科技的發展帶來了越來越多的資訊, 越來越多的資訊依靠著網路來傳輸, 不管是有線的乙太網路或者是WLAN 之類的無線網路都需要越來越快速的傳輸速率, 在往後更高傳輸速率的傳輸媒介是必須的, 因此我們期望設計出更高傳輸速率的通訊系統。
我們選定目前最高傳輸速率的超寬頻通訊系統, 我們將針對最高資料傳輸速率480 Mbps的模式進行設計, 將其結合多重輸出輸入傳輸技術(MIMO) 以提升料傳輸速率, 我們的目標是利用4 × 4 的空間多工(Spatial Multiplexing) 技術將資料傳輸速率做4 倍的提升。
在系統演算法的設計方面我們先針對超寬頻通訊系統的480 Mbps 傳輸速率模式進行傳輸端以及接收端設計, 接收端的設計方面包括幾個特點, 由於超寬頻通訊系統是使用Zero Padding 的區間補零方式, 因此我們將使用Overload and Add 演算法來加強系統的效能。
在480 Mbps 傳輸速率模式下是使用多重載波調變來傳送資料, 我們將會在這邊提出因應的解調方式, 利用最大近似的方式解調出多重載波調變所乘載的資訊。
超寬頻通訊系統架構完成後, 在這個基礎上我們將其擴展到4×4 的MIMO 系統, 同時考量到MIMO 系統下的通道估測的需求將原本的前置碼作稍微的更動設計, 利用802.11n中被採用的四根天線四組前置碼的傳送矩陣進行通道估測前置碼的設計。而原本的多重載波調變方式在擴展到4 × 4 的MIMO 系統之後, 將會使的MIMO 偵測器非常困難設計, 因此在MIMO 系統下我們將調變方式降回原本的QPSK 調變, 以期待能夠使得MIMO 偵測器能夠有較大的設計空間, 如此在接收端的MIMO 偵測器設計上我們就能夠採用最佳近似偵測器的演算法卻不會大幅度增加系統的複雜度。
最後提出我們的模擬結果證明在4 × 4 的MIMO 系統下不只能夠大幅度增加系統的資料傳輸速率, 同時利用MIMO 系統擁有多元增益的特性也使得系統的效能也得到了大幅度的提升。最終我們成功的設計出一組超快速的基頻傳輸處理器, 一舉將資料傳輸速率提升到1920 Mbps , 而且也提升了系統的效能。

1 研究動機1
1.1 導論. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 研究動機. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.3 章節架構. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2 超寬頻通訊技術5
2.1 前言[3] [4] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.2 ECMA-368 規格標準概述[2] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.2.1 資料傳輸速率的相對系統參數(Rate-Dependent System Parameters) 7
2.2.2 實體層的詳細規格(Physical Layer Specifications) . . . . . . . . . . 9
3 多重輸入輸出通訊原理19
3.1 簡介. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3.2 多重輸入輸出系統模型[8] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
3.3 多重輸入輸出的分集(Diversity) 概念. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
3.3.1 天線分集(antenna diversity) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3.3.2 天線多路傳輸(antenna multiplexing) . . . . . . . . . . . . . . . . 26
3.4 空間多工的MIMO 接收器技術. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
3.4.1 線性接收器技術. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
3.4.2 非線性接收器技術(Non-linear Receiving Techniques) . . . . . . . . 28
3.4.3 比較. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
4 單一輸出輸入架構33
4.1 傳送機架構. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
4.2 接收機架構. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
4.2.1 時序同步. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
4.2.2 通道估測. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
4.2.3 資料解調. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
5 多重輸出輸入架構55
5.1 簡介. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
5.1.1 前置碼架構. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
5.1.2 調變器架構. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
5.2 傳送機架構. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
5.3 接收機架構. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
5.3.1 時序同步. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
5.3.2 通道估測. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
5.3.3 資料解調. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
5.3.4 MIMO 接收端架構需求處理速率. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
6 系統模擬69
6.1 單一輸出輸入通道模型. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
6.1.1 多重路徑衰減. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
6.1.2 載波頻率偏移(CFO) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
6.1.3 取樣頻率偏移(SFO) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
6.1.4 高斯白雜訊(AWGN) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
6.1.5 整體通道模型. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
6.2 單一輸出輸入效能模擬結果. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
6.2.1 Overload and Add 演算法效能. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
6.2.2 整體通道干擾下的系統效能. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
6.3 多重輸出輸入通道模型. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
6.4 效能模擬結果. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
6.4.1 最大近似偵測區塊簡化效能. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
6.4.2 取樣頻率估測效能比較效能. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
6.4.3 不同通道環境下的系統效能. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
6.5 MIMO系統與SISO 系統的整體效能比較. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
6.6 MIMO系統與SISO 系統的效能探討. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
7 電路設計及平台驗證87
7.1 電路硬體實現. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
7.1.1 IFFT 及FFT 電路架構. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
7.1.2 傳輸端整體電路設計. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
7.2 平台驗證及流程. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
7.2.1 控制訊號時序. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
7.2.2 資料封包格式. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
7.2.3 硬體使用量. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
7.2.4 DEMO 平台. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
8 未來發展及結論99
8.1 未來發展. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
8.2 結論. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99

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