高速数据链路中同步技术研究与FPGA实现

论文摘要

编码正交频分复用COFDM(Coded Orthogonal Frequency Division Multiplexing)系统将OFDM技术与信道编解码技术相结合,它既具备OFDM技术频谱效率高,抗多径衰落能力强,抗窄带干扰性能好等众多突出的优势,又兼备信道编解码技术的高编码增益,因此COFDM技术作为未来无线通信的关键技术而成为当今研究的热点。但COFDM技术对频偏、定时和相位噪声敏感,较小的同步偏差即会导致系统的误码性能恶化,同时高编码增益的编解码技术硬件实现复杂度大,因此同步性能和编码性能的好坏直接影响到COFDM系统的数据传输性能。本文简要介绍了COFDM技术的发展历史与研究现状,详细阐述了COFDM技术的基本原理、特点及技术优势,以高速航空下行数据链项目为背景,设计了一套完整的COFDM物理层方案。详细的推导并仿真了各种同步误差对系统性能的影响,仿真分析评估了各种同步算法的性能,详细的推导了Turbo码的译码算法并通过仿真比较译码性能,保证算法性能的基础上,选择出了适合硬件实现的算法。以系统方案中的参数为基础,在充分考虑算法的性能及实现复杂度的基础上,设计了一整套COFDM系统的结构,包括同步和译码部分。详细描述了同步系统中各种同步算法的硬件实现结构,提出了一种基于导频的残余相位与信道频率响应的联合估计与补偿算法,在保证估计性能的同时,显著的降低了系统实现的复杂度;针对Turbo译码器迭代过程复杂且存储量需求大的问题,提出了新型存储器调度方案,设计了新型译码结构,比传统译码结构节省了一半的存储资源。用verilog HDL语言实现了COFDM系统基带部分的硬件描述,用Modelsim软件针对COFDM的基带收发处理系统进行了仿真验证,证明了电路逻辑的可行性。介绍了一种中频数字接收机的实现方法,设计了COFDM系统中频数字收发机的硬件平台,将电路逻辑与硬件平台相结合最终完成了COFDM系统的样机,在实验室环境下对此样机进行了测试,给出了多个关键电路的硬件测试效果,测试结果表明COFDM系统基本达到项目要求。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 研究的背景和意义
• 1.2 OFDM 技术及发展现状
• 1.3 OFDM 系统中的Turbo 码应用
• 1.4 本文的主要工作
• 2 COFDM 系统的基本原理
• 2.1 无线信道
• 2.1.1 信道衰落
• 2.1.2 多径效应
• 2.1.3 多普勒频移
• 2.2 OFDM 原理
• 2.2.1 OFDM 数学模型
• 2.2.2 OFDM 的保护间隔
• 2.3 Turbo 码原理
• 2.4 COFDM 系统
• 2.4.1 COFDM 系统模型
• 2.4.2 COFDM 系统参数
• 2.4.3 帧格式
• 2.4.4 导频插入方式
• 2.4.5 子载波调制映射
• 2.5 本章小结
• 3 COFDM 系统的同步与译码技术
• 3.1 同步概述
• 3.2 同步误差对系统性能的影响
• 3.2.1 同步误差分析
• 3.2.2 载波同步偏差的影响
• 3.2.3 符号定时同步偏差的影响
• 3.2.4 采样同步偏差的影响
• 3.3 同步算法与仿真
• 3.3.1 时域符号粗同步算法
• 3.3.2 频域符号细同步算法
• 3.3.3 时域频率同步
• 3.3.4 频域频偏估计
• 3.3.5 相位跟踪
• 3.4 Turbo 译码算法与仿真
• 3.4.1 MAP 算法
• 3.4.2 Log-MAP 算法
• 3.4.3 Max-Log-MAP 算法
• 3.4.4 SOVA 算法
• 3.4.5 Turbo 码性能仿真
• 3.5 本章小结
• 4 COFDM 系统的中频数字接收机实现
• 4.1 COFDM 接收机系统
• 4.2 中频数字接收机理论
• 4.3 同步系统的FPGA 实现
• 4.3.1 COFDM 粗符号定时同步
• 4.3.2 时域频偏估计
• 4.3.3 细符号定时与采样定时的联合估计
• 4.3.4 残余相位跟踪和信道估计
• 4.4 译码系统的FPGA 实现
• 4.4.1 解调结果软输出
• 4.4.2 译码器设计与实现
• 4.5 系统硬件及测试
• 4.5.1 COFDM 系统中频发射机
• 4.5.2 COFDM 系统中频数字接收机
• 4.6 本章小结
• 5 总结与展望
• 5.1 论文总结
• 5.2 后续研究工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录
• B. 作者在攻读学位期间取得的科研成果目录