（通信与信息系统专业论文）基于mimoofdm实时平台的同步技术研究与实现.pdf

山东大学硕士学位论文 中文摘要 在未来的宽带无线通信系统中存在两个最严峻的挑战：多径衰落信道和 带宽效率。m i m o 可以抗多径衰落，但是对于频率选择性深衰落，m i m o 系 统依然是无能为力。目前解决m i m o 系统中的频率选择性衰落的方案一般是 利用均衡技术，还有一种是利用o f d m 。在o f d m 的基础上合理开发空间资 源，也就是m i m o o f d m ，可以提供更高的数据传输速率。m i m o o f d m 技 术通过在o f d m 传输系统中采用阵列天线实现空间分集，提高了信号质量， 充分利用了空间、时间和频率3 种分集技术，大大增加了无线系统对噪声、干 扰、多径的容限。因此，基于o f d m 的m i m o 系统具有逼近极限的系统容量和良 好的抗衰落特性，可以预见，它将是下一代网络采用的核心技术。 m i m o o f d m 技术发展至今，其理论日渐成熟，而现场测试亟待进行，搭建 一套以算法验证为主、系统级的m i m o o f d m 系统仿真实时平台，对于通信 新技术的研究和应用是必要的。 本文研究的主要内容是基于m i m o o f d m 实时平台的同步技术研究与实 现，分两个研究阶段，第一个阶段为基于i e e e 8 0 2 1 l a 标准的o f d m 实时平台的 同步技术研究及实现，第二个阶段为基于i e e e 8 0 2 1 l n 标准的m i m o o f d m 实时 平台的同步技术研究。首先介绍了实时平台所使用的软件系统、硬件系统和软件 无线电思想在本文中的应用。第一个研究阶段的核心是o f d m 系统的同步技术， 在描述i e e e 8 0 2 1l a 标准和o f d m 的基本原理后，介绍了o f d m 系统的优点和不 足，介绍了o f d m 系统的关键技术：载波同步、定时同步、信道估计、峰值平均 功率比( p a p r ) ，并对载波频差、定时偏差对o f d m 接收系统的影响进行了详细分 析；介绍了几种典型的同步方案，及本设计中所采用的实现方式；最后分析了本 设计平台的实现结果，本文的符号定时同步由采用延时相关的粗帧定时同步和采 用互相关的细帧定时同步联合作用实现，载波同步由基于训练符号的时域相关算 法和基于导频的载波相位同步算法联合实现，信道估计采用基于训练序列的数据 辅助方法。第二个研究阶段的核心是m i m o o f d m 系统的同步技术，在描述 i e e e 8 0 2 1 1 n 标准和m i m o 的基本原理后，介绍了m i m o o f d m 系统的关键技术： 山东大学硕士学位论文 天线编码、同步、信道估计，及在本设计中所采用的实现方式，m i m o o f d m 系 统的同步技术与第一阶段o f d m 系统的同步技术类似，最后分析了本研究的仿真 结果。 关键词：o f d m ，m i m o ，m i m o o f d m ，同步，实时平台 2 a b s t r a c t i nt h ef u t u r eb r o a d b a n dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，t h e r e 盯e t w om o s t s e r i o u sc h a l l e n g e s ：m u l t i p a t hf a d i n gc h a n n e la n db a n d w i d t he f f i c i e n c y m i m o s v s t e mc 锄f e s i s tm u l t i p a t hf a d i n g ，b u ti t i ss t i l lp o w e r l e s s f o rf r e q u e n c ys e l e c t l v e d e e pd e c l i n e a tp r e s e n t ，w e u s ee q u a l i z a t i o nt e c h n i q u e sa n do f d m t or e s o l v e1 t m i m o o f d mt e c h n o l o g yi sd o n eb yu s i n ga r r a y a n t e n n ai no f d ms y s t e m i t m a k e sf u l lu s eo ft h et i m e ，f r e q u e n c ya n ds p a c et o s i g n i f i c a n t i y i n c r e a s et h e t o l e 啪c eo ft h ew i r e l e s ss y s t e mt on o i s e ，i n t e r f e r e n c e a n dm u l t i p a t hf a d l n g t h e m l m o o f d ms y s t e m h a sa p p r o x i m a t i o ns y s t e m c a p a c i t yl i m i t 锄d9 0 0 d 咒s i s t a n c et od e c l i n ec h a r a c t e r i s t i c s ，s oi t w i l lb et h ec o r et e c h n o l o g yo ft h en e x t g e n e r a t i o nn c ；t w o r k s o f a r , i t st h e 。