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宽带OFDM传输系统研究、仿真与部分模块实现

作　者: 谭磊
导　师: 陈文正；张朝阳
学　校: 浙江大学
专　业: 通信与信息系统
关键词: 宽带无线接入 OFDM 同步信道估计数字前端基带系统 FFT
分类号: TN919.3
类　型: 硕士论文
年　份: 2005年
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内容摘要

未来通信技术和通信系统正朝着“宽带化”和“移动性”两个方向发展，以满足人们对图像、视频等高速率数据业务日益增加的业务需求，同时又在保证服务质量的前提下支持移动环境下的数据传输，如高分辨率实时图像业务、会议电视虚拟现实业务等，从而实现“任何人(Whoever)在任何地方(Wherever)任何时间(Whenever)可以同任何对方(Whomever)进行任何形式(Whatever)的通信”。OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)技术由于具有对频率选择性和多径信道良好的抵抗能力，近年来成为了无线通信领域里的研究热点，目前业内人士普遍认为它将应用于下一代移动通信系统Beyond 3G和宽带无线接入技术中并被视为核心技术。虽然OFDM是一种优良的宽带传输技术，但是它也存在致命的弱点，那就是它对误差比较敏感。当接收信号存在载波频偏时，如果不进行频偏补偿的话，将会直接破坏子载波间的正交性引起载波间干扰ICI(Inter-Channel Interference)；而信道传输时延、采样时钟相位和频率的偏差则会引起符号定时偏差，造成相位旋转，严重的还会引起符号间干扰ISI(Inter Symbol Interference)并进而造成ICI；另外，信号经过无线信道传输时会有衰落，如不补偿信道影响的话将会无法正确解调信号。因而，研究OFDM系统，特别是信号同步和信道估计技术具有非常重要的意义。本文首先介绍了OFDM技术的应用背景，简要概括了OFDM技术所涉及的各种通信系统领域的发展情况。第二章作为全文理论研究的核心内容，主要研究了接收机的信号同步。首先给出了OFDM系统理论模型，在此基础上从理论角度分析了同步误差对接收信号的影响并引出了接收机同步需要解决的问题。接着给出了物理层同步链路仿真解决方案，解析的分析了同步各环节的算法并给出了仿真曲线。第三章阐述了OFDM系统的信道估计方法。给出了无线信道的理论模型，分析了信道对于传送信号的影响。最后介绍了OFDM信道估计方法，比较了各种方法的性能，并给出了仿真性能曲线。第四章介绍了数字基带系统设计中数字前端设计。发送端包括整数倍零值内插、升采样滤波和升采样以及数字中频上变换，接收端包括数字下变频、整数倍抽取、降采样滤波和降采样。最后给出了数字前端仿真得到的频谱图以及用FPGA实现并用频谱分析仪测量得到的实际信号频谱图。第五章作为全文的结束，首先介绍了OFDM基带传输系统实现的系统硬件平台，然后详细阐述了基带系统核心模块—高速定点FFT(Fast Fourier Transform)流水线处理器的FPGA(Field Programmable Gate Array)设计实现。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-8
第一章绪论  8-16
  1．1 Beyond 3G概述  8-9
    1．1．1 个人移动通信的发展历史  8-9
    1．1．2 Beyond 3G的技术特点  9
    1．1．3 Beyond 3G的关键技术  9
  1．2 宽带无线系统  9-12
    1．2．1 宽带无线接入技术概述  9-10
    1．2．2 宽带无线接入技术的分类  10-12
  1．3 OFDM技术概述  12-15
    1．3．1 OFDM技术的提出  12
    1．3．2 OFDM基本原理  12-14
    1．3．3 OFDM的优缺点  14-15
  1．4 本文的主要工作  15-16
第二章 OFDM传输系统同步研究与算法仿真  16-47
  2．1 OFDM系统模型  16-17
  2．2 同步各环节误差影响分析  17-24
    2．2．1 接收机同步各环节总体介绍  17-18
    2．2．2 符号定时误差影响理论分析  18-19
    2．2．3 载波频率偏差影响理论分析  19-21
    2．2．4 采样时钟偏差影响理论分析  21-23
    2．2．5 同步误差综合影响理论分析  23-24
  2．3 物理层同步链路仿真原理框架  24-27
    2．3．1 发送端原理框架  24-25
    2．3．2 信道建模  25
    2．3．3 接收机同步原理框架  25-27
  2．4 同步各环节算法分析介绍与仿真结果  27-46
    2．4．1 接收端数字前端处理与帧同步  27-29
    2．4．2 降采样—2选1数据选择  29-30
    2．4．3 时域符号定时粗同步  30-35
    2．4．4 时域粗频偏同步  35-36
    2．4．5 整数倍频偏与采样初始时延估计  36-38
    2．4．6 频域分数倍频偏环路跟踪  38-40
    2．4．7 频域符号定时和采样时钟偏差跟踪环路  40-44
    2．4．8 信道估计简介  44-45
    2．4．9 系统仿真性能曲线  45-46
  2．5 本章小结  46-47
第三章信道估计研究与算法仿真  47-67
  3．1 无线信道的时域分析  47-51
    3．1．1 信道建模  47-48
    3．1．2 单径信道  48
    3．1．3 多径信道  48-51
  3．2 无线信道对系统同步影响的频域分析  51-56
    3．2．1 时延的影响  51-52
    3．2．2 多普勒频移的影响  52-53
    3．2．3 信道时变的影响  53-56
  3．3 OFDM中的信道估计  56-66
    3．3．1 频域信道模型  56-57
    3．3．2 基于训练序列的信道估计方法  57-61
    3．3．3 基于导频的信道估计方法  61-66
  3．4 本章小结  66-67
第四章数字前端设计原理与实现  67-79
  4．1 数字信号处理相关基本原理  67-69
    4．1．1 信号采样与奈奎斯特采样定理  67-68
    4．1．2 带通复信号与希尔伯特变换  68-69
  4．2 发送端数字前端设计原理  69-73
    4．2．1 整数倍零值内插  69-70
    4．2．2 升采样  70-72
    4．2．3 数字上变频  72-73
  4．3 接收端数字前端设计原理  73-75
    4．3．1 数字下变频  73-74
    4．3．2 整数倍抽取  74
    4．3．3 降采样  74-75
  4．4 仿真和实现结果  75-78
    4．4．1 数字前端设计仿真结果  75-76
    4．4．2 数字前端设计实现频谱测量结果  76-78
  4．5 本章小结  78-79
第五章系统平台部分硬件实现  79-90
  5．1 硬件系统平台介绍  79-80
    5．1．1 系统结构  79
    5．1．2 各模块功能介绍  79-80
  5．2 高速定点FFT流水线处理器的FPGA的设计实现  80-89
    5．2．1 FFT处理器可实现的结构  80-81
    5．2．2 FFT处理器的设计指标和方案的选取  81-82
    5．2．3 Radix-4 DIF算法推导  82-83
    5．2．4 设计实现  83-89
  5．3 本章小结  89-90
总结与展望  90-91
参考文献  91-95
作者读研期间公开发表以及录用的论文  95-96
致谢  96

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