（通信与信息系统专业论文）ofdm关键技术研究及其软件无线电实现.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 短波 超短波无线通信具有发射所需功率小 设备成本低等特点 同时其通信线路不容易被 破坏 在军用领域有着良好的发展前景 无线通信系统的目标是提供普遍适合的 高质量以及 高速率的传输 为达到这一目的 有一些技术问题必须得到良好的解决 比方说在宽带通信模 式下由于延迟扩展造成的频率选择性扩展和由多普勒效应产生的信道时域衰落 近年来 正交 频分复用 o f d m 作为一种具有高传输效率以及良好的抗频率衰落性能 得到了广泛的关注 然而 o f d m 系统对同步误差极为敏感 其载波频率误差会引入子信道之间的干扰 i c i 而 帧同步的误差会引入符号间干扰 i s i 同时还会对信道估计带来严重的影响 基于对无线移动信道特性的研究 本文对存在的问题进行了分析 提出了在软件无线电平 台上实现o f d m 系统的解决方案 本文给出了基于软件无线电o f d m 的详细系统框架 同时 针对特定的应用环境 对多种算法进行了仿真和比较 进一步的 本文还对在跳频体系下的 o f d m 应用给出了初步的系统框架 在第一章中 给出了短波 超短波无线通信的发展现状 并对一些问题进行了分析 然后 简要讨论了o f d m 的原理和它与传统传输模式相比的优缺点 接下来 对在软件无线电平台上 实现o f d m 传输系统的可行性做出了分析 第二章对无线移动信道特性进行了详细的讨论 在进行了理论分析之后 本文对多种信道 仿真模型展开了讨论 并基于仿真结果选择了相应的参考模型与仿真手段 所建立的信道模型 是后面几章工作的基础 根据o f d m 原理 在第三章中给出了o f d m 传输系统的模块框图和具体的功能描述 特 定工作环境下帧同步和信道估计是这一章的重点 多种算法原理和性能在仿真的基础上得到了 详尽的讨论 同时 本章还对在跳频体系下如何建立o f d m 系统做出了尝试 给出了初步的帧 结构和信号处理流程 并给出了具体仿真 第四章对系统的软 硬件平台和软件结构进行了阐述 给出了系统实地工作时的检测结果 同时 对实际工作遇到的相关问题进行了总结 关键字 o f d m 导频 前导 信道估计 跳频 无线移动通信 多径衰落 浙江大学硕上学位论文 a b s t r a c t v h f u h fw i r e t e s sc o m m u n i c a t i o nt r a n s m i t t i n gr e q u i r e so n l ym o d e r a t et r a n s m i t t i n gp o w e ra n d r e a s o n a b l ee q u i p m e n tc o s t a l s ot h ec h a n n e li sv e r yd i m c u l tt ob ed e s t r o y e d t h e s em e r i t sm a k ei t s d e v e l o p m e n tv e r yp r o m i s i n g w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s a r ee x p e c t e dt op r o v i d eu b i q u i t o u s h i g hq u a l i t y a n dh i g h r a t em o b i l em u l t i m e d i at r a n s m i s s i o n h o w e v e r t oa c h i e v et h i so b j e c t i v e v a r i o u st e c h n i c a lc h a l l e n g e sm u s tb eo v e r c o m e f o re x a m p l e t h ed e p l o y m e n to fb r o a d b a n d w i r e l e s sa c c e s s s y s t e m s w o u l d r e q u i r e at r a n s m i s s i o n t e c h n i q u e w h i c hc a n m i t i g a t e t h e d e t r i m e n t a le f f e c t so ff r e q u e n c ys e l e c t i v ef a d i n g i nr e c e n ty e a r s 血e r eh a sb e e nal o to fi n t e r e s ti n a p p l y i n go 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 o f d m i nw i r e l e s ss y s t e m sb e c a u s eo f i t s v a r i o u sa d v a n t a g e si nl e s s e n i n gt h es e