（通信与信息系统专业论文）比特交织编码调制系统及其同频组网技术研究.pdf

比特交织编码调制系统及其同频组网技术研究 摘要 随着通信业务量爆炸式增长的需求，可用于移动通信的频谱资源日趋紧张，而高速 宽带复杂多径的传输环境十分恶劣。要解决频谱资源与通信业务爆炸式增长的矛盾，就 必须从理论上寻求新的创新与突破，使移动通信网络的频谱效率、用户容量有显著的提 高，同时保证传输可靠性。本文的主要内容如下： ( 1 ) 研究以分组码为子码的m o 乘积码的软输入软输出译码算法，及其似然比的 简化算法以及硬件实现，并仿真分析n 曲。码和t u r b o 乘积码的性能差异，以及两种码不 同的适用场景。在研究乘积码译码算法的基础上，进一步研究比特交织编码调制方案。 比特交织编码调制将乘积码与高效调制方式相结合是一种能逼近信道容量的编码调制技 术。论文对其理论基础做简要分析，为进一步提高系统性能，增加分集增益，本文提出 一种基于星座旋转的改进方案。并在衰落信道下仿真分析乘积码与高阶调制结合的编码 调制方案。 ( 2 ) 研究比特交织编码调制系统一种新型的同频组网方案。该组网方案在相邻小区 间使用同一频段，每个小区的频谱效率是相同的，频率重用系数为1 。但相邻小区之间 互补码不同，利用4 阶广义互补序列区分小区。该技术利用四色小区组网原理和独创的 小区分组码可将相邻小区的干扰信号完全消除，在保证频谱效率的基础上，保证传输的 可靠性，性能达到领先水平。 ( 3 ) 针对传统的仿真方案中，纯软件仿真效率低，纯硬件仿真不够灵活的缺点提出 一种基于f p g a 和s v s t e mg e n e r a t o r 的硬件协仿真方案，对系统在多种参数条件下的误 码性能进行硬件协仿真并对结果进行分析。硬件协仿真系统不仅仿真速度快，使用灵活 方便，结果易于观察，而且仿真可靠度高，仿真结果向商用系统转化周期短、代码可重 用度高。 关键词：比特交织编码调制；同频组网；硬件协仿真；t u r b o 乘积码：星座旋转； 比特交织编码调制系统及其同频组网技术研究 a b s t r a c t w i t ht h ee x p l o s i v eg r o w t hi nt h ev o l u m eo fb u s i n e s sc o n u n u l l i c a t i o n sn e e d s ，c a nb eu s e d f o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns p e c t m mr e s o u r c e sb e c o m et i g h t e r ，a n d1 1 i g h - s p e e db r o a d b a l l d t r a n s m i s s i o no fc o m p l e xm u l t i - p a t he n v i r o 姗e n ti sv e r ) ，h a r s h s p e c t 砌mr e s o u r c e st oa d d r e s s m ee x p l o s i v eg r o w t l lo fc o m m u l l i c a t i o ns e i c e s 淅t ht l l ec o n 仃a d i c t i o n s ，、v em u s ts e e kan e w t h e o r yo fi n n o v a t i o na 1 1 db r e 出1 1 r o u 曲，m es p e c 仃a le m c i e n c yo fm o b i l en e 铆o r k s ，u s e r sh a v e as i g n i f i c a n tc a p a c i t yi n c r e a s e ，w h i l ee n s u r i n g 饥m s m i s s i o nr e l i a b i l i 够 i h e s u b j e c t s o ft 1 1 i s p a p e ri s b a s e do nb i t - 1 、j r b op r o d u c tc o d e si n t e r l e a v e dc o d e d m o d u l a t i o ns y s t e m f i r s t ，t h es t u d y 铲o u pa sas u b - c o d ec o d et u r b op r o d u c tc o d eo fm es o f t i r l p u ts o ro u t p u td e c o d i n ga l g o r i t h mb a l s e do nt h ep r o d u c tc o d et o 如r t h e rs t u d yc o m b i n e dw i m e f f i c i e n tm o d u l a t i o nc o n u n u m c a t i o ns c h e m e b i t - i n t e r l e a v e dc