（通信与信息系统专业论文）beyond+3g下行链路中部分关键模块的定点仿真.pdf

电子科技大学硕二l 学位论文 摘要 随着第三代移动通信( 3 g ) 技术研究开发的完成，产品逐步商用化， b e y o n d3 g 技术的研究开发也己在世界范围展开。在b e y o n d3 g 系统中， 由于传输速率要求达到1 0 0 m b p s ，众多的关键技术得到应用，如l d p c 编 译码、高阶q a m 调制解调、o f d m 技术、m i m o 技术以及t u r b o 接收杌 技术等。本文在我校设计的t d d 双工方式的b e y o n d3 g 下行链路的基础 上，研究其中的部分关键模块的定点仿真。 本文的引言部分首先对第三代移动通信系统和b e y o n d3 g 系统的发展 做了综述，然后简要介绍了我校设计的t d db e y o n d3 g 系统下行链路中所 使用到的关键模块，同时也简要介绍了定点误差分析的基本概念。 本文的第二章则主要介绍我校设计的t d db e y o n d3 g 系统模型，包括 系统的设计要求、指标及系统的基本参数。在给出b e y o n d3 g 系统模型框 图的同时，分别详细介绍了编译码模块、调制解调模块以及t u r b o 迭代模 块，并给出了模型结构图。 从第三章开始至第五章结束，本文分别针对b e y o n d3 g 系统中的部分 关键模块进行定点仿真，并分析其定点误差，给出了各自的仿真性能曲线。 其中，第三章主要是针对快速傅立叶变换( f f t ) 模块，即系统中的o f d m 调制，首先给出了f f t 的算法原理，然后分析了其定点误差，给出了两种 防止溢出的定点算法，并给出了对应的性能曲线。第四章主要是针对高阶 正交幅度调制( 1 6 q a m ) 模块，给出了软解调的算法原理以及其在高信 噪比( s n r ) 下的简化计算方法，并针对这种简化算法分析了其定点误差， 给出了仿真性能曲线。第五章则是针对低密度极性校验码( l d p c ) 的译 码模块，给出了目前使用较多的四种译码算法，然后针对每一种译码算法 分析了其定点误差，相应地给出了仿真性能曲线。 最后是本文的结论部分及下一步所需做的工作。 关键词：b e y o n d3 g 系统、f f t 、1 6 q a m 解调、l d p c 译码、定点、 误差分析 电子科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h e s ed a y st h e t e c h n o l o g i e sc o n c e r n i n gt h et h i r dg e n e r a t i o nm o b i l e c o m m u n i c a t i o n ( 3 g ) h a v e b e e nr e s e a r c h e da n dd e v e l o p e dc o m p l e t e l ya n dt h e m a n u f a c t u r e so f3 gh a v eb e e nc o m m e r c i a l i z e di n c r e a s i n g l y t h e nt h er e s e a r c h a n dt h ed e v e l o p m e n to ft h et e c h n o l o g i e so fb e y o n d3 gh a v eb e e nd e p l o y e di n a l lt h ew o r l d i nb e y o n d3 gc o m m u n i c a t i o n s y s t e m ，t h ed a t ar a t ew i l lr e a c h 10 0 m b p s ，s om a n y k e yt e c h n i q u e sa r eu s e di ni t ，s u c ha sl d p cc o d i n g ，q a m m o d u l a t i o n ，o f d m ，m i m oa n dt u r b or e c e i v e r ，a n ds oo n t h er e s e a r c ho ft h i s a r t i c l ei st h ef i x e d p o i n ts i m u l a t i o no f s o m eo f t h e k e yt e c h n i q u e so f b 3 g s y s t e m ，b a s e d o nt h ed o w n l i n ko ft d d b e y o n d3 gs y s t e mw h i c h o u r l a b o r a t o r yd e s i g n e d i nt h ei n i t i a lc h a p t e r ，t h ed e v e l o p m e n ts i t u a t i o n so f3 ga n d b e y o n d3 g a r ei n