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基于FPGA的单信道全双工无线通信系统中数字自干扰消除设计与实现

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基于FPGA的单信道全双工无线通信系统中数字自干扰消除设计与实现

作者：田晓亮山东大学

学位级别：硕士

如何进一步提高有限的无线频谱利用率一直是无线通信领域的研究重点,研究者也一直致力于研究各种节约无线频谱资源的新技术和算法,本文研究的单一信道全双工无线通信技术可以在同一频段同一个时隙收发数据,理论上可使系统的有效吞吐量... 详细信息

如何进一步提高有限的无线频谱利用率一直是无线通信领域的研究重点,研究者也一直致力于研究各种节约无线频谱资源的新技术和算法,本文研究的单一信道全双工无线通信技术可以在同一频段同一个时隙收发数据,理论上可使系统的有效吞吐量增加一倍,很大程度提高了无线频谱利用率。然而,作为发展不久的新技术,单信道全双工无线通信技术面临着各种问题。单信道全双工无线通信系统中,节点的接收端不仅会接收到远端节点发送的有用信号,同时也会接收到节点自身发射的信号,节点自身发送的信号会干扰节点自身接收信号。由于远端节点的有用信号经过长距离的空中传输功率损耗很大,这样有用信号功率将远小于自干扰信号功率,在通过接收机的模数装换器(ADC)时,自干扰信号会占据ADC的大部分动态范围,而远端节点的有用信号会完全淹没在自干扰信号中,以至于无法解码有用信号。因此,要实现单信道全双工无线通信,就必须最大化的消除自干扰信号,这是近几年该技术研究的主要方向。本文研究各种自干扰消除技术的发展情况,重点研究了基于信道估计的自适应数字自干扰消除技术,且使用FPGA搭建了数字基带通信系统,并实现了基于LMS自适应滤波器的数字自干扰消除模块。研究了数字接收机和发射机的设计原理,详细介绍了升余弦滤波器、符号同步、LMS算法、估计信道、帧同步和数字自干扰消除的FPGA实现,同时给出了载波同步环的FPGA具体实现过程,提出了基于自适应信道估计的自干扰消除的单信道全双工无线通信系统整体设计方案,且对设计方案做了性能分析。

关键词：单一信道全双工数字自干扰消除自干扰信号信道估计 LMS

宽带无线全双工MIMO-OFDM系统回波干扰抑制技术研究

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宽带无线全双工MIMO-OFDM系统回波干扰抑制技术研究

作者：袁璐西安电子科技大学

学位级别：硕士

本文研究宽带无线通信全双工(Full Duplex,FD)多输入输出(Multiple Input Multiple Output,MIMO)正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)系统回波自干扰抑制技术。针对现有FD系统实现技术的关键难点问题与不足,重点研究了两类宽带全双工系统回波自适应干扰抑制方法,包括被动式的自适应干扰抑制方法,以及基于空间波束成型(Beamforming)的主动式自适应干扰抑制方法。论文首先总结了现代无线全双工技术的发展演进及其存在关键难点问题;基于典型的MIMO-OFDM系统构架和数学模型,刻画了FD系统回波自干扰问题产生的原因、表现及其对系统性能的影响,阐述了全双工系统的相关理论基础;随后,重点介绍了各类信道条件下全双工系统可达系统容量的计算方法;进一步,分析评价了两种典型的全双工自干扰抑制方法,包括模拟域自干扰抑制及数字域自干扰抑制,通过选取其中具有代表性算法,对其技术优缺点,包括误码率、可达系统容量以及计算复杂度等方面进行了分析评价。以此为基础,鉴于现有FD系统大多基于单天线配置、回波自干扰抑制算法复杂度高以及多数算法未考虑非理想衰落信道对传输性能影响的缺陷,本文针对多天线宽带无线局域网(Wireless Local Area Network,WLAN)系统框架,首先提出了一种被动式的无线FD-MIMO-OFDM系统基带回波自干扰抑制方案,该方案结合天线物理隔离与模拟域回波抵消处理,在数字域利用归一化最小均方(Normalized Least Mean Squares,NLMS)学习算法自适应抵消自干扰信号;给出了该方案详尽的信号处理流程,从误码率性能、系统容量两个方面分析了该方案的可行性,理论推导了该系统可达系统容量。理论分析与仿真结果表明,该方案在采用间距为20cm的天线对时,可实现30dB左右的数字域基带抑制效果。自适应算法与理想无干扰半双工(Half Duplex,HD)MIMO系统相比,BER性能仅损失0.3-0.5dB,但其系统容量可达到理想HD-MIMO系统容量的1.5倍;而与理想自干扰抑制FD-MIMO系统相比,虽然该方案误码率有所增加,但其系统容量可达理想系统容量的80%;仿真结果验证了该方案的可行性及其优良性能。进一步,针对被动式抑制尚存在方式简单且抑制效果有限的问题,本文又将空域波束成型方法引入FD系统构架,提出了一种联合主动式抑制机制的无线FD-MIMO-OFDM系统回波自干扰抑制方案,从系统复杂度、误码率、系统容量三个方面分析了该方案的可行性。理论分析与仿真结果表明,在理想信道条件下,该方案可达系统容量为理想HD-MIMO系统的1.7倍;而在衰落信道条件下,该方案以信噪比牺牲0.3-0.5dB的代价,获得的可达系统容量为未采用空域波束成型FD-MIMO系统的1.2倍。

