基于FPGA的OFDM调制器的仿真设计40论文41.docx

1、基于FPGA的OFDM调制器的仿真设计40论文41基于FPGA的OFDM调制器的仿真设计 Simulation design of OFDM modulator based on FPGA 摘 要正交频分复用(OFDM)技术是一种多载波数字调制技术，作为一种可以有效对抗信号信道间干扰和符号干扰的高速传输技术，以其频谱利用率高、抗多径衰落能力强、抗窄带干扰性能好、成本低等特点，得到了广泛应用。它能满足无线通信的高速化、宽带化以及移动化的需求，成为第四代移动通信的首选技术，也是当前移动通信技术研究的热点问题。FPGA(现场可编程逻辑门阵列)是一种可编程逻辑器件，它具有设计时间短、投资少、风险小的特

2、点, 而且可以反复修改, 反复编程, 直到完全满足需要,具有其他方式无可比拟的方便性和灵活性。这些特性使得FPGA可以高性能地实现OFDM通信系统的收发模块功能。本文概况地介绍了OFDM系统的基本概念、基本工作原理和关键技术，指出了OFDM调制技术的优势;介绍了的FPGA设计的基本原则和流程；深入进行基于FPGA的OFDM调制解调方案设计;针对仿真平台设计多种测试环境，得出仿真波形进行方案的优化完善并进行验证。本论文第1章首先首先介绍了OFDM的研究背景、目的以及意义。第2章对OFDM的基本原理以及技术的实习进行综述，并对OFDM系统的关键技术作出了详尽的介绍。第3章对OFDM调制解调原理进行

3、了说明，并介绍采用IFFT和FFT的OFDM系统结构。第4章叙述了OFDM调制器的MTALAB仿真。第5章叙述了OFDM调制器的VERILOG仿真，并对仿真结果进行对比验证。第6章对OFDM技术的主要优缺点总结，并对其发展进行了展望。关键词：正交频分复用(OFDM)；现场可编程门阵列(FPGA）；仿真 AbstractOrthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) technique is a multi-carrier digital modulation technology, as a kind of can effective aga

4、inst 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 resistant performance is good, low cost, etc, has been widely applied. It can satisfy t

5、he 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 communication technology.FPGA (Field Programmable Gate Array) is a kind of programmable logic devi

6、ces, 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 flexibility. These features make the FPGA can achieve high performance of OFDM communica

7、tion 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; This paper introduces the basic principles and the FPGA design of process; Further fo

8、r 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 first introduces the research background, purpose and significance of OFDM. Chapter 2, th

9、e 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 IFFT and FFT structure of OFDM system is introduced. Chapter 4 describes the OFDM modu

10、lator 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 development is prospected. Key Words: Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM); Fiel

11、d Programmable Gate Array (FPGA) ; simulation 第2章OFDM技术基础.22.1 OFDM的基本原理.22.2 OFDM技术的实现.42.3 OFDM系统的关键技术.52.3.1 同步技术.52.3.2 信道估计.62.3.3 降低峰值平均功率比.62.3.4 均衡.62.3.5 编码信道和交织.73.1 OFDM调制解调原理.93.2 采用 IFFT 和 FFT 的 OFDM 系统结构.114.1 IFFT模块.154.2 添加循环前缀.154.3 加窗模块.164.4 前导模块.164.5 成帧模块.175.1 OFDM调制器的结构设计.185.

12、2 子模块仿真分析.185.2.1.BPSK/DBPSK映射.185.2.2 IFFT前数据处理 .205.2.3 IFFT模块.205.2.4添加循环前缀和加窗.215.2.5 前导生成模块.225.2.6 成帧模块.235.3 仿真结果的对比验证.24第1章 绪论1.1 OFDM的研究背景 在现代通信系统中，如何高速和可靠地传输信息成为人们关注的一个焦点。虽然第三代移动通信比现有的传输速率快上千倍，但其数据传输速率也仅有2Mbit/s，第四代移动通信系统计划已经开始研究。第四代移动通信以正交频分复用(OFDM)作为核心技术之一。OFDM调制技术的出现为实现高效的抗干扰调制技术和提高频带利用

13、率开辟了一条的新路径。20世纪60年代已经提出了OFDM的基本原理，有关OFDM的专利在1970年1月首次公开发表，1971年Weinstein和Ebert又提出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OFDM技术更趋于实用化。近年来，随着数字信号处理（DSP）和超大规模集成电路（VLSI）技术的发展才使得制约OFDM技术发展的屏障不复存在，OFDM也因而变得更加实用。正交频分复用（OFDM）是一种特殊的多载波传输调制（MCM）技术，它可以被看做是一种调制技术，也可以被当做是一种复用技术。OFDM系统既可以维持发送符号周期源于大于多径时延，又能够支持高速的数据业务，并且不

