基于FPGA的OFDM调制器的仿真设计说明

1、 . . . 工程大学邮电与信息工程学院工程大学邮电与信息工程学院毕业设计（论文）毕业设计（论文）基于基于 FPGAFPGA 的的 OFDMOFDM 调制器的仿真设计调制器的仿真设计 SimulationSimulation designdesign ofof OFDMOFDM modulatormodulator basedbased onon FPGAFPGA学生学生 高天祺高天祺学学 号号 09450802090945080209 专业班级专业班级 通通信信工工程程0 09 90 05 5（移移动动通通信信方方向向）指导教师指导教师 肖萍萍肖萍萍 20132013 年年 5 5 月月作者

2、声明作者声明本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作与取得的 . . . 2 / 39研究成果，除了文中特别加以标注的地方外，没有任何剽窃、抄袭、造假等违反学术道德、学术规的行为，也没有侵犯任何其他人或组织的科研成果与专利。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意。如本毕业设计（论文）引起的法律结果完全由本人承担。毕业设计（论文）成果归工程大学邮电与信息工程学院所有。特此声明。 作者专业： 作者学号： 作者签名：_年_月_日 . . . 摘摘 要要正交频分复用(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

3、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、宽带化以与移动化的需求，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

4、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、目的以与意义。第 2 章对OFDM 的基本原理以与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

5、点总结，并对其发展进行了展望。关键词：关键词：正交频分复用(OFDM)；现场可编程门阵列(FPGA） ；仿真 . . . AbstractAbstractOrthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) technique 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

6、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 the high speed wireless communications, broadband and mobile needs, be the first cho

7、ice 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 devices, it has shorter design time, the characteristics of less investment, small risk

8、, 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 communication system transceiver module function.This article overview the basic concept of

9、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 for OFDM demodulation scheme based on FPGA design; Simulation platform is designed fo

10、r 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, the practice of the basic principle of OFDM and technology were reviewed, and the . .

11、 . 5 / 39key 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 modulator of MTALAB simulation. VERILOG simulation of OFDM modulator are de

12、scribed in chapter 5, and the simulation results were compared. Chapter 6 main advantages and disadvantages of OFDM technology, and its development is prospected. KeyKey Words:Words: Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM); Field Programmable Gate Array (FPGA) ; simulation . . . 6 / 39目目 录

13、录第第 1 1 章章 绪论绪论. .1.11.1 OFDM 的研究背景.11.2 OFDM 的研究目的和意义.1第第 2 2 章章 OFDMOFDM 技术基础技术基础. .22.1OFDM 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.6 . . . 7 / 392.3.3 降低峰值平均功率比.62.3.4 均衡.62.3.5 编码信道和交织.7 第第 3 3 章章 OFDMOFDM 调制器技术调制器技术. .9.93.1 OFDM 调制解调原理.93.2 采用 IFFT 和 FFT 的 OFDM 系统结构.11

14、 第第 4 4 章章 OFDMOFDM 调制器的调制器的 MTALABMTALAB 仿真仿真. .14.144.1IFFT 模块.154.2 添加循环前缀.154.3 加窗模块.16 . . . 8 / 394.4 前导模块.164.5 成帧模块.17第第 5 5 章章 OFDMOFDM 调制器的调制器的 VERILOGVERILOG 仿真仿真. .18.185.1OFDM 调制器的结构设计.185.2 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

15、块.22 . . . 9 / 395.2.6 成帧模块.235.3 仿真结果的对比验证.24第第 6 6 章总结与展望章总结与展望 2 25 5参考文献参考文献 2828致致 2929附录主要英文缩写语对照表附录主要英文缩写语对照表 3030 . . . 第第 1 1 章章 绪论绪论1.11.1 OFDMOFDM 的研究背景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

16、现为实现高效的抗干扰调制技术和提高频带利用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。OF

17、DM 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，并且不需要复杂的信道均衡。1.21.2 OFDMOFDM 的研究目的和意义的研究目的和意义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。 . . . 2 / 39第第 2 2 章章 OFD

18、MOFDM 技术基础技术基础2.12.1 OFDMOFDM 的基本原理的基本原理 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统模型如图 2.1 所示。tgtjwe0tjwe0tg信道图 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

19、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

20、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，从而可以避免由多径带来的信道间干扰（ICI）1。 . . . 3 / 39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

21、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，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。S/P积分判决积分判决积分判决P/S信道1jte0jte1Njte0jte1jte1Njte0d1d1Nd s t0d1d1Nd图 2. 2 OFDM 系统调制解调原理框图在单载波系统中，一次干

