IEEE80211a的OFDM基带系统的FPGA设计(DOC89页)(20220202003310)

1、摘要伴随着无线数据通信与多媒体应用的不断开展， 无线传输系统对传输速率与 QoS 保 证等方面的要求也相应地不断提高。正交频分复用 Orthogonal Frequency Division Multiplexing ，OFDM 作为一种新型的物理层传输技术正越来越受人们的重视，并被视 为下一代移动通信4G中的关键技术。OFDM继承了传统MCM中多载波并行调制、 符号周期相应增长的特点，在 OFDM 的重叠多载波技术的利用下比传统的非重叠多载 波技术节省将近 50%的带宽，在循环前缀的辅助下可以实现准确的符号同步， 有效地将 原本频率选择性衰落的信道转化为多个并行平衰落信道使用，从而 OFDM

2、 技术具有频 谱利用率高、抗干扰能力强等优势，大大提高了传输效率，因此该技术在新一代的通信 中备受关注。IEEE802.11a无线局域网WLAN 标准作为典型的以 OFDM为物理层接入方式的 应用系统，是OFDM技术的一个典型应用，本文正是以IEEE802.11a无线局域网标准为 根底，对 OFDM 基带处理器的算法， 架构进行介绍和分析的根底上， 将整个系统的 FPGA 设计和实现分为多个根本通信模块， 并给出每个模块的具体实现。 采用自顶向下的 FPGA 设计方法， 在 Altera 的 Quartus II8.1 开发环境下， 采用 Verilog 硬件描述语言进行了长短 训练序列、扰码

3、、多速率卷积码、交织、 16QAM 映射、导频插入、 IFFT 调制、循环前 缀与加窗以及主控单元等系统模块的设计；采用Modelsim SE6.5f和Matlab7.0仿真工具 对设计系统进行了单元模块仿真和系统仿真,并将设计的 OFDM 通信发送系统下载到Altera 公司的 Cyclone II 系列 EP2C8Q208C8 开发板上进行了系统测试和验证，并依据 系统软件仿真和硬件测试的结果进行了分析，其中重点研究分析了加窗与循环前缀对 OFDM 系统性能的影响。仿真和测试结果说明：基于IEEE802.11a无线局域网标准的OFDM通信发送系统符合 该标准各参数要求并能够正确实现长短训练

4、序列、 扰码、多速率卷积码、 交织、 16QAM 映射、导频插入、 IFFT 调制、循环前缀与加窗以及主控单元等各个模块 ,各个子模块系 统软件仿真和整体 OFDM 通信发送系统测试正确 , 下载测试结果正确。关键词：OFDM，FPGA，IEEE 802.11a, IFFT，循环前缀AbstractWith wireless data com muni catio n and multimedia applicati on developme nt, the requireme nts of tran sfer rate and QOS guara ntee n eed to improve

5、accord in gly in the wireless transmission system. OFDM as a kind of new type of the physical layer transmission tech no logy is more and more get the atte nti on of people, and be treated as the key tech no logy of n ext gen erati on mobile com muni cati ons (4 G). OFDM in herited the characteristi

6、cs of multi-carrier parallel modulation Symbols cycle growth of the traditional MCM. Compared with traditi onal non-o verlapp ing multi-carrier tech no logy, the use of overlapp ing multi-carrier OFDM tech no logy can save n early 50% of the ban dwidth. using circulati on prefix can realize accurate

7、 symbol synchroni zati on, cha nge orig in ally freque ncy selective decli ne cha nnel into multiple con curre nt flat fading cha nnel effectively. so it has a good resista nee multipath fadi ng and high spectral utilizati on efficie ncy, greatly improvi ng the tran smissi on efficie ncy. so this te

8、ch no logy is the hot research topic in a new gen erati on of com muni cati on.IEEE802.11 wireless local area network (WLAN) standard as a typical application system of OFDM physical layer access mode, is a typical tech no logy OFDM applicati on. the paper research and an alyse the OFDM baseba nd pr

9、ocessor algorithm and architecture to make the whole system FPGA design and implementation divided into a number of basic com muni cati on module, and give each module of the specific impleme ntati on basis on wireless LAN IEEE802.11 standard. Using the top-down design method of FPGA, in the Quartus

10、 II8.1 of Altera developme nt en vir onment, the Verilog hardware descripti on Ian guage (Verilog HDL) has bee n accomplished to training seque nee, scrambler, multi-rate convo lutio n code, in terweave, 16QAM mapp ing, pilot in serti on, IFFT modulati on, cyclic prefix and win dowed and mai n con t