o d e dm o d u l a t i o ni sa b l et o a p p r o a c hm ec h a n n e lc a p a c 时o fc o d e dm o d u l a t i o nt e c l u l i q u e s ，t h ep a p e rp r o v i d e sab r i e f t h e o r e t i c a lb a s i so fi t sa n a l y s i s ，t h ef a d i n gc h a m e ls i m u l “o no fp r o d u c tc o d e sa n dm - q a m m o d u l a t i o ns c h e m ew i t hc o d i n g t o 如r t h e ri m p r o v es y s t e mp e r f o m l a i l c e ，i n c r e a s et l l ed i v e r s i t y g a i n ， t h i s p a p e rp r e s e n t s ac o n s t e l l a t i o nr o t a t i o nb a s e do nt h e i m p r o v e m e n tp r o g r a m s i m u l a t i o nr e s u l t s 如1 1 yr e n e c tt h ei m p r o v e ds y s t e mi nt 1 1 ef - a d 协gc h 锄l e le 髓c t i v e n e s s t h er e s e a r c h e r st h e nb i t - i n t e r l e a v e dc o d e dm o d u l a t i o ns y s t e m s ，an e wn e 似o r k i n g s o l u t i o n 淅t h 行e q u e n c y f r e q u e n c yp a r to ft 1 1 en e t w o r kw i t l lt h em e o r e t i c a lb a s i so fb e i j i n g u n i v e r s i t yo fp o s t sa n dp r o f e s s o rl id a o b e n ss u p e r i m p o s e dc o d i n gh m l t i p l e x i n gm u l t i p l e a c c e s s ( o v e r l a p p e dc o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ，o v c d m a ) t e c h n 0 1 0 9 y p r i n c i p l eo f f o u r - c o l o r - b a s e dn e 觚o r k ，t h a ti s ，e a c hc o d ec o r r e s p o n d i n gt oac 0 1 0 r ，e a c ha d ja c e n tc e uu s i n g t h es 锄e 丘e q u e n c yb a n d ，t h e 矗e q u e n c yr e u s ef 犯t o ro fl ，b u tc o m p l e m e n t a r yc o d eb e “佗e n t h ed i 虢r e n tn e i 曲b o r i n gc e l l sb y4 - o r d e rd i s t i n c t i o nb e t w e e nb r o a dc o m p l e m e m a 巧s e q u e n c e p l o t ，m es p e c t r a je m c i e n c yo fe a c hc e ui st h es a m e t h et e c l u l o l o g yt o e n s u r es p e c 仇l i i l e m c i e n c y ，b a s e do nt 1 1 ea d j a c e n tc e l l i n t e r f e r e n c ec a l lb ec o m p l e t e l ye l i m i n a t e ds i g n a lt o e n s u r et r a l l s i i l i s s i o nr e l i a b i l i 吼t e c h i l i c a ld e s i 髓p e r f o n l l a n c et oa d v a i l c e d1 e v e l f i n a l l y ，t h es h u l a t i o np r o g r a mf o rt r a d i t i o n a l ，l o we 伍c i e n c yo fp u r es o 胁a r es