闕志達臺灣大學：電子工程學研究所丁姿吟Ding, Zih-YinZih-YinDing2007-11-272018-07-102007-11-272018-07-102005http://ntur.lib.ntu.edu.tw//handle/246246/57607下一代高速無線區域網路IEEE 802.11n的制定已經開跑，其主要訴求乃是達到更高速的傳輸，以應付目前新穎多媒體應用的速度需求。在本論文中，參考IEEE 802.11n的提案，以多輸入多輸出正交分頻多工技術作為實體層技術，設定傳送端架構與封包格式等系統規格，並設計出下一代高速無線區域網路的基頻接收機。 內接收機的主要架構可分為初始同步、追蹤迴路與通道估計及資料回復。其中初始同步包括封包偵測、符元邊界粗估與細估、分數載波頻率的估計，論文中將提出對雜訊有強健抵抗能力的符元邊界細估方式；追蹤迴路包括殘餘分數載波頻率偏移與取樣時脈偏移的聯合估計；通道估計則是利用兩天線傳送互相正交的訓練碼，得到最小方差估計。資料回復有兩個部份：多輸入多輸出訊號解碼與軟性解對應。多輸入多輸出的解碼方式與傳送模式有關，傳輸模式則依照傳送端是否具有通道資訊而調整，當傳送端具有通道資訊時，可在傳送端作前置處理，使接收端可分別對各路傳送資料進行偵測，降低了接收機複雜度。多輸入多輸出訊號解碼的結果送入軟性解對應器，計算每個位元的bit metric，以作為軟性決策維特比解碼器的輸入。 除了接收機的架構設計外，論文中也提出了接收端各功能方塊的硬體電路設計並以Novas Debussy作模擬與功能驗證。The establishment of the next-generation high throughput wireless LAN, IEEE 802.11n, has started. It is a standard which aims to provide high throughput transmission for the demand of several novel multimedia applications. In this thesis, a base band receiver for next generation wireless LAN is proposed with the transmitter architecture and packet format according to the proposal of IEEE 802.11n. The inner receiver can be divided into several parts: initial synchronization, tracking loop, channel estimation and data recovery. The initial synchronization includes packet detection, coarse and fine symbol boundary estimation, fractional carrier frequency offset estimation. A fine symbol boundary estimation which is robust to channel noise is introduced. The tracking loop includes joint estimation of residual fractional carrier frequency offset and sampling clock offset. The receiver exploits the orthogonal training sequence to find a set of least square error estimation of the channel. The data recovery is composed of MIMO signal decoding and soft demapping. The method of MIMO signal decoding is related to transmission mode which is adjusted depending on whether the transmitter has channel information. When the transmitter owns accurate channel information, the transmitted signal is pre-processed before transmitting and then the multiple transmitted streams can be detected independently. Therefore the complexity of receiver can be reduced. The MIMO signal decoding result is sent to soft demampper to calculate bit metrics which are the input of soft decision Viterbi decoder. In addition to architecture design of receiver, the circuit design of all functional blocks which have been verified with Novas Debussy are also presented.