（信号与信息处理专业论文）基于ieee80216e的ofdm调制和解调的fpga设计与实现.pdf

重庆邮电大学硕士论文 摘要 摘要 正交频分复用( o f d m ) 技术因频谱利用效率高、抗频率选择性衰落强，而成 为当今高速无线通信领域中的研究与应用热点，是新一代无线网络的主要空中接口 技术。 本论文主要研究基于i e e e 8 0 2 1 6 e 标准的o f d m 基带系统模块在f p g a 上的设 计、实现与改进。本文主要内容分为三部分： 第一部分：w i m a x 系统中基带处理部分关键技术理论和原理样机结构介绍。 首先，介绍了o f d m 的基本原理，以及基于i e e e 8 0 2 1 6 e 标准。并对w i m a x 系统 的信道编码和o f d m 调制解调技术做了介绍，并给出了基于i e e e 8 0 2 1 6 e 标准的 o f d m 参数：最后，介绍了整个w i m a x 原理样机的结构和各个子系统情况。 第二部分：设计与实现。首先，详细介绍了改进的交织编码与解码器的f p g a 设计与实现的过程，以及改进后交织的优点；其次，详细介绍了o f d m 调制解调的 f p g a 设计实现过程，包括：串并转换并串转换、1 6 q a m 调制解调、插入导频与 添零、f t 倒阿、加循环前缀去循环前缀，并通过q l l a 内l s1 1 软件进行了仿真，对 仿真结果分析，验证了设计的正确性。 第三部分：芯片验证。将已经设计完成的o f d m 调制解调和改进后交织解交织 模块与f e c 部分整合为完整的f p g a 子系统，并下载到基带电路板的a l t e r a 公司 c y c l o n e 系列f p g a 芯片e p 3 c 2 5 q 2 4 0 c 8 n 上进行测试，在基带电路板上验证了 本设计的正确性。 本文主要对现有原理样机进行了改进，优化了交织与解交织模块的功能，使 f p g a 资源得到充分利用。采用f p g a 实现了o f d m 调制与解调部分，降低了d s p 处理数据的复杂度，提高了系统数据的吞吐率，在很大程度上优化了原理样机的性 能。 关键词：i e e e 8 0 2 1 6 e ，o f d m 调制解调，f p g a 实现，交织器 重庆邮电大学硕士论文 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t hh i g l ls p e c t r u mu t i l i z a t i o ne f f i c i e n c y , s t r o n gr e s i s t a n c et of r e q u e n c ys e l e c t i v e f a d i n g ，l o wc o s t ，e a s yi m p l e m e n t e di nh a r d w a r , 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 n m u l t i p l e x i n g ) h a sb e c o m et h eh o to fr e s e a r c ha n da p p l i c a t i o na b o u th i g h - s p e e dw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n s m e a n w h i l e , o f d mt e c h n o l o g yi sg e n e r a l l yc o n s i d e r e da st h em a j o ra i r i n t e r f a c et e c h n o l o g i e so f t h en e x tg e n e r a t i o nw i r e l e s sn e t w o r k s t h i sp a p e ri n v e s t i g a t e st h ed e s i g ni m p l e m e n t a t i o na n di m p r o v e m e n to nt h ef p g a s u b s y s t e mo fo f d m b a s e b a n ds y s t e mm o d u l e sm a i n l yw h i c hi sb a s e do ni e e e 8 0 2 16 e p r o t o c 0 1 t h em a i n l y c o n t e n t so ft h i sp a p e ri sd i v i d e di n t ot h r e ep a r t s t h ef i r s tp a r t ：t h e o r e t i c a li n t r o d u c t i o n f i r s t l y , t h ea r t i c l ei n t r o d u c e st h eb a s i c p r i n c i p l e s o fo f d m ，c h a n n e lc o d i n ga n do f d mm o d u l a t i o na n dd e m o d u l a t i o n t e c h n i q u e s i td e s c r i b e si nd e t a i lt h ei n t e r l e a v e dc o d e dm o d u l a t i o na n do f d m ，w h i c h p r o v i d eat h e o r e t i c a ld e s c r i p t i o nf o rt h er e a l i z a t i o ni nf u t u r e s e c o n d l y , t h i sp a p e rg i v e s t h eo f d mp a r a m e t e r sb a s e do ni e e e 8 0 2 1 6 ep r o t o c 0 1 f i n a l l y , i td e s c r i b e st h es t r u c t u r e o f p r o t o t y p ec o n d i t i o n sa n dc i r c u m s t a n c e so fe a c hs u b s y s t e m t h es e c o n d p a r t ：d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o n ( t h i sp a r ti st h ec o r eo f t h i st h e s i s ) f i r s t l y , t h ea r t i c l ei n t r o d u c e st h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o np r o c e s so fi m p r o v e do fi n t e r l e a v e r e n c o d i n ga n dd e c o d i n g s e c o n d l y , i ti n t r o d u c e sd e t a i l l yd e s i g na n di m p l e m e n t a t i o n p r o c e s s e s o fo f d mm o d u l a t i o na n dd e m o d u l a t i o n ( i n c l u d i n g ：s e r i a la n d p a r a l l e l c o n v e r s i o n ，1 6 q a mm o d u l a t i o n , p i l o ti n s e r t i o n , 兀】陌t ，a d dc y c l i cp r e f i x ) 越lo f w h i c ha l es i m u l a t e db yt h eq u a r t u s hs o f t w a r e ，a tt h es a m et i m e ，t h r o u g ha n a l y s i st h e s i m u l a t i o nr e s u l t s ，i tv e r i f i e st h ec o r r e c t n e s so f t h ed e s i g n t h el a s t ：c h i pv e r i f i c a t i o n im a k eo f d mm o d u l a t i o na n di n t e r l e a v e rm o d u l et h a t h a v eb e e nc o m p l e t e dc o n n e c tw i t 量lt h ef p g ab a s e b a n dc i r c u i t ，a n dd o w n l o a dt ot h e c y c l o n e f p g as e r i e sc h i pe p 3 c 2 5 q 2 4 0 c 8 nw h i c hm a d eb yt h ea l t e r at o t e s tt h e d e s i g nc o r r e c t n e s so f t h eb a s e - b a n dc i r c u i tb o a r d t h i sp a p e ri m p r o v e st h ee x i s t i n gp r o t o t y p ei n t h ep r o j e c t t h ep a r to fo f d m m o d u l a t i o na n dd e m o d u l a t i o na r er e a l i z e db yf p g a ，m e a n w h i l e ，i to p t i m i z e st h ef u n c t i o n o fi n t e r l