（电磁场与微波技术专业论文）ofdm系统中信道编码的fpga实现及降低峰均比的研究.pdf

摘要 摘要 低压电力线通信( p l c ) 具有网络分布广、无需重新布线和维护方便等优点。近年来，低压电 力线通信被看成是解决信息高速公路“最后一英里”问题的一种方案，在国内外掀起了一个新的研 究热潮。但是在电力线上传送数据需要解决许多技术难点。自从在电力载波通信中引入了o f d m ( 正 交频分复用) 技术，o f d m 在电力线通信中的地位得到了认可。o f d m 的予信道频谱正交重叠，其频 谱利用率很高，适合高速数据传输。o f d m 采用添加循环前缀的技术，能有效地降低i c i ( 信道间干 扰) 和i s i ( 码间干扰) 。 电力线信道中不仅存在多径干扰和子信道衰落，而且还存在开关噪声和窄带噪声，因此在电力 线通信系统中，信道编码是不可或缺的重要组成部分：本文着重研究了在f p g a 上实现o f d m 系统中 的信道编解码方案。其中编码端由卷积码编码器和交织器组成，解码端由v i t e r b i 译码器和解交织 器组成，同时为了与p c 机进行通信，还在f p g a 上做了一个r s 2 3 2 串行接口模块，以上所有的模块 均采用硬件描述语言v e r i l o gt t d l 编写。另外，峰值平均功率比( p a r ) 较大是o f d i l 系统所面临的 一个重要问题，必须要考虑如何降低大峰值功率信号出现的概率。本文重点研究了三种降低p a r 的 方法：即信号预畸变技术、信号非畸变技术和编码技术。这三种方法各有优缺点，但是迄今为止还 没有一种好方法能够彻底地解决o f d m 系统中较高p a r 的弊病。 本论文内容安排如下：第一章介绍了课题的背景，可编程器件和o f d m 技术的发展历程。第二 章详细介绍了o f d m 的原理以及实现o f d m 所采用的一些技术细节。第三章详细介绍了本课题中 倍道编码的方案，包括信道编码的基本原理，组成结构以及方案中采用的卷积码和交织的原理及设 计。第四章详细讨论了编码方案如何在f p g a 上实现，包括可编程逻辑器件f p g a c p l d 的结构特点， 开发流程，以及串口通信接口、编解码器的f p g a 设计。第五章详细介绍了如何降低0 f d m 系统中的 峰值平均功率比。最后，在第六章总结全文，并对课题中需要进一步完善的方面进行了探讨。 关键词：正交频分复用f p g a 实现信道编码峰均比 a b s 仃a c t a b s t r a c t t h el o wv o l t a g ep o w e rl i n ec o m m u n i c a t i o nh a st h ea d v a n t a g eo f n e t w o r kd i s t r i b u t e dw i d e l y , n on e w w i r e sa n dm a i n t e n a n c ec o n v e n i e n t l y i nr e c e n ty e a r si th a sb e c o m eo n eo f t h er e s e a r c hh o t s p o t sf o rt h el o w v o l t a g ep o w e rl i n ec o m m u n i c a t i o ni sb e i n gs e e na sas c h e m et or e s o l v e t h el a s to n em i l e p r o b l e mi nt h e i n f o r m a t i o n h i g h w a y b u tt h e r eh a v eb e e nm a n yp r o b l e m st ob er e s o l v e d w h e no f d m ( o r t h o g o n a l f r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x ) i sa p p l i e dt ol o wv o l t a g ep o w e rl i n ec o m m u n i c a t i o nt r i u m p h a n t l y , w h i c h s h o wt h a to f d mh a sb e e nc o n s o l i d a t e di np l c ( p o w e rl i n ec o m m u n i c a t i o n ) o f d mb a s e dd i g i t a l c o m m u n i c a t i o ns y s