高速无线数据传输链路的设计与实现

摘要

信息化时代的到来扩大了各行各业对于无线视频通信的需求，尤其在武警安防领域，越来越注重应急无线视频通讯中视频传输的清晰度与实时性。视频传输质量提升需要相应提高物理层数据传输速率，所以高速数据传输链路的研究需求愈发迫切。正交频分复用（OFDM）技术作为一种宽带通信技术，能够有效应对无线信道的频率选择性衰落，同时具有频谱利用率高的优点，非常适合高速率数据在时变信道的实时传输。因此，以OFDM技术作为物理层调制方式的无线视频传输系统可以广泛应用于执法巡逻、应急救援、无人机图传等移动性、突发性、临时性强的环境或行动，具有很高的实用性及社会价值。 本文针对武警安防领域的应急无线视频通讯，设计和实现了满足应急视频通讯需求的高速无线数据传输链路，主要完成了以下的研究内容： 第一，研究OFDM基带发送机和接收机的核心技术算法，分析设计过程中需要解决的问题；结合高清视频无线传输需求，设计合理的帧传输格式；结合仿真性能和工程实现复杂度设计关键技术模块方案，包括峰均比抑制模块、接收机定时同步模块、信道估计模块。 第二，通过verilog硬件描述语言完成高速无线数据传输链路中发送机和接收机各个功能模块的FPGA实现，对各个功能模块进行时序仿真分析，并且结合仿真工具同步对比验证各个功能模块的正确性，进一步验证核心算法设计的可行性以及正确性。通过配置AD9361完成整个系统的射频功能，实现整个系统的上/下变频功能以及AD/DA转换功能。 第三，通过搭建硬件平台对数据传输链路进行功能验证和测试，基带信号处理采用的是搭载XC7K325T芯片的硬件开发板，射频收发采用的是搭载AD9361芯片的评估子板。测试的内容首先是单板测试，包括基带信号处理板卡的载波频偏估计性能测试、接收机均衡性能测试、基带误码率测试以及射频子板的收发功能测试。最后进行系统级联测试，通过实验室环境的点与点无线通信性能测试验证了整个传输链路的可行性。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 研究工作的背景与意义

1.2 无线数据传输技术国内外研究历史与现状

1.3 本论文的结构安排

第二章 高速无线数据传输的基本原理

2.1 OFDM视频通信系统模型

2.2 OFDM传输技术的基本原理

2.2.1 OFDM的数学模型

2.2.2 FFT在OFDM系统中的应用

2.2.3 循环前缀和保护间隔

2.3 峰均比抑制技术

2.4 接收机同步技术

2.4.1 定时同步技术

2.4.2 载波频偏同步技术

2.5 信道估计

2.5.1 LS信道估计算法

2.5.2 LMMSE信道估计算法

2.5.3 数据位置信道估计算法

2.6 本章小结

第三章 高速无线数据传输链路关键技术设计

3.1 应急视频通讯系统需求分析

3.1.1 物理层传输速率需求及分析

3.1.2 无线传输频偏估计分析

3.2.1 OFDM符号参数分析与设计

3.2.2 帧结构设计

3.3 峰均比抑制算法设计

3.3.1 峰均比抑制算法设计框图

3.3.2 星座图调整技术

3.4.1 定时同步算法

3.4.2 载波频偏同步算法设计

3.5 信道估计方案设计

3.6 本章小结

第四章 高速无线数据传输链路FPGA实现

4.1 无线数据传输链路基带结构框图

4.2.1 数据接口

4.2.2 编码映射模块

4.2.3 导频插入模块

4.2.4 峰均比抑制模块

4.2.5 组帧模块

4.3.1 定时同步模块

4.3.2 载波频偏同步模块

4.3.3 信道估计模块

4.3.4 均衡模块

4.4 射频模块实现

4.5 本章小结

第五章 高速无线数据传输链路性能测试

5.1 基带部分FPGA资源消耗分析

5.2 无线传输系统基带单板性能测试

5.2.1 载波频偏估计性能测试

5.2.2 基带均衡性能测试

5.2.3 基带误码率测试

5.3 射频发射和接收功能测试

5.4 实验室环境下点对点级联测试

5.4.1 硬件平台搭建

5.4.2 性能测试分析

5.5 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 总结

6.2 不足与展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的成果