基于IEEE80211a的OFDM基带系统的FPGA设计

1、.：.；摘要伴随着无线数据通讯与多媒体运用的不断开展，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注重，并被视为下一代挪动通讯G中的关键技术。OFDM承继了传统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%的带宽，在循环前缀的辅助下可以实现准确的符号同步，有效地将本来频率选择性衰落的信道转化为多个并行平衰落信道运用，从而OFDM技术具有频谱利用率高、抗干扰才

2、干强等优势，大大提高了传输效率，因此该技术在新一代的通讯中备受关注。IEEE.a无线局域网WLAN规范作为典型的以OFDM为物理层接入方式的运用系统，是OFDM技术的一个典型运用，本文正是以IEEE.a无线局域网规范为根底，对OFDM基带处置器的算法，架构进展引见和分析的根底上，将整个系统的FPGA设计和实现分为多个根本通讯模块，并给出每个模块的详细实现。采用自顶向下的FPGA设计方法，在Altera的Quartus II.开发环境下，采用Verilog硬件描画言语进展了长短训练序列、扰码、多速率卷积码、交错、QAM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

3、Modelsim SE.f和Matlab.仿真工具对设计系统进展了单元模块仿真和系统仿真,并将设计的OFDM通讯发送系统下载到Altera公司的Cyclone II系列EPCQC 开发板上进展了系统测试和验证，并根据系统软件仿真和硬件测试的结果进展了分析，其中重点研讨分析了加窗与循环前缀对OFDM系统性能的影响。仿真和测试结果阐明:基于IEEE.a无线局域网规范的OFDM通讯发送系统符合该规范各参数要求并可以正确实现长短训练序列、扰码、多速率卷积码、交错、QAM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通讯发送系统测试正确, 下载测

4、试结果正确。关键词：OFDM，FPGA，IEEE .a，IFFT，循环前缀AbstractWith wireless data communication and multimedia application development, the requirements of transfer rate and QOS guarantee need to improve accordingly in the wireless transmission system. OFDM as a kind of new type of the physical layer transmission tec

5、hnology is more and more get the attention of people, and be treated as the key technology of next generation mobile communications ( G). OFDM inherited the characteristics of multi-carrier parallel modulation Symbols cycle growth of the traditional MCM. Compared with traditional non-overlapping mul

6、ti-carrier technology, the use of overlapping multi-carrier OFDM technology can save nearly % of the bandwidth. using circulation prefix can realize accurate symbol synchronization, change originally frequency selective decline channel into multiple concurrent flat fading channel effectively. so it

7、has a good resistance multipath fading and high spectral utilization efficiency, greatly improving the transmission efficiency. so that technology is the hot research topic in a new generation of communication.IEEE. wireless local area network (WLAN) standard as a typical application system of OFDM

8、physical layer access mode, is a typical technology OFDM application. the paper research and analyse the OFDM baseband processor algorithm and architecture to make the whole system FPGA design and implementation divided into a number of basic communication module, and give each module of the specifi

9、c implementation basis on wireless LAN IEEE. standard. Using the top-down design method of FPGA, in the Quartus II. of Altera development environment, the Verilog hardware description language (Verilog HDL) has been accomplished to training sequence, scrambler, multi-rate convolution code, interweav

10、e, QAM mapping, pilot insertion, IFFT modulation, cyclic prefix and windowed and main control unit design of system module. ModelSim SE .f and Matlab. simulation tools have been used to make system design and simulation, and accomplished the designed OFDM communication transmission system to downloa

11、d to the FPGA hardware platform of Cyclone II of Altera and finished the system test. Besides according to the result of system software simulation and hardware test made the analysis, Which focuses on the analysis of widowed and cyclic for the system performance influence of OFDM. The simulation an

12、d test results show that: OFDM communication send system meets the standard requirement of the wireless local area network IEEE. standard. Such as raining sequence, scrambler, multi-rate convolution code, interweave, QAM mapping, pilot insertion, IFFT modulation, cyclic prefix and windowed and main

13、control unit, each child module system software simulation and the overall OFDM communication send system test right, download test results are correct.Key Words: OFDM，FPGA，IEEE .a，IFFT，Circulation prefix目 录第章绪论.挪动通讯系统的开展概略. IEEE .a规范概述. IEEE .a物理层协议的参数. IEEE .a物理层协议帧构造. 第章 IEEE .a物理层的OFDM技术. OFDM系统