v e r ee f f e c t so f f r e q u e n c ys e l e c t i v ef a d i n g h o w e v e r 0 f d m s y s t e m s a l ev u l n e r a b l et os y n c h r o n i z a t i o ne r r o r s f o re x a m p l e c a r r i e r f r e q u e n c yo f f s e t s w h i c ha r e c a u s e db yt h ei n h e r e n ti n s t a b i l i t i e so f t h et r a n s m i t t e ra n dr e c e i v e rc a r r i e rf r e q u e n c yo s c i l l a t o r s c a n l e a dt os e v e r e s y s t e md e g r a d a t i o n d u et oi n t e r c a r r i e r i n t e r f e r e n c e t c i s y m b o lt i m i n g s y n c h r o n i z a t i o nm u s ta l s ob ea c h i e v e di no r d e rt oa v o i di n t e r s y m b 0 1 i n t e r f e r e n c e i s i b a s eo nt h es t u d yo fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nc h a n n e lc h a r a c t e r i s t i c s t h ea r t i c l eg i v e sa na n a l y s i s o nt h ee x i s t i n gp r o b l e m sa n dp r o p o s e sas o l u t i o n i m p l a n t i n gt h e0 f d m t e c h n i q u ei nas o f t w a r e r a d i op l a t f o r m i nt h ea r t i c l e d e t a i l e dd e s i g na r c h i t e c t u r ei s g i v e n t o g e t h e rw i t hac o m p a r i s o n a m o n gh ed i f f e r e n ta l g o r i t h m s f u r t h e rm o r e a p r e l i m i n a r ys o l u t i o ni nf a v o r t ot h eb l a c kg r o u n d o ff r e q u e n c yh o p p i n g f h li ss u g g e s t e da f t e ra r io v e r a l lc o n s i d e r a t i o no fb o t hp e r f o r m a n c ea n d c o s t i nt h ec h a p t e ro n e t h ea r t i c l eg i v e sab r i e fi n t r o d u c t i o no f t h ev h f u h fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s o m e p r o b l e m se n c o u n t e r e d a r ea n a l y z e d o f d m t h e o r ya n d i t sa d v a n t a g e sa n d d i s a d v a n t a g e sa r e a l s oi n t r o d u c e dh e r e t h e d e v e l o p m e n t o fs o f t w a r er a d i oa n dt h e a n t i c i p a t i o n o ft h e m a t e r i a l i z a t i o no f o f d m t e c h n i q u e o ns o f t w a r er a d i op l a t f o r ma r ed i s c u s s e d c h a p t e rt w og i v e sas t u d yo nt h ec h a r a c t e r i s t i c so f t h ew i r e l e s sm o b i l ec o m m u n i c a t i o nc h a n n e l s e v e r a lm o d e l sa r ec o m p a r e du n d e rs i m u l a t i o n sa n