（电路与系统专业论文）宽带无线自组织网的基带设计与实现.pdf

摘要 摘要 无线自组织网是一种无中心、多跳、临时组织的对等网络。由于它具有无需 基础设施、快速组网的能力，因而被广泛应用于军事行动、地震等自然灾害或者 偏远地区的救援行动等场合。无线自组织网已成为近年来无线通信的研究热点之 一。 宽带无线自组织网是由多个具有路由功能和终端功能的节点组成的，本文正 是以节点的基带为研究对象，进行基带系统的设计与实现。 首先，本文提出宽带无线自组织网基带系统的设计目标，确定了整体架构及 基带系统的一些关键参数，为了满足节点具有较高的抗多径效应能力和频谱利用 率指标要求，在基带设计中选用并实现了o f d m 技术。 其次，本文探讨了基带设计中的信道编解码技术与同步技术。通过对同步技 术的建模仿真，证明与本地相关的符号同步算法可以使符号定时达到较好的准确 度；通过理论分析与仿真验证，证明在符号定时同步模块中运用1 - b “相关器的 可行性，从而减少了硬件实现的运算量。利用m a t l a b 对基带系统进行建模仿真， 验证基带系统设计的正确性，为后面的基带系统的f p g a 实现提供了指导。 最后，完成了基带系统的硬件系统实现与f p g a 实现。基带系统的主控芯片 采用x i l i n x 公司的v i r t e x 4f x 6 0 型号的f p g a ，外围接口包括a d 、d a 、d d r 等。在f p g a 上实现了基带系统的大部分功能模块，包括c r c 编解码、扰码、 解扰码、卷积编码、维特比译码、o f d m 调制与解调、符号定时同步和载波同 步等。 经测试，基带系统的发送端与接收端均能正常工作，即基带系统在f p g a 上 的环路测试是正确的。 关键词：无线自组织网；基带；o f d m a b s t r a c t a b s t r a c t w i r e l e s sa dh o cn e t w o r ki sak i n d o fp e e r - t o - p e e rn e t w o r k d u et oi t s d i s t i n g u i s h i n g c h a r a c t e r i s t i c ss u c ha s ：n oc o n t r o lc e n t e r , m u l t i - h o p ，c o n v e n i e n t n e t w o r kb u i l d - u p ，w i r e l e s sa dh o cn e t w o r ki sb e i n gr a p i d l ya p p l i e di nm i l i t a r yf i e l d ， n a t u r a lc a l a m i t ya n dr e m o t ea r e a w i r e l e s sa dh o en e t w o r ki sc u r r e n t l yar e s e a r c h f o c u s t h ed i s s e r t a t i o nf o c u s e so nb a s e b a n dr e s e a r c ho nb a c k b o n en o d e sw h i c h c o n s t r u c tt h ea dh o cn e t w o r k f i r s t l y , t h ed i s s e r t a t i o np r o p o s e st h et a r g e to ft h eb a s e b a n ds y s t e ma n dc o n f i r m s t h es y s t e ma r c h i t e c t u r ea n ds o m ek e yp a r a m e t e r s o f d mc a nc o m b a tm u l t i p a t h f a d i n ga n dh a sh i g hs p e c t r a lu t i l i z a t i o n , s ow eu s et h i st e c h n o l o g yi nt h eb a s e b a n d d e s i g n s e c o n d l y , t h ed i s s e r t a t i o nd i s c u s s e ss o m ek e yp o i n t so nb a s e b a n d ，w h i c hc o n t a i n c o d i n g & d e c o d i n gt e c h n o l o g ya n ds y n c h r o n i z a t i o nt e c h n o l o g y t h r o u g hs i m u l a t i o n , w ef r e dt h a tt h et i m i n gs y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h