（信号与信息处理专业论文）单载波高速数据链的抗多径算法和+fpga实现.pdf

二一一年十二月 nanjing university of aeronautics and astronautics the graduate school college of information science and technology the anti-multipath algorithm for single-carrier hign-speed datalinks and the implementation based on fpga a thesis in information and communication engineering by xu jian advised by xu dazhuan submitted in partial fulfillment of the requirements for the degree of master of engineering dec, 2011 承诺书 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外， 本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。 对本论文所 涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体， 均已在文中以明确方式标 明。 本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件， 允许 论文被查阅和借阅， 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、缩印或其他复制手段保存论文。 (保密的学位论文在解密后适用本承诺书) 作者签名： 日 期： 南京航空航天大学硕士学位论文 i 摘 要 近年来，随着无线通信中数据传输量的增大，对宽带传输系统的需求越来越高。其中，多 载波传输技术因为峰均功率比高 ，对功放的线性化要求严苛，影响了其应用范围，所以单载波 宽带系统成为了当前无线通信传输系统的主要方式。 然而，传统的单载波宽带无线通信系统中，多径衰落严重影响了通信的可靠性，多径能量 很大，造成严重的码间干扰；宽带下多径时延对应的延迟符号数很大，使得现有的同步以及信 道估计和均衡方法难以满足需要。 本文针对单载波频域均衡系统，研究适用于这种特定通信系统的同步方法，以及信道估计 和均衡的关键技术，提出了频域信道估计和信道均衡的解决方案，并设计开发基于硬件描述语 言（verilog）的软件程序，在 fpga 内成功解决抗多径问题。本文主要工作如下： 1. 较系统地研究了多径衰落信道的模型和特性，并对典型的 clarke 模型进行了仿真验证。 2. 提出了一种适用于强多径和大时延系统中的同步方案， 该方案利用了 zadoff_chu 序列良 好的周期自相关性，解决了系统的同步问题。 3. 实现了一种利用 zadoff_chu 序列恒幅特性进行频域信道估计的方法，这种方法性能良 好、复杂度低，便于在 fpga 内实现。 4. 在实现准确的信道估计的基础上，估计出接收信号的信噪比，根据 mmse 准则进行频域 均衡，解决了系统均衡问题。 5. 在硬件平台上实现了单载波频域均衡系统的设计、调试，并进行了详细的测试。 经测试，本文所设计的单载波频域均衡系统有效解决多径干扰，在恶劣的外部环境下能够 正常工作。该系统具有较高的应用价值，对其他单载波信道估计和均衡系统的设计具有一定的 参考价值。 关键词：关键词：单载波，多径衰落信道，fpga 设计，频域信道估计，频域信道均衡 单载波高速数据链的抗多径算法和 fpga 实现 ii abstract with the increase of the data in wireless communication, the broadband transmission system is used widely in recent years. but in the multi-carrier communication system, the peak to average power ratio is high; it demands the amplifier having good linearization and affects its application. therefore, the single-carrier broadband system becames the main way in wireless communication system. however, in the traditional single-carrier communication system, the power of multipath are great, which will result in serious inter-symbol interference. more importantly, the number of symbols corresponding to the multipath delay is also large, making complexity of existing channel estimation and equalization methods increase drastically. that is to say, traditional methods cant meet the engineering needs in these conditions. aiming at single-carrier frequency domain equalization system, this paper do research in key technologies of synchronization method and channel estimation and equalization applied to particular channel and propose a program of fenquency domain channel estimation and equalization. then we will design software program based on hardware description language to solve multipath issue basde on fpga. main work of this paper is as follows: 1. study the model and features of the multipath fading channel and simulate the typical clarke model. 2. propose a synchronization scheme for the strong power and large delay multipath fading channel taking use of the correlation of zadoff_chu sequence. 3. realize a fenquency domain channel estimation method taking use of the constant amplitude of zadoff_chu sequence. 