【正文】 ............................................28致謝.................................................................................................................................29附錄 主要英文縮寫語對照表.....................................................................................30武漢工程大學(xué)郵電與信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（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)注的一個焦點(diǎn)。第 4 章敘述了 OFDM 調(diào)制器的 MTALAB 仿真。FPGA(現(xiàn)場可編程邏輯門陣列)是一種可編程邏輯器件，它具有設(shè)計時間短、投資少、風(fēng)險小的特點(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（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（論文）基于 FPGA 的 OFDM 調(diào)制器的仿真設(shè)計 Simulation design of OFDM modulator based on FPGA學(xué)生姓名 高天祺　 學(xué) 號 0945080209 專業(yè)班級 通 信 工 程 0905（ 移 動 通 信 方 向 ）指導(dǎo)教師 肖萍萍 2022 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（論文）作者聲明本人聲明所呈交的論文是我個人在導(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，并對仿真結(jié)果進(jìn)行對比驗證。雖然第三代移動通信比現(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，第四代移動通信系統(tǒng)計劃已經(jīng)開始研究?；?PFGA 實現(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)，采用計算機(jī)輔助設(shè)計，實現(xiàn)電子設(shè)計自動化，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較低的若干個子信道中進(jìn)行傳輸。在這種情況下，一個碼元的多徑時延分量都在一個碼元的持續(xù)時間內(nèi)到達(dá)，因此信號不可分辨，此時就不會引起碼間干擾，因為此時信號的時間擴(kuò)展并不會導(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 符號的延時副本所包含的波形的周期個數(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)分各個子信道的方法是利用各個子載波之間嚴(yán)格的正交性。但對于多載波系統(tǒng)，卻會造成子載波間干擾(ICI)，因此 OFDM 系統(tǒng)對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)頻符號的同步和基于循環(huán)前綴的同步。在實際設(shè)計中，導(dǎo)頻信息的選擇和最佳估計器的設(shè)計通常又是相互關(guān)聯(lián)的，因為估計器的性能與導(dǎo)頻信息的傳輸方式有關(guān)。但是，CP 長度過長必然導(dǎo)致能量大量損失，尤其對子載波個數(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（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)對信號進(jìn)行 I/Q 調(diào)制, 在 IQ 兩路調(diào)制時沒有幅度上的失真, 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。在接收端，將接收的同相和正交矢量映射回數(shù)據(jù)，完成子載波調(diào)制。為了敘述簡潔，可以令式（ ）中的 ts=0 并且忽略矩形，對于信號 s(t)以 T/N 的速率進(jìn)行抽樣，即令 t=kT/N(k=0,1,…,N1)，則得到： ()102s(/)exp()Nkiiktdj????(01)N??可以看到ｓ ｋ 等效為對 進(jìn)行 IDFT 運(yùn)算。N 點(diǎn)IDFT 運(yùn)算需要實施 N2 次復(fù)數(shù)乘法，而 IFFT 則可以明顯地降低運(yùn)算復(fù)雜度。最后在信號的頭部位置加上前導(dǎo)碼，形成 OFDM 幀，進(jìn)行發(fā)送。示意圖如下：圖 符號的覆蓋疊加 前導(dǎo)模塊 前導(dǎo)是由 8 個 SYNCP 符號和 個 SYNCM 符號連接后加窗后構(gòu)成，其中每個 SYNCP 和 SYNCM 符號都包含了 256 點(diǎn)。圖 BPSK 映射仿真波形武漢工程大學(xué)郵電與信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）20圖 DBPSK 映射仿真波形 IFFT 前數(shù)據(jù)處理IFFT 前數(shù)據(jù)處理的主要目的是實現(xiàn)輸入 IFFT 的數(shù)據(jù)流的控制，使輸入數(shù)據(jù)能夠滿足 IFFT 模塊的處理數(shù)據(jù)的要求。圖 前導(dǎo)生成函數(shù)結(jié)構(gòu)圖函數(shù)內(nèi)部設(shè)置計數(shù)器變量 t，讀取 個符號。這個誤差的來源主要有兩個方面，一方面是因為采用定點(diǎn)數(shù)計算，轉(zhuǎn)換過程中有一定的舍入誤差。 OFDM 技術(shù)的主要優(yōu)缺點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：(1) 適用于多徑環(huán)境和衰落信道中的高速數(shù)據(jù)傳輸它將高速串行數(shù)據(jù)分割成多個子信號，降低碼元速率，相應(yīng)延長了碼元周期；當(dāng)傳輸?shù)姆栔芷诖笥谧畲笱舆t時間時就能夠有效的減弱多徑擴(kuò)展的影響。