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摘要 m i m o 移动台射频接收系统的研究 硕士生：逢型栋 导师：洪伟教授 周健义副教授 摘要 未来移动通信中日益增加的语音业务、数据业务和宽带i n t e r n e t 业务，在传 输速率、系统业务容量和全球漫游等方面对移动通信系统提出了更高的要求。 m i m o 技术可以充分利用空间分集的手段在空间域上获得更大的信道容量增益， 从而满足高传输速率、高传输性能和高系统业务容量的要求，有望成为下一代移 动通信中的关键技术。本文根据国家“8 6 3 ”计划重大项目“新型天线与分集技 术研究”的要求，对m i m o 移动台的射频接收系统进行了研究旃定了实验系统 方案并设计实现了硬件电路。 该躬频接收实验系统包括4 路接收通道和本振系统，射频工作于2 4 0 0 m h z 2 4 8 0m h z ，中频工作于7 0 m h z ，采用时分双工方式、超外差式接收机和锁相环 本地振荡源方案，具体包括低噪声放大器、镜频抑制滤波器、混频器、中频滤波 器、中频放大器、自动增益控制和i q 解调器以及p i 。l 本振和射频、中频本振功 分等单元子电路，被集成在2 0 0 r a m 2 0 0 m m 的模块中。模块的输出端可以与基 带处理部分接口相连，构成完整的m i m o 移动台射频接收系统。 本文针对m i m o 移动台对射频接收系统的要求，讨论了射频接收系统的设 计方法，确定了实验系统方案，进行了系统仿真，分析了系统主要的性能指标， 选择适当的芯片，设计并实现了电路，最后完成了电路测试工作，测试结果初步 达到预期设计指标。 关键词：m i m o ，射频，超外差式接收，p l l a b s t r a c t i n v e s t i g a t i o no nr fr e c e i v e rs y s t e mo f m i m om o b i l es t a t i o n m s d e g r e ec a n d i d a t e ：p a n gx i n g d o n g s u p e r v i s o r ：p r o f h o n gw e i a s s o c i a t e p r o f z h o uj i a n y i a b s t r a c t i nf u l u r em o b i l ec o m m u n i c a t i o n ，i n c r e a s i n gv o i c e ，h i g h s p e e dd a t aa n dw i d e b a n d i n t e m e ts e r v i c e sn e e dm o r ec a p a c i t y , h i g h e rt r a n s m i s s i o nr a t ea n db e t t e rq o s 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 ) t e c h n i q u ee m p l o y sm u l t i p l et r a n s m i t t i n ga n t e n n a sa n d m u l t i p l er e c e i v i n ga n t e n n a ss i m u l t a n e o u s l y , w h i c hc a nu t i l i z es p a c ed i v e r s i t ye f f e c t ， r e s t r a i nm u l t i p a t hf a d i n ga n dg r e a t l yi n c r e a s et h ec a p a c i t ya n d s p e c t r u me f f i c i e n c yo f aw i r e l e s sc o m n m n i c a t i o ns y s t e m m i m ot e c h n i q u ei sf o a n dt op e r f o r me x t r e m e l y w e l li nt h e s ea s p e c t sa n dw i l l p o s s i b l eb e c o m eak e yt e c h n i q u eo fn e x tg e n e r a t i o n m o b i l ec o m m u n i c a t i o n s o a c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n t so ft h e “8 6 3 ”k e yp r o j e c t ： “r e s e a r c ho fn e wt y p eo fa n t e n n a sa n ds p a c ed i v e r s i t yt e c h n i q u e ”，t h es c h e m