畢業(yè)論文-基于fpga的ofdm調制器的仿真設計

1、<p>　　武漢工程大學郵電與信息工程學院</p><p><b>　　畢業(yè)設計（論文）</b></p><p>　　基于FPGA的OFDM調制器的仿真設計 Simulation design of OFDM modulator based on FPGA</p><p>　　學生姓名 高天祺　

2、 </p><p>　　學 號 0945080209 </p><p>　　專業(yè)班級 通信工程0905（移動通信方向）</p><p>　　指導教師 肖萍萍 </p><p><b>　　2013年5月</b></p><p&

3、gt;<b>　　作者聲明</b></p><p>　　本人聲明所呈交的論文是我個人在導師指導下進行的研究工作及取得的研究成果，除了文中特別加以標注的地方外，沒有任何剽竊、抄襲、造假等違反學術道德、學術規(guī)范的行為，也沒有侵犯任何其他人或組織的科研成果及專利。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻均已在論文中作了明確的說明并表示了謝意。如本畢業(yè)設計（論文）引起的法律結果完全由本人承擔。<

4、;/p><p>　　畢業(yè)設計（論文）成果歸武漢工程大學郵電與信息工程學院所有。</p><p><b>　　特此聲明。</b></p><p>　　作者專業(yè)： </p><p>　　作者學號： </p><p>　　作者簽名：

5、 </p><p>　　____年___月___日</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　正交頻分復用(OFDM)技術是一種多載波數字調制技術，作為一種可以有效對抗信號信道間干擾和符號干擾的高速傳輸技術，以其頻譜利用率高、抗多徑衰落能力強、抗窄帶干擾性能好、成本低等特點，得到了廣泛應用。它能

6、滿足無線通信的高速化、寬帶化以及移動化的需求，成為第四代移動通信的首選技術，也是當前移動通信技術研究的熱點問題。</p><p>　　FPGA(現(xiàn)場可編程邏輯門陣列)是一種可編程邏輯器件，它具有設計時間短、投資少、風險小的特點, 而且可以反復修改, 反復編程, 直到完全滿足需要,具有其他方式無可比擬的方便性和靈活性。這些特性使得FPGA可以高性能地實現(xiàn)OFDM通信系統(tǒng)的收發(fā)模塊功能。</p><

7、;p>　　本文概況地介紹了OFDM系統(tǒng)的基本概念、基本工作原理和關鍵技術，指出了OFDM調制技術的優(yōu)勢;介紹了的FPGA設計的基本原則和流程；深入進行基于FPGA的OFDM調制解調方案設計;針對仿真平臺設計多種測試環(huán)境，得出仿真波形進行方案的優(yōu)化完善并進行驗證。</p><p>　　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OFDM的基本原理以及技術的實習進行綜述，并對OFDM系統(tǒng)

8、的關鍵技術作出了詳盡的介紹。第3章對OFDM調制解調原理進行了說明，并介紹采用IFFT和FFT的OFDM系統(tǒng)結構。第4章敘述了OFDM調制器的MTALAB仿真。第5章敘述了OFDM調制器的VERILOG仿真，并對仿真結果進行對比驗證。第6章對OFDM技術的主要優(yōu)缺點總結，并對其發(fā)展進行了展望。</p><p>　　關鍵詞：正交頻分復用(OFDM)；現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA）；仿真</p><

9、p><b>　　Abstract</b></p><p>　　Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) technique is a multi-carrier digital modulation technology, as a kind of can effective against interference and s

10、ymbol interference between the signal channel of high speed transmission technology, with its high spectrum efficiency, strong ability to resist multipath fading and narrowband interference resistant performance is good,

11、 low cost, etc, has been widely applied. It can satisfy the high speed wireless communications, broadband and mobile </p><p>　　FPGA (Field Programmable Gate Array) is a kind of programmable logic devices, it

12、 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 flexibility. Th

13、ese features make the FPGA can achieve high performance of OFDM communication system transceiver module function.</p><p>　　This article overview the basic concept of OFDM system are introduced, the basic wor

14、king principle and key technology, points out the advantages of OFDM modulation technique; This paper introduces the basic principles and the FPGA design of process; Further for OFDM demodulation scheme based on FPGA des

15、ign; Simulation platform is designed for a variety of test environment, scheme optimization and simulation waveform for validation.</p><p>　　Chapter 1, first of all, this paper first introduces the research

16、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 ill

17、ustrates theory of OFDM modulation demodulation, and IFFT and FFT structure of OFDM system is introduced. Chapter 4 describes the OFDM modulator of MTALAB simulation. VERILOG simulation of OFDM modulator are descri</p

18、><p>　　Key Words: Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM); Field Programmable Gate Array (FPGA) ; simulation</p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　第1章 緒論..............

19、.....................................................................................................1</p><p>　　1.1 OFDM的研究背景..................................................................................

20、..........1</p><p>　　1.2 OFDM的研究目的和意義................................................................................1</p><p>　　第2章OFDM技術基礎.......................................................

21、........................................2</p><p>　　2.1 OFDM的基本原理............................................................................................2</p><p>　　2.2 OFDM技術的實現(xiàn)..............

22、..............................................................................4</p><p>　　2.3 OFDM系統(tǒng)的關鍵技術....................................................................................5</p><p&

23、gt;　　2.3.1 同步技術....................................................................................................5</p><p>　　2.3.2 信道估計.......................................................................