14、的开展情况及特点. OFDM系统的任务原理. OFDM系统的根本模型. FFT在OFDM系统中的运用. 信道编码技术. 扰码原理. 卷积码编码. 交错编码. OFDM映射与调制技术.映射调制. IFFT实现OFDM调制. 循环前缀与加窗技术. 循环前缀. 加窗. OFDM的同步信号.符号同步简介. 导频插入.训练序列的生成.第章 基于IEEE .a的OFDM基带系统的FPGA设计. IEEE .a基带处置器的发射端总体方案设计.基带处置器的任务时钟. 任务时钟分析. 任务时钟生成模块的实现.基带数据处置单元设计. 扰码器模块的实现. 多码速卷积码硬件构造与实现. .a中的交错器的实现. OFD

15、M前导序列设计. 训练序列生成模块的实现. 映射与OFDM子载波调制. QAM映射模块的实现. 子载波IFFT调制模块. 导频插入模块的实现.循环前缀与加窗模块的实现.主控模块设计.第章 系统测试与结果仿真.系统时钟单元测试.基带数据处置单元仿真测试.并串转换模块测试. 扰码模块的测试. 多码率卷积编码模块测试. 交错模块测试.前导序列单元仿真测试.短训练序列模块测试.长训练序列模块测试.映射与调制单元仿真测试. QAM映射模块测试. 导频插入模块测试. IFFT调制模块测试. 循环前缀仿真测试. 主控模块测试. OFPM发送系统整体仿真测试.结论.参考文献.附录.致谢.第章绪论.挪动通讯系统

16、的开展概略挪动通讯越来越广泛地浸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挪动通讯的各种需求与日俱增, 也推进了挪动通讯的飞速开展。从 世纪 年代中期第一代挪动通讯以模拟调频、频分多址为主体技术，包括以蜂窝网系统为代表的公用挪动通讯系统、以集群系统为代表的公用挪动通讯系统以及无线，主要向用户提供模拟话音业务。 年代初第二代挪动通讯系统G以数字传输、时分多址或码分多址为主体技术，简称数字挪动通讯，包括数字蜂窝系统、数字无线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，其运用范围普及世界。 年代末的第. 代挪动通讯系统(.

17、G) , 主要以通用分组无线业务(GPRS) 、高速电路交换数据业务(HSCSD) 及加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。直至今天第三代挪动通讯系统G以CDMA为主要技术，向用户提供Mb/S到Mb/s的多媒体业务，步行环境下支持 kbit/s的速率、车载环境下支持 kbit/s的速率，带宽可达MHz以上。年月国际电信联盟最终确定为G的国际规范，推进了第四代挪动通讯的研讨和开发，G规范采用OFDM和多天线等新技术，以挪动数据为主，面向挪动因特网的高速挪动通讯网络，传输速率比如今高倍，将向用户提供Mb/s甚至Gb/s的数据速率，发射功率比如今降低到倍，

18、能处理电磁干扰问题; 支持手机互助功能,采用可穿戴无线电; 支持更丰富的挪动业务, 包括高明晰度图像业务、会议电视、虚拟现实业务等, 运用户在任何地方都可以获得任何所需的信息效力，具有良好的开展前景。置信在未来的几十年内无线通讯仍是通讯开展的前沿。随着蜂窝的快速增长，可以估计无线通讯的未来是光明的。. IEEE .a规范概述年月，IEEE任务组同意了IEEE .a规范，它的任务频率是GHz频段，该规范的物理层采用OFDM技术作为其调制方式，提供Mb/s的数据速率。在GHz频段内，美国联邦通讯委员会(Federal Communications Commission, FCC)分配了个MHz的带

19、宽作为免授权国家信息根底设备(Unlicensed National Information Infrastructure, U-NII)频段运用，以提供快速开通的高速无线数据通讯，且每一个任务区域的最大输出功率不同。任务在GHz频段的IEEE .a规范与任务在.GHz频段的IEEE .规范相比，不会遭到采用.GHz频段的蓝牙、微波以及工业设备的干扰，因此在IEEE.a协议下可以可靠的传输数据，IEEE .a最高支持Mb/s的数据传输率。IEEE .a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

20、Coordination Function, DCF)两种任务方式，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。两种任务方式共享带宽构成超帧构造，IEEE .a MAC 运用超帧实现PCF和DCF两种任务方式的共存。PCF任务在无竞争期，DCF任务在竞争期。在超帧开场时，假设信道空闲，PCF经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)才干获得信道访问权。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 .a规范运用的