t e m sa r er o b u s ti nm u l t i p a t hc h a n n e l i na d d i t i o n ，o f d mc a na c h i e v eh i 【g hb a n d w i d t h e f f i c i e n c y d f ta n di d f tt e c h n o l o g i e s & r eu s e df o rm d d u l a t i o na n dd e m o d u l a t i o n _ mo f d m , s o w ec a n u s ef i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r m y ( f p g a ) t oi m p l e m e n ti t t h ec h a r a c t e r i s t i co fp o w e r l i n ec h a n n e li sv e r yi n t r i c a c y i tc o n t a i n sm a n yd e f f e r e n tn o i s e s ，a n d m u l t i - p a t hf a d i n g w h e nt i m eo ra r e av a r y & i tw i l la l s oc h a n g e s o ，c h a n n e lc o d i n gi sa no b l i g a t o r ya n d v e r yi m p o r t a n tp a r to fap o w e r l i n ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m t h ep u r p o s eo ft h i sp a p e ri ss t u d i n gt h e h a r d w a r ei m p l e m e n t a t i o nm e t h o do f c h a n n e lc o d i n gu s i n gf p g aa n dd i s c u s s i n gt h em e t h o do fr e d u c i n g t h ep e a k - t o a v e r a g er a t i o ( p a r ) i no f d ms y s t e m t h e r ei si m p o r t a n tt h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e i nd e v e l o p i n gi n t e l l e c t u a lp r o p e r t y ( i p ) o no u ro w i lb a s i so f r e a it i m eo f d m s y s t e m t h i sp a p e ri sa r r a n g e da sf o l l o w i n g ：t h e d e v e l o p i n gp r o c e s so fo f d mt e c h n o l o g ya n dp l di s i n l r o d u c e di nc h a p t e r1 c h a p t e r2m a i n l yd i s c u s s e st h eb a s i cc o n c e p t so fo f d ms y s t e m sa sw e l la s i m p o r t a n tp r o p e r t i e s c h a p t e r3i n t r o d u c e st h ep r i n c i p l eo fc h a n n e lc o d i n g ，i n c l u i n gc o n v o l u t i o n a ic o d e ， v i t e r b id e c o d i n ga i g o d t h ma n di n t e r l e a v i n g i nc h a p t e r4 ，w ed i s c u s sc h a n n e lc o d i n gd e s i g nf o ro u r f p g a p l a t f o r m t h em e t h o do f r e d u c i n gp a r i no f d m s y s t e mi sa n a l y z e di nc h a p t e r5 f i n a l l y , w es