a t i c ， d e s i g n ，s i m u l a t i o n ，r e a l i z a t i o na n dt e s t i n go fr fr e c e i v e rs y s t e mo fm i m om o b i l e s t a t i o na r ea c c o m p l i s h e di nt h i sp a p e r t h i sr fr e c e i v e rs y s t e mi n c l u d e s4s u p e r h e t e r o d y n er e c e i v e ra n dp l ll o c a l o s c i l l a t o r ss y s t e m ，w o r k i n go nt d dm o d ea tt h er a d i of r e q u e n c yo f2 4 0 0 2 4 8 0 m h z a n di n t e r m e d i a t ef r e q u e n c yo f 7 0m h z i tc o n s i s t so fs e v e r a lc e l lc i r c u i t ss u c ha st w o r ff i l t e r s ，al o wn o i s ea m p l i f i e rw i t hd o w nc o n v e r t e r , a ni fs a w f i l t e r , t w o a t t e n u a t o r s ，a ni fa m p l i f i e ra n da ni qd e m o d u l a t o re t c i ne v e r yr e c e i v e r f o u r s u p e r h e t e r o d y n er e c e i v e r sa n dp l l1 0 c a lo s c i l l a t o r ss y s t e ma r ei n t e g r a t e di nam o d u l e s i z e d2 0 0 m m x 2 0 0 m m t h er fr e c e i v e rs y s t e mc a nb ec o m b i n e dw i t ht h eb a s e b a n d p r o c e s s i n gm o d u l et ob u i l du pa nr e c e i v e rs y s t e mo f m i m om o b i l es t a t i o n a i m i n ga tt h ed e m a n d so ft h em i m 0s y s t e m t h ep a p e rd i s c u s s e sa b o u tt h e d e s i g nt h e o r i e so ft h er fr e c e i v e rs y s t e ma n dp r o v i d e sap r a c t i c a ls c h e m eb a s e do n s o f t w a r es i m u l a t i o n s t h es e l e c t e di n t e g r a t ec h i p sa r ei n t r o d u c e da n dt h ec i r c u i t sa r e i m p l e m e n t e d t h et e s t i n gp r o c e d u r e sa n dr e s u l t sa r eg i v e n ，a l o n gw i t ht h ea n a l y s i so f t h e i rp e r f o r m a n c e s ，w h i c hc a nb ef o u n ds a r i s f y i n gt h er e q u i r e m e n t s k e yw o r d s ：m i m o ，r f , s u p e r h e t e r o d y n er e c e i v e r ，p l l 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 其他人已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：篷型拯日期：电! ! ! 多 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 i i 登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：鲤挂导师签名 日期：肛乒广- - - 第一章绪论 第一章绪论 自2 0 世纪8 0 年代以来，我国移动通信事业发展十分迅速。根据信息产业部公布的最 新统计数据，截至2 0 0 3 年1 2 月底，我国移动电话用户己达2 5 6 9 3 8 亿户，在历史上首次 超过固定电话用户。