无线通信系统物理层的传输方案设计

现代数字通信大作业 免责声明 文档在线网中所有的文档资料均由文档在线网会员提供 该文档资料的版权属于提供者所有 文档 在线网会对会员提供的文档资料进行筛选和编辑 但是并不声明或保证其内容的合法性和正确性 第 1 页 共 19 页 无线局域网场景 无线局域网场景 一 一 PBL 问题二 问题二 试设计一个完整的无线通信系统物理层的传输方案 要求满足以下指标 1 Data rate 54Mbps Pe 10 5 with Eb N0 less than 25dB 2 20 MHz bandwidth at 5 GHz frequency band 3 Channel model 设系统工作在室内环境 有 4 条径 无多普勒频移 各径的相对时延 为 0 2 4 6 单位为 100ns 多径系数服从瑞利衰落 其功率随时延变化呈指数衰减 0 8 16 24 请给出以下结果 A 收发机结构框图 主要参数设定 B 误比特率仿真曲线 可假定理想同步与信道估计 二 系统选择及设计设计二 系统选择及设计设计 1 系统要求 系统要求 20MHz 带宽实现 5GHz 频带上的无线通信系统 速率要求 R 54Mbps 误码率要求 Pe 10 5 2 方案选取 方案选取 根据参数的要求 选择 802 11a 作为方案的基准 并在此基础上进行一些改进 使实际 的系统达到设计要求 802 11a 中对于数据速率 调制方式 编码码率及 OFDM 子载波数目的确定如表 1 所 示 Data rate Mbits s ModulationCoding rate R Code bits per subcarrier NBPSC Coded bits per OFDM symbol Data bits per OFDM symbol NDPSC 6BPSK1 214824 9BPSK3 414836 现代数字通信大作业 免责声明 文档在线网中所有的文档资料均由文档在线网会员提供 该文档资料的版权属于提供者所有 文档 在线网会对会员提供的文档资料进行筛选和编辑 但是并不声明或保证其内容的合法性和正确性 第 2 页 共 19 页 12QPSK1 229648 18QPSK3 429672 2416 QAM1 2419296 3616 QAM3 44192144 4864 QAM2 36288192 5464 QAM3 46288216 表 1 802 11a 定义的数据速率 调制方式 编码码率及 OFDM 子载波数目的 与时延扩展 保护间隔 循环前缀及 OFDM 符号的持续时间相关的参数如表 2 所示 ParameterValue NSD Number of data subcarries48 NSP Number of pilot subcarries4 NST Number of subcarries total52 NSD NSP F Subcarrier frenquency spacing 0 3125MZ 20MHz 64 TFFT IFFT FFT period 3 2 s 1 F TPREAMBLE PLCP preamble duration 16 s TSHORT TLONG TSIGNAL Duration of the SIGNAL BPSK OFDM symbol 4 0 s TG1 TFFT TG1 G1 duration 0 8 s TFFT 4 TG2 G2 duration 1 6 s TFFT 2 TSYM Symbol interval 4 s TG1 TFFT TSHORT Short training sequence duration 8 s 10 TFFT 4 TLONG Long training sequence duration 8 s TG2 2 TFFT 表 2 1802 11a 定义的与时延扩展 保护间隔 循环前缀及 OFDM 符号的持续时间相关 的参数 参考标准选择 OFDM 系统来实现 具体参数的选择如下述 3 OFDM 简介简介 OFDM 的基本原理是将高速信息数据编码后分配到并行的 N 个相互正交的子载波上 每 个载波上的调制速率很低 1 N 调制符号的持续间隔远大于信道的时间扩散 从而能够在具 有较大失真和突发性脉冲干扰环境下对传输的数字信号提供有效的保护 OFDM 系统对多径时 延扩散不敏感 若信号占用带宽大于信道相干带宽 则产生频率选择性衰落 OFDM 的频域编 码和交织在分散并行的数据之间建立了联系 这样 由部分衰落或干扰而遭到破坏的数据 可 以通过频率分量增强的部分的接收数据得以恢复 即实现频率分集 现代数字通信大作业 免责声明 文档在线网中所有的文档资料均由文档在线网会员提供 该文档资料的版权属于提供者所有 文档 在线网会对会员提供的文档资料进行筛选和编辑 但是并不声明或保证其内容的合法性和正确性 第 3 页 共 19 页 OFDM 克服了 FDMA 和 TDMA 的大多数问题 OFDM 把可用信道分成了许多个窄带信号 每个子信道的载波都保持正交 由于他们的频谱有 1 