d e sa r em 砌哆，8 0 r e a l - t i m es i m u l a t i o np l a t f o r mt ov e r i f yt h ea l g o r i t h m sp r i m a r i l y t h em a i nc o n t e n to ft h i sp a p e ri s t h er e s e a r c ha n di m p l e m e n t a t l o no f s v n c h r o n o u sb a s e do na r e a l t i m ep l a t f o r m i tc o n s i s t so ft w or e s e a r c hs t a g e s ：t h e f i r s ts t a g eo ft h es t u d yi sb a s e do nt h ei e e e 8 0 2 l las t a n d a r d ，a n dt h es e c o n d1 s b a s e do nt h ei e e e 8 0 2 1 lns t a 删f i r s t , i ti n t r o d u c e dt h es o r w a r ea n d t h eh 枷w 啪 o fm ep l a 仃o n i l a n dt l l e 印p l i c 砸o n o fs o 脚眦一d e f m e dr a d i ot h e u g h ti nm ed e s i g n i n 也e 觚蛐姆，t h ec o r e i st h es y n c h r o n o u st e c h n o l o g yo f0 f d ms y 姗n d e s c r i b e dt h ei e e e 9 0 2 1 las t a n d a r da n db a s i cp r i n c i p l eo fo f d m ，t h e a d v 锄协g c s 锄d d i s a d v 嘲g e so fo f d ma n dt h ek e y t e c h n o l o g i e so fo f d ms y s t e m ：s y n c h r o m 础o i l ， c k m r 圮le s t i m 砒i o i l p a p r , a n dt h e i rr e a l i z a t i o n o ft h i sp l a t f o r m i tc o n s i s t so ft h e d e t a i l a n a l v s i so fm e 伽俯f r e q u e n c yo f f s e t , s y m b o lt i m i n g e r r o r i ti n t r o d u c c ss e v 刊虹n d s o f 邯i c a l 驴如i l i 刎s c h e m e ，t h e na n a l y z e s t h er e a l i z a t i o no ft h i sd e s i g np l a 廿。咖 删l t s 1 1 1 e册b o l“n gs y n c h r o n i z a t i o nc o n s i s t s o ft h ec o a l s of r a m e 啪n g 眦幽i l i 删o na n d f i n ef r a m et i m i n gs y n c h r o n i z a t i o n , t h e c o a r s e 觚鹏觚m g 啪c h r m 删i s 列i z c db yd e l a y r e l a t e da l g o r i t h mb a s e d o nt h e 俩i l i i l gd a ：恤e f m e et i m i n gs ) ，i l c h r 0 i l i 翻t i o nw h i c hi sr e a l i z e db yd a d a - a i d e da l g o r i t h m b 嬲e do n t h ep i l o t t h ec a r d e rp h a s es y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h m sc o n s i s t s o ft h et i m e - d o m 锄 r e l a t e da