早在2 0 0 1 年我国就已成为全球移动电话用户最多的国家，发展速度创 世界之最。预计到2 0 0 5 年我国移动电话用户将超过3 亿户，移动通信市场潜力巨大。 由于我国移动通信产业起步较晚，与发达国家还有较大差距。我国移动通信产业从第 一代( i g ) 到第二代( 2 g ) 的发展过程，实际上是一个追赶的过程，是通过引进，然后消 化、吸收的过程，一没有自己的核心知识产权，只能采用国外的标准，大部分的市场份额为 国外企业占领。在国家的大力支持下，中国在第三代移动通信( 3 g ) 系统研究开发方面取 得了很大成功，掌握了一大批核心技术，完成了w c d m a 和c d m a 2 0 0 0l x 现场试验系统的 研制，中国提交的第三代移动通信标准t d - s c d m a 于2 0 0 0 年5 月被国际电信联盟( i t u ) 确定为国际三大移动通信主流标准之一，2 0 0 1 年3 月被国际3 g 标准化组织3 g p p 螓纳成 为其标准的一部分。随着第- 4 t ：移动通信系统逐渐进入商用，国内外有关第四代移动通 信( 4 g ) 的研究已经展开。事实上，移动通信技术的竞争愈来愈归结为核心技术以及相关 知识产权的竞争。若无法在新一代移动通信技术产生的初期加入到竞争行列，就无法在未 来的竞争中取得战略性的主动地位并获得未来产业发展所必须的核心技术知识产权。我国 已将第四代移动通信研究正式列入国家“8 6 3 ”计划“十五”研究规划，项目已经启动”1 。 本论文结合国家“8 6 3 ”计划“十五”规划个人通信领域重大项目“新型天线与分集 技术”，对多输入多输出系统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 ) 移动台( m t ) 射频 接收系统进行了研究。本章首先简单回顾了前三代移动通信的发展，对下一代移动通信进 行了展望和探讨，最后介绍全文的内容安排。 1 1 前三代移动通信回顾。1 叩 1 1 1 第一代移动通信系统及其特点 第一代移动通信( 1 0 ) 出现于2 0 世纪7 0 年代中后捌，采用蜂窝式结构，利用模拟传 输方式实现话音业务，也称作蜂窝式模拟移动通信系统。多址方式是频分多址( f d m a ) ， 信号为模拟调制，使用的频段为8 0 0 9 0 0 m h z ( 早期曾使刚4 5 0 m h z ) ，每隔2 5 k h z 至3 0 k h z 一个模拟用户信道。频带可重复利用，实现区域覆盖：可支持移动终端的漫游和越区切换， 实现移动环境下不间断通信。由于受到传输带宽的限制，不能进行移动通信的比途漫游， 只能是一种区域性的移动通信系统。具有代表性的系统有美国的a m p s ( a d v a n c e dm o b i l e p h o n es y s t e m ) 系统，英国的t a c s ( t o t a l a c c e s sc o m m u n i c a t i o n ss y s t e m ) 系统，北欧( 丹麦、 挪威、瑞典、芬兰) 的n m t ( n o r d i cm o b i l et e l e p h o n y ) 系统等，我国主要采用的是t a c s 制式。 第一代移动通信系统的出现和发展，最重要的特点是体现在移动性上，这是其他任何 通信方式利系统不可替代的，从而结束了过去无线通信发展过程中时常被其他通信手段替 代而处于辅助地位的历史。第一代移动通信还存在很多不足之处，比如频谱利川率不高、 容量有限、制式太多、互升i 兼容、保密性差、通话质量不高、不能提供数据业务、不能提 供自动k 途漫游等。 东南大学硕士学位论文 1 1 2 第二代移动通信系统及其特点 第二代移动通信( 2 g ) 出现于2 0 世纪8 0 年代后划，采用数字传输方式提供数字化的 话音业务及低速数据业务，又称作蜂窝式数字移动通信系统。采用的多址方式是时分多址 ( t d m a ) 和码分多址( c d m a ) ，数字信号处理技术是其最基本的技术特征。它克服了模 拟移动通信系统的弱点，话音质量、保密性能得到大的提高，并可进行自动长途漫游。第 二代移动通信由于采用了数字无线传输和无线蜂窝之间先进的切换方法，得到了比模拟系 统好得多的频率利用率，从而增加了用户数量；由于网络提供了种公共标准，使用户能 在整个网络服务区域使用系统，在网络系统覆盖的所有国家之间漫游；同时还可以享受一 些新的用户业务，如收发传真和短消息业务等。典型的系统有欧洲的g s m ( g l o b a ls y s t e m f o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n ) 系统，北美的i s 9 5 ( n c d m a ) 系统，日本的p d c ( p e r s o n a l o rp a c i f i cd i g i t a lc e l l u l a r ) 系统等。g s m 全球移动通信系统发源于欧洲，使用t d m a 多址 方式，支持6 4 k b i t s 的数据速率，可与1 s d n 互连。