【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 間，就會(huì)出現(xiàn)這種情況，而信號(hào)的這種時(shí)延擴(kuò)展會(huì)導(dǎo)致信號(hào)碼間干擾的產(chǎn)生。正交頻分復(fù)用的技術(shù)關(guān)鍵就是實(shí)現(xiàn)并保護(hù)好子載波間的正交性，接受端收到的信號(hào) x(t)與子載波相乘后通過(guò)積分器，不同頻率的載波相乘積分后為零，只有武漢工程大學(xué)郵電與信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）4相同載波積分后得到原始符號(hào)。正是由于每個(gè)子載波的正交性，我們可以是子載波的頻譜重疊并靠近 Nyquist 帶寬，從而大大提高了頻譜的利用率，所以非常適合移動(dòng)場(chǎng)合中的高速傳輸。多徑傳輸?shù)姆?hào)干擾時(shí)個(gè)頭疼的問(wèn)題，OFDM 為解決這樣的問(wèn)題在符號(hào)間加上保護(hù)間隔內(nèi)，保護(hù)間隔可以不傳輸任何信號(hào)。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。OFDM 的解決方法是把符號(hào)后面長(zhǎng)度是 Tg（保護(hù)間隔的長(zhǎng)度）的部分拿到每個(gè)符號(hào)的前面當(dāng)做保護(hù)間隔來(lái)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(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。將原符號(hào)塊最后信號(hào)放到原符號(hào)塊的前部，構(gòu)成新序列，時(shí)域中原來(lái)發(fā)送信號(hào)與信道響應(yīng)的線性卷積變?yōu)閳A周卷積。 OFDM 技術(shù)的實(shí)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(diǎn)、時(shí)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(gè)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(shí)延能達(dá)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(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?。圖 展示了基于 G3PLC 協(xié)議的 OFDM 系統(tǒng)實(shí)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(dú)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(cuò)。時(shí)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(jì)（論文）5D 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(cè)去除循環(huán)前綴F F T信道估計(jì)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(cuò) 碼 解 碼 器O F D M 解 調(diào) 器前 向 糾 錯(cuò) 碼 編 碼 器圖 基于 G3PLC 協(xié)議的 OFDM 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)框圖OFDM 信號(hào)是由復(fù)值信號(hào)點(diǎn)進(jìn)行快速離散傅立葉變換（IFFT）操作產(chǎn)生的，這些信號(hào)點(diǎn)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(gè)OFDM 符號(hào)都是由一個(gè)循環(huán)前綴加到一個(gè)由 IFFT 產(chǎn)生的塊的前面而構(gòu)成的。選擇一個(gè)循環(huán)前綴的長(zhǎng)度以便信道時(shí)延不會(huì)引起連續(xù) OFDM 符號(hào)或鄰近的子載波產(chǎn)生沖突。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。而且，系統(tǒng)會(huì)區(qū)分受損的子載波的信噪比以及選擇在哪個(gè)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(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。頻偏和相位噪聲會(huì)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(hào)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(jì)（論文）6(ICI)，這種對(duì)頻率偏差的敏感是 OFDM 系統(tǒng)的主要缺點(diǎn)之一，特別是在實(shí)際應(yīng)用中與 FDMA、 TDMA 和 CDMA 等多址方式相結(jié)合時(shí)，時(shí)間和頻率同步尤為重要。時(shí)域同步，要求 OFDM 系統(tǒng)確定符號(hào)邊界，并且提取出最佳的采樣時(shí)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(hào)。任何頻率偏移必然導(dǎo)致 ICI。實(shí)際系統(tǒng)中，由于本地時(shí)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(jī)相位調(diào)制信號(hào)。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。對(duì)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(huì)引入干擾。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。如果時(shí)域同步誤差較大，F(xiàn)FT 處理窗已超出了當(dāng)前 OFDM 符號(hào)的數(shù)據(jù)區(qū)域和保護(hù)時(shí)間區(qū)域，包括了相鄰的 OFDM 符號(hào)，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(jì)和校正接收信號(hào)的載波偏移。 與頻率誤差不同，時(shí)間同步誤差不會(huì)引起子載波間干擾(ICI)。但時(shí)間同步誤差將導(dǎo)致 FFT 處理窗包含連續(xù)的兩個(gè) OFDM 符號(hào)，從而引入了 OFDM 符號(hào)間干擾(ISI) 。并且即使 FFT處理窗位置略有偏移，也會(huì)導(dǎo)致 OFDM 信號(hào)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(guò)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。