（电磁场与微波技术专业论文）wimax自适应编码调制设计与实现.pdf

w i m a x 自适应编码调制设计与实现 摘要 著名的市场调查公司r n c o s 在一份题为“w i m a x 市场预测f 2 0 0 6 2 0 1 0 y 的最 新报告中对未来五年内w i m a x 市场做出了全面分析报道，并称到2 0 0 9 年亚太区域 的w i m a x 用户将达到3 7 8 万，占据全球4 4 的w i m a x 用户市场。基于o f d m ( 0 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 ) 的w i m a x 技术无疑成为了当 前无线通信领域技术研发与应用的热点。 本文以中科院上海无线通信研究中心的w i m a x 基带f p g a 原型系统研制项目 为背景，对w i m a x 自适应调制编码系统进行了算法研究、性能仿真测试和基于 f p g a 的硬件实现。着重阐述了整个系统构架中的两个复杂算法模块一 r e e d s o l o m o n 纠删纠错译码器模块以及2 5 6 点基四f f t j f f t 模块一的算法选择、 优化以及硬件电路的具体实现策略。 在第二章中，首先讨论了w i m a x 基带编码调制系统构架，并指出本文重点描述 的两个复杂算法模块( r e e d s o l o m o n 码和r a d i x 一4f f t i f f t ) 在整个系统中的位置。 然后，按照框架中给出的顺序详细描述了该编码调制系统其它模块的硬件设计方案， 包括数据分组模块、随机化编码模块、前r - - - q 错码模块、交织模块、映射模块、导 频与前导模块、增添去除保护间隔模块等。其中的每- 4 , 节都分发射端和接收端两 部分对模块实现的原理、i e e e 8 0 2 1 6 标准中的定义和硬件设计方案进行描述。最后， 针对该硬件设计整体方案的具体算法，使用m a t l a bs m u l i n k 对该系统进行了仿真 测试，给出了测试系统的结构和测试结果及结果分析。 在第三章中，首先阐述了r e e d s o l o m o n 码的基本概念、相关的有限域的概念以 及实现有限域内编解码的基础一有限域加法和乘法的高效实现。然后，分编码器和 译码器两大部分详细阐述了具体的算法选择和v l s i 高效设计。纠删纠错译码器则是 本文算法设计方面的重点，分模块详细阐述了译码算法的原理、本设计对传统算法 设计的优化以及针对i e e e 8 0 2 1 6 d 标准中自适应编码要求所做出的优化设计。最后， 详细讨论了测试该纠删纠错译码器性能的系统结构；使用s t r a t i x l ie p 2 s 6 0 芯片， a g i l e n t 的1 6 8 2 a 逻辑分析仪得到的译码器性能分析；以及与文献中所实现的相似类 型译码器性能的比较。 在第四章中，首先阐述了基四f f t i f f t 设计算法选择理由，以及所选择的基四 按时域抽取算法的原理。然后，在硬件实现方面，着重阐述了几个主要算法模块的 电路原理和结构，如地址发生器及旋转因子的产生模块、复数乘法电路以及快浮点 电路。最后给出了使用s t r a t i x l l 芯片和a g i l e n t 的逻辑分析仪进行测试的结果。 第五章是全文工作和贡献的总结，以及对未来工作的展望。 关键字：w i m a x ；i e e e 8 0 2 1 6 d ；r e e d s o l o m o n 码；译码器；纠删纠错；基四f f t a b s t r a c t a sp e rt h el a t e s tm a r k e tr e s e a r c hr e p o r t “w i m a xm a r k e tf o m c 船tf 2 0 0 6 2 0 1 0 ) ”b y r n c o s ，t h es u b s c f i b e rb a s ei nt h ea s i ap a c i f i cr e g i o ni se x p e c t e dt oc r o s st h e8 0 ，0 0 0 m a r ki n2 0 0 5a n ds w e l lt oo v e r3 7 8m i l l i o ns u b s c r i b e r st h r o u g h2 0 0 9 w i m a x s u b s c r i b e r si nt h ea s i ap a c i f i cr e g i o nw o u l dc o n s t i t u t e4 4 o ft h ew o r l d w i d es u b s c r i b e r s b y2 0 0 9 w i m a xh a sb e e no n eo ft h ef o c u s e si nt h et e l e c o n w a u n i c a t i o nd e v e l o p m e n ta n d a p p l i c a t i o nw i t h o u td o u b t t h ew o r ki nt h i sp a p e rw a sg r o u n d e db yt h ep r o j e c to fw i m a xp h y m a c l a y e r f p g ap r o t o t y p ef r o ms h a n g h a ir e s e a r c hc e n t e ro fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ，c h i n a a c a d e m i cs c i e n c e 。