基于虚拟仪器的80211p接收机物理层实现及其关键技术研究.pdf

第一章绪论 1 1 背景和意义 第一章绪论 随着中国经济实力和科技水平的提高，交通业发展迅速，汽车已越来越深入到人们的日常生活 之中。2 0 0 9 年中国的汽车年销售总量已超过美国而跃居全球第l ，截至2 0 1 0 年底，中国汽车保有量 为9 0 8 6 万辆，超过日本，高居全球第2 。车辆的骤增引发了一系列社会问题：交通堵塞、停车困难、 交通事故频发，因此，车辆的安全驾驶、交通管理和车辆间的信息交换( 如自动刹车信息、危险告警、 碰撞告警、位置信息、速度信息) 等日益引起人们的关注。基于此，智能交通系统( i n t e l l i g e n t t r a n s p o r t s y s t e m ，i t s ) 及车辆无线通信网络等概念应运而生。 智能交通系统是将先进的信息技术，通信技术，传感器技术等有效地运用于交通运输管理体系， 建立起一种实时、准确、高效的综合运输和管理系统。多年来智能交通系统一直是研究的热点，在 智能交通系统的各个技术领域中，旨在提高车辆行驶的安全性、运输效率以及提供无处不在的无线 i n t e r n e t 接入的车载自组网( v a n e t s ，v e h i c u l a ra d h o cn e t w o r k s ) 技术又是研究的重中之重。车载自 组网是移动自组网( m a n e t s ，m o b i l e a d h o c n e t w o r k s ) 的一个分支，它是建立在配备有无线接口的 车辆( 即移动节点) 之间的点对点的通信的基础之上的【l 】，它的基本思想是在一定的通信范围内的车辆 将自动地连接建立起一个移动的网络，通过这样一个网络车辆与车辆之间可以相互交换各自的车速、 位置等信息并且车辆可以通过路边的热点快速的接入i n t e m e t ，这样便给驾驶员带来了极大的便利。 但是，该便利是建立在驾驶员通过该网络获得的信息必须快速准确的前提上，然而在车载自组网中， 车辆的高速行驶会使得网络拓扑变换迅速；同时车辆之间突现的建筑物、树木以及相邻车辆之间的干 扰等，都会使得无线信号有一定程度上的衰减。基于以上因素，车载自组网的通信媒介是比较恶劣 的，这种恶劣的环境使得通用的短距离无线通信协议并不适用。因而若想利用车载自组网来给驾驶员 带来便利以及完成相关应用，首先需要研究出一个特定的无线通信协议来完成车辆间的通信。 在这样一个背景下，国际上几大标准化组织都开展了制定专用短距离通信( d e d i c a t e ds h o r tr a n g e c o m m u n i c a t i o n ，d s r c ) 2 】【3 】标准的工作，以美国a s t m i e e e ，日本的i s o t c 2 0 4 和c e n t c 2 7 8 标准 体系为代表。 而其中具有代表性的便是美国推出的d s r c 标准。早在1 9 9 2 年，美国a s t m 就开始发展d s r c 技术，主要针对e t c 技术，采用9 1 5 m h z 频段。2 0 0 2 年a s t m 通过e 2 2 1 3 0 2 作为d s r c 标准，采 用5 9 g h z ，2 0 0 3 年通过改进版本e 2 2 1 3 0 3 4 1 。该版本以i e e e 8 0 2 1 l 标准为基础，提出一系列的改 进来适应车载环境的通信需求。从2 0 0 4 年开始美国的d s r c 标准化工作转入车载环境下的无线接入 技术( w i r e l e s sa c c e s si nt h ev e h i c u l a re n v i r o n m e n t ，w a v e ) 的研究，w a v e 被分为i e e e s 0 2 p 和 i e e e l 6 0 9 协议，w a v e 架构以经典的i s o 七层为参考，其中i e e e 8 0 2 1 l p 主要制定了物理层和介质 l 东南大学硕士学位论文 访问层的规范，而i e e e l 6 0 9 负责处理会话层，表示层应用层的相关内容。该系列兼容a s t m 标准。 至此，美国的d s r c 标准的框架已经浮出水面，如图1 - 1 所示。目前i e e e1 6 0 9 系列标准已经通过 试用版本，主要是d s r c 的上层标准。而针对下层关键技术的i e e e 8 0 2 1 1 p 在i e e e8 0 2 1 l a 标准基 础上做了一些修改，并在数次修改后于2 0 1 0 年发布了正式版本。现如今，世界上的许多学者和研究 机构都在致力于i e e e8 0 2 1 i p 协议的开发与改进，基于这份新技术的应用在道路上部署之前，必须 进行完整地测试以及性能评价。而其中非常重要的一块就是其物理层接收机算法的研究。只有通过 在实际环境中的大量测试，才能选择出最适合与该车载环境的接收机算法，而实际环境中的测试需 要通过接收机原型机来进行。 广一_ ，i 忑。r ) hs “je 1 。v ：s 。1 i 。1 、i 1 i 1 ) j c ；1 。