【文章內(nèi)容簡介】 符號后面長度是Tg（保護間隔的長度）的部分拿到每個符號的前面當(dāng)做保護間隔來傳輸，這種方法就叫做循環(huán)前綴。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。將原符號塊最后信號放到原符號塊的前部，構(gòu)成新序列，時域中原來發(fā)送信號與信道響應(yīng)的線性卷積變?yōu)閳A周卷積。 OFDM 技術(shù)的實現(xiàn) 電力線的信道環(huán)境非常惡劣，信道特征和參數(shù)受到頻率、地點、時間和連接到它上面的設(shè)備的影響。從 10kHz 到 200kHz 的低頻率區(qū)域更容易 產(chǎn)生沖突。而且電力線是一個頻率選擇性信道。除了經(jīng)常發(fā)生在 50/60Hz 脈沖噪音中主要的背景噪音外，窄帶沖突和小組時延能達到幾百微秒。 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?。 圖 展示了基于 G3PLC 協(xié)議的 OFDM 系統(tǒng)實現(xiàn)框圖。 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立頻移鍵控（ PSK）調(diào)制載波。正交和 RS 編碼提供了冗余比特，它能使接收端在由背景噪聲和脈沖噪聲而造成 的比特丟失的情況下自行糾錯。時間 — 頻率交織方案用于降低 譯碼器輸入端接受噪音的相關(guān)性而提供多樣性。 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） 5 D A T A幀 控制 頭( F C H )交 織器卷 積編 碼 器R S編 碼 器擾 頻 器D B P S K /D Q P S K映 射I F F T添 加循 環(huán)前 綴加 窗模 擬前 端電 力 線模 擬前 端同 步 檢測去 除循 環(huán)前 綴F F T信 道估 計解 交 織D B P S K /D Q P S K解 調(diào)R o b u s t 4R o b u s t 6組 合 器V i t e r b i解 碼 器R S解 碼 器解 擾 器 D A T A幀 控制 頭( F C H )前 向 糾 錯 碼 解 碼 器O F D M 解 調(diào) 器前 向 糾 錯 碼 編 碼 器 圖 基于 G3PLC 協(xié)議的 OFDM 系統(tǒng)實現(xiàn)框圖 OFDM 信號是由復(fù)值信號點進行快速離散傅立葉變換（ IFFT）操作產(chǎn)生的，這些信號點是由不同的相位調(diào)制編碼產(chǎn)生，且它們被分配到不同的子載波。每個OFDM 符號都是由一個循環(huán)前綴加到一個由 IFFT 產(chǎn)生的塊的前面而構(gòu)成的。選擇一個循環(huán)前綴的長度以便信道時延不會引起連續(xù) OFDM 符 號或鄰近的子載波產(chǎn)生沖突。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。而且，系統(tǒng)會區(qū)分受損的子載波的信噪比以及選擇在哪個信道上傳輸。 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 。 頻偏和相位噪聲會使子載波之間的正交特性惡化從而導(dǎo)致子信道間的信號相互干擾武漢工程大學(xué)郵電與信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 6 (ICI)，這種對頻率偏差的敏感是 OFDM 系統(tǒng)的主要缺點之一，特別是在實際應(yīng)用中與 FDMA、 TDMA 和 CDMA 等多址方式相結(jié)合時，時間和頻率同步尤為重要。 時域同步，要求 OFDM 系統(tǒng)確 定符號邊界，并且提取出最佳的采樣時鐘，從而減小載波干擾 (ICI)和碼間干擾 (ISI)造成的影響。在 OFDM 系統(tǒng)中，只有發(fā)送和接收的子載波完全一致，才能保證載波間的正交性，從而可以正確接收信號。任何頻率偏移必然導(dǎo)致 ICI。實際系統(tǒng)中，由于本地時鐘源 (如晶體振蕩器 )不能精確的產(chǎn)生載波頻率，總要附著一些隨機相位調(diào)制信號。結(jié)果接收機產(chǎn)生的頻率不可能與發(fā)送端的頻率完全一致。對于單載波系統(tǒng)，相位噪聲和頻率偏移只是導(dǎo)致信噪比損失，而不會引入干擾。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。 如果時域同步誤差較大， FFT 處理窗已超出了當(dāng)前 OFDM 符號的數(shù)據(jù)區(qū)域和保護時間區(qū)域，包括了相鄰的 OFDM 符號，則引入碼間干擾，嚴(yán)重惡化了系統(tǒng)性能。 頻域同步，要求系統(tǒng)估計和校正接收信號的載波偏移。 與頻率誤差不同，時間同步誤差不會引起子載波間干擾 (ICI)。但時間同步誤差將導(dǎo)致 FFT 處理窗包含連續(xù)的兩個 OFDM 符號，從而引入了 OFDM 符號間干擾 (ISI)。并且即使 FFT處理窗位置略有偏移，也會導(dǎo)致 OFDM 信號頻域的偏移，從而造成信噪比損失，BER 性能下降 。 OFDM 系統(tǒng)中的同步過程一般分為捕獲和跟蹤兩個階段，捕獲階段進行粗同步，跟蹤階段進行細同步，以進一步減小誤差。 對十突發(fā)式的數(shù)據(jù)傳輸，一般是通過發(fā)送輔助信息來實現(xiàn)同步。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。這兩種同步方法，各有其優(yōu)缺點。插入導(dǎo)頻符號法同步性能較好，但是這種方法浪費了帶寬和功率資源，降低了系統(tǒng)的有效性?；谘h(huán)前綴的同步法可以應(yīng)用最大似然估計算法，克服了插入導(dǎo)頻符號浪費資源的缺點，且簡單、易實現(xiàn)，但是同步范圍較小。 同步是 OFDM 技術(shù)中的一個難點，許多學(xué)者提出了很多 OFDM 同步算法，其中較常用的有利用奇異值分解的 ESPRIT 同步算法和 ML 估計算法， ESPRIT 算法武漢工程大學(xué)郵電與信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 7 雖然估計精度高，但計算復(fù)雜，計算量大，而 ML 算法利用 OFDM 信號的循環(huán)前綴，可以有效地對 OFDM 信號進行頻偏和時偏的聯(lián)合估計，而且與 ESPRIT 算法相比，其計算量要小得多。 