（电子科学与技术专业论文）80216d基带ofdm调制及数字滤波的高效实现.pdf

浙打：大学硕士学位论文 a b s t r a c t i e e e8 0 2 1 6 ds t a n d a r ds p e c i f i e st h ea i ri n t e r f a c eo f f i x e db r o a d b a n dw i r e l e s s a c c e s s ( b w a ) s y s t e m ss u p p o r t i n gm u l t i m e d i as e r v i c e s t h i st h e s i sr e s e a r c ht h e r e a l i z a t i o no fi e e e8 0 21 6 ds t a n d a r d2 5 6o f d mp h yb a s e b a n ds y s t e mb a s e do n f p g a r a d i x 一4d 1 tr l s ta i i t h m e t i ci su s e dt or e a l i z e2 5 6s u b c a r r i e r so f d mm o d u l a t i o n a n dg i v eo u ta l le f f i c i e n ti m p l e m e n ts t r u c t u r eb a s e do i lf p g a o f d ms i g n a l sh a v ea g r e a tp e a k t o a v e r a g ep o w e rr a t i o ( p a p r ) ，t h em e t h o d s o fr e d u c t i o no f d m s i g n a l s p a p ri sd i s c u s s e da n dt h ec l i p p i n ga n df i l t e r i n gm e t h o dt or e d u c ep a p ri s a d o p t e d f i ri sn o to n l yu s e di nr e d u c t i o no f d ms i g n a l sp a p rb a s e do nc f i p p i n ga n d f i l t e r i n gm e t h o d ，b u ta l s oi nd i g i t a l u pc o n v e r t o ra n dd i g i t a l - d o w nc o n v e r t o r d o w n l i n ks y n c h r o n i z a t i o na l s on e e df i r h o w e v e r , t h er e a l i z a t i o no ft h ef i r ( e s p e c i a l l yt h eh i 曲f i r ) i nf p g an e e d sl a r g er e s o u r c e ，e f f i c i e n td e s i g n so fv a r i o u s f i ri nt h eb a s e b a n ds y s t e mi sv e r yi m p o r t a n t p r o p e r l yu s i n gd i s t x i b u w _ , da r i t h m e t i c a n dm u l t i c h a n n e ls t r u c t u r ec a nr e d u c er e q u i r e m e n to ff p g ar e s o u r c eo b v i o u s l y a l s oi tc a nb ei m p l e m e n t e de f f i c i e n t l yu s i n gap o l y p h a s ed e c o m p o s i t i o nw h e n i n t e r p o l a t i o no rd e c i m a t i o ni sn e e d e d ，a n dam e t h o dt oe x p l o i tt h es y m m e t r i c s t r u c t u r eo fp o l y p h a s ef i l t e ri sp r o p o s e d ， k e yw o r d s ：i e e e8 0 2 1 6 d o f d m p e a k t o a v e r a g ep o w e rr a t i o f i rf i l t e r d i s t r i b u t e d a r i t h m e t i c 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 宽带无线接入是当前研究的热点。