22、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mTsT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msTT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 . . . 4 / 39一样载波积分后得到原始符号。正是由于每个子载波

23、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，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，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

24、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。2.22.2 OFDMOFDM 技术的实现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 50/60Hz 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-P

25、LC 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。 . . . 5 / 39DATA帧控制头(FCH)交织器卷积编码器R-S编码器扰频器DBPSK/DQPSK映射IFFT添加循环前缀加窗模拟前端电力线模拟前端同步检测去除循环前缀FFT信道估计解交织DBPSK/DQPSK解调Robust4Robust6组合器Viterbi解码器R-

26、S解码器解扰器DATA帧控制头(FCH)前前向向纠纠错错码码解解码码器器O OF FD DM M解解调调器器前前向向纠纠错错码码编编码码器器图 2.3 基于 G3-PLC 协议的 OFDM 系统实现框图OFDM 信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与选

27、择在哪个信道上传输。2.32.3 OFDMOFDM 系统的关键技术系统的关键技术2.3.12.3.1 同步技术同步技术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 . . . 6 / 39(ICI)，这种对频率偏差的敏感是 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，

28、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。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

29、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

30、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 . . . 7 / 39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 信号进行频偏和时偏的联合估计，而且与 ESPRIT 算法相

31、比，其计算量要小得多。OFDM 系统对定时频偏的要小于 OFDM 符号间隔的 4%，对频率偏移的要求大约要小于子载波间隔的 1%2%，系统产生的-3dB 相位噪声带宽大约为子载波间隔的 0.01%0.1%。2.3.22.3.2 信道估计信道估计在 OFDM 系统中，信道估计器的设计主要有两个问题：一是导频信息的选取。由于无线信道常常是衰落信道，需要不断对信道进行跟踪，因此导频信息也必须不断地传送；二是复杂度较低和导频跟踪能力良好的信道估计器的设计。在实际设计中，导频信息的选择和最佳估计器的设计通常又是相互关联的，因为估计器的性能与导频信息的传输方式有关。2.3.32.3.3 降低峰值平均功率比

32、降低峰值平均功率比由于OFDM信道时域上表现为N个正交子载波信号的叠加，当这N个信号恰好均以峰值叠加时，OFDM信号也将产生最大峰值，该峰值功率是平均功率的N倍。尽管峰值功率出现的概率较低，但为了不知真地传输这些高PAPR的OFDM信号，发送端对高功率放大器(HPA)的线性度要求也很高。因此，高的PAPR使得OFDM系统的性能大大下降甚至直接影响实际应用。为了解决这一问题，人们提出了基于信号畸变技术、信号扰码技术和基于信号空间扩展等降低OFDM系统PAPR的方法。2.3.42.3.4 均衡均衡在一般的衰落环境下，OFDM 系统中的均衡不是有效改善系统性能的方法。因为均衡的实质是补偿多径信道引起

33、的码间干扰，而 OFDM 技术本身已经利用了多径信道的分集特性，因此在一般情况下，OFDM 系统就不必再做均衡了。在高度散射的信道中，信道记忆长度很长，循环前缀 CP 的长度必须很长，才能使 ISI 尽量不出现。但是，CP 长度过长必然导致能量大量损失，尤其对子载波个数不是很 . . . 8 / 39大的系统。这时，可以考虑加均衡器以使 CP 的长度适当减小，即通过增加系统的复杂性换取系统频带利用率的提高。2.3.52.3.5 编码信道和交织编码信道和交织为了提高数字通信系统性能，信道编码和交织是普遍采用的方法。对于衰落信道中的随机错误，可以采用信道编码；对于衰落信道中的突发错误，可以采用交织

34、技术。实际应用中，通常同时采用信道编码和交织，进一步改善整个系统的性能。在OFDM系统中，如果信道衰落不是太严重，均衡是无法再利用信道的分集特性来改善系统性能的，因为OFDM系统自身具有，利用信道分集特性的能力，一般的信道特性信息已经被OFDM这种调制方式本身所利用了。但是OFDM系统的结构却为在子载波间进行编码提供了机会，形成COFDM方式。编码可以采用各种码，如:：分组码、卷积码等，其中卷积码的效果要比分组码好。 . . . 9 / 39第第 3 3 章章 OFDMOFDM 调制器技术调制器技术3 3.1.1 OFDMOFDM 调制解调原调制解调原理理OFDM 技术对信号进行 I/Q 调制

