（通信与信息系统专业论文）b3g基站端硬件平台设计与实现.pdf

摘要 摘要 在b 3 g 项目( 国家“8 6 3 ”f u t u r e 计划) c o ，电子科技大学负责下行链路设计， 通过第一期的算法和链路仿真之后，二期主要是基于现场可编程门阵列( f p g a ) 进 行的实验平台开发。 首先以b 3 g t d d 方式系统总体方案和系统参数为准则，分析了基带硬件实验 平台的要求，包括基带物理层链路与m a c 层的接口和与射频前端的接口，基带物 理层平台的数据吞吐量要求和数据处理能力要求。 以基站端主要处理模块为基本单元，以具体的数据处理和数据传输为依据， 分析数据处理的资源需求情况，选择最优的模块设计方案和数据传输接口设计； 然后从具体的设计方案出发，以x i l i n xf p g av i r t e x i ip r o r m 为核心单元，选择适 当的外围处理芯片和辅助芯片。 之后将基带基站发送端硬件实验平台分成2 个部分来讨论：第一部分，基带 发送板，主要承担对m a c 层输送来的数据包进行拆分和重组成利于l d p c 编码的 数据格式，再进行l d p c 编码和交织操作；第二部分，多天线发送板，将从基带 发送板传来的经过编码、交织之后的数据进行o f d m 调制和组帧操作，再将处理 之后的模拟基带i q 信号送给射频前端进行处理。 在基带发送板的设计中，将讨论f p g a 的几种程序下载方式，主要下载方式 包括基于x i l i n xs y s t e m a c e 下载配置芯片的j t a g 下载模式和串行下载模式：在 原理图设计中，重点介绍了在p r o t e l 9 9 s e 开发平台下，基带发送板的开发流程和 相关注意事项；在印刷电路板p c b 设计中，重点分析了高速r o c k e t l o 串行信号接 口的布局布线要求，以求达到最佳的信号完整性性能。 在多天线发送板的设计中，采用了和基带发送板类似的开发流程和开发思路。 其中，对数模转换器a d 9 7 7 7 的接口和外围设计做了专门的介绍，还设计了基带 和射频的控制接口。 最后，总结了b 3 gt d d 下行链路的硬件测试平台调试。 关键词：现场可编程门阵列，多吉比特收发器，低密度奇偶校验码，正交频分复 用，边界扫描链路 a b s t r a e t a b s t r a c t u e s t ci si nc h a r g eo ft h ed o w n l i n ko ft h eb 3 gp r o j e c tt h a tb a s e so nf p g a t h e s y s t e mn e e d sah a r d w a r ep l a t f o r mt ov e r i f yb o t ha l g o r i t h ma n df p g al c l g i cp r o g r a m t h i sp a p e ri sm a i n l yc o n c e r n e dw i t ht h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no ft h i su n i q u e p l a t f o r m f i r s ts t a g e ，t h es y s t e ms p e c i f i c a t i o n sa n dt o “p h y s i c a ll a y e rp a r a m e t e r sa r e b r o u g h to u tt os h o wt h eo v e r a l lp l a t f o r mr e s t r i c t i o n a d d i t i o n a l l y , i n t e r f a e e sb e t 、j l ，e e n p h y s i c a ll a y e ra n dm a cl a y e r , p h y s i c a ll a y e ra n dr ff r o m - e n da r es p e c i f i e d s e c o n ds t a g e ，t h eb a s es t a t i o no fd o w n l i n ki sd i v i d i e di n t os e v e r a lp a r t sa c c o r d i n g t od i f f e r e n tf u n c t i o ni nd a t ap r o c e s s i n g a t i e rd e e p l ya n a l y s i so fd a t ap r o c e s sa n dd a t a t r a n s f e r , t h i sp a i e rc a r r i e so u tas y s t e m a t i cs o l u t i o ni no r d e rt oa c h