美国电气和电子工程师协会( i e e e ) 于1 9 9 9 年设立8 0 2 1 6 工作组，工作内容主要是开发宽带无线接入系统标准，包括空巾 接口及其相关功能“3 ，标准涵盖2 6 6g h z 的许可频段和免许可频段，解决最后 一公里的宽带无线城域网的接入问题。随着研究的深入，相继推出了8 0 2 1 6 、 8 0 2 1 6 a 、8 0 2 1 6 d 等一系列标准，并于2 0 0 5 年1 2 月7 日，互联网工程任务组 宣布8 0 2 1 6 e 标准获批，该标准将作为移动w i m a x 技术的基础。该系列标准引起 业界广泛关注，为r 推广遵循i e e e 8 0 2 1 6 和e t s ih i p e r m a n 的宽带无线接入设 备，并确保其兼容性及互用性，由一些主要的通信部件及设备制造商结成r 一个 工业贸易联盟组织，即w i m a x ( w o r d w i d ei n t e r o p e r a b i l i t yf o rm i c r o w a v e a c c e s s ，微波接入全球互操作性认证联盟) ，而i e e e 8 0 2 1 6 标准又被称之为 “w i m a ( 技术”。 1 。1i e e e8 0 2 1 6 系列标准发展主要阶段 8 0 2 1 6 系列标准发展主要经过以下几个阶段： 最早是2 0 0 1 年1 2 月颁布的8 0 2 1 6 ，主要是为了提出一个统一的无线宽带接 入的技术规范，使用1 0 6 6 g h z 频段提供基于视距的固定宽带无线接入。2 0 0 3 年 1 月颁布的8 0 2 1 6 a 对8 0 2 1 6 进行了扩展，对使用2 - 1 i g h z 许可和免许可频段 的固定宽带无线接入系统的空中接口物理层和m a c 子层进行了规范，该频段具有 非视距传输的特点，覆盖范围最远可达5 0 k m ，通常小区半径仅为6 - l o l m ，其与 8 0 2 1 6 相比更具有市场应用的价值。 8 0 2 1 6 d 是8 0 2 1 6 的一个修订版本，是相对比较成熟并且最具实用性的一 个标准版本，在2 0 0 4 年下半年正式发布。8 0 2 1 6 d 对前几个标准进行了整合和 修订，保持了8 0 2 1 6 、8 0 2 1 6 a 等标准中的所有模式和主要特性，增加或修改的 内容用来提高系统性能和简化部署，或者用来更正错误、补充不明确或不完整的 描述，包括对部分系统信息的增补和修订。同时，为了能够后向平滑过渡到 8 0 2 1 6 e ，8 0 2 1 6 d 标准增加了部分功能以支持用户的移动性。2 0 0 4 年1 0 月1 日，i 髓e 正式发布了8 0 2 1 6 d 标准，并统一名称为8 0 2 1 6 2 0 0 4 。 浙江大学硕上学位论文 8 0 2 1 6 e 是移动宽带无线接入的标准，该标准规定了可同时支持固定和移动 宽带无线接入的系统，工作在2 - 6 g h z 适于移动性的许可频段，可支持用户以车 辆速度移动，该标准还规定了支持基站或扇区间高层切换的功能。2 0 0 5 年1 2 月 7 日，互联网工程任务组( i e e e ) 宣布8 0 2 1 6 e 标准获批。 1 2 基于f p m 的电子系统设计 f p g a 是现场可编程门阵列( f i e l dp r o g r a m a b l eg a t ea r r a y ) 的简称，它是 电子设计领域中最具活力和发展前途的一项技术，f p g a 可阻完成任何数字器件 的功能，上至高性能的c p u ，下至简单的7 4 系列电路，都可以用f p g a 来实现。 我们可以通过传统的原理图输入法，或是硬件描述语言自由的设计一个数字系 统。通过软件仿真，我们可以事先验证设计的正确性。在p c b 完成以后，还可以 利用f p g a 的在线修改功能，随时修改设计而不必改动硬件电路。通过基于f p g a 的方式来开发数字电路系统，可以大大缩短设计时问，减少p c b 面积，提高系统 的可靠性。 正是由于f p g a 的这些优点，已经有越来越多的通信产品是用f p g a 来实现的。 而且用f p g a 来实现通信产品的功能有一个很大的好处就是可以将其做成为。个 i p 核。以后设计者在没计电路时如果需要用到此功能的电路，就可以在f p g a 中 直接调用，而不需要再外接电路。调试时只需要修改程序，不需要重新制作电路 板，这样可以缩短设计周期并节省成本。如果产品有大批量需求，也可以从f p g a 转向a s i c 设计，以降低成本，减少功耗。 一般地，f p g a 器件是由大量的逻辑宏单元组成的，通过配置，可以使这些逻 辑宏单元形成不同的硬件结构，从而构成不同的电子系统，完成不同的功能。由 f p g a 构成的电路可以以并行的方式工作，远优于通用d s p 处理器，对于通用d s p 处理器需要大量运算指令完成的工作，f p g a 可在一个周期内完成。由于基于f p g a 的设计具有主硬件用户可定制性和可重配置性，硬件方面表现出极大的灵活性， 可以根据需要通过改变f p g a 中构成d s p 系统的硬件结构来改变硬件的功能、技 术指标、通信方式、硬件加密算法和编解码方式等。