tdd通信系统中的信号设计、同步及数据恢复算法的研究

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1、南开大学 硕士学位论文 TDD通信系统中的信号设计、同步及数据恢复算法的研究 姓名：王琳 申请学位级别：硕士 专业：通信与信息系统 指导教师：吴岳 20030501 摘要 本文介绍一个无线T D D - - T I ) M A 的通信系统的信号设计方案，对系统中发 送端和接收端的信号处理方法进行阐述，其中包括信道的编解码、同步扶测试序 列豹选撵、发送端熟萋赘信号调制、接收端嗣步靛获取和数据麓恢复，劳详细分 析了无线数字通信中，一种突发数据流快速安琥位同步和帧简步的方法。在论文 中，酋先简单介绍了这种方法的理论，然后使用通信仿真软件S y s t e m v i e w 进行 仿真验证，最后缝用

2、一耪M C U - P I C l 8 C x 5 2 进行编程的其锩实现。整个系统的 基带信号的处理都是通过对P I C l8 C x 5 2 单片枕的编程来实现的，这体现了软件 无线电的思想。文中还对整个系缆的性能进行分析，结果袭明系统在通储环境很 恶劣熟条 孛下哥以保持弱步，芳臻有较好的误鹤率性能。 关键字：T D D ( 时分双工) 、软件无线电、T D M A 、维特比铎法、同步、单片机 A b s t r a c t T h ew h o l es y s t e mi saT D D T D M Aw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns

3、 y s t e m M yt h e s i s f o c u s e sO i lt h em e t h o do ft h eb a s e - b a n ds i g n a lp r o c e s s i n go ft h ew h o l es y s t e m I t i n c l u d e st h ec h a n n e lc o d i n ga n dd e c o d i n g ，t h es e l e c t i o no f t h es o u n d i n gs e q u e n c e ，t h e b a s e - b a n d

4、p u l s em o d u l a t i o n ，t h ea c q u i s i t i o no ft h es y n c h r o n i z a t i o na n dt h em e t h o do f d a t ar e c o v e r y I nt h i st h e s i s ，an e wm e t h o dt oq u i c k l ya t t a i nb i ts y n c h r o n i z a t i o na n d f r a m es y n c h r o n i z a t i o nf r o mt h eb

5、u r s ts i g n a lh a sb e e nd i s c u s s e di nd e t a i l 。F i r s t l y , t h e t h e o r yo ft h i sm e t h o di si n t r o d u c e d 。t h e nt h es i m u l a t i o no f t h ew h o l es y s t e mi sc a r r i e d o u tw i t ht h e S y s t e mV i e w ”，f i n a l b a l lt h eb a s e b a n ds i g

6、n a lp r o c e s s i n gi sr e a l i z e di n s o f t w a r eO i lt h eM C U P I C l 8 C x 5 2S ot h e r ei sav a l u a b l ea t t e m p tO i lt h es o f t w a r e r a d i o ：T h e r ei sa l s oad i s c u s s i o no ft h ep r o p e r t yo ft h ew h o l es y s t e mi nt h i st h e s i s I t t u r n e

7、 do u tt h a te v e ni nt h eb a dc o m m u n i c a t i o nc o n d i t i o n s ，t h ef r a m es y n c h r o n i z a t i o n a n db i ts y n c h r o n i z a t i o nC a nb ea t t a i n e da n dt l l el o wb i te r r o rr a t i oC a nb er e a l i z e d K e yW o r d s ：T D D ，S o f t w a r eR a d i o ，T

8、 D M A ，V i t e r b iA l g o r i t h m ，S y n c h r o n i z a t i o n ， M C U 南搿犬学颈士学位论文 第一章概述 遇信分为单工、半双王和双：卜三种方式。所谓单工传输方式即信息总是从一 方传向努方，不可以宓现双向传输信息。所谓半双工的传输方式，双方虽可以 在嚣令方蠢上传羲信怠，壤鼹令方舞上懿偿慧传簸不戆同瓣避嚣。瑟疆硬王瓣逶 信方式，邵通信双方可瞬间嚣于在两个方向上传输信息。双工方式通常有两种：F D D ( 频分双工) 和T D D ( 时分双工) 。F D D 使用前向和反向两个信道，将双向传输 信息溉于不同的频带进

9、行传输。T D D 收发聚用同一个频率，将双向传输信号置 子要不霪叠的对隙中避程传送。 在第三伐无线逶倍椽准的裁定过程孛，灏际上第一次嵩发黧视T D D 方式， 在C D M A 和T D M A 中都制定了1 I ) D 标准。与F D D 相比，T D D 的主要优势在 于：1 ) T D D 能使用各种频率资源，不需要成对的频率：2 ) T D D 遥用于不对称 的上下幸亍数据传输速率，特别适剧于数据业务；3 ) T D D 上下行工作于网一频率， 对称瓣毫渡传羧薅嬖毫整之矮予捷瑁诸蘩餐撩天线等囊菝术，这翻撬燕洼筵、海低 成本的目的。因为在T D D 系统中，相邻基站的收发时隙不能交叉，

10、所以，在这 种邋信系统中，突发数据流( B u l _ s t ) 的同步技术是一项十分关键的技术。 随赣通信技术迅速地从模拟通信过渡到数字通信，现代无线系统越来越多地 使爝软 譬亲实凌罄分或熬侮懿功缱，正囊软传无线电过渡。欲传无线龟是寒来无 线电技术的发震方向，它以数字信号处理技术为核心技术，警旋构造一个具有开 放性标准化模块化的通用硬件平台，将通信系统的各种功能用软件来实现，并 使高速宽带的A D D A 尽缀靠近天线。也即猩发送端，波形是这样产生的：采样 后的数字信号，经过一个宽繁D A C 实现扶数字到模 彗l 躲转换，然蕊从西转换到 R F ；在续渡祝蕊，蓄先缀进下变颓获R F 转换

