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基于软件无线电的802.11a OFDM系统实现

2020-11-07 来源:好兔宠物网
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第36卷第5期 中国海洋大学学报 PERIoDICAL 0F OCEAN UNIVERSITY OF CHINA 36(5):795~798 Sept.,2006 2006年9月 基于软件无线电的802.1 1 a OFDM系统实现 熊建设,石 雷,徐洪梅 (中国海洋大学电子212程系,山东青岛266071) 摘要:介绍4G移动通信系统的关键技术OFDM(正交频分多路复用)和软件无线电的基本概念,给出了OFDM系统模 型,参照802.11 a物理层的规范给出了OFDM符号帧结构。基于软件无线电的思想构建了OFDM传输系统。并用Sys— temView对OFDM传输系统的性能进行了仿真。 关键词:正交频分多路复用;软件无线电;仿真;SystemView软件 中图法分类号:TN911.3 文献标识码:A 文章编号:1672—5174(2006)05—795—05 OFDM(正交频分多路复用)nj调制技术是把待传 送的高速数据流分解成若干个低速比特流,并且用这 些低速比特流去并行调制一组相互正交的子载波。它 本文参照文献[4]建议的OFDM传输系统原理图 和物理层主要参数,并结合软件无线电思想,利用美国 ELANIX公司开发的EDA软件SystemView搭建了端 对端的OFDM传输系统,对OFDM系统特性进行了仿 真研究。仿真结果证明,此平台有充分的灵活性,可以 具有抗窄带干扰、抗多径衰落的能力,信道利用率高, 是1种适用于无线环境下的高速数据传输技术。在频 谱资源有限的无线环境中,OFDM技术因频谱利用率 高(当子载波个数很大时,系统的频谱利用率趋于 2Baud/Hz[ )的特点成为4G的关键技术。OFDM备 受关注的另一条重要的原因是它可以利用IFFT/FFT 作为OFDM调制技术研究的基础平台。 1 OFDM传输系统原理图与系统参数 OFDM传输系统工作流程的主要部分是OFDM 调制和解调的过程,即PLCP(物理层汇聚子层)和 代替多载波调制和解调。有关OFDM调制技术的发展 及应用现已成为通信领域研究的热点。 软件无线电(SWR software radio)由Joe Mitola于 PPDU(协议数据单元)相互转换的过程。发送电路从 MAC(媒体访问控制层)接收数据形成PLCP帧,再经 1992年提出,是指可重新编程或者可重构类型的无线 电系统[引。从1999年开始,由理想的SWR转向与当 前技术发展相适应的软件无线电,即软件定义的无线 电(SDR software defined radio),这种无线电系统能够 过卷积码编码、交织、星座点映射、IFFT、加保护间隔 (GI)、加窗等操作生成PPDU;接收电路操作则与其相 反。此过程的实现可参考文献[4]物理层协议中给出 的框图(见图1)。 接收完全可编程的业务和控制信息,并且支持大范围 内的频率、空中接口和应用软件。软件无线电的基本 文献[4]对OFDM物理层主要参数(包括信息传 输速率、调制方式、编码方式、信道编码速率和子载波 数等)进行了定义。用卷积编码实现了前向纠错编码 (FEC),卷积率可为1/2,2/3或3/4;信道编码速率为 1/2,2/3或3/4;不同的调制方式和卷积率决定了从 思想是以1个通用、标准、模块化的硬件平台为依托, 通过软件编程来实现无线电台的各种功能,代替原有 的基于硬件、面向用途的电台设计方法。功能的软件 化可减少功能单一、灵活性差的硬件电路,尤其是减少 模拟环节,把数字化处理(A/D和D/A变换)尽量靠近 天线。软件无线电强调体系结构的开放性和全面可编 6~54 Mbps共8种不同的通信速率;子载波总数为 52,其中48个子载波携带数据信息,4个子载波携带导 频信息,每个子载波可以使用相同或者不同的调制方 式,可供选择的调制方式有BPSK,QPSK,16一QAM, 64一QAM,文献[4]表78。 程性,通过软件的更新改变硬件的配置结构,实现新的 功能。 收稿日期:2006一O1—05;修订日期:2006一O4—28 作者简介:熊建设(1966一),男。硕士,副教授。E-mail:Xiongis@oue.edu.cn 维普资讯 http://www.cqvip.com