随着达数百万门高密度的 f p g a 的大量出现，f p g a 在原有的高密度的逻辑宏单元基础上嵌入许多面向d s p 的专用硬核模块，结合大量可配置于f p g a 硬件结构中的参数化i pc o r e ，开发者 浙江大学硕士学位论文 能十分方便地将整个d s p 系统实现在一片f p g a 芯片中，从而实现了所谓地可编 程s o c ( s y s t e mo nc h i p ) 。 快速原型是一个设计方法”3 ，其基本目标是迅速建立个可运行的系统。对 于通信系统，可以先进行浮点、定点的建模和仿真，然后通过e d a 工具将其转化 为h d l ( 硬件描述语言) ，在进行综合和布局布线。虽然目前实际工程中还是用h d l 在r t l 级描述居然多，但随着e d a 水平的提高，这种设计方法将被广泛的使用。 相对与通用的d s p ( 信号处理器) ，用软件串行算法实现数据处理，f p g a 用硬件 并行实现数据处理，在速度上更有优势，因此更适合现代通信系统。 一个完整的f p g a 设计流程包括电路设计与输入、功能仿真、综合、综合后 仿真、实现、布线后仿真和下板调试等主要步骤。其中电路设计与输入是根据工 程师的设计方法将所设计的功能描述给e d a 软件。常用的设计输入方法有硬件描 述语言( h d l ) 和原理图设计输入方法。目前进行大弛工程设计时，最常用的设 计方法是h d l 设计输入法。其中影响最为广泛的h d l 语言是v h d l 和v e r i l o g h d l 。 它们的共同特点是利于由顶向下设计，利于模块的划分与复用，可移植性好，通 用性好，设计部不因芯片的工艺与结构的变化而变化，更利于向a s i c 移植。在 本论文设计实现中，采用v e r i l o gh d l 硬件描述语言，它可以用于从算法级、门 级到开关级的多种抽象设计层次的数字系统建模。在i e e e8 0 2 1 6 d 标准2 5 6o f i ) m p h y 基带系统实现中，我们采用了a l t e r a 公司新一代f p g a 芯片s t r a t i xii e p 2 s 6 0 。s t r a t i xi if p g a 是具有业界首创的自适应f p g a 体系，和上一代f p g a 相比，性能平均提高了5 0 ，逻辑容量增加了一倍，允许殴计者将更多的功能合 在更小的逻辑面积之上。9 0 n m 制造工艺和高效体系相结合具有最大的集成度， 和以往的大容量体系相比，大大地降低了成本。在硬件的仿真测试中，a l t e r a 的s i g n a l t a pi i 嵌入逻辑分析仪能捕获和显示可编程单芯片系统( s o p c ) 设计 中实时信号的状态，通过下载电缆，在计算机中观察f p g a 内部节点信号，这样 开发者就可以在整个设计过程中以系统级的速度观察硬件和软件的交互作用。 1 3 本文的工作和内容安排 8 0 2 1 6 2 0 0 4 ( 即8 0 2 1 6 d ) 标准是相对比较成熟并且最具有实用性的一个标 准版本“3 。该标准定义了三种物理层实现方式：单载波、o f d m ( 2 5 6 一p o i n t ) 、 浙il 大学倾士学位论文 0 f d m a ( 2 0 4 8 一p o i n t ) 。由于0 f d m 、0 f d m a 具有较高的频谱利用率，在抵抗多径效 应、频率选择性衰落或窄带干扰上具有明显的优势，因此o f d m 和o f d m a 将成为 i e e e8 0 2 1 6 中两种典型的物理层应用方式。 论文在介绍了i e e e8 0 2 1 6 d 标准2 5 60 f d mp h y 基带系统的整体框架的基础 上，针对2 5 6 个子载波的离散傅立叶变换逆变换( d f t i d f t ) ，利用r a d i x 一4 按时域抽取的快速算法( f f t i f f t ) ，提出了一种高效的f p g a 实现结构。由于 0 f d m 系统存在较高的峰值平均功率比( p a p r ) 。1 ，分析比较了降低系统p a p r 的方 案，采用直接限幅滤波方法，很好的降低了o f d m 系统信号的峰值平均功率比， 并用f p g a 加以实现。由于数字滤波f i 仅在直接限幅滤波降低系统p a p r 有重要的 应用，在数字上变频和下变频、下行链路同步定时的时候也需要数字滤波器，而 数字滤波器( 特别是高阶滤波器) 的f p g a 实现需要占用大量的资源，因此高效 的设计系统需要的各种数字滤波器非常重要。本文详细介绍_ r 分布式算法，内插、 抽取滤波器的多相结构，多通道结构，在满足系统要求地前提下有效的减少了 f i r 滤波器对f p g a 资源的占用。 本文分为以下几个部分： 第一章介绍了i e e e8 0 2 1 6 系列标准发展主要阶段和基于f p g a 的原型设计。 第二章介绍了i e e e8 0 2 1 6 d 标准2 5 6o f d mp h y 基带系统的整体框架。 