f o c u s e do nt h ea l g o r i t h mo p t i m i z a t i o na n dh a r d w a r ei m p l e m e n t a t i o n o ft w oa l g o r i t h mm o d u l e s ar e e d - s o l o m o n 限s ) e r r o r sa n de r a s u r e sc o r r e c t i n gd e c o d e r a n da2 5 6p o i n t sr a d i x 一4f f r ，王f f tt h e a l g o r i t h mo fw i m a xb a s e b a n da d a p t i v e m o d u l a t i o nc o d i n g ( h m c ) i sr e s e a r c h e d ，s i m u l a t e da n di m p l e m e n t e db a s e do nf p g a i nc h a p t e rt w o ，t h ep o s i t i o no fr sm o d u l ea n dr a d i x 一4f f t i f f ti nt h ew h o l ew i m a x m o d u l a t i o na n dc o d i n gs y s t e mi sp o i n t e do u tf i m f l y t h ei m p l e m e n t a t i o ns c h e m eo ft h i s s y s t e mi st h e nd e s c r i b e d l a s t l y , t h i ss y s t e mi ss i m u l a t e db ym a t l a bs i m u l i n k ， f o l l o w e db yt h ea n a l y s i so f t h es i m u l a t i o nm s u l t s i nc h a p t e rt h r e e ，t h ef u n d a m e n t a lc o n c e p t so fr sc o d ea n df i n i t ef i e l da r eg i v e nf i r s t l ya s w e l la st h ee f f i c i e n ti m p l e m e n t a t i o nd e t a i lo f a d d e ra n dm u l t i p l y e ri nf i n i t ef i e l d t h e nt h e d e t a i l e dv l s ii m p l e m e n t a t i o no f r sc o d e ra n dd e c o d e ra l es t a t e d t h ea l g o r i t h mo f e r r o r a n de r a s u r ec o r r e c t i n gr sd e c o d e rh a sb e e no p t i m i z e dd u et ot h ea m cc h a r a c t e ri ni e e e 8 0 2 1 6 d ，w h i c hm a k e st h i sp a r tt h ek e yp o i n to f t h et o t a ld e s i g n i nt h ee n d ，t h i sm o d u l ei s t e s t e db a s e do ns t r a t i x l le p 2 s 6 0b ya g i l e n t16 8 2 al o g i ca n a l y z e r , a n dt h et e s tr e s u l th a s b e e nc o m p a r e dw i t hs e v e r a ls i m i l a rd e c o d e r si ns o m el a t e s tp a p e r s c h a p t e rf o u rs t a t e st h ee f f i c i e n ti m p l e m e n t a t i o no fa2 5 6p o i n tr a d i x 一4f