35、, 在 IQ 两路调制时没有幅度上的失真, 所以极大的克服了模拟 I/Q调制的幅度和相位不平衡性, 克服了模拟混频电路非线性的影响。由于 FPGA的可编程性, 使用 FPGA 实现调制 /解调可以提高系统的可编程性。在 FPGA 中在使用平方根升余弦滤波器对基带信号滤波, 以消除符号间干扰, 滤波后的IQ两路信号通过乘法器与 NCO 中的正弦和余弦中频载波相乘完成 IQ 调制, 最后两路信号相加通过 DA 转换送入信道。接收时将信道来的通过 AD转换后的信号通过与 NCO 的两路正交载频相乘分解出 IQ 两路信号送至 FPGA 进行 OFDM 调制在并串转换数据输出。实现框图分别如图 3.1、

36、图 3.2和图 3.3。图 3.1 基于 OFDM 系统得调制和解调框图 . . . 10 / 39图 3.2 调制原理框图图 3.3 调制原理框图一个 OFDM 符号之包含多个经过相移键控(PSK)或者正交幅度调制(QAM)的子载波。如果用 N 表示子载波的个数，T 表示 OFDM 符号的持续时间(周期)， di(i=0,1,2,N-1) 表示分配给每个子信道的数据符号， i表示第 i 个子载波的载波频率，矩形函数 rect(t)=1,|t|T/2,则 t=ty从开始的 OFDM 符号可以表示为：(3.1)TttttTtttttfjTttrectdtsssssNisisi0)(2exp)2/

37、(Re)(10一旦将要传输的比特分配到各个子载波上，某一种调制模式则将它们映射为子载波的幅度和相位，通常采用等效基带信道来表示 OFDM 的输出信号:(3.2)TttttTtttttTijTttrectdtsssssNissi0)(/2exp)2/()(10其中 s(t)的实部和虚部分别对应 OFDM 符号的同相(In-phase)和正交 . . . 11 / 39(Quadrature-phase)分量，在实部系统可以分别与相应子载波的余弦分量和正弦分量相乘，构成最终的子信道信号和合成的 OFDM 符号。图 3.1 展示了 OFMD 系统调制解调模型框图，其中 =c+i/T。在接收端，将接收

38、的同相和正交矢量映射回数据，完成子载波调制。tfje12信道来自信道的数据串并变换d1d0dN-1tfje22tfjNe12s(t)tfje12tfje22tfjNe12积分积分积分0d1Nd1d并串变换图 3.4 OFDM 系统调制解调模型框图这种正交性还可以从频域角度来理解,在每一个子载波频率的最大处,所有其他子信道的频谱值恰好为零,因此在理想情况下,可以从多个相互重叠的子信道符号频谱中提取出各个子信道符号,而不会受到其他子信道的干扰。OFDM 实际上是可以满足无符号间干扰的奈奎斯特准则,这种消除子信道间干扰(ICI)的方法是通过在时域中使用矩形脉冲成形,在频域中每个子载波的最大处采样来实

39、现。3.23.2 采用采用 IFFTIFFT 和和 FFTFFT 的的 OFDMOFDM 系统结构系统结构 快速傅里叶变换是一个相对成熟和完善的算法，该算法因其方便、快捷和有效性在很多领域得到广泛应用。傅里叶变换独特的蝶型运算不仅在现有的通信与信号处理方面具有很强的优势，在 OFDM 系统中同样也能起到一定的作用。在实际应用中，系统并行数据的调制与解调可以采用反傅立叶变换 (IFFT) 和傅立叶变换 (FFT) 来实现。采用 IFFT 和 FFT 的 OFDM 系统结构如图所示。 . . . 12 / 39图 3.5 采用 IFFT 和 FFT 的 OFDM 系统结构对于 N 比较大的系统，式

40、（3.2）中的 OFDM 复等效基带信号可以采用离散傅里叶逆变换（IDFT）方法实现。为了叙述简洁，可以令式（3.2）中的 ts=0 并且忽略矩形，对于信号 s(t)以 T/N 的速率进行抽样，即令 t=kT/N(k=0,1,N-1)，则得到： (3.3)102s(/)exp()Nkiiiks kt NdjN(01)kN可以看到等效为对 进行 IDFT 运算。同样在接收端，为了恢复出原始id的数据符号 ，可以对进行逆变换，即 DFT 得到：id (3.4)102s exp()NikiikdjN(01)iN 调制(如QAM)串行变并行二进制信源IFFT低通滤波器信道解调(如QAM)并行变串行二进

