（通信与信息系统专业论文）基于ieee+80216a的ofdm双向系统的dsp实现.pdf

南京邮电学院2 0 0 2 级硕 ? 学位论文 摘要 基于i e e e8 0 2 1 6 a 的0 f d m 双向系统的d s p 实现 摘要 宽带无线接入( b w a ) 是目自u 通信领域中的研究热点，为了促进宽带无线 接入的发展，i e e e 于2 0 0 2 年4 月正式发布了i e e e8 0 2 1 6 标准，该标准为第二 代无线城域网定义了w i r e l e s s m a n l m 空中接口。2 0 0 3 年4 月，i e e e 又通过了 8 0 2 1 6 a 标准，做为8 0 2 1 6 的补充。标准将空中接口扩展到2 1 l g h z ，在这个频 段，受麻衰影响不大，可以采用非视距( n l o s ) 的传输方式，能支持终端的慢 速移动。8 0 2 1 6 a 定义了三种空中接口方式：单载波、0 f d m 及o f d m a ，本文 研究了其中的o f d m 方式。 本文的试验平台是基于t i 公司生产的t m s 3 2 0 c 6 2 0 le v m ，它的核心是 c 6 2 0 1d s p ，集成了必要的外存储器和扩展接口。主要思路是采用两块e v m 形 成一个收发系统，发端d s p 完成对数据的编码和调制，然后经过d a 变换成模 拟信号发送出去；收端经过a d 变换将模拟信号转换为数字信号，d s p 通过 e v m 上的扩展接口读入数掘进行处理，包括同步、解调和译码。整个软件流程 采用d m a 中断的方式，在d s p 的数据存储区中丌辟四个缓冲区，使c p u 对一 缓冲区数据的处理和d m a 对另一缓冲区数据的搬移同时进行，使数据得以连 续的发送和接收。程序设计采用模块化的思想，各个模块采用线性汇编语言编 写，降低了丌发难度，提高了程序的可读性。另外，用h p i 实现了主机与d s p 的通信，在此基础上，实现了收发信息和传送图像的功能。 最后，通过c c s 自带的工具观察不同信噪比条件下接收端的星座图，以及 用p r o f i l e r 测试收发两端模块的执行周期，给出系统能够支持的数掘传输速率。 关键词：宽带无线接入、8 0 2 1 6 a 、数字信号处理、正交频分复用、c c s 、 t m s 3 2 0 c 6 2 0 le v m 南京邮乜学院2 0 0 2 级顾l + 学位论空 摘要 r e a l i z a t i o no fi e e e8 0 2 1 6 ao f d m d u p l e xs y s t e m b yu s i n g d s p a b s t r a c t b r a ( b r o a d b a n dw i r e l e s sa c c e s s ) i sah o tr e s e a r c h t o p i ci nt h e c o m m u n i c a t i o na r e a i no r d e rt oa c c e l e m t et h e d e v e l o p m e n to fb w a ，i e e e p u b l i s h e d i e e e8 0 2 16s t a n d a r di n a p r i l2 0 0 2 ， t h i ss t a n d a r dd e f i n e d w i r e i e s s m a n t ma i ri n t e r f a c e 南rt h es e c o n dg e n e r a t i o nw i r e i e s sm e t r o p o i i t a na r e a n e t w o r k i na p r i l2 0 0 3 i e e ep u b l i s h e d8 0 2 1 6 as t a n d a r da st h ec o m p l e m e n to f 8 0 2 1 6 i e e e8 0 2 1 6 ae x t e n d st h ea i ri n t e r f 砬ef r e q u e n c yt o2 一l l g h z ，i nt h i s s p e c t m m ，t h ee 船c t sc a u s e db yr a i na t t e n u a t j o na r es m a l l e r n o n l i 曲t o f - s i 出 ( n l o s ) a n dt h es l o w l y m o v i n go ft e n l l i n a l sa r es u p p o r t e d ，i e e e8 0 2 16 ad e f i n e d t h r e et y p e so fa i ri n t e r f a c e ：s i n 9 1 ec a 玎i e r o f d m ( o r t l l