24、.............................6</p><p>　　2.3.3 降低峰值平均功率比................................................................................6</p><p>　　2.3.4 均衡........................................

25、....................................................................6</p><p>　　2.3.5 編碼信道和交織........................................................................................7</p><p>　　第3章

26、OFDM調制器技術.........................................................................................9</p><p>　　3.1 OFDM調制解調原理....................................................................................

27、....9</p><p>　　3.2 采用 IFFT 和 FFT 的 OFDM 系統(tǒng)結構...................................................11</p><p>　　第4章OFDM調制器的MTALAB仿真.................................................................14&

28、lt;/p><p>　　4.1 IFFT模塊.........................................................................................................15</p><p>　　4.2 添加循環(huán)前綴................................................

29、.................................................15</p><p>　　4.3 加窗模塊.........................................................................................................16</p><p>　　4.4 前導模塊

30、.........................................................................................................16</p><p>　　4.5 成幀模塊..................................................................................

31、.......................17</p><p>　　第5章 OFDM調制器的VERILOg仿真..............................................................18</p><p>　　5.1 OFDM調制器的結構設計................................................

32、.............................18</p><p>　　5.2 子模塊仿真分析.............................................................................................18</p><p>　　5.2.1.BPSK/DBPSK映射...................

33、................................................................18</p><p>　　5.2.2 IFFT前數據處理 .....................................................................................20</p><p>　　5.2.3

34、 IFFT模塊..................................................................................................20</p><p>　　5.2.4添加循環(huán)前綴和加窗............................................................................

35、....21</p><p>　　5.2.5 前導生成模塊..........................................................................................22</p><p>　　5.2.6 成幀模塊......................................................

36、............................................23</p><p>　　5.3 仿真結果的對比驗證.....................................................................................24</p><p>　　第6章 總結與展望25</p><

37、p><b>　　參考文獻28</b></p><p><b>　　致謝29</b></p><p>　　附錄 主要英文縮寫語對照表30</p><p><b>　　第1章 緒論</b></p><p>　　1.1 OFDM的研究背景</p><

38、;p>　　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注的一個焦點。雖然第三代移動通信比現(xiàn)有的傳輸速率快上千倍，但其數據傳輸速率也僅有2Mbit/s，第四代移動通信系統(tǒng)計劃已經開始研究。第四代移動通信以正交頻分復用(OFDM)作為核心技術之一。OFDM調制技術的出現(xiàn)為實現(xiàn)高效的抗干擾調制技術和提高頻帶利用率開辟了一條的新路徑。</p><p>　　20世紀60年代已經提出了OFDM的基本原理，有關O

39、FDM的專利在1970年1月首次公開發(fā)表，1971年Weinstein和Ebert又提出用離散傅立葉變換來等效多個調制解調器的功能，簡化了系統(tǒng)結構，使OFDM技術更趨于實用化。近年來，隨著數字信號處理（DSP）和超大規(guī)模集成電路（VLSI）技術的發(fā)展才使得制約OFDM技術發(fā)展的屏障不復存在，OFDM也因而變得更加實用。</p><p>　　正交頻分復用（OFDM）是一種特殊的多載波傳輸調制（MCM）技術，它可以被

40、看做是一種調制技術，也可以被當做是一種復用技術。OFDM系統(tǒng)既可以維持發(fā)送符號周期源于大于多徑時延，又能夠支持高速的數據業(yè)務，并且不需要復雜的信道均衡。</p><p>　　1.2 OFDM的研究目的和意義</p><p>　　本文的研究目的是從各方面深入研究正交頻分復用理論，領會OFDM基帶處理技術、FPGA電路設計的關鍵思想，并給予FPGA設計，實現(xiàn)OFDM系統(tǒng)中的關鍵功能模塊和基帶處

41、理中的調制解調器，并給出仿真結果。</p><p>　　基于PFGA實現(xiàn)OFDM通信系統(tǒng)，能有效降低電路復雜度，運用先進的算法提升通信系統(tǒng)的性能指標，采用計算機輔助設計，實現(xiàn)電子設計自動化，便于移植、集成和大規(guī)模生產。</p><p><b>　　OFDM技術基礎</b></p><p>　　2.1 OFDM的基本原理</p>&

42、lt;p>　　眾所周知無線通信傳輸信號的路徑有很多，這就是所謂的多徑效應，OFDM的最初提出是為了解決多徑效應對數據傳輸的影響。在數字通信系統(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。</p><p>　　圖2. 1單載波傳輸示意圖</p><p>　　圖中g(t)是匹配濾波器(對于給定的碼元波形，使得輸出信噪比最大的線性濾波器)，在傳輸速率并不高的情況下，這種系

43、統(tǒng)因時延產生的碼間干擾不是特別嚴重，能通過均衡技術消除這種干擾。所謂碼間干擾（ISI）就是當一個碼元的時延信號產生的拖尾延伸到相鄰碼元時間中時，會影響信號的正確接收，導致系統(tǒng)誤碼性能的降低，這類干擾就被稱作碼間干擾。但是對于寬帶業(yè)務來說，由于數據傳輸速率較高，高數據傳輸速率使得碼元周期非常小，如果碼元傳輸出現(xiàn)多徑時延，可能會影響到后面好幾個碼元。這就對均衡提出了更高的要求，需要引入復雜的均衡算法，并且要考慮到算法的收斂速度和可實現(xiàn)性。從

