【導讀】人們未來的主流需求。當前已在全球多數(shù)國家商用化的第三代移動通信技術(shù),由于該技。術(shù)自身的傳輸速率的限制,達到多媒體業(yè)務(wù)接入的目標還存在一定的距離。衰落,高頻帶利用率等優(yōu)點使其正發(fā)展為4G移動通信的主流技術(shù)。上個世紀70年代,韋。研制了一個完整的多載波傳輸系統(tǒng),叫做正交頻分復用系統(tǒng)。分復用的英文縮寫。正交頻分復用是一種特殊的多載波傳輸方案。OFDM應(yīng)用離散傅里葉。這就解決了多載波傳輸系統(tǒng)發(fā)送和傳送的難題。應(yīng)用快速傅里葉變換更。統(tǒng)仍然需要大量繁雜的數(shù)字信號處理過程,而當時還缺乏數(shù)字處理功能強大的元器件,因此OFDM技術(shù)遲遲沒有得到迅速發(fā)展。近些年來,集成數(shù)字電路和數(shù)字信號處理器件的。迅猛發(fā)展,以及對無線通信高速率要求的日趨迫切,OFDM技術(shù)再次受到了重視。據(jù)傳輸和頻分復用的理論早在二十世紀60年代就已經(jīng)提出。真、沖激噪聲,提高帶寬利用率。很長的一段時期里,OFDM技術(shù)沒有得到從理論邁向?qū)嶋H的機會。由于OFDM的子載波間嚴

　　

【正文】 主要由移除 CP循環(huán)前綴模塊、 64 點 FFT 模塊、移除導頻模塊、解 4QAM 模塊、FIFO 模塊組成 。 調(diào)制好的數(shù)據(jù)信號傳入移除 CP 模塊，依次通過其他模塊，保存在 FIFO中，最后傳到串口輸出，傳給 PC，在 PC中顯示得到的數(shù)據(jù)。 圖 41 OFDM解調(diào)流程圖 組成模塊主要功能 CP 循環(huán)前綴模塊 保護 間隔 ： 無線多徑信道會使通過它的信號出現(xiàn)多徑時延，這種多徑時延如果擴展到下一個符號，就會造成符號問串擾，嚴重影響數(shù)字信號的傳輸質(zhì)量。采用 OFDM 技術(shù)的最主要原因之一是它可以有效地對抗多徑時延擴展。通過把輸入的數(shù)據(jù)流經(jīng)過串／并 桂林電子科技大學畢業(yè)設(shè)計（論文）報告用紙 第 11 頁 共 34 頁 變換分配到 N 個并行 的子信道上，使得每個用于去調(diào)制子載波的數(shù)據(jù)符號周期可以擴大為原始數(shù)據(jù)符號周期的 N倍，因此時延擴展與符號周期的比值也同樣可降低為 1／ N。在OFDM 系統(tǒng)中，為了最大限度地消除符號間干擾，可以在每個 OFDM 符號之間插入保護間隔，而且該保護間隔的長度 Tg 一般要大于無線信道的最大時延擴展，這樣一個符號的多徑分量就不會對下一個符號造成干擾。 當多徑 時延小于保護間隔時，可以保證在 FFT 的運算時間長度內(nèi)，不會發(fā)生信號相位的跳變。因此， OFDM 接收機所看到的僅僅是存在某些相位偏移的、多個單純連續(xù)正弦波形的疊加信號，而且這種疊 加也不會破壞子載波之間的正交性。然而，如果多徑時延超過了保護間隔，則在 FFT運算時間長度內(nèi)可能會出現(xiàn)信號相位的跳變，因此在第一路徑信號與第二路徑信號的疊加信號內(nèi)就不再只包括單純連續(xù)正弦波形信號，從而導致子載波之間的正交性有可能遭到破壞，就會產(chǎn)生信道間干擾 (ICI)，使得各載波之間產(chǎn)生干擾。 由于 每個 OFDM 符號中都包括所有的非零子載波信號，而且也同時會出現(xiàn)該 OFDM 符號的時延信號。這樣的話，在 FFT 的運算長度內(nèi)第一個子載波與帶有時延的第二個子載波之間的周期的個數(shù)之差不再是整數(shù)，所以在接收機解調(diào)第一個載 波時，第二個子載波會對一個子載波造成干擾。同樣，接收機對第二子載波進行解調(diào)時，也會存在來自第一子載波的干擾。 圖 42 多徑情況下空閑保護間隔在子載波間造成的干擾 圖 為了消除由于多徑所造成的信道間干擾， OFDM 符號需要在其保 護間隔內(nèi)填入循環(huán)前綴信號，如圖 。