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(通信与信息系统专业论文)ofdm同步与调制解调技术的研究及实现.pdf.pdf 免费下载
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摘要 摘要 o f d m 技术凭借着其对抗符号间干扰、频率选择性衰落的能力和极高频谱效 率为无线多径信道下的大数据量的传输提供了很好的手段,因而备受关注。现在 o f d m 技术已被应用于无线局域网、数字音频广播( d a b ) ,数字视频广播( d v b t ) 系统中,并且将成为第四代移动通信系统的核心技术。研究并实现o f d m 关键技 术已成为应用o f d m 的必要步骤。 本文首先介绍了移动通信技术的发展现状和o f d m 的应用及特点,然后阐述 了o f d m 的基本原理,介绍了i f f t f f t 、过采样、循环前缀在o f d m 系统中的 应用;接着结合“d s p + f p g a + d u c d d c ”硬件平台提出了o f d m 系统的实现 方案,完成了d s p 总体程序的构建,并在d s p 中实现了v i t e r b i 译码;在o f d m 的同步技术的研究中,对定时同步偏差和频率偏差进行了理论分析,在分析经典 同步算法s c h c o x 算法基础上给出了s c h c o x 同步算法f p g a 实现方法,其中提 出一种查表的方法实现频偏估计与纠正;最后根据o f d m 调制解调理论,在硬件 平台上设计与实现了1 6 q a m 的差分和相干调制解调,并完成联合调试,实现了 o f d m 中频收发机,得到了很好的测试结果。 关键词:正交频分复用v i t e r b i 译码同步频偏1 6 q a m a b s t r a c t a b s t r a c t t h eo f d m t e c h n o l o g yp r o v i d e sac o n s i d e r a b l es o l u t i o nf o rt h eh u g eq u a n t i t yd a t a t r a n s f e rf o ri t sr o b u s t n e s st oi n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c e ,m u l t i p a t hs e l e c t i v ef a d i n ga n d l l i g hb a n d w i d t he f f i c i e n c y ,w h i c hh a sa t t r a c t e dc o n s i d e r a b l ea t t e n t i o n n o wi ti sa p p l i e d i nw i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k ,d i g i t a la u d i ob r o a d c a s t i n g ,a n di tw i l lb et h ek e y t e c h n o l o g yo ft h ef o u r t hg e n e r a t i o no fm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s os t u d ya n di m p l e m e n t t h ek e yt e c h n o l o g yo fo f d mh a sb e e nan e c e s s a r ys t e po fo f d m a p p l i c a t i o n f i r s t l y ,t h ec u r r e n ts i t u a t i o no fm o b i l e c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g ya n dt h e a p p l i c a t i o na n df e a t u r e so fo f d m a r ep r e s e n t e di nt h ep a p e r m e a n w h i l e ,t h ep r i n c i p l e o fo f d mi sd i s c u s s e d ,t h ea p p l i c a t i o ni no f d ms y s t e mo fi f f t ,f f t ,c y c l i cp r e f i xa n d o v e r s a m p l i n g a r e i n t r o d u c e d s e c o n d l y ,b a s e d o nt h eh a r d w a r e p l a t f o r m o f d s p & f p g a & d u c & d d c ,t h ei m p l e m e n t a t i o no fo f d ms y s t e mi