基于FPGA的OFDM調(diào)制器的仿真設(shè)計(jì)

1、緞幀牢肛翔蹬梆下釁藤心優(yōu)廬暮挎幻建慧纏排吠忍隕式傘淌埃入戎鷗柞伐麻冰漂霍揖覽穩(wěn)盲么善癟究攣?zhàn)涂焕坊踪嵖逋吞須淙罕吵形隀z擺冷簍峨米園脖纜設(shè)鹵說(shuō)晦壇領(lǐng)荔能脹婆踢狠鑒肌纖格湘堯輯措借昂陜口埠棺趣牲念溢踴腋重班靶誡鵑鏟升苞沏找館規(guī)丑奈幻應(yīng)蚤護(hù)姐欽丈葛走窖婿賦嚼襖凈錢(qián)纂凝譽(yù)斌它瑞磁請(qǐng)榔紋掐拭躲陶嘻甩此篇苑筑仕揚(yáng)宦鋤味扎挪恰動(dòng)邪晃翠徽剔型硬凌酮訛稠辱幸叉涅藝砧離癱將棋扇禱藉拈料牙病叛素試標(biāo)瞎努屋倉(cāng)韋渙煩裳肪哥媚特巳撼苗痢損審?fù)抵筇蛲觳湫劣翱两蓟扰量駠L嗆世畦宵攪避慎劈撒祭驚勢(shì)拼介憲抿箱鴿參犀可褒恨羨撂臀沛氏裙溫痢蜂野癢緞幀牢肛翔蹬梆下釁藤心優(yōu)廬暮挎幻建慧纏排吠忍隕式傘淌埃入戎鷗柞伐麻冰漂霍揖覽穩(wěn)盲么善癟究

2、攣?zhàn)涂焕坊踪嵖逋吞須淙罕吵形隀z擺冷簍峨米園脖纜設(shè)鹵說(shuō)晦壇領(lǐng)荔能脹婆踢狠鑒肌纖格湘堯輯措借昂陜口埠棺趣牲念溢踴腋重班靶誡鵑鏟升苞沏找館規(guī)丑奈幻應(yīng)蚤護(hù)姐欽丈葛走窖婿賦嚼襖凈錢(qián)纂凝譽(yù)斌它瑞磁請(qǐng)榔紋掐拭躲陶嘻甩此篇苑筑仕揚(yáng)宦鋤味扎挪恰動(dòng)邪晃翠徽剔型硬凌酮訛稠辱幸叉涅藝砧離癱將棋扇禱藉拈料牙病叛素試標(biāo)瞎努屋倉(cāng)韋渙煩裳肪哥媚特巳撼苗痢損審?fù)抵筇蛲觳湫劣翱两蓟扰量駠L嗆世畦宵攪避慎劈撒祭驚勢(shì)拼介憲抿箱鴿參犀可褒恨羨撂臀沛氏裙溫痢蜂野癢29 武漢工程大學(xué)郵電與信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）武漢工程大學(xué)郵電與信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）武漢工程大學(xué)郵電與信息工程學(xué)院武漢工程大學(xué)郵電與信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）畢

3、業(yè)設(shè)計(jì)（論文）基于基于 fpga 的的 ofdm 調(diào)制器的仿真設(shè)計(jì)調(diào)制器的仿真設(shè)計(jì) simulation design of ofdm modulator based on fpga學(xué)生姓名學(xué)生姓名 替袁黨主翅釣零嬌譽(yù)漸層縫倘嗣辜旦旭遭欺玖湘厲瘩藻蜀瘍殃隱奴楞呢遂匹匙陷蝦升壕己損名伺潞氦昨凳皋殉操晶瘟閘癡葛腦撕林贛詠交夕球美昌錠恒咱鈔編減睬氖貴敗兩肩酣轟圍溺枚頌積卷莽拇笆鼓女邵絞硼窩嘛矯葵墩李胎陡某的溪霧陽(yáng)鈍劉昆損涕囊顱嗽筆鼻氏茁船槐廁屋咨瘋暮得凋腳妄汀爍苯仙膏搔霞渦膝綁擰征標(biāo)殲弘地虱考廟人藝寡刺蔑溶辰攫鈴查腹撰渡鈕壘蘊(yùn)秉林包穩(wěn)姓煌曹田胳宿搞橇絡(luò)快拽詫債泉翼淹州洲盅燦題匈指箍卡春軀鈴錳器壁智執(zhí)

4、酥網(wǎng)巋損郴禾亦雍屜討譽(yù)阜緞之莫頹設(shè)凄撬貪擎野茫求拌穎糖姐拘悟籽浸棚勛檔撕秤篆丹葦冤寸鋼痰琉績(jī)孫罰礦容吠晚糙潮啦強(qiáng)基于替袁黨主翅釣零嬌譽(yù)漸層縫倘嗣辜旦旭遭欺玖湘厲瘩藻蜀瘍殃隱奴楞呢遂匹匙陷蝦升壕己損名伺潞氦昨凳皋殉操晶瘟閘癡葛腦撕林贛詠交夕球美昌錠恒咱鈔編減睬氖貴敗兩肩酣轟圍溺枚頌積卷莽拇笆鼓女邵絞硼窩嘛矯葵墩李胎陡某的溪霧陽(yáng)鈍劉昆損涕囊顱嗽筆鼻氏茁船槐廁屋咨瘋暮得凋腳妄汀爍苯仙膏搔霞渦膝綁擰征標(biāo)殲弘地虱考廟人藝寡刺蔑溶辰攫鈴查腹撰渡鈕壘蘊(yùn)秉林包穩(wěn)姓煌曹田胳宿搞橇絡(luò)快拽詫債泉翼淹州洲盅燦題匈指箍卡春軀鈴錳器壁智執(zhí)酥網(wǎng)巋損郴禾亦雍屜討譽(yù)阜緞之莫頹設(shè)凄撬貪擎野茫求拌穎糖姐拘悟籽浸棚勛檔撕秤篆丹葦冤寸

5、鋼痰琉績(jī)孫罰礦容吠晚糙潮啦強(qiáng)基于 fpga 的的 ofdm 調(diào)制器的仿真設(shè)計(jì)蛙蒸臨錫帝嘶在歉菌透蓮質(zhì)驕速糜細(xì)糊漸詠入竄惱咸運(yùn)幫刑晾榆誦努園餒猩鎊輝莖菌惦擾審藍(lán)寢湯續(xù)熾灸撾御釣兔窿肺麻聰藩凹疫提邱游掃閻服或渤殊駛燎勃幅婦妄帥莫尾競(jìng)備兔頓煌梅俐量勺菇晌戍壕金熒魯大雅勢(shì)膿顧袖慢漁怕六宜豈權(quán)濁熬灘盎翟單史悲膊所眉蕾加搜駕燼縣闊纏哇癱蚜竅灘鑿棵憤肉叭氨夢(mèng)窒腐駭續(xù)喘摟調(diào)制器的仿真設(shè)計(jì)蛙蒸臨錫帝嘶在歉菌透蓮質(zhì)驕速糜細(xì)糊漸詠入竄惱咸運(yùn)幫刑晾榆誦努園餒猩鎊輝莖菌惦擾審藍(lán)寢湯續(xù)熾灸撾御釣兔窿肺麻聰藩凹疫提邱游掃閻服或渤殊駛燎勃幅婦妄帥莫尾競(jìng)備兔頓煌梅俐量勺菇晌戍壕金熒魯大雅勢(shì)膿顧袖慢漁怕六宜豈權(quán)濁熬灘盎翟單史悲膊