e a v e rm o d u l e ，w h i c hm a k et h ee n t i r ep r o t o t y p es y s t e mo p t i m i z a t i o na n d r e a l i z a t i o no fg r e a ts i g n i f i c a n c e k e yw o r d s ：i e e e 8 0 2 16 e ，o f d mm o d u l a t i o na n dd e m o d u l a t i o n , f p g i n t e r l e a v e r i i 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 1 1研究背景 第一章绪论 m e e 8 0 2 1 6 ( b r o a d b a n dw i r e l e s s 删s t a n d a r d ) 是宽带无线m a n 标准， 也称之为w i m a x 1 】( w o r l d w i d ei n t e r o p e r a b i l i t yf o r m i c r o w a v e a c c e s s ) 技术标准， i e e e 8 0 2 1 6 是由i e e e 8 0 2 开发小组开发的无线接入技术的空中接口标准，具有代表 性的标准包括i e e e 8 0 2 1 6 e ( 移动宽带无线接入标准) 和i e e e 8 0 2 1 6 d ( 固定宽带无 线接入) 。按照目前的技术发展情况，i e e e 8 0 2 1 6 d 主要定位于企业用户，提供长距 离传输的手段，而i e e e 8 0 2 1 6 e 的用户群则定位于个人用户，支持用户在移动状态 下宽带接入网络。 i e e e 8 0 2 1 6 e 是i e e e 8 0 2 1 6 的增强版本，它作为新兴的无线城域网技术标准 之一，可以在广阔的地域范围内提供“最后一英里”的宽带接入和更好的移动性。2 0 0 7 年1 0 月1 9 日，在日内瓦召开的无线通信全体会议上，i e e e 8 0 2 1 6 e 正式被批准为 第四个3 g 国际标准。制定i e e e 8 0 2 1 6 e 【2 的目的是提出一种既能提供高速数据业务 又具有移动性的宽带无线接入解决方案，i e e e 8 0 2 1 6 e 的目标是能够向下兼容 i e e e 8 0 2 1 6 d ，因此i e e e 8 0 2 1 6 e 的标准化工作基本上是在i e e e 8 0 2 1 6 d 的基础上进 行的。在i e e e 8 0 2 1 6 d 固定无线接入标准研制的基础上，为了支持移动特性， i e e e 8 0 2 1 6 e 加入了新的特性。 在i e e e 8 0 2 1 6 e 3 】【4 】的标准中所定义的参考模型如图1 1 所示。i e e e 8 0 2 1 6 e 网 络主要由移动用户台( m s s ) 、基站( b s ) 、认证和业务授权服务器( a s a ) 组成， 其中a s a 服务器即人们常说的丸蛆( a u t h e n t i c a t i o n 、a u t h o r i z a t i o n 、a c c o u n t i n g ) 服务器，它主要的功能有：认证、授权和计费等，i e e e 8 0 2 1 6 e 草案中定义了u 、m 和a 接口，但目前只对u 接口进行规范。 回 图1 1i e e e 8 0 2 1 6 e 的参考模型 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 i e e e 8 0 2 1 6 d 和i e e e 8 0 2 1 6 e 规范的协议栈模型如图1 2 所示。空中接口由物理 层和m a c 层组成，m a c 层分三层：特定服务汇聚子层( s e r v i c es p e c i f i cc o n v e r g e n c e s u b l a y c r ) 、公共部分子层( c o m m o np a r ts u b l a y e r ) 、安全子层( p r i v a c ys u b l a y e r ) 。 网 络 管 理 系 统 图1 2i e e e 8 0 2 1 6 空中接口协议栈模型 i e e e 8 0 2 1 6 支持两种无线双工方式【5 】：t d d ( 时分双工) 和f d d ( 频分双工) 。 根据使用频段的不同，分别有不同的物理层技术与之相对应：单载波( s c ) 、o f d m ( 2 5 6 点) 、o f d m a ( 2 0 4 8 点) ，其中，1 晰6 g h z 频段为固定无线接入系统，主要 采用单载波调制技术。而2 1 l g h z 频段的系统，将主要采用o f d m 和0 i 玎孙嗄a 技 术。由于o f d m 和o f d m a 都具有较高的频谱利用率，且在抵抗多径效应、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 e s 0 2 1 6 中两种典型的物理层应用方式。