這樣就可以保證在 FFT 周期內(nèi)， OFDM 符號的延時副本內(nèi)所包含的波形的周期數(shù)也是整數(shù)。這樣時延小于循環(huán)前綴長度的時延信號就不會在解調(diào)過程中產(chǎn)生信道間干擾。換句話說，加入 CP后，當 CP的長度大于最大時延擴展，既可以消除碼 桂林電子科技大學畢業(yè)設(shè)計（論文）報告用紙 第 12 頁 共 34 頁 間干擾，也可以消除信道干擾。我們最后得到的 OFDM 系統(tǒng)框圖如 下 圖所示 圖 43 循環(huán)前綴 圖 因為 OFDM 的調(diào)制器中插入了 CP循環(huán)前綴模塊，所以需要去除循環(huán)前綴模塊 ，恢復原來的數(shù)據(jù)形式。 FFT模塊 離散傅立葉變換 (DFT)在數(shù)字信號處理中應(yīng)用十分廣泛，它建立了離散時域和離散頻域之間的聯(lián)系， FFT算法是 DFT 的快速算法，可大大減少計算次數(shù)，是計算量減少到只是直接用 DFT 所需計算量的一小部分。我們在仿真中，直接利用 FFT 函數(shù)對數(shù)據(jù)進行傅立葉（逆）變換。 傅立葉變換將時域與頻域聯(lián)系在一起， 傅立葉變換的形式有幾種，選擇哪種形式的傅立葉變換由工作的具體環(huán)境決定。大多數(shù)信號處理使用離散傅立葉變換（ DFT）。 DFT是常規(guī)變換的一種變化形式，其中，信號在時域和頻域上均被抽樣。由 DFT的定義，時間上波形連續(xù)重復，因此導致頻域上頻譜的連續(xù)重復?？焖俑盗⑷~變換 FFT僅是 DFT計算應(yīng)用的一種快速數(shù)學方法，由于其高效性，使 OFDM 技術(shù)發(fā)展迅速。 對于 N 比較大的系統(tǒng)來說， OFDM 復等效基帶信號可以采用離散傅立葉逆變換（ IDFT）方法來實現(xiàn)。為了敘述的簡潔，對于信號 )(ts 以 NT 的速率進行抽樣，即令NkTt? )1,1,0( ????? Nk ，則得到 : (41) 可以看到 ks 等效為對 id 進行 IDFT 運算。同樣在接收端，為了恢復出原始的數(shù)據(jù)符號 id ，可以對 ks 進行逆變換 ，即 DFT 得到： (42) 桂林電子科技大學畢業(yè)設(shè)計（論文）報告用紙 第 13 頁 共 34 頁 根據(jù)以上分析可以看到， OFDM 系統(tǒng)的調(diào)制和解調(diào)可以分別由 IDFT 和 DFT 來代替。通過 N點的 IDFT 運算，把頻域數(shù)據(jù)符號 id 變換為時域數(shù)據(jù)符號 ks ,經(jīng)過射頻載波調(diào)制之后，發(fā)送到無線信道中。其中每個 IDFT 輸出的數(shù)據(jù)符號 ks 都是由所有子載波信號經(jīng)過疊加而生成的，即對連續(xù)的多個經(jīng)過調(diào)制的子載波的疊加信號進行抽樣得到的。 在 OFDM 系統(tǒng)的實際運用中，可以采用更加方便快捷的快速傅立葉變換（ IFFT/FFT）。N 點 IDFT 運算需要實施 2N 次的復數(shù)乘法，而 IFFT 可以顯著的降低運算的復雜度。對于常用的基 2 IFFT 算法來說，其復數(shù)乘法次數(shù)僅為 ? ? ? ?NN 2log2 ，但是隨著子載波個數(shù) N 的增加，這種方法復雜度也會顯著增加。對于子載波數(shù)量非常大的 OFDM 系統(tǒng)來說，可以進一步采用基 4的 IFFT 算法來實施傅立葉變換。 移除導頻模塊 在接收機中，雖然利用接收到的短訓練序列、長訓練序列可以進行 信道均衡、頻率偏差校正，但符號還會存在一定的剩余頻率偏差，且偏差會隨著時間的積累而積累，會造成所有子載波產(chǎn)生一定的相位偏差，因此，還需要不斷地對參考相位進行跟蹤。 所有在每個 OFDM 符號內(nèi)，去除調(diào)制端所加入的導頻模塊，讓數(shù)據(jù)進一步靠近它的原來形式。 