t r o d u c e db r i e f l yf i r s t l y t h e nb r i e f l yi n t r o d u c et h ek e y t e c h n o l o g i e su s e d i nt h ed o w n l i n ko ft d d b e y o n d3 gs y s t e mw h i c h w a s d e s i g n e db y o u r t m i v e r s r y a t t h es a m et i m e ，w ea l s ob r i e f l yi n t r o d u c et h eb a s i cn o t i o no ft h e f i x e d p o i n te r r o ra n a l y s i s t h es e c o n dc h a p t e rw i l li n t r o d u c et h et d d b e y o n d 3 g s y s t e mm o d e l ， i n c l u d i n g t h es y s t e m sd e m a n d ，t h es y s t e m st a r g e ta n dt h es y s t e m sb a s i c p a r a m e t e r b e s i d e sg i v i n gt h es y s t e mm o d e lg r a p h ，t h i sc h a p t e r d e t a i lt h e c h a n n e lc o d i n ga n dd e c o d i n gm o d e l ，t h em o d u l a t i o na n dd e m o d u l a t i o nm o d e l a n dt u r b oi t e r a t i v er e c e i v e rm o d e l f r o mt h eb e g i n n i n go ft h i r dc h a p t e rt ot h ee n d i n go ft h ef i f t hc h a p t e r ，t h e f i x e d p o i n ts i m u l a t i o n sa b o u ts o m e o f t h e s y s t e m sk e ym o d e l w i l lb eg i v e n a tt h es a m et i m e ，t h e s ec h a p t e r sw i l la n a l y z et h ef i x e d p o i n te r r o ra n d g i v et h e s i m u l a t i o nr e s u l t s t h et h i r dc h a p t e rw i l ld e a lw i t ht h ef a s tf o u r i e rt r a n s f o r m ( f f t ) a l g o r i t h m ，w h i c h i st h eo f d mm o d u l a t i o ni ns y s t e m t h e p r i n c i p l eo f f f t a l g o r i t h mw i l lb eg i v e nf i r s t l y ，t h e na n a l y z e t h ef i x e d p o i n te r r o ra n d 1 1 i 电子科技大学硕士学位论文 i n t r o d u c et w om e t h o d sa v o i d i n go v e r f l o w ，a tl a s tt h es i m u l a t i o nr e s u l t sa r e g i v e n t h ef o u r t hc h a p t e rm o s t l yd e a l s w i t ht h ed e m o d u l a t i o no f q u a d r a t u r e a m p l i t u d em o d u l a t i o n ( q a m ) t h i sc h a p t e r i n t r o d u c e st h es o f td e m o d u l a t i o n a l g o r i t h mo fq a m a n da s i m p l i f i e dm e t h o dw i t hh i g hs i g n a lt on o i s e r a t i o ( s n r ) c o n c e r n i n g t h es i m p l i f i e dm e t h o d ，t h i sc h a p t e ra n a l y z e st h e f i x e d p o i n te r r o ra n dg i v e s t