sp r e s e n t e d m e a n w h i l e ,t h ec o n s t r u c t i o no ft h eo v e r a l ld s pp r o g r a mi sc o m p l e t e da n dt h ev i t e r b i d e c o d i n gi si m p l e m e n t e di nd s p t h i r d l y ,i nt h es t u d yo fs y n c h r o n i z a t i o nf o ro f d m s y s t e m ,f i r s tt h et i m i n go f f s e ta n dc a r t i e rf r e q u e n c yo f f s e ta r et h e o r e t i c a l l ya n a l y z e d b a s e do nt h ea n a l y s i so fs y n c h r o n i z a t i o nm e t h o ds c h c o x ,t h ef p g ad e s i g no f s c h - c o xm e t h o di sp r e s e n t e d ,i nw h i c hal o o k - u pt a b l em e t h o dt oa c h i e v ef r e q u e n c y o f f s e te s t i m a t i o na n dc o r r e c t i o ni s p r o p o s e d f i n a l l y ,a c c o r d i n gt o t h et h e o r yo f m o d u l a t i o na n dd e m o d u l a t i o n ,16 q a mw h i c hi sd i f f e r e n t i a la n dc o h e r e n ti sd e s i g n e d a n dr e a l i z e do nt h eh a r d w a r ep l a t f o r m ,a n da f t e rj o i n td e b u g g i n g ,t h eo f d mi f t r a n s c e i v e ri sr e a l i z e d ,a n dap e r f e c tt e s tr e s u l ti sg o t k e y w o r d s :o f d m v i t e r b id e c o d i n g s y n c h r o n i z a t i o nf r e q u e n c yo f f s e t 1 6 q a m 创新性声明 本人声明所呈交的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中所罗列的内容以外,论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果;也不包含为获得西安电子科技 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做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处,本人承担一切相关责任。 本人签名盎蔓丞 本人签名:么二丝全 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定,即:研 究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保 证毕业离校后,发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技 大学。学校有权保留送交论文的复印件,允许查阅和借阅论文;学校可以公布 论文的全部或部分内容,可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密,在一年解密后适用本授权书。 本人签名: 导师签名: 晌型尹 日期型里:! ! ! 乡 唆一漆 擞带 第一章绪论 第一章绪论 1 1 移动通信发展现状 移动通信系统发展到今天,主要经历了四个阶段。第一代( 1 g ) 模拟移动通信系 统开始于2 0 世纪8 0 年代,完成于9 0 年代初,主要采用模拟和频分多址( fdm a ) 技术。第二代( 2 g ) 数字移动通信系统开始于9 0 年代初期,完成于9 0 年代末, 主要采用时分多址( t d m a ) 和码分多址( c d m a ) 技术。它们主要用于传输语音业 务。第三代( 3 g ) 移动通信系统开始于9 0 年代末,能提供更宽的频带和t d m a 技 术,传输语音、数据以及视频等多媒体通信业务。3 g 移动通信系统传输速率可高 达2 m b p s ,但仍无法满足未来无线多媒体通信的要求。因此,在加紧实现3 g 商业 化的同时,对后三代( b 3 g ) 或第四代( 4 g ) 宽带移动通信系统的研究应运而生。 