1 ”1 卜 l p p l ；1 ( a lj ( ) n s 、f i ij lj 【卜r llj j i 、 u p1 e c u 啪l 型昌； w a v eu p pe r m a c w a v elo w e r m a c w a v ep h y 图1 。ld s r c 框架 本文以i e e e8 0 2 1l p 标准为基础，通过虚拟仪器技术来完成其物理层接收机原型机的搭建。通 过该原型机可以对研究出的接收机算法进行测试分析，从而可以更快地研究出适合于车载环境的接 收机算法。 1 2 国内外技术发展概况 1 2 1i e e e8 0 2 1 i p i e e e8 0 2 1 1 p 是美国交通部针对欧洲的车辆通信网络，特别是电子道路收费系统、车辆安全服 务与车载商业交易系统等应用而设计的一种中长距离通信的空中接1 2 1 标准，它计划将被用在车辆通 信系统中，能够提供高速的车到车和车到路侧单元的数据传输。i e e e8 0 2 1 l p 协议主要描述车辆无 线通信网络的物理层和m a c 层协议：m a c 层采用增强分布式信道接入机制( e d c a ) ，物理层仍采 用8 0 2 11 标准使用的正交频分复用( o f d m ) 技术，只是其物理层参数在8 0 2 1 1 a 的基础上进行了一些 调整。为了避免规格不一，使得市场接受度受到影响，i e e e8 0 2 1 1 p 除了与a s t me 2 2 1 3 0 3 相容之 外，也与i s o 组织下制定车用规格的t c 2 0 4 ( 1 t s ) w g1 6 建立沟通管道，t c 2 0 4w g l 6 也决议将支援 最终的i e e e8 0 2 1 1 p 版本。从i e e e 8 0 2 1 l p 任务组发布1 0 版本的草案至今，经过数次修改5 1 1 6 l 【7 1 ， 2 翟 第一章绪论 与2 0 1 0 年7 月正式颁布了i e e e 8 0 2 1 1 p 标准【8 1 。 在正式版本中，i e e e8 0 2 1 1p 在5 9 g h z 频段定义了7 个1 0 m h z 带宽的信道和一个5 m h z 带宽 的保护信道，如图1 2 所示。其中左边缘的信道作为保护信道；标号为c h l 7 5 的信道为控制信道 ( c c h ) ，用来传送广播资讯与建立连线，支援短资讯的广播与信息传送；标号为c h l 7 2 的信道为 保留信道，留着作为以后高级安全应用的信道：标号为c h l 7 8 的信道同样为保留信道，留着作为以 后长距离高功率安全民用通信的信道；其他信道为业务信道，用来承载路旁设备与车载设备以及车 载设备之间的通信。 j ：j 1 _ h j f ) f ，矗0f ! 出r 0 j j 2 ( ， c h l 7 2 5 8 6 0 g t t z5 8 9 0 g h z5 9 0 0 g h z5 9 1 0 g h z5 9 2 0 g h z 二二二 保护信道 二 保留信道 圈_ 一业务信道 厂 控制信道 图1 2i e e e8 0 2 1 1 p 物理层信道划分 i e e e8 0 2 11 p 作为一个新兴的技术，它吸引了世界范围世界范围内学者以及各大厂商的广泛关 注。目前，无限测试方案领导厂商莱特菠特科技已经在其w i f i 平台和多信道测试平台上开发出一 款8 0 2 1 l p 动态临时运行模式，并且率先推出了满足i e e e8 0 2 1 1 p 设备测试需求的完整方案，其中 硬件部分包含一个矢量信号分析仪( v s a ) 和矢量信号发生器( v s g ) 。同时近几年在n f c 近场无线 通信大放异彩的n x p 决定与澳洲公司c o h d aw i r e l e s s 合作，把目标放在针对车用市场的i e e e8 0 2 1 1 p 标准，希望2 0 1 4 年能够正式推出i e e e8 0 2 1 1 p 的产品，并且希望能在2 0 2 0 年让这项技术普及。 1 2 2 虚拟仪器技术 在上世纪8 0 年代，随着厂家对产品结构、性能要求的不断提高，以及市场对成本、时效性限制 的日益严格，产品的测试问题已成为客户关注的焦点，传统仪器已经难以满足要求：同时电子技术 和计算机技术的进步改变了传统的设计思想，许多过去由硬件实现的功能可以由软件实现。在这种 情况下，n l 公司提出了一项革命性的技术：虚拟仪器1 1 0 】【1 l i 。区别于传统台式的、用电路实现的、功 能固定的传统仪器，虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t s ) 是一种以计算机和测试模块的硬件为基础，以 软件为核心，并且在计算机上显示虚拟的仪器面板，由计算机完成仪器功能的计算机仪器。它可以 运用计算机强大的软件功能，完成对仪器的控制、数据采集、数据测量和分析以及测量结果显示等 功能。该技术认为硬件仅仅是为了解决信号的输入输出，软件才是整个仪器系统的关键，任何一个 使用者都可以通过修改软件的方法，很方便的改变、增减仪器系统的功能与规模，自定义自己的专 一一 东南大学硕士学位论文 用仪器系统。 