第三章研究了2 5 6 点0 f d m 的i f f t f f t 的f p g a 实现，利用块浮点结构， r a d i x 一4 按时域抽取的快速算法高效实现0 f d m 的调n 解调。 第四章研究了降低系统p a p r 的方案，采用直接限幅滤波方法“1 ，很好的降低 了0 f d m 系统信号的峰值平均功率比，并用f p g a 加以实现。 第五章研究了基带系统中f i r 滤波器的设计，利用分布式算法，内插、抽取 滤波器的多相结构和系数对称子滤波器的构建，多通道结构，有效的减少了系统 f i r 滤波器对资源的占用。 第六章对全文内容进行了总结及展望。 浙江大学硕士学位论文 第二章ie e e8 0 2 16 d 标准2 5 6o f d mp h y 基带实现总体框架 根据i e e e8 0 2 1 6 d 标准，数据从l o wm a c 了层传送到物理层的数据缓冲区， 经数据分组后进行随机化、分组卷积编码、交织、映射，然后再加入导频和前导， 进行o f d m 调制，冉加入循环前缀，经过这+ 系列操作后有天线进行发射。接收 机按相反次序进行。基带调制包括调制和编码。调制过程是把模拟或数字的信息 信号转换成合适在信道中传输的波形，因此每个数字通信系统都包含一个调制器 束完成这个任务。信道编码是o f d m 系统的非常重要的组成部份，特别是在无线 通信领域中，信道编码使得有效而可靠的无线通信成为可能。w i m a x 是应用在很 广泛的场景的一种无线宽带系统，信道条件变化比较人，在不同的信道条件下系 统需要不同的容错能力，同时还要保持尽可能大的数据速率，因此w i m a x 系统的 信道编码和调制需要采用自适应调制编码，来应对各种可能的信道条件。 数据从l o wm a c 子层传送到物理层的数据缓冲区，由于信道编码调制是以 o f d m 符号为单位进行的，因此数据分组模块的主要功能是把数据按每个符号进 行分组，这包含两个层次：一是指每帧数据按b u r s t 进行分组：另外一个层次是 指每个b u r s t 的数据按o f d m 符号进行分组，并且对齐，如果不能对齐则需要加 填充数据。 2 1 随机化 进行基带信号传输的缺点是其频谱会因数据出现连1 和连0 而包含 大的低频成分，不适应信道的传输特性，也不利于从中提取出时钟信息。解决办 法之一是采用扰码技术，使信号受到随机化处理，变为伪随机序列。扰码不但能 改善位定时的恢复质量，还可以使信号频谱平滑，使帧同步和自适应同步和自适 应时域均衡等系统的性能得到改善。 扰码虽然“扰乱”了原有数据的本来规律，但因为是人为的“扰乱”，在接 收端很容易去加扰，恢复成原数据流。 实现加扰和解码，需要产生伪随机二进制序列( p r b s ) 再与输入数据逐个比 特作运算。p r b s 的生成序列是1 + x “+ x ”，初始化序列依次向右移出，相应的 反馈比特进入到m s b 。数据输入字节依次从d a t a _ i n 进入随机化编码器( m s b 在 浙江大学硕士学位论文 第二章i e e e8 1 6 d 标准2 5 60 f 嗍p h y 基带实现总体框架 根据i e e e8 0 2 1 6 d 标准，数据从l o wm a c 了层传送到物理层的数据缓冲区， 经数据分组后进行随机化、分组卷积编码、交织、映射，然后再加入导频和i j f 导， 进行o f d m 调制，冉加入循环前缀，经过这系列操作后有天线进行发射。接收 机按相反次序进行。基带调制包括调制和编码。调制过程足把模拟或数字的信息 信号转换成台适在信道中传输的波形，冈此每个数字通信系统都包含一个调制器 束完成这个任务。信道编码是o f d m 系统的非常重要的组成部份，特别是在无线 通信领域忆信道编码使得有效而可靠的无线通信成为可能。w i m i l x 是应用在很 广泛的场景的一种无线宽带系统，信道条件变化比较人，存不同的信道条件下系 统需要小同的窖错能力，同时还要保持尽可能大的数据速率，因此w - m a x 系统的 信道编码雨l 调制需要采用自适应调制编码，来应对各种可能的信道条件。 数据从l o wm a c 了层 专送到物理层的数据缓冲区，由于信道编码调制是咀 o f d m 符号为单位进行的，因此数据分组模块的主要功能是把数据按每个符号进 行分组，这包含两个层次：一是指每帻数据按b u r s t 进行分组；另外一个层次是 指每个b u r s t 的数据按o f d m 符号进行分组，并且对齐，如果不能对齐则需要加 填充数据。 2 1 随机化 进行荩带信号传输的缺点是其频谱会因数据出现连“1 ”和连0 而包含 大的低频成分，不适应信道的传输特性，也不利于从中提取出时钟信息。解决办 法之一是采用扰码技术，使信号受到随机化处理，变为伪随机序列。扰码不但能 改善位定时的恢复质量，还可以使信号频谱平滑，使帧同步和自适应同步和自适 应时域均衡等系统的性能得到改善。 扰码虽然“扰乱”了原有数据的本来规律，但因为是人为的“扰乱”，在接 收端很容易去加扰，恢复成原数据流。 实现加扰和解码，需要产生伪随机二进制序列( p r b s ) 冉与输入数据逐个比 特作运算。p r b s 的生成序列是l + x “+ x ”，初始化序列依次向右移出，相应的 反馈比特进入到m s b 。