现在3 g 网络的大规模部属正在进行,而国际上对于后3 g ( b e y o n d 3 g ) ,即 4 g 系统的标准制订工作也已提上议事日程。移动无线技术的演进路径主要有三条: 一是w c d m a 和t d s c d m a ,均从h s p a 演进至h s p a + ,进而到l t e ;二是 c d m a 2 0 0 0 沿着e v - d or e 0 r e a r e b ,最终到u m b ,其技术主导是美国的高通 公司;三是8 0 2 1 6 m 的w i m a x 路线。这其中l t e 拥有最多的支持者。目前美国高 通公司己停止下一代超移动宽带( u m b ) 无线技术的研发,转向l t e 的开发,至 此,全世界关于后3 g 4 g 技术的走向,已经基本集中于l t e 。各大电信设备商以 及研究机构都在加紧研究4 g 相关技术以使自己处于行业领先地位。目前,该项目 在各个方面的研究都取得了快速的进展。随着新技术的不断出现以及移动通信理 念的变革,如果使用简单的c d m a 技术已经不能满足要求,随着宽带无线接入概 念的出现,移动通信的接入速率提升到1 0 0 m b i t s 的范畴,其中以o f d m 技术为 代表的各项新技术成为下一代移动通信的标准技术,并成为研究的热点。 1 2o f d m 技术的应用及特点 在有线环境中,o f d m 有时候也被称为d m t ( 分离多音调制) ,馈线自动化 对通信系统的要求是造价低、抗干扰能力强,可靠性高、实时性强。为此在馈线 自动化系统中选择有线( 双绞线) 通信方式,采用o f d m 技术实现数据传送,并 用数字信号处理器( d s p ) 实现数据的调制与解调。在无线环境中,o f d m 应用 比有线环境中更加广泛,由于其很好的抗多径衰落能力,在单频网的地面广播系 2 o f d m 同步与调制解调技术的研究及实现 统中具有强大的优势。较早采用o f d m 技术的领域包括d a b ( 数字广播) 和d v b ( 数字电视) 。随后,宽带无线接入系统i e e e8 0 2 1 1g a 、i e e e8 0 2 1 6d e 、i e e e 8 0 2 2 0 ( 可能基于f l a s h o f d m ) 也以o f d m o f d m a 技术为基础。近距离通信i e e e 8 0 2 1 5 3 au w b 技术的两个备选方案之一也采用了m b ( 多载波) o f d m 。l t e 更 是将o f d m 作为其关键技术之一,可见o f d m 的发展前景一片光明。 o f d m 能够减少与无线电信道中多通路相关的问题。而在c d m a 中,必须将 大量处理能力用于无线电信道的表征和跟踪,以补偿信道中的衰落效应。o f d m 技术能同时分开多个数字信号,而且在干扰的信号周围可以安全运行。o f d m 技 术能够持续不断地监控传输介质上通信特性的突然变化,通信路径传送数据的能 力会随时间发生变化,o f d m 能动态地与之相适应,并且接通和切断相应的载波 以保证持续地进行成功的通信。 o f d m 系统主要优点是: ( 1 ) 抗衰落能力强,均衡器实现比c d m a 简单。0 f d m 把用户信息通过多 个子载波传输,在每个子载波上的信号时间就相应地比同速率的单载波系统上的 信号时间长很多倍,使o f d m 对脉冲噪声( i m p u l s en o i s e ) 和信道快衰落的抵抗 力更强。同时,通过子载波的联合编码,达到了子信道间的频率分集的作用,也 增强了对脉冲噪声和信道快衰落的抵抗力。因此,如果衰落不是特别严重,就没 有必要再添加时域均衡器。 ( 2 ) 频率利用率高,o f d m 允许重叠的正交子载波作为子信道,而不是传统 的利用保护频带分离子信道的方式,提高了频率利用效率。如果子载波数为n , 符号周期为t ,则整个带宽满足:b t o t a l = ( n + 1 ) t ,对于n 较大,整个带宽近似 满足:b t o t a l n t ,另一方面相同数据串行传输所需要的带宽为:b t o t a l = 2 n t , 因此,与单载波串行传输相比较而言,o f d m 系统可获得接近1 0 0 的频谱增益。 ( 3 ) 适合高速数据传输,o f d m 自适应调制机制使不同的子载波可以按照信 道情况和噪音背景的不同使用不同的调制方式。当信道条件好的时候,采用效率 高的调制方式。当信道条件差的时候,采用抗干扰能力强的调制方式。另外,o f d m 加载算法的采用,使系统可以把更多的数据集中放在条件好的信道上以高速率进 行传送。因此,o f d m 技术非常适合高速数据传输。 ( 4 ) 几乎可以克服多径引起的码间干扰( i s i ) ,一方面由于o f d m 是天生的 频率分集,又由于引入保护时隙和循环前缀,符号间干扰和载波间干扰可以得到 彻底消除。 o f d m 系统主要缺点有: ( 1 ) 对频偏和相位噪声比较敏感,o f d m 技术区分各个子信道的方法是利用 各个子载波之间严格的正交性。频偏和相位噪声会使各个子载波之间的正交特性 恶化,仅仅1 的频偏就会使信噪比下降3 0 d b 。因此,o f d m 系统对频偏和相位 第一章绪论 噪声比较敏感。 ( 2 ) 峰均比( p a p r ) 问题:o f d m 系统信号可以看作具有不同相位的n 个 独立的复变量的和。不同的叠加方式会引起高的峰均比。这将导致发射极端的放 大器产生高的带外辐射。 ( 3 ) o f d m 系统需要较复杂的负载算法和自适应算法,会增加系统的复杂度, 增加开销。负载算法和自适应调制技术的使用会增加发射机和接收机的复杂度。 ( 4 ) 同步问题,对于o f d m 系统,时间和频率的同步是非常重要的。如果没 有正确的定时同步,就不可能标示出正确的帧起始位置,没有正确的频率同步, 正交性将会恶化并导致b e r 增加,因此o f d m 系统对定时要求很高。 1 3 本文主要工作 本文主要内容分为以下几部分: 第一章简要介绍移动通信的历史及发展现状,o f d m 技术的应用和特点。 第二章分析o f d m 的基本原理、i f f t f f t 在o f d m 调制解调中的应用,循 环前缀的作用,o f d m 信号的过采样。 第三章介绍o f d m 系统的硬件平台,包括d s p 、f p g a 、上下变频器,并介 绍硬件系统参数,最后重点介绍了d s p 在系统中的功能及其软件设计,包括d s p 总体程序流程、发送单元程序以及v i t e r b i 译码。 第四章讨论o f d m 系统的同步技术及f p g a 实现。o f d m 同步技术包括定时 同步和载波频率同步,文中首先对定时同步偏差和载波频率同步偏差对性能的影 响进行了分析,然后讨论了基于数据辅助的经典同步算法s c h c o x 算法。并根据 s c h c o x 算法的特点介绍s c h c o x 同步算法的f p g a 实现方法,包括帧、定时同步 和频偏估计与纠正,其中提出了一种查表的方法实现频偏估计和纠正,并给出了 帧同步定时、频偏估计和纠正的实测结果。 第五章主要讨论o f d m 调制解调技术及f p g a 实现。o f d m 调制解调包括差 分解调和相干解调,其中相干解调需要信道估计。文中讨论了差分解调相干解调 的原理及实现方法,具体给出了星形1 6 q a m 差分解调、8 p s k 、方形1 6 q a m 相 干解调的f p g a 实现方法,并给出了各种调制方式在硬件工作下的实测星座图。 第二章o f d m 系统的基本原理 5 第二章o f d m 系统的基本原理 本章首先对o f d m 最原始的模拟信号进行数学分析,从而可以得出为什么 i f f t f f t 可以替代o f d m 的调制解调;其次本章还进一步分析了循环前缀的作用, 以及其对o f d m 系统的带宽影响。另外,本章还对o f d m 系统中的过采样问题进 行介绍。 2 1o f d m 的基本原理 正交频分复用o f d m 就是把高数的数据流通过串并变换,分配到传输速率相 对较低的若干个子信道,在每个子信道中分别调制合成为o f d m 波形。由于每个 子信道中的符号周期会相对增加,因此可以减轻由无线信道的多径时延扩展所产 生的时间弥散对系统造成的影响。 如果n 表示子信道的个数,t 表示o f d m 符号持续周期,瓯( 后= o ,1 ,n 一1 ) 是分配给每个子信道的数据符号,n 表示子载波数,f + k t 是第k 个子载波的载 波频率,矩形函数俐( f ) = 1 ,h r 2 ,则从t = o 开始的o f d m 符号可以表示为: ( f ) = i k j v - - 1 最旭订 一) e x p j 2 7 r ( z + 争列) o t t ( 2 1 ) 则o f d m 符号的复等效基带信号可表示为: s ( f ) = s k r e c t ( t 一必) e x p ( j 2 万睾f ) o st t ( 2 2 ) 其中对于七= o ,l ,n - 1 ,五= ,由此可见,o f d m 符号周期内每个子载 波都包括整数倍的周期,而且各个相邻的子载波之间相差1 个周期。这一特性可 以用来解释子载波之间的正交性,即: 1 。r 。j s s e x p ( ,2 筇厶de x p ( 2 万z ,) 西= 三:三: ( 2 3 ) 如果在接收端对第m 个子载波进行解调,则可以通过在时间长度t 内进行积 分来完成,即: m = 吾x p c 一,2 石等r ,薹s ( ,2 7 r 争,旃其;。m ,刀一。 。2 4 , = 予1 n 乙- it s s ,啾i h 早) d 1 s m 6 o f d m 同步与调制解调技术的研究及实现 可见对第m 个子载波进行解调可以恢复出期望符号。而对其他载波来说,由 于在积分间隔内频率差别( n m ) f f 可以产生整数周期,所以积分结果为零。 这种正交性还可以从频域角度解释。根据式( 2 1 ) ,每个o f d m 符号在其周期 t 内包括多个非零子载波,因此其频谱可以看作是周期为t 的矩形脉冲的频谱与 一组位于各个子载波频率上的仃函数的卷积。 设o f d m 符号的第k 个子载波的频谱为: 7 s k ( w ) = r e c t ( w ) e 叫i 幸万p ( w 一心) + 仃( w + 心) 】 眦、 = z r r e c t ( w w k ) e - j j 一u + n r r e c t ( w + w i ) e - j ”+ h 其中r e 订( w ) = 砌( 吾w ,w , = 2 n 五,贝l j o f d m 信号的频谱为: n - i s ( w ) = & ( w ) ( 2 6 ) k = o 矩形脉冲的频谱幅值为s i n c ( t ) 函数,这种函数的零点出现在频率为1 t 整数 倍上。