2 重叠 既不需要像 FDMA 那样多余的 开销 也不存在 TDMA 那样的多用户之间的切换开销 过去的多载波系统 整个带宽被分成 N 个子信道 子信道之间没有交叠 为了降低子信 道之间的干扰 频带与频带之间采用了保护间隔 因而使得频谱利用率降低 为了克服这种频 带浪费 OFDM 采用了 N 个交叠的子信道 每个子信道的波特率是 1 T 子信道的间隔也是 1 T 这时各个子载波之间是正交的 因而在收端无需将频谱分离即可接收 由于 OFDM 允许 子载波频谱混叠 其频谱效率大大提高 因而是一种高效的调制方式 OFDM 的频谱如图 1 所 示 图 1 OFDM 信号的频谱示意图 可以证明这种正交的子载波调制可以用 IFFT 来实现 需要指出的是 OFDM 既是一种调制 技术 也是一种复用技术 图 2 给出了 OFDM 的系统框图 在系统中调制解调是使用 FFT 和 IFFT 来实现的 图 2 OFDM 系统框图 现代数字通信大作业 免责声明 文档在线网中所有的文档资料均由文档在线网会员提供 该文档资料的版权属于提供者所有 文档 在线网会对会员提供的文档资料进行筛选和编辑 但是并不声明或保证其内容的合法性和正确性 第 4 页 共 19 页 3 参数确定 参数确定 在 OFDM 系统设计中 需要折中考虑各种系统要求 这些需求常常是矛盾的 通常有 3 个主要的系统要求需要重点考虑 系统带宽 W 业务数据速率 R 及多径时延扩展 包括时延 扩展的均方根和最大值 按照这 3 个系统参数 设计步骤可分为 3 步 rms max 首先 确定保护时间 多径时延扩展直接决定了保护时间的大小 作为重要的设计准 G T 则 保护时间至少是多径时延扩展的均方根的 2 4 倍 即 2 4 保护时间的取值依赖于 G T rms 系统的信道编码与调制类型 高阶调制 如 64QAM 比低阶调制 如 QPSK 对于 ICI 和 ISI 的干扰更加敏感 而编码的纠错能力过目越强 越能降低这种对干扰的敏感特性 一旦保护时间确定 则 OFDM 的符号周期也就确定就可以确定 其中 T 表示 sG TTT IFFT 的积分时间 其倒数就是相邻载波的间隔 即 为了尽可能地减小由于保护时间 1 f T 造成的信噪比的损失 一般要求符号周期远大于保护时间 但是 符号持续时间并不是越长越 好 因这符号持续时间越长 则意味着需要的子载波数目越多 相邻子载波机的间隔就会越小 增加了收发信机的实现复杂度 并且系统对于相位噪声和频率偏移更加敏感 还增大了系统的 峰值 平均功率 PAPR 在实际系统设计中 OFDM 符号周期至少是保护时间的 5 倍 这就 意味着 由于引入了冗余时间 信噪比会损失 1dB 左右 确定了保护时间和符号周期后 就需要在 3dB 的带宽内 决定子载波的数目 一种方法 是直接计算 即 另一种方法是 载波数目可以根据总数据比特速率除以每个子载 W N f 波承载的比特速率得到 子载波的比特速率与调制类型 编码码率和符号速率都在关系 本系 统采用第二种方法确定子载波的数目 具体的参数如下所示 参数设计说明 symbol num 10000发送的符号数 number of symbols to be transmitted fp 5e9中心频率 central frequency fc 20e6抽样频率 sampling frequency Ts 50e 9抽样时间 sampling time T0 2 4e 6data length 48 50e 9 TP 0 8e 6cyclic prefix 16 50e 9 现代数字通信大作业 免责声明 文档在线网中所有的文档资料均由文档在线网会员提供 该文档资料的版权属于提供者所有 文档 在线网会对会员提供的文档资料进行筛选和编辑 但是并不声明或保证其内容的合法性和正确性 第 5 页 共 19 页 TG 0 8e 6total guard time 16 50e 9 T T0 TP TGOFDM 符号周期 4000ns 满足 TP T 20 A 1amplitude of the rectangular impulse response N 64number of carriers of the OFDM system 1 首先计算信息量 由 R 达到 54Mbps 可以得到每个 OFDM 块需要承载的信息量为 54 10 6 4 10 9 216bit 2 选择调制方式 采用 64QAM 调制 一个子载波 6bit 则需要 216 6 36 个子载波 3 编码 采用 3 4 码率的卷积码编码 所需子载波数目为 36 3 4 48 个 4 计算传输速率 R 48 6bit 3 4 4000 10 9 54Mbps 以上设计满足系统的要求 三 系统实现三 系统实现 1 收发机框图 收发机框图 根据上述系统设计 收发机框图设计如下图所示 3 4卷积编 码 64QAM调 制 S P 转换 IFFT 64 point P S 转换 信道 3 4卷积解 码 64QAM解 调制 P S 转换 FFT 64 point S P 转换 Cyslic