1 s 一9 5 c d m a 是北美的另一种数字蜂窝 标准，频带为8 0 0 m h z 或1 9 0 0 m h z ，使用c d m a 多址方式，已成为美国p c s 个人通信系 统网的首选技术。p d c 只是日本标准，在8 0 0 m h z 和1 5 0 0 m h z 频带工作，主要采用6 信 道t d m a ( 时分多址) 技术。它的电话设备与世界广泛采用的g s m 标准不兼容。我国主 要采用g s m 系统，另外中国联通已于2 0 0 1 年新建i s 一9 5c d m a 系统，并已于2 0 0 2 年4 月正式投入运营，截至2 0 0 4 年1 月c d m a 移动电话用户己达1 7 0 0 万。 第二代移动通信系统的主要技术参数如表1 1 。 表1 1 第二代移动通信系统的技术参数 g s mi s 9 5p d c 多址接入 t d m ac d m at d m a 调伟0 g m s k q p s k o q p s kn 4 一d q - p s k 载波间隔 2 0 0 k h zl2 5 k h z2 5 k h z 载波比特率 2 7 0 8 3 3 k b s12 2 8 8 m c s4 2 k b s 帧长 46 1 5 m s2 0 m s 2 0 m s 每帧时隙 8 1 613 ，6 频带8 8 0 - 9 15 8 2 4 8 4 9 8 1 0 8 2 6 ( 上行厂f 行)9 3 5 - 9 6 0 ；8 6 9 8 9 4 ；9 4 0 9 5 6 ； ( m h z )1 7 2 0 - 1 7 8 5 18 5 0 1 9 1 0 ， 1 4 2 9 1 4 5 3 1 】8 0 5 1 8 8 0 ：1 9 3 0 1 9 9 01 4 7 7 1 5 l o 1 9 3 0 - 1 9 9 0 1 8 5 0 1 9 1 0 调频是 n a 不是 切换硬切换 软印换硬切换 第二代移动通信替代第一代移动通信系统完成模拟技术向数字技术的转变，但由于第 二代采用不同的制式，移动通信标准不统一，用户只能在同一制式覆盖的范围内进行漫游， 因而无法进行全球漫游；由于第二代数字移动通信系统带宽有限，限制了数据业务的应用， 也无法实现高速率的业务如移动的多媒体业务。总之，第二代移动通信系统虽然比第一代 系统有了很大的优势，但还是存在着业务单一和低速数据通信以及无法全球漫游等缺憾。 第一章绪论 1 1 3 第三代移动通信及其特点 第三代移动通信( 3 g ) 最早于1 9 8 5 年由国际电信联盟( i t u ) 提出，当时称为未来公 众陆地移动通信系统( f p l m t s ) ，1 9 9 6 年更名为i m t - - 2 0 0 0 ，意即该系统工作在2 0 0 0 m h z ， 最高业务速率可达2 0 0 0 k b s 。1 9 9 9 年i t u 通过了i m t - - 2 0 0 0 的无线接1 ：3 技术规范，其中 欧洲提出的w c d m a 、美国提出的c d m a 2 0 0 0 和我国提出的t d s c d m a 是三种主流技术。 第三代移动通信系统的主要技术参数如表1 2 。 表1 2 第三代移动通信系统的技术参数 w c d m ac d m a 2 0 0 0t d s c d m a 双工方式 f d dt d df d dt d d 多址方式 直接序列t d m a ，c d m a直接序列 t d m a ，c d m a c d m ac d m a 码片速率 3 8 412 2 8 8 1 2 8 ( m c h i p s ) 3 6 8 6 4 最小带宽( m h z ) 512 5 51 6 基站间同步异步，同步同步同步同步 帧长( m s ) 1 02 05 实现第三代移动通信系统的关键技术有： ( 1 ) 初始同步与r a k e 多径分集接收技术 c d m a 通信系统接收机的初始同步包括p n 码同步、符号同步、帧同步和扰码同步等。 c d m a 2 0 0 0 系统通过对导频信道的捕获建立p n 码同步和符号同步，通过同步信道的接收建 立帧同步和扰码同步。w c d m a 系统的初始同步通过对基本同步信道的捕获建立p n 码同 步和符号同步，通过对辅助同步信道的不同扩频码的非相干接收，确定扰码组号等，最后 通过对可能的扰码进行穷举搜索，建立扰码同步。 移动通信是在复杂的电波环境下进行的，如何克服电波传播所造成的多径衰落现象是 移动通信的另一基本问题。在c d m a 移动通信系统中，由于信号带宽较宽，因而在时间上 司以分辩山比较细微的多径信号。对分辨出的多径信号分别进行加权调整，使合成之后的 信号得以增强，从而可在较大程度上降低多径衰落信道所造成的负面影响。这种技术称为 r a k e 多径分集接收技术。 ， 为实现相干形式的r a k e 接收，需发送未经调制的导频( p i l o t ) 信号，已使接收端能在 确知已发数据的条件下估计出多径信号的相位，并在此基础上实现相干方式的最大信噪比 合并。