图2 1 是中频z = 7 0 m h z ,t = 3 2 a s 时,o f d m 符号的频谱图: ww l i 一一j 一一 l i 一f 一:、= 、 ! 蛳 一广一v l 一一v u 嫂蛆w 图2 io f d m 系统中子信道符号的频谱 可见在每个子载波频谱的最大值处,其他所有子信道的频谱幅值恰好为零。 因为在对o f d m 符号进行解调的过程中,需要计算这些点所对应的每个子载波频 率的最大值,所以可以从多个相互重叠的子信道符号中提取每一个子信道符号, 而不会受到其他子信道的干扰。在频域上,各个子信道的频谱相互重叠,提高了 频谱利用率,不仅如此,各个子信道的频谱比较窄,可以认为各个子信道是平坦 的。o f d m 信号具有抗单频干扰的能力。若某个子载波的信息被干扰了,通过其 它的子载波所携带的信息并结合纠错码就可以恢复被干扰的信息。 第二章o f d m 系统的基本原理 2 2 1i f f t f f t 的应用 2 2i f f t f f t 与过采样 从2 1 可以看出o f d m 系统发射端需要一组子载波振荡器,在接收端需要带 通滤波器组和相干解调器组才能完成o f d m 调制解调的整个过程。这使得o f d m 系统变得非常复杂。不仅如此,技术和器件水平也限制了带通滤波器的实现。 对式( 2 2 ) 的o f d m 复等效基带信号s ( f ) 以叫的速率进行抽样,即令 t = k u n ( k = 0 ,1 ,n - 1 ) ,则可得到: & :挎) = 篓脚( 警) _ 1 ( 2 - 7 ) l 0 其它 从上式可以看出,& 等效为对墨进行i d f t 运算。同样,在接收端,为了恢复 出原始的数据符号s i ,可以对& 进行逆变换( 即d f d ,得到: s :n - i 唧e x p ( j 警) o i n 一1 ( 2 - 8 ) n = o v 根据以上分析可以看出,o f d m 系统各子载波的调制和解调可以分别由i d f t 和d f t 来代替,不需要带通通滤波器。通过i d f t 运算,可以把频域数据符号s 变 换为时域数据,通过射频载波调制后送到无线信道中。其中每个i d f t 输出的数 据符号s ,都是由所有子载波信号经过叠加而生成的,即对连续的多个经过调制的 子载波的叠加信号进行抽样得到。 快速傅立叶变换( f f t ) 是d f t 计算应用的一种快速数学方法,其具有高效性所 以在0 f d m 实际系统中得到了大量应用。f f t 、i f f t 可以显著的降低运算的复杂 度,而且很容易在d s p 或者f p g a 中快速完成运算,可以满足实时性处理。 2 2 2o f d m 信号的过采样 在实际应用中,对个o f d m 符号进行n 次采样,或者n 点i f f t 运算得到 的n 个输出样值往往不能真正反映连续o f d m 符号的变化特性,这是因为:由于 没有使用过采样,当这些样点被送到模数转换器时,就有可能导致生成伪信号, 这是系统所不允许的。这种伪信号的表现就是,当以低于信号中最高频率两倍的 频率进行采样时,当采样值被还原之后,信号中将不再含有原有信号中的高频成 分,呈现出虚假的低频信号。也就是说:o f d m 信号的带宽为b = n 矽,所以要 使得发送信号无失真,必须对信号以2 b 进行采样,即速率采样为2 n t ,而在i f f t 8 o f d m 同步与调制解调技术的研究及实现 时是以吖的速率进行采样的,从而可能使得信号在高频分量处产生混叠,所以 一般需要对o f d m 信号进行过采样,即在原有采样点间再添加一些采样点,构成 p n ( p 为整数) 个采样点。 这种过采样的实施可以通过利用i f f t f f t 的方法实现,实施i f f t 运算时需 要在原始的n 个输入中间添加( p 一1 ) n 个零,而在f f t 运算后将中间( p 一1 ) n 的值 去掉后便可得到原始数据。 以t 为采样间隔得到的时域采样信号的傅里叶变换是由时域连续信号的傅里 叶变换周期重复构成的,其重复周期为l 厂r 。如果对时域信号进行p 倍过采样,即 采样间隔变为t p ,则其相应的傅立叶变换的重复周期变为p t ,而时域连续信号 的频谱宽度又保持不变,因此从频域来看,也相当于在连续信号带宽外补零,而 在i f f t 运算中,相当于在频域数据插入零。 过采样的引入不改变o f d m 信号原有的频谱结构,同时不增加信号的带外辐 射。不仅如此,还可以减小系统中数字低频滤波器的通带宽度,降低对滤波器过 渡带上衰减特性的要求,降低系统设计的难度。 2 3 循环前缀 o f d m 把输入的数据流串并变换到n 个并行的子信道中,使得每个用于去调 制子载波的数据周期可以扩大为原始数据符号周期的n 倍,因此此时时延扩展与 符号周期的比值也同样降低n 倍,所以能有效的对抗多径时延扩展。