11、rol unit desig n of system module. ModelSim SE 6.5f and Matlab7.0 simulati on tools have bee n used to make system desig n and simulati on, and accomplished the desig ned OFDM com muni cati on tran smissi on system to dow nl oad to the FPGA hardware platform of Cyclone II of Altera and finished the

12、system test. Besides according to the result of system software simulation and hardware test made the analysis, Which focuses on the an alysis of widowed and cyclic for the system performa nee in flue nee of OFDM.The simulatio n and test results show that: OFDM com muni cati on send system meets the

13、 standard requirement of the wireless local area network IEEE802.11 standard. Such as raining seque nee, scrambler, multi-rate convo lutio n code, in terweave, 16QAM mapp ing, pilot insertion, IFFT modulation, cyclic prefix and windowed and main control unit, each child module system software simula

14、tio n and the overall OFDM com muni cati on send system test right, dow nl oad test results are correct.Key Words : OFDM , FPGA, IEEE 802.11a, IFFT, Circulation prefix目录第1章绪论 .11.1 移动通信系统的开展概况 11.2 IEEE 802.11a 标准概述 .11.2.1 IEEE 802.11a物理层协议的参数 .21.2.2 IEEE 802.11a物理层协议帧结构 4第2章IEEE 802.11s物理层的OFDM技术

15、72.1 OFDM系统的开展状况及特点 72.2 OFDM 系统的工作原理 92.2.1 OFDM 系统的根本模型 92.2.2 FFT在OFDM系统中的应用 112.3 信道编码技术 122.3.1 扰码原理122.3.2 卷积码编码 132.3.3 交织编码162.4 OFDM映射与调制技术 192.4.1 映射调制 192.4.2 IFFT 实现 OFDM 调制9222.5 循环前缀与加窗技术 242.5.1 循环前缀 242.5.2 加窗262.6 OFDM 的同步信号 272.6.1 符号同步简介 272.6.2 导频插入 282.6.3 训练序列的生成 29第3章 基于IEEE 8

16、02.11a的OFDM基带系统的FPGA设计323.1 IEEE 802.11a基带处理器的发射端总体方案设计 333.2基带处理器的工作时钟 353.2.1 工作时钟分析 353.2.2 工作时钟生成模块的实现 363.3 基带数据处理单元设计 373.3.1 扰码器模块的实现 373.3.2 多码速卷积码硬件结构与实现 393.3.3 802.11a中的交织器的实现 443.4 OFDM前导序列设计493.4.1 训练序列生成模块的实现 493.5 映射与 OFDM 子载波调制 553.5.1 16QAM 映射模块的实现 55子载波IFFT调制模块 573.5.3 导频插入模块的实现 61

17、3.6 循环前缀与加窗模块的实现 653.7主控模块设计 67第 4 章 系统测试与结果仿真 714.1 系统时钟单元测试 714.2基带数据处理单元仿真测试 714.2.1 并串转换模块测试 714.2.2 扰码模块的测试 724.2.3 多码率卷积编码模块测试 724.2.4 交织模块测试 724.3前导序列单元仿真测试 734.3.1 短训练序列模块测试 73长训练序列模块测试 734.4映射与调制单元仿真测试 744.4.1 16QAM映射模块测试 744.4.2 导频插入模块测试 754.4.3 IFFT调制模块测试774.5 循环前缀仿真测试 774.6 主控模块测试 784.7

18、OFPM 发送系统整体仿真测试 78结论 .80参考文献 .81附录 .82致谢.83第1章绪论1.1移动通信系统的开展概况移动通信越来越广泛地渗透到人们的日常生活和经济生活中，并成为世界各国最主 要的高新技术支柱产业之一同时人们对移动通信的各种需求与日俱增 ，也推动了移动通 信的飞速开展。从20世纪80年代中期第一代移动通信以模拟调频、频分多址为主体技术，包括以 蜂窝网系统为代表的公用移动通信系统、以集群系统为代表的专用移动通信系统以及无 线 ，主要向用户提供模拟话音业务。90年代初第二代移动通信系统2G以数字传输、时分多址或码分多址为主体技术，简称数字移动通信，包括数字蜂窝系统、数字无线

19、系统和数字集群系统等，主 要向用户提供数字话音业务和低速数据业务，支持电路交换，其应用范围普及世界。90年代末的第2.5代移动通信系统2.5G,主要以通用分组无线业务GPRS、高速 电路交换数据业务HSCSD及增强数据速率的全球演进技术EDGE为代表,提高了 无线数据传输率和网络容量。直至今天第三代移动通信系统3G以CDMA为主要技术，向用户提供2Mb/S到10Mb/s的多媒体业务，步行环境下支持384 kbit/s的速率、车载环境下支持144 kbit/s的速 率，带宽可达5MHz以上。2022年 10月国际电信联盟最终确定为4G的国际标准，推动了第四代移动通信的研究和开 发，4G标准采用O

