《802.11a物理层设计-讲稿A》由会员分享，可在线阅读，更多相关《802.11a物理层设计-讲稿A（52页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、IEEE802.11a物理层算法的设计与 FPGA实现吴皓威重庆大学通信与测控中心2010年4月课题的研究意义一、IEEE802.11a OFDM物理层参数二、 同步误差对OFDM系统的影响三、系统结构以及PHY基带处理模块四、 OFDM同步算法与性能五 、 OFDM同步系统设计与实现OFDM PPDU帧结构：时间参数一、IEEE802.11a OFDM物理层参数速率参数OFDM Traning Structure：一、IEEE802.11a OFDM物理层参数训练序列波形：训练序列频域信息：OFDM符号内导频的插入结构：一、IEEE802.11a OFDM物理层参数OFDM信号基带频谱：载波
2、同步采样同步符号定时同步同步误差分类：二、 同步误差对OFDM系统的影响采样定时偏差时的OFDM解调信号(Nl=lNOFDM+Ng)：,采样频率偏差综合考虑载波频率偏差,载波相位偏差,符号定时偏差,二、 同步误差对OFDM系统的影响同步误差类型影 响载波频率偏差产生相位旋转，且相位旋转量与OFDM符号序号l有关； 使接收信号幅度衰减，带来信噪比损失，小数频偏会破 会子载波之间的正交性，导致ICI。载波相位偏差仅产生相位旋转。符号定时偏差仅产生与OFDM符号内子载波序号k有关的相位旋转。采样定时偏差可等效为小数倍的符号定时偏差，产生的影响与符号定 时偏差相同，可将两者进行联合估计。采样频率偏差产
3、生相位旋转，且相位旋转量与l和k均有关，具有积累效 应；会带来信噪比损失，但一般都很小，在突发OFDM 系统中，如果分组长度较短，对于低阶调制，其影响甚 至可以忽略。二、 同步误差对OFDM系统的影响（续 ）三、系统结构以及PHY基带处理模块系统结构PHY基带发送处理模块PHY基带接收处理模块4.1 帧检测 4.2 时域符号定时估计 4.3 频域符号定时估计 4.4 时域载波同步 4.5 频域载波同步 4.6 采样同步四、 OFDM同步算法与性能4.1 帧检测 简单能量检测： 滑动求和能量检测： 延迟自相关算法：典型的帧检测算法：4.1 帧检测延迟自相关检测结构：部分信号输出：4.2 时域符号
4、定时估计时域互相关算法算法原理：短训练序列相关长训练序列相关为节约硬件资源，可对本地存储的训练序列进行“一比特”量化。4.2 时域符号定时估计最大似然算法算法原理：相邻N点相关：接收信号能量：4.2 时域符号定时估计算法比较可以看出，对于训练序列的互相关算法，累加深度越长，频偏和信道 衰落对相关峰值的影响越大 ，ML算法因为前后相关有效的消除了频偏和 信道衰落对相关值的影响，但多径传播会使得CP相关性降低，从而降低定 时估计性能。不同信道环境下的时域符号定时估计性能：AWGN信道AWGN信道， CFO=1.254.3 频域符号定时估计基于频域导频载波Eb/N0=10dB,归一化定时偏差为-2.
5、25时各OFDM中导频载波处的残余相位。可以看出，定时偏差引入的相位旋转仅与OFDM符号内的载波序号k有关，对各个 符号的影响相同。算法原理：估计输出：估计范围：如果使用21号导频进行估计，可估计范围为1.52以内，若使用7号导 频进行估计，估计范围为4.57，不能满足实际系统的需要！为了扩大算法的估计算法，可对导频处的残余相位进行超过处理：4.3 频域符号定时估计基于频域导频载波4.3 频域符号定时估计基于频域长训练序列与本地已知的序列相比：定时偏差估计与补偿结构：接收的频域长前导符号：4.3 频域符号定时估计算法比较N=64, 超前定 时3.25个基带 样点，AWGN 信道时估计的 绝对误
6、差性能 。N=64, Eb/N0=15dB, AWGN信道 时的估计与 补偿后的 SER性能。AWGN信 道下性能 对比衰落信道 下性能对 比4.4 时域载波同步基于训练符号的时域相关训练序列的延迟自相关可实现时频联合估计：估计输出：估计范围：短训练序列：625kHz，长训练序列：156.25kHz。4.4 时域载波同步最大似然算法ML算法中的相邻N点相关Rn可以对CFO进行估计：估计输出为：，估计范围为156.25kHz。Eb/N0=15dB, CFO=0.3时的估计效果4.4 时域载波同步算法比较时域载波同步算法的估计性能对比：可以看出，基于训练序列的估计算法具有相对更好的估计性能。且在
7、Eb/N05dB时，长-短训练序列级联结构的时域估计绝对误差小于2.5kHz。MSE绝对误差4.5 频域载波同步基于导频载波Eb/N0=20dB,归一化CFO=0.1时OFDM符号内各导频处的残余相位:可以看出，载波频偏引入的相位旋转仅与OFDM的符号序号l有关。相邻OFDM符号内第k个子载波出的导频数据为：通过相邻OFDM符号中同一位置处的导频可对CFO进行估计：估计输出：估计范围：4.5 频域载波同步残余相位跟踪将接收导频域本地已知导频共轭相乘，可以获取对应导频处的相位旋转：若信道估计准确，则：残余相位的估计输出为：Eb/N0=20dB,CFO=0.024.5 频域载波同步算法比较时域残余