o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ) a n do f d m a ，t h i st h e s i sm a i n l yd i s c u s s e dt h e0 f d ma i ri n t e r f k e t h es y s t e mi sb a s e do nt m s 3 2 0 c 6 2 0le v m p r o d u c e db yt e x a si n s t r u m e n t ( t i ) ，i t sc o r ei sc 6 2 0 1d s p ，a 1 1 d “i m e g r a t e se x t e m a lm e m o r ya n de x p a l l d i n g j n t e r f a c e s w 音u s et w oe 1 v mt o c o m p o s eat f a n s m i t - r e c e i v es y s 忙m i nt h e t r a n s m i t i n gs i d e ，t h ed a t aa r es e n tt ot h ed sp a r e re n c o d i n g ，m o d u l a t i o na n dd a c ， t h e s i g n a l i st r a n s m i n e d i nt | l e r e c e i v i n gs i d e ，a r e ra d c ，s y n c h r o n i z a t i o n ， d e m o d u l a t i o na n dd e c o d i n g ，t h ed a t aa r er e c e i v e d t h es o l l w a r eu s e sd m a i n t e r r u p t ， c o n s t i t u t e sf o u rb u a e r si nt h ed a t am e m o r y ，i tg u a m n t e e st h ec o n t i n u o u st r a n s m i t t i n g a n dr e c e i v i n go fd a t a w i t ht h et h o u g h to fm o d u i a r i z a t i o n ，t h em o d u l e sa r er e a l i z e d i nl i n e a ra s s e m b l yl a n g u a g e b e s i d e s ，w eu s eh p it or e a l i z et h ec o m m u n i c a t i o n b e t w e e nh o s ta n dd sp a n da c h i e v et h et r a n s m i t r e c e i v eo f m e s s a g e sa n di m a g e s f i n a l l y ，t h i st h e s i sp r e s e n t st h ec o n s t e l l a l i o nd i a g r a m si nt h ec o n d i t i o n so f d i 日、e r e n ts n r ，a n dt e s t st h ee x e c u t i o nc y c i e so ft h es o r w a r em o d u l e sb yu s i n gt h e p r o f i l e lc o n s i d e r i n gt h et e s r e s u n s ，t h i st h e s i sg i v e st h e 出t am t ct h es y s t e mc a n 吼i p p o r t k e yw o r d s ：b w a 、8 0 2 1 6 a 、d s p 、o f d m 、c c s 、t m s 3 2 0 c 6 2 0 le v m i l 南京邮电学院学位论文独创性声明 y7 6 s 2 8 6 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已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得南京邮电学院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己在论文中作了 明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：日期 南京邮电学院学位论文使用授权声明 南京邮电学院、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 南京邮电学院研究生部办理。 