（通信与信息系统专业论文）mimoofdm试验系统同步算法vlsi实现技术研究.pdf

摘要 摘要 多输入多输出正交频分复用( m u l t i i n p u tm u l t i o u t p u to r t h o g o n a lf r e q u e n c y d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ，m i m o o f d m ) 系统由于具有较高的频谱效率，能有效抵抗 多径衰落，降低均衡器复杂度而得到广泛的关注和应用。本文在构建m i m o o f d m 试验系统的f p g a 端整体架构的基础上，重点针对m i m o o f d m 系统对接收信号 载波频率偏移较敏感，对时间同步也有较高要求的问题，主要研究了m i m o o f d m 试验系统的时间同步和频率同步算法及其优化的v l s i 实现结构。 本文首先分析了利用数字下变频器完成数字中频信号到等效基带信号的转 换。对数字下变频器的结构进行了分析。针对其中的抗混叠滤波器阶数较高，对 应的实现电路面积大的问题，将多相滤波器与插值有限冲激响应滤波器相结合， 综合数字下变频器中多速率数字信号处理的特点，提出一种新的抗混叠滤波器结 构，以较小的实现面积，达到性能要求。 在时间同步的研究中，本文针对典型的数据辅助时间同步检测器分析了其门 限设置的方法，选择了一种可工作于信噪比动态范围较大环境的门限设置方法。 针对大频偏条件下时间相关峰迅速下降的问题，本文设计了一种利用多个预频偏 后本地序列与接收信号进行相关的时间同步检测器结构，提高了检测器在大频偏 条件下的同步检测概率。由于试验系统要求时间同步检测器检测到第一径，本文 利用最大多径时延通常小于循环前缀这一信道特性，设计了双门限的时间同步检 测器结构。针对文中所设计的多种检测器结构，本文均提出了相应的v l s i 实现结 构，并对复杂度进行了分析和优化。 在频率同步的研究中，本文分析了典型频率估计算法，设计了频率同步帧结 构。根据数字下变频器对数据的处理时延和系统帧结构特点，本文提出了该频率 估计算法及频偏补偿模块的v l s i 实现结构。本文还就信号样值的定点表示对估计 精度的影响进行了分析，设计了一种不改变估计量均值的截位方法。 针对本文所提出的多种v l s i 实现结构，本文详细分析了所得电路的验证方法 及其性能测试结果。试验系统的整体联调和多项测试表明本文所设计的算法可以 工作于实际通信系统中，达到m i m o o f d m 试验系统对时间同步和频率同步的精 摘要 度要求。 关键词：m 订oo m m 时间同步频率同步v l s i a b s t r a c t a b s t r a c t t h eb a s i ci d e ao fo f d mt e c h n i q u ei st od i v i d et h ea v a i l a b l eb a n d w i d t hi n t oa n u m b e ro fs u b c a r r i e r s i n s t e a do ft r a n s m i t t i n gt h ed a t as y m b o l si nas e r i a lw a y , o f d m t r a n s m i t t e rp a r t i t i o n st h eo r i g i n a ld a t ai n t ob l o c k so fd a t as y m b o l st r a n s m i t t e di np a r a l l e l b yd o i n gs o ，t h ed u r a t i o no fo f d ms y m b o lc a l lb em a d el o n gw h e nc o m p a r e dt ot h e c h a n n e ld e l a y , a n dt h eb a n d w i d t ho fe a c hs u b - b a n dc a r lb em a d es m a l lw h e nc o m p a r e d t ot h ec o h e r e n c eb a n d w i d t ho ft h ec h a n n e l t h u s ，t h ed a t ao fe a c hs u b - b a n dw i l l e x p e r i e n c e f l a tf a d i n gi n s t e a do ff r e q u e n c ys e l e c t i v ef a d i n g ，w h i c hr e d u c e st h e c o m p l e x i t yo fc h a n n e le q u a l i z e r t h eb a s i ci d e ao fm i m ot e c h n i q u ei s t ou t i l i z e m u l t i p l ea n t e n n a st oa c c o m p l i s hm u l t i p l e x i n gg a i na n d o