i i i l u l a t i o n ， h a r d w a r ee m u l a t i o ni sn o tn e x i b l ee n o u g hp u r es h o r r t c o m i n g sa n dp r o p o s ea nf p g a b a s e d s y s t e mg e n e r a t o rh a r d w a r ec o - s i m u l a t i o np l a t f b n nf o rn e 铆o r k i n gs y s t e m so nt h es 锄e 丘e q u e n c yu n d e rt h ec o n d i t i o n si nav a i i e t yo fp a r 锄e t e r se r r o rp e r f o h n a n c eo f 也eh a r d w a r e 哈尔滨工程大学硕士论文 c o - s i m u l a t i o na j l dt h er e s u l t sa 工l a l y z e d s i m u l a t i o nh a r d w a r ec o s i m u l a t i o ns y s t e mn o to i l l y f a s t ，n e x i b l ea 1 1 dc o n v e n i e n tt ou s e ，w i t hf r i e n d l yi n t e r f - a c e ，1 1 i g hr e l i a b i l i 够a n ds i m u l a t i o n ，t h e s i m u l a t i o nr e s u l t st ot h eb u s i l l e s ss y s t e mi n t oas h o r tc y c l e ，c o d er e u s ei sh i g h k e yw o r d s ： b i t - i n t e r l e a v e dc o d e dm o d u l a t i o n ；t h es a m ef r e q u e n c yn e t w o r k ；h a r d 、v a r e c o - s i m u l a t i o n ；t u r b op r o d u c tc o d e ；c o n s t e l l a t i o nr 0 t a t i o n ； 第l 章绪论 1 1研究背景 第1 章绪论 随着移动通信，移动互联网和多媒体业务的发展，有限的移动通信频谱资源难以满 足快速膨胀的无线通信的容量需求。而且移动通信的传输环境日趋恶化，基本上都是高 速宽带复杂多径的信道条件。所以必须从理论上寻求新的创新与突破，在保证传输可靠 性下，解决频谱资源与通信业务爆炸式增长的矛盾，满足现代移动通信的需求【l 】。 高速宽带通信系统要求传输高速数据和提供高等级服务质量，对编码效率、延时、 误码率等指标提出更为苛刻的要求。设计性能优异的编码方案和简单有效的译码算法， 研究有效的纠错编码方案使得满足高速通信的传输速度和通信质量要求，具有理论和实 际意义。信道编码通过在信息比特中增加冗余提高传输的可靠性，然而，信道编码引入 的冗余信息会占用一定的频带资源，一般来说，会使频谱利用率下降；在给定的带宽下 要提高信息的传输速率，提高频谱利用率，则可采用高阶调制技术。 传统的系统设计方法将编码器和调制器独立考虑，系统的实际性能很难达到令人满 意的效果。因此，将两者联合起来考虑，通过编码和调制的联合设计，使得通信系统在 不占用额外资源的条件下获得编码增益，从而能同时提高功率效率和频带效率。网格编 码调制( t r e l l i sc o d e dm o d u l a t i o n ，t c m ) 和比特交织编码调制( b i t i n t e r l e a v e dc o d e d m o d u l a t i o n ，b i c m ) 是最常见的两种编码调制技术。在高斯白噪声信道( a d d i t i v ew h i t e g a u s s i a i ln o i s e ，a w g n ) 下，t c m 通过最大化码字间的最小欧氏距离，使得系统性能 表现优异；在衰落信道下，b i c m 通过比特交织使得码字的分集阶数最大，实现最大化 汉明距离，具有优异的性能表现。此外，在多径信道条件下，为有效的消除多径衰落的 影响且不占用额外的频带资源，还可以考虑提高系统的空间分集阶数，如星座旋转和坐 标交织等。 在蜂窝移动通信系统中，小区中心能够提供的较高的数据率，可是由于小区间干扰 的存在，小区边缘的数据率往往难以满足需求。在小区中心和边缘的数据速率有很大的 差异，不仅使用户在小区不同位置的服务体验有很大的波动，而且影响了整个系统的容 量。因此，如何提高小区边缘性能成为新一代宽带无线通信系统的最主要指标之一。 本文课题是2 0 0 9 年第四代移动通信国家重大专项课题t d l t e 组网技术研究 哈尔滨工程大学硕士论文 的一部分。