u m u pa l lt h ew o r ka n dg i v es o m ep r o s p e c t so f o f d mt e c h n o l o g y k e yw o r d ：o f d m f p g a i m p l e m e n t a t i o n c h a n n e lc o d i n gp a r i i 学位论文独创性声明 本人卢明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 关于学位论文使用授权的说明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括于u 登) 授权东南大学研究生院办理。 签名：p 址导师签名：拦日 期：2 1 羔! ：丛7 第一荜绪论 1 1 课题背景 第一章绪论 低压电力线通信( l o wv o l t a g ep o w e r l i n ec o m r t u n i c a t i o n ) 简称p l c 是指利用现有的低压电 力线网络进行语音及数据业务的一项新技术。电力线通信并不是新技术，已经有几十年的发展历史， 在中高压输电网上通过电力线载波机利用较低的频率以较低速率传送远距离数据或话音，就是电力 线通信技术应用的主要形式之一；而在低压领域，p l c 技术首先用于负荷控制、远程抄表和家居自 动化，其传输速率一般为1 2 0 0 b p s 或更低，称为低速p l c 。近几年国内外开展的利用低压电力线传 输速率在1m b p s 以上的电力线通信技术称之为高速p l c 。 近年来，随着i n t e r n e t 技术的飞速发展，登录上网的人数成倍增长，然而在采用何种通信方式 使用户终端连接到最近的宽带网络连接设备，成为长期困扰人们的难点之一，被业内人士称为宽带 网络接入的最后一英里( l a s tm i l e ) 问题。利用四通八达、遍布城乡直达用户的2 2 0 v 低压电力线传 输高速数据的p l c 技术以其不用布线、覆盖范围广、连接方便等显著特点，被业内人士认为是接入 网方案中最其竞争力的技术之一。目前高速p l c 已可传输高达4 5 m b p s 的数据，而且能同时传输数 据、语音、视频和电力，有可能带来“四网台一”的新趋势。 但是p l c 技术也有其致命的缺陷，由于电力线是给用电设备传送电能的，而不是用来传送数据 的，所以电力线对数据传输存在许多问题，最土要的就是噪音和信号衰减。电力线通信的噪音在电 力信道中，最严重的干扰源几乎没有与简单的高斯白噪声相同的地方，它们既可以是脉冲的，也可 以是频率选择性的，或者两者兼有的。他们主要来自于低压电网相连的负载，以及无线电广播的干 扰；丽信号衰减则是o 通信信道的物理长度和低压电网的阻抗匹配相关的。由丁负载的开关会引起 电力线上供电电流的波动，从而导致在电力线的周陶产生电磁辐射，所以，沿电力线传送数据时， 会出现许多意想不到的问题。在这样的噪声环境f ，很难保讧e 数据传输的质量。而且，电力线通信 的噪音和信号衰减是随时间变化的，很难找到规律。因此，电力线通信的环境极为恶劣。o f 聊( 正 交频分复用) 调制技术，是近几年迅速发展起来的数字通信技术，最早应用于无线通信系统。由于 这种技术具有一定的抗干扰和抗多径效应能力，因此被认为是电力线通信中比较理想的调制方式。 英国n o r w e b 公司( 由n o r t e l 和u n i t e du t i l i t y 合资组建) 在1 9 9 0 年开始对电力线载波通 信进行研究，并于1 9 9 2 年、1 9 9 3 年在配电网电力线载波技术上取得了突破，完成了世界上第1 次 配电网上2 5 个终端用户的电话与数据通信试验，此后继续致力于配电网高速数据通信技术的研究， 已经有在2 m l h 带宽内达到速率为1 m b j t s s 的报道。1 9 9 5 年，该公司又与加拿大n o r t e l ( 北电网络) 公司联手，共同开发这项新技术。1 9 9 5 1 9 9 7 年的两年间，n o r w e b 和n o r t e l 公司已经成功地在英 国曼彻斯特对2 0 个居民用户进行了试验，其中包括话音服务。1 9 9 7 年l o 月，这两家公司声称已 经解决了电力噪声等问题，取得了电力线载波技术的重大突破，利用新开发的数字电力线载波技术 d p l ( d i g i t a lp o w e rl i n e ，数字电力线) 实现了在低压配电网上进行im b s 的远程通信，从而将四 通八达的电力线转化为信息高速公路。1 9 9 8 年，成立合资公司n o r w e b ，进行该技术的市场推 广。