【正文】 GA 電路 設計的關鍵思想，并給予 FPGA 設計，實現(xiàn) OFDM 系統(tǒng)中的關鍵功能模塊和基帶處理中的調制解調器，并給出仿真結果。 武漢工程大學郵電與信息工程學院畢業(yè)設計（論文） 2 第 2章 OFDM 技術基礎 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， OFDM 的最初提出是為了解決多徑效應對數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠绊?。 ? ?tgtjwe 0 tjwe 0? ?tg ?信 道 圖 2. 1 單載波傳輸示意圖 圖中 g(t)是匹配濾波器 (對于給定的碼元波形，使得輸出信噪比最大的線性濾波器 )，在傳輸速率并不高的情況下，這種系統(tǒng)因時延產生的碼間干擾不是特別嚴重，能通過均衡技術消除這種干擾。但是對于寬帶業(yè)務來說，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)多徑時延，可能會影響到后面好幾個碼元。從另一個角度去看，當信號的帶寬接近或者超過信道的相干帶寬時，信道的時間彌散就會導致頻率選擇性衰落，使得同一個信號中不同的頻率成分體現(xiàn)出不同的衰落特性，所以多載波傳輸技術的運用就是一種必然趨勢。由于每個子信道中的碼元周期會相對增加，因此可以減輕 由無線信道的多徑時延擴展所產生的時間彌散性對系統(tǒng)的影響，并且還可以在 OFDM，碼元之間插入保護間隔，令保護間隔大于無線信道的最大時延擴展，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)前綴作為保護間隔，從而可以避免由多徑帶來的信道間干擾 （ ICI） [1]。 OFDM是一項多載波傳輸技術，可以被當作是一種調制技術，也可以被看作是一種復用技術。 S / P積 分判 決積 分判 決積 分判 決P / S＋信 道1jte ?0jte ?1Njte ? ?0jte ??1jte ??1Njte ? ??0?d1?d1?Nd ?? ?st0d1d1Nd ? 圖 2. 2 OFDM 系統(tǒng)調制解調原理框圖 在單載波系統(tǒng)中，一 次干擾或衰落就可能導致整個鏈路性能惡化甚至失效，但是在多載波系統(tǒng)中，某一時刻僅僅會有少部分子信道受到衰落的影響，從而不會使得整個通信鏈路性能失效。如果 msTT ，則信道呈現(xiàn)平坦衰落。如果 msTT ，則信道會呈現(xiàn)頻率選擇性衰落。 正交頻分復用的技術關鍵就是實現(xiàn)并保護好子載波間的正交性，接受端收到武漢工程大學郵電與信息工程學院畢業(yè)設計（論文） 4 的信號 x(t)與子載波相乘后通過積分器，不同頻率的載波相乘積分后為零，只有相同載波積分后得到原始符號。多徑傳輸?shù)姆柛蓴_時個頭疼的問題， OFDM 為解決這樣的問題在符號間加上保護間隔內，保護間隔可以不傳輸任何信號。 OFDM 的解決方法是把符號后面長度是Tg（保護間隔的長度）的部分拿到每個符號的前面當做保護間隔來傳輸，這種方法就叫做循環(huán)前綴。將原符號塊最后信號放到原符號塊的前部，構成新序列，時域中原來發(fā)送信號與信道響應的線性卷積變?yōu)閳A周卷積。從 10kHz 到 200kHz 的低頻率區(qū)域更容易產生沖突。除了經常發(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。 圖 展示了基于 G3PLC 協(xié)議的 OFDM 系統(tǒng)實現(xiàn)框圖。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。 武漢工程大學郵電與信息工程學院畢業(yè)設計（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 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 信號是由復值信號點進行快速離散傅立葉變換（ IFFT）操作產生的，這些信號點是由不同的相位調制編碼產生，且它們被分配到不同的子載波。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生沖突。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。 頻偏和相位噪聲會使子載波之間的正交特性惡化從而導致子信道間的信號相互干擾武漢工程大學郵電與信息工程學院畢業(yè)設計（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，特別是在實際應用中與 FDMA、 TDMA 和 CDMA 等多址方式相結合時，時間和頻率同步尤為重要。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。實際系統(tǒng)中，由于本地時鐘源 (如晶體振蕩器 )不能精確的產生載波頻率，總要附著一些隨機相位調制信號。對于單載波系統(tǒng)，相位噪聲和頻率偏移只是導致信噪比損失，而不會引入干擾。 如果時域同步誤差較大， FFT 處理窗已超出了當前 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，嚴重惡化了系統(tǒng)性能。 與頻率誤差不同，時間同步誤差不會引起子載波間干擾 (ICI)。并且即使 FFT處理窗位置略有偏移，也會導致 OFDM 信號頻域的偏移，從而造成信噪比損失，BER 性能下降。 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。這兩種同步方法，各有其優(yōu)缺點。基于循環(huán)前綴的同步法可以應用最大似然估計算法，克服了插入導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。 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)產生的 3dB 相位噪聲帶寬大約為子載波間隔的 %~%。