f r ，i f f t m o d u l e t h ea l g o r i t h mf o rh a r d w a r ed e s i g ni sd e s c r i b e di nd e t a i l t e s tr e s u l tb a s e do n s t r a t i x l ie p 2 s 6 0c h i pb ya g i l e n t16 8 2 al o g i ca n a l y z e ri sa l s og i v e ni nt h ee n do ft h i s c h a p t e r c h a p t e rf i v ei s as u m m e r yo ft h ew o r ka n dc o n t r i b u t i o ni n t h i sp a p e r , a sw e l la sa p r o s p e c to f w o r k si nt h ef u t u r e k e y w o r d s ：w i m a x ，i e e e 8 0 2 1 6 d ，r e e d s o l o m o nc o d e ，d e c o d e r ，e r r o ra n de r a s u r e c o r r e c t i n g ，r a d i x 一4f f t 1 1 引言 第1 章绪论 w i m a x ( w o r l d | n t e r o p e r a b i l t yf o rm ic r o w a v ea c c e s s ) 的中文译为全球微 波接入互操作性或全球通用微波接入，或被称为i e e ew ir e l e s sm a n ( m e t r o p o l i t a n a r e an e t w o r k ) 。它是一项基于i e e e8 0 2 1 6 标准的宽带无线接入城域网( b r o a d b a n d w i r e l e s sa c c e s sm e t r o p o l i t a na r e an e t w o r k ，b w a m a n ) 技术，提供一种在城域网 一点对多点的多厂商环境下，可有效地互操作的宽带无线接入手段。它的无线信号传 输距离最远可达5 0 公里，其网络覆盖面积是3 g 基站的1 0 倍。 2 0 0 1 年，w i l 4 h x 论坛组织成立，旨在推，“i e e e8 0 2 1 6 无线宽带网络技术，相 关研究则开展得更早。目前该组织拥有包括a l c a t e l 、a t & t 、英国电信、f u j i t s u 、 n o k i a 以及i n t e l 等行业巨头的1 0 0 多个成员。w i m k x 技术的研发、推广随之成为了 通信技术领域的热点之一。据统计，目前w i m a x 联盟内1 4 的成员都是电信运营商， 其他成员还包括芯片厂商、设备厂商等，具有完整的产业链，这无疑增加了人们对 这项技术的信心。w i y o x 之所以能获得如此广泛的关注，并不完全是商业上的炒作， 其固有的技术优势也为它目前在通信领域的地位奠定了基础。 1 1 1蝴麓a x 瓣技术优势 w i 姒x 的技术优势可以简要概括为以下几点 2 4 ： 1 覆盖面积大，传输距离远 w i m a x 的基站覆盖蘧积是3 g ( 3 r dg e n e r a t i o n ，第三代移动通信) 基站的1 0 倍，这说明建设较少的基站就能实现全城覆盖使得无线网络应用的范围大大扩展。 它的无线信号传输距离最远可达的公里，是无线局域网技术，如i e e e8 0 2 1l ，所 不能比拟的。 2 o f b m 调制，接入速度离 w i m k x 采用与无线l a n ( l o c a la r e an e t w o r k ，局域网) 标准8 0 2 1 i a 和l l g 相同的o f d m ( o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd iv is i o nm u t i p l e x i n g ，正交频分复用) 调 制方式，每个频道的带宽也去上述标准几乎相同，为2 0 m h z ，但是无线信号可承载 的比特数高于1 l a 和l l g ，可实现7 4 8 1 m 的最大传输速度，这个速度是3 g 所能提 供的宽带速度的3 0 倍。 3 无“最后一公里”瓶颈限制 w i m a x 可以为5 0 公里线性区域内的用户提供服务，用户无需线缆即可与基站建 立宽带连接。作为种无线城域网技术，它可以将w i - f i 的热点连接到互联网，也 可以作为d s l ( d i g i t a ls u b s c r i b e rl i n e ，数字用户线) 等有线接入方式的无线扩 展，实现最后一公里的宽带接入。 4 提供广泛的多媒体通信服务。 由于w i m a x 较之w i f i 具有更好的可扩展性和安全性，从而能够实现电信级的 多媒体通信服务。高带宽可以将i p 网的缺点大大降低，从而大幅度提高v o l p 的q o s ( 服务质量) 。 