关键词：全双工系统自干扰信号自适应干扰抑制技术波束成型技术

单信道全双工无线通信系统中数字自干扰消除方法研究

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单信道全双工无线通信系统中数字自干扰消除方法研究

作者：李娜山东大学

学位级别：硕士

无线通信网络设计中一个基本的假设是无线设备必须工作于双信道双工模式。换句话来说,就是在相同的频带无线设备在同一时间要么执行发送要么执行接收,不可能同时发送与接收数据。因此,目前的无线通信系统设备无一例外的采用时分或频分... 详细信息

无线通信网络设计中一个基本的假设是无线设备必须工作于双信道双工模式。换句话来说,就是在相同的频带无线设备在同一时间要么执行发送要么执行接收,不可能同时发送与接收数据。因此,目前的无线通信系统设备无一例外的采用时分或频分技术来实现上下行链路双向通信。这就要求将有限的无线资源用频分或时分的方式分成上下行链路以实现双向通信,单一的上行链路或下行链路无法实现全双工通信。在无线频谱资源日益紧张的今天,如何有效的利用有限的频谱资源是一个比较重要的问题。人们着力于研究各种节约无线资源或最大化利用无线资源的技术与算法,各种各样的无线通信系统应运而生。本论文提出的单信道全双工无线通信系统是一种全新的无线系统设计,可以缓解当今无线通信系统中存在的若干问题。单信道全双工无线通信是指无线节点可以在相同的频带同时发送与接收数据,不需要使用多个无线信道。因此从物理层来看,该技术可使节点有效的吞吐量加倍。此外,在相同的时间发送与接收允许无线节点在接收数据的同时交换控制信息,使实时反馈变得可能。但是作为一种新技术,要实现单信道全双工无线通信,面临着巨大的挑战。由于节点本身无线发送信号到达本节点接收天线的传输距离远小于来自远端期望接收信号的传输距离,造成自干扰信号的功率远大于期望信号的功率。从而自干扰信号将占据接收机信号处理链路中模数转换器（ADC）的大部分动态范围,导致很难从ADC的输出中获取有用信号。因此要实现单信道全双工无线系统,必须在模拟接收信号通过ADC采样之前抑制自干扰信号。在过去的三年里,许多研究者致力于该技术的研究,并初步搭建了单信道全双工通信系统的实验系统。本论文研究了消除强自干扰信号的各种模拟与数字自干扰消除技术。对怎样计算消除信号及在何时何地注入消除信号来消除自干扰进行了探讨,基于此对已有的自干扰消除技术进行了详细地分类。重点研究了自适应干扰消除技术和三种时域自适应算法,通过仿真验证了时域自适应算法用于消除强干扰信号的有效性。提出了基于自适应算法的联合信道估计数字自干扰消除方案,通过单信道全双工系统仿真模型的搭建,将消极消除,积极模拟消除和数字自适应消除相结合,验证了该设计可实现90dB的自干扰衰减量,从而证明了单信道全双工系统的可行性。最后,在考虑实际实现时可能存在的诸如系统不完善和硬件技术的限制（如相位噪声）等条件下,推导出数字自干扰消除后系统的信号与干扰加噪声比,为今后的单信道全双工与双信道双工系统性能的比较分析提供了基本的理论依据。

关键词：单信道全双工自干扰信号消极自干扰消除模拟自干扰消除数字自干扰消除自适应算法

新型分布式光载RFID系统关键模块的设计与实现

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新型分布式光载RFID系统关键模块的设计与实现

作者：肖阳北京邮电大学

学位级别：硕士

射频识别(Radio Frequency Identification,RFID)技术作为物联网系统的关键实现手段,近年来已取得了长足进步,在仓库管理、身份识别、交通运输等众多领域扮演着举足轻重的角色。为了应对面积更大、物品数量更多的场景,传统的分布式RFID... 详细信息

射频识别(Radio Frequency Identification,RFID)技术作为物联网系统的关键实现手段,近年来已取得了长足进步,在仓库管理、身份识别、交通运输等众多领域扮演着举足轻重的角色。为了应对面积更大、物品数量更多的场景,传统的分布式RFID系统结合光载无线(Radio over Fiber,RoF)技术的优势,实现了一种大范围布网、高精准度识别、集中化管理、可扩展性较强的新型分布式光载RFID系统。不过,目前在实现过程中还存在着很多挑战:新型分布式光载RFID系统将RoF技术融入到传统的RFID系统,使得传统RFID射频链路的自干扰信号问题放大化,以至于影响到整个系统的正常工作和接收灵敏度。除此之外,在系统的分布式网络结构中存在着数量众多的子网节点,需要一种方式将各节点中的串口设备连接网络,以便于系统的集中化管理。本文针对新型分布式光载RFID系统中的自干扰信号问题提出了一种基于定向耦合器特殊结构的射频式自干扰信号消除模块。该模块针对系统中不同来源的自干扰信号均有较好的抑制效果,其典型工作频段为920MHz～925MHz,下行链路射频信号最大输入功率可达35dBm,在典型工作频段针对自干扰信号拥有11dB的平均抑制效果,模块尺寸仅有5cm×7cm大小,接入系统的远端天线单元中阻抗匹配良好,能够保证系统中RoF链路的工作性能,提高系统的接收灵敏度。本文针对新型分布式光载RFID系统中设备集中化管理的问题提出了一种低误码率、高效率的多串口-以太网接口转换模块。该模块将各节点的串口数据流与基于TCP/IP协议的以太网数据流相互转换,使不具备网口的旧设备也可以应用于新系统中,提高了设备的复用率。本文还提出一种基于奇偶校验的数据传输协议,可以保证模块在极限条件下数据传输的误码率是2.53%,正常条件下的数据传输误码率是0.480%,满足系统对实现集中化管理的要求。

关键词：光载RFID RFID 自干扰信号串口转换分布式网络