正交频分复用解调电路设计.docx

正交频分复用解调电路设计.docx

《正交频分复用解调电路设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《正交频分复用解调电路设计.docx（29页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

正交频分复用解调电路设计

提供全套毕业论文图纸，欢迎咨询

编号：

毕业设计说明书

题目：

正交频分复用解调电路设计

院（系）：

信息与通信学院

专业：

电子信息工程

学生姓名：

学号：

指导教师：

职称：

讲师

√

题目类型：

理论研究实验研究工程设计工程技术研究软件开发

2010年5月18日

摘要

社会的发展和信息化脚步的推进使人们对移动通信服务的期望值日渐提高,传统的无线语音服务已经不能够满足人们对移动通信的需求,无线网络提供的多媒体服务才是人们未来的主流需求。

当前已在全球多数国家商用化的第三代移动通信技术,由于该技术自身的传输速率的限制,达到多媒体业务接入的目标还存在一定的距离。

因此,OFDM技术作为下一代移动通信技术的代表,目前受到了越来越多的人的关注,它的对抗多径衰落,高频带利用率等优点使其正发展为4G移动通信的主流技术。

上个世纪70年代,韦斯坦（Weistein）和艾伯特（Ebert）等人应用离散傅里叶变换（DFT）和快速傅里叶方法（FFT）研制了一个完整的多载波传输系统,叫做正交频分复用（OFDM）系统。

OFDM是正交频分复用的英文缩写。

正交频分复用是一种特殊的多载波传输方案。

OFDM应用离散傅里叶变换（DFT）和其逆变换（IDFT）方法解决了产生多个互相正交的子载波和从子载波中恢复原信号的问题。

这就解决了多载波传输系统发送和传送的难题。

应用快速傅里叶变换更使多载波传输系统的复杂度大大降低。

从此OFDM技术开始走向实用。

但是应用OFDM系统仍然需要大量繁杂的数字信号处理过程,而当时还缺乏数字处理功能强大的元器件,因此OFDM技术迟迟没有得到迅速发展。

近些年来,集成数字电路和数字信号处理器件的迅猛发展,以及对无线通信高速率要求的日趋迫切,OFDM技术再次受到了重视。

并行的数据传输和频分复用（FDM）的理论早在二十世纪60年代就已经提出。

到二十世纪70年代,美国的一个专利提出了采用这种思路来减小对高速均衡的依赖,并且能够抵制多径失真、冲激噪声,提高带宽利用率。

起初该技术只是在军事通信系统中得到应用。

而后的很长的一段时期里,OFDM技术没有得到从理论迈向实际的机会。

由于OFDM的子载波间严格遵循正交性,虽然采用快速傅立叶变换能够实现这种调制,但是实时FFT设备的复杂度、发射机、接收机振荡器的稳定性和射频功率放大器的线性要求等诸多因素都限制了OFDM技术在实际应用中的发展。