1 1 2正交频分复用调制技术发展 w i m a x 系统的物理层采用o f d m 调制技术，近几年来，这项技术得到了迅速发展， 并被认为是支持未来移动通信物理层传输的核心技术之一。 o f d m 调制是一种并行数据传输技术。早在上世纪血十年代，就有学者从事了有 关并行数据传输的研究“。在1 9 7 0 年美国发布的一项专利中提出采用相互重叠子 载波的频分复用并行传输数据“。该方案避免了使用高速均衡，可以对抗冲击噪声 和多径失真，而且提高了频谱利用率。经过多年的发展，该技术在广播方式下的音 频和视频领域已经得到广泛的应用。由于当初的o f d m 系统在收端的调制和发端的相 干解调需要大量的正弦波发生器，导致系统成本和复杂度太高，从而使得待机数提 出后相当长的一段时期内并未得到推广应用，而仅限于军方使用“7 。”1 。直到1 9 7 1 年， w e i n s t e i n 和e b e r t 提出采用离散傅立叶变换进行数据传输，不仅避免了频分复用 所需的一组子载波振荡器和相二 二解调器，而且通过快速傅立叶变换( f f t ) ，使得w d m 完全的数字调制和解调成为可能，为基于f f t 的o f d t “系统的工程实现奠定了理论基 础1 。 从八十年代开始，一些o f d m 的工程应用相继出现。但多数应用于w d m 应用在 音频频段，如数据调制器等”。到了九十年代，随着v l 。s i 技术的发展，f f t 的硬件 实现速度不断提高，o f d i 调制技术的工程应用发展逐渐从窄带应用发展到宽带应 用。它成功地应用于非对称数字用户环路( a d s l ，a s y m m e t r i cd i g i t a ls u b s c r i b e r l i n e ) 、无线本地环路( w l l ，w i r e l e s sl o c a ll o o p ) 、数字音频广播( d a b ，o i g i t a l a u d i 0b r o a d c a s t i n g ) 、高清晰度电视( h d t v ，h i g h d e f i n i t i o dt e l e v i s i o n ) 、无 线局域网( w l a n ，w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k ) 等系统中o “，它可以有效地消除 信号多径传播所造成的i s i 现象，因此在移动通信中的运用也是大势所趋。 近年来，由于数字信号处理技术( d s p ，d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ) 的飞速发 展，o f d m 作为一种可以有效对抗i s i 的高速传输技术，引起了广泛关注。由于o f d m 技术固有的抗多径性能，能够克服第三代移动通信采用的直接序列扩频码分多址 ( d s c d m a ) 在支持高速率数据传输时符号间干扰增大的问题，并且易于与时空编码、 分集、干扰抑制以及智能天线等技术，最大程度的提高物理层信息传输的可靠性。 如果再结合自适应调制编码以及动态子载波分配，动态比特分配等技术，其性能可 以进一步得到提高，因此o f d m 亦被看作是第四代移动通信系统的核心技术之一，并 且已经出现基于o f d m 的第四代无线通信系统备选方案”2 ，而w i m a x 也是其中之一。 由此可以看出，o f d m 技术必将是未来的宽带无线通信中最有前途的技术之一。 1 2w i m a x 物理层技术挑战 w i m a x 物理层技术还需面对诸多技术挑战。首要的技术挑战是提供一个非视距 ( n l o s ) 范围的覆盖，即能为给定区域内的大部分用户提供服务，无需安装昂贵的指 向基站的室外天线。现有的很多无线宽带技术只能提供视距范围( l o s ) 的覆盖，如 w i f i 技术，w i m a x 系统已经可以在l o s 条件下提供先进的覆盖距离可达5 0 千米的 技术，面在n l o s 条件下可以提供典型的小区半径为8 _ 丁 米的覆盖“1 。 w i n i a x 技术使用以下的技术方案解决或者减轻n l o s 环境所带来的问题： 1 。f 嘲技术 2 子信道化技术 3 定向天线技术 4 发射接收分集技术 5 自适应调制编码技术 6 纠错编码技术 7 功率控制技术 本文所述的自适应w i m a x 调制编码系统涉及到其中的三项技术，分别是o f d m 技术，自适应调制编码技术和前向纠错信道编码技术。 1 2 1o f d m 技术 w ij j a x 可采用正交频分复用( o f d m ) 技术有效地解决n l o s 覆盖问题，w i m a xo f d m 信号的优势在于，即使发生大的n l o s 传播延迟也能工作。o f d m 信号由多路窄带正 交载波组成，选择性衰落只发生在载波的子集，相对容易补偿。采用o f d m 技术的 w i m a x 在高数据率传输下能够有效地克服传播延迟、多径及i s i ，因而可以提供真正 n l o s 覆盖能力。