w c d m a 系统采用用户专用的导频信号，而c d m a 2 0 0 0 系统下行链路采用公用导频 信号，用户专用的导频信号仅作为备选方案用于使用智能天线的系统，上行信道则采用_ f = | j 户专用的导频信道。 r a k e 多径分集接收技术的另外一种极为重要的体现形式是宏分集及越区软切换技术。 当移动台处于越区切换状态时，参与越区切换的基站向该移动台发送相同的信息，移动台 把来自不同基站的多径信号进行分集合并，从而改善移动台处于越区切换时的接收信号质 量，并保持越区切换时的数据不丢失，这种技术称为宏分集和越区软切换。 ( 2 ) 高效信道编码技术 第三代移动通信的另外一项核心技术是信道编译码技术。在第三代移动通信系统主要 提案中( 包括w c d m a 和c d m a 2 0 0 0 等) ，除采用与i s 9 5c d m a 系统相类似的卷积编码 技术和交织技术之外，还建议采用t u r b o 编码技术。 东南大学硕二l 学位论文 f 3 ) 智能天线技术 智能天线包括两个重要组成部分，一是对来自移动台发射的多径电波方向进行到达角 ( d o a ) 估计，并进行空间滤波，抑制其它移动台的干扰；二是对基站发送信号进行波束 形成，使基站发送信号能够沿着移动台电波的到达方向发送回移动台，从而降低发射功率， 减少对其它移动台的干扰。智能天线技术用于t d d 方式的c d m a 系统是比较合适的，能 够起到在较大程度上抑制多用户干扰，从而提高系统容量的作用。其困难在于由于存在多 径效应，每个天线均需一个r a k e 接收机，从而使基带处理单元复杂度明显提高。 ( 4 1 多崩户检测技术 在传统的c d m a 接收机中，各个用户的接收是相互独立进行的。在多径衰落环境下， 由于各个用户之间所用的扩频码通常难以保持正交，因而造成多个用户之间的相互干扰， 并限制系统容量的提高。解决此问题的一个有效方法是使用多用户检测技术，通过测量各 个用户扩频码之间的非正交性，用矩阵求逆方法或迭代方法消除多用户之间的相互干扰。 从理论上讲，使用多用户检测技术能够在极大程度上改善系统容量。但一个较为困难 的问题是对于基站接收端的等效干扰用户等于正在通话的移动用户数乘咀基站端可观测到 的多径数。这意味着实际系统中等效干扰用户数将多达数百个，这样即使采用与干扰用户 数成线性关系的多用户抵销算法仍使得其硬件实现显得过于复杂。如何把多用户干扰抵销 算法的复杂度降低到可接受的程度是多用户检测技术能否实用的关键。 ( 5 ) 功率控制技术 在c d m a 系统中，由于用户共用相同的频带，且各用户的扩频码之间存在着非理想的 相关特性，用户发射功率的大小将直接影响系统的总容量，从而使得功率控制技术成为 c d m a 系统中的最为重要的核心技术之一。 常见的c d m a 功率控制技术可分为开环功率控制、闭环功率控制和外环功率控制三种 类型。开环功率控制的基本原理是根据用户接收功率与发射功率之积为常数的原则，先行 测量接i 殳功率的大小，并由此确定发射功率的大小。开环功率控制用于确定用户的初始发 射功率，或用户接收功率发生突变时的发射功率调节。开环功率控制未考虑到上、下行信 道电波功率的不对称性，因而其精确性难以得到保证。闭环功率控制可以较好地解决此问 题，通过对接收功率的测量值及与信干比门限值的对比，确定功率控制比特信息，然后通 过信道把功率控制比特信息传送到发射端，并据此调节发射功率的大小。外环功率控制技 术则是通过采用变步长方法，以加快上述信干比门限的调节速度。在w c d m a 和c d m a 2 0 0 0 系统中，上行信道采用了开环、闭环和外环功率控制技术，f 行信道则采用了闭环和外环 功率控制技术。 第三代移动通信目前正处于产业化过程中。它能够提供多种业务，支持从话音到分组 数据到多媒体业务，数据速率可从几k b p s 到2 m b p s ；具有很高的频谱利用率和抗干扰能力； 能够适应不可物理环境和不同移动环境：移动终端类型多种多样，具有低成本、低功耗、 小体积、高保密等良好的商业特性等。但是第- - - 4 移动通信最终还是多种制式并存，未能 达成全球唯一标准，无法实现全球漫游和系统融合；无线传输速率较低，如i m t - - 2 0 0 0 系 统在车载情况f 的最大数据速率为1 4 4 k b p s ，仅相当于n i s d n 的数据速率，无法实现高 质量的多媒体业务；另外i m t - - 2 0 0 0 系统没有很好的考虑与高速发展的i n t e r n e t 的融合等。 1 2 下一代移动通信展望与探讨“”1 前j 代移动通信完成了不少工作，实现了许多功能，但也遗留了一些问题。未来移动 通信中日茄增加的语音业务、数据业务和宽带i n t e r n e t 业务，在传输速率、系统业务容量 和全球漫游等方面对移动通信系统提出了更高的要求。 m t - - 2 0 0 0 不能满足所有这些要求。 第一章绪论 随着第三代移动通信系统的逐渐商用化，国内外有关第四代移动通信( 4 g ) 的研究已 初见端倪。早在1 9 9 9 年，i t u 就将有关b e y o n d1 m t - 2 0 0 0 ( b 3 g ) 的概念与需求研究首次 列入议事日程，并成立了w p 8 f 工作小组，负责规划b e y o n di m t - 2 0 0 0 ( b 3 g ) 移动通信的 发展。