44、另一個角度去看，當信號的帶寬接近或者超過信道的相干帶寬時，信道的時間彌散就會導致頻率選擇性衰落，使得同一個信號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的運用就是一種必然趨勢。</p><p>　　OFDM是一種多載波調制（MCM）技術，其基本原理就是把高速的數據流經過串并變換，分配的傳輸速率相對較低的若干個子信道中進行傳輸。由于每個子信道中的碼元周期會相對增加，因此可以減輕由無線信道的多徑時延擴展

45、所產生的時間彌散性對系統(tǒng)的影響，并且還可以在OFDM，碼元之間插入保護間隔，令保護間隔大于無線信道的最大時延擴展，這樣就可以最大限度地消除由于多徑帶來的碼間干擾（ISI），而且一般采用循環(huán)前綴作為保護間隔，從而可以避免由多徑帶來的信道間干擾（ICI）[1]。</p><p>　　隨著OFDM技術的發(fā)展與興起，考慮到能用OFDM技術來進行高速數據傳輸，它能夠很好地對抗信道的頻率選擇性衰落，減少甚至消除碼間干擾的影響

46、。OFDM是一項多載波傳輸技術，可以被當作是一種調制技術，也可以被看作是一種復用技術。其基本原理是把傳輸的數據流串并變換后分解為若干個并行的子數據流（也可以看作將一個信道劃分為若干個并行的相互正交的子信道），這樣的話每個子數據流的速率比串行過來的數據流低得多（速率變?yōu)槎嗌偃Q于變換為多少路并行數據流），因此每個子信道上的碼元周期將會變長，每個子信道上便是平坦衰落，然后用每個子信道上的低速率數據去調制相應的子載波，從而構成多個低速碼元合成

47、的數據的發(fā)送傳輸系統(tǒng)基本原理圖如圖2.2。</p><p>　　圖2. 2 OFDM系統(tǒng)調制解調原理框圖</p><p>　　在單載波系統(tǒng)中，一次干擾或衰落就可能導致整個鏈路性能惡化甚至失效，但是在多載波系統(tǒng)中，某一時刻僅僅會有少部分子信道受到衰落的影響，從而不會使得整個通信鏈路性能失效。</p><p>　　在衰落信道中，根據多徑信號最大時延和碼元時間的關系，可以

48、把性能降級分為平坦衰落和頻率選擇性衰落兩種類型。如果，則信道呈現(xiàn)平坦衰落。在這種情況下，一個碼元的多徑時延分量都在一個碼元的持續(xù)時間內到達，因此信號不可分辨，此時就不會引起碼間干擾，因為此時信號的時間擴展并不會導致相鄰接收碼元的顯著重疊。如果，則信道會呈現(xiàn)頻率選擇性衰落。只要一個碼元的多徑時延擴展超出了碼元持續(xù)時間，就會出現(xiàn)這種情況，而信號的這種時延擴展會導致信號碼間干擾的產生。</p><p>　　正交頻分復用

49、的技術關鍵就是實現(xiàn)并保護好子載波間的正交性，接受端收到的信號x(t)與子載波相乘后通過積分器，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。正是由于每個子載波的正交性，我們可以是子載波的頻譜重疊并靠近Nyquist 帶寬，從而大大提高了頻譜的利用率，所以非常適合移動場合中的高速傳輸。多徑傳輸的符號干擾時個頭疼的問題，OFDM為解決這樣的問題在符號間加上保護間隔內，保護間隔可以不傳輸任何信號。這樣的情況下仍然解決不了信道間

50、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出原始信號，這點是毀滅性的。OFDM的解決方法是把符號后面長度是Tg（保護間隔的長度）的部分拿到每個符號的前面當做保護間隔來傳輸，這種方法就叫做循環(huán)前綴。這樣就使得在FFT周期內，OFDM符號的延時副本所包含的波形的周期個數是整數，從而解決了ICI。將原符號塊最后信號放到原符號塊的前部，構成新序列，時域中原來發(fā)送信號與信道響應的線性卷積變?yōu)閳A周卷積。</p>

51、<p>　　2.2 OFDM技術的實現(xiàn)</p><p>　　電力線的信道環(huán)境非常惡劣，信道特征和參數受到頻率、地點、時間和連接到它上面的設備的影響。從10kHz到200kHz的低頻率區(qū)域更容易產生沖突。而且電力線是一個頻率選擇性信道。除了經常發(fā)生在50/60Hz脈沖噪音中主要的背景噪音外，窄帶沖突和小組時延能達到幾百微秒。</p><p>　　OFDM是一種能有效利用有限CEN

52、ELEC帶寬的調制技術，且支持使用先進的信道編碼技術，這種組合能力在電力線信道上形成一個非?？煽康耐ㄐ?。</p><p>　　圖2.3展示了基于G3-PLC協(xié)議的OFDM系統(tǒng)實現(xiàn)框圖。CENELEC帶寬被分割成許多子信道，這些信道被看作是用不同的正交頻率表示的獨立頻移鍵控（PSK）調制載波。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。時間—頻率交織方案用于降