i e v et h em o s t o p t i m i z e dp e r f o r m a n c ei n t h em o s te c o n o m i cr e s o u r c eo c c u p a t i o n t h ep l a t f o r n l m e n t i o n e da b o v ei sb a s e do nx i l i n xf p g av i r t e x i ip r o t ms e r i e s t h e n , b a s e b a n dt r a n s m i s s i o nb o a r da n dm u l t i - a n t e n n at r a n s m i s s i o nb o a r da st w o p a r t so f b a s es t a t i o np l a t f o r ma r ed i s c u $ e dr e s p e c t i v e l y b o a r do n e ，b a s e b a n dt r a n s m i s s i o nb o a r d ，m a i n l yr e s p o n s i b l ef o rt m p a c k a g i n gd a t a f r o mm a cl a y e ra n dr e a r r a n g i n gd a t ai np h y s i c a ll a y e rf o r m a t f o l l o w i n gd a t as t r e a m , l d p ce n c o d ea n df r a l l l ei n t e r l e a v ea r en e e d e d b o a r dt w o ，m u l t i a n t e n n at r a n s m i s s i o nb o a r d ，m a i n l yd e s i g n e dt oi m p l e m e n t o f d mm o d u l a t i o na n df r a m em a k e - u p t h e n ，b a s e b a n da n a l o gi qs i g n a l sa r e t r a n s m i t e dt or ff r o n t - e n d i nt h ed e s i g no fb a s e b a n dt r a n s m i s s i o nb o a r d ，d e p e n d i n go nt h es y s t e md e s i g n , s e v e r a lf p g ac o n f i g u r a t i o nm o d e sa r es u p p o r t e d ，s e l e c t a b l ev i am o d ep i n ，f o ri n s t a n c e ， j t a ga n ds l a v e - s e r i a lm o d e c o n s i d e rs c h e m a t i c sd e s i g n , t h i sp a p e ri sf o e l l so nd e s i g n u s i n gp r o t e l 9 9 s ed e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t 。c o n s i d e rp c bl a y o u t ，t h i sp a p e rp u t s e m p h a s i so na n a l y s i so f h i g hs p e e dr o c k e t l ow i r i n ga n ds i g n a li n t e g r a t i o n i nt h ed e s i g no fm u l t i a n t e n n at r a l l 疵s s i o nb o a r d ，u s i n gs i m i l a rd e v e l o p m e n t p r o c e d t i r ea n df u n d a m e n t a lf r a m e w o r k ，d e s i g no fd i 西t a lt oa n a l o gc o n v e r t e ra d 9 7 7 7i s s u p p l e m e n tt ot h i sp a r t i na d d i t i o n , p e r i p h e r a lc i r c u i t sa r es h o w nt oc l a r i f y i n gab r i e f u n d e r s t a n d i n gi nf u n c t i o n a