h es i m u l a t i o nr e s u l t t h ef i f t hc h a p t e rm o s t l y c o n c e r n st h ed e c o d i n ga l g o r i t h mo fl o w - d e n s i t yp a r i t yc h e c kc o d e ( l d p c ) f i r s t l yt h i sc h a p t e r d e t a i l st h ef o u rd e c o d i n ga l g o r i t h m sw h i c hm o s t l yu s e d t o d a y ，t h e na n a l y z e s t h ef i x e d p o i n te r r o ro f t h ef o u ra l g o r i t h m sa n dg i v e st h e f i n a ls i m u l a t i o nr e s u l t so f e a c hd e c o d i n ga l g o r i t h m t h el a s tc h a p t e ri st h ec o n c l u s i o np a r ta n d t h ew o r kn e e dt od oi nt h en e x t t i m e ， k e yw o r d s ：b e y o n d 3 gs y s t e m d e m o d u l a t i o no f16 q a m ，d e c o d i n g o f l d p c ，f i x e d p o i n t ，e r r o ra n a l y s i s ，f f t i v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论 文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得电子科 技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同 志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 签名： 垒l 宝 一 日期：鼬旷年o - 月& d 日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文的规 定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论 文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、 汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：导师签名 日期：山眵年年月。u e l 磁 l 皇主型堇查兰堡主兰篁堡壅 3 g a p p a w g n b 3 g b p b p s k c d m a c s i d f t d i f d i t e d g e f f t g p r s g s m t c i i f f t i m t 2 0 0 0 l s i i t u l d p c l l r m 1 m o o a m q o s w c d m a 缩略词表 3 7 4 g e n e r a t i o n ap o s t e r i o r ip r o b a b i l i t y a d d i t i v ew h i t eg a u s s i a nn o i s e b e y o n d3 “g e n e r a t i o n b e l i e f p r o p a g a t i o n b i n a r yp h a s es h i f tk e y i n g c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s c h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n d i s c r e t ef o u d e rt f a n s f o i t n d e c i m a t i o ni nf r e q u e n c y d e c i m a t i o ni nt i m e e n h a n c e dd a t ar a t e sf o rg s me v o l u t i o n f a s tf o u r i e rt f a n s f o i l n g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n i n t e r - c a r r i e ri n t e r f e f e n c e i n v e r s ef a s tf o u r i e rt r a n s f o r m i n t e r n a t i o n a