20、FDM和多天线等新技术，以移动数据为主，面向移动因特网的高速移 动通信网络，传输速率比现在高50倍，将向用户提供100Mb/s甚至1Gb/s的数据速率，发 射功率比现在降低10到100倍，能解决电磁干扰问题；支持 互助功能，采用可穿戴无 线电；支持更丰富的移动业务，包括高清晰度图像业务、会议电视、虚拟现实业务等，使 用户在任何地方都可以获得任何所需的信息效劳，具有良好的开展前景。相信在未来的几十年内无线通信仍是通信开展的前沿。随着蜂窝 的快速增长，可以预计无线通信的未来是光明的。1.2 IEEE 802.11a 标准概述1999年9月，IEEE工作组批准了 IEEE 802.11s标准，它的工

21、作频率是5GHz频段，该 标准的物理层采用OFDM技术作为其调制方式，提供654Mb/s的数据速率。在5GHz频 段内，美国联邦通信委员会Federal Communications Commission, FCC分配了 3个100MHz的带宽作为免授权国家信息根底设施 (Un lice nsed Natio nal In formationIn frastructure, U-NII)频段使用，以提供快速开通的高速无线数据通信，且每一个工作区 域的最大输出功率不同。工作在5GHz频段的IEEE 802.11a标准与工作在2.4GHz频段的 IEEE 802.11标准相比，不会受到采用2.4G

22、Hz频段的蓝牙、微波以及工业设备的干扰， 因此在IEEE802.11a协议下能够可靠的传输数据，IEEE 802.11a最高支持54Mb/s的数据传 输率。IEEE 802.11a的介质访问控制(MAC)层包含中心控制(Point Coordination Function, PCF)和分布控制(Distribution Coordination Function, DCF)两种工作方式，前者支持无竞 争型实时业务和竞争型非实时业务，而后者只支持竞争型非实时业务。两种工作模式共 享带宽形成超帧结构，IEEE 802.11a MAC使用超帧实现PCF和 DCF两种工作方式的共 存。PCF工作在无

23、竞争期，DCF工作在竞争期。在超帧开始时，如果信道空闲，PCF通过帧优先权机制和信标帧发布网络分配矢量 NAV获得信道访问权，否那么PCF延迟到检测 信道空闲时间大于PIFS(PCF Inter Frame Sapces才能获得信道访问权。因此，超帧中CFD 的起始点是可变的，这时DCF业务自动延迟到PCF之后的信道。IEEE 802.11a标准使用 的介质访问控制机制(MAC)与IEEE 802.11一样，但该标准的设备不能与工作在 2.4GHz 频段的IEEE 802.11标准设备进行无线通信。1.2.1 IEEE 802.11a物理层协议的参数表1.1所示为IEEE 802.11a物理层

24、OFDM技术标准的主要参数，其中一个重要的参数 是长度为800ns的保护间隔。根据编码效率和调制方式，这一保护间隔可以容忍几百ns的均方根(RMS)时延扩展，这就意味着这一选择方案可以用于任何室内环境，而且可 通过采用定向天线降低延时扩展，还可以用于室外环境，以满足无线局域网的使用要求。表1.1 IEEE 802.11a WLAN PHY 层标准主要参数参数数值数据速率(Mb/s) 6、9、12、18、24、36、48、54调制方式BPSK、QPSK、16QAM、64QAM编码效率1/2、2/3、3/4子载波数量52导频数量4OFDM符号长度(卩S4保护间隔1 800子载波间隔kHz312.5

25、信号带宽MHz16.66信道间隔MHz20其他参数以保护间隔长度为根底进行定义。为了把保护间隔所占用的功率减小到1dB, OFDM符号长度定为4卩,除去保护间隔GI外有效数据局部的长度为3.2 y,s进 而可得子载波间隔为1/3.2卩s =312.5kHzB号带宽为312.5kHz X52 = 16.66MHz，信道间 隔为312.5MHz X64 =20MHz。IEEE 802.11a标准采用48个并行子载波进行数据传输。除 了这48个传输数据的子载波外，每个OFDM符号还包括4个导频子载波，可用于接收机 处理器在初始频率校正之后跟踪剩余的载波频率偏差，也可用于信道估计和采样频率偏差估计。为