53、低譯碼器輸入端接受噪音的相關性而提供多樣性。</p><p>　　圖2.3 基于G3-PLC協(xié)議的OFDM系統(tǒng)實現(xiàn)框圖</p><p>　　OFDM信號是由復值信號點進行快速離散傅立葉變換（IFFT）操作產生的，這些信號點是由不同的相位調制編碼產生，且它們被分配到不同的子載波。每個OFDM符號都是由一個循環(huán)前綴加到一個由IFFT產生的塊的前面而構成的。選擇一個循環(huán)前綴的長度以便信道時延不會

54、引起連續(xù)OFDM符號或鄰近的子載波產生沖突。接收端基于接收信號的質量決定采用何種的調制方案。而且，系統(tǒng)會區(qū)分受損的子載波的信噪比以及選擇在哪個信道上傳輸。</p><p>　　2.3 OFDM系統(tǒng)的關鍵技術</p><p><b>　　2.3.1同步技術</b></p><p>　　OFDM技術區(qū)分各個子信道的方法是利用各個子載波之間嚴格的正交

55、性。頻偏和相位噪聲會使子載波之間的正交特性惡化從而導致子信道間的信號相互干擾(ICI)，這種對頻率偏差的敏感是OFDM系統(tǒng)的主要缺點之一，特別是在實際應用中與FDMA、TDMA和CDMA等多址方式相結合時，時間和頻率同步尤為重要。</p><p>　　時域同步，要求OFDM系統(tǒng)確定符號邊界，并且提取出最佳的采樣時鐘，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

56、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。任何頻率偏移必然導致ICI。實際系統(tǒng)中，由于本地時鐘源(如晶體振蕩器)不能精確的產生載波頻率，總要附著一些隨機相位調制信號。結果接收機產生的頻率不可能與發(fā)送端的頻率完全一致。對于單載波系統(tǒng)，相位噪聲和頻率偏移只是導致信噪比損失，而不會引入干擾。但對于多載波系統(tǒng)，卻會造成子載波間干擾(ICI)，因此OFDM系統(tǒng)對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。</p&g

57、t;<p>　　如果時域同步誤差較大，F(xiàn)FT處理窗已超出了當前OFDM符號的數據區(qū)域和保護時間區(qū)域，包括了相鄰的OFDM符號，則引入碼間干擾，嚴重惡化了系統(tǒng)性能。 </p><p>　　頻域同步，要求系統(tǒng)估計和校正接收信號的載波偏移。 與頻率誤差不同，時間同步誤差不會引起子載波間干擾(ICI)。但時間同步誤差將導致FFT處理窗包含連續(xù)的兩個OFDM符號，從而引入了OFDM符號間干擾(ISI)。并且即

58、使FFT處理窗位置略有偏移，也會導致OFDM信號頻域的偏移，從而造成信噪比損失，BER性能下降。</p><p>　　OFDM系統(tǒng)中的同步過程一般分為捕獲和跟蹤兩個階段，捕獲階段進行粗同步，跟蹤階段進行細同步，以進一步減小誤差。</p><p>　　對十突發(fā)式的數據傳輸，一般是通過發(fā)送輔助信息來實現(xiàn)同步。當前提出的OFDM系統(tǒng)中，采用輔助信息的同步方式主要可以分為：插入導頻符號的同步和基于

59、循環(huán)前綴的同步。這兩種同步方法，各有其優(yōu)缺點。插入導頻符號法同步性能較好，但是這種方法浪費了帶寬和功率資源，降低了系統(tǒng)的有效性?；谘h(huán)前綴的同步法可以應用最大似然估計算法，克服了插入導頻符號浪費資源的缺點，且簡單、易實現(xiàn)，但是同步范圍較小。</p><p>　　同步是OFDM技術中的一個難點，許多學者提出了很多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估計算法， ESPRIT算法

60、雖然估計精度高，但計算復雜，計算量大，而ML算法利用OFDM信號的循環(huán)前綴，可以有效地對OFDM信號進行頻偏和時偏的聯(lián)合估計，而且與ESPRIT算法相比，其計算量要小得多。OFDM系統(tǒng)對定時頻偏的要求是小于OFDM符號間隔的4%，對頻率偏移的要求大約要小于子載波間隔的1%~2%，系統(tǒng)產生的-3dB相位噪聲帶寬大約為子載波間隔的0.01%~0.1%。</p><p>　　2.3.2 信道估計</p>

61、<p>　　在OFDM系統(tǒng)中，信道估計器的設計主要有兩個問題：一是導頻信息的選取。由于無線信道常常是衰落信道，需要不斷對信道進行跟蹤，因此導頻信息也必須不斷地傳送；二是復雜度較低和導頻跟蹤能力良好的信道估計器的設計。在實際設計中，導頻信息的選擇和最佳估計器的設計通常又是相互關聯(lián)的，因為估計器的性能與導頻信息的傳輸方式有關。</p><p>　　2.3.3 降低峰值平均功率比</p><

62、;p>　　由于OFDM信道時域上表現(xiàn)為N個正交子載波信號的疊加，當這N個信號恰好均以峰值疊加時，OFDM信號也將產生最大峰值，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，但為了不知真地傳輸這些高PAPR的OFDM信號，發(fā)送端對高功率放大器(HPA)的線性度要求也很高。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際應用。為了解決這一問題，人們提出了基于信號畸變技術、信號擾碼技術和基于信號空間擴展等降低O

63、FDM系統(tǒng)PAPR的方法。</p><p><b>　　2.3.4 均衡</b></p><p>　　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。因為均衡的實質是補償多徑信道引起的碼間干擾，而OFDM技術本身已經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，信道記憶長度很長，循環(huán)前綴CP的長度必須

