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1、沈阳航空航天大学电子信息工程学院毕业设计（外文翻译）基于快速MIMO-OFDM（多输入多输出正交频分复用）无线电定义系统的原型设计（原文出处Amit Gupta, Antonio Forenza, 和Robert W. Heath Jr.无线网络和通信集团电子与计算机工程部门,美国德州大学奥斯丁分校）摘要：MIMO(Multiple input-multiple output)即多输入多输出技术，对未来无线系统是一个很有吸引力的技术。MIMO通信,能够使用多种传输和多接收天线, 被称为其高频谱效率以及其对衰落和干扰的鲁棒性。结合MIMO与正交频分复用（OFDM：Orthogonal Frequ
2、ency Division Multiplexing） ，它是可以显着降低OFDM接收机的复杂度，大大简化了接收机均衡。mimo ofdm是目前正在考虑的许多发展中无线网络标准,因此,对现实可行MIMOOFDM环境的研究是很重要的。本文描述了一个为原型设计的MIMO-OFDM系统使用一个灵活的方法软件无线电（Software Defined Radio）系统架构结合商用硬件。强调软件允许一个专注于算法和系统设计事务而不是实施和硬件配置。对于灵活性的损失,不过就是易用性损害了整体吞吐量。为了说明提出的结构的优势,MIMOOFDM系统应用原型并初步给出了MIMO信道测量。提供一个硬件的详细描述连同
3、下载软件的复制系统。引言 多输入多输出(MIMO)无线系统使用多个传输和接收天线来提高性能和提供鲁棒性衰落1。为了得到这些在宽带通道广泛的频率选择性的优点, MIMO通信链路需要复杂的时空均衡器。然而,通过正交频分复用(OFDM)技术可以减少MIMO系统的复杂性。 OFDM是一种大大地简化了均衡接收器很有吸引力的数字调制技术。通过OFDM技术，在并行传输过N正交音频调制信号是可行的。这将宽带频率选择性通道转变为N宽带频率选择性信道。目前OFDM技术应用在许多无线数字通信系统，例如IEEE 802.11a/g2、3标准的无线局域网络(WLANs)。MIMO-OFDM技术是在这个过程中由IEEE技
4、术小组的802.11n规范4 ，并有望成为第四代的一个强有力的候选人（4G）无线通信系统5。 MIMOOFDM通信背后的理论继续发展，使发展可以评估这些理论在现实世界中信道条件的原型变得越来越重要。在过去的几年中，已经开发了大量的MIMO-OFDM的原型 6 - 12。利用FPGA或DSP来实现 ，需要的大量低层次的编程和定点实施。当要实现高速率时，这是首选的解决方案；但是，由于这些系统平台不容易重构，阻碍了该平台的灵活性。因此对许多不同的空时编码方案或接收器的设计进行试验时，更灵活的解决方案可能会被优先考虑。 在本文中，我们提出了一种基于软件定义的无线电（SDR）范例的MIMO-OFDM系统
5、架构。 这种方法的优点在于用户不需要有深入的硬件知识，就可以通过简单地重新配置该软件来实现大量的的不同方案。该平台采用美国国家仪器的无线电射频（RF）硬件与LabVIEW结合图形化编程语言。有了这个架构，在一个高层次程序设计语言的定义和模拟系统和对硬件实现代码的无缝应用，大大降低了系统原型中所涉及的时间。与6 - 12相比，我们的原型平台可以很容易集包括商业、硬件和公开可用的软件为一体。通过作者提及用户购买的来自NI的射频硬件和下载可用的MIMO随着开发的原型代码的软件工具（参考13 ，14 ），可以实现我们在本文中讨论的相同的快速的原型优势。 目前原型实现的灵活性受到一些硬件的限制，如防止全
6、面实时传输无线链路的带宽PCI总线，和使我们使用有线同步通道缺乏完整的同步算法软件的限制。在这方面的贡献的精神，是总结我们方法和描述我们的第一个努力朝验证和通道测量方向的一个完整的MIMO-OFDM系统平台设计的发展历程。更多的工作需要进行调查，克服局限性和扩大我们最初的设计。OFDM调制器信号流OFDM均衡器OFDM解调器OFDM解调器OFDM调制器空间复用本文是有组织的如下。第二部分探讨MIMOOFDM信号模型系统和具体MIMOOFDM实现。 第三部分论述了具体的硬件和软件平台。第四部分初步结果显示从我们的系统实施在和通道测量的室内环境。II. MIMOOFDM实现在本节的内容中,我们回顾
7、了MIMOOFDM信号模型，然后描述具体的MIMOOFDM系统的实现。A MIMOOFDM信号模型 在一个MIMOOFDM系统(见参考文献8)当复杂的时空频率过程被用来接收时，MIMO空间时间代码可以结合OFDM调制发射机。为了简单起见解释,我们考虑空间复用图1说明,尽管它很明显也是其他传输技术可实现的方法。 在与MT发射天线的MIMO-OFDM系统和MR接收天线中,采样信号接收器(在FFT和去除循环前缀)的空间MIMO系统复用OFDM符号周期n和音调k可以由下面的公示表示(假设完美的线性度、时机、同步)1。 (1) 在MIMOOFDM系统的均衡可以通过不同的程序来实现,如迫零均衡器,最小均方
