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1、华中科技大学 硕士学位论文 基于MIMO-OFDM系统的收发信机设计与分析 姓名：何凌 申请学位级别：硕士 专业：电磁场与微波技术 指导教师：马洪 20060507 I 摘摘 要要 在未来的宽带无线通信系统中，存在两个严峻的挑战：多径衰落信道和低频谱 效率。正交频分复用(OFDM)通过在频域内将频率选择性多径衰落信道转换为平坦 信道， 减小了多径衰落的影响。 多入多出(MIMO)技术通过在空间产生相互独立的并 行无线信道，同时传输多路数据流，能有效地提高宽带无线通信系统的传输速率， 即在不增加系统带宽的情况下增加频谱效率。因而，在宽带无线通信系统中将 OFDM 和 MIMO 两种技术相结合，将
2、能够实现更高的频谱利用率和更高传输可靠 性。 本文介绍了当今无线通信的发展情况和一些极具发展潜力的新技术。在对 MIMO 技术的基本原理、 几种简单实用的发射分集和接收分集技术作简要介绍的基 础上，对接收分集技术中的最大比率接收合并方案进行了较详细地讨论，给出了此 方案的计算机仿真结果，并对仿真结果作了简要的分析。 基于 MIMO 系统的收发信机， 从射频硬件结构上说是一个多通道的射频收发信 机。在文中详细讨论了射频收发信机中的一些关键参数(如发射功率，噪声系数，接 收灵敏度等)，给出了这些参数的相关计算方法，分析了这些参数对宽带无线通信系 统的工作指标影响。另外，本文从射频电路设计的角度，着
3、重介绍了某基于 MIMO-OFDM 系统的射频接收机工作原理、组成结构、工作流程及实现方法。详细 讨论了射频接收机中的功率放大器、上/下变频器、低噪声放大器和 TDD 开关等关 键器件的设计方案。对接收机调试过程出现的问题进行详细的理论分析，并给出了 具体的解决方案。 最后，对收发信机的测试结果进行了简要理论分析，将测试结果与收发信机的 ADS 仿真结果进行了比较，从理论上分析存在差异的原因，对将来射频收发信机的 设计、改进提出了有益的建议。 关键字：关键字： 收发信机；MIMO；OFDM；无线通信 II Abstract In the coming wireless broadband co
4、mmunication system, there are two flinty challenges: multiple path fading channel and low spectrum efficiency. The technology of Orthogonal Frequency Division Multiplexing can convert the frequency selective multi-path fading channels to flat channels in frequency domain, and release the effect of m
5、ulti-path fading. The technology of Multiple Input Multiple Output can transit some data streams simultaneously by mutual non-correlative parallel wireless channels and increase the throughout of wireless broadband communication system efficiently, that is to say, it can manifold the spectrum effici
6、ency without increasing the system band. So higher spectrum efficiency and stronger transmission can be available by merging the technology of OFDM and MIMO. At first the thesis introduces the development situation of wireless communication nowadays and some new promising technology, describes the f
7、undament of MIMO technology, and gives a detailed presentation of some simple but practical technology about transmit diversity and receive diversity, does some theory simulation based on them, compares it with traditional technology of no diversity. A transceiver based on MIMO system is a multiple
8、channel radio frequency (RF) one from the point of RF hardware structure. Some key parameters, such as transmit power, noise figure, receive sensitivity, are discussed in the paper. It also shows the corresponding method how to calculate the parameters and analyzes how they affect the wireless commu