rd i v e r s i t yg a i n t h es y s t e mw e b u i l di su s e dt oi n v e s t i g a t et h eb a s i cp r i n c i p l e st h a tc a na p p l ym i m o - o f d mt e c h n i q u e t oas p e c i f i cc h a n n e le n v i r o n m e n t ，o fw h i c ht h ei m p u l s er e s p o n s ei sf a s tc h a n g i n g t h e a i mo ft h es y s t e mi st og e tas p e c t r a le f f i c i e n c yh i g h e rt h a n3b i t s h z o nt h eo v e r a l l o f d m - b a s e ds y s t e mp e r f o r m a n c e ，t h ep e r f o r m a n c eo ft h ef r e q u e n c ya n dt i m i n g s y n c h r o n i z a t i o ni so fm a j o ri n f l u e n c e t h i sp a p e ri sf o c u s e do nd e v e l o p i n gt h et i m i n g a n df r e q u e n c ys y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h m sf o rm i m o o f d ms y s t e m sa sw e l la st h e i r s p e c i f i cv l s ia r c h i t e c t u r e o nt h ef i r s tp a r to ft h ep a p e r , t h em e t h o do fc o n v e r t i n gi n t e r m e d i a t ef r e q u e n c y s i g n a lt o i t s e q u a l i z e db a s e b a n ds i g n a l i sd i s c u s s e d i no r d e rt oi m p l e m e n tt h a t c o n v e r s i o n ，ad i g i t a l d o w nc o n v e r t e ri s d e s i g n e d t h i s c o n v e r t e rn e e d sa n a n t i o v e r l a p p i n gf i l t e rw i t har e l a t i v e l yh i 出o r d e r ，w h i c hm e a n st h el a r g ea r e ao fd i g i t a l c i r c u i tt oi m p l e m e n ti t t ol o w e ri t sc o m p l e x i t y , ac r e a t i v ef i l t e rs t r u c t u r ei sp r o p o s e d i nt h et i m i n gs y n c h r o n i z a t i o np a r t ，t h i sp a p e ra n a l y z e sv a r i o u sm e t h o d sa b o u t s e t t i n gt h et h r e s h o l df o ras p e c i f i ct i m i n gs y n c h r o n i z a t i o nd e t e c t o r am e t h o dw h i c hc a n b eu s e de f f e c t i v e l yu n d e ra ne n v i r o n m e n tw i t hh i 曲s n rd y n a m i cr a n g ei sc h o s e nf o r t h ed e t e c t o r t h e t i m i n gs y n c h r o n i z a t i o n d e t e c t o rw o r k sb e f o r e f r e q u e n c y s y n c h r o n i z a t i o ne s t i m a t o r , w h i c hm e a n st h et i m i n gs y n c h r o n i z a t i o nd e t e c t o rm a y b e w o r ku n d e rc a r r i e ro f f s e t as t r u c t u r eo ft i m i n gs y n c h r o n i z a t i o nd e t