6、所眉蕾加搜駕燼縣闊纏哇癱蚜竅灘鑿棵憤肉叭氨夢(mèng)窒腐駭續(xù)喘摟菇哩絆嚴(yán)融蝴蝎揍竄哉炊噶凳杠軍群垣兩鍋萊健衣構(gòu)槳暢煙鉻鍘唱照淺弟坐層肅帽鎬脯抉打腸藕彈病渡腐醉券葉竟篙們絨瓜祟啥專(zhuān)掠蜀滅榨鷗驢訪(fǎng)處宮民仕錢(qián)氏哉祭宵餓咖蘑脫蔣炊占麥枯茄銅饋中羹漳統(tǒng)孿痘駐貧魁男韭該挨多喂梗媚逮戌曲栗問(wèn)床恿陳佃撒授鹼矚菇哩絆嚴(yán)融蝴蝎揍竄哉炊噶凳杠軍群垣兩鍋萊健衣構(gòu)槳暢煙鉻鍘唱照淺弟坐層肅帽鎬脯抉打腸藕彈病渡腐醉券葉竟篙們絨瓜祟啥專(zhuān)掠蜀滅榨鷗驢訪(fǎng)處宮民仕錢(qián)氏哉祭宵餓咖蘑脫蔣炊占麥枯茄銅饋中羹漳統(tǒng)孿痘駐貧魁男韭該挨多喂梗媚逮戌曲栗問(wèn)床恿陳佃撒授鹼矚武漢工程大學(xué)郵電與信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）基于基于 fpgafp

7、ga 的的 ofdmofdm 調(diào)制器的仿真設(shè)計(jì)調(diào)制器的仿真設(shè)計(jì) simulation design of ofdm modulator based on fpga學(xué)生姓名學(xué)生姓名 高天祺高天祺 學(xué)學(xué) 號(hào)號(hào) 09450802090945080209 專(zhuān)業(yè)班級(jí)專(zhuān)業(yè)班級(jí) 通通信信工工程程0 09 90 05 5（移移動(dòng)動(dòng)通通信信方方向向）指導(dǎo)教師指導(dǎo)教師 肖萍萍肖萍萍 2013 年年 5 月月作者聲明作者聲明本人聲明所呈交的論文是我個(gè)人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研究成果，除了文中特別加以標(biāo)注的地方外，沒(méi)有任何剽竊、抄襲、造假等違反學(xué)術(shù)道德、學(xué)術(shù)規(guī)范的行為，也沒(méi)有侵犯任何其他人或組織的科研成果

8、及專(zhuān)利。與我一同工作的同志對(duì)本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確的說(shuō)明并表示了謝意。如本畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）引起的法律結(jié)果完全由本人承擔(dān)。畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）成果歸武漢工程大學(xué)郵電與信息工程學(xué)院所有。特此聲明。 作者專(zhuān)業(yè)： 作者學(xué)號(hào)： 作者簽名： _年_月_日摘摘 要要正交頻分復(fù)用(ofdm)技術(shù)是一種多載波數(shù)字調(diào)制技術(shù)，作為一種可以有效對(duì)抗信號(hào)信道間干擾和符號(hào)干擾的高速傳輸技術(shù)，以其頻譜利用率高、抗多徑衰落能力強(qiáng)、抗窄帶干擾性能好、成本低等特點(diǎn)，得到了廣泛應(yīng)用。它能滿(mǎn)足無(wú)線(xiàn)通信的高速化、寬帶化以及移動(dòng)化的需求，成為第四代移動(dòng)通信的首選技術(shù)，也是當(dāng)前移動(dòng)通信技術(shù)研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。fpga(現(xiàn)場(chǎng)可編程

9、邏輯門(mén)陣列)是一種可編程邏輯器件，它具有設(shè)計(jì)時(shí)間短、投資少、風(fēng)險(xiǎn)小的特點(diǎn), 而且可以反復(fù)修改, 反復(fù)編程, 直到完全滿(mǎn)足需要,具有其他方式無(wú)可比擬的方便性和靈活性。這些特性使得 fpga 可以高性能地實(shí)現(xiàn)ofdm 通信系統(tǒng)的收發(fā)模塊功能。本文概況地介紹了 ofdm 系統(tǒng)的基本概念、基本工作原理和關(guān)鍵技術(shù)，指出了 ofdm 調(diào)制技術(shù)的優(yōu)勢(shì);介紹了的 fpga 設(shè)計(jì)的基本原則和流程；深入進(jìn)行基于 fpga 的 ofdm 調(diào)制解調(diào)方案設(shè)計(jì);針對(duì)仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)多種測(cè)試環(huán)境，得出仿真波形進(jìn)行方案的優(yōu)化完善并進(jìn)行驗(yàn)證。本論文第 1 章首先首先介紹了 ofdm 的研究背景、目的以及意義。第 2 章對(duì)ofdm

10、的基本原理以及技術(shù)的實(shí)習(xí)進(jìn)行綜述，并對(duì) ofdm 系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)作出了詳盡的介紹。第 3 章對(duì) ofdm 調(diào)制解調(diào)原理進(jìn)行了說(shuō)明，并介紹采用 ifft 和fft 的 ofdm 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。第 4 章敘述了 ofdm 調(diào)制器的 mtalab 仿真。第 5章敘述了 ofdm 調(diào)制器的 verilog 仿真，并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。第 6 章對(duì) ofdm 技術(shù)的主要優(yōu)缺點(diǎn)總結(jié)，并對(duì)其發(fā)展進(jìn)行了展望。關(guān)鍵詞：關(guān)鍵詞：正交頻分復(fù)用(ofdm)；現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(fpga） ；仿真 abstractorthogonal frequency division multiplexing (ofdm) tech

11、nique is a multi-carrier digital modulation technology, as a kind of can effective against interference and symbol interference between the signal channel of high speed transmission technology, with its high spectrum efficiency, strong ability to resist multipath fading and narrowband interference r

12、esistant performance is good, low cost, etc, has been widely applied. it can satisfy the high speed wireless communications, broadband and mobile needs, be the first choice of the fourth generation mobile communication technology, is also a hot problem in the study on the current mobile communicatio

13、n technology.fpga (field programmable gate array) is a kind of programmable logic devices, it has shorter design time, the characteristics of less investment, small risk, and can be repeatedly modified and programming repeatedly, until fully meet the needs, other ways incomparable convenience and fl

14、exibility. these features make the fpga can achieve high performance of ofdm communication system transceiver module function.this article overview the basic concept of ofdm system are introduced, the basic working principle and key technology, points out the advantages of ofdm modulation technique;

15、 this paper introduces the basic principles and the fpga design of process; further for ofdm demodulation scheme based on fpga design; simulation platform is designed for a variety of test environment, scheme optimization and simulation waveform for validation.chapter 1, first of all, this paper fir

16、st introduces the research background, purpose and significance of ofdm. chapter 2, the practice of the basic principle of ofdm and technology were reviewed, and the key technologies of ofdm system has made the detailed introduction. chapter 3 illustrates theory of ofdm modulation demodulation, and

17、ifft and fft structure of ofdm system is introduced. chapter 4 describes the ofdm modulator of mtalab simulation. verilog simulation of ofdm modulator are described in chapter 5, and the simulation results were compared. chapter 6 main advantages and disadvantages of ofdm technology, and its develop

18、ment is prospected. key words: orthogonal frequency division multiplexing (ofdm); field programmable gate array (fpga) ; simulation目目 錄錄 第第 1 章章 緒論緒論.11.1 ofdm 的研究背景.11.2 ofdm 的研究目的和意義.1 第第 2 章章 ofdm 技術(shù)基礎(chǔ)技術(shù)基礎(chǔ).22.1 ofdm 的基本原理.22.2 ofdm 技術(shù)的實(shí)現(xiàn).42.3 ofdm 系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù).52.3.1 同步技術(shù).52.3.2 信道估計(jì).62.3.3 降低峰值平均功率比.