数据输入字节依次从d a t a _ i n 进入随机化编码器( m s b 在 反馈比特进入到m s b 。数据输入字节依次从d a t a i n 进入随机化编码器( m s 8 在 浙江大学硕士学侍论文 前) ，与p r b s 所产生的随机化序列相异或 并不需要随机化“1 。 l 衄 完成随机化操作，需要注意的是导频 图2 1p r b s 数据随机化 由于随机化编码器的本质是把数据与一个随机化序列相异或，而与同一序列 两次异或操作即可恢复原数据，所以译码与编码是完全对应的关系，在接收方把 接收数据按相同的方式( m s b 在前) 进入到随机化编码器，与同一随机化序列进 行异或，即完成了译码。需要注意的是一定要保证译码与编码以相同的次序进入 随机化编码器。 2 2 前向纠错编码 在8 0 2 1 6 d 标准中前向纠错编码采用r s 编码和c c ( 卷积码) 编码的级联编码， 通过采用不同截断方式的r s 和c c 码可以得到不同的编码速率。r s 码是分组码， 特别适合用于纠正突发的错误，c c 则在对抗随机错误方面有很好的性能，因此 把c c 码做内码，r s 码做外码的搭配可以取得非常不错的纠错能力，在各种通信 系统被广泛采用。 2 2 1 鹧编码 r s 是r e e d - s o l o m o n ( 里德一所罗门编码) 的简称，在8 0 2 1 6 d 标准中采用 r s 系统码( n = 2 5 5 ，k = 2 3 9 ，t = 8 ) 1 1o 其中： n = 2 5 5 表示每个码字中总共包含2 5 5 个码元。 k 一2 3 9 表示每个码字中包含2 3 9 个信息码元。 6 浙江大学硕+ 学位论文 t = 8 表示每个码字可以纠正8 个码元的错误。 r s 编码的码字以及编码运算都位于g f ( g a l o i s 伽罗瓦) 域内的数据，所有 的输入数据都要转化为对应的g f 域内数值，然后再进行编码。r s 译码的流程 按与r s 编码相反的流程依序进行。 r s 编码的生成多项式：g ( 工) = + 毋) 扛+ 名) + 名) + 彤7 _ 1 ) ，五= 0 2 【 g f 域的生成多项式：p ( z ) = 工8 + x 4 + x 3 + z 2 + 1 2 2 2 瞄码的缩短和打孔 i e e e8 0 2 1 6 d 标准的r s 编码需要对r s ( 2 5 5 ，2 3 9 ) 码进行缩短和打孑l ，以 产生不同码率和性能的r s 码“。当信息码元数缩小为足7 时，要在这k 7 个信息码 元之前加上2 3 9 一k 个零码元所为前缀，凑齐k = 2 3 9 个码元，送入编码器进行 r s 编码。在编码完成之后，把前面所加的2 3 9 一k 个码元的零前缀丢掉。当编 码之后需要打孔，即把可纠正码元的数量减少至7 1 7 个码i 时，在所输出的1 6 ( 2 t ) 个校验码元中选择前2 t 7 个输出。在译码过程中，重复相反的操作。 2 2 3 卷积编码 卷积编码( c o n v o l u t i o nc o d e ，c c ) 是不同于r s 编码的一种前向纠错码，它 是一种记忆码。分组码编码时”1 ，本组的检验码元仅与本组的信息码元有关，而 与其它各组码元无关，而卷积码编码时，本组的校验码元不仅与本组的信息元有 关，而且与以前各个时刻输入至编码器的信息组有关。 在i e e e8 0 2 1 6 d 标准中采用码长为1 ，编码效率为1 2 ，约束长度为7 的( 2 ， 1 ，7 ) 卷积码，卷积码的生成多项式如下式所示： 一g l = 1 7 1 。口= 1 2 1 = 1 1 1 1 0 0 1 b g 2 = 1 3 3 。日= 9 1 = 1 0 1 1 0 1 1 且 两个生成多项式的二进制系统即为卷积编码器的系数。 2 2 4 卷积编码和打孔的实现 下面的图2 2 中给出了卷积编码器的框图，信息比特依次进入移位寄存器中 ( m s b 在前) ，根据加法器的系数产生的输出x 、y 即为编码结果，x 在前，y 在后， 串行输出，注意次序不能颠倒。 浙江人学硕上学位论文 d a t ai n 图2 2 效率为1 2 的卷积编码器 卷积编码的数据需要进行打孔以产生不同速率的数据，打孔的规则如表2 1 所示，因为卷积打孔之后的数据是串行输出的，所以可以把这卷积编码和打孔结 合起来考虑。 表2 1 不同r a t ei d 对应的卷积编码效率和打孔规则 r a t ei dc cc o d er a t e d k xyx y o 1 2 1 011 x 。y 1 l 2 3 61 01 1 x ，ey 2 2 5 6 4l o l o l1 1 0 1 0 x 。y 1 ex 3y 4 x 5 3 2 3 61 01 1 x ，i 4 5 641 0 1 0 11 1 0 1 0 5 3 4 51 0 11 1 0 x 。墨匕x 3 6 5 6 41 0 1 0 11 1 0 1 0 7 1 5r e s e r v e d r e s e r v e d r e s e r v e d r e s e r v e d r e s e r v e d 2 2 5 打孔恢复和卷积译码 在接收方需要先恢复打孔的数据，然后再进行卷积译码。