ld i a g r a m o fc l o c ka n dc o n t r o lm o d u l e a tl a s t t h i sp a p e rm e n t i o n e dh a r d w a r ep l a t f o 衄d e b u g g i n ga n db 3 gt d ds y s t e m f i e l dj o i n td e b u g g i n ga sas b l n n l a r yo f t h i sp a r i e f k e y w o r d s ：f p g a , r o c k e t l o ，l d p c ，o f d m ，j t a g 图表目录 图表目录 图2 1电子科技大学b 3 g t d d 下行链路基本框架。7 图2 - 2 电子科技大学b 3 g t d d 方式下行链路实现基本框架图8 图2 3l d p c 码校验矩阵的下三角形式9 图2 4l d p c 码校验矩阵的近似下三角形式1 0 图2 5 分组结构的交织器( 按列填入按行读出) 1 5 图2 - 6o f d m 系统基本模型框图17 图2 7 加入循环前缀示意图1 8 图2 8b 3 g 系统的帧结构2 2 图2 - 9自适应的时隙结构2 3 图2 1 0 下行方案i i 最大验证速率帧结构。2 3 图3 1一个t t i 内1 6 6 4 个编码快组成的数据源矩阵2 9 图3 - 2 数据源矩阵划分示意图2 9 图3 - 3 生成矩阵划分示意图3 0 图3 4 前6 4 个编码块编码交织示意图。3 1 图3 5 子矩阵累加示意图3 2 图3 - 6l d p c 编码器设计简化方案3 2 图3 7 i f f ti pc o r e 生成情况3 5 图3 8o f d m 调制实现原理图3 5 图3 - 9 组帧实现原理图3 6 图4 1 基带发送板原理框图3 9 图4 2 同步信号基准定义时序图4 1 图4 3v i r t e x 。i i 系列下载配置流程4 3 图4 4 基带发送板p r o t e l 原理图4 4 图4 5 测试方案连接框图4 7 图4 6r o c k e t l o 信号传输眼图仿真结果4 8 图4 7b 3 gt d d 基带发送板最终p c b 图5 0 图5 1b 3 g 多天线发送板原理框图5 2 图5 - 2a d 9 7 7 7 输出配置示意图5 5 v i 图表目录 图5 - 3 基带射频控制接口s p i 控制时序5 7 图5 - 4 多天线发送板p r o t e l 原理图5 9 图5 5a d 9 7 7 7 单元电路布板图6 0 图5 - 6b 3 g - t d d 多天线发送板最终p c b 图6 1 图5 7f p g a 设计仿真测试6 2 图5 - 8f p g a 设计仿真测试6 3 图5 - 9b 3 gt d d 下行链路基站端与接收端图片6 3 表2 1 1 0 0 m b p s 天线问的交织模式。1 6 表3 - 1b 3 gt d d 系统的基本参数2 5 表3 2v i r t e xi ip r o 系列x c 2 v p 7 0 部分参数表2 5 表4 1背板同步信号列表4 l 表4 - 2x i l i n xf p g av i r t e x - i ip r or o c k e t l o 电压摆幅参数。4 7 表5 一la d 9 7 7 7 主要引脚说明5 4 表5 2 专用控制接口引脚定义5 7 表5 3基带射频控制接口s p i 数据说明5 8 v i l 缩略语 3 g p p a d s l b 3 g b b b g a c r c d a c d d r d m a e d a f f t f i f o f p g a i c i i d f t i f f t i s l n u j t a g l c ， l d p c l u t i d s m a c m g t 缩略语 m r dg e n e r a t i o np a r t n e r s h i pp r o j e c t a s y m m e t r i c a ld i 垂t a ls u b s c r i b e rl o o p b e y o n d3 i dg e n e r a t i o n b a s e b a n d b a ng r i da r r a y c y c l i c a lr e d u n d a n c yc h e c k d i 百t a l t o - a n a l o gc o n v e r t e r d o u b l ed a t ar a t e d i r e c tm e m o r ya c c e s s e l e c t r o n i cd e s i g na u t o m a t i c f a s tf o u r i e rt r a n s f o r m f i r s ti n p u tf