由于無線信道常常是衰落信道，需要不斷對信道進行跟蹤，因此導頻信息也必須不斷地傳送；二是復雜度較低和導頻跟蹤能力良好的信道估計器的設計。 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，當這 N個信號恰好均以峰值疊加時， OFDM信號也將產生最大峰值，該峰值功率是平均功率的 N倍。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用。 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。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)。這時，可以考慮加均衡器以使 CP 的長度適當減小 ，即通過增加系統(tǒng)武漢工程大學郵電與信息工程學院畢業(yè)設計（論文） 8 的復雜性換取系統(tǒng)頻帶利用率的提高。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。在 OFDM系統(tǒng)中，如果信道衰落不是太嚴重，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被 OFDM這種調制方式本身所利用了。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。由于 FPGA的可編程性 , 使用 FPGA 實現(xiàn)調制 /解調可以提高系統(tǒng)的可編程性。接收時將信道來的通過 AD轉換后的信號通過與 NCO 的兩路正交載頻相乘分解出 IQ 兩路信號送至 FPGA 進行 OFDM 調制在并串轉換數(shù)據(jù)輸出。 圖 基于 OFDM 系統(tǒng)得調制和解調框圖 武漢工程大學郵電與信息工程學院畢業(yè)設計（論文） 10 圖 調制原理框圖 圖 調制原理框圖 一個 OFDM 符號之內包含多個經過 相移鍵控 (PSK)或者正交幅度調制 (QAM)的子載波。 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 OFDM 符號的同相 (Inphase) 和正交武漢工程大學郵電與信息工程學院畢業(yè)設計（論文） 11 (Quadraturephase)分量，在實部系統(tǒng)可以分別與相應子載波的余弦分量和正弦分量相乘，構成最終的子信道信號和合成的 OFDM 符號。在接收端，將接收的同相和正交矢量映射回數(shù)據(jù)，完成子載波調制。 OFDM 實際上是可以滿足無符號間干擾的奈奎斯特準則 ,這種消除子信道間干擾 (ICI)的方法是通過在時域中使用矩形脈沖成形 ,在頻域中每個子載波的最大處采樣來實現(xiàn)。傅里葉變換獨特的蝶型運算不僅在現(xiàn)有的通信與信號處理方面具有很強的優(yōu)勢，在 OFDM 系統(tǒng)中同樣也能起到一定的作用。采用 IFFT 和 FFT 的 OFDM 系統(tǒng)結構如圖所示。為了敘述簡潔，可以令式（ ）中的 ts=0 并且忽略矩形 ，對于信號 s(t)以 T/N 的速率進行抽樣，即令 t=kT/N(k=0,1,… ,N1)，則得到： 102s ( / ) e x p ( )Nkiiiks k t N d j N????? ? (0 1)kN? ? ? () 可以看到 ｓ ｋ 等效為對 id 進行 IDFT 運算。二 進 制信 源其中每一個 IDFT 輸出的數(shù)據(jù)符號 sk 都是由所有子載波信號經過疊加而成的，既對連續(xù)的多個經過調制的子載波的疊加信號進行抽樣得到的。 N 點 IDFT運算需要實施 N2 次復數(shù)乘法，而 IFFT 則可以明顯地降低運算復雜度。對于子數(shù)量龐大的 OFDM系統(tǒng)來說，可以進一步采用基 4 的 IFFT 算法來實施傅里葉變換。數(shù)據(jù)源 FCH 和 DATA 使用預先存儲的數(shù)據(jù) (0、 1 比特流 )，數(shù)據(jù)大小分別為 36 13 比特和 36 40 比特。為消除 ISI 和多徑造成的ICI 的影響，添加循環(huán)前綴，循環(huán)前綴大小為 30 采樣點。最后在信號的頭部位置加上前導碼，形成 OFDM 幀，進行發(fā)送。 S Y N C PSYNCMS Y N C MS 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 P F C H 1 F C H 3 … F C H 1 3OVERLAPG IF C H 1OVERLAPG IOVERLAPG IOVERLAPG IOVERLAPG ID 1P r e a m b l eF C H… …D A T AB P S K 映 射D B P S K 映 射I F F T添 加循 環(huán)前 綴加 窗成 幀模 塊前 導 生 成模 塊F r a m eD A T AF C H武漢工程大學郵電與信息工程學院畢業(yè)設計（論文） 15 IFFT 模塊 在進行 IFFT 運算時， IFFT 的輸入為 36 個子載波，其中第一個子載波放置到第 23 號位置，最后一個子載波放置到第 58 號位置，其余位置補零。 圖 IFFT 模塊結構圖 添加循環(huán)前綴 由于信道具有記憶性，導致結果輸出不僅與當前輸入塊有關，還與上一個輸入塊有關，這樣就引起了塊間干擾 (ISI)。 圖 添加循環(huán)前綴 02 35 8 I F F T2 5 5F C HD A T A取 實 部運 算S i g n a l_ i f f t00 循 環(huán) 前 綴 C P c’0 … c ’2 9 c ’3 0 … … c ’2 8 5 帶 循 環(huán) 前 綴 的 數(shù) 據(jù) 塊 O F D M符 號 c0 c1 c2 … … c2 2 6…c2 5 5 武漢工程大學郵電與信息工程學院畢業(yè)設計（論文） 16 加窗模塊 采用特定 的窗函數(shù)，每個符號邊界的 8 個采樣