OFDM 系統(tǒng)對定時頻偏的要求是小于 OFDM 符號間隔的 4%，對頻率偏移的要求大約要小于子載波間隔的 1%~2%，系統(tǒng)產(chǎn)生的 3dB 相位噪聲帶寬大約為子載波間隔的 %~%。 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。由于無線信道常常是衰落信道，需要不斷對信道進行跟蹤，因此導(dǎo)頻信息也必須不斷地傳送；二是復(fù)雜度較低和導(dǎo)頻跟蹤能力良好的信道估計器的設(shè)計。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)。 降低峰值平均功率比 由于 OFDM信道時域上表現(xiàn)為 N個正交子載波信號的疊加，當(dāng)這 N個信號恰好均以峰值疊加時， OFDM信號也將產(chǎn)生最大峰值，該峰值功率是平均功率的 N倍。盡管峰值功率 出現(xiàn)的概率較低，但為了不知真地傳輸這些高 PAPR的 OFDM信號，發(fā)送端對高功率放大器 (HPA)的線性度要求也很高。因此，高的 PAPR使得 OFDM系統(tǒng)的性能大大下降甚至直接影響實際應(yīng)用。為了解決這一問題，人們提出了基于信號畸變技術(shù)、信號擾碼技術(shù)和基于信號空間擴展等降低 OFDM系統(tǒng) PAPR的方法。 均衡 在一般的衰落環(huán)境下， OFDM 系統(tǒng)中的均衡不是有效改善系統(tǒng)性能的方法。因為均衡的實質(zhì)是補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。在高度散射的信道中，信道記憶長度很長，循環(huán)前綴 CP 的長度必須很長，才能使 ISI盡量不出現(xiàn)。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)。這時，可以考慮加均衡器以使 CP 的長度適當(dāng)減小，即通過增加系統(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） 8 的復(fù)雜性換取系統(tǒng)頻帶利用率的提高。 編碼信道和交織 為了提高數(shù)字通信系統(tǒng)性能，信道編碼和交織是普遍采用的方法。對于衰落信道中的隨機錯誤，可以采用信道編碼；對于衰落信道中的突發(fā)錯誤，可以采用交織技術(shù)。實際應(yīng)用中，通常同時采用信道編碼和交織，進一步改善整個系統(tǒng)的性能。在 OFDM系統(tǒng)中，如果信道衰落不是太嚴(yán)重，均衡是無法再利用信道的分集特性來改善系統(tǒng)性能的，因為 OFDM系統(tǒng)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經(jīng)被 OFDM這種調(diào)制方式本身所利用了。但是 OFDM系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)卻為在子載波間進行編碼提供了機會，形成 COFDM方式。編碼可以采用各種碼，如 :：分組碼、卷積碼等，其中卷積碼的效果要比分組碼好。 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。由于 FPGA的可編程性 , 使用 FPGA 實現(xiàn)調(diào)制 /解調(diào)可以提高系統(tǒng)的可編程性。 在 FPGA 中在使用平方根升余弦濾波器對基帶信號濾波 , 以消除符號間干擾 , 濾波后的 IQ兩路信號通過乘法器與 NCO 中的正弦和余弦中頻載波相乘完成 IQ 調(diào)制 , 最后兩路信號相加通過 DA 轉(zhuǎn)換送入信道。接收時將信道來的通過 AD轉(zhuǎn)換后的信號通過與 NCO 的兩路正交載頻相乘分解出 IQ 兩路信號送至 FPGA 進行 OFDM 調(diào)制在并串轉(zhuǎn) 換數(shù)據(jù)輸出。實現(xiàn)框圖分別如圖 、圖 。 圖 基于 OFDM 系統(tǒng)得調(diào)制和解調(diào)框圖 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） 10 圖 調(diào)制原理框圖 圖 調(diào)制原理框圖 一個 OFDM 符號之內(nèi)包含多個經(jīng)過相移鍵控 (PSK)或者正交幅度調(diào)制 (QAM)的子載波。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 錯誤 !未指定書簽。 開始的 OFDM 符號可以表示為： ????????????????? ???? ? ??TttttTtttttfjTttr e c tdtsssssNisisi?0)](2e x p [)2/(Re)( 10?() 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 : ??????????????? ? ??TttttTtttttTijTttr e c tdtsssssNissi?0)](/2e x p [)2/()( 10? () 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 (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 正弦分量相乘，構(gòu)成最終的子信道信號和合成的 OFDM 符號。圖 展示了 OFMD 系統(tǒng)調(diào)制解調(diào)模型框圖，其中 ?=?c+i/T。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。 tfje 12 ?信 道來 自 信 道 的數(shù) 據(jù)串并變換d 1d 0d N 1tfje 22 ?tfj Ne 12 ???s ( t )tfje 12 ? tfje 22??tfj Ne 12 ?? ?積 分積 分積 分0~d1~?Nd 1~d并串變換 圖 OFDM 系統(tǒng)調(diào)制解調(diào)模型框圖 這種正交性還可以從頻域角度來理解 ,在每一個子載波頻率的最大處 ,所有其他子信道的頻譜值恰好為零 ,因此在理想情況下