解 4QAM模塊 星座映射是指將輸入的串行數(shù)據(jù)，先做一次調(diào)制，再經(jīng)由 FFT 分布到各個子信道上去。調(diào)制的方式可以有許多種，包括 BPSK、 QPSK、 QAM 等。 OFDM 中的星座映射，其實只是一個數(shù)值代換的過程。比如輸入為 “ 00” ，輸出就是“ 1+1i” 。它為原來單一的串行數(shù)據(jù)引入了虛部，使其變成了復數(shù)。這樣一方面可以進行復數(shù)的 FFT 變換，另外，進行星座映射后，為原來的數(shù)據(jù)引入了冗余度。因為從原來的一串數(shù)，現(xiàn)在變成了由實部和虛部組成的兩串數(shù)。引入冗余度的意義在于以犧牲效率的方式降低誤碼率。通過犧牲效 率來換取可靠性在通信上是一種非常經(jīng)典的思想。 在 QAM（正交幅度調(diào)制）中，數(shù)據(jù)信號由相互正交的兩個載波的 幅度 變化表示。模擬信號的相位調(diào)制和數(shù)字信號的 PSK（相移鍵控）可以被認為是幅度不變、僅有 相位 變化的特殊的正交幅度調(diào)制。因此，模擬信號頻率調(diào)制和數(shù)字信號的 FSK（頻移鍵控）也可以被認為是 QAM 的特例，因為它們本質(zhì)上就是相位調(diào)制。這里主要討論數(shù)字信號的 QAM，雖然模擬信號 QAM 也有很多應(yīng)用，例如 NTSC 和 PAL 制式的電視系統(tǒng)就利用正交的載波傳輸不同的顏色分量。 QAM 是一種 矢量 調(diào)制，將輸入比特先映射（一般采用格雷碼）到一個復平面（星座）上，形成復數(shù)調(diào)制符號，然后將符號的 I、 Q 分量（對應(yīng)復平面的實部和虛部，也就是水平 桂林電子科技大學畢業(yè)設(shè)計（論文）報告用紙 第 14 頁 共 34 頁 和垂直方向）采用幅度調(diào)制，分別對應(yīng)調(diào)制在相互正交（時域正交）的兩個 載波 （ coswt和 sinwt）上。這樣 與幅度調(diào)制（ AM）相比，其頻譜利用率將提高 1 倍。 QAM 是幅度、相位聯(lián)合調(diào)制的技術(shù)，它同時利用了載波的幅度和相位來傳遞信息 比特 ，因此在最小距離相同的條件下可實現(xiàn)更高的 頻帶 利用率， QAM 最高已達到 1024QAM（ 1024 個樣點）。樣點 數(shù)目越多，其傳輸效率越高 。 QAM 調(diào)制器的原理是發(fā)送數(shù)據(jù)在比特 /符號 編碼器 （也就是串 – 并轉(zhuǎn)換器）內(nèi)被分成兩路，各為原來兩路信號的 1/2，然后分別與一對正交調(diào)制分量相乘，求和后輸出。接收端完成相反過程，正交解調(diào)出兩個相反碼流，均衡器補償由信道引起的 失真 ，判決器識別復數(shù)信號并映射回原來的二進制信號。 理解了 4QAM 的知識。 簡單的說 解 4QAM 模塊，其實就是 4QAM 的一個逆過程，就是將復數(shù)形式的數(shù)據(jù)，變回調(diào)制前的串行數(shù)據(jù)。 FIFO模塊 FIFO 模塊是用來存儲解調(diào)結(jié)束的數(shù)據(jù)，當 FIFO 存到一定數(shù)據(jù)時 ，就通過串口傳輸給 PC 機，在 PC機中顯示出來。 FIFO 是英文 First In First Out 的縮寫，是一種先進先出的數(shù)據(jù)緩存器，他與普通存儲器的區(qū)別是沒有外部讀寫地址線，這樣使用起來非常簡單，但缺點 就是只能順序?qū)懭霐?shù)據(jù)，順序的讀出數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)地址由內(nèi)部讀寫指針自動加 1 完成，不能像普通存儲器那樣可以由地址線決定讀取或?qū)懭肽硞€指定的地址。 