mc o r r e l a t e dw i t hl o c a ls e q u e n c ec a n g e t ag o o dr e s u l t t h es i m u l a t i o nr e s u l tp r o v e st h a t1 - b i tc o r r e l a t o rc a nb e i m p l e m e n t e di nt h et i m i n gs y n c h r o n i z a t i o n t h eb a s e b a n ds y s t e mh a sb e e ns i m u l a t e d 淅t hm a t l a b ，w h i c hc a no f f e rg u i d a n c ef o rt h ef o l l o w e df p g a i m p l e m e n t a t i o n f i n a l l y , t h ed i s s e r t a t i o nd e s c r i b e st h eh a r d w a r ea n df p g ai m p l e m e n t a t i o n t h e m a s t e rc o n t r o l l e ri nt h eb a s e b a n ds y s t e mi sv i r t e x - 4f x 6 0f p g a ，w h i c hc o n t r o l sal o t o fd e v i c e s ，s u c ha sa d ，d a ，a n dd d r m o s tf u n c t i o n so fb a s e b a n ds y s t e ma r e r e a l i z e d 谢t l lf p g a ，i n c l u d i n gc r cc o d i n ga n dv e r i f y , s c r a m b l e r , c o n v o l u t i o n a l c o d i n g ，v i t e r b id e c o d i n g ，o f d m m o d u l a t i o na n d d e m o d u l a t i o n , t i m i n g s y n c h r o n i z a t i o na n dc a r r i e rs y n c h r o n i z a t i o n a tl a s t ，t h et e s tr e s u l to ft h eb a s e b a n d s y s t e mi sp r o p o s e da n dt h et e s tr e s u l ti nf p g a i sr i g h t k e yw o r d s ：a dh o c ；b a s e b a n d ；o f d m i i i 厦门大学学位论文原创性声明 本人呈交的学位论文是本人在导师指导下，独立完成的研究成 果。本人在论文写作中参考其他个人或集体已经发表的研究成果，均 在文中以适当方式明确标明，并符合法律规范和厦门大学研究生学 术活动规范( 试行) 。 另外，该学位论文为() 课题( 组) 的研究成果，获得() 课题( 组) 经费或实验室的 资助，在() 实验室完成。( 请在以上括号内填写课 题或课题组负责人或实验室名称，未有此项声明内容的，可以不作特 别声明。) 声明人( 签名) ：糯 1 肌日 厦门大学学位论文著作权使用声明 本人同意厦门大学根据中华人民共和国学位条例暂行实施办 法等规定保留和使用此学位论文，并向主管部门或其指定机构送交 学位论文( 包括纸质版和电子版) ，允许学位论文进入厦门大学图书 馆及其数据库被查阅、借阅。本人同意厦门大学将学位论文加入全国 博士、硕士学位论文共建单位数据库进行检索，将学位论文的标题和 摘要汇编出版，采用影印、缩印或者其它方式合理复制学位论文。 本学位论文属于： ( ) 1 经厦门大学保密委员会审查核定的保密学位论文， 于年月日解密，解密后适用上述授权。 () 2 不保密，适用上述授权。 ( 请在以上相应括号内打“ 或填上相应内容。保密学位论文 应是已经厦门大学保密委员会审定过的学位论文，未经厦门大学保密 委员会审定的学位论文均为公开学位论文。此声明栏不填写的，默认 为公开学位论文，均适用上述授权。) 声明人( 签名) ：际柏历 1 年月v 日 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 无线自组织网的发展状况 我们经常提及的移动通信网络一般都是有中心的，要基于预设的网络设施才 能运行。例如，蜂窝移动通信系统要有基站的支持；无线局域网一般也工作在有 a p ( a c c e s sp o i n t ) 接入点和有线骨干网的模式下。但对于某些特殊场合来说， 有中心的移动网络并不能胜任。比如，战场上部队快速展开和推进，地震或水灾 后的营救等。这些场合的通信不能依赖于任何预设的网络设施，而需要一种能够 临时快速自动组网的移动网络。