中国海洋大学学报 一一一一一一一一一一一一一一-一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一-一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一 发送端 i雒nput堰悃橱 一U U l!1 2I U I I  踅涸 精确频偏纠正和跟踪(14)H一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一 一信道估计和均衡(15)HFu nction————一 接收端 :R. ̄ver 一一 一一一一信号检测和同步(16) 一一一一一一一一一一一一一一module一————一一一图1 802.11 a的OFDM端对端传输系统 Fig.1 End—to-end transmission of 802.11 a OFDM system 2基于软件无线电的OFDM传输系统实现 参考IEEE 802.11 fl物理层协议,在SystemView 环境的设计窗口下搭建了仿真电路。系统采用了16一 须采用经过BPSK调制的二进制伪随机信号,以避免 生成多余的谱线。经过16.QAM映射后的复数信号插 入导频信号后进行傅立叶反变换(IFFT),即OFDM调 制。 QAM映射、限制长度为7的卷积编码,设置的编码率 为3/4,数据传输速率可达36 Mbps。 整个传输系统可分为接收机和发射机2部分,为 了验证OFDM技术具有抗多径衰落的特点,无线信道 采用多径衰落信道。在发射端,对二进制输入数据先 进行卷积编码,再交织,然后映射为O_AM值。为了实 现同步,每48个数据加上4个导频值,这样每个 2.3系统主要参数说明 OFDM传输系统仿真电路图(见图2),系统输入 信号采用速率为36 Mbps的PN序列,经采样速率为 36 Mbps的采样器(图符11)采样,再经参数为(2,1,7) 的卷积编码器(图符12)进行前向纠错编码,其编码率 为1/2,经数据吞除器(图符13)进行凿孔操作后,编码 率改善为3/4,此时输出信号速率为48 Mbps,接着经 过交织器(图符27)和比特流至符号流转换器(图符14, Bits/Symbol=4)以及QAM映射器(图符15),得到同相 OFDM符号达到52一ClAM值,在调制的时候运用IFFT 调制到52个子载波上。最后进行D/A变换并上变频 至工作频段,放大后通过天线发射。OFDM接收机的 工作过程基本上与发射机相反。 2.1编码方式的选取 OFDM系统虽然可以避免符号间干扰(ISI)并减 少载波间干扰(ICI),但信号经过多径衰落信道到达接 收端的所有子载波上的信号幅度却可能不同。事实 上,某些子信道由于深衰落可能会完全被湮没 J。为 了避免这种现象出现,需采用前向纠错编码,本文选用 和正交的2路基带信号,此时符号速率为12 M ̄ym/s。 QAM变换之后生成的同相和正交2路信号分别再利 用同相支路的通用分解器(图符18)和复用器(图符 19)以及正交支路的分解器(图符24)和复用器(图符 25)将数据重新组合,分别插入同步信号。分解器和复 用器参数的设计直接决定了生成OFDM帧的格式【引, 本文完全按照文献[4]17.3.2.1来设置分解器和复用 器的参数。 约束长度为7的卷积码(2,l,7)对源数据流进行信道 编码,该码能使相关通信系统的误码率达到最小,且能 克服相位误差。该码也是当前国际卫星通信、HDTV 地面广播、COFDM传输系统等很多通信系统中首选标 准卷积码。 在分解器和复用器的作用下,数据信息和导频信号 被复用到52路子载波上(其中有48路携带数据信息,4 路携带导频信号),每52路子载波作为1组生成1个 OFDM符号,符合IEEE 802.11 fl建议的OFDM物理层 帧结构。因为每个子载波比特数Nwsc=4。即每个 QAM符号占用4 bit,且经过图符18得到48个O.AM符 号,所以每个OFDM符号比特数N =48 X 4=192 bit,又因为编码率为3/4,所以每个OFDM符号所含数据 比特数NDBPs=192 X 3/4=144 bit,即每个OFDM符号 2.2子载波调制方式的选取 OFDM的子载波调制方式有MPSK,MQAM等多 种方式,本文选用16.QAM调制。其中,16.QAM的编 码表按照文献[4]的表84编写。为了抑制频偏和相 移,还需要插入4个导频,按文献[4]规定导频信号必 传输144 bit数据信息,完全符合802.11 a关于OFDM 物理层的建议,可参照文献[4]的表78。 维普资讯 http://www.cqvip.com

