基於802.16-2004之OFDM基頻訊號EVM分析與實測｜國立中央大學博碩士論文系統

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研究生：	韋廣凱 Kuang-Kai Wei
論文名稱：	基於802.16-2004之OFDM基頻訊號EVM分析與實測 The EVM Analyse and Measurement on 802.16-2004 OFDM Baseband Signal
指導教授：	陳逸民 Yih-Min Chen
口試委員:
學位類別：	碩士 Master
系所名稱：	資訊電機學院 - 通訊工程學系在職專班 Executive Master of Communication Engineering
畢業學年度：	98
語文別：	中文
論文頁數：	97
中文關鍵詞：	802.16 、全球互通微波存取技術、誤差向量、正交分頻多工
外文關鍵詞：	OFDM, EVM, WiMax, 802.16
相關次數：	點閱：12 下載：0
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本篇論文主要是針對IEEE 802.16-2004 OFDM基頻訊號的EVM分析。
基頻訊號的分析流程是利用Delay Correlator以及Cross Correlator完成時序同步之後，經過載波頻率偏移補償、通道估測、取樣頻率誤差估測、相位追蹤到誤差向量幅度的計算，其中並探討量化誤差及峰值對平均能量比對誤差向量幅度的影響。
實測方面分為兩部份，第一組訊號使用Agilent E4438C ESG向量訊號產生器產生一符合802.16-2004的OFDM DL訊號，透過Agilent MXA N9020A訊號分析儀錄製未經補償的基頻訊號，第二組訊號使用商用發射機(WiMax CPE)透過Agilent MXA N9020A訊號分析儀錄製未經補償的基頻訊號，將兩組實測訊號藉由Matlab設計一完整的基頻訊號分析流程來分析訊號並求得EVM，並將分析結果與向量訊號分析儀之結果相互比對。

The thesis takes a discussion on EVM in IEEE 802.16-2004 OFDM PHY
standard.
Use Delay-Correlator and Cross-Correlator to finished the symbol
timing synchronization,after that,do the Carrier Frequency Offset
Channel Estimation Sampling Clock Estimation and Phase Tracking.
Finally, caculate the EVM and discuss the affect on Quantization Error
and PAPR.
In the actual measurement, first we use Agilent E4438C ESG to generate
the Uplink signal which consonant with the standard, and use Agilent
MXA N9020A Vector Signal Analyzer to recored the baseband signal then
run the analyse process. Finally, we use WiMax CPE to generate the
OFDM Downlink signal and also run the analyse process to compare with
the first result.