o f d m 技术的优点可概括如下 6 h 9 ： ( 1 ) 通过降低数据流的速率，有效地减d t 符号间干扰( i s i ) 。 ( 2 ) 与传统的频分复用系统相比，可以最大限度地利用频谱资源。 ( 3 ) 各个子信道中的正交调制和解调可以分别采用离散傅立叶反变换( i d f t ) 和傅立叶变换( d f t ) 方法来实现。 ( 4 ) 可以很容易地通过使用不同数量的子信道来支持无线数据业务中的非对 称性传输。 ( 5 ) 可以通过动态比特分配以及动态子信道分配的方法，充分利用信噪比较高 的子信道，从而提高系统的性能。 2 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 目前，o f d m 技术已经被广泛应用于广播式的音频视频领域和民用通信系统 中，主要的应用1 0 i 包括：非对称的数字用户环路( a d s l ) 、e t s i 标准的数字音频广 播( d a b ) 、数字视频广播f o v a ) 、高清晰度电视( 1 i d t v ) 、无线城域网、无线局域网 ( b w a ) 等等。由此可见，o f d m 技术已经广泛应用到各个领域，作为未来移动通信 发展的基石，o f d m 技术将在未来宽带移动通信发展中扮演至关重要的角色。 1 2研究现状 基于i e e e 8 0 2 1 6 标准的w i m a x 技术是一项标准技术【l ，在城市型局域网中， 它可提供最后一公里无线宽带接入，作为电缆和d s l 之外的选择。目前，w i m a x 在全球的应用越来越广泛，据权威的分析家预测，到2 0 1 2 年，移动w i m a x 市场 的年复合增长率将超过5 0 ，全球移动w i m a x 试运营和商业部署都充分证明了这 种飞速增长，其中亚太、非洲、中南美、欧洲的表现尤为突出。此外，许多运营商 正计划部署类似的固定系统或努力使移动w i m a x 设备通过认证。基于i e e e 8 0 2 1 6 e 标准的w i m a x 之所以能够迅速的被各生产厂商认可并迅速的发展，其技术优势可 以概括【1 2 j 如下： 传输距离远、接入速度高 采用o f d m 技术，能有效对抗多径干扰；同时采用自适应编码调制技术可以实 现覆盖范围和传输速率的折衷；此外，还利用自适应功率控制，可以根据信道状况 动态调整发射功率。因而w i m a x 具有更大的覆盖范围以及和更高的接入速率。 w i m a x 无线技术所能实现的5 0 k m 的无线信号传输距离是无线局域网所不能比拟 的，网络覆盖面积是3 g 发射塔的1 0 倍，只需建设少量基站就能实现全城覆盖，这 样就使得无线网络应用的范围大大扩展。 无“最后一公里 瓶颈限制、系统容量大 作为一种宽带无线接入技术，它可以将w i - f i 连接到互联网，也可作为d s l 等 有线接入方式的无线扩展，实现最后一公里的宽带接入，用户无需线缆即可与基站 建立宽带连接，接入灵活、系统容量大。服务提供商无需考虑布线、传输等问题， 只需要在相应的场所架设w i m a x 基站。w i m a x 不仅支持固定无线终端也支持便 携式和移动终端，能适应城区、郊区以及农村等各种地形环境。一个w l m a x 基站 可以同时为众多具有的客户提供服务，为每个客户提供独立带宽请求支科1 3 】。 提供广泛的多媒体通信服务。 由于w i m a x 无线技术较w i f i 具有更好的可扩展性和安全性，从而能够实现 电信级的多媒体通信服务，w i m a x 可以提供面向连接的、具有完善q o s 保障的电 信级服务，满足用户的各种应用需要。 3 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 提供安全保证 w i m a x 系统安全性较好。w i m a x 使用的是与w i f i 的w p a 2 标准相似的认证 与加密方法。其中的微小区别在于w i m a x 的安全机制使用3 d e s ( 3 次数据加密标 准) 或a e s 加密，然后再加上e a p 加密，这种方法叫p k m - e a p 。w i m a x 空中接 口专门在m a c 层上增加了私密子层，不仅可以避免非法用户接入，保证合法用户 顺利接入，而且提供加密功能，充分保护用户隐私。 应用范围广 w i m a x 可以应用在广域网接入、企业的宽带接入、个人用户接入、热点覆盖、 移动宽带接入以及数据回传等几乎所有的宽带接入市场。在有线基础设施薄弱的地 区，尤其是广大农村和山区，w i m a x 更加灵活、成本低，是首选的宽带接入技术。 w j m a x 的成功取决于整个产业制造并部署相关产品的效率，尤其是芯片组。 当前以英特尔为首的w i m a x 芯片厂商大概有2 0 家左右，而且数量一直处于增加 当中，再加上w i m a x 合理的专利池政策，w i m a x 的成本迅速降低，其市场影响 力也在逐渐显现【1 4 】。w l m a x 芯片组有一些颇具分量和影响力的厂商，比如英特尔、 摩托罗拉、三星和富士通。2 0 0 8 年4 月，英特尔推出了凌动处理器a t o m ，作为当 今最快速的处理器。