恢复打孔操作即是 浙扛大学硕七学位论文 在被去掉的比特上添零即可。卷积译码方法有很多种。3 ，现在最常用的是v i t e l b i 译码，这是一最大似然译码算法，是一种最佳的概率译码算法。v i t e r b i 译码分 为硬判决和软判决两种方法，硬判决译码指采用码元汉明距离作为度量的译码方 法，而软判决译码为_ ：_ r 充分利用信道输 _ ；信号的信息，提高译码可靠性，往往把 信道输出的信号进行q ( 2 ) 电平量化，然后再送入译码器，v i t e r b i 的软决和 硬判决译码器在结构上基本相同，采用软判决并不会增加译码器的复杂度。但软 判决比硬判决可以获得2 d b 的性能提升。 2 。3 交织 在无线信道中，比特差错经常成串发生，这是由于持续时间较长的衰落谷点 会影响到几个连续的比特，而信道编码仅在检测和校正单个差错和小太长的差错 串时才最有效( 如r s 只能纠正8 个字节的错误) 。为了纠正这些成串发生的比特 差错及一些突发错误，可以运用交织技术来分散这些误差，使长串的比特差错变 成短串差错，从而可以用前向码对其纠错。 交织技术对已编码的信号按一定规则重新排列，解交织后突发性错误在时间 上被分散，使其类似于独立发生的随机错误，从而前向纠错编码可以有效进行纠 错，前向纠错码加交织的作用扩展了前向纠错的可抗长度字节。纠错能力强的编 码一般要求的交织深度相对较低。纠错能力弱的则要求更深的交织深度。 在8 0 2 1 6 d 标准中，交织深度为个符号的长度。交织分为两个步骤：第 步把相邻的比特映射到不相邻的子载波上；第二步把相邻的比特轮流映射到星座 图上重要的点上，避免出现艮时间的低可靠度数据比特。 8 0 2 1 6 d 标准中交织的定义需要下面几个参数“1 ： 。，每个0 f d m 符号包含的比特数，对应j ：b p s k ，q p s k ，1 6 一q a m ，6 4 一q a m 的情况，值分别为1 9 2 ，3 8 4 ，7 6 8 ，1 1 5 2 。 。，每个子载波上的比特数，对应- j ：b p s k ，q p s k ，1 6 一q a m ，6 4 一q a m c j 情况， 值分别为1 ，2 ，4 ，6 。 s - c e i l ( 。2 ) 。 七，第一次交织时前的信息比特的序号。 浙江大学硕士学何论文 m 。，第一交织后的信息比特的序号。 ，第：次交织后的信息比特的序号。 则第一次交织通过如下公式定义： m t = ( 蛳z 1 2 ) k m o d l 2 + f l o o r ( k 1 2 )k = o ，l 2 ，n 。岫一1 第二次交织通过如下公式定义： j t = s f l o o r ( m s ) + ( + 蛳一f l o o r ( 1 2 m t ，如) ) “( ，) k = 0 , 1 2 一，n 。b 。一1 2 4 映射 表2 2 不同r a t ei d 下的交织深度 r a t ei dm o d u l u l a t i o ni n t e r l e a v el e n g t h 0 b p s k1 9 2 1q p s k3 8 4 2q p s k3 8 4 31 6q a m7 6 8 4 1 6 一o a m 7 6 8 56 4 = 。a m1 1 5 2 6 6 4 一q a m 1 1 5 2 交织之后的数据串行进入星座图映射器，在8 0 2 1 6 d 标准中的映射采用 b p s k 、q p s k 、1 6 一q a m 和6 4 一q a l 的格雷码映射方式。星座图的映射必须进行归一 化操作，即通过乘以图中的c 因子得到平均功率。在星座图中，b o 表示l s b “1 。 浙江大学碗上学位论文 1 与：lf 一 一； j- f2 l ? o 州 l_ 7 - 0 5 - 0 e 1 1 3，! t! 一 l 一 0 一s - 0 - 。 l - 图2 3b p s k 、q p s k 、1 6 咱a m ，6 4 一q a m 星座图 6 嘲幻 星座图映射后的数据依次对应到频域的子载波上，按递增的顺序映射，第 个比特对应到最低频的部份，后面的依次递增。 2 5 导频和前导 在数据子载波之间需要插入导频以组成o f d m 符号，下面的p r b s 产生的随机 序列w 。，然后根据w 。产生每个o f d m 符号的导频“1 。 搬沁 i n i t i a l t a t o n 阢： 1l11ll11ll1 s e q u e n c e u l ： 1o1o101olo 1 图2 4 导频的生成p r b s 浙江大学硕士学位沦文 导频的牛成在上行和下行链路中是，1 i 同的，在f 行链路中，整个下行子帧的 导频生成是统一的，序号k 表示的是当前o f d m 符号相对于下行予帧开始的序号。 而在上行链路中，每个b u r s t 是独立的，每个b u r s t 开始时都要复位p r b s ，序 号k 表示的是当前o f d m 符号相对于b u r s t 开始的序号。