至此掀起了研究f 一代移动通信的热潮，欧盟在前期研究计划( 第5 框架研究计划) 的基础上，成立了世界无线通信研究论坛( w w r c v ) ，着手进行“i m t - 2 0 0 0 ”之后的第4 代移 动通信的概念、需求与基本框架研究，并把第4 代移动通信系统列入2 0 0 2 年启动的欧盟“第 6 框架研究计划”。日本总务大臣的咨询机构信息通信审议会专门委员会于2 0 0 1 年6 月1 5 日完成了继第3 代移动通信系统“i m t - 2 0 0 0 ”之后的第4 代移动通信系统( 4 g ) 框架建 议。韩国有关运营商和e t r i 通信研究所也向政府提出了相应的有关第4 代移动通信研究 计划。在中国，第4 代移动通信也已被正式列入国家“8 6 3 ”计划“十五”研究规划，项目已经 启动。 到目前为i v ，人们还尚未对第四代移动通信进行精确定义。一个比较广泛的解释是： “可称为宽带分布式接入网络，具有非对称的超过2 m b i t s 的数据传输能力；它包括宽带 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) ；它将是多功能集成的宽带移动通信系统，是宽带接入i p 系统”。 1 2 1 下一代移动通信的特征 一般认为，下- - 4 - 移动通信系统应该具备以下基本特征： f 1 ) 通信速度更快 由于人们研究4 g 通信的最初目的就是提高移动电话和其他移动装置无线访问i n t e r n e t 的速率，因此4 g 通信的特征莫过于它具有更快的无线通信速度。专家预估，第四代移动 通信系统的速度可以达到：对于大范丽高速移动用户( 2 5 0 k m h ) ，数据速率为2 m b p s ；对 于中速移动用户( 6 0 k m h ) ，数据速率为2 0 m b p s ；对于低速移动用户( 室内或步行者) ， 数据速率为1 0 0 m b p s 。 f 2 ) 网络带宽更高 要想使4 g 通信达到1 0 0 m b p s 的传输速度，通信运营商必须在3 g 通信网络的基础上 进行大幅度的改造，以便使4 g 网络在通信带宽上比3 g 网络的带宽高出许多。据研究，每 个4 g 信道将占有1 0 0 m h z 的频谱相当于w - c d m a3 g 网络的2 0 倍。 r 3 1 通信更加灵活 实现了多种业务的完整融合，个人通信、信息系统、广播、娱乐等业务无缝连接为一 个整体，满足用户的各种需求。 f 4 1 智能性能更高 第四代移动通信的智能- 陛更高，不仅表现在4 g 通信的终端设备的设计和操作具有智 能化，更重要的是4 g 手机可以实现许多难以想象的功能。4 g 的网络系统是一个高度自治、 白适应的网络，它具有良好的重构性、可伸缩性、自组织性等，用以满足不同环境、不同 用户的通信需求。 f 5 ) 兼容性能更平滑 要使4 g 通信尽快地被人们接受，还应该考虑到让更多的用户在投资最少的情况下轻 易地过渡到4 g 通信。因此，从这个角度来看，4 g 通信系统应当具备全球漫游、接口开放、 能跟多种网络互联、终端多样化以及能从3 g 平稳过渡等特点。 ( 6 ) 实现更高质量的多媒体通信 4 g 通信提供的无线多媒体通信服务将包括语音、数据、影像等，大量信息透过宽频的 信道传送出去，为此4 g 也称为“多媒体移动通信”。 东南大学硕l 二学位论文 ( 7 ) 支持下一代互联网 包括i p v 6 技术和组播业务。 ( 8 ) 通信费用更加便宜 由于4 g 通信不仅解狄了与3 g 的兼容性问题，让更多的现有通信用户能轻易地升级到 4 g 通信，而且4 g 通信引入了许多尖端通信技术，因此，相对其他技术来说，4 g 通信部 署起来就容易迅速得多。同时在建设4 g 通信网络系统时，通信运营商们将考虑直接在3 g 通信网络的基础设施之上，采用逐步引入的方法，这样就能够有效地降低运营成本。 1 2 2 下一代移动通信的关键技术 ( 1 ) m i m o 技术 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 ) 技术是无线移动通信领域智能天线技术的重大 突破，它充分开发空间资源，利用多个天线实现多发多收，提供空间分集效应来抑制传播 衰落现象，在不需要增加频谱资源和天线发送功率的情况下，可以成倍地提高信道容量和 频谱利用率，降低误码率。 通常，多径传输要引起衰落，因而被视为有害因素。然而对于m i m o 系统来说，多径 可以作为一个有利因素加以利用。m i m o 系统在发射端禾j 接收端均采用多天线和多通道。 m i m o 技术的核心是空时信号处理，也就是利用在空间分布的多个独立天线将时间域和空 间域结合起来进行信号处理。 m i m o 技术最早是由m a r c o n i 于1 9 0 8 年提出的，直n - 十世纪七十年代才有人提出将 m i m o 技术用于通信系统，但是对无线移动通信系统m i m o 技术产生巨大推动的奠基工作 则是九十年代由a t & tb e l l 实验室学者完成的。