【正文】 2021 年 3 月 20 號(hào) 基于 LTE 接收機(jī)無(wú)線通信基帶的 FPGA 實(shí)現(xiàn) 物理與光電信息科技學(xué)院 電子信息工程專業(yè) 106032021113 黃波 指導(dǎo)教師 吳進(jìn)營(yíng) 【摘要】 隨 著移 動(dòng) 通 信在全 球范 圍 的迅 速 發(fā) 展， 從第 二代 GSM到 第三代 3G技 術(shù) 的 不斷推 進(jìn) ，在 滿 足了 語(yǔ) 音， 電 子 郵 件， 圖 片， 音 樂 的移 動(dòng) 通信服 務(wù) 的同 時(shí) ， 對(duì) 于 大量數(shù) 據(jù)信息 的 傳輸 接收 ， 例 如 視頻 的無(wú) 線 移 動(dòng)傳 輸 等多 媒體 技 術(shù) ，成 為 了 未來(lái) 用 戶 所 希望 通 過 移 動(dòng)終 端隨 時(shí) 隨地進(jìn) 行通 信的 選擇 。 20 世紀(jì) 80 年代中期，歐洲首先推出了全球移動(dòng)通信系統(tǒng) (GSM， Global System for Mobile).隨后美國(guó)和日本也相繼制定了各自的數(shù)字移動(dòng)通信體制。但隨著人們對(duì)通信業(yè)務(wù)范圍和業(yè)務(wù)速率要求的不待提高，第三代 (3G)移動(dòng)通信系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。而 該系統(tǒng)可以容納龐大的 用戶數(shù)量 ，改善現(xiàn)有的通信質(zhì)量，達(dá)到高速數(shù)據(jù)從傳輸?shù)囊蟆?OFDM將 高速的數(shù)據(jù)流通過串并變換分配到 低 速率 的若干 頻率子信道中傳輸，不同的是 OFDM技術(shù)更好地提高了 頻譜利用率。多載波傳輸把數(shù)據(jù)流分解成若干子比特流， 將這些低比特速率的數(shù)據(jù)流 調(diào)制相應(yīng)的子載波，就構(gòu)成了 多個(gè)低速率符號(hào)并行發(fā)送的傳輸系統(tǒng)。假設(shè) N 表示子載波 的 個(gè)數(shù)， T 表示 OFDM符號(hào)的 周期 ， ????(i=0、 … 、 N1)為 分配給每個(gè)子載波的數(shù)據(jù)符號(hào)， ????為第 0 號(hào)子載波的載波頻率，矩形函數(shù) rect(t)=1,|??| ≤ T/2,則從 t=????開始的一個(gè) OFDM符號(hào)表示 如 (21)： s(t)={????2∑ ????????????.?? ????? ???2/??????0??2??.???? +????/(?? ?????)1???1??=0 3 ???? ≤ t ≤ ????+ ??0 其他 (21) 通常采用復(fù)等效基帶信號(hào)來(lái)描述 OFDM的輸出信號(hào)， 如 (22) 2 s(t)={∑ ????????????.?? ????? ???2/??????0??2?????? (???????)1 ???? ≤ t ≤ ???? +?????1??=00 其他 (22) 其中實(shí)部和虛部分別對(duì)應(yīng) OFDM 符號(hào)的同相分量 (Inphase,I)和正交分量 (Quadraturephase,Q),在實(shí)際系統(tǒng)中 把 它們分別與子載波 cos 和 sin 分量相乘，構(gòu)成最終的子載波信號(hào)合成的 OFDM信號(hào) ,如 圖 22 所示 。 如圖 24 所示為相互覆蓋的各個(gè)子信道內(nèi)經(jīng)過矩形波形成型得到的符號(hào) 的 sinc 函數(shù)頻譜。 