l g o r i 恤b a s e do nt h e t r a i n i n gd a d aa n dt h e c a r r i e rp h 豳e 班啪惦 3 山东大学硕士学位论文 a l g o r i t h mb a s e do nt h ep i l o t , t h ec h a n n e le s t i m a t i o ni sr e a l i z e db yd a d a - a i d e da l g o r i t h m b a s e do nt h et r a i n i n gd a t a i nt h es e c o n d s t u d ys t a g e ，t h e c 幻l ei st h e s y n c h r o n o u st c d m o l o g yo f m i m o o f d ms y s t e m i td e s c r i b e st h ei e e e 8 0 2 1ins t a n d a r da n dm i m ob a s i c p r i n c i p l e ，t h ek e yt e c h n o l o g i e s o fm i m o o f d ms y s t e m ：a n t e n n ac o d i n g , s y n c h r o n i z a t i o n , c h a n n e le s t i m a t i o n , a n d t h e i rr e a l i z a t i o ni nt h i sp l a t f o r m i t sr e a l i z a t i o n o ft h es y n c h r o n i z a t i o ni ss i m i l a rt ot h eo f d ms y s t e m f i i l a j l y ，w ea n a l y z e dt h e s i m u l a t i o nr e s u l t s k e yw o r d s ：o f d m ；m i m o ；m i m o o f d m ；s y n c h r o n i z a t i o n ；r e a l t i m e p l a t f o r m 4 山东大学硕士学位论文 m i m o o f d m s t b c d s p f p g a c i c h b d u c d d c s d r q a m g m s k t d m a c d m a f d m a 3 g t i m s h b f f t i f f t a g c l t e w l a n s m t p c i 符号说明 m u l t i p l e 。i n p u tm u l t i p l e 。o u t p u t 多输入多输出 o r t h o g o n a lf 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 s p a c et i m eb l o c kc o d i n g d i g i t a ls i n g n a lp r o c e s s o r f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y c a s c a d ei n t e g r a t o rc o m b h a r fb a n d d i g i t a lu pc o n v e r t e r d ig it a ld o w nc o n v e r t e r s o f t w a r e d e f i n e dr a d i o q u a d r a t u r ea m p li t u d em o d u l a t i o n g u a s s i a nm i n i m u ms h if tk e y i n g t i m ed i v i s i o nm u l t i p l ea d d r e s s c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea d d r e s s f r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l ea d d r e s s t h e3 r dg e n a r a t i o nt e l e c o m m u n i c a t i o n t e x a si n s t r u m e n t sm o d u l e s u n d a n c eh i g h s p e e db u s f a s tf o u r i e rt r a n s f o r m i n v e r s e f a s tf o u r i e rt r a n s f o r m a u t o m a ticg a inc o n t r o l l o n gt e r me v o