Prefix Remove CP 发发送送机机 接接收收机机 图 3 收发机框图 现代数字通信大作业 免责声明 文档在线网中所有的文档资料均由文档在线网会员提供 该文档资料的版权属于提供者所有 文档 在线网会对会员提供的文档资料进行筛选和编辑 但是并不声明或保证其内容的合法性和正确性 第 6 页 共 19 页 2 系统模块接口 系统模块接口 数据产生 data transmit randint 1 num symbol num 卷积码编码 trel poly2trellis 3 3 3 7 7 0 4 3 2 7 4 0 2 3 7 data conv fstate convenc data transmit trel 64QAM 调制 data mod modulate data conv 64QAM 解调 data demod demodulate data fft ps 卷积码译码 tblen 3 1000 Traceback length data receive vitdec data vitdec in trel tblen trunc soft 1 3 程序流程图 程序流程图 根据系统设计和收发机框图 编码实现该系统 程序流程如下图所示 现代数字通信大作业 免责声明 文档在线网中所有的文档资料均由文档在线网会员提供 该文档资料的版权属于提供者所有 文档 在线网会对会员提供的文档资料进行筛选和编辑 但是并不声明或保证其内容的合法性和正确性 第 7 页 共 19 页 卷积编码 R 64QAM调制 IFFT 加CP 通过多径信道 加高斯白噪声 去CP FFT 频域均衡 64QAM解调 维特比译码 发送波形 输出波形 发发 送送 接接 收收 图 4 程序流程图 现代数字通信大作业 免责声明 文档在线网中所有的文档资料均由文档在线网会员提供 该文档资料的版权属于提供者所有 文档 在线网会对会员提供的文档资料进行筛选和编辑 但是并不声明或保证其内容的合法性和正确性 第 8 页 共 19 页 4 程序清单 见附录 程序清单 见附录 四 系统仿真结果及分析四 系统仿真结果及分析 1 64QAM 的星座图 的星座图 图 5 16QAM 星座图 现代数字通信大作业 免责声明 文档在线网中所有的文档资料均由文档在线网会员提供 该文档资料的版权属于提供者所有 文档 在线网会对会员提供的文档资料进行筛选和编辑 但是并不声明或保证其内容的合法性和正确性 第 9 页 共 19 页 图 6 64QAM 仿真图 现代数字通信大作业 免责声明 文档在线网中所有的文档资料均由文档在线网会员提供 该文档资料的版权属于提供者所有 文档 在线网会对会员提供的文档资料进行筛选和编辑 但是并不声明或保证其内容的合法性和正确性 第 10 页 共 19 页 2 经过多径信道的信号波形 经过多径信道的信号波形 图 7 经过多径信道后的输出波形 3 在多径信道中叠加 在多径信道中叠加 AGWN 后的波形 后的波形 图 7 叠加 AGWN 后的输出波形 现代数字通信大作业 免责声明 文档在线网中所有的文档资料均由文档在线网会员提供 该文档资料的版权属于提供者所有 文档 在线网会对会员提供的文档资料进行筛选和编辑 但是并不声明或保证其内容的合法性和正确性 第 11 页 共 19 页 4 均衡前 均衡前 图 8 均衡前的波形 5 均衡后 均衡后 图 9 均衡后的波形 现代数字通信大作业 免责声明 文档在线网中所有的文档资料均由文档在线网会员提供 该文档资料的版权属于提供者所有 文档 在线网会对会员提供的文档资料进行筛选和编辑 但是并不声明或保证其内容的合法性和正确性 第 12 页 共 19 页 均衡后各点的幅度变化范围在 7 7 之间 这与星座点取值 7 7j 7 7j 有关 6 误比特率曲线 误比特率曲线 图 10 误比特率 误比特率 利用转换公式 得到 b P 2 log M b M P P M P 五 总结五 总结 1 系统设计总结 系统设计总结 根据 Matlab 程序运行后的仿真结果 可以得到验证 即 我们所设计的 OFDM 系统可以满足系统设计要求 20MHz 带宽实现 5GHz 频带上的无线通信系统 速率要求 R 54Mbps 误码率要求 Pe 10 5 2 设计中遇到的问题和解决 设计中遇到的问题和解决 1 时域均衡时间的选择 由数字信号处理的理论可知 只有时域的循环卷积 才等效为频域的线性相乘 所以 均 现代数字通信大作业 免责声明 文档在线网中所有的文档资料均由文档在线网会员提供 该文档资料的版权属于提供者所有 文档 在线网会对会员提供的文档资料进行筛选和编辑 但是并不声明或保证其内容的合法性和正确性 第 13 页 共 19 页 衡的位置应该在去 CP 之后 而不能在一开始就进行频域均衡 因为一开始不是循环卷积 不 能等效为频域的线性乘法 因此 频域均衡位置应该在去 CP 之后 FFT 正好是去 CP 之后 所以可以在 FFT 之后进 行频域均衡 2 噪声能量的计算原理 文献所给的 Eb N0 是指接收端的信噪比 加噪声要根据 Eb 的值算出对应的噪声 可以在 