9、nication system. Then it emphasizes the work principle, composing structure, work flow, realization method and write up the design schemes of significant components, like the power amplifier, up/down convert mixer, low noise amplifier，TDD duplexer. The problems met in debugging transceivers are anal
10、yzed theoretically and the solutions are given. Finally, testing results about transceivers are analyzed briefly. The comparison and reason between the simulation of key specifications and the testing result is done. Some useful suggestions about design of future RF transceivers are presented. Key w
11、ords: Transceiver; MIMO; OFDM; wireless communication II 独创性声明 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留并向国家有关部门或
12、机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。 本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密，在_年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 1 1 引言引言 1.1 无线通信系统的发展历史与现状无线通信系统的发展历史与现状 移动通信可以说从无线电通信发明之日就产生了。1897 年，马可尼所完成的无 线通信试验就是在固定站与一艘拖船之间进行的，距离为 18 海里。 现代移动通信技术的发展
13、始于本世纪 20 年代，大致经历了五个发展阶段1-3。 第一阶段从本世纪 20 年代至 40 年代，为早期发展阶段。在这期间，首先在短 波几个频段上开发出专用移动通信系统，其代表是美国底特律市警察使用的车载无 线电系统。该系统工作频率为 2MHz，到 40 年代提高到 3040MHz 可以认为这个 阶段是现代移动通信的起步阶段，特点是专用系统开发，工作频率较低。 第二阶段从 40 年代中期至 60 年代初期。在此期间内，公用移动通信业务开始 问世。1946 年，根据美国联邦通信委员会(FCC)的计划，贝尔系统在圣路易斯城建 立了世界上第一个公用汽车电话网，称为“城市系统” 。当时使用三个频道，
14、间隔为 120kHz，通信方式为单工，随后西德(1950 年)、法国(1956 年)、英国(1959 年)等国 相继研制了公用移动电话系统。美国贝尔实验室完成了人工交换系统的接续问题。 这一阶段的特点是从专用移动网向公用移动网过渡， 接续方式为人工网的容量较小。 第三阶段从 60 年代中期至 70 年代中期。在此期间，美国推出了改进型移动电 话系统(1MTS)，使用 150MHz 和 450MHz 频段，采用大区制、中小容量，实现了无 线频道自动选择并能够自动接续到公用电话网。德国也推出了具有相同技术水平的 B 网。可以说，这一阶段是移动通信系统改进与完善的阶段，其特点是采用大区制、 中小容量
15、，使用 450MHz 频段，实现了自动选频与自动接续。 第四阶段从 70 年代中期至 80 年代中期。这是移动通信蓬勃发展时期。1978 年 底， 美国贝尔试验室研制成功先进移动电话系统(AMPS)， 建成了蜂窝状移动通信网， 大大提高了系统容量。1983 年，首次在芝加哥投入商用。同年 12 月，在华盛顿也 开始启用。之后，服务区域在美国逐渐扩大。到 1985 年 3 月已扩展到 47 个地区， 约 10 万移动用户。其它工业化国家也相继开发出蜂窝式公用移动通信网。日本于 1979 年推出 800MHz 汽车电话系统(HAMTS)，在东京、大阪、神户等地投入商用。 西德于 1984 年完成
16、C 网，频段为 450MHz。英国在 1985 年开发出全地址通信系统 2 (TACS)，首先在伦敦投入使用，以后覆盖了全国，频段为 900MHz。法国开发出 450 系统。加拿大推出 450MHz 移动电话系统 MTS。瑞典等北欧四国于 1980 年开发出 NMT450 移动通信网并投入使用，频段为 450MHz。 这一阶段的特点是蜂窝状移动通信网成为实用系统，并在世界各地迅速发展。 移动通信大发展的原因，除了用户要求迅猛增加这一主要推动力之外，还有几方面 技术进展所提供的条件。首先，微电子技术在这一时期得到长足发展，这使得通信 设备的小型化、微型化有了可能性，各种轻便电台被不断地推出。其次，提出并形 成了移动通信新体制。随着用户数量增加，大区制所能提供的容量很快饱和，这就 必须探索新体制。 在这方面最重要的突破是贝尔试验室在 70 年代提出的蜂窝网的概 念。蜂窝网，即所谓小区制，由于实现了频率复用，大大提高了系统容量。可以说， 蜂窝概念真正解决了公用移动通信系统要求容量大与频率资源有限的矛盾。第三方 面进展