do n em o d e li ss e l e c t e da st h eb a s eo f f o l l o w i n g d i s c u s s i o n a c c o r d i n gt ot h eo f d mt h e o r y c h a p t e rt h r e eg i v e st h eb l o c kd i a g r a m sf o rt h et r a n s m i t t e ra n d r e c e i v e rf o ro f d mc o m m u n i c a t i o n s y s t e m t r a n s m i t t i n gp a r a m e t e r s a r ea l s o g i v e n f r a m e s y n c h r o n i z a t i o na n d c h a n n e le s t i m a t i o nu n d e rt h ec e r t a i ni m p l i c a t i o na r et h ef o c u so f t h i sc h a p t e r t h e p r e l i m i n a r y0 f d mt r a n s m i t t i n gf r a m es t r u c t u r ea n dp r o c e s s i n ga r c h i t e c t u r ea r ep r o p o s e df o r t h ef r e q u e n c yh o p p i n g a p p l i c a t i o n c h a p t e rf o u ri s d e t n i l e dp r e s e n t a t i o no fo u rh a r d w a r ep l a t f o r m s o f t w a r ea r c h i t e c t u r ea n dt h e f i e l d t e s tr e s u l to fo u rs o f t w a r e p l a t f o r m as u m m a r yo ft h ep r o b l e m sw ee n c o u n t e r e di n c o n s t r u c t i o no f o u r s y s t e mi sa l s oo r g a n i z e dh e r e k e y w o r d o f d m p i l o t p r e a m b l e c h a n n e le s t i m a t i o n f r e q u e n c yh o p p i n g w i r e l e s s m o b i l e c o m m u n i c a t i o n m u l t i p a t hf a d i n g 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 超短波 v h f 无线电通信多年来被广泛的用于政府 军事 外交 气象 商业等各个 部门 用以传送语言 文字 图像 数据等信息 尤其在军事部门 它始终是军事指挥的重 要手段之一 虽然卫星通信相对超短波通信能为用户提供宽得多的频带以及稳定的高质量通 信线路 但事实上 它还不能从根本上取代超短波无线电通信 并不是所有的用户都需要卫 星 都能得到卫星提供的通信线路 尤其在军事通信领域 卫星易于被敌方摧毁 这已经成 为一个现实的严重问题 超短波无线通信在进行远距离传输时 仅需要不大的发射功率和适中的设备费用 且其 通信线路不易被摧毁 这是它吸引用户的最基本的原因 但是 超短波无线通信也存在可靠 性低 质量差的缺点 无法适应越来越高的传输要求 因此 现代超短波通信系统中采用了 许多新技术 如实时信道估计 分集接收 现代调制技术 差错控制以及各种自适应技术 以求在发射功率不太大的情况下 使系统性能达到高质量水平 1 本文所设计的超短波无线移动通信系统 主要从调制技术方面入手 针对无线移动通信 信道的一些问题 将正交频分复用 o f d m 技术用于超短波无线移动通信系统的信号调制 上 以提高系统容量 同时 也对在跳频下o f d m 技术的使用作了尝试 下面首先从几种特定场合下的无线远距离移动通信发展现状出发 介绍了o f d m 传输 技术 并把它与传统调制解调技术做了比较 然后分析了在软件无线电平台构建这一系统的 可能性 最后给出本文的主要工作 1 1v h f u h f 通信现状和发展 无线通信初期 人们使用长波及中波来通信 2 0 世纪2 0 年代初人们发现了短波通信 直 到2 0 世纪6 0 年代卫星通信的兴起 它一直是国际远距离通信的主要手段 并且对目前的应急 和军事通信仍然很重要 特别是在过去的十年里 整个无线移动通信领域在数字和射频电路 制造技术的进步以及新的大规模集成电路的发展推动下取得了巨大的进步 其便携移动设备 做的越来越小 成本更低 性能也更可靠 同时 随着通信技术的不断发展 超短波技术在 无线远距离移动通信领域的作用越来越大 慢慢代替了短波通信 1 1 1 若干特定场合下的短波 