研究生签名：导师签名： 南京邮电学院2 0 0 2 级硕士学位论文 第一章绪论 1 1宽带无线接入技术介绍 1 1 1宽带无线接入技术的发展概况 随着通信技术的迅速发展，目前长途骨干网的建设已初具规模，我国已经 建立起了“八纵八横”的光纤通信网，以光缆为主体的骨干网基本可满足当前 通信的需求。而连接用户与核心网络的接入网由于受到各种条件的制约已成为 宽带业务发展的瓶颈。接入网被称为电信网的“最后一公罩”，其承载业务的 能力和质量直接关系到整个网络承载业务的能力和质量。随着宽带和网络融合 的技术发展，以及用户对电信综合业务需求的与只俱增，作为连接业务网和用 户之间桥梁的接入网，宽带化、多元化和综合化是其发展的必然趋势。 目前的宽带接入包括有线接入和无线接入，有线接入主要包括基于传统电 话线的x d s l 技术，基于有线电视网的c a b l em o d e m 技术、基于光纤的f t l x 和无源光网络( p o n ) 技术等。理论上，全光纤接入是最理想的解决方案，但 是面向众多的中小型企业( s m e ) 用户，f t t h 、f t t b 的接入方式不具备有效 成本，并且某些地域光纤无法到达。a d s l 接入方式，借用电话线网络，用户 密度不能过高，仅适于解决低密度用户情况，因此亦不能满足同益增多的用户 接入。c a b l em o d e m 因其未能推广而成本过高。通过以上分析，可以看到在众 多解决方案中。宽带无线接入( b w a ) 和c a b l em 0 d e m 、x d s l 相比具有容量 高，和光纤相比具有迅速部署、逐步投资等优势。b w a 的第一代产品是本地多 点分配系统( l m d s ) ，其市场定位于小型家庭办公( s o h o ) 、中小企业、城市 商业中心这一广阔范围，尤其是中小企业和城市人口密集的高楼商业区最能达 到有效成本。固定无线接入系统已经从最初基于电话接入方式的窄带系统演变 为面向宽带数据业务为主的宽带固定无线接入系统。而且随着接入网建设的持 续升温以及各种新的技术不断被引入。固定宽带无线接入仍是未来几年内通信 市场发展的一个热点。 为了促进b w a 产业的发展，l e e e8 0 2 1 6 工作组于2 0 0 1 年1 0 月完成了 i e e es t a l l d a r d8 0 2 1 6 2 0 0 l 协议的制订，并于2 0 0 2 年4 月8 同正式发布川。m e e 8 0 2 1 6 又称为i e e ew i r e l e s s m a n 空中接口标准，是适用于l o 6 6g h z 的空中 南京邮电学院2 0 0 2 级硕 j 学位论史 接口规范。在该频段，要求b s ( 基站) 和s s ( 用户站) 之间是视距l o s 链路。 它所规定的无线接入系统覆盖范围可达5 0 k m ，因此8 0 2 1 6 系统主要应用于城 域网。被认为是可以与x d s l 竞争的“最后一公里”宽带接入解决方案。 2 0 0 3 年4 月1 日，i e e e 制订了i e e e8 0 2 1 6 a 协议l ”。作为i e e e8 0 2 1 6 的 补充，该协议直接支持游离和日益增长的移动用户。协议将空中接口扩展到 2 1 1 g h z 的低频段，包括了需要发放牌照频段和免牌照的频段( i s m ：2 4 g h z ) 。 在这个频段，系统成本更低，用户覆盖范围更大，受雨衰影响不大，可以采用 非直视( n l o s ) 的传输方式，能直接支持慢速移动终端，但速率也相对低些。 8 0 2 1 6 a 协议对这一频段定义了三种类型的空中接口，分别是： w i r e l e s s m a n s c a ：基于频域自适应均衡器的单载波系统。 w i r e l e s s m a n o f d m ：基于正交频分复用( 0 f d m ) 技术的多载波系统， 采用2 5 6 个子载波，以时分多址( t d m a ) 的方式接入，主要用于免牌照频段。 w i r e l e s s m a n o f d m a ：基于正交频分多址( 0 f d m a ) 技术的多载波 系统，采用2 0 4 8 个子载波以0 f d m a 的方式接入。 i e e e8 0 2 1 6 及8 0 2 1 6 a 协议的出现标志着宽带无线接入的发展进入了一个 新的阶段。以前单一的有线接入方式限制因素太多，因此留给宽带无线接入的 市场空间很大，运营商也会更多的考虑选择宽带无线接入方式，最终达到无线 与有线共同发展的策略，交替互补的提供各类接入业务，充分利用各种资源。 1 1 2b w a 系统的组成和参考模型 宽带无线接入( b w a ) 通常指主要用来在用户终端和核心网日j 传递宽带业 务的固定无线系统。b w a 系统通常采用“点到多点”( p m p ) 拓扑结构。本地多 点分配业务系统l m d s ，是第一代b w r a 系统，而i e e e8 0 21 6 2 0 0 1 协议描述的是 第二代b w a 系统。系统至少包含一个基站( b s ) 和多个用户站( s s ) 。b w a 系 统的通用参考模型如图1 1 所示1 1 l 。 