20世纪80年代,大规模集成电路的应用,让FFT技术的实现成为可能,也相应的解决了以往研究中存在的困难,0FDM技术也逐渐开始得到实际应用。

OFDM技术从此走上了移动通信的舞台。

OFDM技术的中文全称是正交频分复用,与传统通信技术不同,它将用户数据在多个相互正交的子载波上并行进行传输。

OFDM技术虽然凭借自身的技术优势能够实现信息的高速传输、有效的对抗多径衰落,但是诸如频偏、峰均功率比等关键问题也需要我们进一步去研究解决。

关键词：

下一代移动通信；正交频分复用；无线信道；离散傅立叶变换；快速傅立叶变换；

Abstract

Withthesocialprogress,theneedformobilecommunicationismuchhigherthanbefore,peoplearenotonlysatisfiedwiththewirelesspronunciationservices,butalsohopetoobtainmultimediaserviceswhereverpossiblethroughthewirelessnetworkatanytimeandanyplaces.Thedevelopmentofelectronictechnology,multimediatechnology,mobilecommunicationtechnologymakeitcometrue.Atpresent,thethirdgenerationofmobilecommunicationsystem（3G）thatismovingtowardscommercializationhasnotformedanunifiedglobalstandard,anditsservicespeedcan’ttotallymeettheneedsofmultimediainsert.OFDMwhichisonbehalfoffuturemobilecommunicationgenerationisbecomingahotsubjectofresearches.Atthesametime,anti-multipathfadingandhighbandwidthefficiencymakeOFDMbecomesoneofthemaintechnologiesof4Gmobilecommunication.In1970s,OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing（OFDM）systemisacompletemulticarriertranceiverinitiatedbyWeinstein,ElbertandothersthroughDFTandFastFourierTransform（FFT）.OFDMisanabbreviationoforthogonalfrequencydivisionmultiplexingwhichisthespecialMulti-CarriertransmissionschemeandmainlyappliedtoDFTandIDFT.TheapplicationofOrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing（OFDM）appliedtoDFTandIDFTworkedouttheanswertoproducemulti-Orthogonalsubcarriersandrecovertheoriginalsignalfromsubcarriers.ThecomplexityofmulticarriertransceiverisgreatlyreducedbyusingtheDFTtechnology.Fromthenon,OFDMtechnologybegintoheadforactualapplications.Butitstillneedslotofcomplexdigitalsignalprocessingandthelackofpowerfulcomponentswhichhavedigitalsignalprocessingfunction.Justundersuchcondition,OFDMtechnologydidn’tdeveloprapidlyinaverylongtime.Recentyears,withtherocketingdevelopmentofintegrationcircuitsanddigitalsignalprocessingcomponentsandmuchkeenerneedforhigheffectivelywirelesscommunication,OFDMtechnologybegintogethighlyregardagain.In1960s,theresearcherhadalreadypropoundedthetheoryofusingparalleldatatransferandFDM.In1970s,anAmericanresearcherinventedandalsopentforapatent.Thispatentmainlyadoptedtheconceptofmakingparalleldataandsubcarriersuperimposedwitheachother.Undersuchcondition,frequencydivisionmultiplexingcouldeliminatedependencyonhigh-speedequalization.Thistechnologycouldresistimpulsenoiseandmultipathdistortion,andthenbroadbandcouldbefullyutilized.Allthesecharactersmadethistechnologymainlyappliedtomilitarycommunicationsystematitsbeginning.Butforaratherlongtimeafterthat,thestepofapplyingOFDMtechnologytopracticalutilizationsloweddown.Becauseeverysubcarriersisorthogonaltoeachother,wecouldusefastfouriertransformtorealizethismodulation.Butinpractice,thecomplexityofFastFourierTransform（FFT）equipment,stabilityoftransmittersandreceiversoscillator,linearneedofpoweramplifierandotherelementslayrestraintsontherealizationofOFDMtechnology.In1980s,MulticarrierModulation（MCM）madebreakthroughprogress.LargescaleintegratedcircuitmadetheimpenetrablebarrierofrealizationofFFTtechnologyexitnolonger.Someotherproblemswhicharedifficulttosolvealsogottheirownsolutions.Hence,OPDMtechnologybegantorisefromthecornertothebrilliant-litstageofcommunicationindustryandsteptowardstheterritoryofhigh-speeddigitalmobilecommunication.ThefullnameofOFDMtechnologyisorthogonalfrequencydivisionmultiplexingwhichmeanstotransferuserdatabymulti-orthogonalsubcarrier.Althoughitcantransferdatainformationatveryhighspeedandeffectivelycountermeasuremultipathfadingbythecharacterofsignalitself,itstillexistsmanykeyproblemswaitingtobesolved,suchasfrequencyandpeak-to-averagepowerratioatthefirstpart.

Keywords：

NextgenerationMobileCommunication；OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing；Wirelesschannel；Discretingflouriertransform（DFT）；fastflouriertransform（FFT）；