从测试模块硬件角度来看，虚拟仪器发展经历了三个阶段。 第一阶段：利用计算机增强传统仪器的功能，使用g p i b 仪器总线控制台式仪器。 第二阶段：v x i ，p x i ，p x i e 仪器总线的推出，以及由此产生的插卡式仪器。其中v x i 是高速计算 机总线v m e 在仪器领域的扩展，p x i 由n i 公司在1 9 9 7 年推出，是p c i 总线在仪器领域的扩展。 p x i e 由n i 公司在2 0 0 6 年推出，在p x i 总线的基础上进一步提升了速度以及精度。 第三阶段：l x i ( l a ne x t e n s i o n sf o ri n s t r u m e n t s ) 仪器总线的推出，它是一种基于以太网技术等 工业标准的、由中小型总线模块组成的新型仪器平台。 目前，虚拟仪器的硬件构成主要是基于p x i ( p x i e ) 总线的仪器以及基于l x i 总线的仪器。 从虚拟仪器核心的软件来看，它主要由硬件驱动程序以及应用编程软件组成。其中硬件驱动程 序是对仪器硬件进行通讯和控制的软件层。目前，硬件驱动程序正向标准化驱动( i v l l l 2 1 ) 方向迈进， 即将目前一个仪器对应一个驱动程序的现状改变为一类仪器对应一个驱动程序，这样就使得当更换 当前仪器为同类型但不同型号的仪器时，无需再重新编写一次驱动，因为同类型的仪器驱动是通用 的；应用编程软件是虚拟仪器软件模块的核心部分，通过它可以编写不同的数据处理分析程序，并 且将结果直接提供给用户。目前应用编程软件主要包括图形化编程语言( 如n i 的l a b v i e w t l 3 】，h p 的 v e e 等) 以及文本编程语言( c v i ，c + + 等) ，如今，应用编程软件正在朝着图形化方向发展。 虚拟仪器技术把现成即用的商业技术与创新的软硬件平台相集成，从而为嵌入式设计、工业控 制以及测试和测量提供了一种独特的解决方案。目前财富8 0 0 强中8 5 的制造型企业己经选择了虚 拟仪器技术，大幅度减少了自动化测试设备的尺寸，使工作效率提升了十倍之多，而成本却只有传 统仪器解决方案的很小部分。德州大学奥斯汀分校利用虚拟仪器技术在u t 无线网络和通信实验室 r o b e r th e a t h 教授的指导下，三名学生在6 个星期内设计了一个m i m o o f d m4 g 系统的原型。美国 航空航天局( n a s a ) 也利用虚拟仪器技术探索宇宙起源，在n il a b v l e w 平台下，n a s a 完美的建 立了测试所须的太空仿真环境。与此同时，虚拟仪器技术本身还在不断发展和创新，由于建立在商 业可用技术的基础之上，使得目前正蓬勃发展着的新兴技术也成为推动虚拟仪器技术发展的新动力。 例如p c ie x p r e s s 技术可以让更多的原始数据以更高的速度传送给p c ：而多核则可以实现并行运算， 从而直线提升系统的数据处理性能：可编程逻辑门阵列( f p g a ) 技术则允许工程师根据不同的测试 要求通过软件重新定制硬件的功能。可以预见的是，这些主流的商业可用技术将让虚拟仪器技术向 更多的应用领域敞开大门。 1 2 3l a b v i e w 图形化编程语言 作为虚拟仪器核心的软件，其如今正从文本编程语言向图形化编程语言发展，而目前主流的图 形编程语言便是由n i 公司推出的l a b v i e w 图形化编程语言。 l a b v m w _ 1 1 3 l 图形化编程语言与文本式的编程语言在程序设计的方式上截然不同，它不使用文本 4 第一章绪论 代码来编写程序。l a b v i e w 采用了一种经过特殊设计和定义的图形化代码来进行程序设计，并遵循图 形化语言所特定的数据流运行机制。从编程语言的角度来看，l a b v i e w 图形化编程语言并不逊色与 文本式的编程语言，甚至在灵活性、效率等许多方面有着更加显著的特点。l a b v i e w 的编译器是一 个即时编译器。在编程过程中同时进行图形化代码的编译。该编译器的编译速度很快，以至于我们 都无法察觉到它的存在。所以说l a b v i e w 的确是一种真正意义上的图形化编程语言。l a b v i e w 图 形化语言的编程过程，就是通过鼠标拖拽的方式来放置这些确定性的图形符号，并通过它们之间的 相互连线来描述程序的执行行为，这种方式必须满足数据流编程的要求。学习或使用过l a b v i e w 的 人都应该有这样的体会：图形化的编程方法的确大大降低了程序设计的复杂度。l a b v i e w 充分利用 了图形的形状和色彩，从而构成了用图形符号所表示的图形化程序代码。因为图形符号本身具有以 下的特点：首先，图形及它的色彩可以看作是一种视觉语言，通过视觉就可以获得对事物最直观的 表达。比如指挥交通的信号灯，禁烟标志等。另外图形本身还具备形象化的特点，比文字更容易记 忆和理解。 1 3 本文开展的主要工作 本文围绕i e e e8 0 2 1 1 p 物理层接收机原型机搭建开展工作，着重从接收机关键算法以及接收机 系统设计两方面展开研究，最终大体实现了i e e e8 0 2 1 1 p 接收机物理层快速原型机的搭建。