l u t i o n w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k s u r f a c em o u n t e dt e c h n olo g y p e r i p h e r a lc o m p o n e n ti n t e r c o n n e c t 空时分组码 数字信号处理器 现场可编程门阵列 积分梳妆滤波器 半带滤波器 数字上变频器 数字下变频器 软件无线电 正交幅度调制 高斯最小移频键控 时分多址 码分多址 频分多址 第3 代移动通信技术 t i 模块 高速总线 快速傅星叶变换 快速傅里叶逆变换 自动增益控制 长期演进 无线局域网 表面贴装技术 外部组件互连标准 5 山东大学硕士学位论文 p l c p p h y s i c a l l a y e r c o n v e r g e n e e p r o t o c i c i i s i l s i n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c e l e a s ts q u a r e m m s em i n i m u mm e a ns q u a r ee r r o r m lm a x i m u ml i k e l i h o o de s t i m a t i o n c p c y c l i cp r e f i x 6 物理层汇聚协议 子载波问干扰 符号间干扰 最小二乘法 最小均方误差 最大似然估计 循环前缀 山东大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 无线通信是当今世界最活跃的科研领域之一。它突破了有线通信的物理限制， 使得用户可以自由自在地在任何无线电波能够到达的地方进行通信，这大大拓宽 了通信的空间和活力，使无论任何人在任何时候和任何地点都能和另一个人进行 任何方式的通信成为可能。截至2 0 1 1 年中国有超过9 亿移动电话用户，而在全世 界范围内，移动电话用户已超过固定电话用户数。无线通信产业的迅速增长驱动 了无线通信技术的发展和创新。目前无线通信面临的主要问题是如何提供更高的 数据传输速率以满足用户的需求。由于无线通信借以提高数据传输速率的传统资 源：频率带宽和发射功率，目前都已濒临饱和，因此要依靠增加这两种资源的损 耗来提高传输速率是行不通的。而用户对图像传输和电话会议等高传输速率数据 业务的需求越来越迫切。现在世界上主要使用的第二代移动通信网络受到其最初 设计目的的限制，根本无法满足用户的需求。时至今日第三代移动通信已定型， 但是其传输速率还是偏低。 无线通信技术的发展，按照其所提供的业务可以分为以下几个不同阶段，主 要是： ( 1 ) 第一代无线通信系统( 1 g ) ：采用模拟调频( f m ) 、频分多址为主体技术( f d m a ) ， 主要用于传输单一语音信号，蜂窝小区设计技术是其诞生的标志。包括以蜂窝网 系统为代表的移动通信系统、以集群系统为代表的专用移动通信系统以及无绳电 话系统等。 ( 2 ) 第二代无线通信系统( 2 g ) ：采用数字传输、微蜂窝技术、时分多址或者码分多 址，引入新的调制方式：g m s k 、4 q a m ，引入t d m a 、c d m a 多址方式，提高 了频谱利用率和用户容量，主要提供数字话音业务和低速数据业务。 ( 3 ) 第三代无线通信系统( 3 g ) ：以c d m a 为主要技术，在2 g 提供语音通信的基础 上提供多媒体服务，采用微蜂窝结构，带宽c d m a 技术、4 q a m 调制、自适应调 7 山东大学硕士学位论文 制。缺点是数据通信传输速率不够高、标准不兼容。向用户提供2 m b s 到1 0 m b s 的多媒体业务。 ( 4 ) 后三代( b 3 g ) 或第四代( 4 g ) 无线通信系统：第四代无线通信系统( 4 g ) 是指集3 g 与w l a n 于一体，采用o f d m 和m i m o 技术，并能够传输高质量视频图像，将 适合所有的移动通信用户，最终实现商业无线网络、局域网、蓝牙、广播、电视 卫星通信的无缝衔接并相互兼容。4 g 系统应体现移动与无线接入网及口网络不断 融合的发展趋势，因此4 g 系统应当是一个全i p 的网络。将向用户提供1 0 0 m b s 到1 g b s 的多媒体业务。 2 l 世纪的无线通信市场非常巨大，市场竞争也非常激烈。各个国家和地区的 标准化组织都希望把自己基于本国现有的通信设施而提出的建议纳入国际标准， 以期其现有的通信设施能够平滑地过渡到新一代无线通信系统，或者与新一代无 线通信系统反向兼容。这种经济利益驱使各国的制造商和运营商对指定第四代无 线通信的国际标准表现出极大地热情和积极性。l t e 项目是3 g 的演进，是3 g 与 4 g 技术之间的一个过渡，它改进并增强了3 g 的空中接入技术，采用o f d m 和 m i m o 技术【2 】。 