无线通信系统物理层的传输方案设计gtvh.docx

现代数字通信大作业（无线局局域网场场景）一、PBBL问题题二：试设计一一个完整整的无线线通信系系统物理理层的传传输方案案，要求求满足以以下指标标:1. DDataa raate ：544Mbpps, Pe<<=100-5 wwithh Ebb/N00 leess thaan 225dBB2. 220 MMHz banndwiidthh att 5 GHzz frrequuenccy bbandd3. CChannnell moodell ：设设系统工工作在室室内环境境，有44条径，无无多普勒勒频移，各各径的相相对时延延为：0 22 4 6，单单位为1100nns ，多多径系数数服从瑞瑞利衰落落，其功功率随时时延变化化呈指数数衰减：0 -8 -166 -224。请给出以以下结果果：A. 收收发机结结构框图图，主要要参数设设定B. 误误比特率率仿真曲曲线（可可假定理理想同步步与信道道估计）二、系统统选择及及设计设设计1、系统统要求20MHHz带宽宽实现55GHzz频带上上的无线线通信系系统；速率要求求: RR=544Mbpps；误码率要要求: Pe <=110 (-55)。2、方案案选取根据参数数的要求求，选择择8022.111a作为方案案的基准准，并在在此基础础上进行行一些改改进，使使实际的的系统达达到设计计要求。802.11aa中对于于数据速速率、调调制方式式、编码码码率及及OFDDM子载载波数目目的确定定如表 1 所所示。Dataa raate(Mbiits/s)ModuulattionnCodiing ratte(R)Codee biits perr suubcaarriier(NBPPSC)Codeed bbitss peer OOFDMM syymboolDataa biits perr OFFDM symmboll(NDPPSC)6BPSKK1/2148249BPSKK3/41483612QPSKK1/22964818QPSKK3/4296722416-QQAM1/24192963616-QQAM3/441921444864-QQAM2/362881925464-QQAM3/46288216表18002.111a定定义的数数据速率率、调制制方式、编编码码率率及OFFDM子子载波数数目的与时延扩扩展、保保护间隔隔、循环环前缀及及OFDDM符号号的持续续时间相相关的参参数如表表 2 所示。ParaametterValuueNSD:Nummberr off daata subbcarrriees48NSP:Nummberr off piilott suubcaarriies4NST:Nummberr off suubcaarriies,tottal52(NNSD+NSPP)F:SSubccarrrierr frrenqquenncy spaacinng0.31125MMZ(=20MMHz/64)TFFTT:IFFFT/FFTT peeriood3.2s(11/F)TPREEAMBBLE:PLCCP ppreaamblle dduraatioon16ss(TSSHORRT+TTLONNG)TSIGGNALL:Duurattionn off thhe SSIGNNAL BPSSK-OOFDMM syymbool4.0s(TTG1+TTFFTT)TG1:G1 durratiion0.8s(TTFFTT/4)TG2:G2 durratiion1.6s(TTFFTT/2)TSYMM:Syymbool iinteervaal4s(TG11+TFFFT)TSHOORT:Shoort traainiing seqquennce durratiion8s(10*TFFFT/44)TLONNG:LLongg trrainningg seequeencee duurattionn8s(TG22+2*TFFFT)表2 118022.111a定义义的与时时延扩展展、保护护间隔、循循环前缀缀及OFFDM符符号的持持续时间间相关的的参数参考标准准选择OOFDMM系统来来实现，具具体参数数的选择择如下述述。3、OFFDM简简介OFDMM的基本本原理是是将高速速信息数数据编码码后分配配到并行行的N个相互互正交的的子载波波上，每每个载波波上的调调制速率率很低(1/NN)，调调制符号号的持续续间隔远远大于信信道的时时间扩散散，从而而能够在在具有较较大失真真和突发发性脉冲冲干扰环环境下对对传输的的数字信信号提供供有效的的保护。OFDM系统对多径时延扩散不敏感，若信号占用带宽大于信道相干带宽，则产生频率选择性衰落。OFDM的频域编码和交织在分散并行的数据之间建立了联系，这样，由部分衰落或干扰而遭到破坏的数据，可以通过频率分量增强的部分的接收数据得以恢复，即实现频率分集。OFDMM克服了了FDMMA和TDMMA的大大多数问问题。OOFDMM把可用用信道分分成了许许多个窄窄带信号号。每个个子信道道的载波波都保持持正交，由由于他们们的频谱谱有1/2重叠叠，既不不需要像像FDMMA那样样多余的的开销，也也不存在在TDMMA 那那样的多多用户之之间的切切换开销销。