2 南京邮电学院2 0 0 2 级硕士学位论文 l 0 i 悖d 1 0 n da 几i e n n a c o r en e l w o r k ：核心阳 b s ：基站( 中心站) r s ：中继站 f ：业务节点接口( s n i ) y o m n i - d i r e c l l o n a io rs e c t o r e dan i e n n a l t c r c c i i l i n k ：小区问链路 s s ：用户站 t e ：用户终端设备 g ：用户刚络接l j ( u n i ) 图1 1 固定宽带无线接入( b a ) 系统参考模型 b w a 的典型系统包括：中心站或称基站( b s ) ，用户站( s s ) ，用户终端 设备( t e ) ，核心网设备小区间链路，中继站( r s ) 等设备。 基站：提供b w a 系统到核心网的业务节点接口( s n i ) 。它负责无线资源 管理，完成a t m 交换、话音交换等处理。基站可能包括本地交换功能，这使得 同一覆盖区内不同用户间信息不需进入骨干网交换而在基站内部即可完成。基 站包括室外单元( 含微波收发信机和天线) 以及室内单元( 含调制解调器、扇 区控制器和网络接口单元n n u ) 。 用户站：提供用户终端接入系统的多种用户网络接口( u n i ) 。它负责将用 户以t d m a 或f d m a 或0 f d m a 等方式接入基站。用户站根据不同的设备供 应商差异较大，通常也包括室外单元( 含微波收发信机、定向天线) 以及室内 单元( 含调制解调器和用户网络接口单元n i u ) 。 中继站：当b s 在正常覆盖范围内和s s 不具直视( l o s ) 条件或要扩展 南京邮电学院2 0 0 2 级硕+ 学位论文绪论 b s 的f 常覆盖范围时，便采用r s 来中继转播b s 的信号到s s 。 用户终端设备：根据s s 支持的不同接口，t e 可以是a t m 子网、l a n 、 p b x 、v o d 电视、i s d n 专线等多种业务终端。 小区间链路：小区间链路通常使用光纤或点到点的无线链路将多个b s 互 联。 天线：b s 天线采用全向或扇区抛物面天线；s s 天线采用对准基站的小口 径高定向性喇叭天线( 一般天线张角在5 度内) 。 1 2i e e e8 0 2 1 6 及8 0 2 1 6 a 概述 1 2 1i e e e8 0 2 家族成员 i e e e8 0 2 1 6 是本地网和城域网标准家族成员的一部分，它和其它8 0 2 标准 成员的关系如图1 2 所示【2 j o 田 引删 二二二三三二二 愁 圜圜圜圜圜圜圜 f o n 伸叶l e e e s 耐8 0 2 1 图i 2i e e e8 0 2 标准家族成员体系结构 p h ”i c l l y e r 标准家族根据i s o 组织的o s i 基本参考模型( i s o i e c7 4 9 8 i ：1 9 9 4 ) 定义物 理层和数据链路层。它定义几种类型的接入技术和相关物理媒质，每种适合特 定的应用和系统目标。 1 2 2l e e e8 0 2 1 6 标准系列 i e e e8 0 2 1 6 标准系列到目前为止包括8 0 2 1 6 、8 0 2 1 6 a 、8 0 2 1 6 c 、8 0 2 1 6 d 、 8 0 2 1 6 e 、8 0 2 1 6 f 和8 0 2 1 6 9 七个标准，各标准相对应的技术领域和发布时间如 4 南京邮电学院2 0 0 2 级硕 ：学位论文 表1 1 所示1 3 】 4 1 。 标准号对应的技术领域发布时间 8 0 2 1 6l o 6 6 g h z 固定宽带无线接入系统空中接口2 0 0 2 年4 月 8 0 2 1 6 a2 1 l c m z 固定宽带接入系统空中接口2 0 0 3 年4 月 8 0 2 1 6 c1o 一6 6 g h z 固定宽带接入系统的兼容性2 0 0 2 年 8 0 2 1 6 d2 6 6 g h z 固定宽带接入系统空中接口2 0 0 4 年6 月 8 0 2 1 6 e2 6 g h z 固定和移动宽带无线接入系统空中接口预计2 0 0 5 年 8 0 2 1 6 f固定宽带无线接入系统空中接口管理预计2 0 0 6 年 信息库( m l b ) 要求 8 0 2 1 6 9 固定和移动宽带无线接入系统空中接口管理 预计2 0 0 7 年 平面流程和服务要求 表1 1i e e e8 0 2 1 6 标准系列 如表1 1 所示，根据是否支持移动性，i e e e8 0 2 1 6 标准系列可以分为固定 宽带无线接入空中接口标准和移动宽带无线接入空中接口标准其中8 0 2 1 6 、 8 0 2 1 6 a 、8 0 2 1 6 d 属于固定宽带无线接入空中接口标准，而8 0 2 1 6 e 属于移动宽 带无线接入空中接口标准。 1 2 3i e e e8 0 2 1 6 及8 0 2 1 6 a 协议参考模型 i e e e8 0 2 1 6 协议描述一个点到多点的固定宽带无线接入系统的空中接口， 包括媒体访问控制层( m a c ) 和物理层( p h y ) 两大部分。