1 2m i m o o f d m 实时平台的项目背景及意义 m i m o o f d m 技术是m i m o 技术与o f d m 技术相结合而形成的一种新技术， 在o f d m 传输系统通过采用阵列天线来实现空间分集，这样可以大大的提高信号 的质量，可以充分利用了空间、频率和时间三种分集技术，大大地增加了无线传 输系统对干扰、噪声和多径的容限。基于o f d m 的m i m o 系统具有逼近极限的系 统容量和良好的抗衰落特性，可以预见，它将是下一代网络采用的核心技术。 m i m o o f d m 技术发展至今，其理论日渐成熟，但其性能评价与测试已成为 m i m o o f d m 技术从理论走向实用所面临的一个重要挑战。因此搭建一套以算法 验证为主、系统级的m i m o o f d m 系统仿真实时平台，对于通信新技术的研究和 应用是必要的。这样的平台能研究多种传输条件下的m i m o o f d m 系统信道的特 征，验证并研究各种数字信号处理的算法的性能，并且可提供硬件实现和算法实 施的可行性分析、定点实现性能分析与仿真验证，以及专用芯片设计的l i 期功能 8 山东大学硕士学位论文 和性能分析与仿真验证等。仿真平台的有效开发和利用也是进行通信新技术研究 与实际系统开发的重要基础。m i m o o f d m 实时平台设计的关键是可靠性和实用 性，对于可靠性问题，在设计的过程中，通信系统中的各部分控制逻辑要尽量做 到简单合理，仿真和硬件测试相结合，确保程序稳定运行；对于实用性，设计方 便使用的用户交互界面，使用者可以通过很直观的页面设置符合自己要求的参数， 以在真实的无线通信环境中仿真及验证自己的算法。适合于通信专业各研究方向 需要真实环境进行测试验证的情况。 目前，全世界无线通信领域中，多家高校、研究机构和无线设备供应商投入 到m i m o o f d m 平台的研究中来。例如：s i g n a l i o n 的m i m o 系统循环系统测试 平台【3 】，北京大学的基于q r 分解的m i m o 系统快速算法研究【4 】，韩国信息通信 大学的事物级n o cm i m o o f d m 平台研究迭代译码和检测系统加强了接收信号的 准确度【5 】，意大利高级系统科技研究所利用a s i c 实现的m i m o o f d m 实时平台 研究了物理层的实现【6 】，瑞士集成系统实验室的实时多用户m i m o o f d m 硬件平 台【7 】，u n i v e r s i t yo ft e x a s 开发了一套支持4 x 4 天线的非实时m i m o 系统【8 】， 布来梅大学开发了的非实习m i m o 系统 9 1 ，u n i v e r s i t yo fq u e e n s l a n d 开发了一套 2 x 2 天线的实时系统 1 0 - 1 1 ，u n i v e r s i t yd u i s b u r g - e s s e n 开发了一套支持4 x 4 天线 的实时系统；国内有：电子科技大学基于软件无线电的m i m o o f d m 研究d s p 实现 1 2 1 ，东南大学的室内外m i m o 实验等。 本论文所研究的m i m o o f d m 实时测试平台，基于f p g a 芯片和d s p 芯片 搭建了一套实时测试无线通信的平台，可以用于研究物理层的各种理论算法，达 到可以现场测试通信算法的真实的无线传输平台，利于无线通信研究过程中算法 真确性的验证的发展。 1 3 本课题所做的工作及结构安排 本论文主要研究了基于m i m o o f d m 实时平台的同步技术研究与实现，简单 介绍了m i m o 、o f d m 系统的相关内容和i e e e 8 0 2 1 1 a 和i e e e s 0 2 1 l n 协议，重点 分析了同步技术，验证各个算法并在平台上予以硬件实现。 论文的安排如下：第一章简单介绍了无线通信的发展，m i m o o f d m 实时平 9 山东大学硕士学位论文 台的项目背景及意义。第二章主要介绍了该平台的硬件系统和软件系统，分析其 特点，对其中的参数及其所采用的先进技术做出详细的说明。第三章介绍了本平 台设计的基于软件无线电思想的自适应调制方式；第四章对基于i e e e s 0 2 1 l a 标准 的o f d m 实时平台的同步技术研究与实现实现方案，对i e e e s 0 2 1 l a 标准做了简 单介绍，详细分析了o f d m 的关键技术，并主要分析了o f d m 的同步技术及其实 现。第五章对基于i e e e s 0 2 1 l n 标准的m i m o o f d m 实时平台的同步技术研究， 对i e e e 8 0 2 1 1 n 标准做了简单介绍，详细分析了m i m o o f d m 的关键技术，并主 要分析了m i m o o f d m 的同步技术极其实现。最后一章是总结与展望。 1 0 山东大学硕士学位论文 第二章平台系统简介 本论文所述的m i m o o f d m 开发平台属于测试平台的开发，目的是创建以算 法验证为目的的m i m o o f d m 测试平台系统，在理论研究的基础上，搭建算法验 证的平台。该平台由发送端和接收端组成，发送端和接收端分别有软件系统和硬 件系统组成，每一端有硬件开发板、射频模块、天线和p c 设备组成。