e c t o ri sp r o p o s e dt o i i i a b s t r a c t e n h a n c ei t sd e t e c t i o np r o b a b i l i t yu n d e rc a r r i e ro f f s e t t om e e tt h er e q u i r e m e n to f c h a n n e le s t i m a t i o nt h a tt h et i m i n gs y n c h r o n i z e rm u s ts y n c h r o n i z et h ef i r s tp a t h ，a d e t e c t o rs t r u c t u r ei sp r o p o s e d t h ev l s ia r c h i t e c t u r eo fe a c ho ft h e s ed e t e c tp r o p o s e di s d e s i g n e da n di m p l e m e n t e db yr e g i s t e rt r a n s f e rl e v e lc o d e i na d d i t i o nt ot i m i n gs y n c h r o n i z a t i o n ，f r e q u e n c ys y n c h r o n i z a t i o ni sa l s oc r u c i a lf o r t h et r a n s c e i v e rd e s i g n t h i sp a p e rd e s i g n saf r a m es t r u c t u r ef o raf r e q u e n c y s y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h m ，a n dp r o p o s e sav l s ia r c h i t e c t u r ef o rt h a ts y n c h r o n i z a t i o n e s t i m a t o r t o v e r i f yt h ee f f e c t i v e n e s so fe a c ho ft h e s ev l s ia r c h i t e c t u r e s ，t h i sp a p e r t h o r o u g h l yi n t r o d u c e st h ev e r i f i c a t i o np r o c e s sa n di t sr e s u l t s t h ev e r i f i c a t i o nr e s u l t s s h o wt h a tt h et i m i n ga n df r e q u e n c ys y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h m sc a nb eu s e do np r a c t i c a l s y s t e mw h i l em e e t i n gt h ep r e c i s i o nr e q u i r e m e n to fm i m o o f d ma l g o r i t h m k e y w o r d s ：m i m oo f d m ，t i m i n gs y n c h r o n i z a t i o n ，f r e q u e n c ys y n c h r o n i z a t i o n ，v l s i i v 图目录 图目录 图2 1d u c 结构6 图2 2d d c 中频谱搬移过程6 图2 3d d c 结构7 图2 - 4 一般下采样器结构8 图2 5 正r 滤波器结构8 图2 - 6k - - 4 时，巧瓜滤波器幅度响应在频域上的变化9 图2 7 瓜下采样器结构1 0 图2 8 级联等价关系。1 1 图2 9 球r 下采样器等价结构。1 1 图2 1 0 系统所用m 下采样器结构1 1 图2 1 1 m 滤波器结构的下抽样器等价结构1 1 图2 1 2m ( z ) 的幅度响应1 2 图2 1 3 滤波器等效结构1 1 3 图2 1 4 厶( z ) 和m ( z 笛) 的幅度响应1 3 图2 1 5 滤波器等效结构2 1 4 图2 1 6 ( z ) 和厶( z l o ) m ( z 2 5 0 ) 的幅度响应1 4 图2 一l7 多相滤波器的实现结构15 图2 18d d c 处理后的p n 序列17 图3 1 小数频偏对o f d m 信号的影响18 图3 2t u f v e s s o n 算法所需同步序列结构2 0 图3 3t u f v e s s o i l 算法时间同步检测器结构2 0 图3 4 本系统所用时间同步序列结构2 l 图3 5 改进的时间同步算法检测器结构2 2 图3 - 6 时间同步算法在a w g n 信道下性能2 4 图3 7 频偏存在时相关峰下降情况2 6 图3 8 改进的频率同步算法的两组相关峰2 6 图3 - 9 频偏工作条件下检测器结构图2 7 图3 1 0 频偏条件下时间同步性能2 7 v 图目录 图3 1 1 多径信道下相关器输出模值3 0 图3 1 2 仿真结果。