在上行和f 行链路中， 第一个o f d m 符号的序号为0 。 在f 行链路中，导频序列为：1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 ，第3 个值是1 ， 则w ，= 1 ，这个导频将应用在下行链路前导之后的第一个o f d m 符号。 导频生成公式如下： d l ：c8 82c 3 8 2 c 6 32c 8 85 1 2 w c “32 c 1 32c 1 32c 3 8 = 2 w k 一1 u l ：c8 82c 一3 82 c 1 32c 3 8 = c 6 3 = ( 勰2 1 2 w c 一6 32 c 1 3 2 2 w 一l 8 0 2 1 6 d 标准中的前导分为两种：长前导和短前导，下行帧和测距请求时采 用长前导，上行帧时采用短前导。 长前导结构如下： t g t b t g t b 图2 5 下行链路和网络登录前导 短前导结构如下： 日1 三 t e t b 图2 6 上行链路前导 长前导和短前导的频域数据都从下面这个序列衍生而来“3 ： p a l l ( 一1 0 0 ：1 0 0 ) = ( 1j ，1 一j ，一l j ，l + j ，l j ，1 一j ，一l + j ，l j ，1 一j ，1 一j ， l + j ，lj ，l + j ，1 + 3 ，一1 一j ，l + j ，一1 一j ，一1 一j ，1j ，一l + j ，1 一j ，1 一j ，一1 一j ，l + j ， 1 一j ，1 一j ，一l + j ，l j ，1 一j ，1 一j ，l + j ，一1j ，l + j ，l + j ，一1 一j ，l + j ，一1 - j ，一1 一j ， 1 一j ，一l + j ，l v j ，1j ，一l j ，l + j ，1 一j ，1 一j ，一l + j ，1j ，1 一j ，1 一j ，l + j ，一1 一j ， l + j ，l + j ，一1 - j ，l + j ，一1j ，一1 一j ，l j ，l + j ，l + j ，l + j ，1 一j ，一l + j ，l + j ，l + j ， 浙江大学硕士学垃沧文 卜j 对于长前导的前半部份： 只。= 压- 压c o n j ( p 。( ) ) o 对于长前导的后半部份和短前导 最。= 2 - 只。( 七) 0 2 。6 胙嗍解调调制 七m 。d 4 = 0 七。4 0 2 = 0 2 0 离散傅立叶变换逆变换( d f t i d f t ) 是o f d m 解调调制系统的核心，用 d f t i d f t 实现o f d m 解调调制时，n 个子载波是自然正交的，由此可以避免由本 振产生的各子载波频率偏移而导致正交性能恶化的问题4 3 。 i 。f t h 。2 善n - 1 4 吲, ，可2 n k ) ( 0 k n - 1 ) 、，百2 m k ，, ( o f n - 1 、) 7 可一 t u s2 s 其中，s 。为时域数据符号，哦为频域数据符号。 1 3 ( p xe t s = d tpd 浙江大学硕士学位论文 对于点数n 较大的d f t i d f t ，一股都是采用其快速算法f f t i f f r 来减少复 数乘法和加法的数量。在8 0 2 1 6 d 标准中，映射之后数据必须进行i f f t 变换， 把数据从频域转化到时域，同h 寸完成o f d m 调制过程。相反的，在接收过程中需 要进行f f t 变换完成o f d m 的解调。 2 7 循环前缀( c p ) 为了最大限度地消除符号间干扰，可以在o f d m 符号之间插入保护间隔，而 且该保护间隔地长度一股要大于无线信道的最大时间延扩展。这样一个符号的多 径分量就彳i 会对下一个符号造成干扰。如果在这段保护间隔内，不插入任何信号， 是段空闲的传输时间。1 ，由于多径的存在，会产生信道间干扰( i c i ) 。通过o f d m 符号在其保护问隔内填入循环前缀，即i f f t f f t 所产生的s y m b o l 根据系统要求 复制后半部分内容至s y m b o l 前端，实现信号波形的自相关重复。 2 8 数字中频 在发送、接收机结构中，信号正交变换时，如果两个本振信号不正交，就会 产生虚假信号。为使虚假信号尽可能的小( 虚假抑制足够大) ，对两个本振信号 正交性的要求很高，用一般模拟本振的方法来实现时非常困难的“。而数字正交 混频的方法对信号先进行a d 采样数字化，形成序列x ( n ) ，然后与两个数宁正 弦信号相乘。在通过数字低通滤波器未实现。图2 7 为基于数字混频的数字下变 频模块( d d c ) ”1 。它将数字中频变频到零中频信号，同时将满足中频采样定理 的高速采样信号降低为低速采样信号，最后送到基带处理部分进行解调处理。 图2 7 基于数字混频的数字下变频模块 由于两个正交本振序列的形成和相乘都是数学运算的结果，所以其正交性是 1 4 浙江大学硕+ 学位论文 完全可以得到保证的8 1 ，只要确保运算精度即可。当然，这种方法要求a d 采样 的采样速率比较高，目前a d 采样也基本满足要求，但是a d 采样速率高对后续 的数字低通滤器的实现有比较高的要求。 