本文对比特交织编码调制技术、t u r b o 乘积码的编译码、比特交织编码调制 系统中的均衡技术、比特似然比技术、b i c m 系统的同频组网、硬件协仿真技术等进行 了研究。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 比特交织编码调制系统 1 9 9 3 年，c b e n d u 提出的t w b o 码是一种逼近s h a n n o n 极限的编码方案2 】【3 】。1 9 9 4 年，p r y n d i a n 将t w b o 码的子码码型拓展到分组码，在c h a s e 算法的基础上他又将软输 入软输出迭代算法应用于乘积码的译码，称为1 、曲。乘积码( 1 u b op r o d u c tc o d e ，t p c ) 【4 i 。 t u 曲。乘积码是在t u r b o 码的基础上发展起来的，t u r b o 乘积码充分利用子码为分组码的 代数译码算法，大大降低了译码复杂度。由于m b o 乘积码的子码是一种分组码，适合 并行处理，具有较高的编码效率，应用f p g a 的流水线机制可以实现硬件高速编译码器， 可以大大降低编译码器的延迟。 1 9 8 2 年，u n g e r b o e c k 【5 】首次提出一种里程碑式的联合编码调制技术网格编码调 制的概念。其基本思想是：在不占用额外频带资源的条件下，通过增加信号集的方式来 克服信道编码得到的冗余比特。在a w g n 信道下，g u n g e r b o e c k 将编码和调制看成一 个整体来设计使码字间的欧式距离最大化，从而提高系统的性能。 随着通信系统应用范围的扩大，在随后的联合编码调制研究中，开始从a w g n 信 道转向衰落信道。1 9 9 2 年，e z e h a v i 提出了另一种在衰落信道条件下可以进一步增加分 集阶数的编码调制方案，也就是比特交织编码调制( b i ti n t e r l e a v e dc o d e dm o d u l a t i o n ， b i c m ) 【6 】o 后来，gc a i r e ，g1 撕c c o 和e b i 9 1 i e r i 系统地总结了b i c m 的理论基础， 并给出b i c m 的设计原则【7 | 。 1 2 2 蜂窝通信系统同频组网技术 蜂窝组网的基本思想是利用路径损耗作为自然的干扰控制手段，在相隔一段空间距 离后实现资源的重用。基于这一思想，蜂窝网络能够利用有限的频谱资源实现良好的覆 盖，并保证对干扰的控制。传统的蜂窝组网方式主要有两种。一种方式是g s m 等窄带 系统采用的：小区内用户正交分割时频资源；采用较大的频率重用系数( 如7 ，1 9 等) 组网，间隔较近的小区使用的频带互不相同，使用相同频带的小区则间隔足够远，通过 自然的路径损耗足以消除同频干扰。这一组网方式自然地不存严重的同频干扰问题，其 第1 章绪论 单小区频谱效率理论上不受限，但组网后的总体频谱效率很低。另一种组网方式是大多 数c d m a 系统采用的：各个用户码分信道，但小区内用户信号只是近似正交( 虽然其 码字如w 矾s h 码本身是正交的，但通过信道后不再严格正交) ，以严格的功率控制应对由 此带来的远近效应；采用全局频率重用，通过扰码等手段使得小区内和邻小区的干扰白 噪声化，依靠较大的扩频增益保证所需的符号信干比，采用所谓软切换等手段解决小区 边缘的强干扰问题。这一组网方式的优势是能够全局频率重用，其组网频谱效率高于 g s m 等窄带系统，但系统本身是干扰受限的，频谱效率不能充分提高，且软切换也会造 成一部分系统容量损失。 在基于块传输的新一代蜂窝无线通信系统中，为了高频谱效率的需要，既强调组网 的全局频率重用，又采用了正交多址方式【8 】：那么，邻近小区之间的相互干扰必将成为 一个严重的问题，特别是在用户处于小区边缘时，有可能出现与有用信号功率相近的同 频干扰。因此，系统必须采用适当的方法进行干扰抑制和消除。概括而言，比较常见的 对干扰的处理方式主要有三种【9 。1 2 】： 采用干扰协调以回避干扰； 将干扰视为噪声处理； 将干扰信号和有用信号同时检测出来； 干扰协调机制，即通过对资源的分配和调度来回避干扰。这本质上是一种相邻小区 信号正交化的方法，因此可以自然地避免了组网时的干扰问题。例如最直接的干扰协调 是所谓的分数频率重用( 或称为软频率重用) ，即在各个小区边缘只使用部分资源，直接 相邻的小区使用的资源相互正交。也就是说，只在各个小区的中心实现频率重用因子1 ， 小区边缘则仍以大于1 的某一频率重用因子组网，其结果是总的频率重用因子7 介于 1 和之间，具体数值取决于采用全局频率重用的面积比例。这时利用自然的路径损耗， 小区之间的同频干扰即可以得到控制：越大则残留干扰越小。这也可看作在以重用因 子组网基础上在信干比高的小区中心区域使用全局频率重用。显然，这事实上已经不 是真正的同频组网了，因此，这对小区的总体频谱效率有较大影响。干扰协调的目标信 干比要求越高，即需要越大，频谱效率损失即越多。相对于上述固定的方式，采用更 灵活的动态干扰协调机制能够在一定程度上减小系统频谱效率的损失，但需付出算法复 杂度的代价，并且可能影响正常的资源调度。