过去的多多载波系系统，整整个带宽宽被分成成N个子信信道，子子信道之之间没有有交叠，为为了降低低子信道道之间的的干扰，频频带与频频带之间间采用了了保护间间隔，因因而使得得频谱利利用率降降低，为为了克服服这种频频带浪费费，OFFDM采采用了NN个交叠叠的子信信道，每每个子信信道的波波特率是是1/TT，子信信道的间间隔也是是1/TT，这时时各个子子载波之之间是正正交的，因因而在收收端无需需将频谱谱分离即即可接收收。由于于OFDDM允许许子载波波频谱混混叠，其其频谱效效率大大大提高，因因而是一一种高效效的调制制方式。OFDM的频谱如图1所示。图1 OOFDMM信号的的频谱示示意图可以证明明这种正正交的子子载波调调制可以以用IFFFT来来实现。需需要指出出的是OOFDMM既是一一种调制制技术，也也是一种种复用技技术。图图2给出了了OFDDM的系系统框图图，在系系统中调调制解调调是使用用FFTT和IFFFT来实实现的。图2 OOFDMM系统框框图3、参数数确定在OFDDM系统统设计中中，需要要折中考考虑各种种系统要要求，这这些需求求常常是是矛盾的的。通常常有3个个主要的的系统要要求需要要重点考考虑：系系统带宽宽W、业务数数据速率率R及多多径时延延扩展，包包括时延延扩展的的均方根根和最大大值。按照这这3个系系统参数数，设计计步骤可可分为33步。首先，确确定保护护时间。多多径时延延扩展直直接决定定了保护护时间的的大小。作为重要的设计准则,保护时间至少是多径时延扩展的均方根的2-4倍,即(2-4)。保护时间的取值依赖于系统的信道编码与调制类型。高阶调制（如64QAM）比低阶调制（如QPSK）对于ICI和ISI的干扰更加敏感。，而编码的纠错能力过目越强，越能降低这种对干扰的敏感特性。一旦保护护时间确确定，则则OFDDM的符符号周期期也就确确定就可可以确定定，其中中T表示示IFFFT的积积分时间间，其倒倒数就是是相邻载载波的间间隔，即即。为了了尽可能能地减小小由于保保护时间间造成的的信噪比比的损失失，一般般要求符符号周期期远大于于保护时时间。但但是，符符号持续续时间并并不是越越长越好好，因这这符号持持续时间间越长，则则意味着着需要的的子载波波数目越越多，相相邻子载载波机的的间隔就就会越小小，增加加了收发发信机的的实现复复杂度，并并且系统统对于相相位噪声声和频率率偏移更更加敏感感，还增增大了系系统的峰峰值-平平均功率率（PAAPR）。在实际系统设计中，OFDM符号周期至少是保护时间的5倍，这就意味着，由于引入了冗余时间，信噪比会损失1dB左右。确定了保保护时间间和符号号周期后后，就需需要在33dB的的带宽内内，决定定子载波波的数目目。一种方方法是直直接计算算，即。另另一种方方法是，载载波数目目可以根根据总数数据比特特速率除除以每个个子载波波承载的的比特速速率得到到。子载载波的比比特速率率与调制制类型、编编码码率率和符号号速率都都在关系系。本系系统采用用第二种种方法确确定子载载波的数数目具体的参参数如下下所示：参数设计计说明symbbol_numm = 100000发送的符符号数（number of symbols to be transmitted ）fp = 5e9中心频率率（ceentrral freequeencyy ）fc = 20e6抽样频率率（saampllingg frrequuenccy）Ts= 50ee-9抽样时间间（saampllingg tiime）T0= 2.44e-6dataa leengtth (=48*50ee-9)TP= 0.88e-6cycllic preefixx (=166*500e-99)TG = 0.8e-6totaal gguarrd ttimee (=116*550e-9T=T00+TPP+TGGOFDMM符号周周期40000nns：（满满足TPP/T=20%）A = 1ampllituude of thee reectaanguularr immpullse ressponnseN = 64numbber of carrrieers of thee OFFDM sysstemm1） 首先计算算信息量量。由RR达到554Mbbps可可以得到到每个OOFDMM块需要要承载的的信息量量为：54*11066*4*10(-99)=2166bitt2） 选择调制制方式。采用64QAM调制，一个子载波6bit则需要216/6 = 36个子载波。3） 编码。采采用3/4码率率的卷积积码编码码，所需需子载波波数目为为36/(3/4)=48个个。4） 计算传输输速率：R=(48*6bitt*3/4)/(40000*10(-99)=54Mbbps以上设计计满足系系统的要要求。三、系统统实现1、收发发机框图图根据上述述系统设设计，收收发机框框图设计计如下图图所示：图3收发发机框图图2、系统统模块接接口数据产生生：datta_ttrannsmiit=rranddintt(1,numm*syymbool_nnum);卷积码编编码：treel=ppolyy2trrelllis(3 3 33,7 77 0 4;33 2 7 44;0 2 33 7); datta_cconvv,fsstatte = cconvvencc(daata_traansmmit,treel);64QAAM调制制：datta_mmod=moddulaate(datta_cconvv);64QAAM解调调：datta_ddemood=ddemoodullatee(daata_fftt_pss);卷积码译译码： tbblenn = 3*110000; % Trraceebacck llenggthdataa_reeceiive = vvitddec(datta_vvitddec_in,treel,ttbleen,''truunc'','ssoftt',11)。