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随着无线通信技术的迅猛发展,无线个域网(Wireless Personal Area Network,WPAN)已成为对个人而言最密切相关的网络。而作为无线个域网技术的代表之一,超宽带(Ultra-Wideband,UWB)技术以其传输速率高、低成本和低功耗等优点,越来越受到人们的青睐。正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)技术凭借其良好的抗多径能力和节省频谱资源等特点,成为UWB的主流实现方案之一。基于多带OFDM(Multiband OFDM,MB-OFDM)技术的ECMA-368标准的出现进一步推动了UWB的商用化进程。
本论文的主要研究内容是OFDM系统中的同步技术,并针对ECMA-368标准侧重研究基于前导符方式的同步算法,确定适用于基于ECMA-368标准的超宽带系统的同步方案,最终目的是将同步方案进行Verilog实现。
本论文从OFDM的基本原理出发,阐述了循环前缀(Cyclic Prefix,CP)和零值填充(Zero Padding,ZP)作为保护间隔以最大程度消除符号间干扰(Intersymbol Interference,ISI)的原理。然后以ZP-OFDM系统作为对象,研究UWB的两种频域接收技术:ZP-OFDM-OLA和ZP-OFDM-FAST。由于考虑到FPGA(Field Programmable Gate Array)的实现,选择ZP-OFDM-OLA作为本系统的处理方式。
针对OFDM信号的带外功率辐射问题,介绍了CP-OFDM系统的加窗技术,并引入一种适用于ZP-OFDM系统的加窗方式,对其做了理论证明和仿真分析,仿真表明,在损失较小系统信噪比(Signal to Noise Ratio,SNR)的前提下,系统的带外辐射功率得到了极大地抑制。
在概述了OFDM系统中存在的同步问题之后,分析推导了各种非理想同步因素对OFDM系统的影响。鉴于ECMA-368标准的前导符结构,着重对基于前导符方式的同步算法做了分析比较。
结合UWB信道的特点以及FPGA实现的复杂度,制定了系统的同步方案。将时间同步分成两个步骤,先用能量检测法捕获帧的到达,再利用本地训练序列对频偏较强的鲁棒性,将本地训练序列与接收序列进行滑动相关检测实现符号的精确定时。频率同步在时域完成,并且为了减小残留频偏对系统性能的影响,引入了相位跟踪。通过对同步性能和系统性能的仿真,表明系统的同步方案性能良好。
最后,本论文对确定的同步方案进行了Verilog实现。本论文主要完成接收端528MHz时钟域的同步数据缓存模块、时间同步模块(帧检测和符号定时)、OLA (Overlap Add)模块、同步控制模块和快速傅立叶变换(Fast Fourier Transform,FFT)模块的设计,并着重介绍了帧检测模块和符号定时模块的设计流程。通过对时间同步模块的测试,本系统准确地实现了符号定时同步。最后就这五个大模块进行了联合调试,联合调试的结果表明模块的功能与时序都达到设计目的。