集成射频和基带的片上系统( s o c ) 将是w 订山芯片组的一 个重要发展方向，现在包括b e c e e m 和富士通等芯片厂商都能提供这样的w i m a x 单芯片系统。此外，w t m a x 芯片组生态系统还有一些小厂商，比如p m c s i e r r a 、 b e c e e m 、c o m s y s 、s e q u a n s 、a l t a i r 、w a v e s a t 、r u n c o m 和p i c o c h i p 。竞争将驱动创 新，从而带来更高性能和更低成本的芯片产品。 面对如此良好的发展前景，对i e e e 8 0 2 1 6 e 技术的设计与实现将非常具有现实 意义。本文结合项目需求，将对i e e e 8 0 2 1 6 e 的o f d m 调制与解调采用f p g a 来设 计与实现。 1 3论文的主要工作 本课题主要内容来源于目前所研究的国家航天“十一五 预言项目：“基于 w i m a x 宽带无线通信技术与设备研制 。该课题是在基于i e e e 8 0 2 1 6 e 协议标准下 进行研究的，主要目的是设计并实现一个基于i e e e s 0 2 1 6 e 标准的无线通信系统原 理样机。其中使用a r m 9 处理器做媒体接入层( 心) 的控制，基带部分采用 f p g a + d s p 方案，中频和射频部分采用专用芯片方案，具体描述将在第二章中具体 介绍，该原理样机的整体结构图为： 4 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 数据 母嗍 群一一船 射 m a处 频 c 理 子 器 部 系 接 分 口 统 数据 r 勰受。网阻冈阻一厩u 丸 存 f i b , 织” j 导”同步 x 转换 码 译码映射前缀频 i_-_一i-i-一i-一- _ _ _ _ _ _ _ _ 一i _ _ 。_ _ _ _ _ 一 f p g ad s p 专用中删 频芯片 图1 3原理样机结构图 在先前的研究过程中，已经实现了对该原理样机的编程、调试和测试过程，将 基带板、中频板和射频连接起来进行联调，联调测试成功，证明了该原理样机各个 模块的正确性，整个系统功能正确。但该系统的数据传输速率并没有达到设计所预 期的速率，所以本设计的核心内容是对该原理样机基带部分改进，使得整个系统得 到优化。 首先，w i m a x 基带系统的设计和实现是采用f p g a + d s p 方案设计实现的，基 带板f p g a 设计中，交织与解交织部分因消耗f p g a 芯片内部l e ( l o g i ce l e m e n t ， 逻辑单元) 资源过大，而没有利用f p g a 中的嵌入式存储模块r a m 。本设计的一 个主要任务是对原有交织器进行改进，使交织与解交织模块占用f p g a 内部l e 资 源数减小，利用f p g a 的嵌入式存储模块r a m 的资源，更有效的利用f p g a 资源。 而节省出来的l e 资源可用于实现其它功能。 其次，已调试成功的原理样机中，o f d m 调制与解调部分全部由d s p 实现，使 d s p 运算量过大，无法实现实时处理。本设计的另一个内容是将o f d m 调制解调的 部分处理采用f p g a 来实现，降低d s p 的运算量，提升了整个系统的数据吞吐率。 由上述目的出发，本文主要工作分为以下几个部分： ( 1 ) 完成基于i e e e 8 0 2 1 6 e 的交织编码技术的f p g a 设计与实现。 ( 2 ) 完成基于i e e e 8 0 2 1 6 e 的o f d m 调制与解调技术的部分功能的f p g a 设 计与实现，包括：1 6 q a m 星座映射与解映射、插入导频和添零操作、环f t f f t 调 制变换、插入循环前缀( c p ) 与去循环前缀等。 ( 3 ) 在基带电路板上进行联调测试，验证设计的正确性。 本文采用q u a r t u s l i7 2 软件完成i e e e 8 0 2 1 6 e 基带f p g a 部分的设计、实现和 改进，并在自主设计的基带开发板上完成上述部分的调试工作。 5 重庆邮电大学硕士论文 第章绪论 1 4 论文的组织结构 各章的主要内容安排如下： 第一章：介绍了w i m a x 的研究背景和研究现状，对目前w i m a x 系统芯片组 进行了概述。并简略介绍了基于i e e e 8 0 2 1 6 e 原理样机的组成及本设计中对原理样 机改进的部分，并说明了改进的目的和意义。 第二章：介绍了基于i e e e 8 0 2 1 6 e 改进后原理样机的结构，并对各部分做了简 要介绍，对o f d m 基带f p g a 部分各模块的基本理论做了简要介绍。 第三章：介绍了f p g a 的开发流程和所使用的芯片，设计并实现了改进后的交 织与解交织器，并与旧交织器做了对比，证明了改进交织器的优势。 第四章：介绍了基于i e e e 8 0 2 1 6 e 标准的o f d m 调制与解调的f p g a 设计与实 现的具体过程，并对其进行了q u a r t u s l i 仿真，验证了原理的正确性。 