系統(tǒng)架構(gòu) 輸 入 數(shù) 據(jù) 編 碼 交 織 數(shù) 字 調(diào) 制 映 射 串 并 變 換 I F F T 并 串 變 換 C P / 加 窗數(shù) 據(jù) 接 收 譯 碼 解 交 織 數(shù) 字 解 調(diào) 解 映 射 并 串 變 換 F F T 串 并 變 換 去 C P射 頻 T X同 步射 頻 R X 圖 25 OFDM 收發(fā)機(jī)框圖 如圖 25 所示，發(fā)送端將傳輸?shù)臄?shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成子載波的幅度和相位的映射，并進(jìn)行 IFFT將數(shù)據(jù)的頻譜表達(dá)式變成時(shí)域上。 表 22 參考信號(hào)參量說(shuō)明 標(biāo)識(shí) 說(shuō)明 ?????? OFDM 符號(hào)長(zhǎng)度 (含 CP)選擇正常 CP： ?????? = 1 ???? ????為一個(gè)無(wú)線幀中包含的時(shí)隙編號(hào)，取值范圍為 0~19, ?? ??表示一個(gè)時(shí)隙中包含的 OFDM 符號(hào)編號(hào)，取值范圍為 0~6； ??????max， DL ??????max， DL表示下行 RB的最大數(shù)量 m m= 0,1， …， 2??????max， DL ?1表示一個(gè)導(dǎo)頻序列在頻域的序列號(hào) ??(??) ??(??)為偽隨機(jī)序列 ?????????????? 物理層小區(qū)標(biāo)識(shí)，這里默認(rèn)為 0(選擇標(biāo)準(zhǔn)：當(dāng)基站較少時(shí)，可以自定義選取 ) ??????(1) ??????(1)代表物理層小區(qū)標(biāo)識(shí)，取值范圍 0~167 ??????(2) ??????(2)代表物理層小區(qū)標(biāo)識(shí)組內(nèi)的物理層標(biāo)識(shí)，取值范圍 0~2 RB 時(shí)域?yàn)???symbDL 個(gè)連續(xù)的 OFDM 符號(hào)，頻域?yàn)???sc????個(gè)連續(xù)子載波，因此由??symbDL *??sc????個(gè) RE 組成，該方案選擇 10M 帶寬，所以 ????=50 ??symbDL ??symbDL 為 OFDM 下行符號(hào)標(biāo)識(shí)，該方案選擇 FDD_LTE，所以 ??symbDL =7 ??RBDL ??RBDL為下行資源塊標(biāo)識(shí)， ??RBDL的數(shù)量由該小區(qū)下行傳輸帶寬決定，應(yīng)滿足：6=??RBDL=110,該方案選擇 10M 帶寬，所以 ??RBDL=50 同步數(shù)據(jù)： LTE 系統(tǒng)沒有使用固定的公共主同步信號(hào)，而是 采用 了 3 個(gè)可用的主同步信號(hào)，分別和小區(qū) ??????(2)對(duì)應(yīng)。 ZadoffChu(ZC)根序列 μ根據(jù)下表： 表 23 主同步信號(hào)跟索引 μ 物理層小區(qū)表示組內(nèi)的物理表示 根 序列序號(hào) ?? 0 25 1 29 2 34 循環(huán)前綴 (CP)： 應(yīng)用 OFDM 的一個(gè) 主要 原因在于該系統(tǒng)可以有效對(duì)抗多徑時(shí)延 。 如圖 25 所示，每個(gè) OFDM 符號(hào) 中都包含 所有的非零子載波信號(hào)，而且也可同時(shí)出現(xiàn)該 OFDM符號(hào)的 時(shí)延 信號(hào) ，即第一子載波和第二子載波的 時(shí)延 信號(hào) 。 如圖26 所示。 如圖 27 所示。 (TDD) TDD 用時(shí)間來(lái)分離 接收和發(fā)送信道，接收和發(fā)送使用同一頻率的不同時(shí)隙作為信道的承載，上行或下行 方向的資源時(shí)間上是不連續(xù)的。 一個(gè)子幀包含 2 個(gè)連續(xù)的時(shí)隙，在 FDD 模式下，下行有 10 個(gè)子幀，上行也有 10 個(gè)子幀。