目錄 i 列圖目錄 v 列表目錄 ix 第一章 緒論 1 1.1動機 1 1.2 無線區域網路 (Wireless LAN) 簡介 2 1.3 論文組織 7 第二章 多輸入多輸出-正交分頻多工技術 9 2.1 多輸入多輸出(MIMO)技術 9 2.1.1 多輸入多輸出訊號模型 10 2.1.2 多輸入多輸出系統通道容量 10 2.1.3 空間多樣性(space diversity) 11 2.1.4 多輸入多輸出傳輸技術 13 2.2 正交分頻多工(OFDM)技術 16 2.3 多輸入多輸出-正交分頻多工(MIMO-OFDM)技術 18 第三章 通道模型 21 3.1多輸入多輸出通道(MIMO Channel) 22 3.1.1 各項通道相關參數 23 3.1.2 多輸入多輸出通道相關係數 26 3.2 多路徑瑞雷衰落 (Multipath Rayleigh fading) 29 3.3 取樣時脈偏移 (Sampling Clock Offset) 31 3.4 加成性白色高斯雜訊 (Additive White Gaussian Noise) 33 3.5 載波頻率偏移 (Carrier Frequency Offset) 33 第四章 系統規格 35 4.1 IEEE 802.11n功能要求(Functional Requirements) 35 4.2 傳送機架構 36 4.2.1 攪亂器(scrambler) 38 4.2.2 穿刺迴旋編碼(puncturing convolutional coding) 39 4.2.3 空間-頻率交錯器(space-frequency interleaver) 39 4.2.4 星座圖對應 (constellation mapping) 44 4.2.5 天線對應轉換 (Antenna Map Transforms) 44 4.2.6 正交分頻多工調變 (OFDM modulation) 47 4.2.7 OFDM符元波形平滑化(symbol wave shaping) 49 4.3 傳輸類型及速度參數 49 4.4 傳送封包格式 49 第五章 接收機架構設計 53 5.1 接收機架構概述 53 5.2 初始同步估測(synchronization for acquisition) 55 5.2.1 封包偵測與符元邊界粗估 55 5.2.2 分數載波頻率偏移估計 56 5.2.3 符元邊界細估 57 5.3 快速傅利葉轉換(Fast Fourier Transform, FFT) 60 5.4 載波頻率偏移與取樣時脈偏移追蹤迴路(CFO and SCO Tracking) 63 5.4.1 聯合加權最小方差估計(Joint Weighted Least Squares Estimation, JWLSE) 64 5.4.2 迴路濾波器(Loop Filter) 65 5.4.3 載波頻率偏移與取樣時脈偏移補償 66 5.5 通道估測(Channel Estimation) 68 5.6 多輸入多輸出訊號解碼與等化(MIMO Signal Decoding and Equalization) 68 5.6.1 縱向-貝爾實驗室多層空時（Vertical Bell Laboratories Layered Space-Time）解碼 69 5.6.2 奇異值分解多輸入多輸出傳輸(Sigular Value Decomposion MIMO Transmission) 70 5.7 軟性解對應(Soft Demapping) 73 5.7.1 應用於單一輸入輸出的軟性解對應器設計 73 5.7.2 應用於多重輸入輸出的軟性解對應器設計 76 5.8 系統封包錯誤率(Packet Error Rate)模擬結果 77 5.8.1 運用軟性決策解碼的系統效能模擬結果 77 5.8.2 不同傳輸模式下的系統效能模擬結果 78 5.8.3 不同速度模式下系統效能模擬結果 79 5.8.4 多接收天線接收舊有系統封包之效能提升 83 第六章 接收機硬體設計 85 6.1 設計流程簡介 85 6.2 系統定點數決定方式 86 6.3 初始同步電路 88 6.3.1 符元邊界粗估與分數載波頻率偏移估計 88 6.3.2 符元邊界細估 88 6.3.3 延遲線(Delayline) 90 6.3.4 複數乘法器 92 6.3.5 反正切器 93 6.4 快速傅利葉轉換電路 94 6.4.1 快速傅利葉轉換架構 94 6.4.2 正弦與餘弦函數值產生器 97 6.5 追蹤迴路電路 98 6.5.1 聯合加權最小方差估計(JWLSE)與迴路濾波器 99 6.5.2 載波頻率偏移與取樣時脈偏移補償 101 6.6 通道估計單元 101 6.7多輸入多輸出等化處理器 103 6.8 軟性解對應器 103 6.9 定點數模擬結果 105 6.9.1 系統效能模擬結果 105 6.9.2 電路模擬驗證 106 第七章 結論與展望 111 參考資料 1134624879 bytesapplication/pdfen-US多輸入多輸出正交分頻多工無線區域網路MIMOOFDMwireless LANthesishttp://ntur.lib.ntu.edu.tw/bitstream/246246/57607/1/ntu-94-R92943030-1.pdf