除此之外还 可以在每个o f d m 符号之前插入保护间隔,只要该保护间隔长度z 大于无线信道 的最大延迟扩展,一个o f d m 符号的多径分量就不会对下一个符号造成干扰。这 段保护间隔内可以是空信息不含任何数据,如图2 2 所示。然而在这种情况下,由 于多径传播的影响,则会造成子载波间干扰( i c i ) ,即子载波之间的正交性遭到破 坏。这种效应可见图2 3 ,每个o f d m 符号中包括所有的子载波信号,同时也会出 现该o f d m 符号的延迟信号,图2 3 中给出了第一个子载波、第一个子载波的延 迟信号以及第二个子载波信号,从图中可以看出,由于第一个子载波的多径延迟 与第二个子载波之间的周期个数在f f t 运算时间长度内不再是整数,从而第一个 子载波的多径延迟与第二个子载波信号间不再满足正交关系,所以当接收机试图 对第二个子载波进行解调时,第一个子载波的多径延迟就会对此造成干扰。同理, 当接收机对第一个子载波进行解调时,第二个子载波的多径延迟也会对第一个子 载波造成干扰。 第二牵o f d m 系统的基本原理 9 第i 1 个o f d m 符号 第i 个o f d m 符号 1g ,r i 1 疆墨盈翻圈圈磁潮强翰翰髓瞄翳孺翳翰隧_ 嘲霸罄翻暖翰嬲黼礴豳翰穰翻臻鼎瞄期臻豳 ,、 豳鳕圈疆豳鞠醪臻骚8 8 0 飘缓霹豳 、 f f t 运算时问 ,j 一 图2 2 保护间隔消除i s i 第一个子载波的多径延迟 图2 3 由于多径的影响,空闲保护间隔对子载波之间造成的干扰 为了消除由于多径所造成的干扰,可以在o f d m 符号的保护间隔内插入循环 前缀,方法是将i f f t 之后得到的时域信号的最后疋时间内的信号复制到保护间隔 内,如图2 4 所示,这样就保证在f f t 周期内,o f d m 符号的延迟信号内所包含 的波形的周期个数也是整数。这样只会造成各个子载波的幅值和相位发生变化, 并不会影响各个子载波的正交行。这样,时延小于保护间隔的信号就不会在解 调过程中产生i c i 。 t g r t ( f f t 积分时间长度) 图2 4 带循环前缀的o f d m 符号结构 第三章o f d m 系统组成及d s p 程序设计 1 1 第三章o f d m 系统组成及d s p 程序设计 由上一章o f d m 基本原理的叙述以及无线通信系统的组成可知o f d m 系统的 发射机主要由编码、星座映射、过采样、i f f t 变换、添加循环前缀、射频等部分 组成;o f d m 系统的接收机为经过射频端、同步、去循环前缀、f f t 变换、信道 估计、解调、解码等本章。本章主要根据o f d m 系统的构成介绍o f d m 中频收发 系统组成,包括硬件工作平台、系统参数和系统功能划分,以及d s p 在系统中的 功能及其算法的实现。o f d m 同步在第四章中介绍,o f d m 数字解调在第五章中 介绍。 3 1o f d m 硬件平台及系统参数 3 1 1 硬件平台 本文o f d m 系统基于软件无线电 2 1 平台设计,o f d m 系统中频收发机采用 d s p + f p g a + d u c 仍d c 的硬件结构,如图3 1 所示。 o f d m 系统板 广一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一l i 剑璐( t s 啄2 0 统1 ) p 1 ( a d 9 9 5 7 ) r _ l i f p g a 模 人 j 块。, 串口 外部存储器: ( e p 2 s 9 0 ) 州下 n 醐6 6 5 器4 ) 烨 s d r a m 和f l a s h 3 1 系统硬件结构框图 如图所示,系统硬件环境主要由计算机与o f d m 系统板组成。计算机作为数 据终端,负责与d s p 的通信,包括通过2 3 2 串口传输数据信号和指令给d s p 。系 统板主要由d s p ,f p g a ,数字上变频器,下变频器构成。 串口芯片使用的是e x a r 公司的s t l 6 c 5 5 0 3 】,提供数据的串并、并串转换功 能,完成计算机与d s p 的通信。 d s p 为a d i 公司t i g e r s h a r c 系列的t s 2 0 1 s t 4 ,芯片在最高运行速率为 6 0 0 m h z 的内核时钟下可以达到每秒4 8 亿次的乘累加( m a c ) 运算和每秒3 6 亿次的 1 2 o f d m 同步与调制解调技术的研究及实现 浮点运算,完成1 0 2 4 点f f t 的时间为1 5 7 u s ( 9 4 1 9 个指令周期) 。d s p 主要完成 o f d m 基带调制信号生成 f p g a 芯片选用的是a l t e r a 公司的s t r a t i x i i 系列的e p 2 s 9 0 f 1 0 2 0 c 5 1 5 】,该芯片 除了提供丰富的逻辑资源和通用i o 外,还有丰富的d s p 、p l l 和存储资源,它 提供了4 8 个d s p 模块和1 9 2 个1 8 i b t s * 1 8 b i t s 乘法器,具有很强数字信号处理能力, 因此o f d m 接收端的信号处理主要用它完成。 