lm o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o n2 0 0 0 i n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c e i n t e m a t i o n a lt e l e c o m m u n i c a t i o nu n i o n l o w d e n s i t yp a r i t yc h e c k c o d e l o g - l i k e l i h o o dr a t i o n m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t q u a d r a t u r ea m p l i t u d e m o d u l a t i o n q u a i l t yo f s e r v i c e w i d e b a n dc o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s x i 第三代( 移动通信系统) 最大后验概率 加性白高斯噪声 后三代( 移动通信系统) 置信传播 二进制相移键控 码分多址 信道状态信息 离散傅立叶变换 按频率抽取 按时间抽取 增强型g s m 数据业务 快速傅立叶变换 通用无线分组业务 全球移动通信系统 载波间干扰 快速傅立叶逆变换 国际移动通信2 0 0 0 符号间干扰 国际电信联合会 低密度极性校验码 对数似然比 多输入多输出 正交幅度调制 业务质量 宽带码分多址 电子科技大学硕士学位论文 t d d t d m a t d s c d m a t i m ed i v i s i o nd u p l e x t i m ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s t i m ed i v i s i o n s y n c h r o n i z a t i o n m u l t i p l ea c c e s s 时分双工 时分多址 c o d ed i v i s i o n 时分同步码分多址 电子科技大学硕士学位论文 x ( ) x ( k ) | s ” 只 e ( m ，i ) f 0 ) 仃 ” m 符号表 送入f f t 变换前的序列 d f t 变换后的序列 序列长度 发送信号序列 接收信号序列 高斯白噪声序列 复信道冲激系数序列 量化噪声 第”个值计算结果的误差 方差 q a m 星座图上的点 q a m 星座图上每个q a m 符号的第i 个比特为0 的集合 q a m 星座图上每个q a m 符号的第i 个比特为1 的集合 l d p c 码校验矩阵 编码后的码字序列 判决码字向量 参与校验方程m 的所有比特集合 除去比特”的( 川) 集合 比特，参与的所有校验方程集合 除去校验方程m 的m ( ) 集合 从接收信息m 中获得的关于比特n 的l l r 从校验节点m 送往信息节点”的关于比特n 的l l r 从信息节点”送往校验节点m 的关于比特月的l l r 每次迭代后得到的比特h 的后验l l r 根据z 卅。所做的硬判值 ，i n 口” 盯卵研h q。撕帅叭州k乙 电子科技大学硕士学位论文 o 吒。盯。 p p 所有参与校验方程的比特硬判值的模2 和 口，o 吒，。的二进制补码 信号为“】”的概率 信号为“0 ”的概率 x l v 电子科技大学硕士学位论文 第一章引言 1 ，1 移动通信系统的发展与研究现状 1 1 1 第三代移动通信系统简介 随着数字通信技术的发展，8 0 年代末出现了以g s m 和i s 一9 5 为代表 的第二代移动通信系统，这些系统主要是为9 6 k b p s 的低速话音业务设计， 与第一代系统相比具有更高的频谱效率和更可靠的通信质量。被称为2 5 代的g p r s ( g e n e r a l p a c k e tr a d i os e r v i c e ) 系统和e d g e ( e n h a n c e dd a t ar a t e s f o rg s m e v o l u t i o n ) 系统增强了数据分组业务的传输能力，可以为移动用户 提供除语音外更多的无线数据业务，可支持的最大数据传输速率分别为 1 6 0 k b p s 和3 8 4 k b p s i ”。 对更高比特率数据业务和更高频谱利用率的迫切要求，成为推动第三 代移动通信系统发展的主要动力。该系统以于c d m a 技术为基础，主要包 括采用直接序列扩频方式的w c d m a 和t d s c d m a 系统，以及采用多载 波方式的c d m a 2 0 0 0 系统。这些系统可同时支持话音和多媒体数据通信， 并提供更多的宽带信息业务，如高速数据、视频、文件传输等。支持的数 据速率也大大提高，如w c d m a 的传输速率在用户静止时最大为2 m b p s 、 在用户高速移动时最大支持1 4 4 k b p s l 2 1 。目前，第三代移动通信系统的开发 已基本完成，其商业化进程正逐步启动。 