超短波通信技术 1 军事领域 在众多的业务类别中 军事领域一直是短波 超短波通信最重要的应用范围 在这一通 信领域的几次重大的技术突破 其原动力都来自军事市场 由于军事卫星通信手段在未来战 争中易被摧毁且难以紧急修复等弱点 人们对无线短波 超短波通信的军事价值有了新的认 浙江大学硕士学位论文 识 所以 目前 乃至今后军事领域的通信仍将是无线远距离移动通信 短波 超短波通信 最重要的市场 目前 军事通信传递的信息 已从简单的指挥命令发展到诸如雷达探测的数据 计算机 计算结果 高速图像传真信息和数字话音加密信息等一些要求较高的数字数据信息 因此 对调制解调终端设备和短波通信系统提出了越来越高的要求 为了提高发信设备传输话音信 号时的发射效率 在调制体制 信号检测 传输速率三个主要方面发展了许多新的技术 如 传输速率的自适应技术 信号检测的各种软判决技术 自适应均衡 最大似然序列检测 准 最大似然序列估值等 此外 短波跳频技术 扩频通信系统以及天线自适应调零等多种新技 术 也陆续在军事短波 超短波通信领域发挥作用 2 海上通信 在海上无线电通信中 短波单边带通信技术占有十分重要的地位 不论是潜艇 水面战 舰 还是远洋商船 渔轮和科考船队 都通过安装短波单边带电台来沟通与外界的联络 广 泛的应用领域和广阔的市场 有力的推动了海上短波通信技术的发展 随着船舶通信业务和要求的不断提高 以及船用通信设备的日益增多 海上短波通信对 数据传输的速度要求逐渐增加 相互干扰和电磁兼容性破坏也变得严重起来 设计新颖的能 传输高速数字数据的宽带调制解调器成为技术发展的重点课题 3 机载通信 机载短波 超短波通信是指飞机和地面通信战 飞机和海上舰船以及飞机和飞机之间的 短波通信 它是航空通信的重要手段 特别 当飞机要进行低空 超视距和远距离通信而又 缺乏现代预警机与机载卫星通信系统对 机载短波 超短波通信成了唯一的通信渠道 随着 现代航空事业的不断发展 对机载短波通信技术的要求和系统性能要求也越来越高 特别的 由于飞机是高速运行的动目标 它因多普勒频移效应将对调制解调器的设计提出苛刻要求 经过 八五 和 九五 两个时期的建设 我国民航地空通信的保障能力也得到了较大的改 善 超短波 v h f 通信技术发展迅速 v h f 地空通信取代九十年代初期的h f 技术而成为 主要通信手段 目前 在机场终端管制范围内 v h f 通信可提供塔台 进近 航站自动情 报服务 航务管理等通信服务 在航路对空通信方面 随着在全国中大型机场及主要航路 航 线 上的v h f 共用系统和航路v h f 遥控台的不断建设 京沪穗三角地区和其他国际航路 6 0 0 0 米以上高空管制区已基本实现v h f 通信覆盖 在一些繁忙航路上达到了3 0 0 0 米以上 的v h f 通信覆盖 从九八年开始 地空数据通信在民航空管和航空公司飞行管理中得到了应用 民航建成 了以北京为主中心 各管理局为分中心 并且覆盖全国大部分航路的v h f 地空数据通信网 该网是由中国民航自主管理 自成体系并与国际联网的地空数据通信系统 它可以为民航当 局 航空公司和空管部门提供有关飞机飞行过程中的实时动态及有关信息 并将地面有关部 门的相关信息及时传递给飞行中的飞机 今日的民航通信系统已基本步入现代化 系统化 网络化的建设轨道 并且 能为保证飞行安全提供良好的通信保障 浙江大学硕士学位论文 各种不同场合下的无线远距离移动通信应用各有特点 所要提供的服务和面临的问题并 不完全一样 因此 对不同的应用 通信系统的设计也不一样 要根据具体的传输要求和对 应的传输线路环境进行有针对性的设计 1 2 1 概述 1 2 0 f d m 技术 1 9 6 6 年以来 就有文献提出了频谱交叠的o f d m 系统 接下来就有了用离散傅立叶变 换 d f t 实现f d m 系统的提案 1 9 7 1 年 w e i s t e i n 和e b e r t 提出了一个完整的o f d m 系 统 1 包括用f f t 产生信号以及在多径信道中加入保护间隔 o f d m 的思想是把一个高速的数据流分解成许多低速率的子数据流 以并行的方式在 多个子信道上传输 这样在每 个子载波上的符号持续时间都比信号通过信道最大延迟长 从而可以比较容易的消除i s i 的影响 设一个o f d m 信号由频率间隔为4 厂的 个子载波构成 这样系统的总带宽曰被分为 个等间距的子载波 所有子载波在一个间隔长度为e 1 的时间内相互正交 我们可以看到 利用o f d m 技术传输的时候 每一个子载波上的符号持续时间为 正 l v 而利用单载波传输要达到相同的传输速率 则一个符号的持续时间应该为 t l b 1 a f 这样利用o f d m 传输技术与利用单载波传输相比 前者的符号持续 时间是后者的 倍 在每个子载波上传输的信号都是窄带信号 这样 当信道的最大延迟 对单载波传输符号产生较大的影响而需要使用时域均衡器的时候 利用o f d m 技术传输 只要子载波个数的选取使得子带带宽小于信道的相关带宽 则在子带内可以认为是平坦衰 落 从而可以以子带为单位进行频域均衡处理 第k 个子载波信号可以用函数g l n l 来描述 如 i i e j 2 r 蝴印t 警1 再在子载波信号g k r 上加上一个长度为毛的循环前缀 保护间隔 得到如下信号 归 翟赫列 