图1 1 对比了o f d m 信号和单载波信弓“j ，信息在o f d m 系统中并行 传输在单载波系统中串行传输。图中串行的数据流转化为符号，每个符号可以表示 一个或多个数据比特。图l _ 2 给出了单载波系统和o f d m 系统的接收机接收到的信号 “1 ，其中虚线表示发射机的输出频谱，实线表示接收机接收到的信号频谱。 单载波模式o f d m 模式 蘑蕾毒桦桦址 频率+。搠率 串行符号流被调制到单载 每一个符号被调制到一个 波i ： 予载波上 图1 1 单载波信号和o f d m 信号比较 7 功率控制技术 本文所述的自适应w i m a x 调制编码系统涉及到其中的三项技术，分别是o f d m 技术，自适应调制编码技术和前1 q 纠错信道编码技术。 1 2 1 o f d 髓技术 w i m a x 可采用正交频分复用( 0 f d m ) 技术有效地解决n l o s 覆盖问题，w i m a xo f d m 信号的优势在于，即使发生大的n l o s 传播延迟也能工作。o f d m 信号由多路窄带正 交载波组成，选择性衰落只发生在载波的子集，相对容易补偿。采用0 f d m 技术的 w i m a x 在高数据牢传输下能够有效地克服传播延迟、多径及i s i ，因而可以提供真正 h l 0 s 覆盖能力。图1 1 对比了0 f 咖信号和单载波信号”1 ，信息在0 f d m 系统中并行 传输在单载波系统中串行传输。幽中串行的数据流转化为符号，每个符号可以表示 一个或多个数据比特。图1 2 给出了单载波系统和w d m 系统的接收机接收到的信号 “，其中虚线表示发射机的输出频谱，实线表示接收机接收到的信号频谱。 “1 ，其中虚线表示发射机的输出频谱，实线表示接收机接收到的信号频菪。 单载波模式 o f d m 模式 圈骠净藤 唑粤 单载波模式 f 篓 o f d m 模式 过篷越 ! 速 l 塞 频率斗频翠一 图1 。2 接收机在单载波和多载波模式下接收到的信号 由于上述原因，很多现有的国际标准将o f d ) d 技术确定为传输模式，如i e e e 8 0 2 1 6 ，e t s i b r a n 和e t r i 。 1 2 。2白适应调嗣编码技术 自适应调制编码技术基于信道中的信息调节信号调制编码方案。在信道质量好 的条件下使用赢阶的调制编码方案，使系统有更大的容量。在信号衰落时w i r a x 系 统转为较低的调制编码方式，保持链路的稳定和连接的质量。自适应调制编码技术 的这种特点侵w i m a x 系统可以克服时间选择性衰落。其的关键在于由于系统可以灵 活的考虑当前的衰落状况，扩大了高阶调制编码方式的使用范围。 自适应策略的基本原则“是：1 、定义一个信道质量指标变量，或称为信道状态 信息，它提供有关信道的一些特性；2 、根据时间、频率或空间上的信道状态信息， 来调整一些信号传输的参数。有很多的方法可以表示信道状态信息。典型的有信噪 比( s n r ) 或信于嗓比( s i n r ) ，这些可啦扶物理层得到。在链鼹层，可以利瘸从循环冗 余效验( c r c ，c y c l i cr e d u n d a n c yc h e c k ) 信息中得到的误包率。有时，也可以利用 误比特率。本文所设计实现的系统是使用b l a c 层提供的c r c 中的信息表征信道状态 的在此物理层的系统中不包含自适应算法的内容。然而，如i e e e 8 0 2 1 6 d 标准中 所要求的，本调制编码系统支持自适应调制编码功能。 1 2 3 鲥错技术 w i l 4 a x 系统中的纠错技术包括强大的里德所罗门( r s ，r e e d s o l o m o n ) 前向纠 错( f e c ，f o r w a r de r r o rc o r r e c t ) 码技术、卷积编码技术和交织技术，这些技术的 应用降低了w i m a x 系统对信噪比的要求。这些鲁捧的纠错技术可以纠正由于频率选 公虹 择性衰落或误包产生的误帧，而自动重传( a r o ，a u t o m a t i cr e p e a tr e q u e s t ) 被用来 纠正那些f e c 无法纠正的错误。 对于硬件实现w i k 4 x 调制编码系统而言，算法的复杂度和实现效率主要体现在 系统所使用的级联纠错码中的r s 编解码技术上，这也是本文的核心技术内容。第二 章中将在提出硬件设计方案的同时，概括的阐述o f d m 系统中调制部分和纠错码部分 的原理，第三章的内容中将详细描述具体的算法，以及硬件实现的关键技术和策略。 1 3 论文内容安捧 在第二章中，首先给出了自适应w i m a x 基带编码调制系统框架，并指出本文重 点描述的两个复杂算法模块( r e e d s o l o m o n 码和r a d i x 一4f f t i f f t ) 在整个系统中 的位置。然后，按照框架中给出的顺序描述了该编码调制系统其它模块的硬件设计 方案，包括数据分组模块、随机化编码模块、前向纠错码模块、交织模块、映射模 块、导频与前导模块、增添去除保护间隔模块等。其中的每- - 4 , 节都分发射端和接 收端两部分对模块实现的原理、i e e e 8 0 2 1 6 标准中的定义和硬件设计方案进行描 述。