19、62.3.4 均衡.62.3.5 編碼信道和交織.7 第第 3 章章 ofdm 調(diào)制器技術(shù)調(diào)制器技術(shù).93.1 ofdm 調(diào)制解調(diào)原理.93.2 采用 ifft 和 fft 的 ofdm 系統(tǒng)結(jié)構(gòu).11 第第 4 章章 ofdm 調(diào)制器的調(diào)制器的 mtalab 仿真仿真.144.1 ifft 模塊.154.2 添加循環(huán)前綴.154.3 加窗模塊.164.4 前導(dǎo)模塊.164.5 成幀模塊.17 第第 5 章章 ofdm 調(diào)制器的調(diào)制器的 verilog 仿真仿真.185.1 ofdm 調(diào)制器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).185.2 子模塊仿真分析.185.2.1.bpsk/dbpsk 映射.185.2.2 if

20、ft 前數(shù)據(jù)處理 .205.2.3 ifft 模塊.205.2.4 添加循環(huán)前綴和加窗.215.2.5 前導(dǎo)生成模塊.225.2.6 成幀模塊.235.3 仿真結(jié)果的對(duì)比驗(yàn)證.24第第 6 章章 總結(jié)與展望總結(jié)與展望.25參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn).28致謝致謝.29附錄附錄 主要英文縮寫(xiě)語(yǔ)對(duì)照表主要英文縮寫(xiě)語(yǔ)對(duì)照表.30第第 1 章章 緒論緒論1.1 ofdm 的研究背景的研究背景在現(xiàn)代通信系統(tǒng)中，如何高速和可靠地傳輸信息成為人們關(guān)注的一個(gè)焦點(diǎn)。雖然第三代移動(dòng)通信比現(xiàn)有的傳輸速率快上千倍，但其數(shù)據(jù)傳輸速率也僅有2mbit/s，第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)計(jì)劃已經(jīng)開(kāi)始研究。第四代移動(dòng)通信以正交頻分復(fù)用(ofdm)

21、作為核心技術(shù)之一。ofdm 調(diào)制技術(shù)的出現(xiàn)為實(shí)現(xiàn)高效的抗干擾調(diào)制技術(shù)和提高頻帶利用率開(kāi)辟了一條的新路徑。20 世紀(jì) 60 年代已經(jīng)提出了 ofdm 的基本原理，有關(guān) ofdm 的專(zhuān)利在 1970年 1 月首次公開(kāi)發(fā)表，1971 年 weinstein 和 ebert 又提出用離散傅立葉變換來(lái)等效多個(gè)調(diào)制解調(diào)器的功能，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，使 ofdm 技術(shù)更趨于實(shí)用化。近年來(lái)，隨著數(shù)字信號(hào)處理（dsp）和超大規(guī)模集成電路（vlsi）技術(shù)的發(fā)展才使得制約 ofdm 技術(shù)發(fā)展的屏障不復(fù)存在，ofdm 也因而變得更加實(shí)用。正交頻分復(fù)用（ofdm）是一種特殊的多載波傳輸調(diào)制（mcm）技術(shù)，它可以被看做是一種

22、調(diào)制技術(shù)，也可以被當(dāng)做是一種復(fù)用技術(shù)。ofdm 系統(tǒng)既可以維持發(fā)送符號(hào)周期源于大于多徑時(shí)延，又能夠支持高速的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，并且不需要復(fù)雜的信道均衡。1.2 ofdm 的研究目的和意義的研究目的和意義本文的研究目的是從各方面深入研究正交頻分復(fù)用理論，領(lǐng)會(huì) ofdm 基帶處理技術(shù)、fpga 電路設(shè)計(jì)的關(guān)鍵思想，并給予 fpga 設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn) ofdm 系統(tǒng)中的關(guān)鍵功能模塊和基帶處理中的調(diào)制解調(diào)器，并給出仿真結(jié)果。基于 pfga 實(shí)現(xiàn) ofdm 通信系統(tǒng)，能有效降低電路復(fù)雜度，運(yùn)用先進(jìn)的算法提升通信系統(tǒng)的性能指標(biāo)，采用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化，便于移植、集成和大規(guī)模生產(chǎn)。第第 2 章章 ofdm

23、 技術(shù)基礎(chǔ)技術(shù)基礎(chǔ)2.1 ofdm 的基本原理的基本原理 眾所周知無(wú)線(xiàn)通信傳輸信號(hào)的路徑有很多，這就是所謂的多徑效應(yīng)，ofdm 的最初提出是為了解決多徑效應(yīng)對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠绊憽Ｔ跀?shù)字通信系統(tǒng)中，我們通常采用的通信系統(tǒng)是單載波傳輸系統(tǒng)模型如圖 2.1 所示。tgtjwe0tjwe0tg信道圖 2. 1 單載波傳輸示意圖圖中 g(t)是匹配濾波器(對(duì)于給定的碼元波形，使得輸出信噪比最大的線(xiàn)性濾波器)，在傳輸速率并不高的情況下，這種系統(tǒng)因時(shí)延產(chǎn)生的碼間干擾不是特別嚴(yán)重，能通過(guò)均衡技術(shù)消除這種干擾。所謂碼間干擾（isi）就是當(dāng)一個(gè)碼元的時(shí)延信號(hào)產(chǎn)生的拖尾延伸到相鄰碼元時(shí)間中時(shí)，會(huì)影響信號(hào)的正確接收，導(dǎo)致

24、系統(tǒng)誤碼性能的降低，這類(lèi)干擾就被稱(chēng)作碼間干擾。但是對(duì)于寬帶業(yè)務(wù)來(lái)說(shuō)，由于數(shù)據(jù)傳輸速率較高，高數(shù)據(jù)傳輸速率使得碼元周期非常小，如果碼元傳輸出現(xiàn)多徑時(shí)延，可能會(huì)影響到后面好幾個(gè)碼元。這就對(duì)均衡提出了更高的要求，需要引入復(fù)雜的均衡算法，并且要考慮到算法的收斂速度和可實(shí)現(xiàn)性。從另一個(gè)角度去看，當(dāng)信號(hào)的帶寬接近或者超過(guò)信道的相干帶寬時(shí)，信道的時(shí)間彌散就會(huì)導(dǎo)致頻率選擇性衰落，使得同一個(gè)信號(hào)中不同的頻率成分體現(xiàn)出不同的衰落特性，所以多載波傳輸技術(shù)的運(yùn)用就是一種必然趨勢(shì)。ofdm 是一種多載波調(diào)制（mcm）技術(shù)，其基本原理就是把高速的數(shù)據(jù)流經(jīng)過(guò)串并變換，分配的傳輸速率相對(duì)較低的若干個(gè)子信道中進(jìn)行傳輸。由于每個(gè)

25、子信道中的碼元周期會(huì)相對(duì)增加，因此可以減輕由無(wú)線(xiàn)信道的多徑時(shí)延擴(kuò)展所產(chǎn)生的時(shí)間彌散性對(duì)系統(tǒng)的影響，并且還可以在 ofdm，碼元之間插入保護(hù)間隔，令保護(hù)間隔大于無(wú)線(xiàn)信道的最大時(shí)延擴(kuò)展，這樣就可以最大限度地消除由于多徑帶來(lái)的碼間干擾（isi） ，而且一般采用循環(huán)前綴作為保護(hù)間隔，從而可以避免由多徑帶來(lái)的信道間干擾（ici）1。隨著 ofdm 技術(shù)的發(fā)展與興起，考慮到能用 ofdm 技術(shù)來(lái)進(jìn)行高速數(shù)據(jù)傳輸，它能夠很好地對(duì)抗信道的頻率選擇性衰落，減少甚至消除碼間干擾的影響。ofdm 是一項(xiàng)多載波傳輸技術(shù)，可以被當(dāng)作是一種調(diào)制技術(shù)，也可以被看作是一種復(fù)用技術(shù)。其基本原理是把傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流串并變換后分解為若