浙江大学硕士学位论文 保护间隔的作用是避免多径信道上产生的i s i 如果设计的保护间隔比无线信道最大延 迟还大 那么就不会产生t s i 也不影响子载波的正交性 仅仅在保护间隔内才出现与先前已 传信息的干扰 在进行估算的间隔内 多经信道仅仅改变子载波信号的幅度和相位 图11 利用保护间隔消除多径影响的不恿圈 如图1 1 所示 当信道的最大延迟长度 小于保护间隔的长度时 就可以选取一个适 当的f f t 窗口的起始位置 使得由于多径产生的i s i 不会影响数据的解调 每个子载波可以由复调制符号最 独立调制 在这里下标以表示o f d m 符号的序号 而k 表示子载波在该o f d m 组的序号 因而在符号持续的时间r 内 第挥个o f d m 组可以 表示为 晶 f 等 t r n r 1 3 叫i vi o 则由所有o f d m 组构成的时间连续信号是 j f 去 卜 r 1 m v vn ok 0 这里 每一个子载波都使用矩形脉冲进行成形 每个子载波的频谱是s i n e 函数 图12 叠加的正交载波 图1 2 是叠加的正交子载波示意图 在每个子载波的采样点上 其它子载波的值都是o 在实际应用中 需要产生离散的o f d m 信号 而o f d m 系统的带宽是b n 浙江大学硕士学位论文 所以信号的抽样时间间隔必须小于等于a t 1 b i n 这里采用 f 为抽样间隔 经 过抽样后的信号可以写成 丽1 刍n1 鼠 m f o 1 一1 1 5 这个等式实际上就是一个离散傅立叶逆变换 一般利用i f f t 实现 接收机则可以等效为一个离散傅立叶变换 可以利用f f t 实现 r 0 1 一 n 一1 1 6 在符号持续时间t 比信道的相干时间小得多的情况下 每一个调制符号st 的持续时间 内 无线信道的传输函数h f f 可以认为是恒定的 无线信道对于o f d m 信号的作用 仅仅是将每一个信号g f 乘上一个复传输因子以 h k a f n r 接收到的调制符号 在f f t 变换之后为 r 蚶 凰 鼠 m i 1 7 这里m t 是对应子信道上的加性噪声 从这个等式可以看出o f d m 传输技术的优越性 即使在最大延迟大到在单载波系统里足以导致非常严重的i s i 的情况下 我们仍可以保证每 个被传输的调制符号仪被一个复传输因子和加性噪声所影响 而不存在i s i 1 2 2 优缺点 1 o f d m 技术的优点 由于o f d m 信号的上述产生机制和特点 0 f d m 技术有着许多单载波和传统多载波系 统所没有的优点 在解决无线远距离移动通信的上述问题上有其独特的优势 抗干扰能力强 o f d m 技术可以有效的抵抗频率选择性衰减和窄带干扰 当多径时延增大到与码元周 期可比时 就会引起码间干扰i s i i n t e r s y m b o li n t e r f e r e n c e 在第二章中将详细阐述无线通 信有关特性 对于单载波系统 一个衰减或干扰就可能导致整个通信链路失效 而在多载波 系统中 只有一小部分子载波会被影响 这时可以通过纠错编码来解决 o f d m 技术把每 条子信道上的数据率降低 通过多个子信道并行传输 大大扩展了码元周期 同时通过在时 域上增加周期性前缀 可以很好的克服多径干扰的问题 o f d m 正交频分复用 传输技术提供了让数据以较高的速率在较大延迟的信道上传输 的另一种途径 o f d m 的思想是把一个高速率的数据流分解成许多低速率的子数据流 以 k 上历 浙江大学硕士学位论文 并行的方式在多个子信道上传输 这样 在每个子信道上 符号持续时间比信道的最大延迟 小 从而可以消除i s i 同单载波系统相比 o f d m 传输技术最重要的优越性体现在频率选择性信道上 由于 o f d m 子载波的正交性在无线信道传输之后还被保留 信道干扰的影响就被减小为在每个 子载波上乘一 个复传输因子 因而它的信号均衡很容易 这种情况下接收机的信号处理过程 将会非常简单 而在相同的带宽下 传统的单载波传输进行均衡难度就要大一些了 并且 由于o f d m 的均衡是在频域进行 与普通单载波调制方式相比 虽然o f d m 系统中的均衡和 要受到相同的限制 如残余错误和噪声增强 在理论上具有相同的性能 然而 0 f d m 系统 中均衡器的复杂性本质上要小于单载波系统 o f d m 是单抽头 而单载波则需要多抽头 而 均衡器的运算复杂度与抽头数量的平方成正比 随着信号数据传输率的提升 信号带宽的进 一步提高 多径造成的影响会越来越明显 使用单载波方式 均衡器的计算负荷将极大的影 响系统的传输能力 此外 同经典的f d m 系统相比 o f d m 系统的频谱利用率要高的多 在o f d m 系统 中 各窄带子信号独立产生 然后被分配到不同的频带上传输 在接收端用滤波器加以分离 个频带不能交叠 否则会互相产生干扰 而o f d m 系统各个子信号的频谱是互相交叠的 只要保证各个子载频的正交性 就可以在接收端完全恢复出原来的信号 频带利用率高 传统的多载波系统为了避免产生载波间干扰i c i i n t e r c a r r l e ri n t e r f e r e n c e 各个子载波 在频带上是不重叠的 接收机可以用传统的滤波器加以分离和提取 但是这样频带利用率很 低 在o f d