【文章內(nèi)容簡介】 歐洲首先推出了全球移動通信系統(tǒng)（ GSM： Global System for Mobile）。隨后美國和日本也相繼指定了各自的數(shù)字移動通信體制。 20世紀 90 年代初，美國 Qualm 公司推出了窄帶碼分多址（ CDMA：CodeDivision Multiple Access）蜂窩移動通信系統(tǒng)，這是移動通信系統(tǒng)中具有重要意義的事件。從此，碼分多址這種新的無線接入技術(shù)在移動通信領(lǐng)域占有了越來越重要的地位。這些目前正在廣泛使用的數(shù)字移動通信系統(tǒng)是第二代移動通信系統(tǒng)。 第二代移動通信系統(tǒng)主要是為支持話音和低速率的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)而設(shè)計的。但隨著人們對通信業(yè)務(wù)范圍和業(yè)務(wù)速率要求的不斷提 高，已有的第二代移動通信網(wǎng)將很難滿足新的業(yè)務(wù)需求。為了適應(yīng)新的市場需求，人們正在制定第三代（ 3G）移動通信系統(tǒng)。但是由于 3G 系統(tǒng)的核心網(wǎng)還沒有完全脫離第二代移動通信系統(tǒng)的核心網(wǎng)結(jié)構(gòu)，所以普遍認為第三代系統(tǒng)僅僅是一個從窄帶向未來移動通信系統(tǒng)過渡的階段。目前，人們已經(jīng)把目光越來越多得投向超三代（ beyong 3G）的移動通信系統(tǒng)中，使其可以容納市場龐大的用戶數(shù)、改善現(xiàn)有通信品質(zhì)不良，以及達到高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?。若從技術(shù)層面來看，第三代移動通信系統(tǒng)主要是以 CDMA 為核心技術(shù)，三代以后的移動通信系統(tǒng)則以正交頻分復用 OFDM（ Orthogonal Frequency Division Multiplexing）最受矚目，特別是有不少專家學者針對 OFDM 技術(shù)在無線通信技術(shù)上的應(yīng)用，提供了相關(guān)的理論基礎(chǔ)，例如無線區(qū)域環(huán)路（ WLL： Wireless Local Loop）、數(shù)字音訊廣播（ DAB: Digital Audio Broadcasting）等，都將在未來采用 OFDM 技術(shù)。 目前世界范圍內(nèi)存在有多種數(shù)字無線通信系統(tǒng)，然而基于支持話音業(yè)務(wù)的電路交換模式的第二代移動通信系統(tǒng)不能滿足多媒體業(yè)務(wù)的需要 ,但是對于高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)來 說，單載波 TDMA（ Time Division Multiple Access） 系統(tǒng)和窄帶 CDMA 系統(tǒng)中都存在很大的缺陷。由于無線信道存在時延擴展，而且高速信息流的符號寬度又相對較窄，所以符號之間會存在較嚴重的符號間干擾（ ISI： InterSymbol Interference），因此對單載波TDMA 系統(tǒng)中使用的均衡器提出非常高的要求，即抽頭數(shù)量要足夠大，訓練符號要足夠多， 桂林電子科技大學畢業(yè)設(shè)計（論文）報告用紙 第 2 頁 共 34 頁 訓練時間要足夠長，而均衡算法的復雜度也會大大增加。對于窄帶 CDMA 來說，其主要問題在于擴頻增益與高速數(shù)據(jù)流之間的矛盾。保證相同帶寬的前 提下，高速數(shù)據(jù)流所使用的擴頻增益就不能太高，這樣就大大限制了 CDMA 系統(tǒng)噪聲平均的優(yōu)點，從而使得系統(tǒng)的軟容量受到一定的影響，如果保持原來的擴頻增益，則必須要相應(yīng)的提高帶寬。此外， CDMA 系統(tǒng)內(nèi)的一個非常重要的特點是采用閉環(huán)的功率控制，這在電路交換系統(tǒng)中比較容易實現(xiàn)，但對于分組業(yè)務(wù)來說，對信道進行探測，然后再返回功率控制命令會導致較大的時延，因此對于高速的無線分組業(yè)務(wù)來說，這種閉環(huán)的功率控制問題也存在缺陷。 