此后，许多国家的研究机构也开展了高速电力线技术的研究和开发，如中国的电力科学研究院， 美国的i n t e l l o n 、i n a r i ( i n t e l o g i s ) 公司，以色列的i t r a n 、m a i n n e t 公司，韩国的x e l i n e 公司，瑞 士的a s c o m 公司，德国的p o l y t r a x 公司，西班牙的d s 2 公司等，产品的传输速率也从1m b s 发展到2 m b s 、1 4 m b s 、2 4 m b s ，甚至4 5 m b s 。 由思科、英特尔、惠普、松下和夏普等1 3 家公司组成的家庭插电联盟( t h eh o m ep l u gp o w e r l i n e a l l l a n c e ) 成立于2 0 0 0 年4 月，致力于刨造共同的家用电力线网络通信技术标准。目前h p a 东南大学硕士学位论文 已发展成为由9 0 家公司组成佝企业集团，弗选川荚圜i n t e l l o n 公司的技术作为统一技术标准的原型。 2 0 0 1 年6 月，h p a 发布了其标准的第1 个版_ 奉h o m e - - p l u gs p e c f i c a t i o n1 0 ，将数据传输速率定为 1 4 m b s ，采用o f d m 调制解调技术，m a c 层协议为c s m a c a 。就是庄这样的国内外背景下， 课题组前期【：作人员对o f d m 在低压电力载波通信巾的应h j 进行了实验性地研究，弗住测试和参 考丁一些电力线信道资料的情况下，确定了o f d m 系统中使刚晌一砦算法。本论文的l ：作则士要 是将课题组前期人员现有的研究成果加以移合祠i 改进，并最终住f p g a 系统上实现。 1 2 可编程逻辑器件的发展 可编程逻辑器件( p i ，d ，p r o g a m m a b ei o g icd e v ic e ) 是在2 0 世纪7 0 年代发展起来的一种新型 器 ，l ：，它的应川嗣1 发展小仪简化r 电路设计，降低r 成本。提高r 系统的可忙性，而且给数字系统 的设计方式带来了革命性的变化。p l d 的1 ：艺和i 结构经历了一个不断发展变革的过程。 p l d 的雏形是2 01 灶纪7 0 年代中期出现的可编程逻辑阵列( p l a ，p r o g a n a n a b l el o g i ca r r a y ) ， p l a 在结构上由u j 编程的与阵列和可编程的或阵列构成，阵列规模较小，编程也较繁琐。后米山现 可编程阵列逻辑( p a l p r o g a m m a b l ea r r a yl o g i c ) ，p a l 由可编程的与阵剁干| jj 州定的或阵列构成， 采用熔丝编程方式，它的设计灵活，器件速度快，冈而成为第一个得到器遍廊用的p l i ) 器件。 2 01 ：纪8 0 年代初美国的l a t r i c e 公叫发明r 通川阵列逻辑( g a l ，g e n e r i ca r r a yl o g i c ) ，g a l 器件采用输出逻辑宏单元( o l m c ) 的结构和e2 p r ( ) mi ：艺。具有可编料，可擦除，可k 划保存数 据的优点，使用灵活，所以得到广泛的应。之斤p l d 器件进入了一个快速发展时期，不断地向大 规模、高速度、低助耗的方向发展。 2 0 世纪中刚，a l t e r a 公司推出一种新型的町擦除、叮编程的的逻辑器f l ：( e p l d ，e r a s a b l e p r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ) 。e p l d 采用c 帅s 和e v e p r o m 【：艺制作，集成度蜓高设计也更灵活， 但它的内部连线j m 能弱一些。 1 9 8 5 是国x i l i n x 公胡推出现场可编样fj 阵列( f p g af i e l dp r o g a m m a b eg a t ea r r a y ) ，这是 一种采用单元l ! 结构的新型p l d 器件。它采用c m o s ，s r a ml ：艺制作，红结构上他由许多独立的可编 程逻辑单元构成，符逻辑单元之间可以灵活的相互连接，具有密度高速度快编稚灵活和可重新 配置的请多优点。f p g a 已成为当前主流的p l d 器件之一。 c p l d ( c o m p l e xp r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ) 印复杂可编样逻辑器仆是从e p l d 改进而柬的 采用e 2 p r o mi 艺制作。同e p l d 相比，c p l d 增加r f j 4 部连线对逻辑宏单元硐li o 单元也有重 大改进，它的性能更好，使用也更方便。