具体开 展工作如下： 研究了o f d m 系统以及i e e e8 0 2 1 l p 物理层技术细节。介绍了i e e e8 0 2 1 l po f d m 系统的技 术背景、o f d m 系统基本原理、i e e e8 0 2 1l po f d m 系统的基本参数、i e e e8 0 2 1l p o f d m 系统收 发系统框图及其关键技术；研究了i e e e 8 0 2 1l p 物理层p p d u 帧的前导、信号域以及数据域三部分， 并阐述了这三部分的发送流程。 研究了i e e e8 0 2 1 l p 物理层接收机几个关键技术。研究了定时同步技术，首先分析了定时同步 偏差对接收端信号造成的影响，接着对粗定时同步( 帧同步) 技术进行了研究，介绍了s c h m i d l & c o x 算法思想，在此基础上研究分析了基于此的帧同步算法，并对算法进行了性能仿真。然后对细定时 同步( 符号同步) 技术进行了研究，分析了传统细定时同步算法以及其改进算法，并对算法性能进 行了仿真：研究了频率同步技术，分析了频率同步偏差带来的影响，介绍了基于延时自相关的频率 同步算法以及两步纠正频偏的算法，给出了本文基于最大似然准则的改进算法，并对算法性能进行 了仿真；研究了信道估计技术，首先分析了多径信道带来的影响，接着分析了基于训练序列的传统 信道估计技术，包括基于l s 准则的信道估计算法、基于m m s e 准则的信道估计算法以及基于l m s 的信道估计算法，并对算法性能进行了仿真；然后分析了基于导频的信道估计算法，主要对插值算 法进行了研究，包括线性差值算法以及高斯插值算法，并对算法性能进行了仿真。 利用虚拟仪器仪器思想设计实现了i e e e8 0 2 11 p 物理层接收机系统的硬件模块和软件模块。首 先介绍了硬件模块的实现，硬件模块采用了p x i e 总线的系统架构，包括机箱，控制器模块以及真正 5 东南大学硕士学位论文 实现信号接收的i o 模块，并着重对i o 模块进行了介绍；接着介绍了本文接收机系统设计实现的软 件模块，软件模块采用l a b v i e w 以及m a t l a b 混合编程来实现，主要包括四个子模块：仪器交互模块、 p m d 子层信号处理模块、p l c p 子层信号处理模块以及误比特率计算模块。仪器交互模块主要负责 实现在软件层面控制硬件模块实现射频信号接收、读取等操作；p l c p 子层信号处理模块负责实现 o f d m 接收机系统的定时同步、频率同步以及去循环前缀三部分：p m d 子层信号处理模块负责实现 o f d m 接收机系统h 可变换、信道估计、均衡、基带调制解调以及解扰五部分；误比特率计算模块 负责对接收到的m p d u 计算比特差错率。 完成了本文实现的i e e e8 0 2 1 l p 物理层接收机系统子模块测试、射频一致性测试以及运行演示。 首先对接收机各个子模块快进行了测试，通过测试验证了各个子模块的性能；接着本文通过t e s t s t a n d 测试管理软件并通过调用聚星仪器公司的射频一致性测试原码对本文实现的1 1 p 接收机的射频一致 性参数进行了测试：最后利用真实仪器进行了系统运行演示，通过演示系统观察了接收信号星座图、 接收信号功率谱、接收信号误比特率以及解析出的信号域字段。 最后，对本文的主要工作做了总结与展望。 1 4 论文的组织结构 全文共分为六章，内容安排如下： 第一章简要介绍了本文研究的背景和意义以及国内外在i e e e8 0 2 1 1 p 和虚拟仪器技术的发展状 况，随后介绍了本文开展的工作。 第二章介绍了i e e e8 0 2 1 1 p 物理层系统的技术细节。首先介绍了作为i e e e8 0 2 1 l p 物理层传输 系统的o f d m 系统；接着介绍了i e e e8 0 2 1 1 p 物理层p p d u 帧的前导、信号域以及数据域三部分。 第三章研究了i e e e8 0 2 1 l p 物理层接收机系统的三个关键技术。首先研究了定时同步技术，接 着研究了频率同步技术，最后研究了信道估计技术。 第四章研究并实现了基于虚拟仪器思想的11 p 物理层接收机系统的硬件模块以及软件模块。首 先介绍了采用p x i e 总线系统架构的硬件模块的实现；接着介绍了采用l a b v i e w 以及m a t l a b 进行混 合编程的软件模块的实现。 第五章完成了接收机系统的各子模块测试、射频一致性测试以及系统运行演示。 第六章对本课题所作的工作进行了总结，并提出了改进和完善的方向。 6 第二章i e e e8 0 2 1 i po f d m 系统和i e e e8 0 2 il p 物理层规范研究 第二章i e e e8 0 2 1i po f d m 系统和i e e e8 0 2 1 i p 物理层规范研究 本章主要讨论了完成本系统所涉及的两项技术基础。研究了i e e e8 0 2 1 1 p 物理层o f d m 系统，首先 介绍了o f d m 系统的技术背景、原理、基本参数，在此基础上研究了i e e e8 0 2 1l po f d m 系统收发机的 框架及关键技术；研究了i e e e8 0 2 1 1 p 物理层规范，分析了p l c p 子层、p m d 子层以及各自的作用。 