经历框图的每一模块时 看其能量是否发生了变化 并将其归一化 保证系统是无源的系统 不会因此而影响输出结果 注意的是 FFT 和 IFFT 可以对输入它的信号能量进行改变 要进行 一些处理 如信号进行 IFFT 之后的能量会减小为原来的 1 N 要对其进行能量的计算 而 FFT 之后 信号的能量会增大为原来的 N 倍 也要进行能量计算 保证信号通过的都是无源 的模块 OFDM 能否克服样值间干扰 样值干扰与 ICI OFDM 消除干扰是在频域中进行的 因为循 环卷积就等于频域的线性相乘 没有收入干扰 所提这里的样值干扰是指时域上的干扰 在时 域看来是有干扰的 并不能消除它 在频域看来 各个子载波是独立的 没有相互间的干扰 即没有 ICI OFDM 消除干扰是在频域中进行的 因为循环卷积就等于频域的线性相乘 没有收入干扰 所提这里的样值干扰是指时域上的干扰 在时域看来是有干扰的 并不能消除它 在频域看来 各个子载波是独立的 没有相互间的干扰 即没有 ICI 因此 OFDM 系统在时域上是有样值干扰的 但是在频域上没有 ICI 的 附录附录 1 主程序 文件名 run m 无线通信系统实现 一 系统要求 实现 20MHz 带宽 5GHz 频带上的无线通信系统 满足速率要求 R 54Mbps 误码率要求 在 25dB 信噪比条件下 Pe 10 5 现代数字通信大作业 免责声明 文档在线网中所有的文档资料均由文档在线网会员提供 该文档资料的版权属于提供者所有 文档 在线网会对会员提供的文档资料进行筛选和编辑 但是并不声明或保证其内容的合法性和正确性 第 14 页 共 19 页 二 参数确定 symbol num 10000 发送的符号数 fp 5e9 中心频率 fc 20e6 抽样频率 Ts 50e 9 抽样时间 T0 2 4e 6 数据长度 48 50e 9 TP 0 8e 6 cyclic prefix 16 50e 9 TG 0 8e 6 total guard time 16 50e 9 T T0 TP TG OFDM 符号周期 4000ns 满足 TP T 20 A 1 amplitude of the rectangular impulse response N 64 number of carriers of the OFDM system 由 R 达到 54Mbps 可以得到每个 OFDM 块需要承载的信息量为 54 10 6 4 10 9 216bit 采用 64QAM 星座映射 一个载波承载 6bit 仅需 36 个子载波 采用 3 4 码率 所需的子载波数为 48 此时可达到的传输速率为 R 48 6bit 3 4 4000 10 9 54Mbps 符合系统要求 R 3 4 编码效率 clear all close all clc data carrier num 48 carrier num 64 R 3 4 卷积码的编码效率 现代数字通信大作业 免责声明 文档在线网中所有的文档资料均由文档在线网会员提供 该文档资料的版权属于提供者所有 文档 在线网会对会员提供的文档资料进行筛选和编辑 但是并不声明或保证其内容的合法性和正确性 第 15 页 共 19 页 i1 0 中间变量 err ratio zeros 1 31 for EbN0dB 0 1 30 sum xu 0 for loop 1 100 symbol num 10000 符号个数 cp len 16 循环前缀长度 数据产生 num 64 6 3 4 data transmit randint 1 num symbol num 卷积码编码 trel poly2trellis 3 3 3 7 7 0 4 3 2 7 4 0 2 3 7 data conv fstate convenc data transmit trel 采用 64QAM 调制 data mod modulation data conv 数据经过 IFFT 变换 data ifft in reshape data mod 64 length data mod 64 data ifft out ifft data ifft in 加 CP data cp data ifft out size data ifft out 1 cp len 1 end data ifft out data ps reshape data cp 1 size data cp 1 size data cp 2 输出符号能量的归一化 data ps data ps 8 Es 1 Eb Es 1 R 80 64 1 6 N0 Eb 10 EbN0dB 10 sigma sqrt N0 2 数据经过信道 down symbol input data ps 每径时延功率 0 8 16 24 dB 转化成功率值 atten power 1 0 1585 0 0251 0 0040 50ns 样点间隔 每径时延 0 200 400 600 ns 转化成样点数表示 现代数字通信大作业 免责声明 文档在线网中所有的文档资料均由文档在线网会员提供 