21、介质访问控制机制(MAC)与IEEE .一样，但该规范的设备不能与任务在.GHz频段的IEEE .规范设备进展无线通讯。. IEEE .a物理层协议的参数表.所示为IEEE .a物理层OFDM技术规范的主要参数，其中一个重要的参数是长度为ns的维护间隔。根据编码效率和调制方式，这一维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，而且可经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运用要求。表. IEEE .a WLAN PHY层规范主要参数参数数值数据速率Mb/s、调制方式BPSK、QPSK、QAM、QAM编码效率/、/、/子载

22、波数量导频数量OFDM符号长度s维护间隔s子载波间隔kHz.信号带宽MHz.信道间隔MHz其他参数以维护间隔长度为根底进展定义。为了把维护间隔所占用的功率减小到dB，OFDM符号长度定为s，除去维护间隔GI外有效数据部分的长度为.s，进而可得子载波间隔为/.s =.kHz，信号带宽为.kHz = .MHz，信道间隔为.MHz =MHz。IEEE .a规范采用个并行子载波进展数据传输。除了这个传输数据的子载波外，每个OFDM符号还包括个导频子载波，可用于接纳机处置器在初始频率校正之后跟踪剩余的载波频率偏向，也可用于信道估计和采样频率偏向估计。为了兼顾传输效率与可靠性的要求，系统可以根据信道的情况

23、采用不同效率的纠错编码，在各个子载波间进展信道编码，再配合不同的调制方式即可获得Mb/s的编码数据速率如：采用个并行子载波进展数据传输，当调制方式为BPSK或QAM，编码效率都/时，提供的编码速率分别为 QUOTE x QUOTE = Mb/s和 QUOTE QUOTE = Mb/s。其中根本的编码方式的约束长度为、编码效率为/的卷积编码Convolutional Encoding,再经过对/编码方式进展删余Puncturing操作，可以获得码率为/和/的卷积编码。/码率的编码与BPSK、QPSK、QAM调制分别可以提供、Mb/s的数据传输速率；/码率的编码与QAM一同可以提供Mb/s的数据传

24、输速率；此外，/码率的编码与BPSK、QPSK、QAM和QAM调制方式分别可以提供、和Mb/s传输速率。表.所示为调制方式、编码方式与数据速率的对应关系。表. 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BPSK/BPSK/QPSK/QPSK/QAM/QAM/QAM/QAM/IEEE .a中运用了个子载波实践上应为个，其中k=处的直流子载波上不传输符号，由于IFFT算法基于N点，故采用点的IFFT。个子载波在频率分配时分别在编号低端和高端留有个和个空符号，即k=-,-,这样就可以保证系统的子载波频谱集中，从而

25、使得系统占用的频谱带宽尽能够窄，以节约频谱资源，减少信道间干扰。所以，个非零子信道映射到点输入的IFFT当中应按照图.所指定的方式，把子信道映射到一样标号的IFFT输入端口；而子信道-被映射到的IFFT输入端口；其他的IFFT输入口，即输入空值。采用点IFFT意味着系统的采样间隔为.us = .s，这样采样频率至少应该是Msamples/s。图.子载波与IFFT序号的映射关系. IEEE .a物理层协议帧构造图.所示为IEEE .a规范所规定的物理层协议数据单元Physical Protocol Data Unit, PPDU帧构造，也是基带发射处置器所要生成的数据构造。图.所示为更加细致的描

26、画，从中可以看到，接纳机的定时同步、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。训练符号包括个周期反复的短训练符号Short Training Symbol, STStt每个符号的间隔为正常OFDM符号间隔的/即ns和个周期反复的长训练序列Long Training Symbol, LSTTT符号间隔与正常OFDM符号一样两个部分。图. PPDU帧构造总的训练序列时间长度为s。训练序列符号后面为“Signal域，长度为一个正常OFDM符号长度即s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纳机而言非常重要的信息。以上这些部分一同构成了帧头PLCP Head部分，接纳

27、机在对数据符号进展译码之前要利用它们完成训练义务。下面对它们分别加以详细阐明。图. PPUD帧构造详解 短训练序列符号短训练序列的主要用途是进展信号检测、自动增益控制(AGC)、符号定时和粗频率偏向估计。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，包括个反复的符号，每个符号的长度ns。短训练序列只用OFDM符号的个非零子载波中的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方式有两点优点：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的反复符号而言，最大可估计的频率偏向为ns的短训练符号间的相位差，可以估计的频率偏向可达kHz。经过计算延续