因此，人們開始關(guān)注正交頻分復用（ OFDM）系統(tǒng)，希望通過這種方法來解決高速信息流在無線信道中的傳輸問題 ，從而可以滿足帶寬要求更高的多種多媒體業(yè)務(wù)和更快的網(wǎng)絡(luò)瀏覽速度。 正交頻分復用 (OFDM： Orthogonal Frequency Division Multiplexing)的提出已有近 40 年的歷史，第一個 OFDM 技術(shù)的實際應(yīng)用是軍用的無線高頻通信鏈路。但這種多載波傳輸技術(shù)在雙向無線數(shù)據(jù)方面的應(yīng)用卻是近十年來的新趨勢。經(jīng)過多年的發(fā)展，該技術(shù)在廣播式的音頻和視頻領(lǐng)域已得到廣泛的應(yīng)用。 近年來，由于 DSP（ digital signal processing） 技術(shù)的飛速發(fā)展， OFDM 作為一種可以有效對抗 ISI 的高 速傳輸技術(shù)，引起了廣泛關(guān)注。 OFDM 技術(shù)已經(jīng)成功地應(yīng)用于數(shù)字音頻廣播（ DAB）、高清晰度電視 HDTV（ Highdefinition Television）、無線局域網(wǎng) WLAN（ Wireless Local Area Network），它在移動通信中的運用也是大勢所趨。 1999 年 IEEE802． 11a 通過了一個 5GHz 的無線局域網(wǎng)標準，其中 OFDM 調(diào)制技術(shù)被采用 并作 為它的物理層標準。 1 系統(tǒng)設(shè)計內(nèi)容與要求 設(shè)計內(nèi)容 采用單芯片（ FPGA）完成一個正交頻分復用解調(diào)電路設(shè)計。采用 64 點 FFT，完 成31個子載波傳輸，每個子載波使用 4QAM星座圖。每個子載波對應(yīng)不同的頻率，互相之間保持正交，避免了信道間干擾。 正交頻分復用（ OFDM）技術(shù)是多載波解調(diào)中的一種，在高速無線通信中有廣泛的應(yīng)用。 OFDM 適合無線通信場景，采用多載波方式，可以把數(shù)據(jù)流分成多個分支，這樣可以把噪聲當作加性高斯白噪聲，簡化了系統(tǒng)。借助 EDA 設(shè)計軟件，在 FPGA 上實現(xiàn) OFDM 通信系統(tǒng)中的解調(diào)功能。 設(shè)計要求 使用 QUARTUS II 軟件，設(shè)計硬件電路，編寫 HDL程序，對電路進行功能和時序仿真分析。 實現(xiàn) OFDM 解調(diào)，在 FPGA 上實現(xiàn)解調(diào)電路，并進行性能測試。 桂林電子科技大學畢業(yè)設(shè)計（論文）報告用紙 第 3 頁 共 34 頁 采用 31個子載波， 64點快速傅立葉變換，能夠?qū)崿F(xiàn) Mbps 數(shù)據(jù)傳輸速率。 可以通過計算機的串口進行數(shù)據(jù)接收演示。 2 OFDM 系統(tǒng)基本介紹 OFDM 技術(shù)介紹 正交頻分復用 （ OFDM） 技術(shù)與已經(jīng)普遍熟知應(yīng)用的頻分復用 （ FDM： Frequency Division Multiplexing） 技術(shù)十分相似 ， 與 FDM 基本原理相同 ， OFDM 把高速的數(shù)據(jù)流通過串并變換 ， 分配到速率相對較低的若干個頻率子信道中進行傳輸 ， 不同的 地方 是 ，OFDM 技 術(shù)利用了更好的控制方法 ， 使頻譜利用率有所提高。 OFDM 與 FDM 的主要差別為以下幾方面： 第一：在常規(guī)的廣播系統(tǒng)中，每一個無線站在不同的頻率上發(fā)送 若干個 信號，有效的運用 FDM 來保證每個站點的分隔，廣播系統(tǒng)中的每一個站點沒有任何的同位或同步；但使用 OFDM 傳播技術(shù)，譬如 DAB，從多個無線站來的信息信號被組合成一個單獨的復用數(shù)據(jù)流，這些數(shù)據(jù)是由多個子載波密集打包組成，然后將在 OFDM 體系中傳輸，在 OFDM信號內(nèi)的所有子載波都是在時間和頻率上同步，使子載波之間的干擾被嚴格控制。