3 0 图3 - 1 3 同步序列帧格式一3 1 图3 - 1 4 相关算法示意图3 2 图3 1 5a w g n 信道条件下频偏估计性能一3 3 图4 - 1 同步序列帧结构3 5 图4 2 调制后p n 序列的下采样3 6 图4 3 过采样条件下相关峰幅度3 6 图4 - 4 时间同步实现结构3 7 图4 5 相关器结构3 8 图4 - 6 循环移位操作3 9 图4 7 累加器和求能量模块4 0 图4 8 求采样点能量模块结构4 1 图4 9 门限确定模块结构4 1 图4 10 基带信号采样点和相关结果的相对位置4 2 图4 1l 判决器的f s m 4 2 图4 1 2 检测器检测过程4 3 图4 1 3s i u l 6 e 结构4 4 图4 1 4 时间同步中基带数据选择4 4 图4 1 5 复用的同步检测器结构4 5 图4 1 6 改进的相关器结构。4 6 图4 1 7p n 序列星座图上的旋转4 6 图4 18 相关值能量的存储4 7 图4 19 求最大值模块4 8 图4 2 0 同步第一径检测器4 9 图4 2 1f s m 状态转移图。4 9 图4 2 2 求最大值并将结果传输到f s m 的延迟5 0 图4 2 3 相关峰到达判决器情况5 l 图4 2 4 数据选择时序控制5 1 图4 2 5 时间同步测试序列5 2 图4 2 6 接收到帧信号的相关峰和相应门限5 3 图4 2 7 时频同步测试帧序列5 3 i i 图目录 图4 - 2 8 收到测试帧一5 4 图4 - 2 9 高s n r 下相关峰与门限关系：5 4 图4 - 3 0 低s n r 下相关峰与门限关系5 5 图4 3l 多径信道下的基带接收信号。5 5 图4 3 2 多径信道下相关峰与门限一5 6 图4 3 3 时间同步性能测试模块。5 6 图4 3 4 正常情况下的计数输出一5 7 图4 - 3 5 有时间同步定时错误时的计时输出5 7 图5 1 频率同步帧结构5 8 图5 2 频偏补偿结构5 8 图5 3 下采样器结构一5 9 图5 - 4 计算尸的v l s i 结构6 0 图5 5 截位操作6 1 图5 - 6 直接截取方式的量化误差6 1 图5 7 直接截位所得尸值6 2 图5 8 四舍五入的截取方式的量化误差6 3 图5 - 9 四舍五入的实现结构6 3 图5 1 0 四舍五入截位方式所得p 值6 4 图5 1 1a r c t a n 模块输入输出结构6 5 图5 1 2c o r d i c 串行迭代结构6 5 图5 1 3d d s 结构6 6 图5 1 4 频率补偿结构6 6 图5 1 5 序列互相关示意图6 7 图5 1 6 频率同步模块的数据选取。6 7 图5 1 7 频偏补偿后接收信号。6 8 图5 18d d s 频率控制字6 9 图6 1m i m o o f d m 试验系统接收端f p g a 中系统结构框图7 0 图6 2 室内有线小信号测试环境7 l 图6 3 时间同步小信号测试结果7 l 图6 - 4 频率同步小信号测试结果7 2 图6 5 高斯信道测试环境7 3 i x 表目录 表目录 表2 1 正瓜多相滤波器结构数字下变频器综合报告表1 6 表4 1 数据选择模块r o m 内容4 5 表5 1c o r d i c 输入输出变量值域6 5 表6 1 接收端f p g a 系统布局布线报告：7 0 表6 2 高斯信道系统性能7 3 x 缩略词表 英文缩写 a d c 涌g 啜 b p s k c d m a c f c f o c p d d c d d s d f t d r d u c r f f t f s m i c i i c o n ) f t ! e e f t 几a i s i l u t m o o f d m 英文全称 缩略词表 中文释义 a n a l o gd i g i t a lc o n v e r t e r 模数转换器 a d d i t i v ew h i t eg a u s s i a nn o i s e加性高斯白噪声 b i n a r yp h a s es h i f tk e y i n g二进制相移键控 c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s码分多址 c r e s tf a c t o r峰值系数 c a r r i e rf r e q u e n c yo f f s a载波频率偏移 c y c l i cp r e f i x循环前缀 d i 百t a ld o w nc o n v e r t e r数字下变频器 d i r e c td i g i t a ls y n t h e s i z e r直接数字合成器 d i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o r m离散傅立叶变换 d y n a m i cr a n g e 动态范围 d i g i t a lu pc o n v e r t e r数字上变频器 i n t e r m e d i a t