其m a c 层能支持 多种物理层规范，以适合各种应用环境。l o 6 6 g h z 频段的物理环境由于是微 波，要求b s 和s s 问直视( l o s ) ，并可忽略多径效应。其信道带宽较大，通常 是基于单载波调制的空中接口，单载波带宽为2 5 m h z 或2 8 m h z ( 我国采用) ， 因此也被称为w i r e l e s s m a n s c 空中接口。2 一l l g h z 频段的标准由i e e e s a p r o i e c t8 0 2 1 6 a 项目组定制，并增强了m a c 层功能，包括增加了自动重传请求 ( a r 0 ) 和对于网状网络( m e s h ) 结构的支持。i e e e8 0 2 1 6 协议的参考模型 如图1 3 所示【”。 南京邮f b 学院2 0 0 2 级硕f j 学位论义 绪论 趟 = 特定业务汇聚子层( s s c s ) m a c 公共部分子层( m a cc p s ) 加密子层( p r i v a c y ) 传输汇聚子层( t c s ) 物理媒质相关子层( p m d ) 图l - 3i e e e8 0 2 1 6 协议参考模型 如图1 - 3 所示，i e e e8 0 2 1 6 协议定义了m a c 层和物理层舰范。m a c 层包 括三个子层：特定业务汇聚子层( s s c s ) 、m a c 公共部分子层( m a cc p s ) 和加密子层( p r i v a c y ) 。 s s c s 子层主要功能：根据不同的业务类型和m a c 连接，对业务数据单元 进行分类。负责将其业务接入点( c ss a p ) 收到的外部网络数据( s d u ) 转换 和映射成m a cs d u ，并传递到m a cc p s 层业务接入点( m a cs a p ) 。s s c s 根据上层业务的不同，又可以分为a t m 汇聚子层和包( p a c k e t ) 汇聚予层。a t m 汇聚子层主要针对a t m 业务，而包汇聚子层主要针对i p 业务。 m a cc p s 子层主要功能：它是m a c 层的核心部分。8 0 2 1 6 a 的m a c 层是 一个面向连接的媒体控制协议，所有承载的服务最后都被映射到一个确定的连 接上，因而必须建立一套关于带宽申请、传输参数设定和针对不同业务的分配 机制。m a cc p s 就是完成上述功能的主体，主要包括p d u ( 协议处理单元) 帧格式的定义、p d u 的传输、无线链路控制、带宽申请与确认和a r q 等。 p r i v a c y 子层主要功能：鉴权、确保密钥交换安全和加密。 物理层( p h y ) ：由传输汇聚子层( t c s ) 和物理媒质相关子层( p m d ) 组成， 通常晓的物理层主要指后者。8 0 2 1 6 a 的物理层将在第二章详细介绍。 1 3 本文贡献 本文在前人工作的基础上，深入研究i e e e8 0 2 1 6 及8 0 2 1 6 a 协议的物理层， 对该基于o f d m 的通信系统进行了完善和改进。硬件方面将原先的单工通信 6 南京邮电学院2 0 0 2 级顶e 学位论文 绪论 改进为双工通信，更换a d s 5 2 0 3 的采样时钟，使e m i f 重读和少读采样点的问 题得到了解决；软件方面，完善了原有的程序，加入了导频信号、循环前缀， 解决了假同步等问题，使丢帧现象基本消除。在d s p 中实现了能量检测和共轭 对称算法，并分别与已有的p r e a m b l e l 自相关和p r e 锄b l e 2 互相关算法比较。另 外，对频偏估计算法在d s p 中的实现进行了分析。通过对原有系统的改进，形 成了一个可以双向通信的稳定o f d m 系统，并用h p i 实现了主机与d s p 的数 据传输，实现了收发信息和传送图像的功能。 1 4 本文章节安排 第一章是绪论，介绍了宽带无线接入技术豹发展及i e e e8 0 2 1 6 标准； 第二章介绍了i e e e8 0 2 1 6 a 协议的物理层，重点是w i r e l e s s m a n - o f d m 空 中接口； 第三章介绍了1 m s 3 2 0 c 6 2 0 1d s p s 的结构特点和c 6 2 0 le v m 的组成，以 及开发环境c o d ec o m p o s e rs t u d i o 的使用： 第四章是硬件平台设计，包括芯片介绍、接口时序及双向d a d 电路板 的设计思想，并给出了电路原理图； 第五章是软件模块设计，分为发端和收端两个部分介绍，此外，还介绍了 收发信息和传送图像功能的实现及对频偏估计算法的考虑： 第六章是系统性能测试，用c c s 自带的工具观察星座图及测试代码执行周 期，并根据测试结果给出系统所能支持的数据速率： 第七章是总结与展望。 