這些復用的子載波在頻域中交錯重疊，但因 為調(diào)制的正交性且采用循環(huán)前綴作為保護間隔，所以不會發(fā)生載波間干擾 ICI（ InterCarrier Interference）。 第二： 對傳統(tǒng)的頻分復用（ FDM）系統(tǒng)而言 ，傳播的信號需要在兩個信道之間存在較大的頻率間隔即保護帶寬來防止干擾，這降低了全部的頻譜利用率；然而應(yīng)用 OFDM的子載波正交復用技術(shù)大大減少了保護帶寬，提高了頻譜利用率。 如圖 21。在 早期 時候， 正交頻分復用（ OFDM）系統(tǒng) 中， 各子載波采用正交濾波器將信道分成多個子信道，但要用 很多的濾波器， 尤其是當路數(shù)增多的時候。 1971 年， Weinstein及 Ebert 等將 DFT應(yīng)用 于 多載波傳輸系統(tǒng)中，從而很方便地實現(xiàn)了多路信號的復合和分解 。 OFDM 系統(tǒng)的一個重要優(yōu)點就是可以利用快速傅立葉變換實現(xiàn)調(diào)制和解調(diào)，從而大大簡化系統(tǒng)實現(xiàn)的復雜 程 度。 圖 21 FDM與 OFDM帶寬利用率的比較 桂林電子科技大學畢業(yè)設(shè)計（論文）報告用紙 第 4 頁 共 34 頁 正交頻 分復用（ OFDM）系統(tǒng)是一種特殊的多載波傳輸方案，它可以被看作是一種調(diào)制技術(shù)，也可以被當作一種復用 的 技術(shù)。多載波傳輸把數(shù)據(jù)流分解成若干個子比特流，這樣每個子數(shù)據(jù)流將具有低得多的比特速率，用這樣的低比特率形成的低速率多狀態(tài)符號再去調(diào)制相應(yīng)的子載波，就構(gòu)成多個低速率符號并行發(fā)送的傳輸系統(tǒng)。正交頻分復用是對多載波調(diào)制（ MCM： MultiCarrier Modulation）的一種改進。它的特點是各子載波相互正交 的 ， 所以 擴頻調(diào)制后的頻譜可以相互重疊，不但減小了子載波間的相互干擾，還大大提高了頻譜利用率。 選擇 OFDM 的一個主要原因在于該系統(tǒng)能夠很好地對抗頻率選擇性衰落和窄帶干擾。在單載波系統(tǒng)中，一次衰落或者干擾可以導致整個鏈路失效，但是在多載波系統(tǒng)中，某一時刻只會有少部分的子信道會受到深衰落的影響。 OFDM 技術(shù)的發(fā)展 OFDM(Orthogona1FrequencyDivisionMultiplexing)即正交頻分復用 ， 是一種多載波數(shù)字調(diào)制技術(shù) ， 于 20世紀 60年代就己提出 ， 該技術(shù)的特點是易于實現(xiàn)信道 的 均衡 ， 降低了均衡器的復雜性 ， 但由于 OFDM技術(shù)要求大量的復雜計算和高速存儲設(shè)備 ， 當時的技術(shù)條件 還 達不到 ， 所 以僅在一些軍用系統(tǒng)中有過應(yīng)用。第一個 OFDM技術(shù)的實際應(yīng)用是軍用的無線高頻通信鏈路，由于 較 早期的 OFDM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)非常復雜，需要使用多個調(diào)制解調(diào)器，從而限制了它的應(yīng)用和發(fā)展。 1971 年， Weinstein和 Ebert提出了采用離散傅立葉變換來等效多個調(diào)制解調(diào)器的功能，簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，使得 OFDM技術(shù)更趨于實用化。近年來，由于數(shù)字信號處理技術(shù)和大規(guī)模集成電路技術(shù) (VLSI) 的發(fā)展，制約 OFDM技術(shù)發(fā)展的障礙已不存在。同時， 80年代中 后 期以來由于無線通信技術(shù)，特別是無線多媒體技術(shù)的飛速發(fā)展，要求的數(shù)據(jù)傳輸速率 越來越高。隨著傳輸速率的提高，信道干擾更加嚴重，采用傳統(tǒng)的單載波調(diào)制方式，其信道均衡的難度也隨之增加，而采用 OFDM調(diào)制技術(shù)可有效地處理信道干擾，提高系統(tǒng)的傳輸速率，因此倍受 大家 矚目。 