28、两个训练符号的相关，并且检验相关值能否超出某一门限值，就可以检测到能否有分组数据包的到达。在每两个短训练符号周期之后，可以调整接纳机增益，然后继续进展检测和信号增益的丈量。由于短训练序列符号继续时间短、反复周期多，所以更加容易在训练期间做出各种丈量并进展调整。所以在进展载波同步时，可以先经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。 长训练序列符号长训练序列在短训练序列之后，其长度为s，其中包括两个有效OFDM符号的长度.s和一个长型维护间隔的长度.s，可以估计到的频率偏向有kHz。长训练序列主要用于准确的频率偏向估计和信道估计。由于长训练符号

29、继续时间较长，所以在长训练符号周期内可以完成准确的频率估计，这是经过丈量长训练符号内相隔为.s的样值之间的相位偏转来实现的。此外，经过对长训练符号中的一样两个部分进展平均，所获得数据的噪声功率要比数据符号中的低dB，从而可以更加准确地获得相关解调所需的参数。 Signal域Signal域紧跟在训练序列符号之后，它包含Rate域和Length域两个主要字段。根据Rate域可以得到数据符号的调制方式和码率信息。Signal域中的信息比特采用BPSK调制和码率为/的卷积编码，这样就可以得到Mb/s的信息传输速率，这是IEEE的.a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Signal域信

30、息的正确传输与接纳。Signal域共包含个比特，其中比特为Rate字段，参考表.可以得到这位比特与数据符号传输速率之间的对应关系。Length域长度为个比特，用于指示MAC层恳求PHY层发送的物理层效力数据单元PSDU的字节个数。当发射机接纳到MAC开场传输的恳求之后，物理层利用这一参数去确定MAC层和PHY层之间所需传送的字节个数。此外，Signal域中还包含几个未运用的比特，比特保管供未来运用；比特用作比特的偶校验比特位；剩余的比特构成Signal的尾比特域Tail Bits Field，一切个比特都被置零，用于初始化卷积编码器和终止Viterbi译码器。构造如图.所示。Signal符号生

31、成步骤：/卷积编码、交错、BPSK调制、Pilot的插入、IFFT和插入一个GI作为维护间隔。图. Signal域的构造表. Rate 域的内容信息传输速率Mb/s RRRR Data域数据符号Data域紧跟在Signal域之后，包含比特的效力域、PSDU、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置操作添加了数据扰码，且可以根据信道情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、交错、调制、Pilot的插入、IFFT和插入GI作为维护间隔。第章 IEEE .a物理层的OFDM技术. OFDM系统的开展情况及特点

32、在世纪年代由R.W.Chang初次提出OFDM的思想，之后由Peled和Ruiz引入循环前缀的概念，使得OFDM技术抑制了信道间干扰Inter Channel Interference, ICI和符号间干扰Inter Symbol Interference, ISI。年Weinstein和Ebert把DFT运用到OFDM系统中，作为调制和解调的一部分，这样就不再利用带通滤波器，而是经过基带处置就可以直接实现OFDM，而且，在运用该方法完成OFDM调制的过程中也不再需求运用子载波振荡器组及相关解调器，大大简化了系统实现。以后OFDM在很多领域获得了实践的运用，运用于各种双向无线数据业务当中，如广

33、播式音频和视频领域，数字音频广播、数字视频广播，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 Subscriber Loop, ADSL，以及基于IEEE .规范的无线局域网WLAN等。目前，OFDM最受关注的运用是Wi-MAX无线城域网的宽带接入，其信号传输半径可达千米，网络覆盖面积是G基站倍，最大接入速度在Mb/s。OFDM系统得到国际学者们的广泛关注，这是由于其存在诸多优点。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继续长度相对添

34、加，从而降低无线信道的时间弥散所带来的ISI，这样接纳机可以不采用平衡器，而仅经过插入循环前缀就可以消除ISI。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，在接纳端有一组滤波器来分别各子信道。因此，OFDM系统与传统的频分复用系统相比可以最大限制地利用频谱资源。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。各个子信道中的这种正交调制与解调可以采用IDFT和DFT的方法实现或者经过更为便利的快速傅立叶变换FFT来实现。目前