對(duì)十突發(fā)式的數(shù)據(jù)傳輸，一般是通過(guò)發(fā)送輔助信息來(lái)實(shí)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(hào)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(diǎn)。插入導(dǎo)頻符號(hào)法同步性能較好，但是這種方法浪費(fèi)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(jì)算法，克服了插入導(dǎo)頻符號(hào)浪費(fèi)資源的缺點(diǎn)，且簡(jiǎn)單、易實(shí)現(xiàn)，但是同步范圍較小。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）7同步是 OFDM 技術(shù)中的一個(gè)難點(diǎn)，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(jì)算法， ESPRIT算法雖然估計(jì)精度高，但計(jì)算復(fù)雜，計(jì)算量大，而 ML 算法利用 OFDM 信號(hào)的循環(huán)前綴，可以有效地對(duì) OFDM 信號(hào)進(jìn)行頻偏和時(shí)偏的聯(lián)合估計(jì)，而且與 ESPRIT算法相比，其計(jì)算量要小得多。OFDM 系統(tǒng)對(duì)定時(shí)頻偏的要求是小于 OFDM 符號(hào)間隔的 4%，對(duì)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(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(wèn)題：一是導(dǎo)頻信息的選取。由于無(wú)線信道常常是衰落信道，需要不斷對(duì)信道進(jìn)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(jì)器的設(shè)計(jì)。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)。 降低峰值平均功率比由于OFDM信道時(shí)域上表現(xiàn)為N個(gè)正交子載波信號(hào)的疊加，當(dāng)這 N個(gè)信號(hào)恰好均以峰值疊加時(shí)，OFDM信號(hào)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(hào)，發(fā)送端對(duì)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(shí)際應(yīng)用。為了解決這一問(wèn)題，人們提出了基于信號(hào)畸變技術(shù)、信號(hào)擾碼技術(shù)和基于信號(hào)空間擴(kuò)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?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。在高武漢工程大學(xué)郵電與信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）8度散射的信道中，信道記憶長(zhǎng)度很長(zhǎng)，循環(huán)前綴 CP 的長(zhǎng)度必須很長(zhǎng)，才能使 ISI盡量不出現(xiàn)。但是，CP 長(zhǎng)度過(guò)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)。這時(shí)，可以考慮加均衡器以使 CP 的長(zhǎng)度適當(dāng)減小，即通過(guò)增加系統(tǒng)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(duì)于衰落信道中的隨機(jī)錯(cuò)誤，可以采用信道編碼；對(duì)于衰落信道中的突發(fā)錯(cuò)誤，可以采用交織技術(shù)。實(shí)際應(yīng)用中，通常同時(shí)采用信道編碼和交織，進(jìn)一步改善整個(gè)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(wú)法再利用信道的分集特性來(lái)改善系統(tǒng)性能的，因?yàn)镺FDM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(jìn)行編碼提供了機(jī)會(huì)，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(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(méi)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(shí)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(duì)基帶信號(hào)濾波, 以消除符號(hào)間干擾, 濾波后的IQ兩路信號(hào)通過(guò)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(hào)相加通過(guò) DA 轉(zhuǎn)換送入信道。接收時(shí)將信道來(lái)的通過(guò) AD轉(zhuǎn)換后的信號(hào)通過(guò)與 NCO 的兩路正交載頻相乘分解出 IQ 兩路信號(hào)送至 FPGA 進(jìn)行 OFDM 調(diào)制在并串轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)輸出。實(shí)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(jì)（論文）10圖 調(diào)制原理框圖圖 調(diào)制原理框圖一個(gè) OFDM 符號(hào)之內(nèi)包含多個(gè)經(jīng)過(guò)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(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 從開(kāi)始的 OFDM 符號(hào)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€(gè)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(lái)表示 OFDM 的輸出信號(hào): ()???? ???????? TtttTijTtrecdts ssssNi si ?0 )](/2exp[)/()(1 ?其中 s(t)的實(shí)部和虛部分別對(duì)應(yīng) OFDM 符號(hào)的同相(Inphase)和正交(Quadraturephase)分量，在實(shí)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(jì)（論文）11量相乘，構(gòu)成最終的子信道信