3、程序序流程图图根据系统统设计和和收发机机框图，编编码实现现该系统统。程序序流程如如下图所所示：图4 程程序流程程图4、程序序清单（见附录）四、系统统仿真结果果及分析析1、644QAMM的星座座图：图5 16QQAM星星座图图6 64QAAM仿真真图2、经过过多径信信道的信信号波形形：图7 经过多多径信道道后的输输出波形形3、在多多径信道道中叠加加AGWWN后的的波形：图7 叠加AAGWNN后的输输出波形形4、均衡衡前：图8 均衡前前的波形形5、均衡衡后：图9 均衡后后的波形形均衡后各各点的幅幅度变化化范围在在-77，+77之间间，这与与星座点点取值(-7-7j,+7+77j)有有关。6、误比比特率曲曲线：图10误误比特率率误比特率率，利用转转换公式式，得到到。五、总结结1、系统统设计总总结根据Maatlaab程序序运行后后的仿真真结果，可可以得到到验证，即即：我们所设设计的OOFDMM系统可可以满足足系统设设计要求求：20MHHz带宽宽实现55GHzz频带上上的无线线通信系系统；速率要求求: RR=544Mbpps；误码率要要求: Pe <=110 (-55)。2、设计计中遇到到的问题题和解决决1）时域域均衡时时间的选选择由数字信信号处理理的理论论可知，只只有时域域的循环环卷积，才才等效为为频域的的线性相相乘。所所以，均均衡的位位置应该该在去CCP之后后，而不不能在一一开始就就进行频频域均衡衡，因为为一开始始不是循循环卷积积，不能能等效为为频域的的线性乘乘法。因此，频频域均衡衡位置应应该在去去CP之之后，FFFT正正好是去去CP之之后，所所以可以以在FFFT之后后进行频频域均衡衡。2）噪声声能量的的计算原原理文献所给给的Ebb/N00是指接接收端的信信噪比，加噪声要根据Eb的值算出对应的噪声。可以在经历框图的每一模块时，看其能量是否发生了变化，并将其归一化，保证系统是无源的系统，不会因此而影响输出结果。注意的是FFT和IFFT可以对输入它的信号能量进行改变，要进行一些处理。如信号进行IFFT之后的能量会减小为原来的1/N，要对其进行能量的计算，而FFT之后，信号的能量会增大为原来的N倍，也要进行能量计算，保证信号通过的都是无源的模块。OFDMM能否克克服样值值间干扰扰，样值值干扰与与ICIIOFDDM消除除干扰是是在频域域中进行行的，因因为循环环卷积就就等于频频域的线线性相乘乘，没有有收入干干扰。所所提这里里的样值值干扰是是指时域域上的干干扰，在在时域看看来是有有干扰的的，并不不能消除除它；在在频域看看来，各各个子载载波是独独立的，没没有相互互间的干干扰，即即没有IICI。OFDMM消除干干扰是在在频域中中进行的的，因为为循环卷卷积就等等于频域域的线性性相乘，没没有收入入干扰。所提这里的样值干扰是指时域上的干扰，在时域看来是有干扰的，并不能消除它；在频域看来，各个子载波是独立的，没有相互间的干扰，即没有ICI。因此，OOFDMM系统在在时域上上是有样样值干扰扰的，但但是在频频域上没没有ICCI的。附录1、 主程序：文件名：runn.m%-无线通通信系统统实现-% *% 一、系系统要求求：% *% 实实现200MHzz带宽55GHzz频带上上的无线线通信系系统% 满满足速率率要求: R=54MMbpss;% 误误码率要要求: 在 225dBB信噪比比条件下下,Pee <=10 (-5);%*% 二、参参数确定定：% *% ssymbbol_numm = 100000; % 发送的的符号数数% ffp = 5ee9; %中中心频率率% ffc = 200e6; % 抽样频频率% TTs = 500e-99 %抽抽样时间间% TT0 = 2.4e-6; % 数据长长度 (=48*50ee-9)% TTP = 0.8e-6; % cycclicc prrefiix (=116*550e-9)% TTG = 0.8e-6; % tottal guaard timme (=16*50ee-9)% TT=T00+TPP+TGG; % OFDDM符号号周期440000ns：（满足足TP/T=220%）% AA = 1; % ampplittudee off thhe rrecttanggulaar iimpuulsee reespoonsee% NN = 64; % nummberr off caarriierss off thhe OOFDMM syysteem% -% 由R达达到544Mbpps可以以得到每每个OFFDM块块需要承承载的信信息量为为：% 54*106*44*100(-9)=2166bitt，采用用64QQAM星星座映射射，% 一个载载波承载载6biit，仅仅需366个子载载波，采采用3/4 码码率，% 所需的的子载波波数为448.此此时可达达到的传传输速率率为% R=(48*6biit*33/4)/(440000*100(-9)=544Mbpps, 符合系系统要求求。