35、，IFFT和FFT算法都曾经相当成熟，且硬件实现也容易。物理层支持非对称速率数据传输。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系统可以经过运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。更有效地利用无线资源和提高整个系统的效力质量。由于无线信道存在频率选择性，不能够一切子载波同时处于比较深的衰落形状，因此可以经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较高的子信道，从而提高系统性能。而对于多用户系统而言，一个用户不适宜的子信道对于其他用户能够性能比较好的子信道，因此OFDM系统中可以根

36、据信道的实践情况灵敏地分配信息比特。OFDM系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技术进展信息的传输。抗干扰才干强。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，只需一小部分的子载波遭到影响，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，存在以下两个缺陷：频率偏向会对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，

37、所以必需严厉保证这些子载波之间的正交性。假设在传输过程中呵斥无线信号频谱偏移，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对频偏比较敏感。OFDM容易产生较高的峰值平均功率比。假设OFDM系统输出的多个信号的相位一致，就能够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能够会导致信号失真，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。. OFDM系统的任务原理. OFDM系统的根本模型OFDM可以被看作是一种频分复用方式，一个OF

38、DM符号包括多个经过调制的子载波。假设N表示子载波个数，T表示OFDM符号的继续时间，dii=,N-为分配给每个子载波的数据符号，fC为第个子载波的载波频率，矩形函数rect(t)=,|t|T/,那么从t=tS开场的一个OFDM符号可以表示为 通常采用复等基带信号来描画OFDM的输出信号，见式 QUOTE 。其中实部和虚部分别对应 QUOTE 符号的同相分量 QUOTE 和正交分量 QUOTE ,在实践系统中将它们分别与相应子载波的 QUOTE 和 QUOTE 分量相乘，构成最终的子载波信号和合成的 QUOTE 信号。 QUOTE 系统数学模型的框图如图 QUOTE 所示，其中 QUOTE 。

39、图. OFDM系统数学模型框图图. 包含个子载波的OFDM符号上图.所示为一个包含个子载波的OFDM符号的实例，这里假定一切的子载波具有一样的幅值和相位。当然，实践运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能够不同的。从图.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个周期，故 QUOTE (-)可见，对式-中的第j个子载波进展相关解调，然后在时间长度T内进展积分，可得 QUOTE -不难发现，对第j个子载波进展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 QUOTE 产生整数倍个周期，故其积分结果

40、为零，这就是OFDM系统子载波之间的正交性。. FFT在OFDM系统中的运用令-式中 QUOTE ,且忽略矩形函数，对信号s(t)以T/N的速率进展采样，即令t = kT/N(k=,N-),可得 QUOTE (-)可以发现，式-与IDFT运算的表达式方式是一致的。同样在接纳端，恢复原始数据符号 QUOTE 的处置可以经过对 QUOTE 进展相反的变换，即使用DFT： QUOTE (-)当数据长度较大时，可以利用FFT/IFFT来替代IDFT/DFT以提高算法速度，这也是实践运用中所普遍采用的方法。FFT/IFFT可以将运算量由 QUOTE 的复数乘法显著地降低到 QUOTE 。对于子载波数量非

41、常大的OFDM系统，还可以进一步采用Radix- FFT算法，可以将复数乘法数量降低到 QUOTE ，而且Radix- FFT算法只存在，-，j,-j的相乘运算，因此可以不运用完好的乘法器，而只需经过简单的加、减以及交换实部和虚部当与-j或j相乘时就可以实现乘法运算，从而可以高效地进展大规模FFT处置。. 信道编码技术 .扰码原理数字通讯中，假设经常出现长的“或“序列，将会影响位同步的建立和坚持。在发射机中运用扰码，可以防止这种数据对于接纳机定时的不利影响。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能够在多路通讯系统中呵斥串扰，要求数字信号的最小周期足够长

42、。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，就是不用添加冗余度而扰乱信号，改动数字信号统计特性，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立在反响移位存放器序列或伪随机序列实际根底之上的。采用加扰技术的通讯系统组成原理，如图.所示。在发送端加扰器来改动原始数字信号的统计特性，而在接纳端用解扰器恢复出原始数字信号。图. 加扰技术的通讯系统在OFDM系统Data域数据的处置中，首先需求进展加扰操作。整个Data域数据运用一个长度为的帧同步扰码器加扰。位的PSDU数据帧转换成串行比特流，其中LSB在前，MSB在最后。帧同步扰码器运用下面

