【正文】 .........................20 添加循環(huán)前綴和加窗 ................................................................................21 前導(dǎo)生成模塊 ..........................................................................................22 成幀模塊 ..................................................................................................23 仿真結(jié)果的對(duì)比驗(yàn)證 .....................................................................................24 第 6 章 總結(jié)與展望 ...................................................................................................... 29 參考文獻(xiàn) ........................................................................................................................ 28 致謝 ................................................................................................................................ 29 附錄 主 要英文縮寫語(yǔ)對(duì)照表 .................................................................................... 30 武漢工程大學(xué)郵電與信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 1 第 1 章 緒論 OFDM 的研究背景 在現(xiàn)代通信系統(tǒng)中，如何高速和可靠地傳輸信息成為人們關(guān)注的一個(gè)焦點(diǎn)。第 4 章敘述了 OFDM 調(diào)制器的 MTALAB 仿真。 FPGA(現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門陣列 )是一種可編程邏輯器件，它具有設(shè)計(jì)時(shí)間短、投資少、風(fēng)險(xiǎn)小的特點(diǎn) , 而且可以反復(fù)修改 , 反復(fù)編程 , 直到完全滿足需要 ,具有其他方式無(wú)可比擬的方便性和靈活性。武漢工程大學(xué)郵電與信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 武漢工程大學(xué)郵電 與信息工程學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 基于 FPGA 的 OFDM 調(diào)制器的仿真設(shè)計(jì) Simulation design of OFDM modulator based on FPGA 學(xué)生姓名 高天祺 學(xué) 號(hào) 0945080209 專業(yè)班級(jí) 通信工程 0905（移動(dòng)通信方向） 指導(dǎo)教師 肖萍萍 2020 年 5 月 武漢工程大學(xué)郵電與信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 作者聲明 本人聲明所呈交的論文是我個(gè)人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn) 行的研究工作及取得的研究成果，除了文中特別加以標(biāo)注的地方外，沒有任何剽竊、抄襲、造假等違反學(xué)術(shù)道德、學(xué)術(shù)規(guī)范的行為，也沒有侵犯任何其他人或組織的科研成果及專利。這些特性使得 FPGA 可以高性能地實(shí)現(xiàn)OFDM 通信系統(tǒng)的收發(fā)模塊功能。第 5 章敘述了 OFDM 調(diào)制器的 VERILOG 仿真，并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。雖然第三代移動(dòng)通信比現(xiàn)有的傳輸速率快上千倍，但其數(shù)據(jù)傳輸速率也僅有2Mbit/s， 第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)計(jì)劃已經(jīng)開始研究。 基于 PFGA 實(shí)現(xiàn) OFDM 通信系統(tǒng)，能有效降低電路復(fù)雜度，運(yùn)用先進(jìn)的算法提升通信系統(tǒng)的性能指標(biāo)，采用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化，便于移植、集成和大規(guī)模生產(chǎn)。 OFDM 是一種多載波調(diào)制（ MCM）技術(shù)，其基本原理就是把高速的數(shù)據(jù)流經(jīng)過串并變換，分配的傳輸速率相對(duì)較低的若干個(gè)子信道中進(jìn)行傳輸。