8、误差均衡器,V-BLAST连续性取消均衡器,球面解码器,和最大似然解码器(见文献1介绍的概述)。我们目前实行迫零均衡器的模型中,所提出的结构的灵活性让我们可以实现更复杂的均衡策略的模型。B系统实现和规格 如图1所示，第一个用两个传输和两个接收天线实现的空间复用。其他MIMO方案已经在LabVIEW 的MIMO工具包14中,我们打算以此来在将来实现其他空间频率码。 系统的规格列于表I，在实现我们的MIMO OFDM中,64位的OFDM使用超过一个16兆赫兹的带宽。循环前缀为16样品长。这相当于一个持续时间为5s的OFDM符号,1s的保护间隔和一个4s的数据部分。我们在200ms的数据包中传输OF
9、DM符号。这200毫秒是由硬件中作为记忆在接收器阻止时间约束采集的内存所决定的。该系统配备可调的载波频率。我们选择运行在2.4兆赫,载波频率用于WLANs2、3。各种调制方案是(BPSK,QPSK、16-QAM, 64-QAM)随可选的卷积编码是可行的。 信道估计是通过定期传输一个OFDM信号。在软件中，训练符号的发送频率可以通过编程改变,并取决于预期的变化频道。通过试用信号的接收器的估计,经传输天线发送整个正交音频。然后,我们使用音频的线性插值充分估计信道的频率响应特性。一旦我们有一个信道估计,这些数据可由MIMO迫零线性接收机进行解调。 由于空间的限制,在这我们不提供用于模型算法信道估计的
10、分析数据。表I发射天线数目2接收天线数目2载波频率2.4GHz带宽16MHz音频数目64载波间隔25kHzOFDM信号的持续时间5us保护间隔持续1usOFDM数据时间4us循环前缀长度16样本MIMO方案空间复用包长200ms 图.2 国家仪器RF硬件照片 目前，我们正在尝试避免发射机和接收机的时钟一致的载波同步问题，此外，为了避免时钟问题，当数据传输开始的时候，我们发送从发射到接收的触发信号。软件同步问题正在研究并包含于将之后中。 当我们遵循模型的SDR方式，会有许多可调整编程的系统参数。由一个SDR的MIMOOFDM模型灵活性变得清晰，在之后的部分，我们提出了一个原型平台的详细描述。II
11、I. 原型平台A. 硬件描述 如图2所示，NI（National Instruments）的射频硬件是我们模型的基础。这个硬件来自对仪器的PCI扩展（类似于工业设计的PCI）。每一对发射器和接收器安置在分开PXI机箱。每一个PXI机箱通过连接PCI总线的PXI硬件的PCI桥连接到PC。每台PC机配有双2.8兆赫处理器和2 Gb的内存。硬件的规格是列在表二。表II硬件规格发射机任意波形发生器PXI5421每秒100万样本16位分辨率43MHz的带宽变频器PXI5610250KHz2.7GHz的载波13db的范围数字化仪PXI5620接收机每秒64万样本14位的分辨率300MHz的带宽下变频器PX
12、I56009KHz2.7GHz的带宽200MHz的实时带宽 每个传输单元称为RF（Radio Frequency）信号发生器,包括两个部分。第一个是任意波形发生器(ARB)。ARB充当数字模拟转换器(DAC-Digital to Analog Converter)，它最大工作在16位分辨率的10M样本/秒。ARB有256 MB的缓存,因此硬件可以通过循环缓冲区来提供连续传输。当传递复杂的数据时，在信号发送到RF的上变频器之前， ARB的本身上变频到25MHz （IF可以编程改变）的中频信号（IF）。上变频器可以调节2.7GHz载波频率的信号使带宽高达20MHz和最大为13dBm的功率。当变频器
13、有一个用来时钟同步的输入时，ARB有一个可供定时同步的触发线。 接收器也包括两个单元:一个数字转换器和一个射频下变频器。 下变频器从天线提取射频信号，并使它的下变频达到15MHz的IF频率，然后把它发给数字转换器(A / D)。像上变频一样，下变频可以使信号频率上升到2.7兆赫。下变频可以一次性处理20MHz带宽的数据包。具有14位分辨率的数字转换器最大运行采样率为64M /秒。它配备了一个64 MB的缓存。在软件上进行IF解调，这个数字转换器会采集IF波形并把它发送到PC。随PCI总线速率限制的软件解调防止连续工作最大带宽。当降低低于1.25MHz的带宽时，使用占空比(每个周期只传输一小部分
14、)允许我们来传输使用最大带宽，并允许我们支持连续信号流。 为了扩大原型的使用范围，我们在接收器里使用了ZQL - 2700 - MLNW放大器(低噪声放大器)。我们从链路运算方程15导出了放大器增益 PR = PT + GT + GR PL Lc + GLNA （3） 另外,因为时间和时序同步,我们发现我们需要一个3路功率分配器，每个信号从发射和接收组件互发。这分配器将会被全开环同步实现代替。B 软件描述 RF硬件可以通过国家仪器的数据编程环境很容易进行配置。LabVIEW是一个以数据流为基础的图形化编程语言。硬件可以在其他语言中进行编程,然而, LabVIEW提供给用户简单的编程和快速成型能力。我们在LabVIEW中开始创建一个MIMOOFDM系统的仿真。为了这个目的，我们的研究团队创造了一个公开的可以从14下载的LabVIEW的MIMO工具包。这个工具包包括积木模拟各种MIMO方案以及完全来自基带调制和解码器的系统仿真功能。随着其他常见的MIMO方案和支持仿真的功能，目前包含在工具包的该MIMO方案是空间复用,Alamouti编码、线性色散编码、梳状编码。 模拟完成后,下一阶段我们的原型过程是真正的硬件编程。随着LabVIEW仿真的完成,过渡硬件编程是很简单的书面代码仿真，然后可以应用于系统仿真与硬件。许多的低层次的硬件问题被避免是因为通过使用LabVIE