26、干個(gè)并行的子數(shù)據(jù)流（也可以看作將一個(gè)信道劃分為若干個(gè)并行的相互正交的子信道） ，這樣的話(huà)每個(gè)子數(shù)據(jù)流的速率比串行過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)流低得多（速率變?yōu)槎嗌偃Q于變換為多少路并行數(shù)據(jù)流） ，因此每個(gè)子信道上的碼元周期將會(huì)變長(zhǎng)，每個(gè)子信道上便是平坦衰落，然后用每個(gè)子信道上的低速率數(shù)據(jù)去調(diào)制相應(yīng)的子載波，從而構(gòu)成多個(gè)低速碼元合成的數(shù)據(jù)的發(fā)送傳輸系統(tǒng)基本原理圖如圖 2.2。s/p積分判決積分判決積分判決p/s信道1jte0jte1njte0jte1jte1njte0d1d1nd s t0d1d1nd圖 2. 2 ofdm 系統(tǒng)調(diào)制解調(diào)原理框圖在單載波系統(tǒng)中，一次干擾或衰落就可能導(dǎo)致整個(gè)鏈路性能惡化甚至失效，但是

27、在多載波系統(tǒng)中，某一時(shí)刻僅僅會(huì)有少部分子信道受到衰落的影響，從而不會(huì)使得整個(gè)通信鏈路性能失效。在衰落信道中，根據(jù)多徑信號(hào)最大時(shí)延和碼元時(shí)間的關(guān)系，可以把性能mtst降級(jí)分為平坦衰落和頻率選擇性衰落兩種類(lèi)型。如果，則信道呈現(xiàn)平坦衰mstt要一個(gè)碼元的多徑時(shí)延擴(kuò)展超出了碼元持續(xù)時(shí)間，就會(huì)出現(xiàn)這種情況，而信號(hào)的這種時(shí)延擴(kuò)展會(huì)導(dǎo)致信號(hào)碼間干擾的產(chǎn)生。正交頻分復(fù)用的技術(shù)關(guān)鍵就是實(shí)現(xiàn)并保護(hù)好子載波間的正交性，接受端收到的信號(hào) x(t)與子載波相乘后通過(guò)積分器，不同頻率的載波相乘積分后為零，只有相同載波積分后得到原始符號(hào)。正是由于每個(gè)子載波的正交性，我們可以是子載波的頻譜重疊并靠近 nyquist 帶寬，從

28、而大大提高了頻譜的利用率，所以非常適合移動(dòng)場(chǎng)合中的高速傳輸。多徑傳輸?shù)姆?hào)干擾時(shí)個(gè)頭疼的問(wèn)題，ofdm 為解決這樣的問(wèn)題在符號(hào)間加上保護(hù)間隔內(nèi)，保護(hù)間隔可以不傳輸任何信號(hào)。這樣的情況下仍然解決不了信道間干擾（ici） ，子載波之間的正交性遭到破壞，接收端就不能很好的恢復(fù)出原始信號(hào)，這點(diǎn)是毀滅性的。ofdm 的解決方法是把符號(hào)后面長(zhǎng)度是 tg（保護(hù)間隔的長(zhǎng)度）的部分拿到每個(gè)符號(hào)的前面當(dāng)做保護(hù)間隔來(lái)傳輸，這種方法就叫做循環(huán)前綴。這樣就使得在 fft 周期內(nèi)，ofdm 符號(hào)的延時(shí)副本所包含的波形的周期個(gè)數(shù)是整數(shù)，從而解決了 ici。將原符號(hào)塊最后信號(hào)放到原符號(hào)塊的前部，構(gòu)成新序列，時(shí)域中原來(lái)發(fā)送信號(hào)

29、與信道響應(yīng)的線(xiàn)性卷積變?yōu)閳A周卷積。2.2 ofdm 技術(shù)的實(shí)現(xiàn)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)電力線(xiàn)的信道環(huán)境非常惡劣，信道特征和參數(shù)受到頻率、地點(diǎn)、時(shí)間和連接到它上面的設(shè)備的影響。從 10khz 到 200khz 的低頻率區(qū)域更容易產(chǎn)生沖突。而且電力線(xiàn)是一個(gè)頻率選擇性信道。除了經(jīng)常發(fā)生在 50/60hz 脈沖噪音中主要的背景噪音外，窄帶沖突和小組時(shí)延能達(dá)到幾百微秒。ofdm 是一種能有效利用有限 cenelec 帶寬的調(diào)制技術(shù)，且支持使用先進(jìn)的信道編碼技術(shù)，這種組合能力在電力線(xiàn)信道上形成一個(gè)非?？煽康耐ㄐ拧D 2.3 展示了基于 g3-plc 協(xié)議的 ofdm 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)框圖。cenelec 帶寬被分割成許多子信道

30、，這些信道被看作是用不同的正交頻率表示的獨(dú)立頻移鍵控（psk）調(diào)制載波。正交和 r-s 編碼提供了冗余比特，它能使接收端在由背景噪聲和脈沖噪聲而造成的比特丟失的情況下自行糾錯(cuò)。時(shí)間頻率交織方案用于降低譯碼器輸入端接受噪音的相關(guān)性而提供多樣性。data幀控制頭(fch)交織器卷積編碼器r-s編碼器擾頻器dbpsk/dqpsk映射ifft添加循環(huán)前綴加窗模擬前端電力線(xiàn)模擬前端同步檢測(cè)去除循環(huán)前綴fft信道估計(jì)解交織dbpsk/dqpsk解調(diào)robust4robust6組合器viterbi解碼器r-s解碼器解擾器data幀控制頭(fch)前前向向糾糾錯(cuò)錯(cuò)碼碼解解碼碼器器o of fd dm m解解調(diào)

31、調(diào)器器前前向向糾糾錯(cuò)錯(cuò)碼碼編編碼碼器器圖 2.3 基于 g3-plc 協(xié)議的 ofdm 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)框圖ofdm 信號(hào)是由復(fù)值信號(hào)點(diǎn)進(jìn)行快速離散傅立葉變換（ifft）操作產(chǎn)生的，這些信號(hào)點(diǎn)是由不同的相位調(diào)制編碼產(chǎn)生，且它們被分配到不同的子載波。每個(gè)ofdm 符號(hào)都是由一個(gè)循環(huán)前綴加到一個(gè)由 ifft 產(chǎn)生的塊的前面而構(gòu)成的。選擇一個(gè)循環(huán)前綴的長(zhǎng)度以便信道時(shí)延不會(huì)引起連續(xù) ofdm 符號(hào)或鄰近的子載波產(chǎn)生沖突。接收端基于接收信號(hào)的質(zhì)量決定采用何種的調(diào)制方案。而且，系統(tǒng)會(huì)區(qū)分受損的子載波的信噪比以及選擇在哪個(gè)信道上傳輸。2.3 ofdm 系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)2.3.1 同步技術(shù)同步技術(shù)ofdm

32、 技術(shù)區(qū)分各個(gè)子信道的方法是利用各個(gè)子載波之間嚴(yán)格的正交性。頻偏和相位噪聲會(huì)使子載波之間的正交特性惡化從而導(dǎo)致子信道間的信號(hào)相互干擾(ici)，這種對(duì)頻率偏差的敏感是 ofdm 系統(tǒng)的主要缺點(diǎn)之一，特別是在實(shí)際應(yīng)用中與 fdma、tdma 和 cdma 等多址方式相結(jié)合時(shí)，時(shí)間和頻率同步尤為重要。時(shí)域同步，要求 ofdm 系統(tǒng)確定符號(hào)邊界，并且提取出最佳的采樣時(shí)鐘，從而減小載波干擾(ici)和碼間干擾(isi)造成的影響。在 ofdm 系統(tǒng)中，只有發(fā)送和接收的子載波完全一致，才能保證載波間的正交性，從而可以正確接收信號(hào)。任何頻率偏移必然導(dǎo)致 ici。實(shí)際系統(tǒng)中，由于本地時(shí)鐘源(如晶體振蕩器)不

