張進福臺灣大學：電信工程學研究所林見陽Lin, Chien-YangChien-YangLin2007-11-272018-07-052007-11-272018-07-052007http://ntur.lib.ntu.edu.tw//handle/246246/58956渦輪等化器是一種結合通道等化與通道編碼的等化器，在高速移動環境使用單一載波下渦輪等化器的表現非常良好，因此我們嘗試在高速移動環境下渦輪等化器結合正交分頻多工系統，而在高速移動環境下正交分頻多工系統會受到嚴重的子載波間干擾，所以我們希望渦輪等化器能夠幫助正交分頻多工系統有效降低錯誤率。首先利用低點數快速傅立葉轉換的正交分頻多工系統結合渦輪等化器來確定可行性，之後嘗試使用更高點數快速傅立葉轉換的正交分頻多工系統並觀察系統錯誤率，再利用高速鐵路路徑固定等特性幫助系統估測通道，最後則是改變進入正交分頻多工系統前方的框架格式以位元錯誤率來換取系統有效傳輸率。Turbo equalization is a new method which combines channel equalization and channel coding .It is different from traditional equalization. The performance of turbo equalizer (TE) with single carrier system in very high mobility environment is excellent. So we try to use TE combined with multicarrier system ,such as Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM), in very high mobility environment. OFDM system would suffer gravely from Intercarrier Interference effect (ICI) in very high mobility environment, so we hope that TE could help OFDM system lower its Bit Error Rate (BER). At first, we simulate TE combined with OFDM system with small FFT (Fast Fourier Transform) size in very high mobility environment to make sure about its feasibility. Then we substitute the low FFT size for higher FFT size. Secondly, we use the high speed rail’s characterization of the fixed path to demonstrate two kinds of channel information for channel estimation. In the end, we change the ratio of data symbols and training segments in frame format in order to improve our system useful data rate.目 錄 口試委員會審定書…………………………………………………..… i 誌謝………………………………………………………..…………… iii 中文摘要……………………………………………………………… v 英文摘要……………………………………………………………… vii 第一章 緒論………………………………………………………… 1 1.1 研究背景…………………………………………………….. 2 1.1.1 台灣高速鐵路現況………………………………….. 2 1.1.2 高速鐵路的通訊系統架構………………………….. 3 　　1.2 高速移動環境下面臨的問題………………………….…….. 7 1.3 問題延伸……………………………………….…………….. 9 1.4 論文架構……………………………………….…………….. 9 第二章 渦輪等化器結合正交分頻多工技術 ………………………… 11 2.1 高速移動環境下OFDM系統結合渦輪等化器之系統架構 (傳送端)……….…………………………….………………… 12 2.1.1 編碼器……………………………………………….. 12 2.1.2 攪亂器……………………………………………….. 13 2.1.3 符號映射器………………………………………… 13 2.1.4 加入訓練序列……………………………………… 14 2.1.5 正交分頻多工系統………………………………… 15 2.2 通道模型……………………………………………………. 17 2.3高速移動環境下OFDM系統結合渦輪等化器之系統架構 (接收端) ….…….…………………………….…………………. 18 2.3.1 解正交分頻多工系統……………………………….. 19 2.3.2 通道估測…………………………………………….. 19 2.3.3 線性等化模組……………………………………….. 22 2.3.3.1 符碼統計值映射…………………………. 22 2.3.3.2 線性MMSE等化模組………………..……. 23 2.3.3.3 等化模組輸出的軟式資訊………………. 28 2.3.4 MAP 解碼模組……….……………………………… 30 2.4 模擬參數…………………………………………………… 32 2.5 總結………………………………………………………… 35 第三章 高點數正交分頻多工系統結合渦輪等化器之研究……… 37 3.1 同調頻寬(coherent Bandwidth)與OFDM pilot擺放關係… 38 3.2 模擬參數………………………………….………………… 39 3.2.1 FFT點數為256………………………………………… 39 3.2.2 FFT點數為512………………………………………… 42 3.2.3 FFT點數為1024……………………………………….. 44 3.3 FFT點數256、512與1024的OFDM系統比較………………. 48 3.4 本章總結………….……………………………………………50 第四章 高速鐵路路徑已知特性與增進傳輸率之研究……………….. 51 4.1 高速鐵路路徑已知特性……………………………………….52 4.1.1 都卜勒偏移量已知………………………………… 52 4.1.1.1 不同FFT點數的模擬設定……………… 52 4.1.2 通道頻率響應已知………………………………… 55 4.1.2.1 FFT點數為64點………………………… 55 4.1.2.2 FFT點數為256點………………………… 55 4.1.2.3 FFT點數為512點………………………… 57 4.1.2.4 FFT點數為1024點………………………… 57 4.2 提升有效傳輸率的方法……………………………………. 