【正文】 最后，衷心的感謝評閱本文的各位老師和專家。首先，衷心感謝我的導(dǎo)師肖萍萍。本次設(shè)計(jì)主要是內(nèi)容為OFDM 調(diào)制器的 FPGA 的實(shí)現(xiàn)，在今后的工作中可以進(jìn)一步去了解 OFDM 解調(diào)器、信道估計(jì)、編譯碼等技術(shù)。今后對于 OFDM 系統(tǒng)的研究方向如下：(1) 對峰值平均功率比進(jìn)行研究。本文介紹了 OFDM 技術(shù)的基礎(chǔ)理論，其重點(diǎn)對 OFDM 調(diào)制器及其相關(guān)模塊如調(diào)制映射、IFFT 、加循環(huán)前綴、加窗技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的分析，最后在研究過程中結(jié)合理論分析，分別使用 MATLAB 工具和 Verilog HDL 硬件描述語言對OFDM 調(diào)制器進(jìn)行了仿真并對誤碼率進(jìn)行了對比。缺點(diǎn)：(1) 對定時(shí)和頻率偏移敏感由于子信道的頻譜相互覆蓋，這就對它們之間的正交性提出了嚴(yán)格的要求。當(dāng)子載波個(gè)數(shù)很大時(shí)，系統(tǒng)的頻譜利武漢工程大學(xué)郵電與信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）26用率趨于 。通常，一階抽頭濾波器結(jié)構(gòu)的均衡器便可滿足要求。所以O(shè)FDM 對信道中因多徑傳輸而出現(xiàn)的 ISI 有很強(qiáng)的魯棒性，系統(tǒng)總的誤碼率性能好。OFDM 技術(shù)作為一種高效的調(diào)制技術(shù)，將成為第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。令一方面是在計(jì)算過程中也會(huì)產(chǎn)生一些累積的誤差。圖 前導(dǎo)仿真波形圖 成幀模塊由于前導(dǎo)長度 2432 點(diǎn)，需要設(shè)置移位寄存器進(jìn)行 cp 的 2432 個(gè)時(shí)鐘的輸出延時(shí)，將前導(dǎo)的輸出和數(shù)據(jù)的輸出連續(xù)形成一幀。當(dāng)計(jì)數(shù)器 t 為 0 時(shí)，開始武漢工程大學(xué)郵電與信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）23進(jìn)行第一個(gè)符號讀取，同時(shí)頭部 8 點(diǎn)進(jìn)行加窗，由于地址的讀取會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)時(shí)鐘的延時(shí)，所以當(dāng)?shù)刂纷x取從 2 開始(0 和 1 由于地址無效，不是有效值)。圖 數(shù)據(jù)流控制示意圖2 2 6 2 5 5 0 2 5 50 1 2 3 4 5 6 78 9 10 11 12 13 14 15248249250251252253254255……保護(hù)間隔R A M 中的數(shù)據(jù)有效數(shù)據(jù)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）22由于 FPGA 中乘法器需要占用很大的資源，所以在硬件設(shè)計(jì)中將升余弦函數(shù)部分用程序直接實(shí)現(xiàn)，其實(shí)現(xiàn)方法為將升余弦函數(shù)的數(shù)值轉(zhuǎn)化為 8 位二進(jìn)制，用移位代替乘法器，而其他數(shù)值保持不變。圖 數(shù)據(jù)流控制示意圖 IFFT 模塊IFFT 模塊采用了經(jīng)過優(yōu)化的 ALTER 公司的 IP 核 FFT 。函數(shù)結(jié)構(gòu)如圖 所示： 圖 BPSK/DBPSK 映射函數(shù)其中，每 36 個(gè)數(shù)據(jù)的起點(diǎn)，輸出一個(gè) sop_map 信號，表示映射數(shù)據(jù)輸出的武漢工程大學(xué)郵電與信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）19起點(diǎn)。圖 前導(dǎo)加窗示意圖頭部 尾部頭部 尾部頭部 尾部第 n 1 個(gè)符號第 n 個(gè)符號第 n + 1 個(gè)符號++最終的符號… … … …S Y N C P S Y N C PS Y N C PS Y N C PS Y N C PS Y N C PS Y N C PS Y N C PS Y N C P1/2MS Y N C M8 個(gè)采樣點(diǎn)8 個(gè)采樣點(diǎn)升余弦函數(shù)窗函數(shù)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）17SYNCP 是由固定的 36 個(gè)初始相位為映射復(fù)數(shù)做 IFFT 后取實(shí)部的結(jié)果，SYNCM 符號為 SYNCP 符號取反的結(jié)果。并且由于多徑傳播的影響，會(huì)造成子載波間的干擾(ICI)，即子載波的正交性遭到破壞。 圖 G3PLC 協(xié)議的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu) 圖 OFDM 調(diào)制器系統(tǒng)模型數(shù)據(jù)源 FCH 和 DATA 使用預(yù)先存儲(chǔ)的 0、1 數(shù)據(jù)流，數(shù)據(jù)大小分別為3613 比特和 3640 比特，其中 FCH 采用 BPSK 映射，DATA 采用 DBPSK 映射。為了信號可以有效傳輸，系統(tǒng)采用BPSK 和 DBPSK 調(diào)制方案，采用 256 點(diǎn)的 IFFT 的運(yùn)算模塊。對于常用的基 2 的 IFFT 算法，其復(fù)數(shù)乘法次數(shù)僅僅為（N/2）log2(N) ，以 16 點(diǎn)的變換為例，IDFT 和 IFFT 中所需要的乘法次數(shù)分別為 256 次和 32 次，并且鎖著子載波個(gè)數(shù) N 的增加，復(fù)雜度之間的差距也會(huì)越來越明顯， IDFT 的計(jì)算復(fù)雜度隨著 N 增加而二次方增長，IFFT 的計(jì)算復(fù)雜度卻只是略快于線性變化。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）13根據(jù)以上分析，可以看到 OFDM 系統(tǒng)的調(diào)制解調(diào)可以分別有 IDFT 和 DFT來替代，通過 N 點(diǎn)的 IDFT 運(yùn)算，把頻域數(shù)據(jù)符號 變換為時(shí)域數(shù)據(jù)符號 ，idsk經(jīng)過射頻載波調(diào)制之后，發(fā)送到無線信道中。同樣在接收端，為了恢復(fù)出原始i的數(shù)據(jù)符號 ，可以對ｓ ｋ 進(jìn)行逆變換，即 DFT 得到：id ()102sexp()Nikikj???