26、了兼顾传输效率与可靠性的要求，系统可以根据信道的状况采用不同效率的纠错 编码，在各个子载波间进行信道编码， 再配合不同的调制方式即可获得654Mb/s的编码 数据速率如：采用48个并行子载波进行数据传输，当调制方式为 BPSK或16QAM，编码 效率都3/4时，提供的编码速率分别为48XX错误!未找到引用源。x错误!未找到引用源。 =9Mb/s和48X4X昔误!未找到引用源。X昔误味找到引用源。=36Mb/s。其中根本的编码 方式的约束长度为7、编码效率为1/2的卷积编码Convolutional Encoding,再通过对1/2 编码方式进行删余Puncturing操作，可以获得码率为2/3

27、和3/4的卷积编码。1/2码率的 编码与BPSK、QPSK、16QAM调制分别可以提供6、12、24Mb/s的数据传输速率；2/3 码率的编码与64QAM 一起可以提供48Mb/s的数据传输速率；此外，3/4码率的编码与 BPSK、QPSK、16QAM和64QAM调制方式分别可以提供9、18、36和54Mb/s传输速率。 表1.2所示为调制方式、编码方式与数据速率的对应关系。表1.2调制方式、编码方式与数据速率的对应关系数据速率Mb/s调制方式编码效率编码比特/子载波编码比特/OFMD符号数据比特/OFMD符号6BPSK1/2148249BPSK3/41483612QPSK1/22964818

28、QPSK3/4296722416QAM1/24192963616QAM3/441921444864QAM2/362881925464QAM3/46288216IEEE 802.11a中使用了 52个子载波(实际上应为53个，其中k=0处的直流子载波 上不传输符号)，由于IFFT算法基于2n点，故采用64点的IFFT。53个子载波在频率 分配时分别在编号低端和高端留有 6个和5个空符号，即k=-32,-27,27,31这样就 可以保证系统的子载波频谱集中，从而使得系统占用的频谱带宽尽可能窄，以节约频谱 资源，减少信道间干扰。所以，52个非零子信道映射到64点输入的IFFT当中应按照 图1.1所指

29、定的方式，把子信道126映射到相同标号的IFFT输入端口；而子信道-26-1 被映射到3863的IFFT输入端口；其余的IFFT输入口，即2737输入空值。采用64 点IFFT意味着系统的采样间隔为3.2us 64 = 0.05 g,这样采样频率至少应该是 20Msamples/s图1.1子载波与IFFT序号的映射关系1.2.2 IEEE 802.11a物理层协议帧结构图1.2所示为IEEE 802.11a标准所规定的物理层协议数据单元 (Physical Protocol Data Un it,PPDU)帧结构，也是基带发射处理器所要生成的数据结构。图1.3所示为更加细致的描述，从中可以看到

30、，接收机的定时同步、载波频偏估计以及信道估计等都是由前置的两 个训练符号来完成的。训练符号包括10个周期重复的短训练符号(Short Training Symbol, STS) t1t10 (每个符号的间隔为正常OFDM符号间隔的1/4即800ns)和2个周期重复的长训练序列(Long Training Symbol, LST) T1T2 (符号间隔与正常OFDM符号相同)两个局部。牧廈虧(Tail)JR Gail)填充(Bate)Ot啦wd)也(lenjLb) ft(Parity)閒CService) fft测比特(Pad)4)ii ttfihit,*借 0F1嘟)VR=1Z2)尬举伽心柏|

31、号段就艇)PLCP 丽片12+CH)®图1.2 PPDU帧结构总的训练序列时间长度为16us训练序列符号后面为“Signa域，长度为一个正常OFDM 符号长度即4卩其中包含后续数据的调制类型、编码速率、和数据长度这样对接收机而 言非常重要的信息。以上这些局部一起构成了帧头(PLCP Head)局部，接收机在对数 据符号进行译码之前要利用它们完成训练任务。下面对它们分别加以详细说明。10XO.S=8U5M.8+2x3.2=&US 0.8丰 3.2=4 LIS-rih.2X(O.8+32)=0UStl t2 t3 t4 t5 tfit7 tetioG12 T1 T2G1 SIGM

32、ALG1 DATA1 G1 DATA2符号输那b AGC粗濒率偏移佔计箱额卒備移估计，谨度长度信息颈捋符号空时信ii估计图1.3 PPUD帧结构详解1短训练序列符号短训练序列的主要用途是进行信号检测、自动增益控制(AGC)、符号定时和粗频率偏差估计。为了实现这些功能，短训练序列经过了精心设计。它在帧头最前面，包括10个重复的符号，每个符号的长度800ns。短训练序列只用OFDM符号的52个非零子载波中 的12载波个来传输信息符号，这样能保证 OFDM符号的功率稳定。短训练序列选择这种形式有两点优点：首先，可以在较大的范围内实现粗频偏估计。通常对于周期为T的重复符号而言，最大可估计的频率偏差为8