43、的生成多项式： QUOTE -由式-可得扰码器的硬件实现构造，如图.所示。图. 扰码器的硬件实现扰码器本质上是一个反响移位存放器，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关性最小。在接纳机接纳时，可以用同样的扰码器进展解扰。.卷积码编码卷积码最早是年由伊利亚斯P.Elias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，由于在许多实践情况中其性能经常优于分组码，而且设备比较简单。年维特比Viterbi提出了基于最大似然的维特比译码算法，并被广泛地运用于现代通讯中。卷积码原理卷积码通常用n, k, m表示，它是把k个信

44、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，阐明编码过程中相互约束的码段个数。卷积码编码后的n个码元不仅与当前组的k个信息比特有关，而且与前m-个输入的信息比特有关，这样编码过程中相互的码元有m n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。卷积码的编码描画方法分为两类：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；后者包括形状图法、树图法和格图法等。通常经过移位存放器组成的网络构造来描画。如图.所示为一个约束长度为、码率R=/的卷积器。图. 约束长度为、码率R=/的卷积编码

45、器该卷积编码器由个移位存放器D和个模加法器组成。每输入一个信息元中 QUOTE ，就编出两个监视元pj、pj，依次输出成为mj、pj、pj，码长为，其中信息元只占位，构成卷积码的一个分组，称作，卷积码。由图可知，监视元pjpj不仅与本组输入的信息元mj有关还与前几组的信息元mj-，mj-，mj-有关。由于，卷积码中，每个码字除了与本组信息元mj相关外，还与前面个信息元有关，亦即每个码字共与相邻的个信息元相关，因此说这个卷积的约束长度为。约束长度定了移位存放器数目。移位存放器长度加，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/的卷积码，它只需位监视位，编码效率高，也比较简单。

46、假设运用的约束长度较长，那么既可以纠正突发过失，也可以纠正随机过失。 .a中的卷积码.a协议中规定卷积编码运用的生成多项式是 QUOTE 和 QUOTE ，码率为/，原理图如图.所示。图. .a协议中的卷积编码器输出数据A的生成多项式为 QUOTE (-)输出数据B的生成多项式为 QUOTE (-)因此，可以运用个移位存放器实现卷积编码，每输入比特数据，将会依次输出数据A和B，输出的数据变为比特，实现了/码率的卷积编码。 删余无线通讯基带信号处置中，为了提高传输效率，在卷积编码后普通要进展删余操作，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删余卷积码。在编码时进展了删

47、余操作后，需求在译码时进展depuncture，即在译码之前将删余比特别位加以填充。.a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/码率卷积编码后删去一些已编码比特。/码率的删余过程如图.所示，每输入个编码比特的数据，删去其中个，并在/倍时钟下输出剩余的个比特，最终码率为/除以/，即/。源数据 QUOTE QUOTE QUOTE 编码数据 删余比特 删余后数据图. /码率删余过程同理，/码率的删余过程为每输入个编码比特的数据，删去其中两个，并在/倍时钟下输出剩余的个比特，最终码率为/除以/，即/。 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.所示表

48、. 不同数据速率对应的不同码率数据速率Mbit/s码率/OFDM中Data域的数据，经过加扰处置后，需求进展卷积编码。根据所需的传输速率，分别选择/，/，或/中的一种码率进展卷积编码。传输速率信息由Signal域中的Rate决议。其中，/码率可以直接由R=/的卷积编码器生成，其他码率那么需求在/码率卷积编码的根底上进展删余操作才干得到。Signal域的数据只进展/码率的卷积编码。.交错编码交错是为了在时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分散，从而使得译码器可以将它们当作随机错误处置，处理了由噪声、干扰等引起的突发过失，使纠错码能抵抗这些突发错误。交错

49、器在几个分组长度或几个约束长度范围内对码元进展混洗，这个范围是由突发继续时间决议的。通讯系统的交错方式取决于信道特性。假设系统在一个纯粹的AWGN加性高斯白噪声环境下运转，即准平稳信道，那么在一个数据包的继续时间上根本没有什么变化，就不需求交错。由于这时，经过重新分配的方法是无法改动误码分布的。交错必然在系统中引入延时，这是由于接纳到的比特顺序与信息源发送时的顺序是不一样的。通讯系统常规定了系统所能容忍的最大延时，因此也限制了所能运用的交错器的交错深度。在发送端加上数据交错器，在接纳端去掉交错器，是信道中的突发错误离散开来，将原来属于突发过失的信道改成独立的随机过失信道，从而充分发扬纠错编码的