i r s to u t p u t f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y i n t e r - c a r t i e ri n t e r f e r e n c e i n v e r s ed i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o r m i n v e r s ef a s tf o u r i e rt r a n s f o n i l i n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c e i n t e r n a t i o n a lt e l e c o m m u n i c a t i o nu n i o n j o i n tt e s ta c t i o ng r o u p l o g i cc e l l l o w - d e n s i t yc h e e k - p a r i t yc o d e l o o k - u p 噩i b l e l o wv o l t a g ed i f f e r e n t i a ls i g n a l m e d i aa c c e s sc o n t r 0 1 m u l t i g i g a b i tt r a n s c e i v e r v 珊 第三代伙伴项目 非对称用户线环路 超三代移动通信系统 基带 球栅阵列结构 循环冗余校验 数模转换器 双倍数据流 直接内存访问 电子设计自动化 快速傅立叶变换 先进先出 现场可编程门阵列 载波问干扰 反离散傅立叶变换 反快速傅立叶变换 字符间干扰 国际电信联盟 联合测试行动小组 逻辑单元 低密度奇偶校验码 查找表 低电压差分信号 媒体接入控制 多吉比特收发器 缩略语 m i m o 0 c m o f d m o p b p a p r p c b p l l p n p s k q a m r t l s a s d r a m s d m a s n r s p i t d d t t l v b l a s t v h d l m u l t i i n p u tm u l t i - o u t p u t o n c h i pm e m o r y 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 o n c h i pp e r i p h e r a lb u s p e a kt oa v e r a g ep o w e rr a t i o p r i n t e dc i r c u i tb o a r d p h a s el o c k e dl o o p p s e u d o - r a n d o mn u m b e r p h a s es h i f tk e y i n g q u a d r a t u r ea m p l i t u d em o d u l a t i o n r e g i s t e rt r a n s f o r m a t i o nl e v e l s m a r ta n t e n n a 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 m e m o r y s p a c ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s s i g n a l - t o - n o i s er a t i o s e r i a lp e r i p h 耐i n t e r f a c e t i m ed i v i s i o nd u p l e x t r a n s i s t o r - t r a n s i s t o rl o g i c v e r t i c a lb e l ll a y e r e ds p a c et i m e v h s l c ( v e r i yh i 曲s p e e di c ) 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 多入多出 片上存储器 正交频分复用 片上外围总线 峰均功率比 印刷电路板 锁相环 伪随机数 相移键控 正交调幅 寄存器传输级 智能天线 同步动态随机存储器 空分多址 信噪比 串行外围接口 时分双工 三极管三极管逻辑 垂直分层时空 硬件描述语言 独创性声明 本人声明所呈交的学位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。据我所知，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已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为 获得电子科技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 说明并表示谢意。 