a d h o e 网络可以满足这样的要求。 a dh o e 这个词来源于拉丁语，本意是“向这个的意思，在英语中其基本 含义是“专门为某一特定目的的、即席的，即兴的，事先未准备的”。【l j 无线自 组织网是由一组带有无线收发装置的移动节点组成的一种无线移动通信网络，它 不依赖于预设的基础设施而临时组建，网络中移动的节点利用自身的无线收发设 备交换信息，当相互之间不在彼此的通信范围内时，可以借助其它中间节点中继 来实现多跳通信。中间节点帮助其它节点中继时，先接收前一个节点发送的分组， 然后再向下一个节点转发以实现中继。无线自组织网络中，所有节点的地位平等， 无需设置任何的中心控制节点，与普通移动网络和固定网络相比，它具有无中心、 自组织、多跳路由、动态拓扑等特点，这些特点使得a dh o e 网络在体系结构、 网络组织、协议设计等方面都与普通的蜂窝移动通信网络和固定通信网络有着显 著的区别。 由于a dh o c 网络的特殊性，它的应用领域与普通的通信网络有着显著的区 别。它适合被用于无法或不便预先铺设网络设施的场合、需快速自动组网的场合 等。针对a dh o e 网络的研究是因军事应用而发起的，因此，军事应用仍是a dh o c 网络的主要应用领域，但是在民用方面，a dh o e 网络也有非常广泛的应用前景， 特别是随着3 g 技术的发展，将移动自组织网应用于蜂窝通信系统，具有增加蜂 窝网覆盖，提高系统吞吐量，改善蜂窝网性能的优点。 目前，对于无线自组织网，世界性的研究机构主要有三个：i e e e 的8 0 2 1 1 2 j 和8 0 2 1 5 3 l i 作组，i e t f 的m a n e t 工作组和a dh o e 无线网络与计算联盟( a d 宽带无线自组织网的基带设计与实现 h o cw i r e l e s sn e t w o r k i n g & c o m p u t i n gc o n s o r t i u m ) 。i e e e8 0 2 1 1 工作组制订的无 线局域网( w i ，a n ) 标准包含两种模式：a dh o e 模式和a p 模式，该标准主要 制订了物理层和m a c 层的标准。i e e e 8 0 2 1 5 工作组负责制订个人区域网标准， 8 0 2 1 5 委员会制定的一些标准如蓝牙、z i g b e e ，是a dh o c 网络的一些特殊应用。 i e t f 的m a n e t 工作组的目标是对移动a dh o e 网络中的路由协议及路由安全等 相关技术进行标准化，以实现a dh o e 网络在i p 层上的路由机制，最终使得i p 协议真正成为可以屏蔽任何底层传输媒质的网络互连协议。a dh o e 无线网络与 计算联盟是由美国乔治亚州学校的多媒体和高速网络实验室( m o b i l em u l t i m e d i a & h i g h s p e e dn e t w o r k i n gl a b ) 组织的工业界企业联盟，它集中了工业界的一些 知名企业来参与a dh o e 无线网络的研究与应用工作，从家庭无线网络、蓝牙到 较大范围的本地到远端的网络和通信系统。 1 2 论文的研究背景和意义 当信号在无线媒体中传输时，会出现两个困难：一个是包络的衰减，它以不 可预知的方式对信号的强度进行衰减：另外一个就是色散，它在时域和频域同时 改变原始信号的波形。正交频分复用( o f d m ) 技术尤其适用于频率选择性信道 上的高速数据传输，并且具备均衡简单，接收机成本低等优点。随着移动通信系 统的发展，其数据传输的速率将越来越高，o f d m 在应用中的优势也越来越明 显。o f d m 已成为了自组织网物理层的一种典型技术，使得无线自组织网具有 高频谱利用率，抗频率选择性衰落等特点。【4 】【5 】 在现代通信中，f p g a 的应用越来越广泛。f p g a 指的是现场可编程门阵列， 它的基本功能模块是由n 输入查找表，存储数据的触发器和选择器等组成。查 找表能够实现输入数据的任意布尔函数；触发器则用来存储数据，如有限状态机 的状态信息；选择器对不同的输入信号进行组合，将查找表和触发器用可编程的 布线资源连接起来，从而实现不同的组合逻辑和时序逻辑。由于f p g a 内部结构 的特点，它可以很容易地实现分布式的算法结构，这一点对于实现无线通信中的 高速数字信号处理十分有利。随着半导体工业的发展，f p g a 不论是在资源还是 面积的性能上都有了很大的提高，这为f p g a 用于计算量较大的基带处理提供了 基础，也是f p g a 广泛应用于基带系统的原因。 2 第1 章绪论 本文讨论的是宽带无线自组织网的基带设计，是省重大专项“宽带无线自组 织网络应急通信系统”的一部分。该无线自组织网最多能支持3 2 个节点，节点 单跳距离最远3 - - 4 公里，要求它具有较大的带宽及较高的实时性，以满足实时语 音、图像、数据传输的要求。无线自组织网系统是由多个具有路由功能的节点组 成。每个节点可以与计算机和其它设备相连，实现了物理层、数据链路层以及网 络层的功能，并能自动组成平面级的网络结构，即所有的节点的地位是平等的。 