c p l d 址当| j f 另一1 ：流的p l d 器件。 p l d 在近2 0 年的时间鞋已经得到r 巨人的发展其性能水半小断提高盘未来的发展中将口 现以下几方面的趋势： 1 ) 向大规模，高集成度方向进一步发展 当前p l d 的规模已经达到卣万门级，在i 岂卜，芯片的昂小线窀达剑0 1 5 t m ，并且，还会 继续向着大规摸，高集成度方向进一步发展。 2 ) 向低电j 卡，低功耗方向发展 p l d 的内核l u 压往不断的降低，经历了5 v 3 3 v 一2 5 v - 一i 8 v 的演变术米将会更低。i ： 作电胝的降低使得芯片的功耗也人人的减少，这样就适麻j ，一些低功耗的场合，比如移动通讯设备、 个人数字助理。 3 ) 向高速可预测延时的方向发展 时间特性也是p l d 一个重要的指标。由r 扫：一些高述处理的系统中，数据处理艟的激增要求数 第一章绪论 字系统仃较人的数据吞吐速率，这样就对p l d 的速度指标提出了更高的要求：另外，为了保证商速 系统的稳定性p l d 延时的可预测性也十分重要。州户在进行系统重 ；l 的同时。担心的是延时特性 会不会凼重新布线的故变而改变。如果改变，将会导致系统的不稳定性这对庞人而高速的系统而 言将是不可想象的，带来的损失也将是巨人的。闲此为了适麻未来复杂高速电r 系统的要求，p l d 的高速可预测主正时也是一个发展的趋势。 4 ) 在p l d 内嵌入多种功能模块 现在p l d 中已经j 。泛嵌入r a m j r o m ，f i f o 等存储模块，自的p l d 内还嵌入d s p 模块和c p u 模 块，将来的p l d 还将嵌入多种功能模块。可以实j 见再种复杂的操作和运算。 5 ) 向数模混合可编样方向发展 至今为1 1 ：，p l d 的开发和应 j 的人部分l 1 那集中住数字逻辑电路卜。住未来的儿年里这 局面将会存所改变，模拟电路及数模混合电路的叮编程技术将会得剑发艟。 由此可见，可编程逻辑器什( p l d ) 是fj 止住发展着的技术，其未米的发展动力仍来源于实 际心用的要求和芯片制造商之间的竞争。p l d 在结构、密度、功能、速度相i 灵活性方面将得到进一 步的发展备制造商受商业利益的驱动必会陆续推些新的技术米提高器1 i ，i ：的性能以提高竞争 力，随着( ：艺和结构的改进p l d 的集成将进一步的提高性能进一步的完善，成本将逐渐f 降。 在现代l b ，- 系统设计巾将起到越来越重要的作i h 。 1 3o f d m 技术发展简史 o f d m ( 正交频分复用- - o r t h o g o n a lf r e q u e n c y1 ) iv i d e dm u lt i p l e x ) 技术作为一种高频谱利用 率的调制技术是于2 01 = 纪j 0 6 0 年代提出束的其基本思想就是通过聚川允许子信道频谱重叠， 但义相卫2 间不影响的频分复用( f d m ) 的方法米j i ： j 传送数据。不仅町以不使_ l j 高速均衡器、有较 高的频谱利用率而且有较强的抗脉冲噪声发多经衰落能力。 但足在早期的o f d m 系统中发射机和相关接收机所需的副载波阵列烛由止弦信号发生器产生， 且住相关接收时各副载波需要准时的同步，田此子信道教搬人时系统就显得。f f ：常复杂 j l 昂贵。 s b w e i n s t e i n 和p m e b e r t 在1 9 7 1 年发表的论文中指出多路正交载波的调制解调可以利用 d f t i d f t 来快速实现，为o f d m 技术的- 泛麻川迈山r 曙实的第一步。他们的j ：作解决r 如何快速 有效地实现o f d w 调制解调的问题，避免了使川绡子载波振荡器米产牛子载波信号+ 这样简化了 系缆的便什规模，为实现o f d w 的全数字化方案作r 理论上的准备。但是他们并没有解决如何在多 径信道中消除信道问i ：扰( i c l ) 和符号问l 执【i s l ) 。 1 9 8 0 年，a p e l e d 和a r u i z 开创性地将循环前缀( c y c l i cp r e f i x ，c p ) 技术引入o f d m ，解 决了这一问题。他们不足在符号间插入另外改汁的保护间隔，而怂插入o f d m 符号的周期扩展，有 效地将信道与发送信号之间的线性卷积近似成触环卷积对麻为频域的乘积成j j 地解决 r 载波 间正交性雉以维持的问题。当c p 的长度人r 价逝脉冲响府时能很好的保证子信道之问的止交性。 同时这种技术也带来了正比于c pk 度的能擐攒火，但是只要o f d m 系统实现良盘的同步，付出这些 代价是非常有价值的。 要实现一个实j j 意义上的o f d m 系统，首先要解决同步问题。