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摘 要

伴随着宽带无线技术的不断进步，无线局域网（WLAN）的数据标准传输速度一直在提高，而其关键就是PHY（物理层）的不断更新。由于新一代技术的引入，理论的最高速率相对之前版本的协议有了极大的提升。

本设计以时下较为流行的802.11ac 协议为通讯标准，描述了2×2 多输入多输出-正交频分复用（MIMO-OFDM）的超高速宽带无线通信系统仿真与搭建流程。

主要内容如下：

1. 详细介绍了802.11ac 物理层标准以及甚高吞吐率帧格式（VHT PPDU），并在此基础上讨论其发射端的基带处理关键技术。
2. 研究MIMO-OFDM接收机核心算法，其中定时同步与信道估计和均衡是本文重点，其涵盖了定时同步所用的延时自相关以及峰值检测算法，信道估计的最小二乘算法和数据均衡模块迫零算法。对于上述算法均给出了以此2×2系统为实例的具体解决方案。
3. 详细描述了2×2系统在MATLAB端构建流程，分析发射机-信道-接收机各个模块的功能以及实现。对发射-接收机进行了联合仿真调试，并给出在信噪比、调制方式变化情况下系统整体性能分析。
4. 基于LabVIEW语言环境，完成FPGA硬件平台2×2通讯系统的搭建。详细介绍接收机实现流程，对于关键模块给出实例分析。介绍Host端基本参数配置，最后结合PC端完成数据流的传输。
5. 对设计流程进行总结，分析该系统目前尚存在的不足和未实现的功能，提出下一步改进方案。

关键词：无线局域网络，802.11ac，多输入多输出，正交频分复用，FPGA，LabVIEW

ABSTRACT

With the continuous advancements in broadband wireless technology, Wireless Local Area Network (WLAN) standard data transmission speed has been improved, and sustaining update of the PHY (physical layer) is the critical point. Since the introduction of next-generation technology, the maximum theoretical rate has been greatly improved relative to the previous versions of the protocol.

The design based on 802.11ac protocol what is more popular nowadays for communications, described the simulation and building processes of the 2*2 multiple input multiple output -orthogonal frequency division multiplexing (MIMO-OFDM) ultra high-speed broadband wireless communication system.

The main contents are as follows:

1. Detailed introducing the standard of 802.11ac physical layer and very high throughput physical protocol data unit frame format (VHT PPDU), and discussed the key technologies baseband transmission flow on this basis.
2. Study on MIMO-OFDM receiver core algorithms is applied, timing synchronization and channel estimation and equalization are the focus of this article, which cover the delay auto-correlation and peak detection algorithms used by timing synchronization as well as the least squares algorithms in channel estimation and zero-forcing in equalization module. For the above algorithms, some examples of specific solutions in a 2*2 system are given.
3. Detailed description of the 2*2 system building process based on MATLAB has been made, then analyzing the implementation of each module in transmitter-channel-receiver flow. Joint simulation debugging of transmitter-receiver was made and showing the overall system performance analysis according to the changes of signal to noise ratio and modulation.
4. Based on LabVIEW environment, achieving the 2*2 communication system in FPGA hardware platforms. Detailed introducing the receiver implementation process, examples of critical module are given for analysis. Introducing Host-end basic parameters, and finally completing the data transmission combined to the PC-end.
5. Summary of the design process: analyzing the still existing shortcomings and unrealized capabilities, and proposing the improvement solutions.

Key Words: WLAN, 802.11ac, MIMO, OFDM, FPGA, LabVIEW

目录

摘要 I

ABSTRACT III

第一章 绪论 1

1.1背景介绍 1

1.2 OFDM技术 1

1.3 MIMO技术 3

1.4硬件背景介绍 4

1.4.1NI-USRO-RIO平台 4

1.4.2FPGA模块 4

1.5 论文章节安排 4

第二章 802.11ac协议物理层传输技术的研究 7

2.1 802.11n和802.11ac物理层特性对比 7

2.2 802.11ac 甚高吞吐率帧格式（VHT PPDU） 7

2.2.1 前导码的非VHT部分 8

2.2.2 前导码的VHT部分 9

2.2.3 DATA字段 10

2.3发射端基带传输技术研究 10

2.3.1 扰码 11

2.3.2 BCC编码 11

2.3.3 流解析 11

2.3.4 交织 12

2.3.5 调制 12

2.3.6 插入导频 12

2.3.7 循环移位 12

2.3.8 IFFT（OFDM调制）和CP 13

第三章 2×2MIMO-OFDM无线系统接收机关键技术研究 15

3.1 同步方案 15

3.2 信道估计方案 16

3.3 信道均衡方案 17

3.4 其它数据处理方案 18

第四章 2×2MIMO-OFDM无线系统MATLAB初步实现 19

4.1 发射机各模块MATLAB实现方案 19

4.1.1 基本参数配置 19

4.1.2 生成前导码时域部分 20

4.1.3 生成DATA域时域部分 22

4.1.4 完整帧结构 23

4.2 接收机各模块MATLAB实现方案 24

4.2.1 信道定义 24

4.2.2 同步 24

4.2.3 解OFDM、去CP 25

4.2.4 信道估计与均衡 25

4.2.5 解映射、去导频 26

4.2.6 逆流解析、维特比译码 26

4.3 发射-接收机联合调试结果 26

4.3.1 信噪比30dB,BPSK调制下仿真结果 26

4.3.2 信噪比20dB,BPSK调制下仿真结果 28

4.3.3 16QAM调制下仿真结果 29

4.3.4 64QAM调制下仿真结果 30

4.4 软仿总结和硬件平台移植的问题 31

第五章 基于NI-USRP RIO的2×2MIMO-OFDM系统硬件实现 33

5.1 系统基本信息与框架 33

5.1.1 LabVIEW环境 33

5.1.2 USRP-RIO 2953 33

5.1.3 系统框架 34

5.2 FPGA端流程 35

5.2.1 U8到Bool流、BCC编码（附带流解析） 35

5.2.2 调制 36

5.2.3 插导频、补零 38

5.2.4 IFFT、CP、CSD整合 38

5.2.5 组帧 39

5.2.6 同步 39

5.2.7 去CP、FFT 41

5.2.8 信道估计与均衡 41

5.2.9 去零、去导频、解SIGB 42

5.2.10 解映射 43

5.2.11 逆流解析、维特比译码 44

5.3 Host端前面板 44

5.3.1 USRP-RIO 配置信息 44

5.3.2 Host相关参数设置 45

5.4 硬件实物连线图和测试结果 46

第六章 总结 49

6.1 研究内容总结 49

6.2 待改进之处 49

参考文献 51

致谢 53

第一章 绪论

1.1背景介绍

随着宽带无线技术的快速进步，从802.11基本协议不断发展到802.11a/b/g，以及近年更为盛行的802.11n标准的过程中，无线局域网（Wireless Local Area Network, WLAN）的数据标准传输速度一直在提高，而其关键就是PHY（物理层）的更新。我们发现，从802.11a协议开始，PHY层的技术发生了质的改变。由于正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing , OFDM）技术的引入^[1]-[5]，理论的最高速率相对之前版本的协议有了极大的提升。

下表展示了802.11a、b、g、n、以及最新ac标准的各项特性。

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