连接在节点上的设备通过以太网接口与节点进行数据交互，传输i e e e 8 0 2 3 的数 据包。本论文实现的是节点的基带部分，即上文所说的节点的物理层。 1 3 论文的内容和结构 论文的工作围绕宽带无线自组织网的基带系统设计展开。频率选择性信道对 宽带无线通信影响比较大，因而本基带系统考虑采用o f d m 技术，以获得比较 好的性能。本文提出了宽带无线自组网基带系统的设计目标，说明了基带系统设 计中的一些技术难点，并对基带系统进行了m a t l a b 仿真，验证了基带系统设计 的正确性。根据基带系统的设计目标与m a t l a b 的仿真结果，本文实现了宽带无 线自组织网的硬件系统设计和基带系统的f p g a 设计。本文完成了一个比较完整 的宽带无线自组织网基带系统的设计，全文以主线( 目标提出一m a t l a b 仿真一 一硬件系统设计- f p g a 设计系统测试) 贯穿。 本文一共分为6 章，各章的内容安排如下： 第1 章，绪论，介绍了无线自组织网的发展状况，说明了论文的研究背景与 意义，最后对研究工作与内容安排进行了说明。 第2 章提出了基带系统的设计目标，介绍了o f d m 调制解调技术，说明了 把o f d m 技术运用于宽带无线自组网基带系统的必要性。确定了整体框架以及 基带系统中的关键参数。 第3 章对基带系统设计中的关键技术进行了探讨，包括编解码技术以及同步 技术，并对同步技术的一些算法进行仿真，说明了1 - b “相关器用于符号定时同 步的可行性。本章的最后一节是对整个基带系统进行仿真，验证了本基带系统设 计的可行性。 第4 章对基带系统的硬件平台进行了详细的介绍，包括电源系统、f p g a 模 宽带无线自组织网的基带设计与实现 块、时钟模块和a d 与d a 模块等。 第5 章对基带系统的各个模块的f p g a 实现进行了详细的说明，包括编解码 模块、o f d m 调制解调模块、同步模块，最后给出了系统的测试结果。 述。 第6 章是论文的总结与展望，对本论文所做工作和下一步的工作进行了阐 4 第2 章基带系统的设计目标及关键参数的确定 第2 章基带系统的设计目标及关键参数的确定 一个宽带无线自组织网的节点的结构框图如图2 1 所示： 图2 1 自组织网节点基本结构 基带子系统在整个无线自组织网系统中起到了相当重要的作用，整个系统的 性能有很大一部分是由基带决定的。基带子系统完成了信道的编解码、数字调制 解调、定时与同步、信道估计等工作。本章将提出宽带无线自组织网基带系统的 设计目标并对系统中的一些关键参数进行确定。第1 小节提出了本基带系统的设 计目标；第2 小节描述了设计中参考的一些标准；第3 小节对本系统采用的调制 技术刈f d m 技术进行了介绍；在最后的小节提出了基带系统的整体架构并 确定了系统的关键参数。 2 1 无线自组织网基带系统的设计目标 如图2 1 所示，无线自组织网基带子系统属于无线自组织网节点的一部分， 处在多址子系统与数字中频子系统之间。 基带子系统接收来自多址子系统的数据流，外理后，送往数字中频子系统， 进行上变频后送往射频子系统；同时接收来自数字中频子系统下变频后的数据， 解调后，将数据流送往多址子系统。基带子系统以一个时隙的数据包为处理单位， 受多址子系统的控制，进行发送与接收。 下面列出了基带子系统的一些指标要求： 工作频段：2 3 2 m h z 2 3 8 m h z 工作带宽：6 m 宽带无线自组织网的基带设计与实现 双工方式：t d d 模式 通信容量：最大无线信道业务信息速率6 m b p s 误码率与传播可靠度：单跳在9 8 的时间内，传输误码率小于l x l 0 “ 节点数：最多3 2 个 节点移动性：节点运行速度不大于6 0 k m h 时，能正常进行业务通信 节点距离：节点单跳距离最远3 4 公里 2 2 研究现状 o f d m 调制解调技术在a dh o c 网络中得到越来越广泛的应用。文献【6 对物 理层的几种技术进行探讨，最后选择o f d m 技术应用于无人机a dh o c 网络物理 层。文献 4 1 1 7 针对a dh o c 网络的物理层进行了分析与研究，采用跳频o f d m 的调制方式以提高系统的安全性能。文献【8 】描述了将o f d m 技术应用于无线自 组织网的建模仿真方法。 无线网络可以根据使用的范围分为局域网( w l a n ) 、城域网( w m a n ) 以 及广域网( w w a n ) 等。i e e e 为无线网络制定了相关标准，如用于w l a n 的 8 0 2 1 1 a ，用于w m a n 的8 0 2 1 6 。本文在设计宽带无线自组织网基带系统时参考 了这些标准。 2 2 18 0 2 1 l a i e e e 于1 9 9 9 年批准了8 0 2 1 l a 2 1 ，现在已经在各个领域得到了广泛的应用。 i e e e 8 0 2 1 l a 应用于5 g h z 的射频前端，能够实现6 m b p s 5 4 m b p s 的数据传输速 率。 8 0 2 1 1 a 标准针对的是室内的无线通信，为了克服多径信道的时延扩展，采 了o f d m 的调制方式，标准采用了g o o n s 的保护间隔，c p 的宽度( 即保护间隔) 作为o f d m 调制系统中的主要参数，在一定程度上决定了标准中其它参数的选 择。