并且，至少对下行链路，干扰协调必须结 合功率控制才能实施，而功率控制与正常的下行频域资源调度更是存在较大冲突，也可 能造成系统性能损失，例如在l t e 标准中并没有采用下行功率控制，也就并未采用下行 哈尔滨工程大学硕士论文 干扰协调机制( 但在上行链路已采用) 。总之，干扰协调能够在避免业务信道干扰的情况 下，同时解决组网系统中的频率复用问题，但实现代价较大，在许多情况下不是一种很 好的选择。 干扰随机化和多小区联合检测。从实现最优信道容量的角度看，这两种处理方式各 有其适用范围。事实上，干扰确定之后，其导致的信道容量的损失( 相对无干扰情况下) 是确定的，处理方式的选择只能起到逼近有干扰情况下信道容量的作用。因此这两种方 式的确可以统一在一起讨论。 北京邮电大学李道本教授发明的适用于小区间组网的重叠编码复用多址技术 ( o v e r l a p p e dc o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ，0 v c d m a ) ，可以实现同频组网，成倍提高 移动通信组网的频谱重用效率，进而提高移动通信组网的系统用户容量【l3 1 。重叠编码复 用多址技术是本文提出的同频组网部分的理论基础。基于四色原理的组网方案：相邻各 小区使用相同的频段，频率重用系数为1 ，但相邻小区之间互补码不同，利用4 阶广义 互补序列区分小区，即每一个码对应一个小区，每个小区的频谱效率是相同的。在保证 频谱效率的基础上，保证了传输的可靠性，该技术利用四色小区组网原理和独创的小区 分组码可将相邻小区的干扰信号完全消除，技术设计性能达到领先水平。 1 2 3 仿真开发验证一体化技术 在针对复杂系统进行软件仿真时，为验证系统的某个算法或者获取最优的系统参数， 需要等待几个小时甚至几天时间，而一般的系统设计需要反复修改、反复仿真后才能确 保设计的正确性，获取最优性能参数。提高仿真效率，减少仿真复杂度，缩短仿真时间， 能够有效加速系统设计，减低工程成本。 当工程师完成硬件描述语言设计后，需要通过完整的用例测试来检验设计是否满足 要求。测试工程师首先需要为项目建立一系列测试平台，这些测试平台要尽可能的提供 完备的测试向量，通过某些数学分析工具，分析系统响应数据，判断设计是否满足预期 的要求。但是硬件仿真无法实时调整仿真参数和直观的观察仿真结果，如果发现系统设 计没有达到预先设计要求，需要重新编写测试用例和测试向型1 4 】。 针对传统的仿真方案中，纯软件仿真效率低，纯硬件仿真不够灵活的缺点，x i l i i 公司的s y s t e mg e n e r a t o r 提供了硬件协同仿真功能，在很大程度上加速了设计的仿真过 程1 1 5 _ 1 7 j 。基于f p g a 和s y s t e mg e n e r a t o r 的硬件协仿真平台，能够在多种参数条件下对 系统的误码性能进行硬件协仿真并对结果进行了分析。硬件协仿真系统不仅仿真速度快， 大概可以提高1 2 个数量级，而且使用灵活方便，结果易于观察，仿真可靠度高，仿真 4 第l 章绪论 结果向商用系统转化周期短、代码可重用度高。 1 3 论文内容和章节安排 本文的主要内容如下： 软输 入软 输出 译码 算法 调 t p c 和 t 1 l r b o 的性能 分析 编 调 制 系 絮u 曩粪鹫。徽 分集卜叫旋转卜堡塑曼叫比特交织 增益ii 技术ll 编码调制 系统 ，jj ， l ；，、，、 计算及硬件简 化实现 比特交 f 织编码 调制系 叫统及其 l 同频组 i 网技术 l 研究 埘s e f 一 p l j l 丁，x 矽、弓t 州1 + _ ， 调制系统中的 均衡技术 基于广 义互补 码的蜂 窝系统 无干扰 同频组 网技术 利 用 硬 件 加 速 系 统 的 验 广义互补 码0 v c d m 篁 同频组网 篁 无干扰同 频组网 基于o v c d m a 的四小区组 网方案 证一j 芝件协仿真系ls y s t 锄g e n e r a t o r 统设计流程r 1 磕件协仿真技术 于s y s g e n 的仿真开2 验证一体化解决方案 亨真开发验 j 一体化技术 图1 1 论文的研究主线 ( 1 ) 首先研究了以分组码为子码的n 曲。乘积码的软输入软输出( s i s 0 ) 译码算 法，似然比l l r 的简化算法以及硬件实现时输入输出位宽的选取，并仿真分析了t u 曲。 码和t u r b o 乘积码的性能差异，分析了两种码不同的适用场景。在研究乘积码译码算法 的基础上，本论文进一步研究了乘积码与高效调制方式相结合的通信方案比特交织 编码调制技术。为了进一步提高系统性能，增加分集增益，本文提出一种基于星座旋转 的改进方案。在衰落信道下仿真了乘积码与m q a m 结合的编码调制方案。仿真结果充 分体现了改进系统在衰落信道下的有效性。 ( 2 ) 接着研究比特交织编码调制系统一种新型的同频组网方案。在保证频谱效率的 基础上，保证了传输的可靠性，该技术利用四色小区组网原理和独创的小区分组码可将 相邻小区的干扰信号完全消除，技术设计性能达到领先水平。 ( 3 ) 最后针对传统的仿真方案中，纯软件仿真效率低，纯硬件仿真不够灵活的缺点 哈尔滨工程大学硕士论文 提出一种基于f p g a 和s y s t e mg e n e r a t o r 的硬件协仿真平台，对系统在多种参数条件下 的误码性能进行硬件协仿真并对结果进行了分析。硬件协仿真系统不仅仿真速度快，而 且灵活方便，还有非常友好的人机界面，值得进一步深入研究。 本文的内容共分为五章来论述。 第1 章，绪论。 主要阐明了论文研究的背景以及课题来源、研究的目的；接着给出了相关技术的国 内外研究现状；最后给出了论文的研究内容和章节组织结构。 第2 章，相关基础知识。 首先简要的分析了编码与调制相结合的比特交织编码调制技术的基本原理；接着分 析了广义互补码用于蜂窝系统的无干扰同频组网原理；最后简要概述了s y s t e mg e n e r a t o r 的基本原理以及两种仿真模式的对比。 第3 章，t u r b o 乘积码高效编码调制方案设计。 首先简单介绍了t u r b o 乘积码的编译码算法；接着针对t u r b o 乘积码设计了一种有 效的乘积码与m o a m 调制相结合的传输方案。并提出一种基于星座旋转的b i c m 方法 应用于衰落信道中，相比传统的b i c m 系统，主要研究如何充分利用空间分集增益，以 提高性能增益。 第4 章，硬件协仿真系统的设计与实现。 首先介绍了硬件协仿真系统的设计流程；接着给出基于s y s g e n 的仿真开发验证一 体化解决方案；最后给出系统仿真结果并对结论做了分析，证明了硬件协仿真系统的高 效性和可靠性。 第5 章，基于o v c d m a 的b i c m 系统同频组网研究。 介绍基于重叠编码多址的b i c m 通信系统的结构和算法实现；并简要描述单小区发 射机和接收机的基本原理和系统组成以及四小区同频组网的原理和构成；接着给出了关 键模块的具体设计与硬件简化实现以及参数选择的依据等，最后通过两个硬件平台的协 仿真验证了同频组网的有效性和可靠性。 第2 章相关基础知识 第2 章相关基础知识 2 1 比特交织编码调制技术 随着现代通信技术的迅猛发展，人们对无线信道研究更加深入，渐渐的将研究重点 从加性高斯白噪声信道转移到衰落信道下的编码调制研究。本节主要介绍b i c m 系统的 结构和基本原理，同频组网的基本原理，以及硬件协仿真的基本原理。 信i编j 一d l 源 7 码1 2 1 1 系统模型及原理 图2 1b i c m 系统模型 在发送端，信源生成七位信源比特比= ( “，“，甜。) ，送入信道编码器( 常用的信道 编码器有卷积编码器、t u r b o 编码器、n 曲。乘积码编码器、l d p c 编码器等) ，生成咒位 编码比特c = ( c 1 ，c 2 ，c 。) ，其中( 七门) ；编码比特送入交织器后得到7 r = ( 乃，乃，瓦) ， 交织器的输出进行调制映射到高阶星座图上，得到调制符号x = ( 葺，x ，x 。) ，其中聊取 决于调制阶数，若为b p s k ，则m = 刀2 ，若为1 6 q a m ，则历= 胛4 。调制后的信号进 入信道。在接收端，将接收到的信号首先送入解调器，算出每个星座图上的比特节点对 应的比特似然比：然后将该信息送入解交织器进行解交织运算，接着送入信道译码器， 其中译码方式采用上文提出的t u r b o 乘积码，进行迭代译码运算【l 啦2 7 j 。在b i c m 系统中， 为了获得较高的编码增益，在译码时采取软判决译码，所以就要求解映射输出软信息。 对数似然比( l o gl i k e l i h o o dr a t i o ，l l r ) 是关于符号值先验概率的比值。在无记忆信道下， 如果符号等概率取值，可以转化为后验概率的比值【l 引。 2 1 2 交织技术原理 交织技术实际上是一种信道改造技术。对于用于无记忆信道的，即随机错误，纠错 编码基本上是能够对付的，然而复杂传输条件下引起的突发错误，单纯地靠纠错编码不 能有效抵抗，所以在实际应用中往往要结合数据交织技术，将突发性错误转为随机性错 误，这样使得连续错误码字个数在纠错码的纠错能力内，充分发挥纠错编码的作用2 8 刁0 1 。 所以，在设计系统的纠错指标，确定交织器的结构和深度时，要充分综合考虑系统 哈尔滨工程大学硕士论文 的工作环境和要求。b i c m 系统中一般采用随机交织p 1 1 。 2 2 基于广义互补码的蜂窝系统无干扰同频组网原理 2 2 1 基本原理 基于广义互补码的多址方案o v c d m a 利用广义互补码的移位码作为地址码，在小 区内采用多用户检测消除多址干扰和符号间干扰，而其邻小区之间的干扰理论上为零是 其重要优势口4 3 6 1 。本节的目的即是说明o v c d m a 系统中消除邻小区干扰的基本原理。 关于广义互补码的详细描述、0 v c d m a 系统的移位重叠多址原理、系统构成和译码算 法，见相关参考文献这里不再详细说明【3 3 j 。 阶完备广义互补码的相关性质可以用下式概括【3 2 j ： ，q ( f ) = 瓣( r ) = 颤万( r ) ( 2 1 ) f = l 式中：v f ；，七= 1 ，2 ，尼，其含义即，广义互补码的互补自相关特性和互补互相 关特性是理想的。 o v c d m a 系统利用有k 组码的k 阶广义互补码中一组码的移位码作为一个小区内 的地址码，其k 组码分配给相邻( 一簇) 小区使用，从而实现了k 小区同频组网。