数字上变频芯片选用的是a d i 公司的a d 9 9 5 7 t 6 1 ,a d 9 9 5 7 提供正交调制和单 端调制两种调制方式,本系统在正交调制模式下,i 、q 两路输入信号经过内插滤 波器,然后和d d s 产生的频率进行混频,将基带信号搬移至需要的中频频率上。 数字下变频器芯片选用的是a d i 公司的a d 6 6 5 4 l7 1 ,完成对中频信号进行采样, 并将采样后的数据在n c o 进行数字混频,将中频信号搬移到零中频,此后信号经 过c i c ,f i r ,h b 等各级低通滤波器,完成抽取滤波以获得我们需要的基带信号。 止j 串口初 发送a d 9 9 5 7 、l 卜 圹 始化 a d 6 6 5 4 控制字l y a d 9 9 5 7 、a d 6 6 5 4 控制字 t 剖编叶- 1 调制hi f 丌h 发送接口 a d 9 9 5 1 | 蚊 -lo l j 频 坭 心 i 加强环i 厂心l 彳1 w 1 塑一竺竺兰j7 i l 。iv i t e r b i i 犟l l 肿h 数字解调h 肿卜 上 ; l 码 1 1 一 u 鲨h 篓h 燃k ia d 6 6 5 4 臌| i 频 3 2o f d m 系统功能模块图 o f d m 系统收发机的各个模块在硬件平台中对应关系如3 2 所示。t s 2 0 1 s 首 先进行串口芯片初始化,然后将控制字发给f p g a ,控制字通过f p g a 中设计的电 路接口发给上变频器a d 9 9 5 7 、下变频器a d 6 6 5 4 中的寄存器,完成芯片的初始化, 接口主要是f i f o 和s p i 口实现异步时钟域之间的数据转换;当计算机串口发来数 据时,t s 2 0 1 s 对数据信息进行卷积码编码、调制、2 倍过采样插零、i f f t 、加循 环前缀、加帧头等处理,然后处理后的o f d m 基带信号通过f p g a 中的f i f o 送 入a d 9 9 5 7 进行混频和数模变换( d a ) ,成为模拟中频信号;中频信号送入a d 6 6 5 4 , 进行模数变换( a d ) 、数字混频和滤波,成为基带信号,送入f p g a 进行基带处理, 包括帧、定时同步、去循环前缀、频偏纠正、f f t 、数字解调,解调后的信息送回 d s p 进行v i t e r b i t 8 】译码,译码信息返回串口送到计算机。 第三章o f d m 系统组成及d s p 程序设计 1 3 3 1 2 系统参数 本文o f d m 系统参数如下表3 1 所示: 表3 1o f d m 系统参数 子载波数 3 2 子载波间隔矽 6 4 k h z 信号带宽b 2 0 4 8 m h z 数据符号长度乙+ 易劂 1 9 5 31 2 5 u s 循环前缀 3 9 0 6 2 5 u s o f d m 符号长度毛f 聊15 6 2 5 u s i f f t 佰f t 点数 6 4 刀4 一d q p s k 、星型1 6 q a m 、 调制方式 8 p s k 、方形1 6 q a m 中频频率 4 9 15 2 m h z 接收机a d 采样数率 6 5 5 3 6 m h z 目前a d 9 9 5 7 和a d 6 6 5 4 在单板上使用同一个时钟,系统选用的是3 2 7 6 8 m h z 的高精度晶体震荡器,经过硬件二倍频变成6 5 5 3 6 m h z 输给a d 9 9 5 7 和a d 6 6 5 4 芯片。 输入到a d 9 9 5 7 的外部时钟是6 5 5 3 6 m h z ,经过a d 9 9 5 7 内部的p l l 倍频电 路,得到a d 9 9 5 7 的系统时钟。= 6 5 5 3 6 * 1 2 = 7 8 6 4 3 2 m h z 。这个时钟就是a d 9 9 5 7 内部d d s 和d a c 的工作时钟。由表3 1 可见,o f d m 符号持续时间( 乙+ 死脚) 为1 9 5 3 1 2 5 u s ,循环前缀( 乙) 持续时间为3 9 0 6 2 5 u s ,o f d m 符号在d s p 中经 过星座映射、过采样后经过6 4 点i f f t ,并在前面加上1 6 点循环前缀,组成组 8 0 点复数数据样点发送到f p g a ,在f p g a 中进入a d 9 9 5 7 进行正交上变频。由 此可计算8 0 个样点的基带传送速率是4 0 9 6 m h z ,由a d 9 9 5 7 参考手册可知,进 入a d 9 9 5 7 上变频的i 、q 两路信号是交替进去的,所以要进行并串变换( 在f p g a 中处理) 。可见a d 9 9 5 7 串行口采样时钟设置为基带数据的两倍为石眦,r = 8 1 9 2 m h z ,进入a d 9 9 5 7 的数据在内部又被恢复为i 路和q 路并行数据,这样每 一路的速率厶= 4 0 9 6 m h z 。要进行正确的正交调制,就应该把进入a d 9 9 5 7 的基 带数据速率内插到d d s 和d a c 的工作时钟7 8 6 4 3 2 m h z 。目前基带数据经过4 倍 内插半带滤波器后,速率达到1 6 3 8 4 m h z ,再经过可编程的c c i 滤波器进行4 8 倍 1 4 o f d m 同步与调制解调技术的研究及实现 内插,总共进行了1 9 2 倍内插将速率变为7 8 6 4 3 2 m h z 。