m 系统中 各个子载波的频谱是重叠的 每个子载波都采用矩形脉冲成型 其 频谱是s i n e 函数 在频域上可以很好的保证不同的子载波信号的正交性 而没有信道间干 扰 i c i 的发生 同时提高了系统的频带利用率 如图1 2 所示 可以证明 只要相邻子载波的频率相差1 厂r 就可以满足正交条件 而当各个子载波在 整个码元周期上是正交的时后 只要接收机用各子载波对接收信号在码元周期t 上做相关 积分 就可以无失真的恢复出各个子载波上的数据 o f d m 信号的合成频谱非常近似于矩 形 其频带利用率可以接近1 0 0 o f d m 系统结构简单 成本低 在单载波系统中 通常都通过设计自适应均衡器来消除多径的影响 在高速数字通信 中 均衡器的抽头系统常常要求很大 这就增加了均衡器的复杂度和成本 而o f d m 系统 具有优良的抗多径干扰性能和直观的信道估计方法 无须设计复杂的均衡器 大大简化了系 统 而且发送和接收可以通过i f f t 快速反傅立叶变换 和f f t 来实现 实现起来比较简 单 2 o f d m 技术的缺点 虽然o f d m 有上述几大优点 但是 也并非尽善尽美 同样其信号调制机制也使得 o f d m 信号在传输过程中存在着一些劣势 8 浙江大学硕士学位论文 对相位噪声和载波频偏十分敏感 这是o f d m 技术一个非常致命的缺点 o f d m 在采用i f f t 来实现调制时 每个子载波 都是采用矩形脉冲成型的 这带来两个不利因素 a 当频率间隔增加时 子载波系统频谱 副瓣衰减缓慢 会产生带外干扰 b 如果频率同步误差不能被忽略 则每个子载波都会在 其它子载波上引起干扰 即整个o f d m 系统对各个子载波之间的正交性要求格外严格 任 何一点小的载波频偏都会破坏子载波之间的正交性 引起i c i 4 1 同样 相位噪声也会导致 码元星座点的旋转 扩散 从而形成i c i 而单载波系统就没有这个问题 相位噪声和载波 频偏仅仅是降低了接收到的信噪比s n r 而不会引起互相之间的干扰 峰平比 p a p p e a k t o a v e r a g ep o w e r 过大 o f d m 信号由多个子载波信号组成 这些子载波信号由不同的调制符号独立调制 由 于传送的数据是一个随机过程 o f d m 信号的幅值也是一个随机过程 根据中心极限定理 如果子载波的数量很多 o f d m 信号的幅值将服从复高斯分布 由此说来 o f d m 信号的 峰值功率和平均功率之比很大 即同传统的恒包络的调制方法相比 o f d m 调制存在一个 很高的峰值因子 因为o f d m 信号是很多个小信号的总和 这些小信号的相位是由要传输 的数据序列决定的 对某些数据 这些小信号可能同相 而在幅度上叠加在一起 从而产生 很大的瞬时峰值幅度 而峰平比过大 将会增加a d 和d a 的复杂性 而且会降低射频功率 放大器的效率 同时 在发射端 放大器的最大输出功率就限制了信号的峰值 这会在o f d m 频段内和相邻频段之间产生干扰 所需线性范围宽 由于o f d m 系统峰值平均功率比 p a p r 大 对非线性放大更为敏感 故o f d m 调制系 统比单载波系统对放大器的线性范围要求更高 3 发展现状 虽然 6 0 年代的一些文献里就已经提出了o f d m 的基本原理 但是由于当时没有功能 强大的半导体集成电路器件 所以未能有效地实现这些想法 9 0 年代后 由于能够使用f f t 技术实现有效地调制 并随着近年来数字信号处理技术 半导体技术的飞速发展及大规模集 成电路的应用 o f d m 进入实用化阶段 目前 即使是较复杂的高速率o f d m 传输系统在 技术上也是可行的 从而o f d m 在频率选择性的无线信道中的应用开始发挥其优势 另一 方面 新一代的无线宽带远距离移动通信中对传送的数据量要求越来越大 例如m p e g 2 视频需要5 1 0 m b p s 的数据速率 而h d t v 需要2 0 m b p s 的数据速率 在带宽和功率受限 的条件下 必须采用o f d m 这样的高效调制技术 o f d m 在卫星通信 数字音频广播 d a b 数字视频广播 d v b 和第三代移动通 信中得到了广泛的应用 在x d s l a d s l 等有线接入技术中也使用的o f d m 调制方法 称为 d m t d i s c r e t em u l t i t o n e 目前 关于无线局域网 w l a n 的i e e e 8 0 2 11 a 和e t s ib r a n h i p e r l a n 2 s 作组都推荐o f d m 作为5 g h zw l a n 的目标是组建宽带高速的完全不要布线的 家庭网络 浙江大学硕士学位论文 1 3 1 发展现状 1 3 软件无线电的发展 软件无线电最初是应用于军事领域 1 9 9 2 年5 月m i l t r e 公司的j e o m i t o l a 在美国电 信系统会议上首次提出了 软件无线电 的概念 其目的就是希望建立开放式 标准化 模 块化的通用硬件平台 将各种功能 如频率 调制方式 数据率 加密模式 通信协议等都 用软件来完成 这样的系统具有很好的兼容性 可升级的 开放性 由于它与军方对无线电 台的要求十分吻台 能保证通信设备的通用性 