在這種情況下，一個(gè)碼元的多徑時(shí)延分量都在一個(gè)碼元的持續(xù)時(shí)間內(nèi)到達(dá)，因此信號(hào)不可分辨，此時(shí)就不會(huì)引起碼間干擾，因?yàn)榇藭r(shí)信號(hào)的時(shí)間擴(kuò)展并不會(huì)導(dǎo)致相鄰接收碼元的顯著重疊。這樣就使得在 FFT 周期內(nèi)， OFDM 符號(hào)的延時(shí)副本所包含的波形的周期個(gè)數(shù)是整數(shù)，從而解決了 ICI。 CENELEC 帶寬被分割成許多子信道，這些信道被看作是用不同的正交頻率表示的獨(dú)立頻移鍵控（ PSK）調(diào)制載波。 OFDM 系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù) 同步技術(shù) OFDM 技術(shù)區(qū)分各個(gè)子信道的方法是利用各個(gè)子載波之間嚴(yán)格的正交性 。但對(duì)于多載波系統(tǒng)，卻會(huì)造成子載波間干擾 (ICI)，因此 OFDM 系統(tǒng)對(duì)于載波偏 移比單載波系統(tǒng)要敏感，必須采取措施消除頻率偏移。當(dāng)前提出的OFDM 系統(tǒng)中，采用輔助信息的同步方式主要可以分為：插入導(dǎo)頻符號(hào)的同步和基于循環(huán)前綴的同步。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，導(dǎo)頻信息的選擇和最佳估計(jì)器的設(shè)計(jì)通常又是相互關(guān)聯(lián)的，因?yàn)楣烙?jì)器的性能與導(dǎo)頻信息的傳輸方式有關(guān)。但是， CP 長(zhǎng)度過長(zhǎng)必然導(dǎo)致能量大量損失，尤其對(duì)子載波個(gè)數(shù)不是很大的系統(tǒng)。 武漢工程大學(xué)郵電與信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 第 3 章 OFDM 調(diào)制器技術(shù) OFDM 調(diào)制解調(diào)原理 OFDM 技術(shù)對(duì)信號(hào)進(jìn)行 I/Q 調(diào)制 , 在 IQ 兩路調(diào)制時(shí)沒有幅度上的失真 , 所以極大 的克服了模擬 I/Q調(diào)制的幅度和相位不平衡性 , 克服了模擬混頻電路非線性的影響。圖 展示了 OFMD 系統(tǒng)調(diào)制解調(diào)模型框圖，其中 ?=?c+i/T。 武漢工程大學(xué)郵電與信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 圖 采用 IFFT 和 FFT 的 OFDM 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 對(duì)于 N 比較大的系統(tǒng)，式（ ）中的 OFDM 復(fù)等效基帶信號(hào)可以采用離散傅里葉逆變換（ IDFT）方法實(shí)現(xiàn)。I F F T低 通濾 波 器信 道解 調(diào)( 如 Q A M )并行變串行二 進(jìn) 制數(shù) 據(jù)F F T低 通濾 波 器X ( k ) s ( n ) s ( t )載 波調(diào) 制載 波解 調(diào)r ( t )r ( n )Y ( k ) 在 OFDM 系統(tǒng)實(shí)際的運(yùn)用中，可以采用更加快捷方便的 IFFT/FFT。為了讓 OFDM 信號(hào)的帶外功率譜密度下降的更快，對(duì)信號(hào)進(jìn)行加窗。 圖 升余弦窗函數(shù) 相鄰符號(hào)間的頭部 8 采樣點(diǎn)和尾部 8 采樣點(diǎn)進(jìn)行覆蓋疊加。 BPSK/DBPSK 映射仿真波形如圖 、 所示。前導(dǎo)生成函數(shù)結(jié)構(gòu)圖如圖 所示，輸入信號(hào) ena 啟動(dòng)前導(dǎo)序列生成的信號(hào)，輸出信號(hào) oData_preamble_valid為前導(dǎo)序列的有效信號(hào)。從圖中可以看出 Verilog 的計(jì)算值與 MATLAB 的計(jì)算值存在誤差。開展這方面的研究具有很強(qiáng)的理論和現(xiàn)實(shí)意義。 (3) 頻譜利用率高 傳統(tǒng)的頻分多路傳輸方法是將頻帶分為若干個(gè)不相交的子頻帶來(lái)并行傳 輸數(shù)據(jù)流，各個(gè)子信道之間要保留足夠的保護(hù)頻帶。 (2) 存在較高的峰值平均功率比 多載波系統(tǒng)的輸出是多個(gè)子信道信號(hào)的疊加，因此如果多個(gè)信號(hào)的相位一致時(shí)，所得到的疊加信號(hào)的瞬時(shí)功率就會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于信號(hào)的平均功率，導(dǎo)致較大的峰值平均功率比。在沒有理想的放大器的情況下，這是必須解決的難題。在畢設(shè)行過程中，肖老師在 方案制定及具體實(shí)施和調(diào)試方面提出了很多寶貴意見，使我在理論和實(shí)踐上都得到了很大的鍛煉和提高。 首先，衷心感謝我的導(dǎo)師肖萍萍。今后對(duì)于 OFDM 系統(tǒng)的研究方向如下： (1) 對(duì)峰值平均功率比進(jìn)行研究。 缺點(diǎn)： (1) 對(duì)定時(shí)和頻率偏移敏感 由于子信道的頻譜相互覆蓋，這就對(duì)它們之間的正交性提出了嚴(yán)格的要求。