緒論
1 前言. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
2 研究動機 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
3 研究方法與目的. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
4 章節概要 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
IEEE 802.16通訊系統架構
1 OFDM原理介紹 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.1 單載波與多載波架構. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.1.1 單載波傳輸. . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.1.2 多載波傳輸. . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.2 OFDM調變原理. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.2.1 連續時間OFDM訊號. . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.2.2 離散時間OFDM訊號. . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.3 反快速傅立葉轉換(IFFT)和快速傅立葉轉換(FFT) . . . . . . . . 9
1.4 保護區間與循環字首. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2 IEEE 802.16-2004通訊系統架構 . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.1 802.16-2004 OFDM Symbol參數. . . . . . . . . . . . . . 11
2.2 訊框結構. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.2.1 Downlink Frame Structure . . . . . . . . . . . 12
2.2.2 Uplink Frame Structure . . . . . . . . . . . . 14
2.3 Preamble架構. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.4 Pilot . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.5 Modulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
3 OFDM系統同步問題 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
3.1 符元時序同步誤差的影響. . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3.2 取樣頻率誤差(SCO) 與載波頻率誤差(CFO)的影響 . . . . . . . . 20
3.3 通道效應. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
4 峰值對平均能量比例. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
5  量化誤差. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
基頻訊號分析的架構與設計
1 封包偵測. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2 符元同步. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
3 取樣頻率誤差及載波頻率偏移估測. . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.1  頻率偏移估測. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.2  頻率偏移估測之性能. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.3 取樣頻率誤差估測. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
4 通道估測及通道補償. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
4.1 通道估測和補償的演算法. . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
4.2 直接判斷反餽等化器. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
5 相位追蹤. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
6 誤差向量幅度與調變誤差比估測 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
系統模擬與結果分析
1  標準訊號模擬. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
1.1 訊號結構. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
1.2 封包偵測演算法. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
1.3 符元同步. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
1.4 CP長度估測. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
1.5 符元同步誤差的影響. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
1.6 載波頻率偏移估測與補償. . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
1.7 通道估測與補償. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
1.7.1 利用訓練符元. . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
1.7.2 直接判斷反餽法同步在ISI-Free Region . . . . . . . 47
1.8 相位追蹤. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
1.9 取樣頻率誤差的影響. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
1.10 PAPR對EVM的影響. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
1.10.1 非線性失真. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
1.11  量化誤差與Clipping Noise . . . . . . . . . . . . . . . . 55
2 向量訊號分析儀錄製環境. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
2.1 訊號錄製環境. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
2.2 訊號結構. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
2.3 向量訊號分析儀分析結果. . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
2.4 封包偵測演算法結果. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
2.5 符元同步. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
2.6 CP長度估測. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
2.7 載波頻率偏移估測與補償. . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
2.8 通道估測與補償. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
2.8.1 利用訓練符元. . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
2.8.2 直接判斷反餽法同步在ISI-Free Region . . . . . . . 65
2.9 相位追蹤. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
2.10 取樣頻率誤差估測 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
2.11 誤差向量幅度估測結果. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
2.12 綜合結果. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
3 商用CPE 錄製訊號. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
3.1 訊號錄製環境. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
3.2 訊號結構. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
3.3 向量訊號分析儀分析結果. . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
3.4 封包偵測演算法結果. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
3.5 符元同步. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
3.6 CP 長度估測. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
3.7 載波頻率偏移估測與補償. . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
3.8 通道估測與補償. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
3.8.1 利用長訓練符元. . . . . . . . . . . . . . . . . 76
3.8.2 直接判斷反餽法同步在ISI − FreeRegion . . . . . . 78
3.9 相位追蹤. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
3.10 取樣頻率誤差估測. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
3.11 誤差向量幅度估測結果. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
3.12 綜合結果. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
結論

                                

[1] CCU, ”OFDM Teaching Meterials”
[2] IEEE, ”IEEE Std 802.16-2004, Part 16 : Air Interface for Fixed Broadband Wireless
Access Systems”, Oct 1 2004
[3] Mohinder Jankiraman, ”Space-Time Codes and MIMO Systems”, 2004
[4] Shou-Yin Liu, Jong-Wha Chong, ”A Study of Joint Tracking Algorithms of carrier
Frequency Offset and Sampling Clock Offset for OFDM-Based WLANs”, NCU Thesis,
Jun 2005
[5] National Instruments Web Site, ”http://zone.ni.com/devzone/cda/tut/p/id/6251”
[6] Richard Van Nee, Ramjee Prasad, ”OFDM for Wireless Multimedia Communications”,
Jan 2000
[7] Chih-Chung Wu, ”IEEE 802.16-2004 TDD OFDM Downlink Frame Timing Synchronization”,
NCU Thesis, Jun 2005
[8] Chan-He Lin, ”Study of IEEE 802.16-2004 TDD OFDM Downlink Channel Estimation”,
NCU Thesis, Jun 2005
[9] Bro-Fung Huang, ”Real-Time Software Design and Implementation of Digital Baseband
Receiver for DVB-T System”, NCU Thesis, July 2005
[10] I-Chung Chen, ”Implementation and Testing for Wireless Lan Transceiver”, NCU
Thesis, July 2005
[11] Cheng-Che Chung, ”Simution and Implementation of Frequency and Timing Synchronization
for DVB-T Receivers”, NCU Thesis, Jun 2007

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