兼容性和可升级性 所以美国军方对该软件 无线电技术十分重视 并运用这一思想开始对多波段 多模式无线电台进行研究 最初由美 国国防部高级研究计划局 d a r p a 提出了叫s p e a k e a s y 计划 它覆盖的频段为2 2 0 0 0 m h z 不仅要求能实现常规的h f v h f u h f 电台 还能与跳频电台 卫星终端 航空数据链 民 用蜂窝通信系统等进行语音 数据甚至进行图像通信 该项目于1 9 9 5 开始研究 主要由波 音 b o e i n g 和雷神 r a y t h e o n 两家公司负责 第一阶段主要进行软件无线电概念和需求 内部总线互连 图1 3s p e a k e a s y 软件无线电系统参考模型 论证研究 随后第二阶段进行了模拟样机的开发和演示 这两个阶段工作已经完成 目前正 进入研制能满足军队实际需求的联合战术无线电系统 j t r s 阶段 该项目首次对软件无 线电技术进行了较全面地系统研究 为软件无线电技术的发展打下了基础 该项目采用的系 统框图如图1 3 所示 从图中可以看到 系统采用总线结构 射频模块 基带信号处理和信 国1 4r d r n 系统框图 1 0 浙江大学硕士学位论文 道处理模块通过信号总线相连 实现物理层可编程模块化处理 安全 网络和控制功能则通 过内部控制总线来实现逻辑互连 主要完成加密算法选择 动态网络连接和系统输入输出等 等操作 与此同时进行软件无线电技术研究的还有s p e c t r u m w a r e 项目和r d r n 计划 r a p i d l y d e p l o y a b l e r a d i on e t w o r k sp r o j e c t 前者由美国麻省理工学院进行研究 主要基于工作站或 p c 机对信号进行处理 来实现软件无线通信 由下p c 机的计算处理能力相对不足 所以 即使联合若干台机器来实现分布式处理 能达到的带宽还是十分有限 但是该研究使得无线 电通信和其他计算机应用变得十分类似 开发和试验软件十分方便 r d r n 由k a n s a s 大学 负责研究 主要针对无线异步传输模式 w i r e l e s s a t m 设计 能随无线环境的变化自适应 改变链路层和网络层以实现快速部署的高速无线通信系统 该项目主耍目的是进行无线 a t m 协议验证 高级网络配置方法和自适应软件控制电台的实验 其试验波段为1 3 g h z 5 3 g h z 5 8 g h z 调制方式为m p s k 速率为1 m b s 8 m b s 体统框图见图1 4 近年来 随着民用移动通信和个人通信技术飞速 各种通信系统得到了 泛的应用 并 处在不断的更新换代之中 而不同通信服务采用的通信系统或者说不同标准的通信设备 其 调制方式 频段 传输速率 多址接入方法等不尽相同 无论是现在广泛使用的第二代蜂窝 通信系统还是即将登场的第三代移动通信系统 都有多种接i z l 标准 这给全球通信造成了一 定困难 我们知道 现有的无线电接收 发送机大多采用流水式信号处理结构和专用集成电 路来实现接收 发送 一般只适用于单一工作模式 当然就无法和其它通信系统兼容 对各 种通信服务的适应性也比较差 因此 需要研究新的多模式 可升级和具有开放性结构的智 能型接收 发送机技术 鉴于软件无线电的特点以及在军用领域研究的逐渐深入 人们注意 到软件无线电技术是解决这些问题的希望所在 开始注重软件无线电技术在民用移动通信领 域的研究与应用 1 3 2 软件无线电的基本结构 软件无线电得基本思想是以一个通用 标准 模块化的硬件平台为依托 通过软件编 程来实现无线电台得各种功能 从基于硬件 面向用途得电台设计方法中解放出来 功能的 软件化实现势必要求减少功能单一 灵活性差的硬件电路 尤其是减少模拟环节 把数字化 处理 a d 和d a 变换 尽量靠近天线 软件无线电强调体系结构的开放性和全面可编程 性 通过软件的更新改变硬件的配置结构 实现新的功能 软件无线电采用标准的 高性能 的开放式总线结构 以利于硬件模块的不断升级和扩展p j 理想的软件无线电组成结构如下 综台业务窄带 实时 准实时处 宽带射频 理软件 a d d a d f k 前端 d s p 等处理芯片模块 图l5 软件无线电结构框图 浙江大学硕 l 学位论文 软件无线电主要由天线 射频前端 宽带a d d a 转换器 通用和专用信号处理器以 及各种软件组成 软件无线电的天线一般要求覆盖比较宽的频段 例如i m h z 2 g h z 要 求各个频段特性均匀 以满足各种业务的需要 例如 在我们的实际开发中 面向军用应用 使用v h f u h f 进行通信 频率范围为3 0 m h z 8 0 0 m h z 射频前端在发射时主要完成上变频 滤波 功率放大等任务 接收时完成滤波 放大 下变频等功能 其中 宽带 线性 高效的射频放大器设计和电磁兼容问题的处理是设计的 难点 模拟信号在数字化之后 处理的任务全部由核心处理器 一般以d s p f p g a 和嵌入 式操作系统芯片组成 承担 嵌入式操作系统芯片 如a r m 等 负责处理事务密集型事件 f p g a 负责进行固定 并行的计算 如相关 编解码等 以及各个芯片之间的逻辑控制 d s p 专门处理计算密集型事务 与f p g a 相比 