的o f d m 通信【5 ，6 】有很多相似之处，但同时又 符合f c c 关于u w b 的定义。在m b o f d mu w b 系统的数字基带发送端中，数 据在经过扰码( s c r a m b l e ) ，卷积编码( c o n v o l u t i o ne n c o d e ) ，打孔( p u n c t u r e ) ， 交织( i n t e r l e a v e ) ，q p s k 映射( m a p p i n g ) ，逆傅立叶变换( i f f t ) 和数模转换 器( d a c ) 后在射频部分对信号进行上混频，调制到某个子频带的中心频率上， 并通过天线发射。在接收端，接收到的信道通过射频前端和模数转换器( a d c ) 后得到基带数字信号。在进行同步误差估计和补偿后，基带信号分别通过f f t ， 信道估计和均衡，q p s k 解调( d e m a p p i n g ) ，解交织( d e i n t e r l e a v e r ) ，维特比解 码器( v i t e r b id e c o d e r ) ，解扰( d e s c r a m b l e r ) 等模块后得到最终的接收信号。发 送端的结构图和接收端相对应的模块如图2 1 所示， t - - 。姻 忑眇寸壮瓣胍 。- 卷 _ _ 交打积加 一吝p 船 蛆i 。1 j 憨u 一凹一 型 揭， 一 吝p 舵 一 一 一 9 0 t 乏m 图2 1m b o f d mu w b 系统结构图 1 0 第二章m b o f d mu w b 系统数字基带的实现 m b o f d mu w b 系统【2 】相应的参数己在表格2 1 中列出： 表2 1m b o f d mu w b 主要系统参数 参数取值 ：子载波总数 1 2 8 b ：子频带带宽5 2 8 m h z f ：子载波间隔 4 12 5 m h z ( = b n 、) t f - e r ：i f f t f f t 周期2 4 2 4 n s ( =