參考 LTE單天線導(dǎo)頻方案。標(biāo)號(hào)1~3 992~1023 使用查表操作，其余 10 個(gè)填 0（濾波器截止預(yù)留）。 系統(tǒng)框圖 F F T 解 映 射 Q A M 解 調(diào) T u r b o 譯 碼 比 特 數(shù) 據(jù)測(cè) 試 輸 入 圖 31 接收機(jī) 系統(tǒng)框架 時(shí) 域 接 收 的 1 0 2 4 個(gè) 數(shù) 據(jù)1 3 0 0 子 載 波0 第 0 第 3 0 1 子 載 波 | 第 3 0 1 第 7 2 3 號(hào) 子 載 波 填 充 0 | 第 7 2 4 第 1 0 2 3 子 載 波3 0 1 6 0 0 子 載 波6 0 0 個(gè) 子 載 波 ( 不 包 含 0 號(hào) 子 載 波 )F F T 長(zhǎng) 度 為 1 0 2 4C PF F T 處 理 0 1 2 3 4 5 6 1 7 1 8 1 9 0 說(shuō) 明 ， 0 6 , 包 含 6 0 0 個(gè) 子 載 波 ， 由 于 0 ， 4 符 號(hào) 塊 各 插 入了 1 0 0 個(gè) 導(dǎo) 頻 數(shù) 據(jù) ， 6 符 號(hào) 塊 插 入 了 7 2 同 步 數(shù) 據(jù) ， 所 以 數(shù)據(jù) 傳 送 至 1 6 Q A M 解 調(diào) 時(shí) ， 1 , 2 , 3 , 5 為 6 0 0 個(gè) 有 效 數(shù) 據(jù) ， 0 和 4 為 5 0 0 個(gè) 有 效 數(shù) 據(jù) ， 6 為 5 2 8 個(gè) 有 效 數(shù) 據(jù)6 0 0 / 5 2 6 / 5 0 0 個(gè) 數(shù) 據(jù)2 4 0 0 / 2 1 0 4 / 2 0 0 0 個(gè) 數(shù) 據(jù)解 映 射1 6 Q A M解 調(diào)1 1 9 4 / 1 0 4 6 / 9 9 4 個(gè) b i t反 鑿 孔t u r b o 譯碼b i t 數(shù) 據(jù)輸 出 圖 32 數(shù)據(jù)流程圖 模塊解析 IFFT/FFT IFFT/FFT 在 OFDM 系統(tǒng)的應(yīng)用 一個(gè) OFDM[2]符號(hào)包括多個(gè)經(jīng)過調(diào)制的子載波。 IFFT/FFT 原理 設(shè) x(n)為 N 點(diǎn)有限長(zhǎng)序列， DFT 為： X(k)=∑ ??(??)???1??=0 ????nk,k=0、 由 DITFFT 算法的分解過程， N=2??時(shí)，運(yùn)算流圖共有 M 級(jí)蝶形，每一級(jí)都由 N/2 個(gè)蝶形運(yùn)算構(gòu)成。 1 3 0 0 子 載 波0 第 0 第 3 0 1 子 載 波 第 3 0 1 第 7 2 3 號(hào) 子 載 波 填 充 0 第 7 2 4 第 1 0 2 3 子 載 波3 0 1 6 0 0 子 載 波6 0 1 個(gè) 子 載 波 ( 包 含 0 號(hào) 子 載 波 )I F F T 長(zhǎng) 度 為 1 0 2 40 圖 36 發(fā)射機(jī)映射圖 1 3 0 0 子 載 波0 第 0 第 3 0 1 子 載 波 第 3 0 1 第 7 2 3 號(hào) 子 載 波 填 充 0 第 7 2 4 第 1 0 2 3 子 載 波3 0 1 6 0 0 子 載 波6 0 0 個(gè) 子 載 波 ( 不 包 含 0 號(hào) 子 載 波 )F F T 長(zhǎng) 度 為 1 0 2 4 圖 37 接收機(jī)映射圖 根據(jù)導(dǎo)頻和同步信號(hào)數(shù)據(jù)所對(duì)應(yīng)的符號(hào)塊，進(jìn)行 映射 ， LTE的導(dǎo)頻頻域間隔是考慮了典型多徑場(chǎng)景的相干帶寬 ，時(shí)間間隔是考慮了典型移動(dòng)速率要求的相干時(shí)間以滿足解調(diào)質(zhì)量，具體映射如表 31 和圖37： 表 31 導(dǎo)頻，同步數(shù)據(jù)的映射 符號(hào)塊 說(shuō)明 第 0 符號(hào)塊 如下圖所示，在第 0 符號(hào)塊每間隔 6個(gè) 資源單元，插入一個(gè)導(dǎo)頻數(shù)據(jù)，即 1 …600 第 4 符號(hào)塊 如下圖所示，在第 4 符號(hào)塊每間隔 6 個(gè)資源單元，插入一個(gè)導(dǎo)頻數(shù)據(jù)，即 …597 第 6 符號(hào)塊 在第 6 符號(hào)塊，插入同步數(shù)據(jù)： 13 0 3 0 5 個(gè) 0 5 個(gè) 0 3 1 6 1第 1 3 6 個(gè) 子 載 波 第 3 7 5 6 4 個(gè) 子 載 波 第 5 6 5 6 0 0 個(gè) 子 載 波 圖 38 下行參考 導(dǎo)頻 信號(hào)的映射 [5] 該設(shè)計(jì)未進(jìn)行同步技術(shù)的完整測(cè)試，對(duì)于導(dǎo)頻數(shù)據(jù)和同步數(shù)據(jù)，該接收機(jī)系統(tǒng)未進(jìn)行相關(guān)的同步數(shù) 據(jù)處理 (符號(hào)同步，定時(shí)同步，信道估計(jì)，載波同步，分組檢測(cè)等都會(huì)涉及到導(dǎo)頻和同步數(shù)據(jù)的操作 )，導(dǎo)頻數(shù)據(jù)： 不同的小區(qū) ??????????????的不同時(shí)隙 ????內(nèi)的不同的 OFDM符號(hào) ??的偽隨機(jī)序列種子都不一樣，及參考信號(hào)也不一樣 ，這里基于工程優(yōu)先實(shí)現(xiàn)功能默認(rèn) ?????????????? = 0；經(jīng)過簡(jiǎn)化，第 0 符號(hào)塊插入的導(dǎo)頻數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的偽隨機(jī)序列的初始種子： ?????????? = (214 +2)??????????????+213 +1 (320) 第 4 符號(hào)塊插入的導(dǎo)頻數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的偽隨機(jī)序列的初始種子： ?????????? = (210 ? 12+2)?????????????? +210 ?12+1 (321) LTE系統(tǒng)共有 504個(gè)物理層唯一小區(qū) 標(biāo)識(shí)，物理層小區(qū)標(biāo)識(shí)分為 168個(gè)物理層小區(qū)標(biāo)識(shí)組，每一組包含3 個(gè)唯一標(biāo)識(shí)符，物理層小區(qū)標(biāo)識(shí) ?????????????? = 3??????(1)+??????(2), 這里默認(rèn) ?????????????? = 0，則 0 符號(hào)塊的初始種子 : ?????????? = 8193(??) = 10_0000_0000_0001(??) (322) 4 符號(hào)塊的初始種子 : ?????????? = 12289(??) = 11_0000_0000_0001(??) (323) 進(jìn)而進(jìn)行 M 序列仿真得到導(dǎo)頻參數(shù) 。 正交振幅調(diào)制可以表示為： S(t)=???? cos???????????sin??????。、 M， M 為 ????和 ????的電平數(shù)。 圖 310 IQ 調(diào)制圖 圖 311 16QAM 星座圖 類似其他數(shù)字調(diào)制方式， QAM 信號(hào)可以用星座圖方便地表示。 16QAM,對(duì)應(yīng)有 3 種不同的幅度和 1