14、需要复杂的信道均衡。本文的研究目的是从各方面深入研究正交频分复用理论，领会OFDM基带处理技术、FPGA电路设计的关键思想，并给予FPGA设计，实现OFDM系统中的关键功能模块和基带处理中的调制解调器，并给出仿真结果。基于PFGA实现OFDM通信系统，能有效降低电路复杂度，运用先进的算法提升通信系统的性能指标，采用计算机辅助设计，实现电子设计自动化，便于移植、集成和大规模生产。第2章 OFDM技术基础2.1 OFDM的基本原理 众所周知无线通信传输信号的路径有很多，这就是所谓的多径效应，OFDM的最初提出是为了解决多径效应对数据传输的影响。在数字通信系统中，我们通常采用的通信系统是单载波传输系

15、统模型如图2.1所示。图2. 1单载波传输示意图图中g(t)是匹配滤波器(对于给定的码元波形，使得输出信噪比最大的线性滤波器)，在传输速率并不高的情况下，这种系统因时延产生的码间干扰不是特别严重，能通过均衡技术消除这种干扰。所谓码间干扰（ISI）就是当一个码元的时延信号产生的拖尾延伸到相邻码元时间中时，会影响信号的正确接收，导致系统误码性能的降低，这类干扰就被称作码间干扰。但是对于宽带业务来说，由于数据传输速率较高，高数据传输速率使得码元周期非常小，如果码元传输出现多径时延，可能会影响到后面好几个码元。这就对均衡提出了更高的要求，需要引入复杂的均衡算法，并且要考虑到算法的收敛速度和可实现性。从

16、另一个角度去看，当信号的带宽接近或者超过信道的相干带宽时，信道的时间弥散就会导致频率选择性衰落，使得同一个信号中不同的频率成分体现出不同的衰落特性，所以多载波传输技术的运用就是一种必然趋势。OFDM是一种多载波调制（MCM）技术，其基本原理就是把高速的数据流经过串并变换，分配的传输速率相对较低的若干个子信道中进行传输。由于每个子信道中的码元周期会相对增加，因此可以减轻由无线信道的多径时延扩展所产生的时间弥散性对系统的影响，并且还可以在OFDM，码元之间插入保护间隔，令保护间隔大于无线信道的最大时延扩展，这样就可以最大限度地消除由于多径带来的码间干扰（ISI），而且一般采用循环前缀作为保护间隔，

17、从而可以避免由多径带来的信道间干扰（ICI）1。随着OFDM技术的发展与兴起，考虑到能用OFDM技术来进行高速数据传输，它能够很好地对抗信道的频率选择性衰落，减少甚至消除码间干扰的影响。OFDM是一项多载波传输技术，可以被当作是一种调制技术，也可以被看作是一种复用技术。其基本原理是把传输的数据流串并变换后分解为若干个并行的子数据流（也可以看作将一个信道划分为若干个并行的相互正交的子信道），这样的话每个子数据流的速率比串行过来的数据流低得多（速率变为多少取决于变换为多少路并行数据流），因此每个子信道上的码元周期将会变长，每个子信道上便是平坦衰落，然后用每个子信道上的低速率数据去调制相应的子载波，

18、从而构成多个低速码元合成的数据的发送传输系统基本原理图如图2.2。图2. 2 OFDM系统调制解调原理框图在单载波系统中，一次干扰或衰落就可能导致整个链路性能恶化甚至失效，但是在多载波系统中，某一时刻仅仅会有少部分子信道受到衰落的影响，从而不会使得整个通信链路性能失效。在衰落信道中，根据多径信号最大时延和码元时间的关系，可以把性能降级分为平坦衰落和频率选择性衰落两种类型。如果，则信道呈现平坦衰落。在这种情况下，一个码元的多径时延分量都在一个码元的持续时间内到达，因此信号不可分辨，此时就不会引起码间干扰，因为此时信号的时间扩展并不会导致相邻接收码元的显著重叠。如果，则信道会呈现频率选择性衰落。只

19、要一个码元的多径时延扩展超出了码元持续时间，就会出现这种情况，而信号的这种时延扩展会导致信号码间干扰的产生。正交频分复用的技术关键就是实现并保护好子载波间的正交性，接受端收到的信号x(t)与子载波相乘后通过积分器，不同频率的载波相乘积分后为零，只有相同载波积分后得到原始符号。正是由于每个子载波的正交性，我们可以是子载波的频谱重叠并靠近Nyquist 带宽，从而大大提高了频谱的利用率，所以非常适合移动场合中的高速传输。多径传输的符号干扰时个头疼的问题，OFDM为解决这样的问题在符号间加上保护间隔内，保护间隔可以不传输任何信号。这样的情况下仍然解决不了信道间干扰（ICI），子载波之间的正交性遭到破