ef r e q u e n c y中频信号 i n t e r p o l a t e df i n i t ei m p u l s er e s p o n s e插值有限冲激响应 f a s tf o u r i e rt r a n s f o r m快速傅立叶变换 f i l l i t es t a t em a c h i n e有限状态机 i n t e r - c a r r i e ri n t e r f e r e n c e子载波间干扰 i n t e g r a t e dc o n t r o l l e rc o r e集成控制器 i n v e r s ed i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o r n l离散傅立叶反变换 i n s t i t u t eo fe l e c t r i c a la n de l e c t r o n i c s 美国电气电子工程师学 e n g i n e e r s会 i n v e r s ef a s tf o u r i e rt r a n s f o r n l快速傅立叶反变换 i n t e g r a t e dl o g i ca n a l y z e rc o r e集成逻辑分析器 i n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c e符号间干扰 l o o k u pt a b l e s查找表 m u l t i i n p u tm u l t i o u t p u t多入多出 o r t h o g o n a l f r e q u e n c yd i v i s i o n 正交频分复用 m u l t i p l e x i n g x i 缩略词表 p d f p n r o f r t l s n r v i o v l s i p r o b a b i l i t yd e s i t yf u n c t i o n p s e u d on o i s e r o l l o f rf a c t o r r e g i s t e rt r a n s f e rl e v e l s i g n a l t o - n o i s er a t i o v i s u a li n p u t | o u t p u tc o r e v e r yl a r g es c a l ei n t e g r a t e d x u 概率密度函数 伪噪声 滚降系数 寄存器传输级 信噪比 虚拟输入输出 超大规模集成 主要数学符号表 符号类别 变量 矢量 矢量转置 求和 积分 求自然对数为底的幂 求对数 求自然对数 符号函数 求最大值 求数学期望或均值 求复数的模 求复数的相位 求正弦 求余弦 主要数学符号表 示例 口 a 字体、说明或用法 斜体字符 小写粗体 ， ，酬 训 酬 时 刖h 妒 酬 刚 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，除了文中特另j ：d n 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。 虢一嗍坤年j 月7 日 论文使用授权 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：7 乏薹弋 导师签 日期： 第一章绪论 第一章绪论 1 1m i m o o f d m 技术的发展状况 无线移动信道下的高速数据传输有广泛的应用需求。随着数据传输率的增加， 符号周期相应变短。在单载波通信系统中，无线信道的弥散衰落使这种具有较短 周期的符号容易受到符号间干扰( 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 ) 的影响。文献【1 】 指出为减少i s i 的影响，符号周期必须大于无线信道的时延扩展。在正交频分复用 ( o r t h o g o n a lf r e q u e n c y d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g o f d m ) 系统中，整个信道被分成多 个窄带子信道。窄带数据在这些信道上并行传输，以维持高传输速率。如此，o f d m 信号增加了符号间隔，从而降低了i s i 对系统性能的影响。o f d m 子载波上信号通 过的信道因此由多径衰落信道变为平坦衰落信道，降低了均衡器的复杂度。 传统的单天线传输技术着眼于从时域和频域使无线系统的性能达到最优。信 道编码被用于解决多径衰落所导致的误码。近年来，随着对无线服务需求的不断 增加，无线系统的天线端也有发展。多天线技术利用了以前未被使用的空间域信 息以提高系统容量。文献 2 】证明了相对于单入单出( s i n g l e i n p u ts i n g l eo u t p u t ， s i s o ) 系统，多入多出( m u l t i i n p u t m u l t i o u t p u t ，m i m o ) 系统可以提高系统容量。 