2 1i e e e 8 0 2 1 i po f d m 系统研究 2 1 1o f d m 技术背景 b b f+ - 7 f 多载波调制卜i 烈 图2 1 单载波调制与多载波调制 在传统的无线通信传输系统中，往往采用一个正弦形震荡作为载波传送所有的数据信号，然而随着数 据速率的提高，采用传统的单载波调制方式，时延扩展造成数据符号之间的相互交叠，从而产生了i s i ( 符 号间干扰) ，这对信道均衡提出了很高的要求。在这种情况下，多载波系统开始进入了人们的视线，所谓 多载波传输，就是通过把数据流分解为若干个子比特流，这样每个子数据流将具有低得多的比特速率，用 这样的低比特速率形成的低速率多状态符号再去调制相应的子载波，从而构成多个低速率符号并行发送的 传输系统。假设采用单载波码元持续时间为t ，占用带宽为b ；采用多载波进行传输时，若子载波数为n ， 则码元持续时间为t s - n t 。单载波调制与多载波调制对比见下图： 对于多载波系统来说，子载波之间存在两种不同的配置方案： 1 )传统的频分复用。将整个频带划分成n 个不重叠的子带，在接收端用滤波器组进行分离。 2 )采用o f d m 【1 4 】( 正交频分复用) ，各子载波有l ，2 的重叠，但保持相互正交，在接收端通过相关 解调技术分离出来，避免使用滤波器组。两者典型示意图如下： 7 东南大学硕士学位论文 传统频分复用( f d m ) 多载波调制技术 图2 2 传统频分复用与正交频分复用 从图2 2 可以很直观的看出，o f d m 技术相对传统的传统的f d m 技术很明显的一个特点便是，其子 载波可以相互重叠，这样便节省了大量的带宽资源。 2 1 2o f d m 系统基本原理 1 ) o f d m 系统子载波正交基本条件 设在一个o f d m 系统中有n 个子信道( 即n 个子载波) ，瓦表示一个o f d m 码元的宽度，当0 ， z 时，g ( t ) = l ，其他情况下攻t ) = 0 ，则每个子信道采用的调制可以用数学公式表述为： x t ( f ) = q 。g ( t - n t , ) c o s ( 2 ，r f , t ) - b g ( t - n t , ) s i n ( 2 f f f k t ) k = o ，1 ，n - 1 ( 2 - 1 ) 式中，口疗，k 为第n 个o f d m 码元第k 路余弦子载波的振幅，吒i 为第n 个o f d m 码元第k 路正弦子载波 的振幅，它们受基带码元的调制：f 。为延迟时间；七为第k 路子载波的频率。则在此系统中的n 路子信 号之和可以表示为： x ( 0 = x a t ) = 【a 。g ( f n t ) 】c o s ( 2 万力) + 【b j g ( t - n t ) s i n ( 2 # f , t ) ( 2 - 2 ) 还可以改写成如下复数形式： n - i x ( f ) = r e 厶。g ( t - n r , ) e 业“】 月k s o ( 2 - 3 ) 其中以，。= ，i + 砘，七，且每个子信道的频率一般表示成五= f o + 尼矽，其中五为中心频率，厂为子 信道的频率差，以第m 个o f d m 码元为例，上式便可以简化为： v t 【旭，( m + 1 ) z 】，x ( f ) = r e 【p 撕厶，。g ( t - m t ) e 2 也。】( 2 - 4 ) k - 0 记： 上式进一步可以简化为： v t m t ，( ? m + 1 ) 互】，屯j ( t ) = a 。g ( t - m t ) e 2 n j ( 2 5 ) h - i v ，旧，( 肘+ 1 ) 】，x ( t ) - - r e x d m j ( ，弦7 2 * f q 8 ( 2 _ 6 ) 第二章i e e e8 0 2 1 i p o f d m 系统和i e e e8 0 2 1 l p 物理层规范研究 很显然，为了使这n 路子载波信道在接收时能够完全分离，要求他们满足正交条件。在码元持续时间 t s 内任意两个子载波都正交的条件是： 推得： v 后乩九“f ) p m ，d t = 九f ) e - j 2 _ n t f d t - o 、k i ，k 娟崛) a f e - j 2 x i ( t 哪nd t = o 。 。j 2 n - ( i k ) 呸一一v k i 1 e 5 = 显然，v 尼f ，要满足上式，a f 2 夕乏，其中n 为自然数。 当1 1 取1 时，厂取最小值： a 厶。= 髟 1 ， ( 2 - 7 ) ( 2 - 8 ) ( 2 - 9 ) ( 2 1 0 ) 2 ) o f d m 调制技术与f f t 由式( 2 6 ) 可以看出，一个o f d m 调制系统至少包括两块，首先将发送的第m 个o f d m 码元调制 到各个子载波上形成d 【( f ) ，然后对调制后的各个子载波信号进行叠加，将叠加后的信号记为d m ( t ) ，对 此信号再进行一次单载波调制，即v t 【坶，( m + 1 ) t s 】 h - i 九( f ) = 九。