签名：j k 一鸯一日期：碲期2 工日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，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， 允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全 部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 月2 z ，日 第一章绪论 1 1 移动无线通信系统概述 第一章绪论 纵观移动通信的发展史，第一代模拟系统仅提供语音服务，不能传输数据： 第二代数字移动通信系统的数据传输速率也只有9 6 k b i t s ，最高可达3 2 k b i t s ：第 三代移动通信系统数据传输速率可达到2 m b i t s ；而我们目前所致力研究的第四代 移动通信系统可以达到1 0 0 m b i t s 以上【l 】。虽然第三代移动通信可以比现有传输速 率快上千倍，但是仍无法满足未来多媒体通信的要求，第四代移动通信系统的提 出便是希望能满足提供更大的频宽需求【2 】。 第四代移动通信技术的概念可称为宽带( b r o a d b a n d ) 接入和分布网络，具有非 对称超过2 m b s 的数据传输能力，对全速移动用户能提供1 5 0m b s 的高质量影像 服务，将首次实现三维图像的高质量传输。包括宽带无线固定接入、宽带无线局 域网、移动宽带系统和互操作的广播网络( 基于地面和卫星系统) 。其宽带无线局域 网( w l a n ) 能与b i s d n 和a t m 兼容，实现宽带多媒体通信，形成综合宽带通信 网( i b c n ) ，他还能提供信息之外的定位定时、数据采集、远程控制等综合功能。 其主要技术要求是【3 1 【4 】【5 1 ： 通信速度提高，数据率超过第三代，上网速率从2m b s 提高到1 0 0m b s 。 以移动数据为主面向i n t e r n e t 大范围覆盖高速移动通信网络，改变了以传 统移动电话业务为主设计移动通信网络的设计观念。 采用多天线或分布天线的系统结构及终端形式，支持手机互助功能，采 用可穿戴无线电，可下载无线电等新技术。 发射功率比现有移动通信系统降低1 0 1 0 0 倍，能够较好地解决电磁干 扰问题。 支持更为丰富的移动通信业务，包括高分辨率实时图像业务、会议电视 虚拟现实业务等，使用户在任何地方可以获得任何所需的信息服务，且服 务质量得到保证。 第四代移动通信系统计划以o f d m ( j ：交频分复用) 为核心技术提供增值服务， 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她满足多媒体通信要求，将包括语音、数据、影 电子科技大学硕士学位论文 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【6 1 【7 1 。 1 2b 3 g 无线通信系统及其关键技术 下一代移动通信系统称为b 3 g 或4 g 。b 3 g 即b e y o n d3 g 、b e y o n di t m 2 0 0 0 、 超3 g 、后3 g 等等：4 g ，即第四代移动通信系统。一些专家反对4 g 的叫法，他 们认为这种叫法不够严谨，因为目前各国对第四代移动通信系统的理解相差甚远， 另外在3 g 还没大规模商用就开始4 g 说法对运营公司不利，这种观点得到了r r u - r 的支持；而另外一些专家则认为b 3 g 的概念包括的范围太广，他们极力支持4 g 这种称法。在本文里这两个概念是相同的，不做任何区分。 b 3 g 的概念可称为广带移动和无缝业务。所谓广带即传输速率在2 1 0 0 m b i t s s 甚至更高，无缝业务则要求各种网络之间很好的互联，融合，保证终端 漫游中业务的不间断性，跨多个网络时业务提供的透明性。 b 3 g 的关键技术主要有【8 1 ： ( 1 )定位技术 有三种定位技术，基于移动终端的定位，基于移动网络定位和混合定位。在 b 3 g 移动通信系统中，移动终端可以在不同系统间进行移动通信，对其定位和跟 踪是实现高速率和高质量移动通信的前提和保障。 ( 2 ) 切换技术 b 3 g 系统中切换技木的适用范围更广泛，有同一网络内的切换，也有不同网 络之间的切换，并朝着硬切换和软切换相结合的方向发展。 ( 3 )软件无线电技术 软件无线电技术主要涉及数字信号处理硬件，旨在建立一个无线电通信平台， 通过平台实现多通路，多层次和多模式的无线通信。 ( 4 )智能天纱技术 智能天线具有抑制干扰，自动跟踪信号，智能化时空处理算法形成数字波束 等功能。 ( 5 )光纤无线电技术 利用光纤传送广带无线电信号，其损耗比其他传输媒介小。