引言

现代移动通信是一门复杂的高新技术，不但集中了无线通信和有线通信的最新技术成就，而且集中了网络接收和计算机技术的许多成果。

目前，移动通信已从模拟通信发展到了数字移动通信阶段，并且正朝着个人通信这一更高级阶段发展。

未来移动通信的目标是，能在任何时间、任何地点、向任何人提供快速可靠的通信服务。

1978年底，美国贝尔实验室研制成功先进移动电话系统（AMPS），建成了蜂窝状模拟移动通信网，大大提高了系统容量。

与此同时，其它发达国家也相继开发出蜂窝式公共移动通信网。

这一阶段的特点是蜂窝移动通信网成为实用系统，并在世界各地迅速发展,这个系统一般被当作是第一代移动通信系统。

从20世纪80年代中期开始，数字移动通信系统进入发展和成熟时期。

蜂窝模拟网的容量已不能满足日益增长的移动用户的需求。

80年代中期，欧洲首先推出了全球移动通信系统（GSM：

GlobalSystemforMobile）。

随后美国和日本也相继指定了各自的数字移动通信体制。

20世纪90年代初，美国Qualcomm公司推出了窄带码分多址（CDMA：

Code-DivisionMultipleAccess）蜂窝移动通信系统，这是移动通信系统中具有重要意义的事件。

从此，码分多址这种新的无线接入技术在移动通信领域占有了越来越重要的地位。

这些目前正在广泛使用的数字移动通信系统是第二代移动通信系统。

第二代移动通信系统主要是为支持话音和低速率的数据业务而设计的。

但随着人们对通信业务范围和业务速率要求的不断提高，已有的第二代移动通信网将很难满足新的业务需求。

为了适应新的市场需求，人们正在制定第三代（3G）移动通信系统。

但是由于3G系统的核心网还没有完全脱离第二代移动通信系统的核心网结构，所以普遍认为第三代系统仅仅是一个从窄带向未来移动通信系统过渡的阶段。

目前，人们已经把目光越来越多得投向超三代（beyong3G）的移动通信系统中，使其可以容纳市场庞大的用户数、改善现有通信品质不良，以及达到高速数据传输的要求。

若从技术层面来看，第三代移动通信系统主要是以CDMA为核心技术，三代以后的移动通信系统则以正交频分复用OFDM（OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing）最受瞩目，特别是有不少专家学者针对OFDM技术在无线通信技术上的应用，提供了相关的理论基础，例如无线区域环路（WLL：

WirelessLocalLoop）、数字音讯广播（DAB:

DigitalAudioBroadcasting）等，都将在未来采用OFDM技术。

目前世界范围内存在有多种数字无线通信系统，然而基于支持话音业务的电路交换模式的第二代移动通信系统不能满足多媒体业务的需要,但是对于高速数据业务来说，单载波TDMA（TimeDivisionMultipleAccess）系统和窄带CDMA系统中都存在很大的缺陷。

由于无线信道存在时延扩展，而且高速信息流的符号宽度又相对较窄，所以符号之间会存在较严重的符号间干扰（ISI：

Inter-SymbolInterference），因此对单载波TDMA系统中使用的均衡器提出非常高的要求，即抽头数量要足够大，训练符号要足够多，训练时间要足够长，而均衡算法的复杂度也会大大增加。

对于窄带CDMA来说，其主要问题在于扩频增益与高速数据流之间的矛盾。

保证相同带宽的前提下，高速数据流所使用的扩频增益就不能太高，这样就大大限制了CDMA系统噪声平均的优点，从而使得系统的软容量受到一定的影响，如果保持原来的扩频增益，则必须要相应的提高带宽。

此外，CDMA系统内的一个非常重要的特点是采用闭环的功率控制，这在电路交换系统中比较容易实现，但对于分组业务来说，对信道进行探测，然后再返回功率控制命令会导致较大的时延，因此对于高速的无线分组业务来说，这种闭环的功率控制问题也存在缺陷。

因此，人们开始关注正交频分复用（OFDM）系统，希望通过这种方法来解决高速信息流在无线信道中的传输问题，从而可以满足带宽要求更高的多种多媒体业务和更快的网络浏览速度。

正交频分复用（OFDM：

OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing）的提出已有近40年的历史，第一个OFDM技术的实际应用是军用的无线高频通信链路。

但这种多载波传输技术在双向无线数据方面的应用却是近十年来的新趋势。

经过多年的发展，该技术在广播式的音频和视频领域已得到广泛的应用。

近年来，由于DSP（digitalsignalprocessing）技术的飞速发展，OFDM作为一种可以有效对抗ISI的高速传输技术，引起了广泛关注。

OFDM技术已经成功地应用于数字音频广播（DAB）、高清晰度电视HDTV（High-definitionTelevision）、无线局域网WLAN（WirelessLocalAreaNetwork），它在移动通信中的运用也是大势所趋。

1999年IEEE802．11a通过了一个5GHz的无线局域网标准，其中OFDM调制技术被采用并作为它的物理层标准。

1系统设计内容与要求

1.1设计内容

采用单芯片（FPGA）完成一个正交频分复用解调电路设计。

采用64点FFT，完成31个子载波传输，每个子载波使用4-QAM星座图。

每个子载波对应不同的频率，互相之间保持正交，避免了信道间干扰。

正交频分复用（OFDM）技术是多载波解调中的一种，在高速无线通信中有广泛的应用。

OFDM适合无线通信场景，采用多载波方式，可以把数据流分成多个分支，这样可以把噪声当作加性高斯白噪声，简化了系统。

借助EDA设计软件，在FPGA上实现OFDM通信系统中的解调功能。

1.2设计要求

1、使用QUARTUSII软件，设计硬件电路，编写HDL程序，对电路进行功能和时序仿真分析。

2、实现OFDM解调，在FPGA上实现解调电路，并进行性能测试。

3、采用31个子载波，64点快速傅立叶变换，能够实现12.5Mbps数据传输速率。

4、可以通过计算机的串口进行数据接收演示。

2OFDM系统基本介绍

2.1OFDM技术介绍

正交频分复用（OFDM）技术与已经普遍熟知应用的频分复用（FDM：

FrequencyDivisionMultiplexing）技术十分相似，与FDM基本原理相同，OFDM把高速的数据流通过串并变换，分配到速率相对较低的若干个频率子信道中进行传输，不同的地方是，OFDM技术利用了更好的控制方法，使频谱利用率有所提高。