软件系统采 用结构化、模块化、自顶向下的设计思想，确保系统具有良好的稳定性、可靠性 和可扩展性。本章对其架构做了整体介绍，并具体说明各部分的配置和详细参数。 硬件系统和软件系统间的合作关系如图1 所示【1 3 】： 软件系统c c s 、3 ld i a m o n d 、w i n d o w s 产生的文件，分别经过s m t 6 0 1 2 、 s m t 6 3 0 0 、s m t 6 0 2 5 驱动程序下载到硬件系统s m t 3 1 0 q 中，完成整个系统的工 作。 o d ec o m p o s e r ；l d i a n a 。n ds e m 卜n d o w si u 蝌啪a l d i o jljlj ljl j l r s m t 6 0 2 5 r1 r 1r m t 6 3 0 0 ( u t i l i t i e s ) i s m t 6 0 1 2s m t 6 3 0 0 j 工 1 载板s m t 3 l o q i工 _ 1i t i m 2 i 一 图l硬件系统和软件系统相互作用关系 h o s t l s o f t w a r e d e v e l o p m e n t k i t d n v e l s h a r d w a r e 山东大学硕士学位论文 2 1 硬件系统简介 如图2 1 4 1 是m i m o o f d m 实时平台的基本组成框图，开发时选用自项向下 的、模块化的设计思想，充分验证各个模块后再添加接口，保证设计的可靠性和 可扩展性。本平台的发送端和接收端的硬件设_ 舂匿有p c 机、硬件开发板( d s p 、 f p g a ) 、射频、天线四部分组成。p c 的作用是产生用于实验的数据源、利用软件 对硬件开发板的数据传输工作的具体参数进行配置。硬件开发板购买市场现有的 开发板，减小不必要的工作量，通过一定的软件写入基带和中频数据通信的处理 的算法，实现通信。射频和天线采用符合标准要求的市场成熟产品。 2 1 1p c 机 ：吐r _ ，7 、 1 ， i 一攀r 7 厂1 一 | i e e e8 0 2 1 l n 1 _ - _ _ ，j 图2m i m o 实时平台系统传输图 本论文中设计的m i m o o f d m 实时开发平台发送端和接收端都包括p c 机， p c 的作用有：一、产生用于实验的数据；二、利用软件对硬件开发板的数据传输 工作的具体参数进行设置；三、验证试验结果。由于组装平台过程中需要将含有 f p g a 和d s p 模板的s u n d a n c e 高级配置开发板连接到p c 机的p c i 插槽，以使p c 机上的数据可以传送到开发板上进行处理，我们采用研华公司定制的开发公共机 作为总的控制端p c 机。 囝 山东大学硕士学位论文 2 1 2 硬件开发板 图3 平台使用p c 机 硬件系统需要完成的工作是：接收p c 传来的数据、完成参数的设置、通信链 路的实现，实现基本的数字无线通信系统：基带数字信号处理、数字上变频、数 字下变频、d a 、a d 、信号的定时恢复、载波恢复、均衡和信道估计等。 m i m o o f d m 实时开发平台的硬件开发板采用的是s u n d a n c e 公司生产的高级配置 开发板s m t s 0 3 6 1 5 1 和s m t 8 0 9 6 1 1 6 1 ，并根据实验的需要在器基础上做了相关的改 进。p c 机和开发板s m t 8 0 3 6 和s m t 8 0 9 6 通过p c 机上的p c i 总线接口相连接进行通 信。发送端采用s m t 8 0 3 6 ，主要有s m t 3 1 0 q 1 7 】、s m t 3 6 5 1 8 】、s m t 3 6 8 1 9 】、 s m t 3 5 0 1 2 0 通过载板s m t 3 1 0 q 和p c 通信；接收端采用s m t 8 0 9 6 ，主要由s m t 3 9 5 、 s m t 3 6 8 、s m t 3 5 0 通过载板s m t 310 q 和p c 通信。s m t 310 q 主要用于提供各个组成 模块之间以及模块与载板之间互相通信的接口，载板上各个模块间、模块与载板 间的通信和控制主要通过s m t 3 1 0 q 上的高速数据总线c o m p o r t e l 或者s h b 进行；数 字通信的信号处理主要有s m t 3 6 8 模块完成，如基带信号处理、数字上变频、数字 下变频等；d a 、a d 转换主要由s m t 3 5 0 完成，s m t 3 5 0 模块还负责与射频模块连 接，发送中频数据。 载板和各个模块的连接关系如下图4 、图5 所示： 1 3 山东大学硕士学位论文 1 4 图4 发送端s m t 8 0 3 6 的结构 图5 接收端s m t 8 0 9 6 的结构 山东大学硕士学位论文 2 1 3 射频模块 系统的通信链路涉及信号的基带处理、中频转换及射频处理。采用的射频设 备是参数可变的。射频发射机将发送端中频数据频谱从6 9 m h z 上变频到2 4 5 3 g h z 的射频，射频接收机将接收数据从射频2 4 5 3 g h z 下变频到6 9 m h z 的中频。