o f d w 的同步包括时间同步( 帧同 步和符号同步) 和额率同步。帧同步和符号同步要估计山帧和符号的起始时刻；频率同步要估计出 频偏的人小。w o r s e 笫一个提出基- j 最人似然的载波频偏估讣饽法，但是没有给出时间同步解决方 案。v a nd eb c e k 数汁出基丁最人似然和循环时缀( c p ) 的联合符号与频率同步算法但是没有解 决帧同步的问题。c l a s s e n 提出了利用自相关函数进行时间频牢的麟介同步，但是计算姑彼人。 s c h m i d l 改进了c l a s s e n 的算法，不降低精度的同时提高了算法的速度。较好的解决了o f d m 系统 的同步问题。其次婪解决o f d m 系统i 州有的大峰值平均功率比( p e a k t o a v e r a g ep o w e rr a t i o ) 的 问题，简称峰均比( p a r ) 。克服这一问题蛙传统的方法是采h 犬动态范阿的线性放人器或者对非 东南大学硕士学位论文 线性放大器的工作点进行补偿，但是这样做会使功率放大器的效率大大降低，绝大部分的能量都将 转换为热能而被浪费掉。目前存在的降低p a r 的方法大致可以分为三类：第一类是信号预畸变技术， 即在信号经过放大之前，首先对功率值大于门限值的信号进行非线性畸变；第二类是信号非畸变技 术，即利用不同的加扰序列对o f d m 符号进行加权处理，从而选择p a r 较小的o f d m 符号来传输；第 三类是编码技术，即避免使用那些会生成大峰值功率信号的编码图样。但是迄今为止并没有一种很 好的办法能够解决o f d m 系统固有的高峰均比弊病。 当上述的这些最主要的技术难题得到解决后，o f d m 技术的应用潜力立即凸现出来。o f d m 适合 于从有线通信到无线通信的广泛应用领域，各种基于o f d m 技术的通信标准相继出现：欧洲的数字 视频广播( d v b ) 和数字音频广播( d a b ) 的物理层标准就采用了o f i ) m 调制解调技术。无线局域网 ( w l a n ：w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k s ) 和无线城域网( w m a n ：w i r e l e s sm e t r o p o l i t a na r e a n e t w o r k s ) 是o f d m 的另一个应用热点。e t s t 和 e e e 的新一代w l a n 物理层标准t l i p e r l a n 2 和8 0 2 1 l a 都使用了o f d m 作为物理层标准，来达到最高5 4 m b p s 的数据速率。e t s i 和i e e e 也正在制定采用o f d m 技术的无线城域网标准。2 0 0 1 年1 2 月，d s r c ( 专用短距离通信) 标准化小组l e 式批准了采用o f d h t 物理层的8 0 2 1 l a r a 标准，用于智能公路系统安全与交通管理。移动通信中的b 3 g 标准也将0 f d m 作为候选技术之一。有线通信中的a d s l 和v d s l 也都采用o f d m 技术作为物理层标准。 1 4 论文研究的主要内容 本文主要在课题组前期人员的理论研究基础上，专门针对o f d m 系统中的信道编码技术作了深 入的研究并且在f p g a 上实现了其功能，同时对降低o f d m 系统中的峰均比作了比较深入的研究。文 章内容安排如下： 第一章是绪论，介绍了本课题的背景及可编程器件和o f d m 技术的发展历程和应用现状。第二 章介绍了0 f d m 系统的组成和基本原理，包括o f d m 符号、用i d f t d f t 实现o f d m 的调制解调、循环 前缀等。第三章详细介绍了本课题中信道编码的方案，包括信道编码的基本原理，组成结构以及本 方案中采用的卷积码和交织的原理及设计。第四章详细讨论了编码方案如何在f p g a 上实现，包括 可编程逻辑器件f p g a c p l d 的结构特点，开发流程，以及串口通信接口、编解码器的f p g a 设计。 第五章详细介绍了如何降低o f d m 系统中的峰值平均功率比。第六章为全文的总结。 第二章o f d m 系统介绍 第二章o f d m 系统介绍 o f d m 的主要思想是把高速率串行码流转变成若干个并行的低速码流，调制到等间隔的一组正交 子载波上。其基本原理是将总的信道带宽分成多个带宽相等的子信道，每个子信道单独通过各自的 子载波调制各自的信息符号，因此在时域上每个o f d m 符号持续时间比单载波长很多，于是抗多径衰 落能力比单载波好很多。另外，0 f d m 符号中引入的保护间隔能有效地克服多径信道的延时扩展，消 除码间干扰，因此没有必要采用复杂的均衡器。