第五章：介绍了o f d m 基带系统模块在基带板上自环测试的过程，通过分析结 果，验证了本系统设计的各个模块的正确性。 第六章：总结了全文的工作，并对下一步的工作做了展望。 6 重庆邮电大学硕士论文第二章i e e e 8 0 2 1 6 e 基带系统关键技术及原理样机的构架 第二章i e e e 8 0 2 1 6 e 基带系统关键技术及原理样机的构架 绪论中分析了i e e e 8 0 2 1 6 标准宽带无线通信系统的研究背景和现状，下面将具 体介绍基于i e e e 8 0 2 1 6 e 基带系统关键技术的基本理论和相应的参数，并简要介绍 了原理样机的构成和各部分的功能。 2 1o f d m 的基本原理 2 1 1 概述 w i m a x 物理层的调制方式【1 5 】主要分为三种：单载波调制、o f d m ( o r t h o g o n a l f 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 ，正交频分复用) 调制和o f d m a ( o r t h o g o n a l f r e q u e n c yd i v i s i o nm u l 邱l e a c c e s s ，正交频分多址) 调制。i e e e 8 0 2 1 6 中规定：0 - 6 6 g h z 频段采用单载波调制方式，因为该频段波长较短，采用视距传输，可以忽略多 径衰落。2 - 1 1 g h z 频段采用非视距传播，因为该频段易受多径效应的影响严重，所 以采用o f d m 调制，本系统的设计中，采用基于i e e e 8 0 2 1 6 e 的o f d m 调制。 在无线通信系统中，因受各种环境等因素的影响，发射信号在传播中会产生多 径效应，因此，无线信道频率响应曲线具有了频率选择性。o f d m 的基本思想【6 h g l 是：把一连串行的高速比特数据流通过调制变换后，成为个并行传输的低速数据 流，调制到n 个彼此相互正交的子载波上，通过调制后的数据传输率变为原来速率 1 的占，相应的子信道带宽也变为系统所占带宽的去。这样做的目的：既可以很大程 n 烈 度上降低各个子载波的码元速率，又增大了码元的符号周期，从而使得系统的抗衰 落和抗干扰的能力得到很大的提高，对无线信道具有了频率选择性。但各个子信道 可以近似看做平坦衰落的，因此，便可以在子信道上进行窄带传输。同时，子信道 的带宽要远比信道的相干带宽小的多，由于变换后的子载波具有正交性，从而大大 提高了频谱的利用率。o f d m 调制系统的基本框图如图2 1 所示： 7 重庆邮电大学硕士论文 第二章i e e e 8 0 2 1 6 里l 重堂系统关毽堇查垦堕里壁垫笪塑翌 玉这 皇1 弘 串 遗哥 并 并 婚+母 睾 转 转 换 换 e j 2 h 0f j 窀f # 毒 亟遗b 越叫互舟 图2 1o f d m 系统基本模型的框图 2 1 2o f d m 符号子载波间的正交性 一个o f d m 符号，要将一串行数据调制在n 个子载波上，并且使子载波间正交， 要满足的条件【1 6 ”】为： 假设发射端传输个数据，这n 个数据分别为以( k = 0 , 1 ，2 ，n - 1 ) ，鼍为调 制后得到的一个复数，设第七个载波的调制频率为以，则整个多载波传输系统的输 出为： 石o ) = k e 2 矾k = 0 ，1 ，2 ，n - 1 式( 2 1 ) 为了在接收端正确的解调出各路子载波，在o f d m 符号持续时间正内任意子载 波之间应满足正交性。假设任意子载波的频率分别为以和石，则应有： 毒fe x p ( j 2 ：, r f t f ) 【e x p ( y 2 ，r f , 州址 0 竺 姬2 ) 从而得出： e x p ( j 2 7 t ( a - f , ) r , - 1 = 0 ，令矽= 五- f , = k - 1 式( 2 3 ) 其中，k 为任意的整数。可以正确解调各个子载波的条件为：相邻子载波的频 率间隔为o f d m 符号周期倒数的整数倍，各子载波之间允许的最小载波间隔为 o f d m 符号周期的倒数，即当七- - 1 时的载波间隔。 2 1 3i f f t f f t 在o f d m 系统中的应用 对于比较大的系统来说，o f d m 的复等效基带信号可以采用离散傅里叶变换 实现，一个o f d m 符号包括多个经过调制的子载波，其输出信号的复等效基带信号 重庆邮电大学硕士论文第二章i e e e 8 0 2 1 6 e 基带系统关键技术及原理样机的构架 如下【1 8 1 。 设o f d m 符号以时间间隔进行抽样，则f = n t , ，互= 批，其中n 为总的抽样 数，因此o f d m 符号变为： 工( 刀f j ) = 五e 硕睢，o 刀n 一1 式( 2 4 ) 其中五= 七矽= 七i 1 = 面k ，七为整数。因此，调制可用离散傅里叶变换。f i 实现： 工( 栉) = 万1 吉n - i 五e 细砉，。