最后。针对该硬件设计整体方案的具体算法，使用m a t l a bs i m u l i n k 对该系统 进行了仿真测试，给出了测试结果和分析。 在第三章中，首先阐述了r e e d s o l o m o n 码的基本概念、相关的有限域的概念以 及实现有限域内编解码的基础一有限域加法和乘法的高效实现。然后，分编码器和 译码器两大部分详细阐述了具体的算法选择和v l s t 高效设计。其中，编码器部分由 于算法比较简单，所以在描述了缩短码编码器硬件设计结构之后只给出了时序仿真 测试结果；纠删纠错译码器则是本文算法设计方面的重点，分模块详细阐述了译码 算法的原理、本设计对传统算法设计的优化以及针对i e e e s 0 2 1 6 d 标准中自适应编 码要求进行的特殊设计。最后，着重讨论了测试该纠删纠错的译码器性能的系统结 构；使用s t r a t i x l le p 2 s 6 0 芯片，a g i l e n tt e c h n o l o g i e s 的1 6 8 2 a 逻辑分析仪得 到的译码器性能分析：以及与文献中所实现的相似类型译码器性能的比较。 在第四章中，首先阐述了基四f f t i f f t 算法选择的理由，以及所选择的基四按 时域抽取算法的原理。然后，在硬件实现方面，着重阐述了几个主要算法模块的电 路原理和结构，如地址发生器及旋转因子的产生模块、复数乘法电路以及快浮点电 路。最后给出了使用s t r a t ix l i 芯片和a g i t e n tt e c h n o l o g i e 的逻辑分析仪进行测 试的结果。 第五章是全文工作和贡献的总结以及以后工作的展望。 1 4本章小节 在本章中，首先简单介绍了w i m a x 做为一个一个沦坛组织或做为一项基于 t e e e 8 0 2 1 6 标准的宽带无线接入城域网技术的发展历程、现状及其技术优势，之后 介绍了w i m a x 系统物理层所采用的o f d m 技术的发展。本章指出了w i l l i a x 物理层技术 首要的挑战是提供一个非视距的覆盏范围，并且介绍了与本文内容稻关的几种解决 这一挑战的技术，包括o f 蹦技术、自适应调制编码技术和纠错技术。最后，给出了 本文内容的安排。 第2 章wi ) ( 基带编码调制系统硬件设计 调制和信道编码是数字通信系统中的重要组成部分，调制是把数字信息映射到 模拟形式的过程，以便使该信息能够在信道中传输，因此，每个数字通信系统都包 含一个调制器来完成这个任务。与调制密切相关的是与之相反的过程一解调，接收 机通过解调来恢复传输的数字信息。虽然通常是采用串连的方式，但是o f d m 系统 对每个子载波分别进行调制和解调可减小其复杂性。 虽然严格说来信道编码对数字通信不是必须的，但是要得到好的性能信道编码 是必要的。信道编码是o f d m 系统的非常重要的组成部份，它使得有效而可靠的无 线通信成为可能。信道编码并非指信号经上变频发送出去后，在传输信道中( 地面、 有线或卫星) 的编码，雨是经过编码后便于匹配信道传输和减少差错，其实质就是 找到适合数字信号在相应信道中的安全传输模式，提高传输信号的可靠性。因而， 自信源压缩编码f 传输流) 后的所有编码包括扰码、交织、卷积等措旋，都可以笼统 地划为信道编码。 w i m a x 是应用在很广泛的场景的一种无线宽带接入系统，信道条件变化比较 大，在不同的信道条件下系统需要不同的容错能力，同时还要保持尽可能大的数据 速率，因此w i m a x 系统的信道编码和调制需要采用自适应调制编码，来应对各种 可能的信遭条件。 自适应调制编码( a d a p t i v em o d u l a t i o nc o d i n g ，a m c ) ，是通过改变调制和编码 的方法来改变系统的数据速率以及容错能力，可以在保证误码率的前提下，采用最 高的数据速率。在本文阐述的w i m a x 系统的p h y 中，调制编码系统能够支持a m c 功能。 根据8 0 2 1 6 d 的协议标准中关于基带调制部份的内容，设计出图2 1 所示的实现 此基带编码调制系统的硬件总体框架。图中灰色模块为r s 编解码模块和i f f t f f t 模块，是硬件算法实现的难点，也是本文的重点部分，将在第三章和第四章中详细 介绍具体的算法描述以及硬件实现策略。网状填充的模块为信道估计模块，本系统 巾不包括此模块，在s i m u l i n k 仿真系统中信道估计部分采取理想信道估计方法，从 而测得调制编码系统本身对w i m a xp h y 性能的影响。图中数据接口模块是指p h y 层与l o wm a c 层的接口，数据从数据缓冲区中取出进行分组，然后再进行随机化， 分组编码，卷积编码，交织编码，调制。接收机按相反次序进行。值得注意的是， 接收机部分没有提取导频、f f t 、去c p 三个模块，这是因为从硬件实现的角度这些 部分与接收机中的同步模块和信道估计模块相结合，所以放在这两个模块中设计， 而在后面的m a t l a b 仿真系统中为了保证此编码调制系统的完整性f f t 模块也在 仿真系统中。 