5期 熊建设,等:基于软件无线电的802.11 a OFDM系统实现 图2 OFDM传输系统电路图 Fig.2 Circuit diagram of OFDM transmission s ̄tem 本文搭建的基于软件无线电的OFDM传输系统, A/D和D/A变换器非常靠近天线端,显然,整个系统 在A/D变换之后和D/A变换之前所传输的信号均为 数字信号,可以使用DSP或FPGA来进行处理;可以 采用软件方法定义编码、调制、纠错和加密等过程;并 且还可通过重新编程改变电路结构和参数 J。该电路 的设计完全符合软件无线电的思想。 了OFDM系统具有很好的.抗多径衰落的能力和频谱 利用率高的特点。 图3所示为整个OFDM传输系统收发信号的叠 加图,将输入和输出2路信号的波形放在同一个坐标 上显示,可以清楚地看出输入和输出信号波形几乎一 致,证明了本文建立的基于软件无线电的OFDM系统 对多径衰落信道具有较好的对抗性。 图4为OFDM调制信号的同相(I路)和正交(Q 3仿真结果 在SystemView仿真软件的分析窗13内可以观察 到系统运行结果,并对运行结果作各种分析。通过对 OFDM传输系统收发信号的时域信号进行比较分析, 给出了误码率曲线和OFDM调制信号的频谱图,验证 路)2路合成信号的频谱图,该频谱图非常接近于矩形。 说明其频带利用率接近于100%,由此验证了OFDM 技术具有频谱利用率高的优点。OFDM系统中各个子 信道的载波相互正交,它们的频谱是相互重叠的,这样 不但减小了子载波间的相互干扰,同时提高了频谱利 用率。 输入Input 壹 = 量 孽 输出Ou ̄ut 0 200-3 4OO一3 600.3 800.3 l 0oo.3 O 200-3 400.3 600.3 800.3 1 000.3 时间Time/s 图3收发时域信号叠加比较图 Fig.3 Superposed diagram of time domain signals TX and RX 维普资讯 http://www.cqvip.com

中国海洋大学学报 -7.5 .5e+6 .2.5+6 0 2.5 5e+6 7.5 -70 ∞.o J .130 频率Frequancy/Hz 图4 OFDM调制信号频谱图 Fig.4 Frequency spectrum of OFDM modulation signal 1.OOe+O 1.OOe-I 1.OOe-2 已 是1.00e-3 缸】 荽1.o 魃 1.OOe-5 1.OOe-6 O 2 4 10 信噪比S/N/dB 图5误码率曲线 Fig.5 Error rate CHIVES 图5给出了采用BPSK和QPSK分别调制子载波 一系列理论研究和开发工作。 时系统的误码率曲线图,通过改变软件中的参数,可以 很容易地得到采用不同的编码或调制方式时系统性能 的变化,说明本文提出的基于软件无线电思想的系统 具有充分的灵活性,可用作OFDM技术研究的基础平 台。 参考文献: 【1】尹长川,罗涛,佟学检.正交频分复用技术【J】.中兴通讯技术, 2003,9(01):50—53. [2]Norbert J Fliege.Orthogonal multiple carrier data transmission[J]. Euro Trnsa Telecomm,1992,3(3):255—264. 4结语 OFDM技术的优点,尤其是抗多径传播和干扰的 能力,使之成为1种非常适合用于宽带无线通信的传 输技术。随着DSP芯片技术的发展,使得软件无线电 [3]Jeffrey H Reed.软件无线电——无线电工程的现代方法[M].北 京:人民邮电出版社。2004. 【4】IEEE.802.11 a-1999 Wireless LAN Medium Access Control(MAC) nd Physiacal Layer(PHY)specifications-Amendment 1:High—speed Physical Layer in the 5 GHz band[S].New York:IEEE,1999. [5]樊昌信,张甫诩,徐炳祥,等.通信原理[M].第5版.北京:国 防工业出版社,2001. [6] 石雷,熊建设,徐洪梅.OFDM物理层帧结构的仿真研究[J].信 的思想逐步走向现实,不断趋于理想化,人们将不断地 开发OFDM和软件无线电思想在无线通信领域中的 应用。目前普遍认为OFDM和软件无线电技术是宽 息安全与通信保密,2005(05):42—44. [7] 中国计算机世界出版服务公司.新一代无线通信技术——0FDM 技术[EB/OL].http://ehengdu.CCW.com.cn/xtx/200410/1025— 09.asp. 带无线通信中的关键技术,能够有效推动4G的发展。 本文提出的基于软件无线电的OFDM传输系统模型 符合软件无线电的思想,可以在该模型的基础上进行 (下转820页) 维普资讯 http://www.cqvip.com