7 南京邮电学院2 0 0 2 级硕士学位论文 e e 8 0 21 6 a 机议物理层介绍 第二章i e e e8 0 2 1 6 a 协议物理层介绍 与8 0 2 1 6 的w i r e l e s s m a n s c l m 不同，8 0 2 1 6 a 定义了三种物理层方式，分 别是w i r e l e s s m a n s c a ，w i r e l e s s m a n + o f d m 和w i r c l e s s m a n o f d m a 。本文 研究的是o f d m 方式，因此重点介绍w i r e l e s s m a n - o f d m 。 、矾r e l e s s m a n o f d m 物理层建立在o f d m 调制的基础上，并为2 1 1 g h z 频 段下的非视距传输设计，信道带宽为1 2 5 m h z 乘以2 的幂次，即b = 2 “ 1 2 5 m h z 。 2 1o f d m 符号描述刚5 l 2 1 1 时域 通过傅立叶逆变换可以得到o f d m 时域波形，如图2 1 所示信号持续时间 t s 分为两部分t b 和t g ，t b 表示有效符号持续时问，将有效符号末尾长为t g 的 信号平行搬移到有效信号的头部，称之为加上循环前缀，从而构成个o f d m 符号。 一 _ _ 气 靠 _ 一一 互， 一， 图2 1o f d m 符号的时域描述 通过使用循环前缀，接收机可以在o f d m 符号内的任何部分取出数据，来 进行f f t 运算，这样就可以有效地克服符号问干扰( i s i ) ，并能容忍一定程度上 的符号定时错误，从而很好地适应无线通信中的多径环境。 2 1 2 频域 从频域能够更为直观地描述一个o f d m 符号的基本结构，如图2 2 所示， 0 f d m 符号由子载波构成，子载波的个数决定了f f t 变换的点数( 协议建议采 南京邮电学院2 加2 级硕i ? 学位论文 l e e e8 0 2j 6 a 坍议物理层介绍 用2 5 6 个子载波) ，子载波分为如下三类： 数据子载波1 9 2 个，用来数据传输 导频子载波8 个，传送导频信息 空闲子载波s 6 个，不传送任何信息，分为保护带和d c 子载波 d m a ( a 耐m f rc a m 盯 一l 川f a c h 图2 2o f d m 符号频域描述 2 2 参数定义和信号描述1 2 1 2 2 1 基本参数 b w ：指定的信道带宽 f s b w ：采样频率与信道带宽的比值 t t b ：表示循环前缀引入的负荷 n f f t ：f f t 的点数，由子载波个数决定 2 2 2 导出参数 子载波带宽：v = 只。， 有用信号持续时帕j ：瓦= l 厂 o f d m 符号持续时间：i = 7 ：，+ 正 采样时间间隔：1 ，f 2 2 3 传输信号 传输信号通过式( 2 1 ) 表示 9 南京邮电学院2 0 0 2 级顺t 学位论文 l e e e8 0 21 6 a 协议物理层介绍 印肚卜笺2 蝴) 沼。， j ( f ) = 恐p 哪q 2 删“。o 、 l女= 一，2l 。7 其中：t 表示当前o f d m 符号的持续时间，取值范围为 o ，t 。】。 c k ( k 表示子载波序数) 是一个复数，代表星座图( 可以是q p s k 、 1 6 q a m 或6 4 q a m ) 上的一个点，表示第k 路子载波要传输的信息。 n 。d = n f f t 一空闲子载波数。 2 2 4 传输信号参数 如表2 1 所示，对2 5 6 个子载波从一1 2 8 到1 2 7 进行编号。每个序数代表一 个子载波，同时也表示该子载波相对于d cc a r r i e r 的偏移位置，称之为偏移序数。 参数名称参数值 n f f t 2 5 6 n u s e d 2 0 0 8 7 ，需授权频段，信道带宽为1 7 5 m h z 整数倍 f 。b w 7 6 ，其他情况 t t b 1 4 ，l ，8 ，1 1 6 ，l 3 2 低频端保护带子载2 8 个 波数和偏移序数 【一1 2 8 ，1 2 7 ，_ ，- 1 0 1 】 高频端保护带子载 2 7 个 波数和偏移序数 1 0 l ，1 0 2 ，1 2 7 导频子载波偏移 - 8 4 ，- 6 0 ，一3 6 ，- 1 2 ，1 2 ，3 6 ，6 0 ，8 4 序数 l ：【8 8 f ，7 6 】，【一5 0 ，- 3 9 】【l ，1 3 ，【6 4 ，7 5 】 子信道个数及子载 2 ：【- 6 3 ， 5 1 ，【- 2 5 ，- 1 4 】，【2 6 ，3 8 】， 8 9 ，1 0 0 】 波的分配 3 ： 一1 0 0 ，- 8 9 】，【3 8 ，- 2 6 】， 1 4 ，2 5 】，【5 l ，6 3 】 4 ：【- 7 5 ，_ ，- 6 4 】，【1 3 ，_ ，- 1 】， 3 9 ，5 0 】，【7 6 ，8 8 】 表2 1o f d m 符号参数 南京邮电学院2 0 0 2 级形j ：学位论史 i e e e8 0 2 1 6 a 饥l 义物理层介绍 2 3 子载波映射5 2 3 1 数据映射 交织后，数据比特串行的送入映射器，协议规定了三种映射方式：q p s k 、 1 6 q a m 和6 4 q a m ，其中q p s k 和1 6 q a m 为必选，6 4 q a m 为可选方案。