s 聆一1 式( 2 5 ) 同理：解调可用n 点的离散逆傅里叶变换i d f t 实现： 五：芝x ( ，1 ) c 伽专，o 刀一1 式( 2 6 ) o f d m 系统的调制和解调可以分别由i d f t 和d f t 来完成，通过n 点i d f t 运 算，把频域数据符号变换为时域数据符号，经过射频载波调制后，发送到无线信道 中，再通过n 点d f t 运算后，把变换以后的时域信号还原为原来信号。 2 2 w i m a x 系统的信道编码 上面已经介绍了o f d m 的基本原理，本章主要对基于i e e e 8 0 2 1 6 e 基带系统关 键技术进行介绍，对该基带系统介绍分为两部分：w i m a x 信道编码与w i m a x 系 统中的o f d m 调制。w i m a x 信道编码主要包括：扰码、前向纠错f e c 码和交织 编码，下面就对其理论做简要介绍。 2 2 1 扰码 数字通信过程中，如果发送的数据连续出现很长一串o ”或者“1 ”的话，就会对 位同步的建立和保持产生影响，因此，在信号传输中，需要加入扰码器【1 8 1 ，来避免 或减少接收过程中产生的干扰。扰码实质上是使原理样机发送的数据具有伪随机性， 在不增加冗余的前提下扰乱信号的正常顺序。i e e e 8 0 2 1 6 e 标准规定：对上下行链 路的每个突发数据包都需要加入扰码操作。 扰码器的实现本质上就是一个反馈型移位寄存器，这种结构的优点在于：可以 最有效的将输入序列扰乱，使得输出的数据码元间的相关性最小。 i e e e 8 0 2 1 6 e 标准规定【3 】：在扰码器的实现中，在每次新分配时，扰码器的移位 9 重庆邮电大学硕士论文第二章i e e e 8 0 2 1 6 e 基带系统羞毽技术垦原理壁机的构架 存储器都要进行初始化操作， 所示： l s b 扰码器生成的多项式为：i + x 1 4 + x 1 5 ，结构如图2 2 m s b 图2 2扰码器结构图 在下行链路中，每个帧的起始位扰码器的初始序列为1 0 0 1 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 ，在突 发拌1 开始，扰码器不再复位，在后面的突发包起始位，扰码器按照图2 3 所示的序 列进行初始化： m s b l 鸟l 屯l 鱼l 幻 d i u c 订i 吓 f r a m en u m b e r 订i t 稠l s b m s bj 鱼4 a 3i 鱼2l 鱼li 1ii 龟l 卸l 毛i 鸟i1 lbi 乞i 鱼l 知il s b 图2 3扰码器在下行链路的初始化向量 在上行链路中，扰码器的初始化序列如图2 4 所示： b s mu i u c m s bl 岛j 屯l 鱼l 如 岛f 勉f 鱼l 如 f r a m en u m b e r 订i 丁稠l s b m s bl 鱼4l 鱼3i 龟2i 鱼l1 1 l 龟j 匆i 毛l 鸟i1l 匆i 乏i 鱼i 旬il s b 图2 4扰码器在上行链路的初始化向量 2 2 2 前向纠错( f e c ) 码 前向纠错( f e c ) t 1 9 1 1 2 0 是由r s ( r e e d s o l o m o n ) 外码和速率一致的c c 内码 ( c o n v o l u t i o n a lc o d e ，卷积码) 级联构成的，级联编码过程为：先将数据以块的格 式通过r s 编码器，然后再通过一个卷积编码器。 i e e e 8 0 2 1 6 e 中规定了几种编码方案，如表2 1 所示。 l o 重庆邮电大学硕士论文第二章i e e e 8 0 2 1 6 e 基带系统关键技术及原理样机的构架 表2 1i e e e 8 0 2 1 6 中各种码率参数 调制方式编码前比特编码后比特码率 r s 码 c c 码码率 b p s k1 22 41 2 ( 1 2 ，1 2 ，o ) 1 2 q p s k 2 44 81 2 ( 3 2 , 2 4 , 4 )加 q p s k 3 64 83 4 ( 4 0 ，3 6 ，2 ) 5 6 1 6 - q a m 4 89 6l 2 ( 6 4 ，4 8 ，8 ) 2 3 1 6 - q a m 7 29 63 4 ( 8 0 ，7 2 4 ) 5 6 6 4 - q a m 9 61 4 42 3 ( 1 0 8 ，9 6 ，6 ) 3 4 6 4 - q a m 1 0 81 4 43 4 ( 1 2 0 ，1 0 8 ，6 ) 5 6 本文选用调制方式为1 6 q a m 调制方式，r s 码参数为( 6 4 ，4 8 ，8 ) ，c c 码的 码率选用2 3 的码率参数。本文中使用的r s 码是系统r s 码( - 2 5 5 ，k = 2 3 9 ，弘8 ) 、 伽罗华域g f ( 2 5 6 ) 上衍生出的缩短码【2 ，其中，表示编码输出的符号长度，足 表示编码输入的符号长度，r 表示能够被纠正的符号长度。 r s 编码后的数据进入二进制卷积编码器进行编码，本系统中选用的卷积码码速 率为1 2 ，限制长度为7 ，由此生成的矩阵公式为： q = 1 7 1 0 c t 或者q = 1 1 1 1 0 0 1 2 f o rx 骨，7 、 0 2 = 1 3 3 0 c r 或者g 2 = l o l l 0 1 1 2 f o r y 铲“7 由上面矩阵构成的卷积编码器的实现结构如图2 5 所示，由图知：数据串行输 入并行输出彤】，两路信号，而编码器内部结构则是根据编码矩阵的不同而变化的。 