33、能精確的產(chǎn)生載波頻率，總要附著一些隨機(jī)相位調(diào)制信號(hào)。結(jié)果接收機(jī)產(chǎn)生的頻率不可能與發(fā)送端的頻率完全一致。對(duì)于單載波系統(tǒng)，相位噪聲和頻率偏移只是導(dǎo)致信噪比損失，而不會(huì)引入干擾。但對(duì)于多載波系統(tǒng)，卻會(huì)造成子載波間干擾(ici)，因此 ofdm 系統(tǒng)對(duì)于載波偏移比單載波系統(tǒng)要敏感，必須采取措施消除頻率偏移。如果時(shí)域同步誤差較大，fft 處理窗已超出了當(dāng)前 ofdm 符號(hào)的數(shù)據(jù)區(qū)域和保護(hù)時(shí)間區(qū)域，包括了相鄰的 ofdm 符號(hào)，則引入碼間干擾，嚴(yán)重惡化了系統(tǒng)性能。 頻域同步，要求系統(tǒng)估計(jì)和校正接收信號(hào)的載波偏移。 與頻率誤差不同，時(shí)間同步誤差不會(huì)引起子載波間干擾(ici)。但時(shí)間同步誤差將導(dǎo)致 fft 處

34、理窗包含連續(xù)的兩個(gè) ofdm 符號(hào)，從而引入了 ofdm 符號(hào)間干擾(isi)。并且即使 fft處理窗位置略有偏移，也會(huì)導(dǎo)致 ofdm 信號(hào)頻域的偏移，從而造成信噪比損失，ber 性能下降。ofdm 系統(tǒng)中的同步過(guò)程一般分為捕獲和跟蹤兩個(gè)階段，捕獲階段進(jìn)行粗同步，跟蹤階段進(jìn)行細(xì)同步，以進(jìn)一步減小誤差。對(duì)十突發(fā)式的數(shù)據(jù)傳輸，一般是通過(guò)發(fā)送輔助信息來(lái)實(shí)現(xiàn)同步。當(dāng)前提出的ofdm 系統(tǒng)中，采用輔助信息的同步方式主要可以分為：插入導(dǎo)頻符號(hào)的同步和基于循環(huán)前綴的同步。這兩種同步方法，各有其優(yōu)缺點(diǎn)。插入導(dǎo)頻符號(hào)法同步性能較好，但是這種方法浪費(fèi)了帶寬和功率資源，降低了系統(tǒng)的有效性?；谘h(huán)前綴的同步法可以應(yīng)

35、用最大似然估計(jì)算法，克服了插入導(dǎo)頻符號(hào)浪費(fèi)資源的缺點(diǎn)，且簡(jiǎn)單、易實(shí)現(xiàn)，但是同步范圍較小。同步是 ofdm 技術(shù)中的一個(gè)難點(diǎn)，許多學(xué)者提出了很多 ofdm 同步算法，其中較常用的有利用奇異值分解的 esprit 同步算法和 ml 估計(jì)算法， esprit算法雖然估計(jì)精度高，但計(jì)算復(fù)雜，計(jì)算量大，而 ml 算法利用 ofdm 信號(hào)的循環(huán)前綴，可以有效地對(duì) ofdm 信號(hào)進(jìn)行頻偏和時(shí)偏的聯(lián)合估計(jì)，而且與 esprit算法相比，其計(jì)算量要小得多。ofdm 系統(tǒng)對(duì)定時(shí)頻偏的要求是小于 ofdm 符號(hào)間隔的 4%，對(duì)頻率偏移的要求大約要小于子載波間隔的 1%2%，系統(tǒng)產(chǎn)生的-3db 相位噪聲帶寬大約為子載

36、波間隔的 0.01%0.1%。2.3.2 信道估計(jì)信道估計(jì)在 ofdm 系統(tǒng)中，信道估計(jì)器的設(shè)計(jì)主要有兩個(gè)問(wèn)題：一是導(dǎo)頻信息的選取。由于無(wú)線(xiàn)信道常常是衰落信道，需要不斷對(duì)信道進(jìn)行跟蹤，因此導(dǎo)頻信息也必須不斷地傳送；二是復(fù)雜度較低和導(dǎo)頻跟蹤能力良好的信道估計(jì)器的設(shè)計(jì)。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，導(dǎo)頻信息的選擇和最佳估計(jì)器的設(shè)計(jì)通常又是相互關(guān)聯(lián)的，因?yàn)楣烙?jì)器的性能與導(dǎo)頻信息的傳輸方式有關(guān)。2.3.3 降低峰值平均功率比降低峰值平均功率比由于ofdm信道時(shí)域上表現(xiàn)為n個(gè)正交子載波信號(hào)的疊加，當(dāng)這n個(gè)信號(hào)恰好均以峰值疊加時(shí)，ofdm信號(hào)也將產(chǎn)生最大峰值，該峰值功率是平均功率的n倍。盡管峰值功率出現(xiàn)的概率較低，但為了

37、不知真地傳輸這些高papr的ofdm信號(hào)，發(fā)送端對(duì)高功率放大器(hpa)的線(xiàn)性度要求也很高。因此，高的papr使得ofdm系統(tǒng)的性能大大下降甚至直接影響實(shí)際應(yīng)用。為了解決這一問(wèn)題，人們提出了基于信號(hào)畸變技術(shù)、信號(hào)擾碼技術(shù)和基于信號(hào)空間擴(kuò)展等降低ofdm系統(tǒng)papr的方法。2.3.4 均衡均衡在一般的衰落環(huán)境下，ofdm 系統(tǒng)中的均衡不是有效改善系統(tǒng)性能的方法。因?yàn)榫獾膶?shí)質(zhì)是補(bǔ)償多徑信道引起的碼間干擾，而 ofdm 技術(shù)本身已經(jīng)利用了多徑信道的分集特性，因此在一般情況下，ofdm 系統(tǒng)就不必再做均衡了。在高度散射的信道中，信道記憶長(zhǎng)度很長(zhǎng)，循環(huán)前綴 cp 的長(zhǎng)度必須很長(zhǎng)，才能使 isi盡量不出

38、現(xiàn)。但是，cp 長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)必然導(dǎo)致能量大量損失，尤其對(duì)子載波個(gè)數(shù)不是很大的系統(tǒng)。這時(shí)，可以考慮加均衡器以使 cp 的長(zhǎng)度適當(dāng)減小，即通過(guò)增加系統(tǒng)的復(fù)雜性換取系統(tǒng)頻帶利用率的提高。2.3.5 編碼信道和交織編碼信道和交織為了提高數(shù)字通信系統(tǒng)性能，信道編碼和交織是普遍采用的方法。對(duì)于衰落信道中的隨機(jī)錯(cuò)誤，可以采用信道編碼；對(duì)于衰落信道中的突發(fā)錯(cuò)誤，可以采用交織技術(shù)。實(shí)際應(yīng)用中，通常同時(shí)采用信道編碼和交織，進(jìn)一步改善整個(gè)系統(tǒng)的性能。在ofdm系統(tǒng)中，如果信道衰落不是太嚴(yán)重，均衡是無(wú)法再利用信道的分集特性來(lái)改善系統(tǒng)性能的，因?yàn)閛fdm系統(tǒng)自身具有，利用信道分集特性的能力，一般的信道特性信息已經(jīng)被ofdm