(01)iN??調(diào)制( 如 Q A M )串行變并行在實(shí)際應(yīng)用中，系統(tǒng)并行數(shù)據(jù)的調(diào)制與解調(diào)可以采用反傅立葉變換 (IFFT) 和傅立葉變換 (FFT) 來實(shí)現(xiàn)。 tfje12?信道來自信道的數(shù)據(jù)串并變換d 1d 0d N 1tfj2tfje2???s ( t )tfje12?tfj2?tfjNe12??積分積分積分0~d1~?Nd1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(gè)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,可以從多個(gè)相互重疊的子信道符號頻譜中提取出各個(gè)子信道符號,而不會(huì)受到其他子信道的干擾。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 符號之內(nèi)包含多個(gè)經(jīng)過相移鍵控(PSK)或者正交幅度調(diào)制(QAM)的子載波。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?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。這時(shí)，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)的復(fù)雜性換取系統(tǒng)頻帶利用率的提高。 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。 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)正交子載波信號的疊加，當(dāng)這 N個(gè)信號恰好均以峰值疊加時(shí)，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。OFDM 系統(tǒng)對定時(shí)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 %~%。這兩種同步方法，各有其優(yōu)缺點(diǎn)。并且即使 FFT處理窗位置略有偏移，也會(huì)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。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，則引入碼間干擾，嚴(yán)重惡化了系統(tǒng)性能。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。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。選擇一個(gè)循環(huán)前綴的長度以便信道時(shí)延不會(huì)引起連續(xù) OFDM 符號或鄰近的子載波產(chǎn)生沖突。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)。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。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(shí)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。多徑傳輸?shù)姆柛蓴_時(shí)個(gè)頭疼的問題，OFDM 為解決這樣的問題在符號間加上保護(hù)間隔內(nèi)，保護(hù)間隔可以不傳輸任何信號。如果 ，則信道會(huì)呈現(xiàn)頻率選擇性衰落。S / P積分判決積分判決積分判決P / S＋信道1jte?0jt1Njt?? ?0jte??1jt1Njte??? ?d1?d??stdd圖 2. 2 OFDM 系統(tǒng)調(diào)制解調(diào)原理框圖在單載波系統(tǒng)中，一次干擾或衰落就可能導(dǎo)致整個(gè)鏈路性能惡化甚至失效，但是在多載波系統(tǒng)中，某一時(shí)刻僅僅會(huì)有少部分子信道受到衰落的影響，從而不會(huì)使得整個(gè)通信鏈路性能失效。由于每個(gè)子信道中的碼元周期會(huì)相對增加，因此可以減輕由無線信道的多徑時(shí)延擴(kuò)展所產(chǎn)生的時(shí)間彌散性對系統(tǒng)的影響，并且還可以在 OFDM，碼元之間插入保護(hù)間隔，令保護(hù)間隔大于無線信道的最大時(shí)延擴(kuò)展，這樣就可以最大限度地消除由于多徑帶來的碼間干擾（ISI） ，而且一般采用循環(huán)前綴作為保護(hù)間隔，從而可以避免由多徑帶來的信道間干擾（ICI） [1]。但是對于寬帶業(yè)務(wù)來說，由于數(shù)據(jù)傳輸速率較高，高數(shù)據(jù)傳輸速率使得碼元周期非常小，如果碼元傳輸出現(xiàn)多徑時(shí)延，可能會(huì)影響到后面好幾個(gè)碼元。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）2第 2 章 OFDM 技術(shù)基礎(chǔ) OFDM 的基本原理 眾所周知無線通信傳輸信號的路徑有很多，這就是所謂的多徑效應(yīng)，OFDM 的最初提出是為了解決多徑效應(yīng)對數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠绊?。正交頻分復(fù)用（OFDM ）是一種特殊的多載波傳輸調(diào)制（MCM）技術(shù)，它可以被看做是一種調(diào)制技術(shù)，也可以被當(dāng)做是一種復(fù)用技術(shù)。第四代移動(dòng)通信以正交頻分復(fù)用(OFDM)作為核心技術(shù)之一。 Simulation platform is designed for a variety of test environment, scheme optimization and simulation waveform for validation.Chapter 1, first of all, this paper first introduces the research background, purpose and significance of OFDM. Chapter 2, the practice of the basic principle of OFDM and technology were reviewed, and the key technologies of OFDM system has made the detailed introduction. Chapter 3 illustrates theory of OFDM modulation demodulation, and IFFT and FFT structure of OFDM sys