64、很長，才能使ISI盡量不出現(xiàn)。但是，CP長度過長必然導致能量大量損失，尤其對子載波個數不是很大的系統(tǒng)。這時，可以考慮加均衡器以使CP的長度適當減小，即通過增加系統(tǒng)的復雜性換取系統(tǒng)頻帶利用率的提高。</p><p>　　2.3.5 編碼信道和交織</p><p>　　為了提高數字通信系統(tǒng)性能，信道編碼和交織是普遍采用的方法。對于衰落信道中的隨機錯誤，可以采用信道編碼；對于衰落信道中的突發(fā)錯誤

65、，可以采用交織技術。實際應用中，通常同時采用信道編碼和交織，進一步改善整個系統(tǒng)的性能。在OFDM系統(tǒng)中，如果信道衰落不是太嚴重，均衡是無法再利用信道的分集特性來改善系統(tǒng)性能的，因為OFDM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被OFDM這種調制方式本身所利用了。但是OFDM系統(tǒng)的結構卻為在子載波間進行編碼提供了機會，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。<

66、;/p><p>　　第3章 OFDM調制器技術</p><p>　　3.1 OFDM調制解調原理</p><p>　　OFDM 技術對信號進行 I/Q 調制, 在 IQ 兩路調制時沒有幅度上的失真, 所以極大的克服了模擬 I/Q調制的幅度和相位不平衡性, 克服了模擬混頻電路非線性的影響。由于 FPGA的可編程性, 使用 FPGA 實現(xiàn)調制 /解調可以提高系統(tǒng)的可編程性。

67、</p><p>　　在 FPGA 中在使用平方根升余弦濾波器對基帶信號濾波, 以消除符號間干擾, 濾波后的IQ兩路信號通過乘法器與 NCO 中的正弦和余弦中頻載波相乘完成 IQ 調制, 最后兩路信號相加通過 DA 轉換送入信道。接收時將信道來的通過 AD轉換后的信號通過與 NCO 的兩路正交載頻相乘分解出 IQ 兩路信號送至 FPGA 進行 OFDM 調制在并串轉換數據輸出。實現(xiàn)框圖分別如圖 3.1、圖 3.2

68、和圖 3.3。</p><p>　　圖 3.1 基于 OFDM 系統(tǒng)得調制和解調框圖</p><p>　　圖3.2 調制原理框圖</p><p>　　圖 3.3 調制原理框圖</p><p>　　一個OFDM符號之內包含多個經過相移鍵控(PSK)或者正交幅度調制(QAM)的子載波。如果用N表示子載波的個數，T表示OFDM符號的持續(xù)時間(周期)

69、， di(i=0,1,2…,N-1) 表示分配給每個子信道的數據符號， ?i表示第i個子載波的載波頻率，矩形函數rect(t)=1,|t|≤T/2,則t=ty從開始的OFDM符號可以表示為：</p><p><b>　　(3.1)</b></p><p>　　一旦將要傳輸的比特分配到各個子載波上，某一種調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

70、帶信道來表示OFDM的輸出信號:</p><p><b>　　(3.2)</b></p><p>　　其中s(t)的實部和虛部分別對應OFDM符號的同相(In-phase)和正交(Quadrature-phase)分量，在實部系統(tǒng)可以分別與相應子載波的余弦分量和正弦分量相乘，構成最終的子信道信號和合成的OFDM符號。圖3.1展示了OFMD系統(tǒng)調制解調模型框圖，其中?=

71、?c+i/T。在接收端，將接收的同相和正交矢量映射回數據，完成子載波調制。</p><p>　　圖3.4 OFDM系統(tǒng)調制解調模型框圖</p><p>　　這種正交性還可以從頻域角度來理解,在每一個子載波頻率的最大處,所有其他子信道的頻譜值恰好為零,因此在理想情況下,可以從多個相互重疊的子信道符號頻譜中提取出各個子信道符號,而不會受到其他子信道的干擾。OFDM實際上是可以滿足無符號間干擾的

72、奈奎斯特準則,這種消除子信道間干擾(ICI)的方法是通過在時域中使用矩形脈沖成形,在頻域中每個子載波的最大處采樣來實現(xiàn)。</p><p>　　3.2采用 IFFT 和 FFT 的 OFDM 系統(tǒng)結構 快速傅里葉變換是一個相對成熟和完善的算法，該算法因其方便、快捷和有效性在很多領域得到廣泛應用。傅里葉變換獨特的蝶型運算不僅在現(xiàn)有的通信與信號處理方面具有很強的優(yōu)勢，在O

73、FDM系統(tǒng)中同樣也能起到一定的作用。</p><p>　　在實際應用中，系統(tǒng)并行數據的調制與解調可以采用反傅立葉變換 (IFFT) 和傅立葉變換 (FFT) 來實現(xiàn)。采用 IFFT 和 FFT 的 OFDM 系統(tǒng)結構如圖所示。</p><p>　　圖3.5 采用 IFFT 和 FFT 的 OFDM 系統(tǒng)結構</p><p>　　對于N比較大的系統(tǒng)，式（3.2）中的O