8 0 2 1 l a 标准中有关基带的一些主要参数如表2 1 所示 6 第2 章基带系统的设计目标及关键参数的确定 表2 1 8 0 2 1 1a 标准中基带的一些主要参数 参数数值 卷积编码生成多项式( 1 3 3 ，2 1 7 ) 编码比率 1 2 、9 1 6 、2 3 、3 4 数据速率 6 、9 、1 2 、1 8 、2 4 、3 6 、4 8 、5 4 m b s 调制方式b p s k 、q p s k 、1 6 一q a m 、6 4 - q a m 扰码生成多项式x 7 + 0 + 1 总子载波数n = 6 4 使用到的子载波数 m 埘= 4 8 ( d a t a ) + 4 ( p i l o t ) = 5 2 采样频率 z = 1 t = 2 0 m h z 数据符号时间 = 6 4 x t = 3 2 u s 循环前缀时间 乙= 1 6 x t = 0 8 u s 子载波间隔 a f = 1 t f f r = 0 3 1 2 5 m h z 总占用带宽 a f i 倒= 1 6 2 5 m h z 如图2 - 2 所示为8 0 2 1 l a 标准的帧结构，由前导码，s i g n a l 字段以及数据字 段构成的。前导分为两部分，分别是短前导和长前导。短前导是由1 0 组相同的 1 6 个采样点构成的，使得接收端可以实现a g c 、粗符号定时以及粗频率校正。 长前导是由循环前缀以及两个重复的6 4 个采样点构成的，实现细符号同步、细 频率校正和信道估计等功能。 9 1 1 1 0 】 1 0 x0 s = s i 畦 i 2x 0 s - * 2 * 3 2 - - s 0 妒 。l ，g 。- 3 2 = 4 0 舻j 0 5 + 3 2 s 4 0 i l 乏i 量8 + 1 _ 2 t 4 o 疹 “包t 3 t skt 7t s 姆t t c l g r y i t 1 i t 2 l g i s i g s m _ i g r , d a t a1 ￥g l id a t a2 图2 28 0 2 1 4 aw l a n 帧结构 7 宽带无线自组织网的基带设计与实现 2 2 28 0 2 1 6 8 0 2 1 6 1 1 】【1 2 1 的提出是针对无线城域网的宽带传输，主要为工作在2 1 1 g h z ( 只有w i r e l e s s m a n s c 是工作在1 0 6 6 g ) 频段的非视距宽带接入系统而设计 的。考虑到系统工作的物理环境比较复杂，标准工作组提出了四个物理层规范： w i r e l e s s m ：a n s c 、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 、l e s s m a n o f d m a 。其中，w i r e l e s s m a n s c 、w i r l e s s m m n s c a 适用于直视距，使用的是 单载波的调制方式；w i r e l e s s m a n o f d m 、w i r e l e s s m a n o f d m a 适合于非直视 距，使用的是o f d m 的调制方式。考虑到宽带无线自组织网打算采用的是o f d m 调制方式，因而本小节对w i r e l e s s m a n o f d m 标准的o f d m 调制的主要参数以 及前导的结构进行了简要地介绍。表2 2 描述的是o f d m 的主要参数，更为详 细的一些参数可以参考文献【1 1 】。 表2 2o f d m 的主要参数 参数数值 总子载波 n = 2 5 6 ( 序号从1 2 8 到1 2 7 ) 使用的子载波 m 删= 2 0 0 ( - 1 0 0 ，1 ) 和( 1 ，1 0 0 ) 保护子载波 = 5 5 ( 一1 2 8 ，- 1 1 0 ) 和( 1 0 1 ，1 2 7 ) 导频子载波索引号8 8 、6 3 、3 8 、1 3 、1 3 、3 8 、6 3 、8 8 循环前缀的载波个数 6 4 、3 2 、1 6 、8 8 0 2 1 6 的所有前导均由一个或者两个o f d m 符号组成。下行链路使用的是 由两个连续的o f d m 符号组成，上行链路则采用了一个o f d m 符号组成前导。 图2 3 为下行链路的前导结构，其中c p 的长度与数据符号中的c p 长度一致， 第一个o f d m 符号时域上包括四个重复的6 4 个采样值，根据f o u r i e r 变换的原 理，频域上仅使用4 的倍数的子载波，第二o f d m 符号时域上包括2 个重复的 1 2 8 个采样值，频域上仅使用偶数的子载波。 第2 章基带系统的设计目标及关键参数的确定 图2 3 下行链路的前导结构 上述的两个标准都用到了o f d m 技术，将o f d m 技术运用于基带设计中， 具有抗多径衰落和频谱利用率高的特点。 2 3o f d m 技术 2 3 1o f d m 技术提出的必要性 2 3 1 1 多径效应的影响 在无线通信中，从发射端到接收端的路径并不是唯一的，这会导致多径效应。 