8、频偏为0.02时QPSK和16QAM调制的SER性能：16QAMQPSK时域残余频偏为0.2时QPSK和16QAM调制的SER性能：16QAMQPSK4.6 采样同步EbN0=20dB, 归一化采样频偏为400ppm时OFDM符号内各导频处的残余相 位：采样频偏引入的相位旋转与帧内OFDM的符号序号l以及符号内的子载波序 号k均有关。 相邻OFDM符号间同一位置处导频载波间相位作差： 同一OFDM符号内相邻导频载波间相位作差：估计输出：4.6 采样同步性能分析由算法估计的MSE性能可以看出，增加平均次数可以显著的改善算法的估计 性能。五 OFDM同步系统设计与实现1. 帧检测 2. 符号定时同
9、步 3. 时域频率同步 4. 频域定时偏差估计 5. 频域载波与采样同步 6. 硬件平台五 OFDM同步系统设计与实现（续 ）5.1 同步系统的FPGA实现帧检测将算法本身的并行乘累加结构串行乘累加的迭代结构5.1 同步系统的FPGA实现帧检测帧检测状态的判定流程帧检测电路的仿真效果：帧检测状态 指示信号。5.2 同步系统的FPGA实现符号定时同步基于短训练序列与本地存储序列的互相关结构：互相关电路的仿真效果：0.8us (16个基带采样间隔)5.2 同步系统的FPGA实现符号定时同步峰值搜索流程：峰值搜索电路的仿真效果：基于连续多峰值搜索的置信度提高策略：5.2 同步系统的FPGA实现符号定
10、时同步定时判决电路的仿真效果：长前导符号的定时 同步指示信号。后续OFDM符号的定 时同步指示信号。5.3 同步系统的FPGA实现时域频率同步1）粗频率同步结构(与信号帧检测实现定时与频偏联合估计与同步，采用短训练序列)：2）细频率同步结构(与粗频率同步结构相似，采用长训练序列)：CORDICCORDICCORDIC5.3 同步系统的FPGA实现时域频率同步时域频率同步电路的仿真效果(加入CFO=0.4)：估计值：真实值：0.4312.5kHz=125kHz 粗频偏 估计值细频偏 估计值5.4 同步系统的FPGA实现频域定时偏差估计实验验证时域定时同步帧检测电路：符号定时电路：SignalTa
11、pII给 出的FPGA内 部逻辑实验验证时域频率同步时域频率同步电路:加入CFO为-200kHz加入CFO为624kHz估计值：估计误差：20Hz估计值：估计误差：10Hz实验验证频域定时偏差估计与补偿定时同步偏差补偿前：定时同步偏差补偿后：5.5 同步系统的FPGA实现频域同步处理频偏估计：采样频偏估计：残余相位跟踪：硬件平台结构：硬件平台实物：5.6 硬件平台PHY RF模块 （Max2831或XN221 ）PHY基带处理模块 （FPGA：Altera EP3C120）MAC处理模块 （ARM9：S3C2410）5.6 硬件平台性能分析 可以在前导训练序列的持续时间内实现准确的时频同步(1
12、6us)； 载波频偏捕获范围达625kHz范围； 载波频率同步精度优于10-3； 可对15个基带样点内的超前定时偏差进行有效的估计与补偿； 可对大范围内的载波相差进行准确的跟踪与补偿； 可实现IEEE 802.11a标准规定的6Mbps18Mbps内可靠的无线传输。致 谢 谢谢大家！方案设计与可行性分析BPSKQPSK16-QAM64-QAMCFO=1.25，TO=-3.25 ， SFO=20ppm, N_OCT=2334导频插入方式：7，21 信道估计与均衡基于导频的估计均衡方法导频信道估计算法：基于最小均方（LS） 准则、基于MMSE准则插值算法：线性插值、高斯插值、Cubic插值等OFD
13、M基本原理OFDM基带信号：式中，Re()为复数取实部运算，Xl,k是分配给第l个OFDM符号内第k个子信道的数据符号，fc为载波频率，F=1/T为子信道带宽，T=NTs，其中N 为OFDM符号的子信道数，Ts为基带采样周期，K为OFDM符号内有效的 数据子载波数， 且满足KN。可以使用IDFT/DFT实现 OFDM调制和解调。发射信号频谱(Agilent E4408B)：ALTERA SignalTapII 测试的PHY发射时序。LeCroy WavePro7100测 试的发射正交基带信号。实验验证发射机系统实验验证接收机系统OFDM接收机系统实现结构：资源类型资源消耗PLLs2REGs32
14、,476Memory bits342,368Embedded Multiplier(9-bit)162硬件资源消耗：OFDM 同步系统接收基带 处理系统总 结主要工作 详细分析了OFDM系统的基本原理，及各种同步误差对OFDM系统性能 的影响； 完成基于IEEE 802.11a标准的OFDM同步算法设计、仿真与性能分析； 根据系统的同步性能要求完成基于IEEE 802.11a标准的OFDM同步系统 方案设计与性能分析； 完成OFDM同步系统的结构设计与FPGA实现； 完成基于IEEE 802.11a标准的PHY收发基带处理器结构设计与FPGA实 现； 完成适于IEEE 802.11a 标准的MAC-PHY协议管理与数据通信接口的设 计与FPGA实现； 完成OFDM无线传输系统的联调，并对测试结果进行了分析。