74、FDM復等效基帶信號可以采用離散傅里葉逆變換（IDFT）方法實現(xiàn)。為了敘述簡潔，可以令式（3.2）中的ts=0并且忽略矩形，對于信號s(t)以T/N的速率進行抽樣，即令t=kT/N(k=0,1,…,N-1)，則得到：</p><p><b>　　(3.3)</b></p><p>　　可以看到ｓｋ等效為對 進行IDFT運算。同樣在接收端，為了恢復出原始的數據符號 ，可

75、以對ｓｋ進行逆變換，即DFT得到：</p><p><b>　　(3.4)</b></p><p>　　根據以上分析，可以看到OFDM系統(tǒng)的調制解調可以分別有IDFT和DFT來替代，通過N點的IDFT運算，把頻域數據符號變換為時域數據符號 ，經過射頻載波調制之后，發(fā)送到無線信道中。其中每一個IDFT輸出的數據符號都是由所有子載波信號經過疊加而成的，既對連續(xù)的多個經過調

76、制的子載波的疊加信號進行抽樣得到的。</p><p>　　在OFDM系統(tǒng)實際的運用中，可以采用更加快捷方便的IFFT/FFT。N點IDFT運算需要實施N2次復數乘法，而IFFT則可以明顯地降低運算復雜度。對于常用的基2的IFFT算法，其復數乘法次數僅僅為（N/2）log2(N)，以16點的變換為例，IDFT和IFFT中所需要的乘法次數分別為256次和32次，并且鎖著子載波個數N的增加，復雜度之間的差距也會越來越明

77、顯，IDFT的計算復雜度隨著N增加而二次方增長，IFFT的計算復雜度卻只是略快于線性變化。對于子數量龐大的OFDM系統(tǒng)來說，可以進一步采用基4的IFFT算法來實施傅里葉變換。</p><p>　　第4章 OFDM調制器的MTALAB仿真</p><p>　　使用MATLAB可實現(xiàn)OFDM調制器的仿真，OFDM調制器的系統(tǒng)模型可表示如圖4.1所示。數據源FCH和DATA使用預先存儲的數據(0

78、、1比特流)，數據大小分別為36×13比特和36×40比特。為了信號可以有效傳輸，系統(tǒng)采用BPSK和DBPSK調制方案，采用256點的IFFT的運算模塊。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。為了讓OFDM信號的帶外功率譜密度下降的更快，對信號進行加窗。最后在信號的頭部位置加上前導碼，形成OFDM幀，進行發(fā)送。 </p><p>　　圖4.1 G3-PL

79、C協(xié)議的數據幀結構</p><p>　　圖4.2 OFDM調制器系統(tǒng)模型</p><p>　　數據源FCH和DATA使用預先存儲的0、1數據流，數據大小分別為36×13比特和36×40比特，其中FCH采用BPSK映射，DATA采用DBPSK映射。</p><p>　　4.1 IFFT模塊</p><p>　　在進行IFFT

80、運算時，IFFT的輸入為36個子載波，其中第一個子載波放置到第23號位置，最后一個子載波放置到第58號位置，其余位置補零。其中IFFT運算結果有用的數據只為實部。</p><p>　　圖4.3 IFFT模塊結構圖</p><p>　　4.2 添加循環(huán)前綴</p><p>　　由于信道具有記憶性，導致結果輸出不僅與當前輸入塊有關，還與上一個輸入塊有關，這樣就引起了塊間

81、干擾(ISI)。并且由于多徑傳播的影響，會造成子載波間的干擾(ICI)，即子載波的正交性遭到破壞。</p><p>　　圖4.4 添加循環(huán)前綴</p><p><b>　　4.3 加窗模塊</b></p><p>　　采用特定的窗函數，每個符號邊界的8個采樣點使用升余弦函數，其余采樣點窗函數值設置為1。</p><p>

82、　　圖4.5 升余弦窗函數</p><p>　　相鄰符號間的頭部8采樣點和尾部8采樣點進行覆蓋疊加。示意圖如下：</p><p>　　圖4.6符號的覆蓋疊加</p><p><b>　　4.4 前導模塊</b></p><p>　　前導是由8個SYNCP符號和1.5個SYNCM符號連接后加窗后構成，其中每個SYNCP和S

83、YNCM符號都包含了256點。</p><p>　　圖4.7 前導加窗示意圖</p><p>　　SYNCP是由固定的36個初始相位為映射復數做IFFT后取實部的結果，SYNCM符號為SYNCP符號取反的結果。</p><p><b>　　4.5 成幀模塊</b></p><p>　　圖4.8一幀信號波形圖</p&

84、gt;<p>　　圖4.9一幀信號的功率譜示意圖</p><p>　　第5章 OFDM調制器的Verilog仿真</p><p>　　5.1 OFDM調制器的結構設計</p><p>　　圖5.1為OFDM調制器Verilog仿真的結構框圖，系統(tǒng)設計基于G3-PLC協(xié)議。數據源FCH和DATA采用預先存儲于ROM的數據，然后數據經過映射模塊，映射數據在

85、做IFFT運算之前要進行數據處理，添加循環(huán)前綴和加窗后，與前導碼進行疊加，形成OFDM幀。</p><p>　　圖5.1 OFDM調制器的結構框圖</p><p>　　5.2 子模塊仿真分析</p><p>　　5.2.1 BPSK/DBPSK映射</p><p>　　本次設計的數據源FCH和DATA預先存儲于ROM模塊中，模塊設計方案為當F