从本质上来说，o f 0 i 就属于多载波调制技术，是实 现多载波系统的一种新方式。正交载波与频谱重叠，利用i d f t d f r 实现0 f d m 调制解调，循环前缀 技术可以看成o f d m 技术的三大特征。 2 1o f d m 的基本原理 在单载波通信中，由于信道只用来传输一个码元，这样信道的时间散射一般比符号速率大的多， 信道的非理想频响特性往往会导致码问干扰，如果把信道带宽划分为若干子信道，这样每一条子信 道近乎理想，这样可以有效的利用可用带宽，同时抑制码间干扰。 设阢) 是一组载波，各载波的频率关系为抚 = 五+ k r ,k = 0 , i ，2 ，n i ，式中t 是 单个码元的持续时间，矗是最低使用频率。作为载波的单元信号组定义为 f 占( ，； ) ：f j 2 矾，0 o 晦，。，、 1 ，( x ，；y ) c 对于所有满即( x ，) = o 晰 7 此处c 为信道容量，且 ，( x j ；y ) = 薯地ix ) k g 掣 c 。删 通常，检验等概集是否满足条件比较容易，若不满足必须找出一个满足条件的非等概集 p ( x ，) 。 下面给出带限a w g n 波形信道在平均功率受限的输入条件下单位时间的信道容量： p 如引0 9 ( 1 + 最 咖 上述信道容量公式的意义在于确定噪声信道中可靠通信的传输速率上限。可靠通信的传输速率 由s h a n n o n 在1 9 4 8 年提出的噪声信道编码定理给出。 噪声信道编码定理： 只要传输速率r 小于信道容量c ，总存在一种信道码及相应的解码器，以所要求的任意小的差 错概率实现可靠通信：反之，如果r 大于e ，则不可能有一种信道码能使差错概率趋近于零。 3 1 3 信道编码的分类 分组码( b l o c kc o d i n g ) 和卷积码( c o n v o l u t i o n a lc o d i n g ) 是信道编码的两种主要形式。分 组码的特点是一次处理相当规模的信息块( 通常为成百字节的数据) ；而卷积码则是处理串行的信 息比特流。现在，人们已经设计出了许多种有用的分组码和卷积码，相应的也有许多种有效的译码 算法，适用于不同的场合把原始信息从接收数据里面恢复出来。 分组码由一组固定长度称为码字的矢量构成。码字的长度就是矢量元素的个数，用h 来表示。 码字的元素选白有q 个元素的字符集合。如果q = 2 ，则称为二进制分组码；如果g 2 ，则称为 1 2 “) r h 矗乙脚x， a m “ 第三章o f d m 系统中信道编码的设计 非二进制分组码。长度为n 的分组码一共有q ”个可能的码字。从中选取包含m = 2 。个码字的子集 构成一种码，这样可以把一个k 比特的信息分组映射到所选择的子集中的一个长度为月的码字。这 样的得到的分组码称为( 胛，七) 码。 假设c ，c ，是某种( 月，k ) 码的两个任意的码字，口l 和口2 是码元字符集中的两个任意的元素， 那么当且仅当口c ，+ 口，c ，也是该分组码的码字时，我们称该分组码为线性的，叫做线性分组码。 汉明( h a m m i n g ) 码，哈达马( h a d a m a r d ) 码和高莱( g o a y ) 码是实际应用中常见的线性分组码。 循环码是线性分组码的一个重要的子集。循环码满足下列的循环移位特性：如果 c = l c 。c c l c 。l 是循环码的一个码字，那么所有c 的循环移位都是该循环码的码字。由于 循环码的循环特性，使得循环码具有很多构造上的特点，可以在编码和解码时加以利用。现在针对 循环码已经设计出了许多有效的编码和硬判决译码算法，这样使含有大量码字的长循环分组码在实 际系统中得到实用。循环汉明码，循环高莱码，最大长度移存器码和b c h 码都是重要的循环码。本 文第五章将详细介绍的里德所罗门( r e e d - - s o l o m o n ) 码就是非二进制b c h 码的一种。 卷积码是将发送的信息序列通过一个线性的，有限状态的移位寄存器而产生的编码。通常卷积 码的编码器由世级( 每级k 比特) 的移位寄存器和n 个线性代数函数发生器组成，需要编码的二进 制数据串行输入移位寄存器，每次移入k 比特数据。每个k 比特的输入序列对应一个聆比特的输出 序列。 另外为了尽可能的把传输过程中产生的错误均匀的分散到不同的码字中去，还会采用称为“交 织”的手段。交织也主要分为两类：块交织和卷积交织。 在较为恶劣的信道情况下，如无线信道和电力线信道，单独使用一种信道编码不能达到满意的 效果。人们又提出了级联码的概念，级联码也分为两种：串联级联码和并联级联码。串联的级联码 由内码和外码组成，一般分别采用线性分组码和卷积码，译码时按次序先后译码。并联的级联码则 没有内外码之分，在译码时一般采用反馈迭代算法，同时进行译码，也称为t u r b o 码。 