调制 阶数越高，数据速率越高，相应的对信道的要求也越高。 l ，压 i i l 一 一1：l i3 -一 1 00 0o l 6 3 6 2 够t ? c = i ，栩 o l l 7 。 7 l i l ol m lt ( i ) i ( ) ( i o 0 1 0 。i 】 j 4 b 图2 3q p s k 、1 6 q a m 和6 4 q a m 星座图 其中c 为功率归一化因子，保证了在不同的数据映射方式下，发送端的发射 功率保持不变。由图2 3 可见，q p s k 星座图上每一点可表示2b i t s 信息：1 6 q a m 星座图上每一点可表示4b i t s 信息：6 4 q a m 星座图上每一点可表示6b i t s 信息， 在o f d m 符号速率一定的情况下，其信息速率比值为l ：2 ：3 。 南京邮电学院2 0 0 2 级硕j 一学位论文i e e e8 0 2 1 6 a 协议物理层介绍 星座图映射后的第一个数据分配到序号为一n 。列2 ( 即一1 0 0 ) 的子载波上， 后面的数据依次顺序放置到相应的子载波上。 2 3 2 导频映射 通过在导频子载波上传送特定信息，可供收端进行信道估计和同步。导频信 息可由如下公式分上行和下行链路分别确定，下标是导频子载波的偏移序数： 下行：e 8 4 = e 3 6 = c 6 0 = c 8 4 = l 一2 哌；e 6 0 = c - 1 2 = g 2 = c 3 6 = l 一2 上行：c 一。= e 3 。= c 1 ：= g 。= c 6 。= o = 1 2 ：c - 。= c _ ：= 1 2 w k 是一个取值为o 或1 的变量，它由伪随机序列发生器( x “+ x 9 + 1 ) 生 成，如图2 4 所示。k 表示当前o f d m 符号在其所在帧中的位置，协议规定了 p r e 锄b l e l 和p r e a m b l e 2 两个符号为帧头，因此帧头后的第一个o f d m 符号k = 3 ， 该帧其后的符号依次加1 。因此，w k 只与当前0 f d m 符号在其帧中的位置有关， 与帧的序号无关。 l l “m m ； ； li lii j： s 。叫 i si i i ，10i 4 】 b；0 0 l 正i 三翻j i 正盛丑叠习 i ；h l 童 后2 7 个子栽波 为保护带值为。 映日t 求 调用j 医i f l i 图5 - 8 数据映射模块流程图 程序说明： 映射表根据不同的映射方式建立，程序通过基址加偏址的方式查表实现 数据映射，以q p s k 为例。由表5 - 1 可见，偏址为信息b i t 左移两位实现。 信息b “星座点映射表偏址= 信息b i t 4 oo 1 + j 0b v t e o1 1 - j 4b y t e lo 一1 + j 8b y t e 11 一l j 1 2 b v t e 表5 - lq p s k 映射表 建立映射表的具体程序如下： m a p 、o r d w o r d w o r d w d r d o x l d 5 4 1 d 5 4 o x e 2 a c l d 5 4 0 x l d 5 4 e 2 a c o x e 2 a c e 2 a c 4 8 头信映 袁。的址成的址波偏完 采基戴为表射 射为子特套映徽该比过以以息通 减 一 警 r 昆 南京邮电学院2 0 0 2 级硕士学位论文 一 基于8 0 2 1 6 a 的0 f d m 系统软件设计 m a p 代表表头地址，通过对它的全局化声明，可以在其它子程序中引用。映 射表中的表项为3 2 b i t 的字，表示星座图上的一个点，其中高1 6 位代表虚部， 低1 6 位代表实部，采用q 1 5 的表示方法，最高位为符号位，表示范围为【一l ，l 】。 映射后的数据大小应该综合考虑，如果太大，在后面的运算中有可能导致溢出； 如果太小，则数据点过于密集，在接收端反映射时误判的可能性较大。经过综 合考虑，将映射后的数据单位设置为o x l d 5 4 和o x e 2 舵，转换为十进制数为o 2 2 9 和0 2 2 9 。因此，m 印中定义的四个星座点分别为o 2 2 9 ( 1 + j ) 、o 2 2 9 ( 1 一j ) 、 o 2 2 9 ( 一1 + j ) 、o 2 2 9 ( 1 j ) 。 比较p r e l m 印、p r e 2 j n 印与m 印的表项，可以发现，p r e a m b l e l 和p r e 锄b l e 2 映射后的数据单位为0 x 3 a a 8 和0 x c 5 5 7 ，分别为o x l d 5 4 和0 x e 2 a c 的两倍，即o 4 5 8 和o 4 5 8 。这样设置是为了使p 舱锄b l e l 、p r c 锄b l e 2 和数据符号的能量相等。 