59 4.2.1 訓練序列長度為32的情形………………………… 59 4.3 總結…………………………………………………………. 64 第五章 總結……………………….…………………………………… 67 5.1 各章節回顧…………………………......………………….. 67 5.2 未來研究方向…………………………..………………….. 68 參考文獻………………………………………………………….…… 71 圖目錄 圖1.1 單鏈結架構..........................................4 圖1.2 雙鏈結架構..........................................4 圖1.3 一維大涵蓋範圍問題示意圖............................5 圖1.4 小涵蓋範圍問題示意圖................................6 圖1.5 都卜勒偏移問題示意圖................................7 圖 2.1 OFDM結合渦輪等化器在高速移動環境下的方塊圖........12 圖2.2 RSC架構圖 .........................................13 圖2.3 QPSK的信號星座圖...................................14 圖2.4 傳送端的資料框架格式...............................15 圖2.5 OFDM系統架構圖.....................................15 圖2.6 OFDM pilot放置示意圖...............................16 圖2.7 GI大於通道延遲分布.................................17 圖2.8 解正交分頻多工系統方塊圖...........................19 圖2.9 通道估測問題描述示意圖 ............................20 圖2.10 BER對Training Sequence變化的表現圖.................21 圖2.11 線性等化模組架構圖................................22 圖2.12 FFT點數為64 OFDM pilot投資比例為1/17時 SNR對BER作圖......................................33 圖2.13 FFT點數為64 OFDM pilot投資比例為1/12時 SNR對BER作圖......................................34 圖2.14 FFT點數為64 OFDM pilot投資比例為1/2時 SNR對BER作圖......................................35 圖3.1 FFT點數為256 OFDM pilot投資比例為1/2時 SNR對BER作圖......................................40 圖3.2 FFT點數為256 OFDM pilot投資比例為1/8時 SNR對BER作圖......................................40 圖3.3 FFT點數為512 OFDM pilot投資比例為1/5時 SNR對BER作圖......................................42 圖3.4 FFT點數為512 OFDM pilot投資比例為1/8時 SNR對BER作圖......................................43 圖3.5 FFT點數為1024 OFDM pilot投資比例為1/10時 SNR對BER作圖...... ..... ..................... ....45 圖3.6 FFT點數為1024 OFDM pilot投資比例為1/8時 SNR對BER作圖 ...... ..................... .........46 圖3.7 FFT點數為1024 OFDM pilot投資比例為1/4時 SNR對BER作圖 .... ..................... ...........47 圖3.8 FFT點數為1024 OFDM pilot投資比例為1/2時 SNR對BER作圖 ...... ..................... ........47 圖3.9 FFT點數為512 OFDM pilot投資比例為1/2時 SNR對BER作圖 ....... ............................49 圖3.10 FFT點數為512 OFDM pilot投資比例為1/3時 SNR對BER作圖 ..... .............................50 圖4.1 FFT點數為64時都卜勒已知與未知的差異 ..............53 圖4.2 FFT點數為256時都卜勒已知與未知的差異 .............53 圖4.3 FFT點數為512時都卜勒已知與未知的差異 .............54 圖4.4 FFT點數為1024時都卜勒已知與未知的差異.............54 圖4.5 FFT點數為64時通道頻率響應已知與未知的差異 ........56 圖4.6 FFT點數為256時通道頻率響應已知與未知的差異........56 圖4.7 FFT點數為512時通道頻率響應已知與未知的差異........ 58 圖4.8 FFT點數為1024時通道頻率響應已知與未知的差異....... 58 圖4.9 固定訓練序列長度為32下資料符碼長度對錯誤率作圖... .59 圖4.10 固定訓練序列長度為32下資料符碼長度為256的 錯誤率圖..................... ....................60 圖4.11 固定訓練序列長度為32下資料符碼長度為512的 錯誤率圖..................... ....................61 圖4.12 固定資料符碼長度為256下訓練序列長度對錯誤率作圖..61 圖4.13 固定資料符碼長度為256下訓練序列長度對錯誤率作圖..62 圖4.14 固定資料長度為256下訓練序列長度為24與32的 SNR對BER比較圖................................ .. 63 圖4.15 FFT點數為64點pilot投資1/8下固定訓練符碼長度 32資料長度256與32比較圖.........................63 表目錄 表2.1 QPSK編碼位元與符碼對照表............................14 表2.2 cost 259 RA通道模型..................................18 表3.1 OFDM pilot擺放間隔與同調時間的比例關係...............38 表3.2 不同的FFT點數下的正規化都卜勒頻率..................48en-US渦輪等化器高速移動環境正交分頻多工系統子載波間干擾高速鐵路路徑固定Turbo equalizervery high mobility environmentOFDMICIthesis