OFDM与FDM的主要差别为以下几方面：

第一：

在常规的广播系统中，每一个无线站在不同的频率上发送若干个信号，有效的运用FDM来保证每个站点的分隔，广播系统中的每一个站点没有任何的同位或同步；但使用OFDM传播技术，譬如DAB，从多个无线站来的信息信号被组合成一个单独的复用数据流，这些数据是由多个子载波密集打包组成，然后将在OFDM体系中传输，在OFDM信号内的所有子载波都是在时间和频率上同步，使子载波之间的干扰被严格控制。

这些复用的子载波在频域中交错重叠，但因为调制的正交性且采用循环前缀作为保护间隔，所以不会发生载波间干扰ICI（Inter-CarrierInterference）。

第二：

对传统的频分复用（FDM）系统而言，传播的信号需要在两个信道之间存在较大的频率间隔即保护带宽来防止干扰，这降低了全部的频谱利用率；然而应用OFDM的子载波正交复用技术大大减少了保护带宽，提高了频谱利用率。

如图2-1。

在早期时候，正交频分复用（OFDM）系统中，各子载波采用正交滤波器将信道分成多个子信道，但要用很多的滤波器，尤其是当路数增多的时候。

1971年，Weinstein及Ebert等将DFT应用于多载波传输系统中，从而很方便地实现了多路信号的复合和分解。

OFDM系统的一个重要优点就是可以利用快速傅立叶变换实现调制和解调，从而大大简化系统实现的复杂程度。

图21FDM与OFDM带宽利用率的比较

正交频分复用（OFDM）系统是一种特殊的多载波传输方案，它可以被看作是一种调制技术，也可以被当作一种复用的技术。

多载波传输把数据流分解成若干个子比特流，这样每个子数据流将具有低得多的比特速率，用这样的低比特率形成的低速率多状态符号再去调制相应的子载波，就构成多个低速率符号并行发送的传输系统。

正交频分复用是对多载波调制（MCM：

Multi-CarrierModulation）的一种改进。

它的特点是各子载波相互正交的，所以扩频调制后的频谱可以相互重叠，不但减小了子载波间的相互干扰，还大大提高了频谱利用率。

选择OFDM的一个主要原因在于该系统能够很好地对抗频率选择性衰落和窄带干扰。

在单载波系统中，一次衰落或者干扰可以导致整个链路失效，但是在多载波系统中，某一时刻只会有少部分的子信道会受到深衰落的影响。

2.2OFDM技术的发展

OFDM（Orthogona1FrequencyDivisionMultiplexing）即正交频分复用，是一种多载波数字调制技术，于20世纪60年代就己提出，该技术的特点是易于实现信道的均衡，降低了均衡器的复杂性，但由于OFDM技术要求大量的复杂计算和高速存储设备，当时的技术条件还达不到，所以仅在一些军用系统中有过应用。

第一个OFDM技术的实际应用是军用的无线高频通信链路，由于较早期的OFDM系统结构非常复杂，需要使用多个调制解调器，从而限制了它的应用和发展。

1971年，Weinstein和Ebert提出了采用离散傅立叶变换来等效多个调制解调器的功能，简化了系统结构，使得OFDM技术更趋于实用化。

近年来，由于数字信号处理技术和大规模集成电路技术（VLSI）的发展，制约OFDM技术发展的障碍已不存在。

同时，80年代中后期以来由于无线通信技术，特别是无线多媒体技术的飞速发展，要求的数据传输速率越来越高。

随着传输速率的提高，信道干扰更加严重，采用传统的单载波调制方式，其信道均衡的难度也随之增加，而采用OFDM调制技术可有效地处理信道干扰，提高系统的传输速率，因此倍受大家瞩目。

1995年欧洲电信标准委员会（ETSI）将OFDM作为数字音频广播（DAB）的调制方式，这是第一个以OFDM作为传输技术的标准。

欧洲数字视频广播联盟也在1997年采用OFDM作为其地面广播（DVB-T）调制标准。

1999年IEEE将OFDM作为其无线局域网标准IEEE802.lla的物理层的调制标准。

OFDM和CDMA的结合也被用于宽带CDMA中。

目前OFDM技术己经被广泛应用于广播式的音频和视频领域和民用通信系统中，主要的应用有：

非对称的数字用户环路（ADSL）、ETSI标准的数字音频广播（DAB）、数字视频广播（DVB）、高清晰度电视（HDTV）、无线局域网（WLAN）等。

正交频分复用技术（OFDM）是一种无线环境下高