2 1 数据分组 2 1 1数据分组原理 图2 1w i m a x 基带编码调制系统 由于信道编码调制是以o f d m 符号为单位进行的，因此数据分组模块的主要功 能是把数据按每个符号进行分组，这包含两个层次： 1 每帧数据按分帧( b u r s t ) 进行分组。 2 每个b u r s t 的数据按o f d m 符号进行分组，并且对齐，如果不能对齐则需要 添加冗余( p a d d i n g ) 。 表2 1 是不同编码调制方式下的o f d m 未编码符号长度，其中r a t e _ i d 是指应 用于自适应技术中的不同的编码调制方式，在i e e e s 0 2 1 6 中各种编码调制方式的具 体定义如表2 2 所示1 2 l 。 未编码符号长度 缓冲区读取长度 r a t ei d ( b i t s ) ( b y t e s ) 0 ( b p s k1 2 ) 9 6 3 1 ( q p s k2 3 ) 1 9 26 2 ( q p s k5 6 ) 2 8 89 3f 1 6 - q a m2 3 )3 8 4 1 2 4 ( 1 6 一q a m5 6 ) 5 7 61 8 5 ( 6 4 一q a m3 4 ) 7 6 82 4 6 ( 6 4 q a m5 6 、 8 6 43 2 7 1 5r e s e r v e d r e s e r v e d 袁2 1 不同编码调制方式下的o f d m 未编码符号长度 u n c o d c , db l o c ks i z e c o d e db l o c k m o d u b i l o no e r a l lc o d i n gia t e鼬c o d ec c t 甜er a t e 时i e | ) ( b y l e 钟 b p s k1 22 41 二 ( 1 2 ，1 2 钟 1 ：2 q i s k 2 44 811 ( 3 2 ，2 4 ，4 ) 2 ：3 q p s k 3 64 s34 ( 4 0 3 6 ! ) 5 ：6 1 6 - q a m 4 8 9 6 l2 f 6 4 4 8 8 ) 2 ：3 1 6 - q a m 7 29 534 ( s o ， 2 ，4 1 5 6 6 4 - q a m 9 6 l “ 1 3 ( 1 0 8 9 6 ，如 3 h 6 4 一q a m 1 0 91 4 434 ( 1 2 0 , 1 g s ，6 ) 5 堵 表2 2i e e e8 0 2 t 6 编码调制方式定义 2 1 2 数据分组实现方案 由于缓冲区内的数据是3 2 b i t 的，而每个o f d m 未编码符号长度都是3 2 b i t 的倍 数，所以把数据长度转化为3 2 b i t 数据长度，然后通过地址控制数据缓冲区的读出长 度。读出数据需要再进行一次并串转换，然后再送给扰码器进行随机化编码。 在图2 2 中的r e a dl e n g t h 的产生要根据表2 1 的对应做相应的转化即可。采用 映射方式来完成这个操作。并串转化采用r a m 完成。 2 2 随机化编码 2 2 1 瞳机化编码原理和实现方案 进行基带信号传输的缺点是其频谱会因数据出现连1 和连0 而包含大的低频 成分，不适应信道的传输特性，也不利于从中提取出时钟信息。解决办法之一是采用 扰码技术，使信号受到随机化处理，变为伪随机序列。扰码不但能改善位定时的恢 复质量，还可以使信号频谱平滑，使帧同步和自适应同步和自适应时域均衡等系统 的性能得到改善。扰码虽然“扰乱”了原有数据的本来规律，但因为是人为的“扰乱”， 在接收端很容易去加扰，恢复成原数据流。 实现加扰和解扰，需要产生伪随机二进制序列( p r b s ) 再与输入数据逐个比特 作运算。p r b s 也称为m 序列，这种m 序列与数据码流进行模2 加运算后，数据流 中的“1 ”和0 的连续游程都很短，且出现的概率基本相同。 利用伪随机序列进行扰码也是实现数字信号高保密性传输的重要手段之一。一 般将信源产生的二进制数字信息和一个周期很长的伪随即序列模2 相加，就可将原 信息变成不可理解的另一序列。这种信号在信道中传输自然具有高度保密性。在接 收端将接收信号再加上( 模2 和) 同样的伪随机序列，就恢复为原来发送的信息。 随机化编码是每个b u r s t 独立进行的，即每个b u r s t 根据是否为上行或下行链路 信息、频域中所在的子信道和时域中所在o f d m 符号的不同有不同的参数配置随机 化编码。随机化编码之后要重新按o f d m 符号对齐，如果要传输的信息量不满足一 个o f d m 符号信息的整数倍则要添加p a d d i n g 。i e e e8 0 2 1 6 标准规定这时需要在所 传输数据的尾部添加l ( 0 x f f ) ，这样主要是为了配合r s - - c c 级联编码的操作。 在纠错码模块中，标准规定需要添加冗余的时候要在尾部添加0 ( 0 x 0 0 ) 直到信 息比特数量满足整数个o f d m 符号的数量要求。 随机化编码是通过图2 3 的移位寄存器产生的伪随机二进制序列与数据序列相 异或完成的。 图2 3 随机化编码器的硬件实现 p r b s 的生成序列是l + ”+ x ”，初始化序列依次向右移出，相应的反馈比特 进入到m s b 。