1 9 9 5 年t e l a d a r 给出了在衰落情况下的 m i m o 容量i | ；1 9 9 6 年g jf o s c h i n i 给出了一种多输入多输出处理算法一对角贝尔实验 室分层空时( d b l a s t ) 算法”u j ：1 9 9 8 年v a h i d t a r o k h 等讨论了用于多输入多输出的空时格 i 5 ( s t t c ) “；1 9 9 8 年r w w o l n i a n s k y 等人采用垂直- 贝尔实验室分层空时( v - b l a s t ) 算法 建立了一个窄带信号m i m o 实验系统，在室内试验中达到了2 0 b i t ( h z s ) 以上的频谱利用 率【2 2 1 。 ( 2 ) o f d m 技术阴4 j o f d m ( 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 ) 技术是- - e e 多载波调制技术，由 贝尔实验室的r w c h a n g 在1 9 6 6 年首先提出“。无线信道的频率响应曲线大多是非平坦 的，o f d m 的主要思想是在频域内将给定信道分成许多正交子信道，在每个子信道上使用 一个子载波进行调制，并且各子载波并行传输。这样，尽管总的信道是非平坦的，具有频 率选择性，但是每个子信道是相对平坦的，在每个子信道上进行的是窄带传输，信号带宽 小于信道的相应带宽，因此就可以大大消除信号波形问的干扰。由于在o f d m 系统中各个 子信道的载波相互正交，它们的频谱是相互重叠的，这样不但减小了子载波间的相互干扰， 同时又提高了频谱利用率，从理论上讲其频谱利用率可以接近n y q u i s t 极限。另外，通过 各子载波的联合编码，可具有很强的抗衰落能力。o f d m 技术本身已经利用了信道的频率 分集，如果衰落不是特别严重，就没有必要再加时域均衡器。但通过将各个信道联合编码， 可以使系统性能得到提高。o f d m 采用离散傅利叶变换逆离散傅利叶变换( d f l i d f t ) 来实现调制和解凋，易用d s p 实现，显著降低了o f d m 系统实现的复杂程度。 目前，o f d m 技术在无线局域网( w l a n ) 和无线城域网( w m a n ) 领域中也获得了 广泛的研究和应用。世界上两大无线互联网标准：h i p e r l a n 2 和i e e e8 0 2 1 l a ，都在其物 理层上采用了o f d m 技术，以实现高速数据通信的目的。o f d m 在广播方面的研究也取 得了丰硕的成果，数字音频广播( d a b ) 羊数字视频广播技术( d v b ) 都纷纷采用o f d m 技 6 第一章绪论 术。o f d m 技术在无线通信领域中的研究和应用正处于方兴未艾的阶段，在不远的将来， 这项技术将使无线通信系统的传输速度发生革命性的突破。 m i m o 系统在一定程度上可以利用传播中多径分量，也就是说m i m o 可以抗多径衰落， 但是对于频率选择性深衰落，m i m o 系统依然是无能为力。! g l 前解决m i m o 系统中的频率 选择性衰落的方案一般是利用均衡技术，还有种是利用o f d m 技术。4 g 需要极高频谱 利用率的技术，而o f d m 提高频谱利用率的作用毕竟是有限的，在o f d m 的基础上合理 开发空间资源，也就是m i m o + o f d m ，可以提供更高的数据传输速率。另外o d f m 由于 码率低和加入了时间保护间隔而具有极强的抗多径干扰能力。由于多径时延小_ 】二保护间隔， 所以系统不受码间于扰的困扰，这就允许单频网络( s f n ) 可以用于宽带o f d m 系统，依 靠多天线来实现，即采用由大量低功率发射机组成的发射机阵列消除阴影效应，来实现完 全覆盖。由于m i m o 平o f d m 在提高无线链路的传输速率和可靠性的巨大潜力，大多数 研究人员认为m i m o 与o f d m 技术二者的结台是一种必然的趋势，有望成为下一代移动 通信系统的关键技术“。因此这两种技术已经成为目前4 g 研究的热点。 1 3 论文内容安排 本课题以m i m o 移动台射频接收系统的研究为背景，确定实验系统方案，进行了系统 仿真并完成了射频电路系统的设计与测试。该射频接收实验系统主要由p l l 本振系统和四 路接收通道射频子系统组成。每路接收通道射频子系统又分成几个模块单元，分别进行了 阐述。 全文共分为五章： 第一章为绪论； 第二章为m i m o 射频系统的分析，首先介绍了移动通信中无线信道的传播特性，阐述 了m i m o 系统的基本原理和分集技术，分析了m i m o 移动台射频系统噪声, f n - q p - 线性失真 情况，重点阐述了m i m o 射频接收系统性能指标分析。 第三章为m i m o 移动台射频接收机设计方案与系统仿真，首先根据课题的要求确定实 验系统方案，进行系统仿真，介绍了接收通道的组成及各模块单元的设计。 第四章为本振系统的设计。首先介绍了各娄频率台成器的原理、特点和性能指标，根 据移动台方案要求确定本振系统方案，完成了本振源、射频本振功分模块和中频本振功分 模块的设计井进行了有关仿真。 