还可以用光纤传 送包含多种业务的微波( 6 0 g h z ) 无线电信号。 ( 6 ) 传输技术 主要研究高速率( 2 0 m b i t s s ) 条件下，高速移动通信微波传输的性能以及在 第一章绪论 6 0 g h z 时室内传输的多径传输性能，改善高速数字传输性能。 ( 7 )调制与信号传输技术 在高频段上进行高速移动通信，会产生严重的频率选择性衰落。研究和发展 智能调制和解调技术，能有效抑制这种衰落。另外，采用高速发射功率控制t p c ， r a k e 扩频接收，跳频，高性能低密度l d p c 校验码等技术，能增加信号能量噪 声比和增加容量。 ( 8 ) 网络结构和协议 b 3 g 移动通信网络包含许多类型的通信网络，研究无线接口协议成了关键技 术之一。 1 3 0 f d m 技术 正交频分复用技术( o f d m ) 的应用已有近4 0 年的历史，第一个o f d m 技术的 实际应用是军用的无线高频通信链路。但这种多载波传输技术在双向无线数据方 面的应用却是近十年来的新趋势。经过多年的发展，该技术在广播式的音频和视 频领域已得到广泛的应用。主要的应用包括：非对称的数字用户环路( a d s l ) 、e t s i 标准的音频广播、数字视频广播等。1 9 9 9 年i e e e 8 0 2 1 1 a 通过了一个5 g h z 的无 线局域网标准，其中o f d m 调制技术被采用为它的物理层标准。e t s i 的宽带射频 接x i 碉( b r a n ) 的局域网标准也把o f d m 定为它的调制标准技术。1 9 9 9 年1 2 月， 包括e f i c s m n 、n o 虹a 和w i l a n 在内的7 家公司发起了国际o f d m 论坛，致力于 策划一个基于o f d m 技术的全球性单一标准。现在o f d m 论坛的成员已增加到 4 6 个会员，其中1 5 个为主要会员。我国的信息产业部也已参加了o f d m 论坛， 可见o f d m 在无线通信的应用已引起国内通信界的重视。2 0 0 0 年1 1 月，o f d m 论坛的固定无线接入工作组向i e e e 8 0 2 1 6 3 的无线城域网委员会提交了一份建议 书，提议采用o f d m 技术作为i e e e 8 0 2 1 6 3 城域网的物理层标准。随着 i e e e 8 0 2 1 l a 和b r a n h y p e r l a r 9 2 两个标准在局域网的普及应用，o f d m 技术将会 进一步在无线数据本地环路的广域网领域做出重大贡献。o f d m 由于其频谱利用 率高、成本低等原因越来越受到人们的关注。随着人们对通信数据化、宽带化、 个人化和移动化的需求，o f d m 技术在综合无线接入领域将得到越来越广泛的应 用 9 1 1 0 1 1 1 。 电子科技大学硕十学位论文 1 3 1m i m o 技术 在无线通信系统中，m i m o 定义为无线链路的发送端和接收端同时配置多个 天线阵元时构成的一种通信结构，也可称之为空时通信结构。在通信领域，m i m o 并不是一个新的概念，s a l z 在1 9 8 5 年就首先讨论了加性噪声m i m o 信道中存在耦 合的优化问题【1 2 】，后来被拓展到用户数字环路中消除字符间干扰( i 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 ) 的判决反馈均衡问题 1 3 】，以及联合收发的优化问题【1 4 1 。而在无线 通信领域，对m d 订o 的研究源于对利用多个天线阵元的空间分集的性能研究。从 8 0 年代开始，研究学者发现与合并技术结合的多天线空间分集可进一步改善无线 链路性能并增加系统容量【1 4 1 ，s a l z 和w y n e r 在技术报告【1 5 】中针对考虑了单用户 m i m o 高斯信道，以两径传播信道模型分析了空间分集对信道容量和容量分布的 影响。w i n t e r s 在文献u 6 1 中讨论了干扰受限的无线系统中，利用多天线空间分集和 最优合并所能带来容量增益，并明确地指出了增加分集天线数目可以增加系统容 量。直到1 9 9 5 年，b e l l 实验室的研究人员t e l a t a r 在文献【i7 1 中，假定接收端已知信 道参数，分析了高斯平坦衰落信道中，接收端和发送端同时使用多天线阵元的容 量，推导了信道容量、信道分布，即概率容量( c a p a c i t yv e r s u so u t a g e ) ，以及错误指 数三者的公式，其方法是依据文献【1 8 】中给出的随机矩阵无序特征值的分布函数。 在1 9 9 6 年，f o s c h i n i 提出了b e l l 实验室分层空时结构( b e l ll a y e r e ds p a c e - t i m e c o d e s ，b l a s t ) ，这种收发端同时使用多阵元阵列结构的编码方法可以理论上逼近 信道容量的下界。