提高的倍数，在平坦衰落或者窄带条件下，可以达到发射天线数和接收天线数两 者中的最小值。在宽带通信条件下，o f d m 和m i m o 技术的结合可以解决无线信 道的频率选择性问题并能获得分集增益和或容量增益。由于以上特性， m i m o o f d m 被广泛应用于无线通信系统中。 1 2数字信号处理在v l s i 电路上的实现 数字信号处理( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ，d s p ) 有许多的应用场景，如多媒体 和无线通信、语音处理、雷达成像等。d s p 应用的发展对数字信号处理的实现方 法提出了新的要求。d s p 的实现方法在需要满足实时系统中越来越快的采样频率 的同时，还需要使算法产生的电路具有尽可能小的面积和系统功耗。 d s p 系统的实现可由可编程处理器或超大规模集成( v e r yl a r g es c a l e i n t e g r a t e d ，v l s i ) 电路构成的用户定制硬件电路来完成。无论采用何种具体器件， 1 电子科技大学硕士学位论文 d s p 系统的设计目标总是在寻求性能最大化的同时使成本尽可能低。文献 3 】指出， 在通用数字电路设计中，系统性能的评价包括以下几个方面：硬件资源占用量、 执行速度以及系统功耗。执行速度由吞吐量和时钟频率决定。系统功耗表示系统 完成一个给定任务所需的能量。 在定点d s p 系统中，系统在有限字长约束下的性能是第四个衡量标准。这一 点对数字滤波器尤为重要。数字滤波器中过大的量化噪声会使其失去使用价值， 即使该数字滤波器在占用面积、速度和功耗方面均有良好表现。 相对于其它通用计算，数字信号处理本身有两个重要的特性：实时吞吐量要 求和数据推动特性。实时吞吐量要求是指新的采样数据一旦到达系统就必须被处 理，而非将其存在b u f f e r 中，再一次性处理多个数据。如果系统的吞吐率不能满 足输入采样数据的采样率，新到来的采样数据就必须被存储于一个长度无限的存 储器中，这在实际电路中是不可实现的。而系统一旦满足输入信号的采样率要求 后，更高的计算速度却又没有意义。数字信号处理的第二个重要特性，数据推动 特性是指一旦所有的输入数据都准备好，相应的后续任务或运算就可立即执行。 文献 4 5 指出，在这种意义下，d s p 系统是与数据流同步的，而非一般数字系统 的与时钟同步。该特性使采用异步电路实现d s p 运算成为可能。 1 3本文研究内容和结构 1 3 1研究内容 在m i m o o f d m 试验系统研究中，本文作者主要研究任务包括： ( 1 ) 时间同步和频率同步的算法设计和实现。 ( 2 ) 数字上变频和数字下变频模块设计与实现。 ( 3 ) f p g a 与d s p 间接i ：2 1 的规划设计，并负责f p g a 端接口逻辑的设计。 ( 4 ) a g c 电路的设计与实现。 ( 5 ) 通信试验系统在室内小信号条件和高斯信道条件下的系统性能测试。 由于本文篇幅有限，为确保论文的整体性，本文重点阐述了研究任务中的第1 点、第2 点和第5 点。 本文主要研究内容包括： 2 第一章绪论 ( 1 ) 研究和分析了数字下变频器中下采样器的优化实现技术。将多项滤波器和 插值有限冲激响应滤波器相结合，并综合数字下变频器中多速率数字信号 处理的特点，提出新的抗混叠滤波器结构，以较小的实现面积，达到性能 要求。 ( 2 ) 针对大频偏条件下相关器输出的时间相关峰能量迅速下降的问题，设计了 一种将接收信号与频偏后的本地信号相关的时间同步检测器结构，提高了 检测器在接收信号有较大频偏情况下的检测概率。从计算复杂度的角度对 该检测器结构进行分析和优化。 ( 3 ) 针对试验系统对时间同步检测器检测到第一径的要求，利用信道最大多径 时延通常小于循环前缀长度这一统计特性，设计了一种双门限检测器结 构。 ( 4 ) 研究了基于数据辅助的典型频率估计算法，设计了频率同步帧结构，提出 了该频率估计算法和对应的频偏补偿模块的v l s i 实现结构。分析了定点 表示采样值对估计精度的影响，设计了一种不改变估计量均值的截位方 法。 ( 5 ) 针对本文中提出的多种v l s i 实现结构，分析了在m i m o o f d m 试验系 统整体联调中，本文所得电路的验证方法及性能测试结果。 1 3 2 本文结构 本文主要分如下章节对研究内容进行讨论： 第二章中，介绍了等效基带信号和数字变频系统的概念。针对数字下变频系 统中抗混叠滤波器过渡带窄，滤波器阶数高，实现电路面积大的问题，提出一种 新的滤波器实现结构。从所占电路面积的角度，对不同滤波器结构进行了比较。 第三章中，首先介绍了同步偏差对o f d m 系统性能的影响。然后介绍了现有 时间同步和频率同步算法。针对时间同步算法，分析了不同门限设置方式对检测 性能的影响，提出在接收信号存在频偏的条件下改善检测性能的检测器结构，并 就多径信道下如何同步第一径进行讨论。针对频率同步算法，分析了算法原理， 并对频率同步算法在a w g n 信道下的系统性能进行了分析。 第四章中，针对第三章提出的多种时间同步算法介绍了相应的v l s i 实现结 构。详细描述了各模块的结构及工作原理。阐述了实现电路的功能验证结果，并 3 电子科技大学硕士学位论文 介绍了时间同步检测器的性能测试方法。 