由于移动通信、数字通信及i n t e m e t 的飞速发展和日益融合，移动用 户对于多种业务的需求不断增长，并期望得到更快、更好的服务，这就促 使技术人员尽快研究出能提供更大带宽、更大容量和更灵活服务的。目前， 国内外关于新一代移动通信系统的研发工作已经逐步展开。该系统预计将 于2 0 1 0 年左右投入商用，是一个超高频谱效率、超高速度的无线网络系统， 其带宽可以与有线网络相媲美，因而无线用户之间可以进行三维虚拟现实 通信。它涵盖了目前的3 g 、无线接入、数字广播等系统的能力，并增加了 电子科技大学硕士学位论文 支持约1 0 0 m b p s 的蜂窝系统和高达几百m b p s 以上的游牧( n o r d i c ) 本地无 线接入系统等能力【3 j 。 1 i 2b e y o n d3 g 移动通信系统简介 随着第三代移动通信系统各项测试的顺利完成并逐渐进入商用，有关 b e y o n d3 g 移动通信的研究已初见端倪。欧盟成立了世界无线通信研究论 坛，着手进行i m t 2 0 0 0 之后的b e y o n d3 g 移动通信的概念、需求和基本框 架的研究，并将b e y o n d3 g 移动通信系统列入了欧盟的“第六框架研究计 划”。日本于2 0 0 1 年完成了i m t 2 0 0 0 之后的b e y o n d3 g 移动通信系统框 架的建议。韩国的有关运营商和通信研究所也向政府提出了相应的b e y o n d 3 g 移动通信研究计划。 在i t u ，有关b e y o n di m t 2 0 0 0 的概念和需求研究已于1 9 9 9 年被首次 列入议事日程，在2 0 0 0 年的1 1 1 j r w p 8 f 会议上，初步明确了b e y o n d i m t 2 0 0 0 研究的基本框架：b e y o n di m t 2 0 0 0 是指广泛用于各种电信环境 的无线系统的总和，包括蜂窝、固定无线接入、游牧接入系统等。b e y o n d i m t 一2 0 0 0 涵盖了目前的i m t 一2 0 0 0 、无线接入、数字广播等系统的能力， 并将新增两个部分，即支持约1 0 0 m b p s 的蜂窝系统和支持高达1 g b p s 以上 速率的游牧，本地无线接入系统等【4 。 我国在第三代移动通信系统研究开发方面取每导了巨大的进展，掌握了 一大批核心技术，提出了具有自主知识产权的第三代移动通信体制标准 t d s c d m a 。与此同时，我国也开始了对b e y o n d3 g 移动通信系统的研究。 一方面，及时开展了对b e y o n d3 g 移动通信系统关键技术的研究和开发工 作；另一方面，开展了与其他国家在移动通信领域的广泛的国际合作和交 流，不断扩大和延伸我国在移动通信国家舞台的地位和作用。我国于2 0 0 1 年底制定并启动了国家“8 6 3f u t u r e ”计划，该计划旨在b e y o n d3 g 移动 通信发展初期即行着手开展相关的研究和开发，与国际上同步发展，获取 具有自主知识产权的核心技术专利，为我国未来提出b e y o n d3 g 或第四代 移动通信标准奠定基础。 电子科技大学硕士学位论文 1 2b e y o n d3 g 系统关键模块简介 在国家“8 6 3f u i u r e ”计划的第二阶段中，我校负责t d d 方式下行 链路设计。根据系统需求分析，b 3 g t d d 下行链路采用m i m o + o f d m 的 基本框架，采用t d m a + o f d m a 的多址方式。 考虑b 3 g 系统的业务需求大都为宽带高速多媒体数据流，而且下行的 数据量可能远大于上行业务量，因此本方案利用了t d d 的特点设计了灵 活的帧结构，上下行链路可进行灵活的时隙配置。而且终端的移动速度范 围很大，从很慢的步行速度到高速车载环境，该设计方案都满足业务的q o s 需求。 在我校设计的b 3 g t d d 下行链路中采用了大量最新的关键技术来提 高系统性能，达到系统要求，下面将分别介绍这些关键模块。 1 2 1l d p c 码 低密度一致极性校验码( l d p c ) 5 最初是由g a l l a g e r 于1 9 6 2 年提出 的，但在随后的约三十年里却一直为人们所淡忘，直到北m a e k a y 和 n e a l 【6 l 【7 等人重新发现，l d p c 码才又引起了极大的关注。研究显示，通过 迭代译码，l d p c 码可以获得接近香农限的性能【”。这样，在通信和数字 存储系统中，起误码控制作用的l d p c 码就成为了t u r b o t 8 1 码的有力竞争 者。 一个l d p c 码由一个极性校验矩阵h 所确定，h 具有如下的一些特征： 每一行具有p 个非零元素； 每一列具有，个非零元素； 任意两列中在相同位置有相同元素的个数不超过一个，记为丑； p 和r 相对于码长和h 矩阵中的行数来讲都是很小的【“。 由于p 和y 都很小，所以h 矩阵中非零元素的密度很小，h 矩阵也叫 做稀疏矩阵。正是基于上述原因，由h 矩阵所确定的码字才叫做低密度校 验码( l d p c ) 。由以上定义所确定的l d p c 码就称为规则l d p c 码。 