数据输入字节依次从d a t ai n 进入随机化编码器( m s b 在前) ，与p r b s 所产生的随机化序列相异或，完成随机化操作，需要注意的是导频并不需要随机化。 在f p g a 的具体实现中，可以采用一个数组来定义p r b s ，通过数组的移位来完 成随机化序列的产生，输入数据并串转化后( m s b 在前) ，与随机化序列依次相加。 值得注意的是p a d d i n g 的添加是在完成随机化编码之后再添加比特做为p a d d i n g 。同 样地，在译码时，要先去除p a d d i n g ，然后再进行随机化译码。 在上行链路和下行链路中，随机化编码器的初始化序列是不同的，在设计时要 注意初始化序列的产生。 b s l d f r a u en u m b e r 翟茹篙一韶 图2 4 下行帧的随机化编码器的初始化序列 在下行链路中，每一帧开始时随机化编码器的初始化序列是1 0 0 1 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 ， f c h ( f r a m ec o n t r o lh e a d e r ) 和第1 个b u r s t 在一起进行随机化编码，以后的每个b u r s t 开始时都要重新设置初始化序列，并重新开始随机化编码。这后面每个b u r s t 的随机 化编码器的初始序列配置如图2 4 所示，图中f r a m en u m b e r 指的是当前正在传输下 行b u r s t 所在的帧序号，由l o wm a c 指定。 在上行链路中，每个b u r s t 独立进行随机化编码，即每个b u s t 开始时都要重新 配置随机化编码器，每个b u r s t 的随机化编码器初始化序列配置如图2 5 所示，图中 f r a m e n u m b e r 指的是u l m a p 中所指定的包含当前正在传输b u r s t s 的帧的序号。 b s i du i u c f r a m en u m b e r 图2 s 上行帧随机化编码器初始化序列 2 2 2 麓机化编码的译码 由于随机化编码器的本质是把数据与一个随机化序列相异或，而与同一序列异 或两次即可恢复原数据，所以译码与编码是完全对应的关系，在接收方把接收数据 按相同的方式( m s b 在前) 进入到随机化编码器，与同一随机化序列进行异或，即 完成了译码。需要注意的是一定要保证译码与编码以相同的次序进入随机化编码器。 2 3 前向纠错码( f e c ) 在w i m a x 标准中前向纠错编码采用r s 编码和c c ( 卷积码) 编码的级联编码， 通过采用不同截断方式的r s 和c c 码可以得到不同的编码速率。r s 码是分组码， 特别适合用于纠正突发的错误，c c 则在对抗随机错误方面有很好的性能，因此把 c c 码做内码，r s 码做外码的搭配可以取得非常不错的纠错能力，在各种通信系统 被广泛采用，这种码最引人注目的成就是在n a s a 的火星探测器中成功完成地球与 火星问的通信，因此这种级连码也被称为n a s a 码， 2 3 1w 瑚a x 标准中使用的r s 编译码器 r s 是r e e d s o l o m o n ( 里德一所罗门编码) 的简称，在w i m a x 标准中采用源于 r s ( n = 2 5 5 k = 2 3 9 ，t = 8 ) 系统码。其中： n = 2 5 5 表示每个码字中总共包含2 5 5 个码元。 k = 2 3 9 表示每个码字中包含2 3 9 个信息码元。 t = 8 表示每个码字可以纠正8 个码元的错误。 r s 编码的码字以及编码运算都位于g f ( g a l o i s 伽罗瓦) 域内的数据，所有的 输入数据都要转化为对应的g f 域内数值，然后再进行编码。 g f 域的生成多项式 ：p ( x 1 = z 8 + x 4 + x 3 + x 2 + 1 r s 编码的生成多项式：g ( x ) = 0 + 刀) + 爿) + 牙) + 矛“) ，a = 0 2 w 上式可以按g f 域展开为： g ( x 1 = x 1 6 + c 1 1 2 0 x 1 5 + 口1 0 4 1 4 + 口1 0 7 x 1 3 + 口1 0 9 x 1 2 十口1 0 2 x 1 1 + 口1 6 1 x 1 0 + 甜7 6 x 9 + 掰3 x 8 + 口9 1 x + c r l 9 1 x 6 + d 1 4 7 x + 口1 6 9 2 4 + 口1 8 2 v 3 + 口1 舛x 2 + 盯2 2 5 x 1 + 口1 2 0 ( 2 1 ) 上式中x 的系数即可做为r s 编码器中乘法器的系数。 r s ( 2 5 5 ，2 3 9 ，8 ) 的编码器如下图所示，信息码元依次进入编码器，然后这 2 3 9 个信息码元做为编码后的前2 3 9 个码元，1 6 个寄存器内的最终数据即为校验码 兀o r a t ei d r s 编码校验码元数r s 编码效率 o ( 1 2 ，1 2 ，0 ) 0l j ( 3 2 ，2 4 ，4 ) 83 4 2 ( 4 0 ，3 6 ，2 1 2 9 1 0 3 ( 6 4 ，4 8 ，8 1