在接收端看来，它收到的信号是一系列由一个信号沿不同路线反射、折射或散射 而来的信号的叠加，多径造成的影响是，会收到一系列具有随机相位偏差的不同 幅值的信号。在传输速率比较低的时候，多径效应并不影响接收端的判决。但当 提高传输速率时，多径效应产生的延迟就会造成符号间的干扰，因为此时我们无 法分辨一个信号是新的信号还是上一个信号的延迟。 如图2 - 4 所示，h ( 0 为多径信道的传输函数，h ( f ) 为对应信道的频率响应 h ( t ) m - i = a , s q - r ) h ( f ) ( 2 1 ) 图2 4 多径信道的冲激响应与频率响应 9 f 宽带无线自组织网的基带设计与实现 因为多径时延是不同的，频率响应h ( f ) 表示为幅度上的波动。这种频域 中的波动将使宽带信号的波形发生失真。若信号的带宽为w ，信道的相干带宽 为境，若w 统，此时多径的时延相对于符号周期是可分辨的，产生了多径干 扰，那么信道被认为是频率选择性信道。 若信号的带宽比较窄，信道的频率响应在信号带宽内可以近似为常数，如图 2 4 所示。此时多径的时延相对于符号周期是不可分辨的，那么无线信道是平坦 的。对于宽带无线自组织网，它的应用环境决定了多径是不可避免的，而又要求 数据的传输速率比较高，为了解决这一矛盾可以采用多载波技术。 2 3 1 2 多载波技术 多载波技术( m c m ) 是指采用多载波，将数据分成多个序列，调制到各个 载波上，发送出去。数据被分成几个序列，这样使得每个数据的传输速率变低。 可以有效地对抗多径效应以及窄带干扰。如图2 5 所示，描述的是单载波信号 与多载波信号通过频率选择性信道的情况。可以按式( 2 2 ) 描述接收到的信号。 墨删( 门= 日( 厂) ( 厂) 墨删( 厂) = 日( 厂) 瓯蹦( 厂) ( 2 2 ) = h k ( f ) f k ( f ) k = l 矗氏 。“ 弋 h ( 0 劳率选择性信道 f 、氏 氏 f n 图2 5 单载波与多载波的对比 1 0 第2 章基带系统的设计目标及关键参数的确定 对于多载波调制，只有少数的几个子载波受到频率选择性信道的影响，通过 纠错编码模块可以比较容易地把错误纠正过来。通过式( 2 2 ) ，可以看出，多载 波系统做均衡比较容易，对于每个子载波一般只需要单抽头的均衡器，但对于单 载波而言，需要比较复杂的自适应均衡算法。 2 3 1 3o f d m 技术的发展与定义 正交频分复用( o f d m ) 是多载波调制技术的一种，它除了具有上述m c m 的优势外，还具有更高的频谱利用率。o f d m 选择时域相互正交的子载波，它 们虽然在频域相互混叠，却仍能在接收端分离出来。 o f d m 最早源于2 0 世纪5 0 年代中期，6 0 年代中期贝尔实验室的r w c h a n g 描述了并行数据传输和f d m 的概念，1 9 7 0 年第一个关于o f d m 的专利发表， 1 9 7 1 年w e i n s t e m 和e b e r t ，以及后来的h i r o s a k i ，提出了用d f t 实现f d m 的方 案，f f t 的快速发展为o f d m 的应用打开了方便之门。2 0 世纪9 0 年代，出现 第一个商用的o f d m 无线系统数字音频广播( d a b ) 。如今，o f d m 技术 已经在数字视频广播( d v b ) ，基于i e e e 8 0 2 1 l a 的w l a n ，基于i e e e8 0 2 1 6 a d 的固定宽带无线城域网得到了应用。 一个o f d m 符号内包含多个经过调制( 如q p s k ，q a m 等) 的子载波。o f d m 的符号可以表示为： s ( f ) = d i r e c t ( t - t , - t 2 ) e x p ( j 2 z f ( t - t ，) ) ，f + r 聊以，i = ：0f 裂歹鬓墨 q 。 其中n 为子载波的个数，t 为o f d m 符号的持续时间，谚为第i 个子载波 的码元值，z 指的是第i 个子载波的载波频率，z = z + i t 对式( 2 3 ) 中的第m 个子载波进行解调，在t 时间长度内进行积分即 ，2 亍j j + t ie x p 一_ ，2 万等。一) 篓珥e x p 【一歹2 万事。一) 】衍 。2 4 ， = j 1n - i 忆e 删2 万字( 凇= 厶 从而恢复出第m 个子载波的值。 宽带无线自组织网的基带设计与实现 如果基带信号采用矩形波，则每个子信道上的已调信号的频谱为s a ( x ) 形状， 其主瓣宽度为2 骗h z ，其中为o f d m 数据符号时间。由于时间内共 有o f d m 信号的n 个抽样，所以o f d m 的时域抽样周期为骗n ，o f d m 的 抽样频率z 为，从而可以得到相邻子载波之间的频率间隔为 a f = 石n = 1 ( 2 5 ) 已调载波信号频谱s a ( x ) 函数的主瓣宽度为2 ，间隔为1 t f f r ，从图2 - 6 o f d m 信号的频谱图也可以看出，某个子载波的峰值所在处，其它的子载波值 为0 ，子载波在频域上是正交的。 