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研究生： 涂捷
Chieh Tu
論文名稱： 以軟體定義無線電平台設計與實現LTE FDD多用戶上行鏈路之同步機制
Design and Implementation of LTE FDD Multi-User Uplink Synchronizer with SDR Platform
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
Department of Communication Engineering
論文出版年： 2017
畢業學年度： 106
語文別： 中文
論文頁數： 110
中文關鍵詞： 軟體定義無線電 、多用戶 、上行鏈路 、同步
外文關鍵詞： Synchronizer
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    • 隨著無線通訊技術的發展，LTE(Long Term Evolution)在第四代行動
    通訊扮演了十分重要的角色。在文中將會針對LTE上行以及下行鏈路
    系統做介紹，包括其使用之正交分頻多工(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)技術、上行以及下行鏈路的規格以及調變原理等。
    而本篇論文以軟體無線電的方式，實現LTE上行以及下行鏈路的
    發射機與接收機之對傳(手機與基地台之對傳)。透過搭載實務軟體定義無線電平台，可以實際即時的在特定的頻段發設與接收空中的訊號，也可以改變發射及接收增益來觀察訊號在經過空氣後發生的變化，以及探討訊號的品質評斷系統優劣度等等。

    With the development of wireless communication technology, LTE(Long Term Evolution) plays an important role in the fourth generation of mobile communication technology. In this thesis, we introduce for the LTE uplink and LTE downlink system, including the use of OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)technology, speci fications and uplink modulation and downlink modulation principle, etc.

    In this thesis, we used Software-de ne-radio to achieve LTE uplink and downlink transmitter and receiver(communication of user and base station). By the
    Software-de fined-radio platform, we can immediatly transmit and receiver signal in the air on some particular band. Also we can change transmit and receive gain to observe the transformation of the signal in the air, discussion on the quality of the signal and system, etc.

    目錄 頁次 中文摘要.............................................................................................................. i ABSTRACT ......................................................................................................... ii 謝誌...................................................................................................................... iii 目錄...................................................................................................................... iv 圖目錄..................................................................................................................viii 表目錄.................................................................................................................. xii 一、緒論.............................................................................................................. 1 1.1 研究動機與背景. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.2 章節簡介. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 二、長期演進技術上行與下行鏈路系統簡介.................................................. 3 2.1 正交分頻多工調變原理. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 2.2 保護區間(Guard Interval) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 2.3 單載波分頻多重存取系統. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 2.4 正交分頻多重存取系統. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 2.5 長期演進技術結構介紹. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 2.5.1 長期演進技術訊框架構類型. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 2.5.2 分頻與分時多工. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 2.5.3 LTE 上行鏈路參考訊號配置. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 2.5.4 長期演進技術下行通道種類. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 2.5.5 長期演進技術下行訊號種類. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 2.5.6 長期演進技術下行傳輸規格. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 2.5.7 長期演進技術分頻多工. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 2.5.8 長期演進技術規格. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 iv 三、使用者端長期演進技術系統...................................................................... 21 3.1 星座圖映射. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 3.2 離散傅立葉轉換. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 3.2.1 Radix-2 DIF 演算法. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 3.2.2 WFTA 3 演算法. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 3.2.3 WFTA5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 3.3 快速傅立葉轉換. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 3.4 循環字首. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 3.5 參考訊號. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 3.6 符碼時序同步(Symbol Timing Synchrnization) . . . . . . . . . . 35 3.6.1 符碼時序偏移討論. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 3.6.2 符碼時序同步原理. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 3.7 載波頻率同步(Carrier Frequency Synchronization) . . . . . . . . 38 3.7.1 載波頻率誤差之影響. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 3.7.2 載波頻率同步原理. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 3.7.3 載波頻率誤差之比例修正. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 3.8 子訊框同步(Subframe Synchronization) . . . . . . . . . . . . . . . 43 3.8.1 主同步訊號. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 3.8.2 子訊框同步原理. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 四、基地台端長期演進技術之系統.................................................................. 47 4.1 符碼時序同步(Symbol Timing Synchrnization) . . . . . . . . . . . 48 4.1.1 基地台與使用者發射端之關係. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 4.1.2 基地台接收機符碼時序截取. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 4.2 通道估測(Channel Estimation) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 4.2.1 最小平方近似法通道估測. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 4.2.2 多項式模型化通道估測(Polynomial Model Based) . . . . . . . . 52 4.2.3 取樣後維持通道估測(Sample and Hold) . . . . . . . . . . . . . . 54 五、使用者端硬體實現...................................................................................... 55 5.1 使用者端LTE 下行鏈路接收機系統架構. . . . . . . . . . . . . 55 5.2 符碼時序同步器(Symbol Timing Synchronizer) . . . . . . . . . . 56 5.2.1 延遲相關器. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 v 5.2.2 峰值檢測器. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 5.2.3 符碼同步器. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 5.3 載波頻率同步器(Carrier Frequency Synchronizer) . . . . . . . . . 60 5.3.1 移動平均(Moving Average) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 5.4 快速傅立葉轉換器. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 5.4.1 FFT/IFFT 切換. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 5.4.2 蝶型運算器. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 5.4.3 FFT 時序控制. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 5.4.4 位元反轉排序. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 5.5 子訊框同步器(Subframe Synchronizer) . . . . . . . . . . . . . . . 69 5.5.1 主同步訊號偵測器. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 5.5.2 Zado -Chu序列相乘器. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 5.5.3 主同步訊號交互相乘器. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 5.5.4 主同步訊號峰值檢測器. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 5.6 使用者端LTE 上行鏈路發射機系統架構. . . . . . . . . . . . . 73 5.7 時間觸發器(Timing Trigger) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 5.8 星座圖映射器. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 5.9 離散傅立葉轉換器. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 5.9.1 Radix-2 SDF 架構. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 5.9.2 WFTA SDF 架構. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 5.10 領航符碼置入器. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 5.11 子載波映射器. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 5.12 循環字首置入器. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 六、基地台端硬體實現...................................................................................... 83 6.1 基地台端LTE 下行鏈路發射機系統架構. . . . . . . . . . . . . 83 6.2 參考訊號與主同步訊號置入器. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 6.3 基地台端LTE 上行鏈路接收機系統架構. . . . . . . . . . . . . 85 6.4 符碼時序同步器(Symbol Timing Synchronizer) . . . . . . . . . . 86 6.5 通道估測器(Channel Estimator)與等化器(Equalizer) . . . . . . . 88 6.5.1 最小平方近似法模組. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 6.5.2 二次多項式模組. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 6.5.3 取樣後維持. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 vi 6.5.4 通道等化器. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 七、軟體定義無線電平台.................................................................................. 94 7.1 軟體定義無線電. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 7.2 軟體定義無線電平台. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 7.3 MATLAB to SIMIS Engine IC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 7.4 FPGA(AC701) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 7.5 RF module(AD9361) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 7.6 實驗結果. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 7.6.1 合成報告書. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 7.6.2 發射機硬體實現結果. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 7.6.3 接收機硬體實現結果. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 八、結論..............................................................................................................108 參考文獻..............................................................................................................109

    參考文獻
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