无线城域网的OFDM系统若干关键技术的研究

【摘要】： 正交频分复用(OFDM)技术是一种多载波数字调制技术。OFDM技术具有很强的抗符号间干扰、抗多径衰落能力，适合在无线信道中传输高速的数据业务，因而倍受关注。但是，OFDM对于同步误差和信道估计误差非常敏感，在IEEE802.16 OFDM系统中如何有效地实现同步和信道估计是有待解决的新问题。为此，本文重点研究了IEEE802.16 OFDM系统中的同步、信道估计和OFDM系统软硬件设计实现等问题，主要内容和创新性研究工作如下： 1、论文通过具体分析IEEE802.16协议，针对IEEE802.16系统特殊的帧结构，讨论分析了基于训练符号的帧同步算法—延迟相关算法，提出了一种新的基于特殊加权序列的帧同步算法，达到精确同步的目的，又具有较低计算复杂度且不易受频偏影响。讨论分析了符号定时同步算法；利用OFDM子载波之间的正交性所包含的冗余信息，提出了一种利用“虚载波”的高性能、低复杂度频偏估计算法，通过仿真我们发现该算法具有超高分辨率子空间方法MUSIC的精度，而不需要其计算极为复杂的子空间分解运算，而且数据利用率高，捕获范围是整个[0，2π]，即使在低信噪比的信道条件下，也具有比较好的同步性能，满足IEEE802.16系统的特点。考虑到系统可能会工作在低信噪比高误比特率环境下，需要有适当的定时恢复，而通过分析发现许多现有的算法或效果不佳或延时代价太大，本文提出一种利用Viterbi-like算法的联合定时恢复算法，仿真表明这种定时恢复方法即使在检测器的误比特率高于10~(-2)时仍能很好的工作，适用于802.16 WMAN中应用。 2、论文研究了块状导频的线性最小均方误差(LMMSE)算法、IEEE802.16OFDM信道估计仿真分析，通过仿真说明IEEE802.16系统更适合使用块状导频结构。讨论分析了MIMO-OFDM中一种基于空频域的最优导频设置算法，给出了导频图案，通过仿真实验表明，该算法与理想的信道状态信息曲线非常接近，信噪比差距约在2dB左右，并且在快衰落条件下具有较好的稳定性，其性能要优于基于前导训练的信道估计方法。 3、根据IEEE802.16OFDM系统特点，论文分别在Matlab中应用Simulink工具构建OFDM系统仿真平台、在LabVIEW平台上实现了OFDM调制解调仿真系统，模拟了整个系统的信号流程，进行了OFDM仿真系统参数的选择和调制模块的仿真设计、论证各算法性能，并根据各种不同的条件：例如高斯噪声、多径衰落、有无保护间隔等，对系统的误码特性进行了评估，为正确评价实际OFDM系统的性能提供了有效的理论依据。 4、论文以软件无线电思想作为指导，提出了以256点IFFT／FFT为核心和以512点IFFT／FFT为核心的两种OFDM算法模式并存于同一个硬件平台、且可预选的方案，它们在参数选取和性能指标上有所差异，均实现了相似的模块和功能。 5、论文参考IEEE 802.16无线网络标准的参数设置，针对本设计系统的应用环境和系统硬件的性能速率，提出了一种应用于实验室环境的信号结构、帧格式等参数设计。 6、论文基于TI公司的6701evm数字评估板卡，结合模拟前端搭建数字中频平台，设计了基带处理的DSP软件模块并进行系统调试，基本实现了一套完整的OFDM调制解调方案。经过系统调试与性能分析，验证了本系统的设计是可行的。 7、论文设计了一种16QAM星座图映射和QPSK星座图映射可预选的数字调制软件模块，根据所选的调制方案，可建立不同特性的OFDM连接；设计完成的IFFT／FFT调制软件模块，可在建立连接之前选择Radix-2或Radix-4的调制方式；设计并添加了一个滚降系数β软件可选的升余弦滚降窗，加快了OFDM信号功率谱带外部分的衰减速度。 8、论文针对硬件平台，设计并提出了一种以链表数据结构为核心的Viterbi译码的软件实现方法，适用于6701evm平台的卷积解码，应用于解调端，增强了系统的抗多径衰落能力。