20、坏，接收端就不能很好的恢复出原始信号，这点是毁灭性的。OFDM的解决方法是把符号后面长度是Tg（保护间隔的长度）的部分拿到每个符号的前面当做保护间隔来传输，这种方法就叫做循环前缀。这样就使得在FFT周期内，OFDM符号的延时副本所包含的波形的周期个数是整数，从而解决了ICI。将原符号块最后信号放到原符号块的前部，构成新序列，时域中原来发送信号与信道响应的线性卷积变为圆周卷积。2.2 OFDM技术的实现电力线的信道环境非常恶劣，信道特征和参数受到频率、地点、时间和连接到它上面的设备的影响。从10kHz到200kHz的低频率区域更容易产生冲突。而且电力线是一个频率选择性信道。除了经常发生在50/6

21、0Hz脉冲噪音中主要的背景噪音外，窄带冲突和小组时延能达到几百微秒。OFDM是一种能有效利用有限CENELEC带宽的调制技术，且支持使用先进的信道编码技术，这种组合能力在电力线信道上形成一个非常可靠的通信。图2.3展示了基于G3-PLC协议的OFDM系统实现框图。CENELEC带宽被分割成许多子信道，这些信道被看作是用不同的正交频率表示的独立频移键控（PSK）调制载波。正交和R-S编码提供了冗余比特，它能使接收端在由背景噪声和脉冲噪声而造成的比特丢失的情况下自行纠错。时间频率交织方案用于降低译码器输入端接受噪音的相关性而提供多样性。图2.3 基于G3-PLC协议的OFDM系统实现框图OFDM信

22、号是由复值信号点进行快速离散傅立叶变换（IFFT）操作产生的，这些信号点是由不同的相位调制编码产生，且它们被分配到不同的子载波。每个OFDM符号都是由一个循环前缀加到一个由IFFT产生的块的前面而构成的。选择一个循环前缀的长度以便信道时延不会引起连续OFDM符号或邻近的子载波产生冲突。接收端基于接收信号的质量决定采用何种的调制方案。而且，系统会区分受损的子载波的信噪比以及选择在哪个信道上传输。2.3 OFDM系统的关键技术2.3.1同步技术OFDM技术区分各个子信道的方法是利用各个子载波之间严格的正交性。频偏和相位噪声会使子载波之间的正交特性恶化从而导致子信道间的信号相互干扰(ICI)，这种对

23、频率偏差的敏感是OFDM系统的主要缺点之一，特别是在实际应用中与FDMA、TDMA和CDMA等多址方式相结合时，时间和频率同步尤为重要。时域同步，要求OFDM系统确定符号边界，并且提取出最佳的采样时钟，从而减小载波干扰(ICI)和码间干扰(ISI)造成的影响。在OFDM系统中，只有发送和接收的子载波完全一致，才能保证载波间的正交性，从而可以正确接收信号。任何频率偏移必然导致ICI。实际系统中，由于本地时钟源(如晶体振荡器)不能精确的产生载波频率，总要附着一些随机相位调制信号。结果接收机产生的频率不可能与发送端的频率完全一致。对于单载波系统，相位噪声和频率偏移只是导致信噪比损失，而不会引入干扰。

24、但对于多载波系统，却会造成子载波间干扰(ICI)，因此OFDM系统对于载波偏移比单载波系统要敏感，必须采取措施消除频率偏移。如果时域同步误差较大，FFT处理窗已超出了当前OFDM符号的数据区域和保护时间区域，包括了相邻的OFDM符号，则引入码间干扰，严重恶化了系统性能。 频域同步，要求系统估计和校正接收信号的载波偏移。 与频率误差不同，时间同步误差不会引起子载波间干扰(ICI)。但时间同步误差将导致FFT处理窗包含连续的两个OFDM符号，从而引入了OFDM符号间干扰(ISI)。并且即使FFT处理窗位置略有偏移，也会导致OFDM信号频域的偏移，从而造成信噪比损失，BER性能下降。OFDM系统中的

25、同步过程一般分为捕获和跟踪两个阶段，捕获阶段进行粗同步，跟踪阶段进行细同步，以进一步减小误差。对十突发式的数据传输，一般是通过发送辅助信息来实现同步。当前提出的OFDM系统中，采用辅助信息的同步方式主要可以分为：插入导频符号的同步和基于循环前缀的同步。这两种同步方法，各有其优缺点。插入导频符号法同步性能较好，但是这种方法浪费了带宽和功率资源，降低了系统的有效性。基于循环前缀的同步法可以应用最大似然估计算法，克服了插入导频符号浪费资源的缺点，且简单、易实现，但是同步范围较小。同步是OFDM技术中的一个难点，许多学者提出了很多OFDM同步算法，其中较常用的有利用奇异值分解的ESPRIT同步算法和ML估计算法， ESPRIT算法虽然估计精度高，但计算复杂，计算量大，而ML算法利用OFDM信号的循环前缀，可以有效地对OFDM信号进行