而 OFDM 系統(tǒng)由于各個子載波之間存在正交性，允許子信道的頻譜互相重疊，因此與常規(guī)的頻分復(fù)用系統(tǒng)相比，OFDM 系統(tǒng)可以最大限度地利用頻譜資源。這就對發(fā)射機(jī)內(nèi)放大器的線性度提出了很高的要求，因此可能帶來信號畸變，使信號的頻譜發(fā)生變化，從而導(dǎo)致各個子信道間的正交性遭到破壞，產(chǎn)生干擾，使系統(tǒng)的性能惡化。(2) 對 OFDM 整個系統(tǒng)進(jìn)行仿真及 FPGA 的實現(xiàn)。 深深感謝我的父母，我這二十多年成長中的點(diǎn)點(diǎn)滴滴都凝聚著他們的心血和關(guān)愛 感謝他們大學(xué)階段給我的支持和鼓勵，沒有他們無私的愛，我不可能一步一步走到今天，我所有的收獲都來自我父母偉大的付出。肖老師淵博的知識、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、忘我的工作熱情以及平易近人的作風(fēng)是我學(xué)習(xí)的榜樣和動力。由于多載波系統(tǒng)會存在導(dǎo)致較大的峰值平均功率比(PARP) ，這就對發(fā)射機(jī)內(nèi)的放大器的線性度提出了很高的要求，可能會帶來信號畸變，是信號的頻譜發(fā)生變化，使得系統(tǒng)的正交性遭到破壞，產(chǎn)生干擾。然而由于無線信道存在時變性，在傳輸過程中會出現(xiàn)無線信號的頻率偏移，例如多普勒頻移，或者由于發(fā)射機(jī)載波頻率與接收機(jī)本地振蕩器之間存在的頻率偏差，都會使得 OFDM 系統(tǒng)子載波之間的正交性遭到破壞，從而導(dǎo)致子信道間干擾（ICI） ，這種對頻率偏差的敏感性是 OFDM 系統(tǒng)的主要缺點(diǎn)之一。這對接收機(jī)的復(fù)雜度是個很大的簡化。作為 OFDM 系統(tǒng)中關(guān)鍵技術(shù)之一的信道估計，它的性能直接影響到未來移動通信的通信品質(zhì)。武漢工程大學(xué)郵電與信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）24圖 OFDM 仿真波形圖 仿真結(jié)果的對比驗證將 Verilog 的仿真結(jié)果與 MATLAB 的仿真結(jié)果進(jìn)行比較，圖 展示的是Verilog 仿真值與 MATLAB 計算結(jié)果的均方誤差。圖 添加循環(huán)前綴和加窗函數(shù)仿真波形 前導(dǎo)生成模塊首先將一個符號的 SYNCP 的數(shù)據(jù)預(yù)先存儲在 256*16bit 的 ROM 中，SYNCM 采用 SYNCP 取反的結(jié)果，不會單獨(dú)再存放于 ROM 中。數(shù)據(jù)進(jìn)行 BPSK/DBPSK 映射的時候，由于調(diào)制方式差異的原因，如果DATA 緊跟著 FCH 輸入完就輸入進(jìn)行 DBPSK 映射，那么 DBPSK 的輸出會比BPSK 輸出晚兩個時鐘才會開始，所以需要讓 DATA 提前兩個時鐘輸入。圖 添加循環(huán)前綴02 35 8 I F F T2 5 5F C HD A T A取實部運(yùn)算S i g n a l_ i f f t00 循環(huán)前綴 C P c’0 … c ’2 9 c ’3 0 … … c ’2 8 5 帶循環(huán)前綴的數(shù)據(jù)塊 O F D M符號 c0 c1 c2 … … c2 2 6…c2 5 5 武漢工程大學(xué)郵電與信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）16 加窗模塊采用特定的窗函數(shù)，每個符號邊界的 8 個采樣點(diǎn)使用升余弦函數(shù)，其余采樣點(diǎn)窗函數(shù)值設(shè)置為 1。為消除 ISI 和多徑造成的 ICI 的影響，添加循環(huán)前綴，循環(huán)前綴大小為 30 采樣點(diǎn)。其中每一個 IDFT 輸出的數(shù)據(jù)符號都是由所有子載波信號經(jīng)過疊加而成的，既對連續(xù)的多個經(jīng)過調(diào)制的子載波的sk疊加信號進(jìn)行抽樣得到的。采用 IFFT 和 FFT 的 OFDM 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖所示。如果用 N 表示子載波的個數(shù)，T 表示 OFDM 符號的持續(xù)時間(周期)， di(i=0,1,2…,N1) 表示分配給每個子信道的數(shù)據(jù)符號， ?i 表示第 i 個子載波的載波頻率，矩形函數(shù) rect(t)=1,|t|≤T/2,則 t=ty從開始的 OFDM 符號可以表示為：()???? ????????????? TtttfjTtrecdts ssssNi sisi ?0 )](2exp[)/(R)(1 ?一旦將要傳輸?shù)谋忍胤峙涞礁鱾€子載波上，某一種調(diào)制模式則將它們映射為子載波的幅度和相位，通常采用等效基帶信道來表示 OFDM 的輸出信號: ()???? ???????? TtttTijTtrecdts ssssNi si ?0 )](/2exp[)/()(1 ?其中 s(t)的實部和虛部分別對應(yīng) OFDM 符號的同相(Inphase)和正交(Quadraturephase)分量，在實部系統(tǒng)可以分別與相應(yīng)子載波的余弦分量和正弦分武漢工程大學(xué)郵電與信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）11量相乘，構(gòu)成最終的子信道信號和合成的 OFDM 符號。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，形成COFDM方式。因為均衡的實質(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。 信道估計在 OFDM 系統(tǒng)中，信道估計器的設(shè)計主要有兩個問題：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非?？煽康耐ㄐ拧＿@樣的情況下仍然解決不了信道間干擾（ICI） ，