33、00nS的短训练符号间的相位差，可以估计的频 率偏差可达625kHz。通过计算连续两个训练符号的相关，并且检验相关值是否超出某一 门限值，就可以检测到是否有分组数据包的到达。在每两个短训练符号周期之后，可以 调整接收机增益，然后继续进行检测和信号增益的测量。由于短训练序列符号持续时间 短、重复周期多，所以更加容易在训练期间做出各种测量并进行调整。所以在进行载波 同步时，可以先通过短训练符号粗略估计频率变差，然后采用估算修正长训练符号，完 成频率补偿，从而保证系统的可靠性。2长训练序列符号长训练序列在短训练序列之后，其长度为8卩§其中包括两个有效OFDM符号的长度 (3.2 y)s和一

34、个长型保护间隔的长度(1.6卩)，可以估计到的频率偏差有156kHz。长 训练序列主要用于精确的频率偏差估计和信道估计。由于长训练符号持续时间较长，所 以在长训练符号周期内可以完成精确的频率估计，这是通过测量长训练符号内相隔为 3.2卩的样值之间的相位偏转来实现的。此外，通过对长训练符号中的相同两个局部进行平均，所获得数据的噪声功率要比数据符号中的低 3dB,从而可以更加精确地获得相干 解调所需的参数。3 Sig na域Sig na域紧跟在训练序列符号之后，它包含 Rate域和Len gth域两个主要字段。根据 Rate域能够得到数据符号的调制方式和码率信息。Signa域中的信息比特采用BPS

35、K调制 和码率为1/2的卷积编码，这样就可以得到6Mb/s的信息传输速率，这是IEEE的802.11a 中所规定的最低速率，同时也是最为可靠的传输方式，以确保Sig na域信息的正确传输与接收。Signa域共包含24个比特，其中比特03为Rate字段，参考表1.3可以得到这4位比特 与数据符号传输速率之间的对应关系。Length域长度为12个比特，用于指示MAC层请求 PHY层发送的物理层效劳数据单元(PSDU)的字节个数。当发射机接收到 MAC开始传 输的请求之后，物理层利用这一参数去确定 MAC层和PHY层之间所需传递的字节个数。 此外，Signal域中还包含几个未使用的比特，比特4保存供

36、将来使用；比特17用作比特016 的偶校验比特位；剩余的比特1823构成Signal的尾比特域(Tail Bits Field )，所有6个 比特都被置零，用于初始化卷积编码器和终止 Viterbi译码器。结构如图1.4所示。Signal 符号生成步骤：1/2卷积编码、交织、BPSK调制、Pilot的插入、IFFT和插入一个GI作为 保护间隔。图1.4 Sig nal域的结构表1.3 Rate域的内容信息传输速率(Mb/s)R1R2R3R461101911111201011801112410013610114800015400114 Data域数据符号Data域紧跟在Signa域之后，包含16

37、比特的效劳域、PSDU、6比特的尾比特 域及填充比特等。相比于Signal域，数据符号域的基带处理操作增加了数据扰码，且可 以根据信道状况选择不同的编码方式及调制映射以获得不同的数据速率。 其数据符号的 生成步骤：扰码操作、不同效率卷积编码、交织、调制、Pilot的插入、IFFT和插入GI作为保护间隔。第2章IEEE 802.11a物理层的OFDM技术2.1 OFDM系统的开展状况及特点在20世纪60年代由首次提出OFDM的思想，之后由Pelec和Ruiz引入循环前缀 的概念，使得OFDM技术克服了信道间干扰(Inter Channel Interferenee, ICI)和符号间干 扰(In

38、ter Symbol Interferenee, ISI)。1971 年Weinstein和EberlfEDFT应用到 OFDM 系统中， 作为调制和解调的一局部，这样就不再利用带通滤波器，而是经过基带处理就可以直接 实现OFDM，而且，在使用该方法完成OFDM调制的过程中也不再需要使用子载波振荡 器组及相干解调器，大大简化了系统实现。此后 OFDM在很多领域获得了实际的应用， 应用于各种双向无线数据业务当中，如播送式音频和视频领域，数字音频播送、数字视 频播送，还包括有线 网上基于现有铜双绞线的非对称高比特率数字用户线技术，例 如非对称数字用户环线(Asymmetrical Digital