86、CH數據輸入使能信號en_FCH有效時，輸入FCH待映射數據，輸出數據out_map為BPSK映射的FCH；若DATA數據輸入使能信號en_DATA有效時，輸入DATA待映射數據，輸出數據out_map為DBPSK映射的Data。函數結構如圖5.2所示：</p><p>　　圖 5.2 BPSK/DBPSK映射函數</p><p>　　其中，每36個數據的起點，輸出一個sop_map信號，

87、表示映射數據輸出的起點。數據進行BPSK/DBPSK映射的時候，由于調制方式差異的原因，如果DATA緊跟著FCH輸入完就輸入進行DBPSK映射，那么DBPSK的輸出會比BPSK輸出晚兩個時鐘才會開始，所以需要讓DATA提前兩個時鐘輸入。BPSK/DBPSK映射仿真波形如圖5.3、5.4所示。</p><p>　　圖5.3 BPSK映射仿真波形</p><p>　　圖5.4 DBPSK映射仿

88、真波形</p><p>　　5.2.2 IFFT前數據處理</p><p>　　IFFT前數據處理的主要目的是實現(xiàn)輸入IFFT的數據流的控制，使輸入數據能夠滿足IFFT模塊的處理數據的要求。</p><p>　　圖5.5 數據流控制示意圖</p><p>　　5.2.3 IFFT模塊</p><p>　　IFFT模塊采

89、用了經過優(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，能夠滿足本設計的應用要求。</p><p>　　圖5.6 IFFT模塊仿真波形圖</p><p>　　5.2.4 添加循環(huán)前綴和加窗</p><p>　　將IFFT運算結果暫存于兩塊RAM中，用來交替存儲流入的數據。 </p><p>　　循環(huán)前

90、綴的方案采用重復讀取RAM中的數據的方式，將一部分數據重復復制，從而形成循環(huán)前綴。</p><p>　　圖5.7 數據流控制示意圖</p><p>　　由于FPGA中乘法器需要占用很大的資源，所以在硬件設計中將升余弦函數部分用程序直接實現(xiàn)，其實現(xiàn)方法為將升余弦函數的數值轉化為8位二進制，用移位代替乘法器，而其他數值保持不變。</p><p>　　圖5.8 添加循

91、環(huán)前綴和加窗函數仿真波形</p><p>　　5.2.5 前導生成模塊</p><p>　　首先將一個符號的SYNCP的數據預先存儲在256*16bit的ROM中，SYNCM采用SYNCP取反的結果，不會單獨再存放于ROM中。前導生成函數結構圖如圖5.13所示，輸入信號ena啟動前導序列生成的信號，輸出信號oData_preamble_valid為前導序列的有效信號。</p>

92、<p>　　圖5.9 前導生成函數結構圖</p><p>　　函數內部設置計數器變量cnt，讀取9.5個符號。當計數器cnt為0時，開始進行第一個符號讀取，同時頭部8點進行加窗，由于地址的讀取會產生兩個時鐘的延時，所以當地址讀取從2開始(0和1由于地址無效，不是有效值)。第一個符號讀取完畢后繼續(xù)從ROM中重復讀取第2至第8個SYNCP，此時已讀取了8個SYNCP。當計數器計數至8時，讀取SYNCP的同

93、時取反，形成SYNCM，當計數器計數至9時，讀取1/2個SYNCM的同時進行尾部8點加窗，生成前導。前導仿真波形圖如圖5.14所示。</p><p>　　圖5.10 前導仿真波形圖</p><p>　　5.2.6 成幀模塊</p><p>　　由于前導長度2432點，需要設置移位寄存器進行cp的2432個時鐘的輸出延時，將前導的輸出和數據的輸出連續(xù)形成一幀。<

94、/p><p>　　圖5.11 OFDM仿真波形圖</p><p>　　5.3 仿真結果的對比驗證</p><p>　　將Verilog的仿真結果與MATLAB的仿真結果進行比較，圖5.12展示的是Verilog仿真值與MATLAB計算結果的均方誤差。從圖中可以看出Verilog的計算值與MATLAB的計算值存在誤差。這個誤差的來源主要有兩個方面，一方面是因為采用定點數

95、計算，轉換過程中有一定的舍入誤差。令一方面是在計算過程中也會產生一些累積的誤差。但這個均方誤差值均小于，完全能夠滿足系統(tǒng)設計要求。</p><p>　　圖5.12 均方誤差值</p><p><b>　　第6章 總結</b></p><p>　　OFDM是一種能夠對抗由多徑衰落信道造成的符號間干擾的有效技術，它可在頻率選擇性衰落信道中實現(xiàn)高速率

96、的無線通信。第三代移動通信系統(tǒng)的標準己確定，第四代移動通信系統(tǒng)己處于研究和試驗階段。OFDM技術作為一種高效的調制技術，將成為第四代移動通信系統(tǒng)的關鍵技術之一。作為OFDM系統(tǒng)中關鍵技術之一的信道估計，它的性能直接影響到未來移動通信的通信品質。開展這方面的研究具有很強的理論和現(xiàn)實意義。 </p><p>　　OFDM技術的主要優(yōu)缺點：</p><p><b>　　優(yōu)點：</