( f ) ( 2 1 1 ) x ( t ) = r e d u ( t ) 2 仍】= d j ( t ) c o s 2 x f 。t + d q ( t ) s i n 2 x f , t ( 2 1 2 ) 这次调制也就是常说的射频端的i q 调制，即将复数信号的实部和虚步分别调制到两个同频的正交载 波( 余弦载波和正弦载波) 上。整个调制过程如下图2 3 所示。 采用这种方法去实现o f d m 调制原理上简单，理论上可行，但实际实现时非常困难，尤其是子载波数 目非常多，子载波间隔非常小的时候，很难实现这样高频率分辨率。在发送端模数转换器之前，每一路子 信道的结构都是一个正交调制器，同理在接收端也是如此，这样使得结构过于庞大。并且这种结构使用若 干路完全一样的分立调制解调器实现，造成很大的资源浪费。直到1 9 7 1 年，w e i n s t e i n 和e b e r t ! ”l 在o f d m 系统中创造性的引入了d f t 技术，才使得o f d m 系统的实现变的经济实用可行。 由式( 2 - 1 1 ) 可以看出。以第m 个o f d m 码元为例，即v t e 【帽，( m + 1 ) 互) 对t 以采样率t s n 进行采样： 9 ( 2 - 1 3 ) 肌撕 p w 、 枷 = ， “打 弦恤 一 g如 m 枷 = o丸 东南大学硕士学位论文 嚣& d o ( o 串 并相 转 加 换 鬻 一( 肛1 ) ” 图2 3o f d m 调制原理图 九，。：d ( ”互) ：n - i 厶，。g ( ”一刎) l p 伽i 向，刀，【刎，( m + 1 ) 忉( 2 - 1 4 ) 令r 7 = , 一尬r ，则上式可以改为 九，= 讲( 刀+ 专】= 萎 v - l 如腰( 拧p 口时a ，一涛，z 【0 ，聊 ( 2 - 1 5 ) 根据式( 2 1 3 ) ，取相邻子信道频率差为其最小值，即 则式( 2 1 5 ) 可以简化为 厶 = 厶 豳2 硌 ( 2 - 1 6 ) 九= n - i 厶，。p 等蚋删) ：窆厶，。p j 号材，【o ，忉( 2 - 1 7 ) 可以看出，d 呦等效于对厶j 进行i d f t 变换，然后将d 脚r 右移m n 个单位得到d m ，接着对dm l i 做 数模变换便得到叱( f ) 。同理，在接收端为了恢复出原始数据厶j ，则只需对接收到的数据进行d f t 变 换。即： 钆= 专孔一p 吖2 加 任哟 通过上面的分析可以看出，o f d m 调制解调可分别由i d f t 、d f t 运算实现，而f f t 和i f f t 是有效计 算d f t 和i d f t 的算法。目前，f f t 的算法已在早期的基二算法的基础上有了较大的发展。f f t 算法的软 件已非常成熟且有效，同时随着集成电路的发展，f f t 的硬件发展很快，主要表现在处理速度更快，使用更 方便。因此，用f f t 实现o f d m 调制解调能有效地提高数据的传输速度，同时也非常经济、方便、实用， 同时由于不需要特性陡峭的滤波器和大量振荡频率源，从而降低了射频部分的设计难度。 3 ) 循环前缀与保护间隔 当一个o f d m 码元在实际的无线信道中传输时，由于多径效应的影响，各子载波到达接收机处都有一 1 0 第二章i e e e8 0 2 i l p o f d m 系统和i e e e8 0 2 1 l p 物理层规范研究 定的时延，而在发送端系统可以连续不断地发送多个o f d m 码元，这样便会造成前一个o f d m 码元的最 后一部分分量可能会落到后一个o f d m 码元内，从而产生码间干扰，俗称i s i ；同时，由于o f d m 解调的 关键是利用子载波之间的正交性，而多径效应也严重影响了子载波之间的正交性，导致子载波之间产生子 载波间干扰( i c l l l 7 1 ) 。 为了解决这两个问题，最初的研究是在连续的o f d m 符号之间插入一个静音的保护时段( g i ) ，即在 保护间隔内插入空符号，示例图如图2 - 4 所示。 厂乡 一 图2 - 4 添加静音的保护时段 这样做只要保证保护间隔的长度大于信道的最大时延，便可以有效的消除i s i 带来的干扰，但是依然不能 解决i c l 。 为了有效的解决此问题，可以采取在保护间隔内插入o f d m 码元的最后一部分的重复，即在保护间隔 内插入循环前缀( c p ) ，示例图如图2 5 所示。 r 、 ，八 i 卜j ， f 阿毫分段 八 元段 码元l 环前蠢 曩码 图2 5 添加循环前缀的保护间隔 此时在接收信号时，图中的f f t 积分段相当于只是原码元段的圆周时延，而圆周时延在只会对相位谱 产生偏移，而对幅度谱无影响，因而子载波仍然可以保持正交。 这样，通过在保护间隔内插入循环前缀，既有效地解决了i s i ，也有效的解决了i c i 。但是应当指出， 由于循环前缀的影响，o f d m 信号的频谱发生了一些变化，但是这仅仅增强了信号的某些频谱成分，没有 增加新的频谱成分。 