图2 - 6o f d m 信号的频谱图 2 3 2o f d m 的基本结构 对于o f d m 调制端，它的基本结构如图2 - 7 ( a ) 所示，由数字调制、插入导频， 串并转换、i f f t 、并串转换、加入循环前缀和加窗构成。o f d m 解调端如图2 - 7 ( b ) 所示，则是o f d m 调制端的逆过程。下面对o f d m 的一些模块进行介绍。 1 2 第2 章基带系统的设计目标及关键参数的确定 字调制h 插入导频h 串并转换h 疆雕卜 l 叫并串转换h 插入雾前h 加窗 图2 - 7 ( a ) o f d m 调制端的基本结构 图2 - 7 ( b ) o f d m 解调端的基本结构 这里的数字调制也可以称为星座映射，即根据调制方式如q p s k 、1 6 q a m 把输入的串行数据映射到星座图上，得到映射后的i 、q 两路数据。 对于插入导频，可以在时域插入，也可以在频域插入。在时域插入时，可以 在一帧前插入导频，即所谓的块状导频分布；在频域插入时，可以选择某几个特 定子载波来发射导频，即梳状分布。在接收端可以通过导频对信道进行估计。本 文采用的是在频域插入导频。 o f d m 调制端的i f f t 模块把数据进行载波调制，分发到各个子载波上， o f d m 解调端采用f f t 模块实现载波解调。有关f f t i f f t 的实现方法，已有众 多的文献详细说明，这里就不再详细阐述。对于n 点的f f t 运算，若采用基2 的f f t 算法，其复数的乘法次数为( n 2 ) l o g ：( ) ，当子载波数n 比较大的时候， 可以进一步采用基4 的f f t 算法【1 4 】来实现，此时需要的复数乘法的次数为 3 n l 0 9 4 ( ) 。 为了最大消除符号间干扰，可以在每个o f d m 符号间插入保护间隔，该保 护间隔长度疋一般要大于无线信道中的最大时延扩展，这样一个符号的多径分量 就不会对下一个符号造成干扰。最初的想法，是直接加入一段空白的传输时段， 但在这种情况下，多径传播的影响会产生载波间干扰，载波间的正交性被破坏。 宽带无线自组织网的基带设计与实现 1 9 8 0 年p e l e d 和r u i z 对o f d m 技术做出了一个重要的贡献，即把循环前缀 ( c p ) 引入到o f d m 以解决正交性的问题。【1 5 1 具体的做法如图2 8 所示，将o f d m 符号后的i 时间中的样点复制到o f d m 符号的前面，形成前缀。 一 、 。、 。-l 循环 i f f t 输出 前缀 乙骗 一 一个o f d m 符号 一 图2 8 插入循环前缀的o f d m 符号 对于循环前缀的理解，我们可以采用圆卷积的相关知识来解释。令h ( n ) 表示 信道的冲激响应，五( 玎) 表示调制后第i 个子载波信号，则在接收端接收到的第i 个载波的信号近似为 一l y i ( n ) = h ( m ) x i ( n - m ) ，为例f d m 的载波数 ( 2 6 ) 当第i 个子载波的信号由于多径的原因延迟了c 个码元的时间( c 个码元的 时间 毛) ，因为加入了循环前缀，则此时 一1 ( 玎) = h ( m ) x ，( ( n - m - c ) ) 峨( 门) ，氐( 刀) 为矩形脉冲序列，a p u ( n ) 一u ( n n ) m = o ( 2 7 ) 根据圆卷积的定理，可以得到如下的关系式 m ( 刀) 与z ( 后) 删与驰) e x p 和 q 培 对于第i 个载波信号，f f t 变换后，只有第i 个数值是不为0 的，因而第i 个载波的多径效应f f t 变换不会对其它载波产生影响，对自已本载波的数值， 1 4 第2 章基带系统的设计目标及关键参数的确定 会产生一个相位偏转。因而在o f d m 符号中加入循环前缀，解决了由于多径效 应产生载波干扰的问题。 o f d m 信号的带外功率谱衰减比较慢，即带外辐射功率较大。为了让带宽 之外的功率谱下降得更快，需对o f d m 信号进行加窗。为了保证在接收端能够 准确地恢复出原信号，还加入了循环后缀。通常采用的窗类型是升余弦函数，定 义如式( 2 9 ) 所示： i o 5 + o 5 c o s ( 刀 + t x ( ：t s ) ) ，0 f ：t s 以，) = 1 o ，五s t 五 ( 2 9 ) 【0 5 + 0 5 c o s ( t t s ) # ( p t s ) ，五r ( 1 + ) 五 式( 2 9 ) 中五指的是加窗前的信号长度，肛的时间与循环前缀以及循环 后缀的时间是相同的。加窗后的信号长度为( 1 + f 1 ) t s ，在实际的处理过程当中， 允许相邻的符号间存在相互覆盖的区域，即前一个符号的后缀与后一个符号的前 缀重叠，加过窗后的o f d m 信号如图2 - 9 所示。 前一个o f d m 符 图2 - 9 加窗后的o f d m 符号 2 3 3o f d m 基本参数的选择 o f d m 各种参数中首先要确定的3 个参数是：带宽、比特率及保护间隔， 一般情况下，保护间隔是无线信道时延扩展的2 - 4 倍。