同样，发射机也可以用数字中频方案，它将零中频的基带信号上变频到中频， 同时将低速率的数字信号内插为高速率的满足中频n y q u i s t 采样定理的数字信 号，其结构如图2 8 所示。1 。 2 9 基带的其他部分 图2 8 数字上变频模块 ( 珂) 对于卜- 行链路的同步、信道估计等重要模块，本人目前没有对其进行研究， 这里要指出8 0 2 1 6 d 标准2 5 6o f d mp h y 基带系统的下行链路的同步定时也需要 f i r 数字滤波器实现的相关设计。定时同步采用了对接收到的数据与已知前导序 列的一部分( 6 4 点) 进行互相关操作，归化后的互相关结果与仿真得到的阈值 相比较来检测相关尖峰的存在，实现精确的定时同步。在f p g a 没计上，定时同 步可根据资源分配和整个系统对时问的要求采用并行实现或串行实现。由于并行 实现具有很好的实时性，因此实际实现的时候采用并行方式。除了由相关窗口的 大小以及硬件所引起的一些延迟，每一个时钟周期都会产生一个相关结果。由前 导第一个o f d m 的周期性结构可确定相关窗口大小为6 4 ，一次互相关操作需要并 行地做6 4 个复数乘法以及6 3 个复数加法，这样消耗了f p g a 内部大量的l e 和 d s p 资源，因此可以参照f i r 的分布式算法，设计i q 两路6 4 级f i r 来优化互相 关的并行实现。已知前导序列的6 4 组复数作为f i r 的系数，接收到的数据流流 经f i r ，在延迟了6 4 个时钟周期后( 相关窗口) ，每一个时钟周期都会产生一个 相关结果，利用归一化后的相关结果，判定一帧的开始。在帧同步上以后，为减 小系统功耗，定时操作自动停止，直到这一帧结束。其中一帧的长度可通过当前 浙江大学硕上学位论文 的c p 值和0 f d m 符号数确定其模块框图如下所示 图2 9f i r 滤波器在j j 步定时并行实现的应用 在实际上程实现的时候，考虑的对资源的占有，可以采用i o 两路分时复用 的方式，这样可以使滤波器对f p g a 资源的占用几乎有一半的减少。 此外，由于0 f d m 系统存在较高的峰值平均功率 ：l ( p a p r ) 【1 0 1 。降低峰值平均 功率比模块也需要数字滤波器，将在第四章详细介绍。 2 1 0 小结 根据前面小节的讨论和i e e e8 0 2 1 6 d 标准中2 5 60 f d m 物理层基带部分的论 述，可以设计出基带系统总体实现的框架，如图2 1 0 。 浙江大学硕士学位沦文 图2 1 0 基带系统总体实现的框架 1 7 浙江大学硕士学位论文 本论文下面【：作主要研究了基带系统总体实现的框架巾三个重要的模块的实现： 1 ) 2 5 6 个子载波的离散傅立叶变换逆变换( d f t i d f t ) 的f p g a 高效实现。 2 ) 采用直接限幅滤波方法，降低了系统峰值平均功率比，并用f p g a 加以实现。 3 ) 研究了基带系统中需求的单速率、内插、抽取f i r 滤波器的高效实现。 这三个模块在系统实现中非常重要，直接关系到系统性能和对f p g a 资源的占用。 下图为整个基带系统的实际验证平台，由项目组的其他人员完成。论文f 面所做 的_ _ i _ = 作均在这个平台上和基带系统其他模块一起经调试后实际验证通过。 图2 1 1 基带系统的实际验证平台 浙江大学硕士学位论文 第三章o f d m 解调调制的实现 w i m a x 系统实现普遍采用了正交频分复用( o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o n m u l t i p l x i n g ，o f d m ) 方式，能够不需要复杂的均衡技术支持高速无线数据的传输。 正交频分复用以其有效的对抗多径衰落的特性以及较高的频谱资源利用率受到 广泛的关注”“。o f d m 系统可以采用快速离散傅里1 1 f _ 变换技术( d f r ) 来实现快速 的调制和解调。 3 1 交频分复用( o f d m ) 正交频分复用( o f d m ) 是一种特殊的多载波传输技术，它将一个较宽的传输带 宽分割成为j 巧相正交的多个子载波用于并行传输数据“。当然，o f d m 也可视为 一种调制技术或复用技术。 o f d m 技术的个最大优势就是对抗多径衰落。由于整个传输带宽被分成多 个窄带的子载波，因而每个子载波内，信号可视为平坦衰落的。在单载波调制系 统中，信道的衰落将会影响到整个信号带宽；而在多载波调制系统中，只有一小 部分子载波被衰落，这些由衰落予载波引起的错误可以通过使用纠错码等方法进 行纠正。 传统的并行传输系统中，整个信号带宽被分成多个并行的非正交的予载波。 每个子载波单独调制，因而整个系统采用频分复用。两个相邻的子载波之间频谱 没有交叠，这样有利于消除子载波间的干扰。然而，这种频分复用方式降低了频 谱的利用率。为了提高频偏利用率，在2 0 实际6 0 年代中期提出了并行传输和带有 频谱交叉的f d m 的思想，即正交频分复用( o f d m ) 。正交的多载波训制机制比传统 的频分复用系统的频谱利用率提高一倍。为了减小子载波间的