此时， 根据广义互补码的性质，小区内任意两个由移位形成的地址码之间是互补正交的，小区 间任意两个由移位形成的地址码之间也是互补正交的。于是，在信道理想并保持全网同 步的情况下，系统中不存在任何多址干扰和邻小区干扰。 然而，广义互补码在实用中必然要经过若干冲激响应非理想的滤波器。这里的滤波 器包括升余弦型等脉冲成型滤波器以及衰落信道( 等效为一个滤波器) 等等。广义互补 码在滤波后的相关特性如何，决定了系统中是否会出现多址干扰和邻小区干扰。可以证 明广义互补码经过滤波器之后，其任一组码的互补白相关函数等于滤波器时域响应的非 周期自相关函数，而两组码间的互补互相关特性仍然是理想的( 处处为零) ；特别是，即 使两组码经过的滤波器不同，其互补互相关特性仍然保持理想。因此，在全网同步的前 提下，即使接收机收到的不同小区的信号分别经过了不同的无线信道且互相叠加，也完 全不存在小区间干扰。接收机只需通过简单的相关运算，即可消除小区间干扰，将检测 问题简化为单小区内的多用户检测【3 3 1 。 第2 章相关基础知识 2 2 2 无干扰同频组网实例说明 我们可以用一个简单的例子来说明其原理。为简明起见，分析中只考虑实信号，推 广到复信号是简单的。其中采用了2 阶、有2 个分量码的广义互补码，可实现两小区的 无干扰组网。t d o v c d m a 系统方案中所采用的4 阶、有4 个分量码的广义互补码则可 实现四小区的无干扰组网。 设小区1 某用户的地址码( 包含两个分量码) 为q = 【+ + + 一】d = 【+ 一+ + ，小区 2 中某用户的地址码为砰= 【+ + 一+ 】暖= 【+ ，小区l 发送一个符号“。( 例如来自 b p s k 符号集 一1 ，+ l ) ，小区2 比小区l 延迟1 个( 也可以是。个或任意个) 码片发送 符号地，二者经历的等效信道( 包括成型滤波器、无线信道等) 的准静态( 即在所有分 量码持续时间内保持不变) 冲激响应分别为蠕( ，) 和红( f ) ，为简明起见，设两个冲激响 应的持续时间都是2 码片，即在【o ，2 疋】以外响应为零。 那么，小区1 的发射信号为： 第一个分量码 0 ( f ) = “。c ：木啊( f ) = “。魄( f ) + “。啊( f 一丁) + 甜。魄( f 一2 丁) 一“。啊( f 一3 丁) ( 2 - 2 ) 第二个分量码 s ：( r ) = 甜。c ：木矗( f ) = “。魄( f ) 一“。啊( f 一丁) + “。啊( f 一2 丁) + “。红( f 一3 丁) ( 2 3 ) 小区2 的发射信号为 第一个分量码 砰( r ) = “：c ? 木红( f ) = “：吃( f 一丁) + “：吃( r 一2 r ) 一“：( r 一3 丁) + “：吃( 卜一4 丁) ( 2 4 ) 第二个分量码 s ；( f ) = 甜：c ；木呜( f ) = “：坞( f 一丁) 一“：吃( r 一2 丁) 一“：吃( f 一3 丁) 一甜：红( f 一4 丁) ( 2 - 5 ) t d o v c d m a 系统中同一个码的各个分量码是在时间上严格隔离的，而小区之间对 应的分量码是同步发射的，这里为简明而没有注明两个分量码之间时间上的差别。 下面考虑小区1 如何从接收信号中恢复信息的问题。 小区1 的接收机收到的重叠信号为( 暂不计噪声) 第一个分量码： 爿( r ) = 0 ( ，) + s i ! ( f ) = ( r ) + j i z l ( r 一丁) + 甜。啊( f 一2 r ) 一“。( f 一3 丁) ( 2 6 ) + 甜：( f 一丁) + “：坞( f 一2 丁) 一甜：红( f 一3 丁) + “：红( f 一4 丁) 第二个分量码： 9 哈尔浜工程大学硕士论文 业( r ) = 砖( r ) + s ；( f ) = 甜。啊( f ) 一甜。啊( f 一丁) + “。啊( f 一2 丁) + “，矗( f 一3 丁) ( 2 - 7 ) + “：红( r 一丁) 一甜：吃( f 一2 丁) 一甜：缟( r 一3 丁) 一“：吃( f 一4 丁) 现在接收小区1 的信号： 分量码1 与下式进行相关运算， c ? 木盔( f ) = 啊( f ) + 啊( f r ) + 向( f 一2 r ) 一如( f 一3 r ) ( 2 - 8 ) 得到两部分信号：与本小区信号的相关_ 1 1 ( f ) 和与临小区信号的相关吒1 2 ( f ) ，其中： 吒1 1 ( r ) = “。砰( f ) + “。砰( ，一丁) + “。砰( f 一2 丁) + “。砰( 卜一3 丁) + 甜，啊( f ) 啊( f 一丁) + “。啊( f 一丁) 啊( f 一2 丁) 一“。啊( f 一2 丁) 啊( f 一3 丁) ( 2 - 9 ) + “。矗( f 一丁) 啊( f ) + “。矗( f 一2 丁) 啊( f 一丁) 一甜。