宽带MIMO-OFDM接收机定时同步方案与实现

发布时间：2020-03-22 14:18

【摘要】：随着移动通信应用场景愈加丰富,人们对通信质量与速率的要求越来越高。多输入多输出-正交频分复用(Multiple Input Multiple Output-Orthogonal Frequency Division Multiplexing,MIMO-OFDM)技术,利用多天线的分集与复用可以显著提高信道容量,有着频谱利用率高、传输速率快、调制方式灵活等诸多优点,在即将到来的第五代移动通信技术(Fifth Generation,5G)中将作为最主要的传输技术服务于用户。对于搭载MIMO-OFDM技术的通信系统,接收数据的同步与恢复是决定系统性能的关键。本文针对提高系统接收机在复杂信道下的性能,重点研究了定时同步算法以及频偏恢复控制方案,主要包括以下几个部分:首先,对课题研究背景进行介绍,并总结了国内外定时同步算法的研究与发展。研究了MIMO-OFDM系统接收机同步的类型,分为符号定时同步、采样钟同步以及频率同步三大类,其中符号定时同步与采样钟同步构成定时同步。分别分析了三类同步误差对系统性能产生的影响,并介绍了接收机同步的系统模型。根据估计误差的逻辑关系给出了接收机定时同步的系统模型与总体实现方案,并拟定了系统同步从MATLAB到FPGA的验证方案。其次,对定时同步方案的实现算法进行了深入研究。针对符号定时同步算法。介绍了联合最大似然估计(Joint Maximum Likelihood,ML)、ML改进算法以及多点集相关(Multiple Point Set Correlation,MPSC)等几种经典算法。使用MATLAB对恶劣信道下的同步估计进行建模,通过仿真比较了各个算法的优缺点,最后针对MPSC算法的实现方式做出了一些改进。针对采样钟定时同步算法,给出了两类通用的采样钟定时同步实现模型。详细介绍了非同步采样钟恢复方案,该方案的主体是一个Farrow结构的内插滤波器,通过对高倍采样数据进行内插来恢复原始数据。对其进行MATLAB仿真后,验证了采样钟定时的性能。最后,给出了一个通用型MIMO-OFDM收发系统的实现结构。根据前述的理论与算法,设计了系统接收机的整体定时同步方案,包括粗符号定时同步、采样钟定时同步以及频偏控制与恢复三大部分。基于FPGA分别设计了三个部分的硬件实现总体结构及其各个子模块的实现结构。同时,联合射频捷变收发芯片AD9361设计了数据的射频接口模块,完善了收发系统并给出整体同步方案在FPGA中的资源占用率。最终将整体MIMO-OFDM系统硬件程序下载到FPGA中,结合MATLAB对同步处理后的数据进行了分析,验证了接收端同步的性能算法以及硬件实现结构的可靠性。
【图文】：

图4.18和图4.19中信号对应关系的时序应满足：最小时钟宽度应大于16.276ns 、P 0 _D 和 P1 _D 信号与其对应的 FRAME 指示信号应对齐、 比 DATA _CLK 最大延迟1.5ns、时钟采样建立时间 1setupt ns、保持时间大于 0ns 。4.3.3 射频部分硬件实现根据前两个小节的基础描述，可以设计出 FPGA 控制 AD9361 的硬件实现模块。模块主要包括四个部分：锁相环、寄存器配置、数据发射以及数据接收。射频模块的整体电路设计如图 4.20 所示。

frame_p 输入 1 AD9361 接口 RX_p0_d 输入 12 AD9361 接口 PNABLE 输入 1 ENSM 状态机控制_out_re1 输出 12 输出第一路数据_out_im1 输出 12 输出第一路数据_out_re2 输出 12 输出第二路数据_out_im3 输出 12 输出第二路数据综合测试将根据 MATLAB 仿真以及实际信道传输情况来分析 4.2 节所述系性。方案使用 Altera 公司的 QuartusII 软件编写 Verilog 代码，FPG 系列的 EP2S130F1020I4 芯片，选用外部晶振频率为18.285714 MHz体电路系统如图 4.23 所示。
【学位授予单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN929.5;TN850

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本文编号：2595160