41、制数据FFT低通滤波器X(k)s(n)s(t)载波调制载波解调r(t)r(n)Y(k) . . . 13 / 39根据以上分析，可以看到 OFDM 系统的调制解调可以分别有 IDFT 和 DFT 来替代，通过 N 点的 IDFT 运算，把频域数据符号变换为时域数据符号 ，经过射idsk频载波调制之后，发送到无线信道中。其中每一个 IDFT 输出的数据符号都是sk由所有子载波信号经过叠加而成的，既对连续的多个经过调制的子载波的叠加信号进行抽样得到的。在 OFDM 系统实际的运用中，可以采用更加快捷方便的 IFFT/FFT。N 点 IDFT运算需要实施 N2 次复数乘法，而 IFFT 则可以明显地

42、降低运算复杂度。对于常用的基 2 的 IFFT 算法，其复数乘法次数仅仅为（N/2）log2(N)，以 16 点的变换为例，IDFT 和 IFFT 中所需要的乘法次数分别为 256 次和 32 次，并且锁着子载波个数 N 的增加，复杂度之间的差距也会越来越明显，IDFT 的计算复杂度随着 N 增加而二次方增长，IFFT 的计算复杂度却只是略快于线性变化。对于子数量庞大的OFDM 系统来说，可以进一步采用基 4 的 IFFT 算法来实施傅里叶变换。 . . . 14 / 39第第 4 4 章章 OFDMOFDM 调制器的调制器的 MTALABMTALAB 仿真仿真使用 MATLAB 可实现 OF

43、DM 调制器的仿真，OFDM 调制器的系统模型可表示如图4.1 所示。数据源 FCH 和 DATA 使用预先存储的数据(0、1 比特流)，数据大小分别为 3613 比特和 3640 比特。为了信号可以有效传输，系统采用 BPSK 和DBPSK 调制方案，采用 256 点的 IFFT 的运算模块。为消除 ISI 和多径造成的 ICI的影响，添加循环前缀，循环前缀大小为 30 采样点。为了让 OFDM 信号的带外功率谱密度下降的更快，对信号进行加窗。最后在信号的头部位置加上前导码，形成 OFDM 帧，进行发送。 图 4.1 G3-PLC 协议的数据帧结构 图 4.2 OFDM 调制器系统模型数据源

44、 FCH 和 DATA 使用预先存储的 0、1 数据流，数据大小分别为 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映射IFFT添加循环前缀加窗成帧模块前导生成模块FrameDATAFCH . . . 15 / 394.14.1 IFFTIFFT 模块模块在进行

45、 IFFT 运算时，IFFT 的输入为 36 个子载波，其中第一个子载波放置到第 23 号位置，最后一个子载波放置到第 58 号位置，其余位置补零。其中 IFFT运算结果有用的数据只为实部。图 4.3 IFFT 模块结构图4.24.2 添加循环前缀添加循环前缀由于信道具有记忆性，导致结果输出不仅与当前输入块有关，还与上一个输入块有关，这样就引起了块间干扰(ISI)。并且由于多径传播的影响，会造成子载波间的干扰(ICI)，即子载波的正交性遭到破坏。图 4.4 添加循环前缀02358 IFFT255FCHDATA取实部运算Signal_ifft00 循环前缀 CP c0 c29 c30 c285

46、带循环前缀的数据块 OFDM符号 c0 c1 c2 c226 c255 . . . 16 / 394.34.3 加窗模块加窗模块采用特定的窗函数，每个符号边界的 8 个采样点使用升余弦函数，其余采样点窗函数值设置为 1。图 4.5 升余弦窗函数相邻符号间的头部 8 采样点和尾部 8 采样点进行覆盖叠加。示意图如下：图 4.6 符号的覆盖叠加4.44.4 前导模块前导模块前导是由 8 个 SYNCP 符号和 1.5 个 SYNCM 符号连接后加窗后构成，其中每个SYNCP 和 SYNCM 符号都包含了 256 点。图 4.7 前导加窗示意图头部 尾部头部 尾部头部 尾部第n-1个符号第n个符号第