4. based on the implemention of channel estimation and estimating snr, we resolved the multipath interference using fenquency domain channel equalization based on mmse. 5. implement the design and debugging on the fpga, and test it roundly. the single-carrier frequency domain equalization system in this paper resolved multipath interference and could work well in bad external environment. the system has high application value and more research work on channel estimation and equalization could be launched. key words：single-carrier, multipath fading channel, fenquency domain channel estimation, frequency domain channel equalization 南京航空航天大学硕士学位论文 iii 目 录 第一章 绪论 . 1 1.1 论文的研究背景和现状 . 1 1.2 论文的研究目的 . 2 1.3 论文主要内容与结构 . 2 第二章 多径衰落信道的建模与仿真 . 3 2.1 多径衰落信道的模型 . 3 2.2 多径衰落信道特征 . 4 2.2.1 衰减效应. 4 2.2.2 多径效应. 4 2.2.3 时变特性. 6 2.3 多径衰落信道的仿真模型 . 7 2.3.1 clarke 模型 . 8 2.3.2 仿真验证. 9 2.4 本章小结 . 11 第三章 单载波频域均衡系统的同步方案 . 12 3.1 同步方案框图. 12 3.2 导频和数据帧格式 . 12 3.2.1 zadoff_chu 序列 . 12 3.2.2 传输数据超帧结构 . 13 3.3 频偏估计 . 14 3.4 匹配滤波 . 15 3.5 接收数据的自相关 . 15 3.6 帧同步和峰值搜索 . 16 3.7 本章小结 . 18 第四章 单载波频域均衡系统的信道估计与均衡 . 19 4.1 信道估计技术. 19 4.1.1 最小二乘信道估计 . 20 4.1.2 基于自适应算法的信道估计 . 21 4.2 信道均衡技术. 21 单载波高速数据链的抗多径算法和 fpga 实现 iv 4.2.1 线性均衡器 . 21 4.2.2 判决反馈均衡器 . 22 4.2.3 自适应时域均衡器 . 22 4.2.4 频域均衡器 . 23 4.3 系统的信道估计和均衡方案 . 23 4.3.1 频域信道估计 . 24 4.3.2 频域信道均衡 . 25 4.3.3 信噪比估计 . 26 4.4 本章小结 . 28 第五章 单载波频域均衡系统的 fpga 设计与调试 . 29 5.1 基于 fpga 的数字系统 . 29 5.1.1 xilinx 公司 fpga 简介 . 29 5.1.2 xilinx 公司 ip 核资源 . 30 5.2 chipscope 的介绍和使用 . 30 5.3 同步模块设计与调试 . 32 5.3.1 数控振荡器设计 . 32 5.3.2 乘法器设计 . 34 5.3.3 匹配滤波器设计 . 35 5.3.4 频偏估计模块的设计 . 36 5.3.5 同步模块的调试 . 39 5.4 频域信道估计和均衡模块设计与调试 . 43 5.4.1 快速傅里叶变换和其反变换（fft 和 ifft） . 43 5.4.2 复数乘法器设计 . 46 5.4.3 频域信道估计的调试 . 47 5.4.4 频域信道均衡的设计 . 49 5.5 系统总体测试和结果 . 49 第六章 总结与展望 . 53 6.1 本文的工作总结 . 53 6.2 研究工作的展望 . 53 参考文献 . 55 致 谢 . 58 在学期间的研究成果及发表的学术论文 . 59 南京航空航天大学硕士学位论文 v 图清单 图 2. 1 watterson 信道延迟线模型 . 3 图 2. 2 多径衰落信道仿真模型 . 7 图 2. 3 clarke 模型实部和虚部均值 . 10 图 2. 4 clarke 模型实部和虚部分布 . 10 图 2. 5 clarke 模型包络分布 . 11 图 2. 6 clarke 模型自相关值 . 11 图 3. 1 同步方案框图 . 12 图 3. 2 自相关函数和恒幅特性 . 13 图 3. 3 数据超帧结构 . 13 图 3. 4 传输帧 1 的导频/数据结构 . 13 图 3. 5 传输帧 232 的导频/数据结构 . 13 图 3. 6 接收数据自相关过程 . 16 图 3. 7 三态同步保护状态图 . 17 图 4. 1 一般信道估计模型 . 19 图 4. 2 判决反馈均衡器 . 22 图 4. 3 线性自适应均衡器 . 23 图 4. 4 频域均衡器结构 . 23 图 4. 5 频域信道估计和均衡框图 . 24 图 4. 6 进行频域估计的数据结构 . 24 图 4. 7 进行频域均衡的数据结构 . 25 图 4. 8 计算信噪比的数据结构 . 26 图 4. 9 信噪比估计对比曲线 . 27 图 5. 1 virtex-4 系列 fpga 内部结构 . 29 图 5. 2 chipscope 典型工作模式 . 31 图 5. 3 icon 核配置界面 . 31 图 5. 4 ila 核配置界面 . 32 图 5. 5 dds 核的配置界面 . 33 图 5. 6 dds 输出仿真波形图 . 34 图 5. 7 乘法器配置界面 . 34 图 5. 8 fdatool 设置界面 . 35 单载波高速数据链的抗多径算法和 fpga 实现 vi 图 5. 9 fir 参数配置界面 . 36 图 5. 10 fir 滤波器仿真结果 . 36 图 5. 11 频偏估计实现框图 . 36 图 5. 12 64 阶全加器型数字相关器模型 . 37 图 5. 13 相关器硬件资源占用情况 . 37 图 5. 14 block memory generator 设置界面 . 39 图 5. 15 ad 采样得到的信号 . 40 图 5. 16 中频信号与正弦波相乘结果 . 40 图 5. 17 下变频后的基带信号 . 41 图 5. 18 基带信号星座图 . 41 图 5. 19 dds 频率控制字 . 42 图 5. 20 信号的相关峰 . 42 图 5. 21 i 路峰值提取 . 43 图 5. 22 q 路峰值提取 . 43 图 5. 23 fft 配置界面 1 . 44 图 5. 24 fft 配置界面 2 . 45 图 5. 25 启动信号与输入信号时序 . 45 图 5. 26 输出数据时序 . 46 图 5. 27 复数乘法器配置 . 46 图 5. 28 信道估计结果一 . 47 图 5. 29 信道估计结果二 . 47 图 5. 30 信道估计结果三 . 48 图 5. 31 信道估计结果四 . 48 图 5. 32 系统总体测试环境 . 49 图 5. 33 系统试验平台 . 50 图 5. 34 均衡前后信号星座图一 . 50 图 5. 35 均衡前后信号星座图二 . 51 图 5. 36 均衡前后信号星座图三 . 51 南京航空航天大学硕士学位论