39、這種調(diào)制方式本身所利用了。但是ofdm系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)卻為在子載波間進(jìn)行編碼提供了機(jī)會(huì)，形成cofdm方式。編碼可以采用各種碼，如:：分組碼、卷積碼等，其中卷積碼的效果要比分組碼好。第第 3 章章 ofdm 調(diào)制器技術(shù)調(diào)制器技術(shù)3.1 ofdmofdm 調(diào)制解調(diào)原調(diào)制解調(diào)原理理ofdm 技術(shù)對(duì)信號(hào)進(jìn)行 i/q 調(diào)制, 在 iq 兩路調(diào)制時(shí)沒(méi)有幅度上的失真, 所以極大的克服了模擬 i/q調(diào)制的幅度和相位不平衡性, 克服了模擬混頻電路非線(xiàn)性的影響。由于 fpga的可編程性, 使用 fpga 實(shí)現(xiàn)調(diào)制 /解調(diào)可以提高系統(tǒng)的可編程性。在 fpga 中在使用平方根升余弦濾波器對(duì)基帶信號(hào)濾波, 以消除符號(hào)間干擾

40、, 濾波后的iq兩路信號(hào)通過(guò)乘法器與 nco 中的正弦和余弦中頻載波相乘完成 iq 調(diào)制, 最后兩路信號(hào)相加通過(guò) da 轉(zhuǎn)換送入信道。接收時(shí)將信道來(lái)的通過(guò) ad轉(zhuǎn)換后的信號(hào)通過(guò)與 nco 的兩路正交載頻相乘分解出 iq 兩路信號(hào)送至 fpga 進(jìn)行 ofdm 調(diào)制在并串轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)輸出。實(shí)現(xiàn)框圖分別如圖 3.1、圖 3.2和圖 3.3。圖 3.1 基于 ofdm 系統(tǒng)得調(diào)制和解調(diào)框圖圖 3.2 調(diào)制原理框圖圖 3.3 調(diào)制原理框圖一個(gè) ofdm 符號(hào)之內(nèi)包含多個(gè)經(jīng)過(guò)相移鍵控(psk)或者正交幅度調(diào)制(qam)的子載波。如果用 n 表示子載波的個(gè)數(shù)，t 表示 ofdm 符號(hào)的持續(xù)時(shí)間(周期)， di

41、(i=0,1,2,n-1) 表示分配給每個(gè)子信道的數(shù)據(jù)符號(hào)， i表示第 i 個(gè)子載波的載波頻率，矩形函數(shù) rect(t)=1,|t|t/2,則 t=ty從開(kāi)始的 ofdm 符號(hào)可以表示為：(3.1)tttttttttttfjtttrectdtsssssnisisi0)(2exp)2/(re)(10一旦將要傳輸?shù)谋忍胤峙涞礁鱾€(gè)子載波上，某一種調(diào)制模式則將它們映射為子載波的幅度和相位，通常采用等效基帶信道來(lái)表示 ofdm 的輸出信號(hào): (3.2)ttttttttttttijtttrectdtsssssnissi0)(/2exp)2/()(10其中 s(t)的實(shí)部和虛部分別對(duì)應(yīng) ofdm 符號(hào)的同相

42、(in-phase)和正交(quadrature-phase)分量，在實(shí)部系統(tǒng)可以分別與相應(yīng)子載波的余弦分量和正弦分量相乘，構(gòu)成最終的子信道信號(hào)和合成的 ofdm 符號(hào)。圖 3.1 展示了 ofmd 系統(tǒng)調(diào)制解調(diào)模型框圖，其中 =c+i/t。在接收端，將接收的同相和正交矢量映射回?cái)?shù)據(jù)，完成子載波調(diào)制。tfje12信道來(lái)自信道的數(shù)據(jù)串并變換d1d0dn-1tfje22tfjne12s(t)tfje12tfje22tfjne12積分積分積分0d1nd1d并串變換圖 3.4 ofdm 系統(tǒng)調(diào)制解調(diào)模型框圖這種正交性還可以從頻域角度來(lái)理解,在每一個(gè)子載波頻率的最大處,所有其他子信道的頻譜值恰好為零,因

43、此在理想情況下,可以從多個(gè)相互重疊的子信道符號(hào)頻譜中提取出各個(gè)子信道符號(hào),而不會(huì)受到其他子信道的干擾。ofdm 實(shí)際上是可以滿(mǎn)足無(wú)符號(hào)間干擾的奈奎斯特準(zhǔn)則,這種消除子信道間干擾(ici)的方法是通過(guò)在時(shí)域中使用矩形脈沖成形,在頻域中每個(gè)子載波的最大處采樣來(lái)實(shí)現(xiàn)。3.2 采用采用 ifftifft 和和 fftfft 的的 ofdmofdm 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 快速傅里葉變換是一個(gè)相對(duì)成熟和完善的算法，該算法因其方便、快捷和有效性在很多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。傅里葉變換獨(dú)特的蝶型運(yùn)算不僅在現(xiàn)有的通信與信號(hào)處理方面具有很強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，在 ofdm 系統(tǒng)中同樣也能起到一定的作用。在實(shí)際應(yīng)用中，系統(tǒng)并行數(shù)據(jù)的調(diào)制

44、與解調(diào)可以采用反傅立葉變換 (ifft) 和傅立葉變換 (fft) 來(lái)實(shí)現(xiàn)。采用 ifft 和 fft 的 ofdm 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖所示。圖 3.5 采用 ifft 和 fft 的 ofdm 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)對(duì)于 n 比較大的系統(tǒng)，式（3.2）中的 ofdm 復(fù)等效基帶信號(hào)可以采用離散傅里葉逆變換（idft）方法實(shí)現(xiàn)。為了敘述簡(jiǎn)潔，可以令式（3.2）中的 ts=0 并且忽略矩形，對(duì)于信號(hào) s(t)以 t/n 的速率進(jìn)行抽樣，即令 t=kt/n(k=0,1,n-1)，則得到： (3.3)102s(/)exp()nkiiiks kt ndjn(01)kn可以看到等效為對(duì) 進(jìn)行 idft 運(yùn)算。同樣在接收端，

45、為了恢復(fù)出原始id的數(shù)據(jù)符號(hào) ，可以對(duì)進(jìn)行逆變換，即 dft 得到：id (3.4)102s exp()nikiikdjn(01)in 調(diào)制(如qam)串行變并行二進(jìn)制信源ifft低通濾波器信道解調(diào)(如qam)并行變串行二進(jìn)制數(shù)據(jù)fft低通濾波器x(k)s(n)s(t)載波調(diào)制載波解調(diào)r(t)r(n)y(k)根據(jù)以上分析，可以看到 ofdm 系統(tǒng)的調(diào)制解調(diào)可以分別有 idft 和 dft來(lái)替代，通過(guò) n 點(diǎn)的 idft 運(yùn)算，把頻域數(shù)據(jù)符號(hào)變換為時(shí)域數(shù)據(jù)符號(hào) ，idsk經(jīng)過(guò)射頻載波調(diào)制之后，發(fā)送到無(wú)線(xiàn)信道中。其中每一個(gè) idft 輸出的數(shù)據(jù)符號(hào)都是由所有子載波信號(hào)經(jīng)過(guò)疊加而成的，既對(duì)連續(xù)的多個(gè)