第五章为m i m o 移动台射频接收实验系统实现与测试，完成了系统的电路设计和p c b 布板，进行了系统电路的测试和分析并对课题工作做了总结。 东南大学硕士学位论文 第二章m i m o 移动台射频系统的分析 2 1 移动通信中无线信道传播特性l “5 t 2 “2 7 移动通信系统的性能和无线信道传播特性的关系十分密切。在移动通信中，移动台常 常工作在城市建筑群和其它地形地物较为复杂的环境中，其传输信道特性是随时随地变化 的，因此移动通信信道是典型的随参信道。其传播路径损耗不仅与频率和距离有关，而且 与基站和移动台的天线高度及地形形状、各种人为环境有关。由于以上原因，使移动台接 收到的电波一般是直射波和随时变化的绕射波、反射波、散射波的叠加，这样就造成所接 收信号的电场强度起伏不定，这种现象称为衰落。 在移动通信中，无线电波主要是以空间波的形式传播，但是由于地表面波随着频率的 升高衰减急剧增大，传播距离很有限，所以在分析移动通信信道时，主要考虑直射波和反 射波的影响，认为在接收端的接收信号是直达波和多个反射波的台成。如图2 1 所示。 图2 1 移动信道的传播路径 本节简要介绍移动信道中常见的衰落特性、多径时散、多径传播及多普勒效应等现象 以及与射频系统设汁有关的抑制这些现象的措施。 2 1 1 自由空间的传播损耗 白由空间通常是指均匀无损耗的无限大的真空 程，可表示为： k 2 魄( 爿， 可见，l 只与波长 和距离d 有关。 2 1 2 快衰落 无线电波的基本传播损耗服从雷达方 ( 2 1 ) 在移动信道中，发射的信号要经过直射、发射、散射等多条传播路径到达接收端，由 于电波通过各个路径的距离不同，因而各个路径来的电波到达时间不同，相位也就不同。 不同相位的多个信号在接收端迭加，使得接收信号的幅度将急剧变化，即产生了衰落。这 第二章m i m o 移动台射频系统的分析 种衰落主要是由多径传播引起的，所以称为多径衰落。如剧2 2 所示。它使接收端的信号 近似于一种叫做瑞利分布的数学分布，故多径衰落又称为瑞利衰落。瑞利衰落随时间急剧 变化时又称为“快衰落”，严重衰落时可达3 0 d b 。根据理论推导，衰落最大频率f 为： f ：2 以次秒 ( 2 2 ) 其中v 为移动速度， 为信号波长。例如载波频率f = 2 4 0 0 m h z ，v = 9 0 k m h ，f = 4 0 0 次秒。 噙n 懿 图2 2 快衰落示例 2 1 3 慢衰落 接收信号除瞬时值出现快衰落之外，场强中值在陡时间内出现缓慢变化，称为慢衰落， 也称阴影衰落。如图2 3 所示。产生的原因主要有两方面：一是基站和移动台之间的地形 地物及地区位置的改变：二是由于气象条件变化，大气的条件发生缓变，以致电波的折射 传播随时间变化而变化，多径传播到达固定接收点的信号的时延随之变化，因变化非常缓 慢可忽略不计。慢衰落接收信号近似服从对数正态分布，变化幅度取决于障碍物状况、工 作频率、障碍物和移动台移动速度等。 图23 慢衰落示例 慢衰落和i 怏衰落是由相互独立的原因产生，随着移动台的移动，这二者构成移动通信 接收信号不稳定的主要因素。 2 1 4 多径时散 多径效应除引起信号的快衰落以外，在时域上会造成数字信号的展宽而引起畸变。当 基站发射一脉冲信号，由于移动台附近散射体的存在而造成多径传输，所收到的信号呈现 为一串离散脉冲，结果使脉冲宽度被展宽r ，这种因多径传播造成信号时间离散的现象， 称为多径时散。由于对不同频率的信号其时延扩展不同，在频域将导致宽带信号的频率选 择性衰落，引起严重失真。 东南大学硕士学位论文 2 1 5 相干带宽和相干时间 两个频率间隔很近的衰落信号，存在着不同的时间延迟，可能使得这两个信号相关起 来，符合这一条件的频率间隔取决于时延扩展，通常称之为多径时散的相干带宽。 由于散射体的随机运动造成了信道的频率扩散，导致了接收信号频谱的随机扩散，从 而使得接收信号电平随机起伏变化，即时间选择性衰落。对于时间选择性衰落，只要时问 差足够太，前后两时刻的接收信号屯平的起伏才不再相关，定义这个不再相关的最小时间 间隔为相干时间。 2 1 6 多普勒效应 多普勒效应是为纪念c h r i s t i a n d o p p l e r 而命名的，他于1 8 4 2 年首先提出了这一理论，多 普勒效应适用于所有波形。在移动通信中要充分考虑“多普勒效应”：当移动台移向基站日_ j 频率变高，远离基站时频率变低，呈现频率偏移现象。在高速移动时，多普勒效应会导致 快衰落，速度越高，衰落变换频率越高衰落深度越深。在相同的移动环境下，多普勒效 应除与移动台及传播路径一k 物体的移动速度有关外，还与载波频率有关，频段提高会导致 多普勒频率偏移增大，信号衰落周期减小。 2 1 7 消除信道衰落的措施 分集技术是抗多径衰落的一种有效方法，广泛应用于移动通信中。所谓分集技术是指 接收机对多个携有相同信息且衰落特性相互独立的接收信号进行合并处理，以降低衰落的 影响。分集技术主要有空间分集、频率分集和时间分集等多种。在移动通信中，通常采用 空间分集。 空间分集可以有效地减弱快衰落，利用几个相瓦独立的天线在空间不同位置接收信号， 通过独立的射频接收通道