50、作用。交错实践上一种信道改造技术，它将一个数据序列在一一对应的条件下进展数据的位置重排过程。其逆过程成为解交错，即将接纳到得序列进展位置复原，使数据恢复原来发送时的顺序。经常运用的两种交错分别为分组交错器和卷积交错器。 分组交错器原理 常用的交错器主要有种：矩阵分组式，伪随机式和半伪随机式。由于序列较短的伪随机数之间的相关特性较大，对于实时性要求高、信息帧较短的通讯系统，矩阵分组式交错器性能优于伪随机和半伪随机式交错器。随着信息帧长度的添加，交错长度也相应增长，此时假设采用矩阵分组交错器，交错前后信息序列的不动点增多，伪随机数的产生更加均匀，交错前后的序列相关性减小，所以对于译码精度要求较高的

51、通讯系统，应采用随机交错器，半伪随机交错方式那么为折中的方案。下面经过一个简单的矩阵分组交错器例子，分析经过交错和反交错变换，将一突发错误信道改造为独立过失信道的过程。假设发送一组信息X=(x，x，.x)，首先将X送入交错器，此交错器设计为按列写入按行取出的阵列存储器。送入交错器后，从存储器里按行输出，送入突发错误信道，信道输出再送入反交错器，完成交错的相反变换，即按行写入，按列读出。反交错器的输出，即阵列存储器中按列读出的信息，其过失规律就变成了独立过失。过程如下：交错矩阵为 那么交错器输出为 QUOTE 假设突发信道产生两个突发：第一个突发产生于x至x连错个，第二个突发产生于x至x连错个，

52、那么此时接纳到的信号为去交错矩阵为那么去交错矩阵的输出为由此可见，经过交错矩阵和反交错矩阵后，原来信道的突发过失，即个连错和个连错变成了无记忆随机性的独立过失。这个例子的阵列存储器可推行至MN的分组交错器，进展类似的分析，上述结论依然有效。M，N分组交错器具有的特性如下：任何长度L M的突发过失，经过交错变换后，成为至少被N-位隔开的一些单个独立过失；任何长度L M的突发过失，经过去交错变换后，可将长突发变换成短突发，其突发长度为 QUOTE ；在不计信道时延的条件下，完成交错与去交错变换两端间的时延为MN个符号，而交错和去交错各占MN个符号。在特殊情况下，周期为M个符号单个独立过失序列经过去

53、交错后，会产生相应序列长度的突发错误。 卷积交错器原理卷积交错器是一种非常适宜于运用延续比特流系统的交错方式，图.所示为卷积交错器的根本构造。这种交错器将比特在左边的转换器中写入，从右边的转换器中读出。卷积交错器的主要优点在于到达同样交错深度时，其所存储的容量几乎是分组交错器所存储容量的一半，因此可以大大减少由交错而引起的延时。卷积交错器的反交错是经过对交错器沿其程度轴翻转来实现的，详细操作过程与交错的过程是类似的。图. 卷积交错器的构造 .a中的交错.a中的交错深度等于一个OFDM符号，因此这是一个分组交错器。交错深度与所采用的调制方式有关：BPSK、QPSK、QAM和QAM的交错深度分别为

54、、和个比特，每种调制方式的交错深度是经过数据子载波的数量与每个符号中比特的个数相乘而得到的。. OFDM映射与调制技术.映射调制 OFDM中的调制根据不同的速率要求，OFDM的子载波需求用BPSK、QPSK、QAM或QAM调制方式调制。数据经过卷积编码和交错后，串行的数据流每、或个比特分成一组，以一定的规那么映射成复数，构成BPSK、QPSK、QAM或QAM调制。在传输过程中，调制方式能够发生变化，如Signal符号的数据采用的是BPSK调制，而Data符号采用的是另一种调制方式。为了使一切的映射有一样的平均功率，需求对映射进展归一化。映射后的复数值乘上一个归一化的量 QUOTE ,即可得到输