通常，一階抽頭濾波器結(jié)構(gòu)的均衡器便可滿足要求。 OFDM 技術(shù)作為一種高效的調(diào)制技術(shù)，將成為第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。 圖 前導(dǎo)仿真波形圖 成幀模塊 由于前導(dǎo)長(zhǎng)度 2432 點(diǎn)，需要設(shè)置移位寄存器進(jìn)行 cp 的 2432 個(gè)時(shí)鐘的輸出延時(shí)，將前導(dǎo)的輸出和數(shù)據(jù)的輸出連續(xù)形成一幀。 圖 數(shù)據(jù)流控制示意圖 2 2 6 2 5 5 0 2 5 50 1 2 3 4 5 6 78 9 10 11 12 13 14 15248 249 250 251 252 253 254 255……保 護(hù) 間 隔R A M 中 的 數(shù) 據(jù)有 效 數(shù) 據(jù)武漢工程大學(xué)郵電與信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 22 由于 FPGA 中乘法器需要占用很大的資源，所以在硬件設(shè)計(jì)中將升余弦函數(shù)部分用程序直接實(shí)現(xiàn)，其實(shí)現(xiàn)方法為將升余弦函數(shù)的數(shù)值轉(zhuǎn)化為 8 位二進(jìn)制，用移位代替乘法器，而其他數(shù)值保持不變。函數(shù)結(jié)構(gòu)如圖 所示： 圖 BPSK/DBPSK 映射函數(shù) 其中，每 36 個(gè)數(shù)據(jù)的起點(diǎn)，輸出一個(gè) sop_map 信號(hào)，表示映射數(shù)據(jù)輸出的起武漢工程大學(xué)郵電與信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 19 點(diǎn)。并且由于多徑傳播的影響，會(huì)造成子載波間的干擾 (ICI)，即子載波的正交性遭到破壞。為了信號(hào)可以有效傳輸，系統(tǒng)采用 BPSK和 DBPSK 調(diào)制方案，采用 256 點(diǎn)的 IFFT 的運(yùn)算模塊。武漢工程大學(xué)郵電與信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 根據(jù)以上分析，可以看到 OFDM 系統(tǒng)的調(diào)制解調(diào)可以分別有 IDFT 和 DFT 來(lái)替代，通過 N 點(diǎn)的 IDFT 運(yùn)算，把頻域數(shù)據(jù)符號(hào) id 變換為時(shí)域數(shù)據(jù)符號(hào) sk ，經(jīng)過射頻載波調(diào)制之后，發(fā)送到無(wú)線信道中。 在實(shí)際應(yīng)用中，系統(tǒng)并行數(shù)據(jù)的調(diào)制與解調(diào)可 以采用反傅立葉變換 (IFFT) 和傅立葉變換 (FFT) 來(lái)實(shí)現(xiàn)。如果用 N 表示子載波的個(gè)數(shù)， T 表示 OFDM 符號(hào)的持續(xù)時(shí)間 (周期 )， di(i=0,1,2… ,N1) 表示分配給每個(gè)子信道的數(shù)據(jù)符號(hào)， ?i表示第 i 個(gè)子載波的載波頻率，矩形函數(shù) rect(t)=1,|t|≤ T/2,則 t=ty 從 錯(cuò)誤 !未指定書簽。但是 OFDM系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)卻為在子載波間進(jìn)行編碼提供了機(jī)會(huì)，形成 COFDM方式。因?yàn)榫獾膶?shí)質(zhì)是補(bǔ)償多徑信道引起的碼間干擾，而 OFDM 技術(shù)本身已經(jīng)利用了多徑信道的分集特性，因此在一般情況下， OFDM 系統(tǒng)就不必再 做均衡了。 信道估 計(jì) 在 OFDM 系統(tǒng)中，信道估計(jì)器的設(shè)計(jì)主要有兩個(gè)問題：一是導(dǎo)頻信息的選取。 OFDM 系統(tǒng)中的同步過程一般分為捕獲和跟蹤兩個(gè)階段，捕獲階段進(jìn)行粗同步，跟蹤階段進(jìn)行細(xì)同步，以進(jìn)一步減小誤差。結(jié)果接收機(jī)產(chǎn)生的頻率不可能與發(fā)送端的頻率完全一致。接收端基于接收信號(hào)的質(zhì)量決定采用何種的調(diào)制方案。 OFDM 是一種能有效利用有限 CENELEC 帶寬的調(diào)制技術(shù)，且支持使用先進(jìn)的信道編碼技術(shù)，這種組合能力在電力線信道上形成一個(gè)非?？煽康耐ㄐ?。這樣的情況下仍然解決不了信道間干擾 （ ICI） ，子載波之間的正交性遭到破壞，接收端就不能很好的恢復(fù)出 原始信號(hào)，這點(diǎn)是毀滅性的 。 在衰落信道中，根據(jù)多徑信號(hào)最大時(shí)延 mT 和碼元時(shí)間 sT 的 關(guān)系，可以把性能降級(jí)分為平坦衰落和頻率選擇性衰落兩種類型。這就對(duì)均衡提出了更高的要求，需要引入復(fù)雜的均衡算法，并且要考慮到算法的收斂速度和可實(shí)現(xiàn)性。 OFDM 系統(tǒng)既可以維持發(fā)送符號(hào)周期源于大于多徑時(shí)延，又能夠支持高速的數(shù)據(jù) 業(yè)務(wù)，并且不需要復(fù)雜