电子科技大学硕士学位论文 l d p c 码除了可以用h 矩阵表示外，还可以使用因子图来表示。因子 图是“t a n n e r 图”的一种通常表示方法【9 1 。f a n n e r 介绍了一种使用双向 图来表示l d p c 码的方法1 1 0 l ，如图l 一1 所示： v a f f a b l en o d e sc h e e kn o d e s 图1 1 规则l d p c 码因子圈 因子图包括两个节点子集，左边的节点集合表示的是变量节点，而右 边的节点集合表示的是校验节点。每个因子图都有其“度”的分布，“度” 的定义是：在因子图中与每个节点相连接的边的数目。对一个规则的 ( y ，p ) l d p c 码来讲，变量节点的度为y ，校验节点的度为p 。 除了规则的l d p c 码外，同样存在非规则的l d p c 码【1 1 1 【1 2 1 。h 矩阵中 所有行或所有列中包含的非零元素的个数并不全部相同，这时的l d p c 码 称为不规则l d p c 码。如果使用因子图来表示，则因子图中变量节点或校 验节点的度并不是保持个常数。有研究表明，非规则的l d p c 码甚至可 以获得比规则l d p c 码更好的性能i l 。 4 一 电子科技大学硕士学位论文 1 2 2 高阶q a m 调制 为了尽可能的提高频谱效率，在有限的带宽内传输更多的信息比特， q a m 调制不失为啼p 有效的调制方式，特别是高阶的q a m 调制方式。 cr c a h n 于1 9 6 0 年首次提出了q a m 调制方式【”j ，这是一种将相位 调制和幅度调制结合在一起的调制方式。他只是简单的将相位调制进行了 推广，允许在任何一个可能的相位上有多于一个的传输幅度。其星座点示 意图如图l 一2 所示 肜 、 、 。、| 心夕 图1 - 2c a h n 类型星座图 肜氐 心夕 图1 3h a n c o c k 类型星座图 5 - 电子科技大学硕士学位论文 h a n c o c k 和l u k y ls 1 在c a h n 的基础上将星座点图形改进图l 一3 所示。 1 9 6 2 年，c a m p o p i a n o 和g l a z e r “1 在之前研究的基础上提出了一一种新的星 座图一正方形q a m 系统，如图1 4 所示 图1 - 4 正方形星座图 q a m 调制应用于无线移动通信系统开始于1 9 8 7 年1 1 7 l 【1 引，在随后的日 子里，q a m 调制方式得到了广泛的应用，尤其是高阶的q a m 调制方式。 在这些文章中认识到，当使用格雷码映射方案时，组成符号的某些比特有 着和其他比特不一样的误码性能。 1 2 3m i m 0o f d m 技术 在无线通信系统中，多入多出( m i m o ) 技术定义为无线链路的发送 端和接收端同时配置多个天线阵元时构成的一种通信结构，也可称之为空 时通信结构1 1 9 1 。m i m o 系统是一个在发射端和接收端均具有多个天线的系 统，该系统通过对信号的合并可以达到改善系统误码性能和提高数据传输 速率的目的。m i m o 系统中的一个核心思想就是使用空时码技术。空时码 技术采用了合适的信道编码和调制方式，结合多天线发射分集，既有分集 增益，又有编码增益，并且不会额外牺牲信道带宽，从而改善了系统性能 和提高了系统容量。 m i m o 系统的一个关键特征就是，它能将多径传播变得对用户有利， 而在传统的无线传输中，多径效应是一个绝对的缺陷1 2 0 1 。m i m o 系统可以 有效的利用随机衰落【2 l j 【2 2 l 和在可能的情况下利用多径时延扩展f 2 3 】来提 6 电子科技大学硕士学位论文 高传输速率。在m i m 0 系统中，发射、接收天线数均大于“1 ”，因此它 能够很好的提供发射分集增益和接收分集。 正交频分复用( 0 f d m ) 是一种特殊的多载波传输方案，它可以被看 作一种调制技术，也可以被当作一种复用技术。选择o f d m 的个主要原 因在于该系统能够很好地刈抗频率选择性衰落或窄带干扰。正交频分复用 的概念最早是在1 9 6 6 年提出的【2 5 j 。1 9 7 1 年，w e i n s t e i n 和e b e r t 把离散 傅立叶变换( d f t ) 应用到并行传输系统中，作为调制和解调过程的一部 分，这极有效地降低了o f d m 调制解调的实现复杂度。 o f d m 的基本原理就是把高速的数据流通过串并变换，分配到传输速 率相对较低的若干个子信道中进行传输，由于每个子信道中的符号周期会 相应增加，因此可以减轻由无线信道的多径时延扩展所产生的时间弥散性 对系统造成的影响，并且还可以在o f d m 符号之间插入保护间隔，使保护 间隔大于无线信道的最大时延扩展，这样就可以最大限度地消除多径带来 的符号间干扰( i s i ) ，而且，一般都采用循环前缀作为保护间隔，从而可 以避免由多径而带来的载波间干扰( i c i ) 。o f d m 信号的频谱图如图1 5 所示。 