东南大学硕士学位论文 2 1 3i e e e8 0 2 1 i po f d m 系统基本参数及调制参数 从o f d m 系统基本参数选择来说，通常首先要确定三个参数：带宽，速率及循环前缀的长度。o f d m 系统的速率较为关键，因为o f d m 系统的相关的调制参数( 编码率，交织方式，映射方式) 是由o f d m 系统的比特速率决定的；循环前缀的时间长度常常应为以供环境信道的时延扩展均方根值的2 - 4 倍。循环 前缀长度确定以后，再确定o f d m 符号周期长度，为了最大限度减小由于插入循环前缀所带来的信噪比损 失，符号周期长度要远远大于循环前缀的长度，但是符号周期又不能任意大，否则系统中要包含更多的子 载波数，从而导致子载波间隔相应减少，这样使得系统对频率偏差更为敏感。在实际应用中，通常将两者 的比值设定为5 ，这样犹豫插入循环前缀所带来的信噪比损失只有l 。 再确定了符号周期长度与循环前缀长度之后，子载波的数量可以直接利用3 d b 带宽除以子载波间隔得 到。再确定了子载波数量之后还需要进一步确定用于承载数据的子载波数量以及用于承载导频的子载波数 量。另外，现在o f d m 系统均采用i f f l 丌f t 模块来实现将发送数据调制到子载波上，i f f t f f t 的点数也 成为o f d m 系统的基本参数。 在实际中，a d s l 、d a b 、d v b 、h d t v 、i e e e8 0 2 1 l p 以及l t e 等不同的无线通信制式都使用了o f d m 技术，在这些不同的无线通信制式中，o f m d 系统基本参数存在较大区别。下面主要来关注i e e e8 0 2 1 1 p 的基本参数，表2 - l 列出了i e e e8 0 2 1l po f d m 系统的基本参数。 表2 - li e e e8 0 2 1l pp m d 子层o f d m 系统基本参数 o f d m 系统基本参数 i e e e8 0 2 1lpo f d m 系统基本参数指标 带宽 l o m h z 速率 3 、4 5 、6 、9 、1 2 、1 8 、2 4 、2 7 m b s 循环前缀时间长度 1 6 u s 符号周期时间长度 8 u s 子载波数量 5 2 数据子载波数量 4 8 导频子载波数量 4 子载波间隔l5 6 2 5 k h z f f t 点数 6 4 上文提到过o f d m 系统速率决定了系统的调制参数，对于1 l p o f d m 系统当然也不例外。表2 - 2 显示 了1l po f d m 系统的系统比特速率与其相关的调制参数之间的关系。 其中编码率r 表示l i p o f d m 系统中卷积编码的编码率：表示几个编码后的比特映射为一个星 座图上的点( 因为每个星座图上的点都通过某一子载波进行承载) ，显然这与调制映射方式是有关的； 表示一个o f d m 符号传送多少个数据编码比特，其中一个o f d m 符号中发送数据的子载波为4 8 ，它与每 1 2 第二章i e e e8 0 2 i i p o f d m 系统和i e e e8 0 2 i l p 物理层规范研究 个数据子载波上的编码比特函有直接关系，可用如下公式表示：c 嗍= 4 8 x ；船表示每个 o f d m 符号发送的数据比特，该数据比特是未经过编码的数据比特，显然它与编码率r 以及每个子载波的 编码比特有直接关系，可用如下公式表示：= 4 8 r 。 表2 - 2 与速率相关的调制参数 每个子载波的每个o f d m 符每个o f d m 符 速率( m b s )调制映射方式编码率( r ) 编码比特号的编码比特号的数据比特 ( n b p s c )( c 踯) ( 、n d b p s 、 3b p s k 1 2l 4 82 4 4 5b p s k3 414 83 6 6 q p s k l 229 64 8 9 q p s k 3 42 9 67 2 1 2 1 6 - q a m l 241 9 29 6 1 8 1 6 一q a m 3 441 9 21 4 4 2 4 6 4 - q a m 2 362 8 81 9 2 2 7 6 4 q a m 3 4 6 2 8 82 1 6 2 1 4i e e e8 0 2 1 i po f d m 系统收发系统框图及其关键技术 一个完整的i e e e8 0 2 1 i p 物理层o f d m 传输系统包括发射机和接收机，其基本框架如图2 - 6 所示。 图2 - 6i e e e8 0 2 1 1 p 物理层o f d m 传输系统收发机 在发射端，首先将待发送的信号依次送入卷积编码、交织、映射、6 4 点i f f t 、加循环前缀模块进行 数字信号处理，接着将处理完的数字信号通过d a 模块转变为模拟信号，最后将此模拟信号通过i q 调制 调制到射频段进行发送。在接收端，首先通过x q 解调模块对接收到的射频信号进行下变频，接着通过a d 模块对变频后的中频模拟信号进行采样，最后将此信号依次通过定时同步、频率同步、去循环前缀等模块 进行数字信号处理。 下面开始对其中的一些基础模块进行介绍。 