820 中国海洋大学学报 2 0 0 6生 Application of Transmission Electron Microscope Techniques to Studying the Aerobic Sludge Granular Ultrastructure LIU Xiao-Yun,WANG Lin,LIN Yue—Mei (KeyLab ofMalineEnvironmental Science andEcology,Ministry ofEducation,OceanUniversity ofChina,Qingdao 266003,China) Abstract:The method of rutheniuln rd estaining combined wih tTEM observation was utilized successfully for research of exopolysaccharides function in aerobic granule cultured in an SBR.Experimental results revealed that the ultrastruc— ture of matured granule was diferent fom rhatt of immatured granule.Comparatively.the atmured granule has a higher intensity of bacteria and the bacteria tended to be aggregated together.There were large amounts of exopolysaeeharides between bacteria aggregation.The reaction of ruthenium red th polysaccharides could fix he textra c ̄_llular polysaccha— irde nd praovid ienformation on the morphological structure and distribution 0f exopolysaccbarides in aerobic granular sludge.1]he igh hresolution nd magniafication power of the咧y1悯attributd teo the perfect visualization of extrac ̄llular _as well s acytolgiocl detaails of acbterial ultrastructure.Information obtained fom rthis method oucld contribute o tthe characterization of aerobic granule,and he mechanitsms of granulr aformation. Key words:dectron microscope techniques;aerobic sludge granular;EPS:polysaceharide 责任编辑庞 雯 I上接798页) The Real ization of 802.1 1 a OFDM System Based on Software Radio XIONG Jian—She,SHI Lei,XU Hong—Mei (Department of Electronic Engineering,Ocean University of China,Qingdao 266071,China) Abstract:The basic theory of the OFDM technology and SDR,which are the key technology of the next gen- eration network一4G are introduced in this paper.Moreover,the OFDM system model is presentedAc∞rding .to the proposed model and the OFDM symbol structure established by IEEE 8021 1 a一1 999 std..the OFDM .system based on SDR is presented.In addition,a performance simulation of the OFDM system is imp1emented using SystemView. Key words:Orthogonal Frequency Division Multiplexing(OFDM);Software Defined Radio(SDR);simuIa— tion;SystemView Software 责任编辑 陈呈超 

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