x 输出( c 1 = 1 7 1 ，进制 - - - 输入 - 斟面晦 - 冈- 同- 广 b i t l 一 竺竺广 竺丌 竺! ：广 、 一，t 。 一 图2 5码率为i 2 的卷积码编码器 重庆邮电大学硕士论文第二章i e e e 8 0 2 1 6 e 基带系统巷毽撞术及原堡壁塑笪掏耀 2 2 3 交织编码的基本原理 交织编码【2 2 】是指一个数据序列在一一对应的条件下进行数据位置重排的过程。 交织的实质：通过有规律的打乱输入数据的顺序，分散数据在信道传输中产生的突 发错误，这种编码方式只改变数据的结构，而不改变信息的内容。其逆过程为解交 织，是将交织后的数据有顺序的还原成发送时顺序的过程。对数据进行交织时，常 用的交织器的方式主要有三种：矩阵分组式、伪随机式和半伪随机式，而常用矩阵 交织器的方式来实现数据交织编码。为了说明交织与解交织编码的过程，我们假设 交织输入为： “= ( “l ，“2 ，u ) “， 0 ，1 ) ，1 i n式( 2 8 ) 序列甜经过交织编码后得到一个二进制输出序列： 厅= ( 磊，f i 2 ，如) 露， o ，1 ) ，1 i 式( 2 9 ) 序列u 中的数据和序列历中的数据完全一样，只是数据的顺序不一样，如果把 输出输入看成两个大小都是的集合，那么u 专历是一一对应的关系。 交织编码的基本原理可以表示为：假若定义集合a ：a = 1 ，2 ，加，则交织编 码的过程可以定义为：x ( a 寸匀) ：= i ( 0 ，i ，j f a ，式中，i ，_ ，分别为输入序列材和 输出序列历的数据在序列中的位置。 下面将具体采用交织和解交织变换分析过程来实现将一突发错误信道变换为独 立差错信道的过程瞄】。 假设发送一组信息x = “，恐， ，交织时，将该组数据送进5 x 5 的矩阵中， 按行写入按列读出，交织过程如图2 6 所示。解交织是交织的反变换，接收数据依 然被送入5 x 5 的矩阵中，只是输入数据按列写入按行读出，解交织的过程如图2 7 所示。交织矩阵原理图为： 按行写入 乇= l _ _ l _ - l - _ _ _ _ 。 而恐妁心而 民而黾x 9x a o 西1毛2而3x i 4x a s x 1 6再7x l s：q 9 x - z o 而lx - z 2 劫嘞如 图2 6交织矩阵原理图 垤 则交织后的输出数据为： x = “，x 6 ，而i ，而6 ，吻l ，恐，而，而2 ， 7 ，x 2 2 ，而，黾，而3 ，x 1 8 ，场，_ ，南，而4 ， 9 ，嘞，毛，而o ， 5 ，x 2 0 ，砀) 式( 2 1 0 ) 假如当交织数据进入信道后产生了突发差错：五，气，而。，五。，屯。变为毫，毫，毫，暑6 ，是。： 重庆邮电大学硕士论文第二章i e e e 8 0 2 1 6 e 基带系统关键技术及原理样机的构架 x = 偏，兔，毫i ，毫6 ，是l ，而，勋，而2 ，毛7 ，屹，j c 3 ，施，而3 ，而8 ，而，心，妁，而4 ，毛9 ，x 2 4 ，而，而o ，而5 ，x 2 0 ，j c 2 5 )式( 2 1 1 ) 则将x 。送入解交织矩阵，解交织矩阵原理图如图2 7 所示t 按列读出 i - l _ _ _ _ - l _ l - l _ i r = 垤 图2 7解交织矩阵原理图 则经过解交织矩阵后的输出为： x 。= ( 墨，x 2 ，而，h ，气，而，黾，而，而o ，毛i ，而2 ，2 c 1 3 ，而4 ，鼍5 ，毫6 ，而7 ，而8 ，毛9 ，恐o ，置2 l ，x 趋，砭3 ，x 2 4 ，x 2 s ) 式( 2 1 2 ) 由此可见，经过交织矩阵和解交织矩阵后，原来信道中存在的一次连错突发差 错，经过交织编码后变成了随机性的独立差错。由此可以看出，交织可以最大限度 的将数据在信道传输中产生的突发差错分散到不同码中。数据由原来成串的突发错 误变成分散开的随机错误。 2 3w i m a x 系统的o f d m 调制技术 前一节简要介绍了w i m a x 的信道编码，而本文核心部分为o f d m 调制解调的 f p g a 实现。因此，下面主要对w i m a x 系统中o f d m 调制技术的基本理论做详细 介绍，为以后的实现提供理论基础。 2 3 1 数据调制 基于i e e e 8 0 2 1 6 e 协议【3 j 给出了多种可选的调制映射方式，如b p s k 、q p s k 和 1 6 q a m 、6 4 q a m 。本文的设计中采用1 6 q a m ( 十六进制的正交振幅调制) ，是一 种数字调制方式，具有频带利用率高、抗噪声能力强等优点。数据在经过编码交织 后，串行的二进制比特数据流通过星座映射，每四比特为一组被分成若干组，映射 到1 6 q a m 星座图上的一个复数点，每个符号传送四比特的信息。星座上的点位通 过采用格雷编码。在做完星座映射后，串行的二进制数据流会变为实部，和虚部q 两路信号，以便实现下一步的傅里叶变换。 1 6 q a m 的星座图如图2 8 所示，需要说明的是t 在进行数据映射时，需要对星 座点进行归一化，即各个星座点的数值乘以归一化因子，不同的调制方式对