一个o f d m 符号中，前后分别有2 8 和2 7 个子载波作为保护带，如下程 序完成保护带置零： z e r o p r o t e c l b a n d m v k l2 8 c o u n t l p r o t e c t l ： s t w p r o t e c l b a n d ，+ o u t p u t + + 【c o u l l t l s u b c o u m l ，1 ，c o u n t l c o u l l t l 】 b p r o t e c t l 中间2 0 1 个子载波为数据、导频和零频子载波。 m v k l2 7 c o u n t l p r o t e c 乜： s m p f o t e c l b 芒m d ，+ o u t p u t + + 【c o l l i l t l s u b c o u n t l ，l ，c o u n t l 【c o u n t l 】 b p r o t e c 垃 导频索引建表。和子载波索引比对咀判断该子载波是否为导频位置，如果 是，则在该子载波插入相应的导频数据，否则进行o p s k 映射。这部分功能由 如下程序完成，其中p i l o t - _ v a l u e 为导频映射表的首地址，v a l u e 为从导频映射表 中取出的导频数据，o u t p u t 为一指针，指向数据缓冲区中的一个子载波位置。 m v k l p i l o t _ v a l u e ，p i o n t e r _ p i l o l - v a l u e m v k h p i l o l v a i u e ，p i o n t e r _ p i i o l v a l u e m v l 【l o x 丘m g e 柏 南京邮电学院2 0 0 2 级硕士学位论文 摹于8 0 2 1 6 a 的0 f d m 系统软件设计 1 d b + p i l o t + + ，p i l o t - i n d e x a n d p i l o t _ i n d e x ，r 蛆g e ，p i l o t - i n d e x ：读出导频占用的子载波序数 c m p e qc o n s t ，p i l o t - i n d e x ，v a r i a b i e ；判断当前子载波是否为导频 【v 耐a b l e 】 l d w + p i o n t e u i l o t - v a l l l e + + ，v a l u e ；取出导频数据 【v a r i a b l e 】s t w v a l u e ，o u t p u t 斗+ v a r i a b l e 】 l d b + p i l o t 斗斗，p i l o t - i i l d e x v 撕a b l e 】 a i l d p i l o u n d e x ，删唱e ，p i l o l i n d e x v a r i a b l e 】a d d c o n s t ，1 ，c o n s t；子载波序号加1 不同的映射方式要进行功率的归一化 在q p s k 中，映射后的数据单位设置为o x l d 5 4 和o x e 2 a c ，相应的1 6 q a m 设置为0 x o d l e 和0 x f 2 e 2 ，6 4 q a m 设置为o x 0 6 6 6 和o x f 9 9 a ，符合图2 - 3 所示的 功率归一化因子：告：i l _ ，从而保证发送信号的功率不随调制方式的不同 2 1 0 4 2 而变化。 5 2 2 3 调制子模块 调制子模块分为共轭、f f t 和倒序三部分，下面分别予以描述。 5 2 2 3 1 共轭( c o n j u g a t e ) 子模块例 按照o f d m 原理，在发端采用i f f t 实现o f d m 调制，由式( 5 一1 ) 可知，n 点的i f f t 和f f t 可用同一模块实现，区别仅在于i f f t 多了两次共轭运算和一 1 个常系数去。由于是采用一个字表示一个复数，高半字和低半字分别以q 1 5 的 “ 格式表示虚部和实部，因此共轭模块仅仅是对高半字乘以一1 。程序段如下所示， i n p u t 为共轭前数据的起始地址。 a d d i 印u t ，2 ，i n p u t ；高半字为虚部 m 、，“2 5 6 ，c o u m s t 种：l d h + i n p u t ，t e m p ：取出虚部 n e gt e m p ，t e m p ：对虚部乘以- 1 s t h t e m p ，i n p u t + + 【2 】 ；共轭后的数据重新放回原处 【c o u i n 】 s u bc o m t ，1 ，c o u m c o u n l 】 b s t a r t 5 2 2 3 2f f t 予模块佟1 1 2 3 l 采用基4 的按频率抽取的f f t 算法，f f t 算法的基本思路是将较长的序列 分解为较短的序列，利用三角函数的周期性和对称性减少运算量。和基2 的f f t 算法类似，基4 的f f t 算法要求序列长度n 为4 的幂次，即满足如下关