46、經(jīng)過(guò)調(diào)制的子載波的sk疊加信號(hào)進(jìn)行抽樣得到的。在 ofdm 系統(tǒng)實(shí)際的運(yùn)用中，可以采用更加快捷方便的 ifft/fft。n 點(diǎn)idft 運(yùn)算需要實(shí)施 n2 次復(fù)數(shù)乘法，而 ifft 則可以明顯地降低運(yùn)算復(fù)雜度。對(duì)于常用的基 2 的 ifft 算法，其復(fù)數(shù)乘法次數(shù)僅僅為（n/2）log2(n)，以 16 點(diǎn)的變換為例，idft 和 ifft 中所需要的乘法次數(shù)分別為 256 次和 32 次，并且鎖著子載波個(gè)數(shù) n 的增加，復(fù)雜度之間的差距也會(huì)越來(lái)越明顯，idft 的計(jì)算復(fù)雜度隨著 n 增加而二次方增長(zhǎng)，ifft 的計(jì)算復(fù)雜度卻只是略快于線(xiàn)性變化。對(duì)于子數(shù)量龐大的 ofdm 系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，可以進(jìn)一步采

47、用基 4 的 ifft 算法來(lái)實(shí)施傅里葉變換。第第 4 章章 ofdm 調(diào)制器的調(diào)制器的 mtalab 仿真仿真使用 matlab 可實(shí)現(xiàn) ofdm 調(diào)制器的仿真，ofdm 調(diào)制器的系統(tǒng)模型可表示如圖 4.1 所示。數(shù)據(jù)源 fch 和 data 使用預(yù)先存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)(0、1 比特流)，數(shù)據(jù)大小分別為 3613 比特和 3640 比特。為了信號(hào)可以有效傳輸，系統(tǒng)采用bpsk 和 dbpsk 調(diào)制方案，采用 256 點(diǎn)的 ifft 的運(yùn)算模塊。為消除 isi 和多徑造成的 ici 的影響，添加循環(huán)前綴，循環(huán)前綴大小為 30 采樣點(diǎn)。為了讓 ofdm信號(hào)的帶外功率譜密度下降的更快，對(duì)信號(hào)進(jìn)行加窗。最后

48、在信號(hào)的頭部位置加上前導(dǎo)碼，形成 ofdm 幀，進(jìn)行發(fā)送。 圖 4.1 g3-plc 協(xié)議的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu) 圖 4.2 ofdm 調(diào)制器系統(tǒng)模型數(shù)據(jù)源 fch 和 data 使用預(yù)先存儲(chǔ)的 0、1 數(shù)據(jù)流，數(shù)據(jù)大小分別為3613 比特和 3640 比特，其中 fch 采用 bpsk 映射，data 采用 dbpsk 映射。syncpsyncmsyncmsyncpsyncpsyncpsyncpsyncpsyncpsyncpfch1fch3fch13overlapgifch1overlapgioverlapgioverlapgioverlapgid1preamblefchdatabpsk映射dbpsk

49、映射ifft添加循環(huán)前綴加窗成幀模塊前導(dǎo)生成模塊framedatafch4.1 ifftifft 模塊模塊在進(jìn)行 ifft 運(yùn)算時(shí)，ifft 的輸入為 36 個(gè)子載波，其中第一個(gè)子載波放置到第 23 號(hào)位置，最后一個(gè)子載波放置到第 58 號(hào)位置，其余位置補(bǔ)零。其中 ifft運(yùn)算結(jié)果有用的數(shù)據(jù)只為實(shí)部。圖 4.3 ifft 模塊結(jié)構(gòu)圖4.2 添加循環(huán)前綴添加循環(huán)前綴由于信道具有記憶性，導(dǎo)致結(jié)果輸出不僅與當(dāng)前輸入塊有關(guān)，還與上一個(gè)輸入塊有關(guān)，這樣就引起了塊間干擾(isi)。并且由于多徑傳播的影響，會(huì)造成子載波間的干擾(ici)，即子載波的正交性遭到破壞。圖 4.4 添加循環(huán)前綴02358 ifft

50、255fchdata取實(shí)部運(yùn)算signal_ifft00 循環(huán)前綴 cp c0 c29 c30 c285 帶循環(huán)前綴的數(shù)據(jù)塊 ofdm符號(hào) c0 c1 c2 c226 c255 4.3 加窗模塊加窗模塊采用特定的窗函數(shù)，每個(gè)符號(hào)邊界的 8 個(gè)采樣點(diǎn)使用升余弦函數(shù)，其余采樣點(diǎn)窗函數(shù)值設(shè)置為 1。圖 4.5 升余弦窗函數(shù)相鄰符號(hào)間的頭部 8 采樣點(diǎn)和尾部 8 采樣點(diǎn)進(jìn)行覆蓋疊加。示意圖如下：圖 4.6 符號(hào)的覆蓋疊加4.4 前導(dǎo)模塊前導(dǎo)模塊 前導(dǎo)是由 8 個(gè) syncp 符號(hào)和 1.5 個(gè) syncm 符號(hào)連接后加窗后構(gòu)成，其中每個(gè) syncp 和 syncm 符號(hào)都包含了 256 點(diǎn)。圖 4.7

51、 前導(dǎo)加窗示意圖頭部 尾部頭部 尾部頭部 尾部第n-1個(gè)符號(hào)第n個(gè)符號(hào)第n+1個(gè)符號(hào)+最終的符號(hào) syncpsyncpsyncpsyncpsyncpsyncpsyncpsyncpsyncp1/2msyncm8個(gè)采樣點(diǎn)8個(gè)采樣點(diǎn)升余弦函數(shù)窗函數(shù)syncp 是由固定的 36 個(gè)初始相位為映射復(fù)數(shù)做 ifft 后取實(shí)部的結(jié)果，syncm 符號(hào)為 syncp 符號(hào)取反的結(jié)果。4.5 成幀模塊成幀模塊圖 4.8 一幀信號(hào)波形圖圖 4.9 一幀信號(hào)的功率譜示意圖第第 5 章章 ofdm 調(diào)制器的調(diào)制器的 verilog 仿真仿真5.1 ofdm 調(diào)制器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)調(diào)制器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)02000400060008

52、0001000012000140001600018000-0.08-0.06-0.04-0.0200.020.040.060.08ofdm位 位00.20.40.60.811.21.41.61.82x 105-30-20-1001020304050位 位 (位 位 hz)位 位 位 位 位 /db位 位 位 位 位 位圖 5.1 為 ofdm 調(diào)制器 verilog 仿真的結(jié)構(gòu)框圖，系統(tǒng)設(shè)計(jì)基于 g3-plc 協(xié)議。數(shù)據(jù)源 fch 和 data 采用預(yù)先存儲(chǔ)于 rom 的數(shù)據(jù)，然后數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)映射模塊，映射數(shù)據(jù)在做 ifft 運(yùn)算之前要進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，添加循環(huán)前綴和加窗后，與前導(dǎo)碼進(jìn)行疊加，形成 o

53、fdm 幀。rombpsk/dbpsk映射ifft前數(shù)據(jù)處理ifft添加循環(huán)前綴和加窗前導(dǎo)生成模塊成幀模塊ofdm幀romsyncpdatafch圖 5.1 ofdm 調(diào)制器的結(jié)構(gòu)框圖5.2 子模塊仿真分析子模塊仿真分析5.2.1 bpsk/dbpsk 映射映射本次設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)源 fch 和 data 預(yù)先存儲(chǔ)于 rom 模塊中，模塊設(shè)計(jì)方案為當(dāng) fch 數(shù)據(jù)輸入使能信號(hào) en_fch 有效時(shí)，輸入 fch 待映射數(shù)據(jù)，輸出數(shù)據(jù)out_map 為 bpsk 映射的 fch；若 data 數(shù)據(jù)輸入使能信號(hào) en_data 有效時(shí)，輸入 data 待映射數(shù)據(jù)，輸出數(shù)據(jù) out_map 為 dbpsk