11、弱瑾，熬焉使溪一个宽蒂的模熬到 数字的转换器( A D C ) ，取出信号。本系统的基带信号处理是猩M i c r o c h i p 公司 的P I C l 8 C x 5 2 单片机一t 通过软什来实现的，与用硬件电路实现对比。整个系统 设计越来比较灵活，调试墩变得简单。 P I C l 8 C x 5 2 系到肇片奉韪跫一季孛裹淫蕤鹣R I S C 巍入式e 戡，它其寿摄多裁 D S P 柒似的性能，但蹙价格相对比较低廉，能满足本系统性价玩的要求。 如前所述，因为本系统是一个T D D 的溉线通信系统，所以论文中突出分析 了获敬同步的方法。一帧中的每一个时隙都锶禽具有良好自相关性能的测试

12、序列 南开大学硕士学位论文 ( s o u n d i n gs e q u e n c e ) ，根据这一特性，在接收端用匹配滤波器进行接收，由滤波 器的输出便可以估计出接收端时钟和接收到的数据流的时钟之间的偏差，即获取 了位同步的信息。同时还可以确定每一帧中数据的起始位置，即帧同步信息。论 文中，详细叙述了这种方法的基本原理，并给出了仿真结果和程序的具体实现。 通过实践检验，这种方法能够保证本系统的正常进行。 本论文的结构如下： 第二章介绍系统的基本结构，包括小区结构和帧结构。 第三章介绍系统发送端和接收端信号处理方法的相关理论和仿真验证。 第四章介绍系统性能分析。 第五章介绍P I C

13、单片机的基本知识及信号处理方法的具体实现。 癣弹走学硬士学位论文 第二章系统的基本结构 2 1 总述 本系统是一个T D D - - T D M A 的无线逶信系统。它实现瓣一个i 盎霉所有油井 状怒簸测的功戆，整个系统分为蔓缀，由一个中心菇、若二 个二缀链帮每个二缓 站所麓辖的若干个分站缀成。结构框图如图2 一l 所示： 中心 分站 分站 势站 分站 分站 分站 癸菇 耱菇 分站 图2 - - 1 系统框图 中心站是整个系统的核心，它的主要功髓包括瘸期性遮在每一蛟懿第一时隙 发遴包含霜步售惠懿J | 芋麓戳同步系统痰瓣掰裔二级繁纛努站；凌麓二露豫发送需 要猩异常时隙报警的二级站或分站的地址；

14、张其它时隙接收各个二级站的上行信 息；与后端计算机进行状态的通信等。中心站在每帧的每一个时隙内都要进行复 杂的数据处理，故其实时性要求皓常高。 二缀站在整个系统中突当中继、转接懿穆鼷，穗当予墓蘩静凌筏。宅鼙终笼 一个酱遇的分站，又监测辫它所在小区中若干个分站的状态。熊擞耍功能是：对 应中心站的发送时隙，接收包含同步信息的序列，实现其自身的同步和时钟恢复； 对应分站的发送时隙，接收分站发送的状态信息；对应自身的发邀时隙向中心站 发送包含基身或者其鼹在蝾窝悫兮站状态的僚怠。 分站楚系统中最基本鹣单元，它主要负爨在每一串寅鼹第一辩隙，接收中心站 发送的包含同步信息的序列，以获得同步：对应自身的发送时

15、隙，向所在蜂窝内 的二级站发送自身状态信息；检测油井状态。分站的处理相对简单。 分瓣和二级站之间的距离通常比较近，磷中心站和二级站之阅的距离较远。 南开大学硕士学位论文 这里简单介绍一下小区的结构，以及通信的协议和帧结构，为下面详细介绍整个 系统的基带信号处理提供基础。 2 2 小区的结构及帧结构 每个二级站和它管理的所有分站构成一个蜂窝，七个蜂窝构成一个小区。每 个蜂窝对应一帧中的两个时隙( 工| j 常和异常时隙) ，每个小区对应复帧中的一帧。 系统中以小区为单位，实现时隙的复用，如图2 2 所示： 图2 2蜂窝和小区的结构示意图 系统的帧结构如图2 3 所示： 图2 - - 3 帧结构示

16、意图 一个复帧由6 4 帧组成，分别编号为0 6 3 ( 即帧号) ，第1 5 、3 l 、4 7 、6 3 帧作为二级站相互之间的检测，其余每二帧对应一个小区。一帧由1 6 个时隙组 成，分为正常时隙和异常时隙两类。其中第一个正常时隙( I ) 和第一个异常时 隙( i ) 为中心站的发送时隙，其余的时隙为中心站的接收时隙。所以发送和接 收在时间上是分开的，体现了时分双工的特点。 每一个时隙由同步头( s o u n d i n gs e q u e n c e ) 、数据起始位“0 0 ”和数据报 4 南开大学硕士学位论文 组成。每一帧的第一时隙( I ) 包含3 8 比特长的同步头，后面的( I I 试) 时 隙，每一时隙包含2 2 比特长的刚步头。整个系统是一个同步的通信系统，为了 避免干扰，所有二级站和分站都只有在对应的时隙才可进行发送( 帧号符合、时 隙符合) 。在下行链路时隙，中心站通过发送“s o u n d i n gs e q u e n c e ”同步所有的 二级站和分站。在上