o f d m 系统具有众多的优点【2 7 】： 1 1可以有效的减小无线信道的时间弥散带来的符号间干扰 ( i n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c e ，i s i ) ： 2 、可以最大限度的利用频谱资源； 3 、可以很容易的实现上下行链路中的不同的传输速率； 4 1可以容易与其他多种接入方法相结合使用，构成o f d m a 系统； 5 1可以在某种程度上抵抗窄带干扰等等。 但同时也得知道0 f d m 系统也存在一些缺点： 1 1 易受频率偏移的影响； 2 1存在较高的峰值平均功率比。 7 电子科技大学硕士学位论文 因此，将m i m o 技术和o f d m 技术结合使用能够有效地提高系统性 能和系统容量，有效的利用有限的频谱资源。m 1 m oo f d m 技术已成为 b e y o n d3 g 移动通信系统中一种必不可少的关键技术。 划 磐 基 1 霉 0 8 0 6 0 4 0 2 o o 2 6- 420 246 归一化频率 1 3 定点误差分析方法 图1 - 5o f d m 信号频谱图 在使用专用硬件实现数字信号处理时，一般是采用定点实现，涉及到 硬件采用的字长问题，因此必须了解为达到所需精度所必须选用的最小字 长，以便在设备价格和达到的精度之间作合适的折衷。 采用定点运算时，通常把定点数限制在1 之间。加法运算不会增加字 长，但如果没选择合适的比例因子，则加法运算会出现溢出的可能性。乘 法运算不会产生溢出，但相乘后字长却要增加一倍，因此在定点乘法运算 后需要进行尾数处理，使结果保持运算前的字长。对超过字长的尾数有两 种处理办法：一是简单地去掉超过字长的各尾数位，称为“截尾”：另一 是在舍去超过字长的各尾数位时，若舍得部分的值大于或等于保留部分最 8 电子科技大学硕士学位论文 低位的权值的一半，则给留下部分的最低位处加1 。这相当于十进制中的 四舍五入近似法，故称为“舍入”。 定点运算时的量化误差是不可避免的，因此对量化误差进行分析以确 定其造成的性能损失是非常必要的。对量化误差的分析一般采用统计分析 的方法。在统计分析中，对误差p ( ”) 的统计特性作如f 的一些假设： 1 ) 2 ) 3 ) 是平稳随机序列； 与抽样信号x ( ”) 是不相关的； 序列本身的任意两个值之间是不相关的，即e ( n 1 是白噪声序 4 ) e ( n 1 在其误差范围内为均匀等概分布的。 根据这些假定，量化误差e ( n 1 就是一个与信号序列完全不相关的白色 噪声序列，也称为量化噪声，它与信号的关系是加性的。 由于在抽样模拟信号的数字处理中，把量化噪声看成相加性噪声序列， 量化过程看成是无限精度的信号与量化噪声的叠加，因而信噪比是一个衡 量量化效应的重要指标。在后面章节的定点量化误差分析中，都将以信噪 比的方式给出分析结果。 1 4 本文贡献及内容安排 本文的研究内容主要是b e y o n d3 g 系统中部分关键模块的定点研究。 在算法理论的基础上分析定点量化误差给算法所带来的影响，因此本文的 贡献在于： 1 1分别详细给出了f f t 、高阶q a m 解调以及l d p c 几种常见译码 方法； 2 1 分析了在定点实现时各种算法所引入的定点量化误差； 3 ) 在算法分析的基础上给出了各种仿真曲线。 本文的结构安排是这样的：第二章主要介绍我校设计的b e y o n d3 g 系 统t d d 工作方式的下行链路模型、指标要求以及系统参数等，同时也给 9 电子科技大学硕士学位论文 出了整个系统链路的仿真性能。第三章至第五章主要介绍b e y o n d3 g 系统 中部分关键模块的定点研究，在结合算法进行量化误差分析的基础上给出 了仿真结果，验证了分析的正确性。具体分为：第三章介绍o f d m 技术， 即f f t 的定点研究；第四章介绍1 6 - q a m 调制与解调的定点研究；第五章 则主要介绍l d p c 码各种译码算法的定点研究。最后给出了本文的结论部 分。 本文分析并仿真验证了量化误差对性能的影响，给出了一定的结论， 对硬件实现提供了有效的参考数据，具有一定的参考作用。 1 5 本章小结 本章简要介绍了第三代与第四代移动通信系统的发展，随后介绍了 b e y o n d3 g 系统中所使用到的关键技术，即l d p c 编译码技术、q a m 高阶 调制技术、m i m oo f d m 技术，然后介绍了定点误差分析的一般方法，最 后给出了本文的内容安排和贡献。 - 1 0 电子科技大学硕士学位论文 第二章b e y o n d3 g 通信仿真系统 2 1b 3 g 通信系统需求与设计目标 2 1 1 业务与速率需求 根据文献1 2 9 】，未来的系统测试将测试三类主要业务： 1 1 基于i p 的分组业务：w w w 浏览、f t p 、e m a i l 等。 2 ) 多媒体( 流媒体) 业务： d v d 视频点播或r e a lp l a y 视频点播； 视频多媒体交互通信。 3 1 语音业务：8 k b p s 语言。 2 1 2 系统性能指标要求及设计目标 根据文献 2 9 1 ，b 3 g t d d 下行链路的基本指标要求如表2 - 1 所示，设 计目标如表2 2 所示。 