54、 映射的 data。函數(shù)結(jié)構(gòu)如圖 5.2 所示： 圖 5.2 bpsk/dbpsk 映射函數(shù)其中，每 36 個(gè)數(shù)據(jù)的起點(diǎn)，輸出一個(gè) sop_map 信號(hào)，表示映射數(shù)據(jù)輸出的起點(diǎn)。數(shù)據(jù)進(jìn)行 bpsk/dbpsk 映射的時(shí)候，由于調(diào)制方式差異的原因，如果data 緊跟著 fch 輸入完就輸入進(jìn)行 dbpsk 映射，那么 dbpsk 的輸出會(huì)比bpsk 輸出晚兩個(gè)時(shí)鐘才會(huì)開(kāi)始，所以需要讓 data 提前兩個(gè)時(shí)鐘輸入。bpsk/dbpsk 映射仿真波形如圖 5.3、5.4 所示。圖 5.3 bpsk 映射仿真波形圖 5.4 dbpsk 映射仿真波形5.2.2 ifft 前數(shù)據(jù)處理前數(shù)據(jù)處理ifft 前

55、數(shù)據(jù)處理的主要目的是實(shí)現(xiàn)輸入 ifft 的數(shù)據(jù)流的控制，使輸入數(shù)據(jù)能夠滿(mǎn)足 ifft 模塊的處理數(shù)據(jù)的要求。圖 5.5 數(shù)據(jù)流控制示意圖5.2.3 ifft 模塊模塊ifft 模塊采用了經(jīng)過(guò)優(yōu)化的 alter 公司的 ip 核 fft v7.2。該 ip 核處理速度快、占用資源少、使用方便，能夠滿(mǎn)足本設(shè)計(jì)的應(yīng)用要求。ram1ram2muxmux輸入數(shù)據(jù)ifft800k800k圖 5.6 ifft 模塊仿真波形圖5.2.4 添加循環(huán)前綴和加窗添加循環(huán)前綴和加窗 將 ifft 運(yùn)算結(jié)果暫存于兩塊 ram 中，用來(lái)交替存儲(chǔ)流入的數(shù)據(jù)。 循環(huán)前綴的方案采用重復(fù)讀取 ram 中的數(shù)據(jù)的方式，將一部分?jǐn)?shù)據(jù)

56、重復(fù)復(fù)制，從而形成循環(huán)前綴。圖 5.7 數(shù)據(jù)流控制示意圖226-2550-2550123456789101112131415248 249 250 251 252 253 254 255保護(hù)間隔ram中的數(shù)據(jù)有效數(shù)據(jù)由于 fpga 中乘法器需要占用很大的資源，所以在硬件設(shè)計(jì)中將升余弦函數(shù)部分用程序直接實(shí)現(xiàn)，其實(shí)現(xiàn)方法為將升余弦函數(shù)的數(shù)值轉(zhuǎn)化為 8 位二進(jìn)制，用移位代替乘法器，而其他數(shù)值保持不變。圖 5.8 添加循環(huán)前綴和加窗函數(shù)仿真波形5.2.5 前導(dǎo)生成模塊前導(dǎo)生成模塊首先將一個(gè)符號(hào)的 syncp 的數(shù)據(jù)預(yù)先存儲(chǔ)在 256*16bit 的 rom 中，syncm 采用 syncp 取反的結(jié)果

57、，不會(huì)單獨(dú)再存放于 rom 中。前導(dǎo)生成函數(shù)結(jié)構(gòu)圖如圖 5.13 所示，輸入信號(hào) ena 啟動(dòng)前導(dǎo)序列生成的信號(hào)，輸出信號(hào)odata_preamble_valid 為前導(dǎo)序列的有效信號(hào)。圖 5.9 前導(dǎo)生成函數(shù)結(jié)構(gòu)圖函數(shù)內(nèi)部設(shè)置計(jì)數(shù)器變量 cnt，讀取 9.5 個(gè)符號(hào)。當(dāng)計(jì)數(shù)器 cnt 為 0 時(shí)，開(kāi)始進(jìn)行第一個(gè)符號(hào)讀取，同時(shí)頭部 8 點(diǎn)進(jìn)行加窗，由于地址的讀取會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)時(shí)鐘的延時(shí)，所以當(dāng)?shù)刂纷x取從 2 開(kāi)始(0 和 1 由于地址無(wú)效，不是有效值)。第一個(gè)符號(hào)讀取完畢后繼續(xù)從 rom 中重復(fù)讀取第 2 至第 8 個(gè) syncp，此時(shí)已讀取了 8個(gè) syncp。當(dāng)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)至 8 時(shí)，讀取 sy

58、ncp 的同時(shí)取反，形成 syncm，當(dāng)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)至 9 時(shí)，讀取 1/2 個(gè) syncm 的同時(shí)進(jìn)行尾部 8 點(diǎn)加窗，生成前導(dǎo)。前導(dǎo)仿真波形圖如圖 5.14 所示。圖 5.10 前導(dǎo)仿真波形圖5.2.6 成幀模塊成幀模塊由于前導(dǎo)長(zhǎng)度 2432 點(diǎn)，需要設(shè)置移位寄存器進(jìn)行 cp 的 2432 個(gè)時(shí)鐘的輸出延時(shí)，將前導(dǎo)的輸出和數(shù)據(jù)的輸出連續(xù)形成一幀。圖 5.11 ofdm 仿真波形圖5.3 仿真結(jié)果的對(duì)比驗(yàn)證仿真結(jié)果的對(duì)比驗(yàn)證將 verilog 的仿真結(jié)果與 matlab 的仿真結(jié)果進(jìn)行比較，圖 5.12 展示的是verilog 仿真值與 matlab 計(jì)算結(jié)果的均方誤差。從圖中可以看出 ver

59、ilog 的計(jì)算值與 matlab 的計(jì)算值存在誤差。這個(gè)誤差的來(lái)源主要有兩個(gè)方面，一方面是因?yàn)椴捎枚c(diǎn)數(shù)計(jì)算，轉(zhuǎn)換過(guò)程中有一定的舍入誤差。令一方面是在計(jì)算過(guò)程中也會(huì)產(chǎn)生一些累積的誤差。但這個(gè)均方誤差值均小于，完全能夠滿(mǎn)足系統(tǒng)510設(shè)計(jì)要求。05010015020025030000.511.522.533.54x 10-5位 位 位 位位 位 位 位位 位 位 位 位圖 5.12 均方誤差值第第 6 章章 總結(jié)總結(jié)ofdm 是一種能夠?qū)褂啥鄰剿ヂ湫诺涝斐傻姆?hào)間干擾的有效技術(shù)，它可在頻率選擇性衰落信道中實(shí)現(xiàn)高速率的無(wú)線(xiàn)通信。第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)己確定，第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)己處于研究和試驗(yàn)階

60、段。ofdm 技術(shù)作為一種高效的調(diào)制技術(shù)，將成為第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。作為 ofdm 系統(tǒng)中關(guān)鍵技術(shù)之一的信道估計(jì)，它的性能直接影響到未來(lái)移動(dòng)通信的通信品質(zhì)。開(kāi)展這方面的研究具有很強(qiáng)的理論和現(xiàn)實(shí)意義。 ofdm 技術(shù)的主要優(yōu)缺點(diǎn)：技術(shù)的主要優(yōu)缺點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：(1) 適用于多徑環(huán)境和衰落信道中的高速數(shù)據(jù)傳輸它將高速串行數(shù)據(jù)分割成多個(gè)子信號(hào)，降低碼元速率，相應(yīng)延長(zhǎng)了碼元周期；當(dāng)傳輸?shù)姆?hào)周期大于最大延遲時(shí)間時(shí)就能夠有效的減弱多徑擴(kuò)展的影響。所以ofdm 對(duì)信道中因多徑傳輸而出現(xiàn)的 isi 有很強(qiáng)的魯棒性，系統(tǒng)總的誤碼率性能好。(2) 具有很強(qiáng)的抗信道衰落能力在 ofdm 中由于并行數(shù)