97、b></p><p>　　(1) 適用于多徑環(huán)境和衰落信道中的高速數據傳輸</p><p>　　它將高速串行數據分割成多個子信號，降低碼元速率，相應延長了碼元周期；當傳輸的符號周期大于最大延遲時間時就能夠有效的減弱多徑擴展的影響。所以OFDM對信道中因多徑傳輸而出現(xiàn)的ISI有很強的魯棒性，系統(tǒng)總的誤碼率性能好。</p><p>　　(2) 具有很強的抗信道衰落

98、能力</p><p>　　在OFDM中由于并行數據碼元周期很長，一般大于深衰落的延續(xù)時間，通常衰落發(fā)生在某個子載波上，這時通過各個子載波的聯(lián)合編碼，便可恢復。如果衰落不是特別嚴重，簡單的均衡器結構是OFDM的突出優(yōu)點之一。由于OFDM在每個子信道上通常經歷的是平坦衰落，所以可以方便的對各個子信道進行頻域均衡。通常，一階抽頭濾波器結構的均衡器便可滿足要求。這對接收機的復雜度是個很大的簡化。</p>&

99、lt;p>　　(3) 頻譜利用率高</p><p>　　傳統(tǒng)的頻分多路傳輸方法是將頻帶分為若干個不相交的子頻帶來并行傳輸數據流，各個子信道之間要保留足夠的保護頻帶。而OFDM系統(tǒng)由于各個子載波之間存在正交性，允許子信道的頻譜互相重疊，因此與常規(guī)的頻分復用系統(tǒng)相比，OFDM系統(tǒng)可以最大限度地利用頻譜資源。當子載波個數很大時，系統(tǒng)的頻譜利用率趨于。</p><p>　　(4) 可以采用I

100、DFT和DFT方法來實現(xiàn)</p><p>　　各個子信道中的正交調制和解調可以采用IDFT和DFT方法來實現(xiàn)。尤其在子載波數目眾多的情況下，采用FFT算法能大大減少系統(tǒng)的復雜度，簡化系統(tǒng)結構，使得OFDM技術更趨于實用化。</p><p><b>　　(5) 抗窄帶干擾</b></p><p>　　因為窄帶干擾只能影響一小部分的子載波，因此OF

101、DM系統(tǒng)可以在某種程度上抵抗這種窄帶干擾。</p><p><b>　　缺點：</b></p><p>　　(1) 對定時和頻率偏移敏感</p><p>　　由于子信道的頻譜相互覆蓋，這就對它們之間的正交性提出了嚴格的要求。然而由于無線信道存在時變性，在傳輸過程中會出現(xiàn)無線信號的頻率偏移，例如多普勒頻移，或者由于發(fā)射機載波頻率與接收機本地振蕩器

102、之間存在的頻率偏差，都會使得OFDM系統(tǒng)子載波之間的正交性遭到破壞，從而導致子信道間干擾（ICI），這種對頻率偏差的敏感性是OFDM系統(tǒng)的主要缺點之一。</p><p>　　(2) 存在較高的峰值平均功率比</p><p>　　多載波系統(tǒng)的輸出是多個子信道信號的疊加，因此如果多個信號的相位一致時，所得到的疊加信號的瞬時功率就會遠遠高于信號的平均功率，導致較大的峰值平均功率比。這就對發(fā)射機內

103、放大器的線性度提出了很高的要求，因此可能帶來信號畸變，使信號的頻譜發(fā)生變化，從而導致各個子信道間的正交性遭到破壞，產生干擾，使系統(tǒng)的性能惡化。</p><p>　　本文介紹了OFDM技術的基礎理論，其重點對OFDM調制器及其相關模塊如調制映射、IFFT、加循環(huán)前綴、加窗技術進行了詳細的分析，最后在研究過程中結合理論分析，分別使用MATLAB工具和Verilog HDL硬件描述語言對OFDM調制器進行了仿真并對誤碼

104、率進行了對比。</p><p><b>　　第7章 展望</b></p><p>　　OFDM技術具有在雜波干擾下傳送信號的能力，因此常常會被利用在容易受外界干擾或者抵抗外界干擾能力較差的傳輸介質中。OFDM被廣泛地應用于電力線通信、無線局城網、DAB，DVB以及HDTV等系統(tǒng)中，具有廣闊的應用前景。OFDM是現(xiàn)在研究的一個熱點，但是由于對OFDM技術的研究還處于起步

105、階段，OFDM技術無論是在理論方面還是在實際應用方面都還存在一些值得研究的問題。今后對于OFDM系統(tǒng)的研究方向如下：</p><p>　　(1) 對峰值平均功率比進行研究。由于多載波系統(tǒng)會存在導致較大的峰值平均功率比(PARP)，這就對發(fā)射機內的放大器的線性度提出了很高的要求，可能會帶來信號畸變，是信號的頻譜發(fā)生變化，使得系統(tǒng)的正交性遭到破壞，產生干擾。在沒有理想的放大器的情況下，這是必須解決的難題。</p

106、><p>　　(2) 對OFDM整個系統(tǒng)進行仿真及FPGA的實現(xiàn)。本次設計主要是內容為OFDM調制器的FPGA的實現(xiàn)，在今后的工作中可以進一步去了解OFDM解調器、信道估計、編譯碼等技術。</p><p>　　(3) 設計基于不同協(xié)議的OFDM系統(tǒng)。例如，通過設計基于IEEE802.16a協(xié)議的OFDM系統(tǒng)，以更深的理解OFDM技術和更好的應用OFDM。 </p><p&