该文档资料的版权属于提供者所有 文档 在线网会对会员提供的文档资料进行筛选和编辑 但是并不声明或保证其内容的合法性和正确性 第 16 页 共 19 页 path delay 0 4 8 12 求信号幅度衰减 并归一化总功率 atten sqrt atten power atten atten sqrt sum atten conj atten 输出样值序列 output zeros 1 length symbol input max path delay h zeros 1 max path delay 1 for k 1 length path delay signal symbol input atten k output output zeros 1 path delay k signal zeros 1 max path delay path delay k h h zeros 1 path delay k atten k zeros 1 max path delay path delay k end symbol output output 数据经过信道 up add noise down output symbol output sigma randn 1 length symbol output i sigma randn 1 length symbol output output output 1 length symbol input add noise up 去 CP temp reshape output cp len carrier num length output cp len carrier num data fft in temp cp len 1 end FFT 变换 data fft out fft data fft in 频域均衡 down h t h zeros 1 carrier num length h H fft h t data balance zeros size data fft out for m1 1 size data fft out 2 data balance m1 data fft out m1 H end 频域均衡 up 64QAM 解调 现代数字通信大作业 免责声明 文档在线网中所有的文档资料均由文档在线网会员提供 该文档资料的版权属于提供者所有 文档 在线网会对会员提供的文档资料进行筛选和编辑 但是并不声明或保证其内容的合法性和正确性 第 17 页 共 19 页 data fft ps reshape data balance 1 size data balance 1 size data balance 2 data fft ps data fft ps 8 data demod demodulation data fft ps data vitdec in data demod 卷积码译码 tblen 3 100 Traceback length data receive vitdec data vitdec in trel tblen trunc soft 1 soft decision sum xu sum xu sum abs data receive data transmit end i1 i1 1 err ratio i1 sum xu num symbol num loop end semilogy 0 1 30 err ratio hold on semilogy 0 1 30 err ratio grid on 2 函数模块 函数模块 64QAM 调制函数 文件名 modulation m function mod out modulation mod in if rem length mod in 6 0 如果输入二进制序列数不是 6 的倍数则进行补零操 作 mod in zeros 1 6 rem length mod in 6 mod in end mod out zeros 1 length mod in 6 R reshape mod in 6 length mod in 6 将输入序列变换为行数为 6 的矩阵形式 B2D bi2de R left msb 1 将二进制数转换为十进制数 Temp 7 7 j 7 5 j 7 j 7 3 j 7 7 j 7 5 j 7 j 7 3 j 5 7 j 5 5 j 5 j 5 3 j 5 7 j 5 5 j 5 j 5 3 j 1 7 j 1 5 j 1 j 1 3 j 1 7 j 1 5 j 1 j 1 3 j 3 7 j 3 5 j 3 j 3 3 j 3 7 j 3 5 j 3 j 3 3 j 7 7 j 7 5 j 7 j 7 3 j 7 7 j 7 5 j 7 j 7 3 j 5 7 j 5 5 j 5 j 5 3 j 5 7 j 5 5 j 5 j 5 3 j 1 7 j 1 5 j 1 j 1 3 j 1 7 j 1 5 j 1 j 1 3 j 现代数字通信大作业 免责声明 文档在线网