3 2c o f d m 系统模型 为了提高o f d m 系统的性能，进一步降低系统的误码率，人们在o f d m 系统中加入信道编码，这 样的0 f d m 系统一般称之c o f d m ( c o d e d0 f d m ) 系统。图3 2 就是典型的c o f 蹦系统的原理图。 c o f d m 系统中，信道编码模块一般都包含两个主要部分：前向纠错码( f e c ) 和交织 ( i n t e r l e a v i n g ) 。前向纠错码的作用是纠正信道产生的错误，恢复正确的原始信息；交织的作用 是把信道中的突发错误打散，尽可能均匀的分散到接收到的数据序列里面，提高系统抗突发性错误 的能力。 东南大学硕士学位论文 图3 2c o f o i 系统原理框图 3 3 信道编码的模块结构 电力线信道的特性十分复杂，不仅存在多径干扰，子信道衰落，还有很多突发的开关噪声和窄 带噪声。为此我们选择的信道编码方案是：卷积码+ 交织。 下图是信道编码、信道译码模块的组成框图： 信 道 3 4 卷积码原理 3 4 1 卷积码编码 图3 - - 3 信道编码译码方案的基本框图 卷积码是将发送的信息序列通过一个线性的，有限状态的移位寄存器而产生的编码。通常卷积 码的编码器由髟级( 每级k 比特) 的移位寄存器和n 个线性代数函数发生器( 这里是模2 加法器) 组成，如图3 4 所示： 1 4 第三章o f d h 系统中信道编码的设计 k 图3 4 卷积码的编码器 需要编码的二进制数据串行输入移位寄存器，每次移入k 比特数据。每个k 比特的输入序列对 应一个n 比特的输出序列。因此卷积码的编码效率定义为r ，= k n 。参数足被称作卷积码的约束 长度，它表示当前的即比特输出序列与多少个k 比特输入序列有关系，同时也是一个决定编码复杂 程度的重要参数。 描述卷积码的方法之一是给出其生成矩阵。一般说来卷积码的生成矩阵是一个半无限矩阵，因 为输入序列是半无限长度的。 另一种描述卷积码的方法是用一组”个矢量称为卷积码的生成多项式，来表示。对应于聆 个代数函数发生器( 这里是模2 加法器) 与移位寄存器的连接方式，我们得到n 个生成多项式，这 里是仃个长度为k t 的矢量。某个矢量的第i 个元素为l ，表示寄存器相应的位置与该矢量对应的 模2 加法器相连：反之如果该元素为0 则表示寄存器相应的位置与该矢量对应的模2 加法器不连 接。 另外三个关于卷积码的重要描述是树图、网格图和状态图。 树图以带有分支的树的形式表示编码器的结构：树根表示编码器的初始状态，通常都是全零状 态“0 0 o o ”；树的分支根据输入的序列产生，分别代表编码器在相应输入下的后续状态和输 出序列。 网格图是由树图变化而来。仔细观察树图可以发现，当树的长度超过约束长度足时，树图的结 构就出现了重复的现象具有相同状态的两个节点所发出的所有分支具有相同的结构和输出。这 说明超过约束长度之后，具有相同状态的节点可以合并。通过在树图中作节点合并我们就获得了比 树图更加紧凑的网格图。在网格图上可以直观的表示和分析编码和译码的过程。 状态图比网格图更为紧凑，它表明了编码器可能存在的状态，以及各状态间可能存在的转移路 线。在状态图上还标有状态转移的条件，及相应的编码器输出。 下面用一个具体的例子进行讨论：如图3 5 所示的约束长度k = 3 ，k = 1 ，和”= 2 ( r ，= l 2 ) 的二进制卷积码。 东南大学硕士学位论文 o u t p u t 2 1 ( s y i t 4 1 e t o l s t 3 1 e c 图3 5k = 3 ，k = 1 ，和月= 2 ( r ，= 1 2 ) 的卷积码编码器 假设移位寄存器的状态是全零，如果第一个输入比特是1 ，那么2 比特的输出序列是1 1 。如果 第二个输入比特是0 ，那么输出序列是l o ，依此类推。将两个输出比特自上到下编号为1 和2 ，那 么根据图中移位寄存器与模2 加法器的连接情况可以写出此卷积码的生成多项式： g 。= d l l 】 g ：= 0 0 l 】 上述生成多项式还可以用8 进制表示成( 7 ，5 ) ，这种方式更为简练。 下面给出图3 5 所示的卷积编码器产生的树图，如图3 6 所示。 在树图中，我们一般约定如果下一个输入比特为“0 ”，取上分支；下一个输入比特为1 ，取 下分支。 仔细观察图3 6 ，我们不难发现第三级之后的结构是自身结构的重复。这个特征与约束长度 k = 3 相对应。这说明每一级的2 比特输出序列取决于当前输入的一个比特和先前输入的两个比特， 即移存器中的两个比特。我们把树图中的每个节点写上对应于移存器可能状态的标记，不难发现， 具有相同标记( 相同状态) 的节点产生的分支具有相同的结构，即分支上的节点具有相同的状态分 布和输出序列。在这个意义上，我们可以认为这样的两个节点是完全