两端设 备都具有四路输入、四路输出，支持的最大信号带宽为2 0 m h z 。 2 2 软件系统简介 本测试平台所用到的软件系统有3 ld i a m o n d3 1 、c c s 、i s e 、m a t l a b 、 s y s t e m g e n e r a t o r 。 3 ld i a m o n d3 1 【1 8 1 是该测试平台所使用的由3 l 公司出品的多处理器系统软件 和开发系统，能够编译开发者开发的程序。其自身也提供了一个用户应用程序 w s 3 l ，通过该程序，使用者可以将a p p 可执行程序下载到硬件系统中，w s 3 l 还 与p c 机进行输入输出通信，可以控制硬件系统的开启和关闭，还同p c 机中的文件 系统相关联，可以直接保存到或读取p c 机中的文件。该操作系统通过t a s k 实现模块 化程序设计，整个程序分为多个独立的子程序一a s k 处理器任务，每个t a s k 之间 通过c h a n n e l 连接，c h a n n e l 可以向t a s k 传输数据，也可以在任务和输入设备、输出设 备之间传输数据。d i a m o n d 提供的配置器可以为各个任务文件分配内存及硬件资 源，并将他们组合成一个独立的可执行应用文件。用户在使用d i a m o n d 时要根据需 要编写自己的任务文件和配置文件。 山东大学硕士学位论文 第三章软件无线电思想在本设计中的应用 本测试平台的设计思想采用了软件无线电和全数字接收机的理论，通过软件 可以改变硬件上不同的通信方式。软件无线电( s d r ) 技术是2 0 世纪末提出的一种 设计思想，它突破了传统电台以硬件为核心的设计模式，将宽带a d 转换器尽可 能靠近射频天线，尽可能早地将接收到的模拟信号转化为数字信号，在通用的硬 件平台上最大程度地通过软件来实现不同的通信方式；全数字接收机技术主要侧 重于全数字解调的理论和算法研究，它更多关注通信最佳接收机理论的全数字化 问题，主要目的在于用数字处理技术恢复出最终的调制信息；全数字接收机为软 件无线电提供必要的理论基础和实施技术【2 1 】。 3 1 软件无线电理论 软件无线电思想是2 0 世纪9 0 年代以后逐渐兴起的一种全新的设计思想，其 完整的概念和结构体系是由m i t r e 公司的美国科学家j o s e p hm i t o l a 于1 9 9 2 年5 月在n t c ( n a t i o n a lt e l e s y s t e m sc o n f e r e n c e ) 上明确提出，以现代通信理论为基础，以 数字信号处理为核心，以微电子技术为支撑，强调以可编程的硬件作为通用平台， 尽量地用可升级、可重配置的软件来实现各种无线电功能的设计新思路，即在通 用的硬件平台上加载不同的通信软件，以实现不同通信方式间的转换。这种全新 的设计思想使通信中的无线电台可以适应各种不同的通信方式，这将极大的缩短 通信系统开发的时间和成本。 软件无线电在3 g 、4 g 中的应用：3 g 一方面要解决不同标准的系统间的兼容 性，另一方面要求具有高度的灵活性和扩展升级能力。软件无线电是其最好的解 决方案。4 g 的关键技术有：o f d m 、软件无线电、智能天线和i p v 6 技术。在4 g 众多技术中软件无线电是通向未来4 g 的桥梁。软件无线电技术可以使4 g 适应产 品多样性的要求、减少开发风险、易于开发系列产品。此外，它减少了芯片的容 量，从而降低了运算器的价格。其开放的结构也允许多方运营的介入软件无线 电平台实例研究主要有美国军方的s p e a k e a s y 、j t r s ，m i t 的s p e c t r u mw a r e 。 1 6 山东大学硕士学位论文 软件无线电的理论基础主要为：信号采样理论、多速率信号处理理论、高效 数字滤波理论等。数字信号经过抽取后可以大大降低采样频率，但是数字信号本 身包含的基带信息并没有丢失，抽取后的数字信号中仍保留所有有用的基带信息。 实现高采样频率数字信号处理的关键在于设计高效的数字滤波器对输入的数字信 号序列进行低通滤波处理，主要有积分梳妆滤波- 器r ( c i c ) 、半带滤波器( h a r f b a n d ， h a ) ，结构简单、处理高效。 3 2 适用于多载波的自适应调制方法 本设计采用自适应的调制解调方式，与软件无线电的思想相吻合。o f d m 系统 中的自适应调制方法的参数可选4 q a m 、1 6 q a m 、6 4 q a m 、2 5 6 q a m 四种调制方 式，使系统在不改变硬件结构的条件下可以工作在不同的调制方式。本方法强调 数据交织映射的可编程性，通过软件更新硬件配置结构，实现不同的调制方式， 以利于硬件模块的不断升级和扩展。 在4 q a m 、1 6 q a m 、6 4q a m 、2 5 6q a m 四种调制方式中，将来自数据源的 每连续2 字节转换成1 6 b i t 长度的数据，转换时前一字节在低8 位，后一字节在高 8 位：然后将1 6 b i t 长度数据按照8 b i t 一组，由控制信号控制循环截取8 b i t 长度的 数据；最后由控制信号控制8 b i t 长度数据的低c b i t 射到数据符号v q 。