39、Subscriber Loop, ADSL )，以及基于 IEEE 802.11标准的无线局域网(WLAN )等。目前，OFDM最受关注的应用是 Wi-MAX无线 城域网的宽带接入，其信号传输半径可达50千米，网络覆盖面积是3G基站10倍,最大接 入速度在75Mb/s。OFDM系统得到国际学者们的广泛关注，这是因为其存在诸多优点。(1) 整个系统的误码率性能能具有很强的鲁棒性。OFDM技术可以将高速数据流经过 串并变换变成低速数据流，使得每个子载波上的数据符号持续长度相对增加，从而降低无线信道的时间弥散所带来的ISI，这样接收机可以不采用均衡器，而仅通过插入循环前 缀就可以消除ISI o(2)

40、 OFDM的频谱利用率高。OFDM系统由于各个子载波之间存在正交性，允许信道的 频谱相互重叠，而传统的频分复用技术是将频带分为假设干个不相交的子频带来传输并行的数据流，在接收端有一组滤波器来别离各子信道。因此， OFDM系统与传统的频分复 用系统相比可以最大限度地利用频谱资源。OFDM合成信号的频谱非常接近于矩形，当 子载波数很大时，频谱利用率可以接近 Nyquist (奈奎斯特)极限。(3) 各个子信道中的这种正交调制与解调可以采用 IDFT和DFT的方法实现或者通过更 为便捷的快速傅立叶变换(FFT)来实现。目前，IFFT和FFT算法都已经相当成熟，且 硬件实现也容易。(4) 物理层支持非

41、对称速率数据传输。OFDM系统可实现无线数据业务非对称性，即上行链路中传输的数据量要小于下行链路中的数据量，这就要求物理层支持非对称速率数据传输，OFDM系统可以通过使用不同数量的子信道来实现上下行链路中不同的传输 速率。(5) 更有效地利用无线资源和提高整个系统的效劳质量。由于无线信道存在频率选择性，不可能所有子载波同时处于比拟深的衰落状态，因此可以通过动态比特分配及动态 子信道分配的方法充分利用信噪比拟高的子信道，从而提高系统性能。而对于多用户系 统而言，一个用户不适合的子信道对于其他用户可能性能比拟好的子信道，因此OFDM系统中可以根据信道的实际情况灵活地分配信息比特。(6) OFDM系

42、统容易结合其他多种接入方法，构成 OFDMA系统，其中包括多载波码分多址MC-CDMA、跳频OFDM和OFDM-TDMA等，使得多个用户可以同时利用 OFDM技 术进行信息的传输。(7) 抗干扰能力强。从频域来看，信道中因多径而出现频率选择性衰落或存在窄带干 扰时，只有一小局部的子载波受到影响，因此 OFDM系统可以在某种程度上抵抗多径及 窄带干扰，误码率性能可以得到提高。由于OFDM系统所包含的子载波是相互正交，且其输出信号是多个子信道信号的叠 加，因此同单载波系统相比，存在以下两个缺点：(1) 频率偏差会对OFDM系统产生很大的影响。由于OFDM系统的子载波的频谱相互叠 加，所以必须严格保

43、证这些子载波之间的正交性。如果在传输过程中造成无线信号频谱 偏移，就会破坏OFDM子载波之间的正交性，从而导致子信道间干扰，可见 OFDM对频 偏比拟敏感。(2) OFDM容易产生较高的峰值平均功率比。如果OFDM系统输出的多个信号的相位一 致，就可能导致信号的平均功率远小于叠加信号的瞬时功率，导致较大的峰值平均功率 比(Peak-to-Average Power Ratio PAPR)。而较高的峰值平均功率可能会导致信号失 真，这样输出信号的频谱也会发生变化，从而破坏各个子信道间的正交性，使系统性能 恶化。2.2 OFDM系统的工作原理 2.2.1 OFDM系统的根本模型OFDM可以被看作是

44、一种频分复用方式，一个OFDM符号包括多个经过调制的子载配给每个子载波的数据符号,波。假设N表示子载波个数，T表示OFDM符号的持续时间，di (i=0,1,N)为分< T/2,fC为第0个子载波的载波频率，矩形函数rect(t)=1,|t|那么从t=ts开始的一个OFDM符号可以表示为tfi - )exp j2兀(& + )(t-通常采用复等基带信号来描述 OFDM的输出信号，见式错误!未找到引用源。其中实部和虚局部别对应 错误!未找到引用源。符号的同相分量 错误!未找到引用源。和正交 分量错误!未找到引用源。，在实际系统中将它们分别与相应子载波的错误!未找到引用 源。和错误!