第五章中，针对第三章介绍的频率同步算法介绍了相应的v l s i 实现结构。提 出了一种频偏估计的补偿方法。分析了采样数据的定点表示所导致的有限字长效 应对估计精度的影响，提出了一种截位处理结构。详细阐述了各子模块的工作原 理。本章还就设计结果的验证及频率估计精度的测量方法进行了深入的讨论。 第六章中，介绍了接收端f p g a 中系统结构及其性能测量结果。重点介绍了 两种测试项目的测试方法，并对所得测试结果进行了分析。 4 第二章m i m o - o f d m 试验系统数字下变频器设计 第二章m i m o o f d m 试验系统数字下变频器设计8 1 】 2 1等效基带信号与带通中频信号的对应关系 在实际系统中，数字中频( i n t e r m e d i a t ef r e q u e n c y , i f ) 信号有较高的载波频率， 需要较高的采样率以保证信号采样精度。数字中频信号作为带通信号，其载波频 率疋通常远大于带宽b 。若将数字中频信号表示为等效基带信号进行处理，由于 等效基带信号的最高频率低，所需的采样率也低，故可降低系统对存储器和运算 能力的要求。采用等效基带信号对数字中频信号进行表示，需要在发射端用数字 上变频器( d i g i t a lu pc o n v e r t e r , d u c ) 将低采样率的等效基带信号转换为高采样 率的数字中频信号，在接收端用数字下变频器( d i 百t a ld o w nc o n v e r t e r , d d c ) 将 高采样率的数字中频信号转换为低采样率的等效基带信号。 文献 6 】定义带通中频信号j ( f ) 的解析信号为 z ( f ) = s ( f ) + 芦( f )( 2 1 ) 其中g ( t ) 为s ( f ) 的希尔伯特( h i l b e r t ) 变换。希尔伯特变换定义为如下的数学 变换对。 ) = 研) 】= e 衰筹f 嘶) = 日- 1 瞰明= 一糟f ( 2 2 ) 对z ( f ) 进行d f t 变换可得 z 童2 沏s ( f + ) u 州( f ) s 烈朋s 厂 ( 2 3 ) = 、， 由式( 2 3 ) 可知解析信号z ( t ) 的频谱为s ( t ) 频谱的右半部分的两倍。将z ( t ) 的频 谱向左移至零频，则解析信号转换为基带信号。该基带信号即为数字中频信号j ( f ) 的等效基带信号。由公式表示解析信号z ( f ) 和等效基带信号屯( f ) 的关系 z ( f ) - s 工( f ) p ，2 砺= s ( f ) + 必( f ) ( 2 4 ) 通常情况下，( f ) 为复数，可表示为屯( f ) = ( f ) + 砖( f ) 。其中，8 r ( f ) 为同向 电子科技大学硕士学位论文 分量( i n - p h a s ec o m p o n e n t ) ，s a t ) 为正交分量( q u a d r a t u r ec o m p o n e n t ) 。由( 2 4 ) 口- f f j 得带通中频信号s ( f ) 和等效基带信号s l ( t ) 的关系 m 毒s r 翟c o s2 哦n f 。t 掣s i n 2 1 2 z f 。t 亿5 ， = ( f ) 一& 、。 2 2 数字上变频器与数字下变频器的结构 发射端d u c 结构可由式( 2 5 ) 得到。 s ( f ) 图2 - ld u c 结构 d u c 中，直接数字合成器( d i r e c td i g i t a ls y n t h e s i z e r , d d s ) 用于产生c o s 比f 和 一s i n m f 信号。等效基带信号采样率远低于带通中频信号采样率。等效基带信号需 经过内插以提高信号采样率，然后才能被乘法器搬移到载波频率上。 在接收端，d d c 将接收到的数字中频信号转换为零中频的等效基带信号。这 一过程，实际为频谱搬移过程。图2 2 详细描述了这一过程。 ，( f ) 图2 2d d c 中频谱搬移过程 将接收信号，( f ) 乘以e - j 2 z f , 。得搬移后的r 缸) 。 6 第二章m i m o o f d m 试验系统数字下变频器设计 ，u ) = r ( t ) e 一，2 哪= ，( f ) c o s2 刀z f 一，( f ) s i n2 万正f( 2 6 ) 将，v ) 中负半轴的镜像信号滤除，只保留图2 2 中阴影部分。从而得到接收信 号的等效基带信号r a t ) ，完成下变频。此处 r a t ) = ( f ) + 丸( f ) ( 2 7 ) 与前文所述发送端等效基带信号s ，( f ) 相同。 该等效基带信号的采样率与接收信号的采样率相同。等效基带信号的最高频 率为带通中频信号带宽的一半，远小于中频信号采样率，导致等效基带信号采样 率过高，需要进行下采样处理。由于等效基带信号为复信号，等效基带信号采样 率只需大于其最高频率即可避免混叠。由于下采样处理中抗混叠滤波器的通带窄 于滤除，缸) 中镜像信号的滤波器，而两滤波器为串联关系，这两个低通滤波器可 只采用抗混叠滤波器完成滤波功能。 由于r a t ) 为复数，故此处滤波器需两路，分别作用于实部和虚部。 厂( f ) 蓖，i ： 图2 3d d c 结构 2 3数字下变频器中下采样器的高