【”1 确定了保护间隔，就 可以确定o f d m 符号的周期。一般选择符号周期长度是保护间隔的5 倍。子载 波个数，调制模式则是由信道带宽、数据吞吐率和有用的符号持续时间所决定的。 表2 3 是对o f d m 参数对系统影响的总结。 宽带无线自组织网的基带设计与实现 表2 - 3o f d m 参数对系统的影响 参数大小 循环前缀t由多径环境决定的，毛应大于最大多径时延 数据长度骗 减小循环前缀的相对开容易支持高速运动；用于 销；信道估计容易；对定t d d 系统时，实时性好； 载波间隔= 1 t f p r 时偏差不敏感对载波频偏不敏感 子载波数目带宽大硬件复杂度小 峰均功率比小 2 4 基带系统的整体架构以及关键参数的确定 如图2 1 0 所示，为基带系统的整体架构。包括两大部分，即发送端与接收 端。发送端包括了与m a c 接口的接收缓存模块、c r c 编码、扰码、卷积编码、 交织、数字调制、插入导频、串并转换、i f f t 、并串转换、插入循环前缀以及加 窗、然后把数据送到数字上变频模块。接收端从数字下变频模块接收数据，通过 定时同步模块控制去循环前缀模块、信道校正、串并转换、f f t 、并串转换、数 字解调、解交织、v i t e r b i 译码、解扰码、c r c 解码，得到解码后的数据，放到 发送缓存中，再送到多址子系统中。 图2 10 基带子系统的整体架构 从图2 1 0 可以看出，在发送端中，c r c 编码、扰码、卷积编码是以帧为单 1 6 第2 章基带系统的设计目标及关键参数的确定 位对数据进行操作，其它模块则是以o f d m 符号为单位对数据进行操作。接收 端各模块的数据处理单位已在图2 1 0 中标出。 宽带无线自组织网节点单跳的距离最远可以达到3 4 公里，对于市区，多径 的平均时延大约为1 5 2 5 u s ，一般保护间隔为平均时延的2 - - - 4 倍，由于宽带无 线自组织网对系统的误码率性能要求比较高，因而保护间隔取1 0 u s 的数量级。 从2 3 3 小节中可以知道，一般选择符号周期长度是保护间隔的5 倍，即为 保护间隔的4 倍，因而此时为4 0 u s 的数量级。系统的带宽为6 m ，从而可以 算出一个f f t 符号的子载波数n = 6 ( 1 4 0 ) = 2 4 0 ，一般在选择f f t 子载波数的 时候，会就近选择2 的幂次方，因而确定n 为2 5 6 ，从而推出为4 2 6 7 u s ， 为1 0 6 7 u s 。宽带无线自组织网的基带系统的一些关键参数如表2 4 所示。 表2 4 宽带无线自组织网基带系统的一些关键参数 参数数值 卷积编码生成多项式 ( 1 3 3 ，1 7 1 ) 编码比率 1 2 调制方式q p s k 采样频率 z = 6 m 数据符号时间 = 4 2 6 7 u s 子载波间隔 a f = 1 = 2 3 4 3 6 k h z 循环前缀时间 珞= 1 0 6 7 u s 循环前缀载波数 6 4 总子载波数 n = 2 5 6 ( 序号从1 2 8 到1 2 7 ) 使用到的子载波数 = 2 0 0 ( - 1 0 0 ，- 1 ) 和( 1 ，1 0 0 ) 保护子载波数 m 删= 5 5 ( - 1 2 8 ，一1 1 0 ) 和( 1 0 1 ，1 2 7 ) 导频子载波索引号8 8 、6 3 、- 3 8 、- 1 3 、1 3 、3 8 、6 3 、8 8 用于数据的子载波数 a 胁= 1 9 2 1 7 宽带无线自组织网的基带设计与实现 本基带系统的帧结构如图2 1 1 所示，由两个前导符号以及8 个数据符号构 成。由于本宽带无线自组织网工作环境与8 0 2 1 6 标准描述的物理层的工作环境 有一些相似的地方，因而本基带系统的前导序列借鉴了8 0 2 1 6 标准中的前导结 构，其中短训练序列是由4 个重复的序列构成的，长训练序列是由2 个重复的序 列构成的。 ：刁；，丁7l af砷，j7 7 vr一 ，i oim w l y7 一 c pc pc pd a t a lc pd a t a 7 2 5 小结 图2 1 1 基带系统的帧结构 本章首先提出宽带无线自组织网基带系统的设计目标，介绍了在设计过程参 考的标准8 0 2 1 1 a 和8 0 2 1 6 ，分析了o f d m 技术，说明了o f d m 技术应用于宽 带无线自组织网基带系统的必要性，最后确定了基带系统的整体架构和一些关键 参数。 第3 章基带系统的设计与仿真 第3 章基带系统的设计与仿真 从第2 章的图2 1 0 基带系统的整体架构图来看，可以将基带系统设计的关 键技术划分为三大部分，分别是o f d m 调制解调技术、信道编解码技术和同步 技术。o f d m 调制解调技术已在第2 章进行了说明，因而本章主要对信道编解 码技术和同步技术进行描述。在此基础上，对同步技术的各种算法进行了讨论， 从理论和实际的仿真上说明了l b i t 相关器运用于同步技术的可行性。本章的最后 还对整个基带系统进行了仿真，讨论了基带系统在两种不同的信道下要达到误码 率为1 x 1 0 - 6 所需要的信噪比值。 3 1 信道编解码技术 3 1 1c r c 的编码与校