1 )卷积编码 1 3 东南大学硕士学位论文 数字信号在传输中往往由于各种原因，使得传送的数据流中产生了误码。为了降低误码率，提高通信 的可靠性，通常对发送信号进行信道编码，使系统具有一定的纠错能力和抗干扰能力，通常采用的信道编 码包括卷积编码，t r u b o 码以及r s 编码等。 i e e e8 0 2 1i p 标准采用了工业标准的生成多项式，g o = 1 3 3 s ，g l = 1 7 1 。，r = l 2 ，如图2 - 7 所示。其中从 编码器输出时，标记为“a ”的比特在位于比特“b ”之前。 图2 7 卷积编码器( k - - 7 ) 上述卷积编码器的编码率r 为1 2 ，若采用截短技术会得到更高的编码率。所谓截短，就是在发送端 省略一个编码比特( 这样减少了发送比特数，提高了编码效率) ，接收端卷积编码器在省略的位置上插入 哑元，图2 8 给出了截短的过程。解码时建议采用v i t e r b i 译码。 蝙码辜r l 拍 l ，b i t l ? i 一_ = ：。i 竺j 一! i 。! 一j 一巧j 壕码后 教据 ta 3 一mi1 三i | 喜翥薹薹e 五王至三卫 赫人夏元 后的矗鼍 愀比特 墨南：南一兰蒯豳瓢螨 蔓嚣圣一函一i 国幽 群：笋r i 百r f 一习 图2 - 8 比特丢弃及插入过程 2 )交织 所谓交织，本质是把信息离散化，即把原有元素的顺序打乱，使原来相邻的元素变得不相邻，它并 不引进冗余度，但会在发送接收方引入时延。在无线通信系统中，通常为了避免接收端出现成串的突发 错误，需要对发送信号进行交织，对接收到的信号再进行解交织，这样便可以将突发错误变为随机错误。 在1 l p 无线通信系统中，交织模块主要包括两个步骤：首先将相邻编码比特映射到不相邻子载波上，接着 将相邻编码比特交替映射到星座图的高有效位和低有效位，通过这两步避免了低可靠性比特的长期存在。 1 4 第二章i e e e8 0 2 1 l po f d m 系统和i e e e8 0 2 i l p 物理层规范研究 假设在第一次交织之前编码比特所处位置的序号以k 表示，第一次交织之后该编码比特所处位置的序 号以i 表示，第而次交织之后该编码比特所处位置的序号以j 表示。那么第一次交织的规则定义如下： f = ( m 嬲1 6 ) ( k m o d l 6 ) + f l o o r ( k 1 6 ) k = o ，1 ，m 嬲一l ( 2 一1 9 ) 其中函数f l o o r ( ) 表示不超过括号内参数的最大整数。 第二次交织的规则定义如下： j = s 木f l o o r ( i s ) + ( f + 一f l o o r ( 1 6 xf ) ) r o o d sf = o ，l ，一l ( 2 - 2 0 ) 其中以及的值见表2 - 3 ，s 的值由每个子载波的编码比特数确定，见下式： j = m a x ( m 嬲2 ，1 ) ( 2 2 1 ) 3 ) 映射 i e e e8 0 2 1l p 规定了o f d m 子载波可采用b p s k 、q p s k 、1 6 - q a m 或6 4 - q a m 的调制方式。具体的 选择取决于速率。编码和交织后的二进制串行输入数据按数目为腰为一组进行分组，转换为标示b p s k 、 q p s k 、1 6 - q a m 或6 4 q a m 星座点的复数，该转换按照格雷编码星座图映射。输出d 由所得复数值乘以 归一化因子k 得到，如下式所示： d = ( ，+ j q ) 木k( 2 - 2 2 ) 归一化因子k 取决于基本调制模式，如表2 3 所示。应当注意，从发送端开始到结束的过程中，调制 类型可能是不同的。乘以归一化因子的目的是对于所有的映射可以取得相同的平均功率。 对b p s k 而言，6 0 决定i 路取值，见表2 4 ；对于q p s k ，b o 决定l 路取值，b l 决定q 路取值，见表 2 5 ；对于1 6 - q a m ，b o6 l 决定i 路取值，b 2b 3 决定q 路取值：对于6 4 一q a m ，b ob lb 2 决定i 路取值，6 36 4b 5 决定q 路取值。 表2 - 3 归一化因子k 调制方式归一化因子k b p s kl q p s kl 压 1 6 q a m1 师 6 4 q a m l 石 表2 4b p s k 编码表 输入比特6 0i 路输出 q 路输出 01o 110 表2 - s q p s k 编码表 输入比特6 0 l 路输出 输入比特b lq 路输出 0101 l1l1 4 ) 6 4 点i f f t 1 5 东南大学硕士学位论文 经过映射之后的复数数据流以以= 4 8 为单位分成娜个分组。将复数数据记为巩。，对应第r 1 个分组的第k 个数据，表示为： 喀。= 喀+ 川后= o ，一1 ；玎= o ，一l ( 2 2 3 ) 需要将每一个分组中的4 8 个数据按照顺序分别调制到子载波序号为，2 6 到2 6 的子载波上，函数m ( k ) 把每个分组中复数数据的编号k 映射为即将调制到的子载波的编号。其中序号为2 l 、7 、7 、2 l 的子载波 上用于调制导频数据，序