f o s c h i n i 在文献【i9 】中进一步分析了无线通信的收发端使用同等阵 元数( n ) 时，多阵元阵列信道容量的下界，并指出了信道容量与信噪比 ( s i g n a l t o n o i s er a t i o ，s n r ) 、发送和接收天线数目的关系。这些研究结果显示，在 信噪比较大时，s n r 每增加3 d b ，容量增加nb i t s h z 。需要指出，在上述这些的 研究中，都假定了信道衰落矩阵各元素为独立同分布( i n d e p e n d e n ti d e n t i c a l d i s t r i b u t e d ，i i d 1 的复高斯随机变量，且信道为准静态平坦衰落模型。文献【2 l j 对时 变多径m i m o 信道的容量研究表明，无线信道中存在的多径恰恰能保证信道容量 获得较大的分集阶数。在f o s c h i n i 的理论指导下，文献【2 0 】公布了w o i n i a n s k y 等人 采用垂直贝尔实验室垂直分层空时( v e r t i c a l b e l ll a y e r e ds p a c e - t i m e ，v - b l a s t ) 进行的试验结果，利用v - b l a s t 的实验平台达到了2 0 b i t s h z 以上的频谱利用率。 在3 g 应用开始之前，3 g p p ( t h i r dg e n e r a t i o np a r t n e r s h i pp r o j e c t ) 和3 g p p 2 都启 动了能进一步提高3 g 系统容量、改善链路传输质量和提升数据速率的关键技术研 究，其中就包括了以智能天线和多输入多输出( 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 , 4 第一章绪论 m m o ) 技术。同时，无线世界研究论坛( w i r e l e s sw o r l dr e s e a r c hf o r u m ，w w r f ) 和 i t u ( i n t e r n a t i o n a lt e l e c o m m u n i c a t i o nu n i o n ) 也开展了面向2 0 1 0 年无线应用的后3 g 系统( b e y o n d3 g ，b 3 g ) 关键技术研究【2 l 】，也有称呼为后三代( 4 t hg e n e r a t i o n ，4 g ) 移动通信系统物理层关键技术的研究中，m i m o 被广泛看好。在i e e e8 0 2 ，2 0q - 作 组关于移动宽带无线接n ( m o b i l eb r o a d b a n dw i r e l e s sa c c e s s ，m b w a ) 的研究计划 中，也将m i m o 技术列为主要内容。我国于2 0 0 1 年启动了国家高科技技术( 8 6 3 ) 重大项目“b 3 g 无线链路传输关键技术研究”，m i m o 技术也是框架技术之一捌。 目前，从国际国内的无线通信研究趋势的发展中可以发现，在无线通信传输理论 和技术领域，基于多天线( 包括天线阵列) 的信号处理、编码、调制和资源管理等技 术则处于研究和应用的最前沿。 1 4 课题来源 国家“8 6 3 ”未来移动与无线通信发展的f u t u r e ( f u t u r et e c h n o l o g yf o r u n i v e r s a lr a d i oe n v i r o n m e n t ) 计划于2 0 0 2 年制定并启动，其目的是在超三代移动通 信发展初期即着手开展相关的研究与开发，与国际上同步发展，获取具有自主知 识产权的核心技术专利，为我国未来提出超三代或第四代移动通信标准奠定基础。 电子科技大学通信抗干扰国家级重点实验室从项目启动之日即参与承担该项 目。在国家“8 6 3 ”f u t u r e 计划第一阶段中，电子科技大学负责s i s o ( s i n g l e i n p u t s i n g l eo u t p u t ，单入单出) 系统的浮点和定点仿真，并提出m i m o ( m u l t i p l ei n p u t m u l t i p l e o u t p u t ，多入多出) 系统的设计方案；第二阶段中，电子科技大学负责t d d 方式下行链路m i m o 系统的设计。第二阶段主要负责t d d 方式下行链路m i m o 系统的实现工作。 电子科技大学负责部分的硬件平台设计主要分成两个部分：基站端( a p ) 和 移动台端( m t ) ，对应到a t c a 机箱中的5 块单板，具体分工如下： 1 基站端 基带发送板( 负责与m a c 接口并进行信道编码、信道交织) 多天线发送板( 负责o f d m 调制和组帧) 2 移动台端 多天线接收板 信道估计m d 讧o 板 基带接收板 电子科技大学硕七学位论文 本课题来源于国家“8 6 3 ”项目第二阶段：b 3 gt d d 方式下o f d m 下行链路 设计与实现，项目编号：2 0 0 3 a a l 2 3 3 1 0 0 6 。 