d s p 负责更灵活的工作 并且由于通用的d s p 芯片都提供了c 或者与c 类似的编程环境 可以方便的使用各种算法 同时 对于大部分 传统的调制解调模式 d s p 的顺序执行结构可以更高效率的利用硬件资源 由于d s p 技术 和器件的发展 高速 超高速的数字信号处理器不断涌现 如t m s 3 2 0 c 6 x a d 的a d s p s h a r c 系列等 已经能基本满足软件无线电的技术需求 软件无线电的结构基本可以分为3 种 射频低通采样数字化结构 射频带通采样数字化结 构和宽带中频采样数字化结构 其结构分别如图1 6 1 8 所示 l 压巫卜 型竺兰i 图16 射频低通采样数字化 理想软件无线电结构 图1 7 射频带通采样数字化结构 图l8 宽带中频采样数字化结构 其中射频低通采样数字化结构最为简洁 模拟电路数量最少 但是由于要求在天线接收滤 波放大之后就进行a d 转换 无论是对a d 器件还是对后续的处理芯片都提出了很高的要求 实现难度很大 针对这个问题 有人提出了射频带通采样数字化结构 即对射频信号进行窄带滤 1 2 浙江大学硕士学位论文 波 然后再根据所需的处理带宽进行带通采样 这样对后续的处理速度要求可以大大降低 但是 对a d 转换的采样保持时间仍然较高 目前我们使用的是第三种 即宽带中频采样数字化结构 这种结构保留了传统接收机的二次混频结构 区别是在一次混频之后进行a d 采样数字化 利 用数字器件进行二次混频和下变频 然后进行处理 这种结构虽然距离理想的软件无线电结构最 远 但是其实现最为容易 对数字器件的要求也最低 对于o f d m 体系是否适合于d s p 实现理论界和业界一直有争论 不过我们可以从以下 两点来看 t i 公司自己对此作出了同应 由t i m a t h l a b 等公司合作开发 基于o f d m 传输方式 数据率高达12 m 的音频数字广播接收机已经形成产品 而使用的d s p 芯片仅仅是5 4 1 6 并不是处理能力最高的6 0 0 0 系列产品 基于6 2 0 1 芯片的类似工作平台也也有实现 努力 发掘d s p 的处理能力 使用适合d s p 处理器工作的程序流程 在d s p 平台上实现高速o f d m 传输并不是可望而不可及的事 由于o f d m 需要进行i f f t 和f f t 运算 并行的f p g a 结构的确相当诱人 但是从实 际可行性来看 一方面利用f p g a 实现f f t 和i f f t 的难度很大 而用d s p 则方便的多 t l 本身就提供了相关的库函数 二是一个通信系统毕竟还有很多顺序执行的模块 并不适 合全部在f p g a 内实现 1 4 本文任务 本文从无线移动信道的仿真入手 研究了无线移动通信系统中的o f d m 调制技术应用 给出了o f d m 调制子系统发送和接收的实现设计框图 并在m a t l a b 仿真环境下 利用m a t l a b 语言模拟o f d m 信号的实际数据流程 编写了整个o f d m 调制解调系统的仿真程序 并进 行了以t i6 4 1 6 芯片为核心的具体实现 本文的工作重点是对移动信道的仿真和o f d m 解调系统中同步性能和信道估计方法的 研究 因此 本文首先从对无线移动通信信道存在的特性分析出发 用多种方案进行了仿真 确定了本文所要研究的无线移动通信系统的信道模型 然后在m a t l a b 仿真环境下 用 s i m u l i n k 模块和m 程序混合搭建了多径信道模型用来对信道传输性能进行仿真 对系统的 设计效果进行了检验分析 对同步算法和信道估计的各种算法做了仿真分析 给出本文所研 究的o f d m 系统关键模块性能 此外 本文还研究了o f d m 技术在跳频体系中的应用 针对跳频系统的具体要求提出 了初步的跳频o f d m 体系结构 同时 利用m a t l a b 仿真环境 对系统性能进行了仿真 对 相关的技术难点做了分析 为在这方面进一步深入做了一些探讨 晟后本文还简单介绍了整个无线移动通信系统的硬件平台设计以及数据流程 并对d s p 编程 的优化手段进行了总结 1 3 浙江大学硕士学位论文 第二章无线信道的仿真 本章主要研究了v h w u h f 无线移动通信信道在传输上的一些特性 并根据我们所要开 发的o f d m 通信系统的具体应用范围确定了系统的通信信道的模型 以便对系统展开理论和 实际算法的研究和设计 2 1 1 理想信道 2 1 信道模型 理想的传输信道通常是指合成频率响应h f 符合n y q u i s t 第一准则也即采样点无失真 准则的信道 此时其等效滤波器h q 皇 h f n f s 满足 h 基n c o n s t i l l 2 1 即其等效滤波器在n y q u i s t 频率点工 2 以内是一个恒定的实响应 而在n y q u i s t 频率点 以外可以实任意值 这里工是系统传输符号率 或称波特率 响应的冲击响应矗o 必然满 足 砸 叫啪 愕 篡 2 z 即除了在0 时刻 峰值时刻 s y m b o le p o c h 的抽样为某个恒定值以外 其他整数倍码 元周期时刻的样值都为零 其中t l f 为码元周期 这样的信道称为无码间干扰信道 1 s i f r e ec h a n n e l 在限带传输系统