基于802.11p协议的物理层基带通信系统研究及FPGA实现

摘要

伴随着经济社会的快速发展，人们的交通出行压力也日益增大，交通拥堵，道路出行障碍等诸多问题矛盾越来越尖锐。在这样的大背景下，为缓解城市交通压力，方便城市车辆交通出行的智能车联网系统整体解决方案由此诞生。本文主要是对基于IEEE802.11p协议的车联网基带通信平台进行理论研究分析和实际硬件设计，这其中涵盖了相关技术原理研究，硬件设计，FPGA实现，仿真分析，在线测试，以及最终的结果分析，比较系统完整的再现了车联网基带通信系统设计开发实现全过程。主要内容如下： 首先，引入说明车联网系统的的整体架构，主要分为两大块，即通信云平台网络和车联网平台。在这之后着重说明介绍整个车联网的架构核心，即车联网平台中的OBU（车载智能终端）和RSU（路边智能终端），给出两者实现信息交互的原理示意图，初步指导设计。 其次，开始引出车联网物理层基带通信所要遵循的协议以及采用的关键技术，即IEEE802.11p协议和OFDM调制技术。IEEE802.11p协议具体介绍了发展历程，信道及发射功率环境，物理层帧结构，关键参数，同IEEE802.11a协议的横向对比等方面，比较完整的对该协议进行了解读。OFDM调制技术则是从技术发展，技术原理，优缺点，调制实现架构等方面对其进行了深入的分析解读。结合对物理层帧结构的分析，调制方式的理解，进一步指导之后基带收发端的硬件设计。 之后，便是本文的核心内容，即车联网基带通信的整体硬件设计及FPGA实现。主要分为两大模块，发射机部分和接收机部分。发射机部分主要处理流程包括扰码，卷积编码，交织，调制，插入导频，IFFT，循环前缀的添加等模块，接收机主要包括帧同步，符号同步，载波同步，剩余相位同步，信道估计与均衡，解调，解交织，Viterbi译码，解扰模块等。各个模块从运作机理入手，从原理分析，再到硬件框图设计，代码实现，最终给出Modelsim仿真波形图。需要注意的是，由于帧结构的原因，在发射机模块中，Signal域和Data域数据要区别处理。 最后，对发射机及接收机硬件设计进行上板在线测试，采用ChipScope Pro进行在线观测，结合对比Modelsim仿真图，进行结果的比对分析。

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摘 要

ABSTRACT

第一章 绪 论

1.1 课题研究背景及意义

1.2.1 研究现状

1.2.2 系统组成

1.2.3 OBU和RSU功能及实施方案

1.3 车联网技术简介

1.3.1 IEEE802.11p协议简介

1.3.2 OFDM技术简介

1.4 本文研究内容与章节安排

第二章 车联网关键技术发展现状及研究分析

2.1.1 IEEE802.11p协议的发展

2.1.2 频段与发射功率

2.1.3 物理层帧结构

2.1.4 物理层关键参数

2.1.5 IEEE802.11p和IEEE802.11a协议对比

2.2.1 OFDM技术的发展

2.2.2 OFDM技术原理及优缺点

2.2.3 OFDM技术再车联网中的应用

2.3 本章小结

第三章 车联网基带通信收发端理论研究及分析

3.1基于IEEE802.11p协议基带通信收发机整体信号处理架构

3.2 训练序列

3.2.1 短训练序列

3.2.2 长训练序列

3.3 Signal域符号

3.4 Data域符号

3.4.1扰码理论

3.4.2 编码理论

3.4.3 交织理论

3.4.4 调制理论

3.5.1 插入导频

3.5.2 IFFT

3.5.3 循环前缀

3.6 同步理论

3.6.1 帧同步

3.6.2 符号同步

3.6.3 载波同步

3.6.4 采样频率同步

3.7 信号估计与均衡

3.8解调模块

3.9 解交织

3.10 Viterbi译码

3.11 解扰码

3.12本章小结

第四章 车联网基带通信收发端硬件设计及FPGA实现

4.1 发射机整体硬件实现框图

4.2 训练序列模块

4.2.1 短训练序列模块

4.2.2 长训练序列模块

4.3 扰码模块

4.4 编码模块

4.5 交织模块

4.6 调制模块

4.7 插入导频模块

4.8 循环前缀模块

4.9 时钟模块

4.10 控制功能模块

4.11 发射机模块整体仿真实现

4.12 同步模块

4.12.1 帧同步模块

4.12.2 符号同步模块

4.12.3 载波同步模块

4.12.4 采样频率同步模块

4.13 信号估计与均衡模块

4.14 解调模块

4.15 解交织模块

4.16 Viterbi译码模块

4.17 解扰码模块

4.18 本章小结

第五章 车联网基带通信系统在线测试与结果分析

5.1 发射端模块在线测试与结果分析

5.1.1 扰码模块

5.1.2 编码模块

5.1.3 交织模块

5.1.4 调制模块

5.1.5 插入导频模块

5.1.6 时钟模块

5.2 接收端部分重要模块在线测试与结果分析

5.2.1 符号同步

5.2.2 载波同步

5.2.3 采样频率同步

5.2.4 信道估计与均衡

5.3 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 全文总结

6.2 全文展望

致谢

参考文献