啊( f 一3 r ) 均( f 一2 丁) 上式第一行是“对齐”码片波形的相关，后两行是前后相邻的两个“未对齐 码片 波形的相关； 1 1 2 ( f ) = “：魄( ，) ( f 一丁) + “：向( f 一丁) ( f 一2 丁) 一“：啊( f 一2 丁) 红( f 一3 丁) 一“：啊( f 一3 丁) 呜( f 一4 丁) + “：矗( ，一丁) 红( f 一丁) + “：啊( f 一2 丁) 吃( ，一2 丁)( 2 - 1 0 ) + “：啊( f 一3 丁) 吃( ，一3 丁) + “：( f 一2 丁) 吃( f 一丁) 一“：啊( f 一3 丁) 缟( f 一2 丁) 上式第二行是“对齐”码片波形的相关，第一和第三行是两个“未对齐”码片波形 的相关； 对信号进行合并，得到 茸= 4 “。& + 甜。氏( 丁) + “，心( 一丁) + 3 甜：如 2 ( 2 1 1 ) 式中心( 丁) 和氏。：( 一丁) 项已经抵消掉。 分量码2 与下式进行相关运算 q 冰啊( f ) = 栩( r ) 一栩( f 一丁) + 啊( f 一2 丁) + 啊( f 一3 r )( 2 1 2 ) 得到两部分信号：与本小区信号的相关矗1 ( f ) 和与邻小区信号的相关考2 ( f ) ，其中： 砖1 ( f ) = “。砰( f ) + “，砰( ，一丁) + 砰( 卜一2 丁) + “。砰( 卜- 3 丁) 一“。啊( f ) 啊( f 一丁) 一“，啊( f 一丁) 矗( f 一2 丁) + 甜，均( f 一2 r ) 啊( f 一3 丁) ( 2 1 3 ) 一“，( f 一丁) 矗( f ) 一“。魄( f 一2 丁) 魄( f 一丁) + “。( f 一3 r ) 啊( ，一2 丁) 上式第一行是“对齐”码片波形的相关，后两行是前后相邻的两个“未对齐”码片 波形的相关： 以2 ( f ) = “：均( f ) 红( f 一丁) + “：红( f 一丁) 吃( f 一2 丁) 一“：啊( f 一2 丁) ( ，一3 丁) 一“：魄( f 一3 丁) 吃( f 一4 丁) 一“：魄( f 一丁) 吃( f r ) 一甜：啊( f 一2 丁) 吃( f 一2 丁) ( 2 1 4 ) 一甜：撬( f 一3 丁) 忽( f 一3 丁) + 甜：( r 一2 丁) 吃( f 一丁) 一“：红( f 一3 r ) 缟( f 一2 丁) 上式第二行是“对齐”码片波形的相关，第一和第三行是两个“未对齐”码片波形 第2 章相关基础知识 的相关；进行合并，得到 鹾= 4 “。& 一& ( r ) 一心( 一r ) 一3 甜：& 屯 ( 2 1 5 ) 式中心坞( 丁) 和& 鸣( 一丁) 项已经抵消掉。 两个分量码再合并，得到：8 e 这样即完成了接收，其中没有任何小区间干扰。这里的邻小区干扰消去当然不是偶 然的，而是由于两个码+ + + 一+ 一+ + 和+ + 一+ + 对任意移位是互补正交的，相 关接收中如& ( 丁) 和& 也( 丁) 之类的由码片波形的“非对齐相关”所产生的项即可自动 抵消掉。我们对啊( f ) 和吃( f ) 的形式没有任何限制，只要其波形是能量有限的，即使其 持续多个码片时间，有很强的码片间干扰，也不会对上述结论有任何影响。 总之，可以用一句话说明上述原理：由于广义互补码组的移位互补正交设计，对本 小区信号的合并等效于对所有邻小区信号的自抵消。而传统c d m a 扩频码并不具备这 样的性质除非信道无时间扩散，否则由于其移位不正交或者说互相关函数不理想， “非对齐相关”所产生的项无法抵消掉，必然造成正交性被破坏引起干扰。因此无论邻 小区信号经历什么样的信道，无论接收到的邻小区信号功率如何，只要在码字持续时间 内信道响应近似为时不变的( 在码片速率很高的扩频系统中一般都满足这一条件) ，其多 小区干扰即为零。 上述结论的一个前提条件是信道为准静态的，即信道响应在所有分量码持续时间内 保持不变。实际系统中由于信道的频率扩散，总会存在一些信道响应的起伏，因此上述 的滤波广义互补码的理想互相关特性会受到一些破坏，造成一些残留小区间干扰。但是， 对于不太长的帧长( 如我们的系统采用的7 2 0 个码片的帧长) ，这种破坏的影响是很小的。 单小区性能和四小区性能的仿真对比证明，即使对于未编码系统来说，在典型的车速( 如 3 0 l ( n ：以，6 0 k n 汕) 下，残留小区间干扰造成的性能损失上限约1 d b 。实际中由于邻小区 信号经历了较大的路径损耗，其残留干扰影响更小，并且，这一损失还可以通过码字序 列构造方法的改变而有所减弱。总之，因信道微小起伏造成的残留多小区干扰对系统性 能影响很小【33 | 。 2 3s v s t e mg e n e r a t o r 概述 s v s t e mg e n e r a t o r 是x i l i n xi s e 开发包中提供的d s p 开发工具：它是应用在s i m u l i n k 环境下的系统级建模工具；它实现了s 油u l i l l l ( 环境下高度抽象的系统模块到f p g a 代码 的自动生成。s v s t e mg e n e r a t o r 的应用可大致分为四类：算法开发、硬件系统部分模块 哈尔滨工程大学硕士论文 的实现、完整设计从系统级到硬件代码的实现、硬件模块的系统级验证【37 1 。 2 3 1 s y s g e n 硬件协仿真模式 传统验证d s p 算法的方法是：在