47、n+1个符号+最终的符号 SYNCPSYNCPSYNCPSYNCPSYNCPSYNCPSYNCPSYNCPSYNCP1/2MSYNCM8个采样点8个采样点升余弦函数窗函数 . . . 17 / 39SYNCP 是由固定的 36 个初始相位为映射复数做 IFFT 后取实部的结果，SYNCM符号为 SYNCP 符号取反的结果。4.54.5 成帧模块成帧模块图 4.8 一帧信号波形图图 4.9 一帧信号的功率谱示意图第第 5 5 章章 OFDMOFDM 调制器的调制器的 VerilogVerilog 仿真仿真5.15.1 OFDMOFDM 调制器的结构设计调制器的结构设计02000400060008

48、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 . . . 18 / 39图 5.1 为 OFDM 调制器 Verilog 仿真的结构框图，系统设计基于 G3-PLC 协议。数据源 FCH 和 DATA 采用预先存储于 ROM 的数据，然后数据经过映射模块，映射数据在做 IFFT 运算之前要进行数据处理，添加循环前缀和加窗后

49、，与前导码进行叠加，形成 OFDM 帧。ROMBPSK/DBPSK映射IFFT前数据处理IFFT添加循环前缀和加窗前导生成模块成帧模块OFDM帧ROMSYNCPDATAFCH图 5.1 OFDM 调制器的结构框图5.25.2 子模块仿真分析子模块仿真分析5.2.15.2.1 BPSK/DBPSKBPSK/DBPSK 映射映射本次设计的数据源 FCH 和 DATA 预先存储于 ROM 模块中，模块设计方案为当FCH 数据输入使能信号 en_FCH 有效时，输入 FCH 待映射数据，输出数据 out_map为 BPSK 映射的 FCH；若 DATA 数据输入使能信号 en_DATA 有效时，输入

50、DATA 待映射数据，输出数据 out_map 为 DBPSK 映射的 Data。函数结构如图 5.2 所示：图 5.2 BPSK/DBPSK 映射函数其中，每 36 个数据的起点，输出一个 sop_map 信号，表示映射数据输出的起点。数据进行 BPSK/DBPSK 映射的时候，由于调制方式差异的原因，如果 DATA . . . 19 / 39紧跟着 FCH 输入完就输入进行 DBPSK 映射，那么 DBPSK 的输出会比 BPSK 输出晚两个时钟才会开始，所以需要让 DATA 提前两个时钟输入。BPSK/DBPSK 映射仿真波形如图 5.3、5.4 所示。图 5.3 BPSK 映射仿真波形

51、图 5.4 DBPSK 映射仿真波形 . . . 20 / 395.2.25.2.2 IFFTIFFT 前数据处理前数据处理IFFT 前数据处理的主要目的是实现输入 IFFT 的数据流的控制，使输入数据能够满足 IFFT 模块的处理数据的要求。图 5.5 数据流控制示意图5.2.35.2.3 IFFTIFFT 模块模块IFFT 模块采用了经过优化的 ALTER 公司的 IP 核 FFT V7.2。该 IP 核处理速度快、占用资源少、使用方便，能够满足本设计的应用要求。RAM1RAM2MUXMUX输入数据IFFT800K800K . . . 21 / 39图 5.6 IFFT 模块仿真波形图5.

52、2.45.2.4 添加循环前缀和加窗添加循环前缀和加窗将 IFFT 运算结果暂存于两块 RAM 中，用来交替存储流入的数据。 循环前缀的方案采用重复读取 RAM 中的数据的方式，将一部分数据重复复制，从而形成循环前缀。图 5.7 数据流控制示意图226-2550-2550123456789101112131415248 249 250 251 252 253 254 255保护间隔RAM中的数据有效数据 . . . 22 / 39由于 FPGA 中乘法器需要占用很大的资源，所以在硬件设计中将升余弦函数部分用程序直接实现，其实现方法为将升余弦函数的数值转化为 8 位二进制，用移位代替乘法器，而其

53、他数值保持不变。图 5.8 添加循环前缀和加窗函数仿真波形5.2.55.2.5 前导生成模块前导生成模块首先将一个符号的 SYNCP 的数据预先存储在 256*16bit 的 ROM 中，SYNCM 采用 SYNCP 取反的结果，不会单独再存放于 ROM 中。前导生成函数结构图如图 5.13所示，输入信号 ena 启动前导序列生成的信号，输出信号 oData_preamble_valid为前导序列的有效信号。图 5.9 前导生成函数结构图函数部设置计数器变量 cnt，读取 9.5 个符号。当计数器 cnt 为 0 时，开始进行第一个符号读取，同时头部 8 点进行加窗，由于地址的读取会产生两个时