% R=33/4; %编码码效率% *cleaar aall;closse aall;clc;dataa_caarriier_numm=488;carrrierr_nuum=664;R=3/4; %卷积积码的编编码效率率i1=00; % 中间间变量err_rattio=zerros(1,331);for EbNN0dBB=0:1:330 summ_xuu=0; forr looop=1:1100symbbol_numm=1000000; % 符号号个数 cpp_leen=116; % 循循环前缀缀长度 % 数据产产生 nuum=664*66*3/4; daata_traansmmit=ranndinnt(11,nuum*ssymbbol_numm);% 卷积积码编码码 trrel=polly2ttrellliss(33 3 3,7 7 00 4;3 22 7 4;00 2 3 77); ddataa_coonv,fsttatee = coonveenc(datta_ttrannsmiit,ttrell);% 采用用64QQAM调调制 daata_modd=moodullatiion(datta_cconvv);% 数据据经过IIFFTT变换dataa_iffft_in=resshappe(ddataa_mood,664,llenggth(datta_mmod)/644); daata_iffft_oout=iffft(ddataa_iffft_in); % 加CPP daata_cp=daata_iffft_oout(siize(datta_iifftt_ouut,11)-ccp_llen+1:eend),:);daata_iffft_oout; daata_ps=resshappe(ddataa_cpp,1,sizze(ddataa_cpp,1)*siize(datta_ccp,22); % 输出符符号能量量的归一一化 daata_ps=datta_pps.*8; Ess=1; Ebb=Ess*1/R*880/664*11/6; N00=Ebb./110(EbNN0dBB/100); siigmaa=sqqrt(N0/2); % % - 数据经经过信道道(doown)-% syymbool_iinpuut=ddataa_pss; % 每径时时延功率率【0 -8 -166 -224】ddB 转化成成功率值值 atttenn_poowerr = 1 0.115855 0.02551 00.00040; % 50nns样点点间隔 每径时时延【00 2000 4400 6000】nss 转转化成样样点数表表示 paath_dellay = 0 44 8 12; % 求信号号幅度衰衰减，并并归一化化总功率率 atttenn = sqrrt( attten_powwer ); atttenn = attten./sqqrt(summ(atttenn.*cconjj(atttenn); % 输出样样值序列列 ouutpuut = zeeross(1,lenngthh(syymbool_iinpuut)+ maax(ppathh_deelayy); h = zzeroos(11,maax(ppathh_deelayy)+11); foor kk = 1:llenggth(patth_ddelaay) ssignnal=symmboll_innputt.*aatteen(kk); ooutpput=outtputt+zzeroos(11,paath_dellay(k),siignaal,zzeroos(11,maax(ppathh_deelayy)-ppathh_deelayy(k); hh=h+zeeross(1,patth_ddelaay(kk),attten(k),zerros(1,mmax(patth_ddelaay)-patth_ddelaay(kk); ennd syymbool_ooutpput=outtputt; % %- 数据经经过信道道(upp)-% %-addd nooisee (ddownn)-% ouutpuut=ssymbbol_outtputt+siigmaa.*rranddn(11,leengtth(ssymbbol_outtputt)+i*ssigmma.*ranndn(1,llenggth(symmboll_ouutpuut); ouutpuut=ooutpput(1:llenggth(symmboll_innputt); %-aadd noiise (upp)-% % 去CPP teemp=resshappe(ooutpput,cp_lenn+caarriier_numm,leengtth(ooutpput)./(cp_lenn+caarriier_numm); daata_fftt_inn=teemp(cp_lenn+1:endd,:); % FFTT变换 daata_fftt_ouut=ffft(datta_ffft_in); %-频域域均衡(dowwn)-% h_t=h,zzeroos(11,caarriier_numm-leengtth(hh)' H=fftt(h_t); daata_ballancce=zzeroos(ssizee(daata_fftt_ouut); foor mm1=11:siize(datta_ffft_outt,2) ddataa_baalannce(:,mm1)=datta_ffft_outt(:,m1)./HH; ennd %-频频域均衡衡(upp)-% % 64QQAM解解调 daata_fftt_pss=reeshaape(datta_bbalaancee,1,sizze(ddataa_baalannce,1)*sizze(ddataa_baalannce,2); daata_fftt_pss=daata_fftt_pss./88; daata_demmod=demmoduulattionn(daata_fftt_pss); daata_vittdecc_inn=daata_demmod; % 卷积码码译码 tbblenn = 3*1100; % Traacebbackk leengtth daata_recceivve = viitdeec(ddataa_viitdeec_iin,ttrell,tbblenn,'ttrunnc','sooft'',1); %sofft ddeciisioon suum_xxu=ssum_xu+summ(abbs(ddataa_reeceiive-datta_ttrannsmiit); endd i1=i1+1; errr_raatioo(i11)=ssum_xu./(nnum*symmboll_nuum*lloopp);endsemiiloggy(00:1:30,errr_raatioo);holdd onn;semiiloggy(00:1:30,errr_raatioo,'*');gridd onn;2、函数数模块： 644QAMM调制函函数：文件名：moddulaatioon.mmfuncctioon mmod_outt=moodullatiion(modd_inn)if rrem(lenngthh(mood_iin),6)=0 %如果果输入二二进制序序列数不不是6的的倍数则则进行补补零操作作 modd_inn=zzeroos(11,6-remm(leengtth(mmod_in),6),mmod_in;endmod_outt=zeeross(1,lenngthh(mood_iin)/6);R=reeshaape(modd_inn,6,lenngthh(mood_iin)/6); %将将输入序序列变换换为行数数为6的的矩阵形形式B2D=bi22de(R','leeft-msbb')+1; %将将二进制制数转换换为十进进制数Tempp=-7-77*j -77-5*j -7-j -7-3*jj -7+77*j -77+5*j -7+j -7+3*jj. -5-7*jj -5-55*j -55-j -55-3*j -5+7*jj -5+55*j -55+j -55+3*j. -1-7*jj -1-55*j -11-j -11-3*j -1+7*jj -1+55*j -11+j -11+3*j. -3-7*jj -3-55*j -33-j -33-3*j -3+7*jj -3+55*j -33+j -33+3*j. 7-77*j 77-5*j 7-j 7-3*jj 7+77*j 77+5*j 7+j 7+3*jj. 5-77*j 55-5*j 5-j 5-3*jj 5+77*j 55+5*j 5+j 5+3*jj. 1-77*j 11-5*j 1-j 1-3*jj 1+77*j 11+5*j 1+j 1+3*jj. 3-77*j 33-5*j 3-j 3-3*jj 3+77*j 33+5*j 3+j 3+3*jj ./sqqrt(42); %星座映映射矩阵阵for i=11:leengtth(mmod_in)/6 modd_ouut(ii)=TTempp(B22D(ii);endscattterrploot(mmod_outt); %显示星星座映射射图64QQAM解解调函数数：文件名：demoodullatiion.mfuncctioon demmod_outt = demmoduulattionn(deemodd_inn)d=zeeross(644,leengtth(ddemood_iin);D=zeeross(644,leengtth(ddemood_iin);m=zeeross(1,lenngthh(deemodd_inn);tempp=-7-77*j -77-5*j -7-j -7-3*jj -7+77*j -77+5*j -7+j -7+3*jj. -5-7*jj -5-55*j -55-j -55-3*j -5+7*jj -5+55*j -55+j -55+3*j. -1-7*jj -1-55*j -11-j -11-3*j -1+7*jj -1+55*j -11+j -11+3*j. -3-7*jj -3-55*j -33-j -33-3*j -3+7*jj -3+55*j -33+j -33+3*j. 7-77*j 77-5*j 7-j 7-3*jj 7+77*j 77+5*j 7+j 7+3*jj. 5-77*j 55-5*j 5-j 5-3*jj 5+77*j 55+5*j 5+j 5+3*jj. 1-77*j 11-5*j 1-j 1-3*jj 1+77*j 11+5*j 1+j 1+3*jj. 3-77*j 33-5*j 3-j 3-3*jj 3+77*j 33+5*j 3+j 3+3*jj ./