表2 1 系统性能指标要求 特点峰值速率频谱效率 e 6 j n o 大覆盖 3 0 5 0m b p s1 5 2 5 b p s h z 0d b 热点 4 0 - 1 0 0m o p s2 - 5 b p s h z 3d b 表2 2 电子科技大学b 3 g t d d 下行链路设计目标 频谱效率移动速度 类别业务数据率误码率要求e 6 | n n 要求 ( b p s l - t z )( k m h ) 1 1 0 0 m b p s 1 0 4 3d b5 5 ，1 2 0 ，2 5 0 2 5 0 m b p s1 0 4 od b2 5 5 ，1 2 0 ，2 5 0 3 8 k b p s 1 0 45 ，1 2 0 ，2 5 0 电子科技大学硕士学位论文 2 1 3 系统基本参数 根据文献 2 9 】，b 3 g t d d 系绕的基本参数如表2 - 3 所示。 表2 3b 3 g t d d 系统的基本参数 参数取值参数取值 载频： 3 5 g h z系统带宽b2 0 m h z 子载波数 1 0 2 4 有效子载波数帆 8 3 2 有效带宽 1 6 2 2m h z 子载波间隔a f 1 9 5 k h z 循环前缀c p2 1 6 ( 1 0 8 u s )符号周期i 5 1 2 十l o 8 = 6 2 0 u s 保护载波数 1 9 2 调制方式b p s k ，1 6 q a m 车速矿 5 2 5 0 k m h信道模型c o s t 2 0 7 发送接收天线数8 ( 基站) 4 ( 移动台) 2 2 8 3 g 系统模型 2 2 。1 发射机模型 图2 1 发射机模型 在电子科技大学的b 3 g 系统中，发射端的信源数据首先经过串并变换 分散到各个发射天线上，再经过信道编码、天线间交织、1 6 q a m 调制映 射和空时频处理部分，经过i f f t 模块将发射数据调制到各个子载波上， 1 2 电子科技大学硕士学位论文 再经过加循环前缀、加导频、插入同步时隙、组帧后从发射天线送出，其 结构图如0 所示。其中，信道编码、交织、调制星座映射模块的具体实 现框图如图2 2 所示【3 引。 编码块 ( 4 0 蕊。)怒磬 刮。l 觥d p c 躺c o n v ，黟 刮符删+ b n信道编码l 八 苦行硝 叫( l d p c c o n v ) 一 比 卜 墨 特空h 颤 。 交 l _ 一 她埋 刮。l 雠d p c 绷c o n v ，黟 织 苦汀蚓 j n信道编码l 八 苦硝 叫( l d p c c o n v ) 一 图2 2 编码调制模块 由前所述可知，l d p c 码是一种基于稀疏校验矩阵h 的线性分组码， 它的性能可以很接近香农限，因为h 的稀疏性使得l d p c 的译码简单，而 且合理设计的l d p c 码的性能甚至可以超过t u r b o 码的性能。l d p c 码还 有一些重要特性，比如： 1 ) 码的最小汉明距离随着码长的增加而增加。因为对于高速宽带需 求的b 3 g 系统，采用较长码长的l d p c 码可以获得很好的性能， 即码的错误平层很低。 2 1l d p c 码可以方便的实现任意连续码率。因为t u r b o 码只能实现 1 2 、1 1 3 等不连续码率，若要实现更高码率只能通过凿孔实现，而 打孔图案的选择对性能影响很大。如何选择一个优化的打孔图案 是一个复杂的问题，而l d p c 码不存在这个问题。 因此，在本系统中的信道编码选用l d p c 编码方案。 电子科技大学硕士学位论文 因为支持最高信源速率1 0 0 m b p s ，考虑到信道编译码的实现复杂度， 采用几个并行编码器完成信道编译码。由于有四组天线实现空间复用，所 以考虑用4 个并行编译码器，每个完成最高2 5 m b p s 的数据编译码。 为了获得四组天线之间的分集，在4 个并行编码器之后，采用一个火 交织器，实现所有天线之间的数据交织。交织图案还考虑了频域和时域选 择性的影响，保证了相邻数据在天线、整个频域和时域内尽可能均匀分布。 2 2 2 接收机模型 接收端接收机的模型框图如图2 - 3 所示1 3 0 】。 图2 3 接收机模型 在接收端，通过m i m o 信道后的数据首先进行o f d m 帧、符号和频 率的同步，在同步的基础上，对接收信号进行解帧、分离导频与数据的操 作。分离后的导频用于信道估计和相位同步；分离后的数据经过去保护前 缀、f f t 变换后送入空时频处理模块。空时频处理模块将接收的数据和信 道估计值联合进行检测处理，检测后的数据经过软解调和解交织后送入译 码模块进行译码。这里，为了提高整个系统的误码性能，加入了t u r b o 迭 代过程。经过译码模块后可以获得每个信息比特的概率值，将这个概率值 反馈给m i m o 检测模块，提供每个信息比特的更精确的先验概率值，使得 - 1 4 电子科技大学硕士学位论文 空时频处理模块能够更准确的检测信号。这样，通过多次t u r b o 迭代后， 可以大幅度的提供整个系统的误码性能。其中，译码、解交织及t u r b o 迭 代过程的详细框图如图2 - 4 所示。 宅鬻( 。嚣s 交织2 0 m 。) 阳块 图2 4 译码、解交织及t u r b o 迭代 由图2 - 4 看出，空时频模块处理后送出的是关于每个比特的似然值( 系 统中将1 6 q a m 软解调模块集成到空时频模块中一起处理)