45、未找到引用源。分量相乘，构成最终的子载波信号和合成的 错误!未找到引 用源。信号。错误!未找到引用源。系统数学模型的框图如图错误!未找到引用源。所示, 其中错误!未找到引用源I°丿其他 2-2图2.1 OFDM系统数学模型框图图22包含4个子载波的OFDM符号奸产站j2吓10上图2.2所示为一个包含4个子载波的OFDM符号的实例，这里假定所有的子载波具 有相同的幅值和相位。当然，实际应用中随着数据符号的调制方式不同，每个子载波的 幅值和相位都有可能不同的。从图2.2可以看出，每个子载波在一个OFDM符号周期内都 包含整数个周期，而且各个相邻子载波之间都相差 1个周期，故错误!未找到引

46、用源(2-3)可见，对式2-3中的第j个子载波进行相关解调，然后在时间长度 T内进行积分,(2-4)可得错误!未找到引用源不难发现，对第j个子载波进行相关解调可以恢复出期望符号 dj。而对于其他子载波 而言，由于在积分间隔内频率差 错误!未找到引用源。产生整数倍个周期，故其积分结 果为零，这就是OFDM系统子载波之间的正交性。222 FFT在OFDM系统中的应用令2-2式中错误!未找到引用源。，且忽略矩形函数，对信号st以T/N的速率进行 采样，即令t = kT/Nk=0,1, -时,可得错误!未找到引用源(2-5)可以发现，式2-5与IDFT运算的表达式形式是一致的。同样在接收端，恢复原 始

47、数据符号错误!未找到引用源。的处理可以通过对 错误!未找到引用源。进行相反的变 换，即使用DFT :错误!未找到引用源(2-6)当数据长度较大时，可以利用FFT/IFFT来代替IDFT/DFT以提高算法速度，这也是实 际应用中所普遍采用的方法。FFT/IFFT可以将运算量由错误!未找到引用源。的复数乘 法显著地降低到错误!未找到引用源。对于子载波数量非常大的OFDM系统，还可以进 一步采用Radix-4 FFT算法，可以将复数乘法数量降低到 错误!未找到引用源。，而且 Radix-4 FFT算法只存在1，-1, j,-j的相乘运算，因此可以不使用完整的乘法器，而只 需通过简单的加、减以及交换实

48、部和虚部当与 -j或j相乘时就可以实现乘法运算，从 而可以高效地进行大规模FFT处理。2.3信道编码技术扰码原理数字通信中，假设经常出现长的 “0或 “ 1序列，将会影响位同步的建立和保持。在发 射机中使用扰码，可以防止这种数据对于接收机定时的不利影响。同时，为了限制电路中存在的不同程度的非线性，周期性数字信号信号频谱中的离散谱线有可能在多路通信 系统中造成串扰，要求数字信号的最小周期足够长。将数字信号变换成具有近似于白噪 声统计特性的数字序列即可满足要求，这通常用加扰来实现。所谓加扰，就是不用增加冗余度而扰乱信号，改变数字信号统计特性，使其近似于 白噪声统计特性的一种技术。这种技术的根底是建

49、立在反应移位存放器序列或伪随机 序列理论根底之上的。采用加扰技术的通信系统组成原理，如图2.3所示。在发送端加扰器来改变原始数字 信号的统计特性，而在接收端用解扰器恢复出原始数字信号。图2.3加扰技术的通信系统在OFDM系统Data域数据的处理中，首先需要进行加扰操作。整个 Data域数据使用 一个长度为127的帧同步扰码器加扰。8位的PSDU数据帧转换成串行比特流，其中LSB 在前，MSB在最后。帧同步扰码器使用下面的生成多项式：错误!未找到引用源。2-7输岀数据图2.4扰码器的硬件实现12扰码器实质上是一个反应移位存放器，其输出为一个m序列。它能最有效地将输入序列搅乱，使输出数字码元之间相

50、关性最小。在接收机接收时，可以用同样的扰码器进 行解扰。卷积码编码卷积码最早是1955年由伊利亚斯P.EIias提出来的，它是一种非分组码。卷积码 通常更适用于前向纠错法，不仅可纠正随机过失，而且可纠正突发过失，因为在许多实际情况中其性能常常优于分组码，而且设备比拟简单。1967年维特比Viterbi提出了基于最大似然的维特比译码算法，并被广泛地应用于现代通信中。1卷积码原理卷积码通常用n, k, m表示，它是把k个信息比特编成n个编码比特，通常k和n很 小，特别适宜于以串行方式传输信息，延时小。m为编码约束长度，说明编码过程中互相约束的码段个数。卷积码编码后的n个码元不仅与当前组的k个信息比