该方法通 过特定的数据交织方式，可以通过改变参数来改变系统的映射方式，使系统工作 在不同的调制方式。控制信号c 可取2 、4 、6 、8 ，分别对应4 q a m 、1 6 q a m 、6 4 q a m 、2 5 6q a m 四种调制方式。 在数据调制之前，每两个相邻的8 b i t 数据组合成一个1 6 b i t 的数据，第一个字 节在高8 b i t ，第二个字节在低8 b i t ：接下来由控制信号c 决定其交织方式。而所处 理数据存储在r a m d 中，数据长度为o f d m 中一帧中的数据长度，当设计新的帧 结构时，可以变换r a m d 中的存储的数据。 当c - - 2 时，所得1 6 b i t 数据分拆为2 b i t 长度的数据，此数据再构成8 b i t 长度数 据的低2 b i t ，此8 b i t 长度数据的低2 b i t 再分拆为i q 两路各l b i t 进行4 q a m 调制。 2 b i t 数据的前l b i t 为i ，后l b i t 为q ；当c = 4 时，所得1 6 b i t 数据分拆为4 b i t 长度 的数据，此数据再构成8 b i t 长度数据的低3 b i t ，此8 b i t 长度数据的低4 b i t 再分拆 1 7 山东大学硕士学位论文 为i q 两路各2 b i t 进行1 6 q a m 调制。4 b i t 数据的i j 2 b i t 为i ，后2 b i t 为q ；当c = 6 时，所得1 6 b i t * 2 数据分拆为6 b i t 长度的数据，此数据再构成8 b i t 长度数据的低6 b i t ， 此8 b i t 长度数据的低6 b i t 再分拆为i q 两路各3 b i t 进行6 4 q a m 调制。6 b i t 数据的 前3 b i t 为i ，后3 b i t 为q ；当c = 8 时，所得1 6 b i t 数据分拆为8 b i t 长度的数据，此 8 b i t 长度数据再分拆为u q 两路各4 b i t 进行2 5 6 q a m 调制。8 b i t 数据的前4 b i t 为i ， 后4 b i t 为q ；映射后的数据加入必要的辅助信息，如训练序列、导频信号、同步 信号等，再经过i f f t 完成调制。 发送端8 b i t - 1 6 b i t - 8 ( 2 4 6 8 ) b i t - i q 数据的控制结构即为此发送端数据交织 创新点，此方法在不改变硬件结构的情况下成功的通过改变软件参数来改变调制 方式。 1 8 图6 传输系统框图 图7 控制模块原理图 山东大学硕士学位论文 i n d e x 图8 交织模块a 原理图 o - 7 b i t 2 - 9 b i t 4 - l l b i t d a t a o u t l 6 - 1 3 b i tm u x 8 1 5 b i t l o 1 b i t 1 2 3 i t 1 4 - 5 b i t r li r 图9 交织模块b 原理图 1 9 山东大学硕士学位论文 m o d 1 咂至h 4 舭m 目q d a t a i n 8咂至h 蝌m 目q i r m u x q l 咂至h 6 4 姒m 目q 吖硎2 5 6q a m 胃 。o y 图1 0 映射模块原理图 一0 一 一0 一 山东大学硕士学位论文 图1 14 q a m 调制时1 6 b i t 数据变为8 b i t 及数据交织映射图 图1 21 6 q a m 调制时1 6 b i t 数据变为8 b i t 及数据交织映射图 2 1 山东大学硕士学位论文 图1 36 4 q a m 调制时1 6 b i t 数据变为8 b i t 及数据交织映射图 图1 42 5 6 q a m 调制时1 6 b i t 数据变为8 b i t 及数据交织映射图 山东大学硕士学位论文 具体实施方式如下： 如图6 8 所示，输入的数据在控制单元的控制下进行交织、映射，然后再插入 导频、训练序列，进行i f f t 调制。数据的交织和映射模块都是在控制模块的控制 下工作。控制模块如图7 所示，交织模块如图8 、9 所示，映射模块如图l o 所示。 控制模块工作原理为：控制数据通过软件嵌入图7 中r a m ，r a m 在地址信号的 控制下依次输出所存储的调制控制数据，调制控制数据分别为连续的2 ( 4 q a m ) 、 4 ( 1 6 q a m ) 、6 ( 6 4 q a m ) 、8 ( 2 5 6 q a m ) ，调制控制数据在使能信号的控制下输出调 制控制信号m o d e n ，对调制控制信号进行连加，再模1 6 即得控制信号i n d e x ， i n d e x = ( 乏：m o d e n ) m o d ( 1 6 ) ，m o d e n 和i n d e x 的作用在以下模块将要详细介绍。 如图8 所示，8 b i t 长度数据存储在r a m d 中，在m o d e n + i n d e x 的联合控制下 输出数据d a t ai n 8 ，该数据在控制信号m o d e n 和i n d e x 的使能控制下组合成1 6 b i t 长 度数据。当m o d e