55、出数据。 QUOTE 的值根据不同的调制方式而不同，如表.所示。表. 不同调制方式对应的归一化因子 QUOTE ModulationBPSKQPSKQAMQAM QAM(正交幅度调制)以QAM的映射方式为例。QAMQuadature Amplitude Modulation,正交幅度调制与其他调制技术相比，能得到高的频谱效率，且具有抗操声才干强等优点，因此得到广泛运用。MQAM信号的平均信号功率谱主瓣宽度为RS,RS为符号传输速率，等于信息符号速率Rb/(logM)。在Rb一定时，M越大，其主瓣宽度越大，频带利用率就越高。QAM调制中，数据信号由相互正交的两个载波的幅度变化表示。QAM是一种矢

56、量调制，将输入比特先映射普通采用格雷码到一个复平面星座上，构成复数调制符号，然后将该符号的I、Q分量即该复数的实部和虚部采用幅度调制，分别对应调制在相互正交时域正交的两个载波cos QUOTE 和sin QUOTE 上。正交振幅调制可以表示为式中：两个相互正交的载波分量中，每一个载波被一组离散的振幅 QUOTE 、 QUOTE 所调制，故称这种方式为正交振幅调制；TS是码元宽度，m=、 、M，M为 QUOTE 和 QUOTE 的电平数。振幅 QUOTE 和 QUOTE 可以表示成： QUOTE (-)式中：A是固定振幅， QUOTE 、 QUOTE 由输入信号确定。 QUOTE 决议已调QAM

57、信号在星座图中的坐标点。QAM是幅度、相位结合调制的技术，它同时利用载波的幅度和相位来传送信息比特，因此在最小间隔 一样的条件下可实现更高的频带利用率。QAM调制器的实现过程中，发送数据在进展串并转换器内分成两路，然后分别与一对正交调制分量相乘，求和后输出，如图.所示。图. QAM调制器原理类似于其他数字调制方式，QAM的信号可以用星座图方便地表示，星座图上每一个星座点对应发射信号集中的那一点。星座点数越多，每个符号能传输的信息量就越大。调制技术的可靠性可由相邻星座点之间的最小间隔 来衡量，最小间隔 越大，抵抗噪声等干扰的才干越强，前提是信号的平均功率一样。常见的QAM方式有QAM、QAM、Q

58、AM等，WiMAX系统就采用了QAM及QAM这两种QAM技术。QAM信号在星座图上具有个样点，每个样点表示一种矢量形状，QAM有态，每位二进制数规定了态中的一态，QAM的每个符号时间传送比特映射。图.所示为QAM的星座图。根据.a规定，QAM编码表如表.所示。图. QAM的星座图映射经过表.映射后得到的I/Q数据再乘上 QUOTE 进展归一化，即得到调制后的I/Q值。I/Q数据分别进展A/D变换，得到两路模拟电平信号，用于和 QUOTE 相乘，从而实现调制。表. QAM编表输入比特bbI输入比特bbQ-QAM输入比特采用格雷码映射到一个复平面上，构成复数符号。采用格雷码使得接纳端发生星座点误判

59、时，会以较大的概率误判为相邻星座点，这样只出现一个比特错误，提高了抗噪声才干;相邻星座点发生转换时，由于只需一个比特发生变化，因此数字电路尖峰脉冲较小。. IFFT实现OFDM调制 IFFT/FFT 原理由本章第.节中所提的-与IDFT运算的表达式一致，阐明OFDM复等效基带信号可以用离散傅立叶反变换的方法得到，而在OFDM系统的实践运用中，通常采用更加方便快捷的快速傅立叶变换IFFT/FFT来降低运算复杂度。设x(n)为N点有限长序列，其DFT为式中： QUOTE ，而反变换IDFT为对IDFT取共轭，得因此这阐明IDFT的实现只需先将X(k)取共轭，就可以直接利用DFT方法计算，最后再将运

60、算结果取一次共轭，并乘以/N即可得到x(n)。所以，DFT和IDFT可以共用一个算法，这里仅讨论DFT的快速傅立叶变换算法FFT的实现。由于旋转因子 QUOTE 具有对称性、周期性和可约性，使得DFT的运算中有些项可以合并且可以将长序列的DFT分解为短序列的DFT，由此产生了FFT算法。其算法根本上可以分为两大类：按时间抽选DIT法和按频率抽选法DIF法。按照逐次分解的块蝶形运算的大小，常用的FFT算法主要为radix-或radix-，前者较为直观但乘法器较多，而后者需求较少的乘法器但控制更复杂。 DIT的基FFT算法FFT算法的根本思想在于以下两点：系数 QUOTE 是一个周期函数，它的周期