这样,基带数据就能进行 数字混频,被搬移至载波中频,然后经过内部d a c 采样,输出模拟信号。 输入到a d 6 6 5 4 的参考时钟就是其内部a d c 的采样工作时钟,即 z = 6 5 5 3 6 m h z 。表3 1 中的中频频率是4 9 1 5 2 m h z ,中频频率与采样频率必须满 足带通采样定理【2 】才能实现对模拟信号的完整恢复。 带通信号采样定理内容是:对于中一t l , 频率为五,其采样速率为z ,带宽为b 的 带通信号,其上下截止频率分别为厶= f 0 + b 2 和无= f o - b 2 ,则采样频率z 和 此频率的关系为: 2 f m z 2 五( m 1 ) ( 3 - 1 ) 其中m2 l ,。, m 嘣= 【- 厶b j ,x j 为不大于x 的最大整数。 可以计算6 5 5 3 6 的采样速率和4 9 1 5 2 的中频频率以及系统带宽满足上述关 系。 接收到的模拟信号经过a d 6 6 5 4 的内部集成的a d c 采样,形成速率为疋的离 散信号,然后送至a d 6 6 5 4 内部的n c o 进行混频,将载波中频信号搬移至零频。 数字下变频器n c o 频率缸与采样速率z 、中频z 关系如下: n c ow o r d :2 s :堡竺坐五! 五2 ( 3 2 ) 一 ,。 j 吣0 = n c ow o r d 2 3 2 s = m o d ( f 。,1 3 ( 3 3 ) 其中m o d 为求取模运算,n c ow o r d 为n c o 可配置控制字。 下变频搬移到零中频后的数据速率f 5 5 3 6 m h z ,所以需要经过1 6 倍抽取以 到达到4 0 9 6 m h z 的基带数据速率。抽取通过a d 6 6 5 4 内部可编程的c i c 抽取滤波 器以及两个半带滤波器实现。根据o f d m 信号带宽、两个半带滤波器h r l 、h r 2 及其后面的f i r 滤波器f r l 、f r 2 带宽以及c i c 滤波器带宽的分析,目前使用h r l 、 h r 2 半带滤波完成4 倍抽取,后面的f i r 滤波器都不用,c i c 用4 被抽取,这样 实现1 6 倍抽取可以实现很好的滤波效果。 知道了系统参数与器件配置参数之间的关系就可以将计算好的控制字送入器 件内部的寄存器,使a d 9 9 5 7 和a d 6 6 5 4 按照系统要求的参数来工作。 3 2d s p 系统程序的实现 3 2 1d s p 寄存器配置 1 传输协议设置 a d s p t s 2 0 1 提供了外部总线接口用以连接外部存储器和其他外设。外部地址 第三章o f d m 系统组成及d s p 程序设计 1 5 总线为3 2 位,外部端口运行速度最高可到1 2 5 m h z 。为了与不同设备进行无缝连 接,a d s p t s 2 0 1 有三种数据传输协议:流水协议、慢速设备协议、s d r a m 协议, 且能以d m a 的方式进行数据传输。a d s p t s 2 0 1 采用流水线协议来实现与其他处 理器、主机和快速同步存储器的接口。流水线协议用来提供流水线方式的数据传 输,在该协议下,尽管传输协议可以为4 个周期,但每个时钟周期可以传输个 数据。为了使处理器能直接与低性能的存储器和外部设备进行连接,a d s p t s 2 0 1 支持慢速协议,处理器的寻址空间b a n k 0 ,b a n k l 和主机空间都可配置成慢速设备 协议。本系统中使用的是慢速设备协议,在d s p 初时化时要将s y s c o n 寄存器中 的慢速设备协议有效标志配置成1 ,当设置成慢速设备协议后,流水线深度将固定 设置成o ,等待周期固定设置成1 ,等待周期可以由用户根据系统需要进行设置。 2 ,d m a 传输设置 直接存储器访问( d m a ) 是一种无需处理器核介入的情况下,后台进行高速 数据传送的一种机制。d m a 和c p u 核是相互独立的,后台在进行d m a 传输并不 影响处理器核内指令的执行,即二者是可以同时进行的,这是由硬件结构实现的, 因此d m a 传输不会中断处理器核指令的执行。这与8 0 8 6 c p u 的d m a 机制完全 不同,8 0 8 6 进行d m a 传输之前,c p u 核会终止当前所有正在执行的指令,转向 d m a 传输,待d m a 传输结束才会继续执行中断的指令。显然,t s 2 0 1 的d m a 机制具有明显的优点,它不会中断c p u 核的指令执行。d m a 进行外部读传送时, 数据经过一个旁路写到o f i f o ,而没有使用内部总线,其目的是减少内部总线上 的活动,只有从外部总线读入的数据是在内部总线上传送的,外部总线在d m a 传 输中一直被占用。由于片上r a m 直接挂接在内部总线上,因此处理器核与片上 r a m 的数据交换只占用内部总线,当处理器核与外部端口进行数据交换时会同时 占用内部总线和外部总线。由于总线不能同时复用,只能分时复用,因此除了进 行d m a 外部写传输和内部核传输能同时进行外( 此种强况下总线占用没有冲突, 不涉及总线控制权的移交) ,其他传输是不能同时进行的。这与8 0 8 6 c p u 的d m
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