51、特有关，而且与 前m-1个输入的信息比特有关，这样编码过程中相互的码元有m Xn个。定义R = k/n为卷积码的码率，码率和约束长度是衡量卷积码性能的两个重要参数。卷积码的编码描述方法分为两类：解析表示法与图形表示法。前者又包括离散卷积 法、生成矩阵法和码多项式法等；后者包括状态图法、树图法和格图法等。通常通过移 位存放器组成的网络结构来描述。如图2.5所示为一个约束长度为4、码率R=1/3的卷积器。图2.5约束长度为4、码率R=1/3的卷积编码器13该卷积编码器由3个移位存放器D和2个模2加法器组成。每输入一个信息元中 错 误!未找到引用源。，就编出两个监督元pj1、pj2,顺次输出成为mj

52、、pj1、pj2，码长为3, 其中信息元只占1位，构成卷积码的一个分组，称作3, 1卷积码。由图可知，监督 元pj1pj2不仅与本组输入的信息元 mj有关还与前几组的信息元 mj-1，mj-2，mj-3有关。由于3, 1卷积码中，每个码字除了与本组信息元mj相关外，还与前面3个信息元有关，亦即每个码字共与相邻的 4个信息元相关，因而说这个卷积的约束长度为4。约束长度定了移位存放器数目。移位存放器长度加1，即为约束长度。编码与约束长度有关，译码也与约束长度有关。码率为1/2的卷积码，它只有1位监督位，编码效率高，也比拟简单。如果使用的 约束长度较长，那么既可以纠正突发过失，也可以纠正随机过失2

53、802.11a中的卷积码802.11a协议中规定卷积编码使用的生成多项式是 错误!未找到引用源。和错误!未找到引用源。，码率为1/2,原理图如图2.6所示。图2.6 802.11a协议中的卷积编码器输出数据A的生成多项式为14错误!未找到引用源。(2-8)输出数据B的生成多项式为错误!未找到引用源。(2-9)因此，可以使用6个移位存放器实现卷积编码，每输入1比特数据，将会依次输出 数据A和B,输出的数据变为2比特，实现了 1/2码率的卷积编码。3删余无线通信基带信号处理中，为了提高传输效率，在卷积编码后一般要进行删余操作， 即周期性的删除一些相对不重要的数据比特， 引入删余操作的卷积编码也称作

54、删余卷积 码。在编码时进行了删余操作后，需要在译码时进行 depuncture即在译码之前将删余 比特位置加以填充。802.11a中，为了实现更高的速率多种不同的传输速率，也采用了删余操作。在1/2码率卷积编码后删去一些已编码比特。2/3码率的删余过程如图2.7所示，每输入4个编 码比特的数据，删去其中1个，并在3/2倍时钟下输出剩余的3个比特，最终码率为1/2 除以3/4,即2/3。源数据%EoAtE*%图2.7 2/3码率删余过程编码数据删余比特同理，3/4码率的删余过程为每输入6个编码比特的数据，删去其中两个，并在 4/3 倍时钟下输出剩余的4个比特，最终码率为1/2除以2/3，即3/4

55、。4多码速卷积编码OFDM系统中根据不同的数据速率，有不同的编码率，如表2.1所示表2.1不同数据速率对应的不同码率数据速率Mbit/s码率61/293/4121/2183/4241/2363/4482/3543/4OFDM中Data域的数据，经过加扰处理后，需要进行卷积编码。根据所需的传输速15率，分别选择1/2, 2/3,或3/4中的一种码率进行卷积编码。传输速率信息由Signal域中的Rate决定。其中，1/2码率可以直接由R=1/2的卷积编码器生成，其他码率那么需要 在1/2码率卷积编码的根底上进行删余操作才能得到。Signal域的数据只进行1/2码率的卷积编码。交织编码交织是为了在时

56、域或频域或者同时在时域、频域上分布传输的信息比特，使信道的 突发错误在时间上得以扩散，从而使得译码器可以将它们当作随机错误处理，解决了由 噪声、干扰等引起的突发过失，使纠错码能抵抗这些突发错误。交织器在几个分组长度 或几个约束长度范围内对码元进行混洗，这个范围是由突发持续时间决定的。通信系统 的交织模式取决于信道特性。如果系统在一个纯粹的AWGN (加性高斯白噪声)环境下运行，即准平稳信道，那么在一个数据包的持续时间上根本没有什么变化，就不需要交 织。因为这时，通过重新分配的方法是无法改变误码分布的。16交织必然在系统中引入延时，这是因为接收到的比特顺序与信息源发送时的顺序是 不相同的。通信系统常规定了系统所能容忍的最大延时，因此也限制了所能使用的交织 器的交织深度。在发