FIFO 的一些重要參數(shù) FIFO 的寬度：也就是英文資料里常看到的 THE WIDTH，它指的是 FIFO 一次讀寫操作的數(shù)據(jù)位，就像 MCU 有 8位和 16 位， ARM 32 位等等。 FIFO 的深度： THE DEEPTH，它指的是 FIFO 可以存儲多少個 N位的數(shù)據(jù)（如果寬度為 N）。如一個 8 位的 FIFO，若深度為 8，它可以存儲 8 個 8 位的數(shù)據(jù)，深度為 12 ，就可以存儲 12 個 8位的數(shù)據(jù)。 滿標志： FIFO 已滿或?qū)⒁獫M時由 FIFO 的狀態(tài)電路送出的一個信號，以阻止 FIFO的寫操作繼續(xù)向 FIFO 中寫數(shù)據(jù)而造成溢出（ overflow）。 空標志： FIFO已空或?qū)⒁諘r由 FIFO的狀態(tài)電路送出的一個信號，以阻止 FIFO的讀操作繼續(xù)從 FIFO 中讀出數(shù)據(jù)而造成無效數(shù)據(jù)的讀出（ underflow）。 讀指針：指向下一個讀出地址。讀完后自動加 1。 寫指針：指向下一個要寫入的地址的，寫完自動加 1。 對于 FIFO，讀寫指針都指向一個內(nèi)存的初始位置，每進行一次讀寫操作，相應(yīng)的指針就遞增一次，指向下一 個內(nèi)存位置。當指針移動到了內(nèi)存的最后一個位置時，它又重新跳回初始位置。在 FIFO 非滿或非空的情況下，這個過程將隨著讀寫控制信號的變化 桂林電子科技大學畢業(yè)設(shè)計（論文）報告用紙 第 15 頁 共 34 頁 一直進行下去。如果 FIFO 處于空的狀態(tài)，下一個讀動作將會導致向下溢 (underflow)，一個無效的數(shù)據(jù)被讀人；同樣，對于一個滿了的 FIFO，進行寫動作將會導致向上溢出(overflow)，一個有用的數(shù)據(jù)被新寫入的數(shù)據(jù)覆蓋。這兩種情況都屬于誤動作，因此需要設(shè)置滿和空兩個信號，對滿信號置位表示 FIFO 處于滿狀態(tài)，對滿信號復位表示 FIFO非滿，還有空間可以寫入數(shù)據(jù)；對空信號置位表示 FIFO 處于空狀態(tài)，對空信號復位表示 FIFO 非空，還有有效的數(shù)據(jù)可以讀出。 OFDM 調(diào)制各模塊 實現(xiàn) 說明 該模塊用來移除循環(huán)前綴，因為 64 點數(shù)據(jù)復值最后 1/4的數(shù)據(jù)到前面形成 80 點加入循環(huán)前綴的 OFDM 調(diào)制數(shù)據(jù)，因此，移除循環(huán)前綴其實就只要當有效數(shù)據(jù)來時，舍棄前 16 點數(shù)據(jù)，取后面的 64 點數(shù)據(jù)就可以了。 這樣就可以去掉循環(huán)前綴了。 該模塊設(shè)計請參見本文檔第 1 頁的 IFFT 模塊部分。這里補充下使用同一 FFT 模塊實現(xiàn)正反變換的算法。 FFT 正變換： 210( ) ( )knN j NnX k x n e?? ??? ? （ 43） FFT 反變換： （ 44） 由 FFT 逆變換推導得： （ 45） （ 46） （ 47） 由上式可以看出，輸入數(shù)據(jù)取共軛，通過 FFT，輸出數(shù)據(jù)再取共軛，就等于輸入數(shù)據(jù)進行 IFFT 運算，這樣就可以使用相同的 FFT 結(jié)構(gòu)同時計算 FFT正反變換。 該模塊把插入的導頻和零值移除。算法主要是把輸入的 64 點數(shù)據(jù)流首先存入 RAM中，然后讀取相應(yīng)有效地址的共 31點數(shù)據(jù)并忽略導頻和零值數(shù)據(jù)即可。 桂林電子科技大學畢業(yè)設(shè)計（論文）報告用紙 第 16 頁 共 34 頁 4QAM星座映射模塊 該模塊主要把每一個 I、 Q兩路組成的復數(shù)信號轉(zhuǎn)換成兩位 2bit 串行數(shù)據(jù)。即： 1 – i 00 1 +i 01 1 – i 10 1+i