54、钟 . . . 23 / 39的延时，所以当地址读取从 2 开始(0 和 1 由于地址无效，不是有效值)。第一个符号读取完毕后继续从 ROM 中重复读取第 2 至第 8 个 SYNCP，此时已读取了 8 个SYNCP。当计数器计数至 8 时，读取 SYNCP 的同时取反，形成 SYNCM，当计数器计数至 9 时，读取 1/2 个 SYNCM 的同时进行尾部 8 点加窗，生成前导。前导仿真波形图如图 5.14 所示。图 5.10 前导仿真波形图5.2.65.2.6 成帧模块成帧模块由于前导长度 2432 点，需要设置移位寄存器进行 cp 的 2432 个时钟的输出延时，将前导的输出和数据的输出连

55、续形成一帧。图 5.11 OFDM 仿真波形图 . . . 24 / 395.35.3 仿真结果的对比验证仿真结果的对比验证将 Verilog 的仿真结果与 MATLAB 的仿真结果进行比较，图 5.12 展示的是Verilog 仿真值与 MATLAB 计算结果的均方误差。从图中可以看出 Verilog 的计算值与 MATLAB 的计算值存在误差。这个误差的来源主要有两个方面，一方面是因为采用定点数计算，转换过程中有一定的舍入误差。令一方面是在计算过程中也会产生一些累积的误差。但这个均方误差值均小于，完全能够满足系统设计510要求。05010015020025030000.511.522.53

56、3.54x 10-5位 位 位 位位 位 位 位位 位 位 位 位图 5.12 均方误差值 . . . 25 / 39第第 6 6 章章 总结总结OFDM 是一种能够对抗由多径衰落信道造成的符号间干扰的有效技术，它可在频率选择性衰落信道中实现高速率的无线通信。第三代移动通信系统的标准己确定，第四代移动通信系统己处于研究和试验阶段。OFDM 技术作为一种高效的调制技术，将成为第四代移动通信系统的关键技术之一。作为 OFDM 系统中关键技术之一的信道估计，它的性能直接影响到未来移动通信的通信品质。开展这方面的研究具有很强的理论和现实意义。 OFDMOFDM 技术的主要优缺点：技术的主要优缺点：优点

57、：优点：(1) 适用于多径环境和衰落信道中的高速数据传输它将高速串行数据分割成多个子信号，降低码元速率，相应延长了码元周期；当传输的符号周期大于最大延迟时间时就能够有效的减弱多径扩展的影响。所以OFDM 对信道中因多径传输而出现的 ISI 有很强的鲁棒性，系统总的误码率性能好。(2) 具有很强的抗信道衰落能力在 OFDM 中由于并行数据码元周期很长，一般大于深衰落的延续时间，通常衰落发生在某个子载波上，这时通过各个子载波的联合编码，便可恢复。如果衰落不是特别严重，简单的均衡器结构是 OFDM 的突出优点之一。由于 OFDM 在每个子信道上通常经历的是平坦衰落，所以可以方便的对各个子信道进行频域

58、均衡。通常，一阶抽头滤波器结构的均衡器便可满足要求。这对接收机的复杂度是个很大的简化。(3) 频谱利用率高传统的频分多路传输方法是将频带分为若干个不相交的子频带来并行传输数据流，各个子信道之间要保留足够的保护频带。而 OFDM 系统由于各个子载波之间存在正交性，允许子信道的频谱互相重叠，因此与常规的频分复用系统相比，OFDM 系统可以最大限度地利用频谱资源。当子载波个数很大时，系统的频谱利用 . . . 26 / 39率趋于。2/Baud Hz(4) 可以采用 IDFT 和 DFT 方法来实现各个子信道中的正交调制和解调可以采用 IDFT 和 DFT 方法来实现。尤其在子载波数目众多的情况下，采用 FFT 算法能大大减少系统的复杂度，简化系统结构，使得 OFDM 技术更趋于实用化。(5) 抗窄带干扰因为窄带干扰只能影响一小部分的子载波，因此 OFDM 系统可以在某种程度上抵抗这种窄带干扰。缺点缺点：(1) 对定时和频率偏移敏感由于子信道的频谱相互覆盖，这就对它们之间的正交性提出了严格的要求。然而由于无线信道存在时变性，在传输过程中会出现无线信号的频率偏移，例如多普勒频移，或者由于发射机载波频率与接收机本地振荡器之间存在的频率偏差，都会使得 OFD