1 5 论文贡献和论文内容安排 本论文主要从系统和硬件平台开发的角度详细的阐述了b 3 gt d d 方式下 o f d m 下行链路基带部分基站端硬件设计和实现。 第一章，阐述了移动无线通信系统的发展和概况，简单介绍b 3 g 课题的背景 和相关知识。 第二章，介绍了系统总体的方案和b 3 gt d d 方式下o f d m 下行链路基站发 送端主要模块原理功能和设计规范。 第三章，从算法结构和硬件实现的角度出发，对基带发送端各个主要功能模 块的硬件资源进行了详细的分析和估算并提出相应的解决方案。 第四章，阐述基带发送板单板硬件设计思路和设计方法，另外着重介绍了 f p g a 配置下载电路设计和高速串行信号传输布线分析。 第五章，分析多天线发送板的设计过程和总结硬件平台的调试工作，其中在 多天线发送板部分，着重说明了高速数模转换电路设计和基带一射频控制接口规 范。 6 第二章b 3 g 系统t d d 下行链路基站端系统结构 第二章b 3 g 系统t d d 下行链路基站端系统结构 2 1b 3 gt d d 方式下的o f d m 下行链路概述 在国家“8 6 3 ”f u t u r e 计划第二阶段中【2 3 1 ，电子科技大学负责t d d 方式下 行链路设计。根据系统需求分析，b 3 gt d d 下行链路采用m i m o + o f d m 的基本 框架，采用t d m a + o f d m a 的多址方式。而上行则采用f d m a t d m a 的多址方 式，通过在分组的用户间插入保护子载波，可以降低由于同步误差，d o p p l e r 频偏 等引起的性能下降。 t d d 系统技术指标讲】：大范围覆盖组网情形下峰值传输速率为3 0 5 0 m b p s ， 频谱效率达到1 5 2 5 b p s h z ，能够在e b x n o d 于0 d b 时实现正常的话音与数据传输。 在热点覆盖地区峰值速率为4 0 1 0 0 m b p s 、频谱利用率为2 - 5 b p s h z ，能够在e g n o 小于3 d b 时实现正常的话音与数据传输，且发送功率比3 g 系统下降1 0 d b 。 2 1 1 链路结构 一 接 收 数 据 广 ： ： 鞫絷 信道译码l 一牵时 广l 磊 f - 一一丽磊赫一一一一： 嘛嚣耐眶曰耳+ 匪刊落h ； m i i “o 信道 信道估计：i 时间同步和频率同步 瞄丽高耳i 蕊习二 ；佃k 射1 囡! 团! 旧 i基带解调m 1 m o 1 1 0 f d w 解调 ： i i l 一一一一一旦之一一一一j 图h 电子科技大学b 3 gt d d 下行链路基本框架 电子科技大学硕士学位论文 图2 - 2 电子科技大学b 3 gt d d 方式下行链路实现基本框架图 2 1 2 数据块分段 在高速数据率时，需要把数据进行数据分段，有利于数据的编解码。数据分 段的方法是平均分段，分段的数量指在一个t t i = 4 0 m s 内包含多少个编码块，即 l d p c 码块。 2 2 8 3 g 信道编码 信道编码通过在被传输数据中引入冗余位来避免数字数据在传输过程中出现 误码。用于检测错误的信道编码被称作检错编码，而既可检错又可纠错的信道编 码被称作纠错编码。 2 2 1l d p c 码简介 低密度奇偶校验码( l d p c 码) 早在1 9 6 2 年由g a l l a g e r 发明并研究【2 5 】。l d p c 码 由一个特定的稀疏奇偶校验矩阵h 定义并构造。这种结构的码在解码处理中能够 优化信息流，特别当矩阵是稀疏矩阵时，使每个校验和的计算只依赖于很少的码 字位，码位有效性的估计也只依赖于很少的几个校验和。借助l d p c 码的这一特 性，g a l l a g e r 提出了迭代解码算法，也称为“和积算法( s p a 算法) ”、“置信传播算 法( b p 算法) ”或“消息传递解码器”，其解码复杂度与码长成线性关系，其性能显 著接近香农限。 对于l d p c 码我们简单了解一下几点： ( 1 ) l d p c 码就是一种普通的线性分组码，可以用生成矩阵和校验矩阵来表征； ( 2 ) l d p c 码又是一种特殊的分组码，特殊性就在于它的奇偶校验矩阵中1 第二章b 3 g 系统t d d 下行链路基站端系统结构 的数目远小于一0 的数目，称为稀疏性，“低密度”也来源于此； ( 3 ) l d p c 码，又称为稀疏图码，它可以用一个二分图来表征，在图论中一个 图是由顶点和边组成的，二分图：图中所有的顶点分为两个子集，任何一 个子集内部各个顶点之间没有边相连，任意一个顶点都和一个不在同一个 子集里的顶点相连； ( 4 ) l d p c 码的二分图又称为t a n n e r 图，这是由t a n n e r 在1 9 8 2 年首次用它来 表示低密度码的，一个t a n n e r 图和一个校验矩阵完全对应。 2 2 2b 3 gt d d 方式下行链路l d p c 码的编码分析 l