1995年歐洲電信標準委員會 (ETSI)將 OFDM作為數(shù)字音頻廣播 (DAB)的調(diào)制方式，這是第一個以 OFDM作為傳輸技術(shù)的標準。歐洲數(shù)字視頻廣播聯(lián)盟也在 1997年采用 OFDM作為其地面廣播 (DVBT)調(diào)制標準。 1999年 IEEE將 OFDM作為其無線局域網(wǎng)標準 。OFDM和 CDMA的結(jié)合也 被用于寬帶 CDMA中。目前 OFDM技術(shù)己經(jīng)被廣泛應(yīng)用于廣播式的音頻和視頻領(lǐng)域和民用通信系統(tǒng)中，主要的應(yīng)用 有 ：非對稱的數(shù)字用戶環(huán)路 (ADSL)、 ETSI 標準的數(shù)字音頻廣播 (DAB)、數(shù)字視頻廣播 (DVB)、高清晰度電視 (HDTV)、無線局域網(wǎng) (WLAN)等。 正交頻分復用技術(shù) (OFDM)是一種無線環(huán)境下高速傳輸技術(shù)。無線信道的頻率響應(yīng)大多是非平坦的，而 OFDM技術(shù)的主要思想就是在頻域內(nèi)將所給信道分成許多正交子信道，在每個子信道上使用一個子載波進行調(diào)制，并且各子載波并行傳輸，這樣，盡管總的信道是非平坦的，也就 是具有頻率選擇性，但是每個子信道是相對平坦的，并且在每個子信道上是窄帶傳輸，信號帶寬小于信道的相應(yīng)帶寬，可以大大消除信號波形 之 間的干擾， 桂林電子科技大學畢業(yè)設(shè)計（論文）報告用紙 第 5 頁 共 34 頁 又由于各子信道的載波間相互正交，于是它們的頻譜 都 是相互重疊的，這樣既減小了子載波間的相互干擾，同時又提高了頻譜利用率。 OFDM技術(shù)具有較強的抗信道頻率選擇性衰落的性能，是抗信道多徑的有效方法。 隨著 DSP 芯片技術(shù)的發(fā)展，傅立葉變換 /逆 變換、高速 Modem 采用的 64/128/256QAM 技術(shù)、柵格編碼技術(shù)、信道自適應(yīng)技術(shù) 以及 插入保護時段等成熟技術(shù)的逐步引入，人們開始集中越來 越多的精力開發(fā) OFDM 技術(shù)在移動通信領(lǐng)域的應(yīng)用。 OFDM 技術(shù)由于使用正交重疊的頻譜，頻譜效率較高，另外還具有抗多徑時延、硬件實現(xiàn)簡單等優(yōu)點，目前已基本被公認為 Beyond3G 的核心技術(shù)，尤其是 OFDM、多載波作為一項核心技術(shù) 以及 其他先進的發(fā)送和接收技術(shù)的結(jié)合，更是今后研究的熱點。 OFDM 系統(tǒng)的優(yōu)缺點 近年來， OFDM 技術(shù)已經(jīng)備受關(guān)注，其原因在于 OFDM 技術(shù)有以下優(yōu)點： 把高速率數(shù)據(jù)流通過串并轉(zhuǎn)換，使得每個子載波上的數(shù)據(jù)符號 的 持續(xù)長度相對增加，從而有效的減少無線信道的時間彌散所帶來的 ISI，這 樣就減小了接收機內(nèi)均衡的復雜度，有時甚至可以不采用均衡器， 而且 僅僅通過采用插入循環(huán)前綴的方法消除 ISI的不利影響。 傳統(tǒng)的頻分多路傳輸方法，將頻帶分為若干個不相交的子頻帶來傳輸并行數(shù)據(jù)流，子信道之間要保留足夠的保護頻帶。而 OFDM 系統(tǒng)由于各個子載波之間存在正交性，允許子信道的頻譜相互重疊，因此與常規(guī)的頻分復用系統(tǒng)相比， OFDM 系統(tǒng)可以最大限度的利用頻譜 的 資源。當子載波個數(shù)很大時 ,系統(tǒng)的頻譜利用率趨于 2波特 /Hz。 各個子信道中的正交調(diào)制和解調(diào)可以通過采用 IDFT 和 DFT 的方法來實現(xiàn)。對于N很大的系統(tǒng) 中，可以通過采用快速傅立葉 (FFT)來實現(xiàn)。而隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)與DSP 技術(shù)的發(fā)展， IFFT 與 FFT 都是非常容易實現(xiàn)的。