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硕十学位论文基于f p g a 的o f d m 调制解调器的设计与实现 基于f p g a 的o f d m 调制解调器的设计与实现 摘要 正交频分复用( o f d m ) 技术是一种多载波数字调制技术，具有 频谱利用率高、抗多径干扰能力强、成本低等特点，适合无线通信的 高速化、宽带化及移动化的需求，将成为下一代无线通信系统( 4 g ) 的核心调制传输技术。 本文首先描述了o f d m 技术的基本原理。对o f d m 的调制解调 以及其中涉及的特性和关键技术等做了理论上的分析，指出了o f d m 区别于其他调制技术的巨大优势；然后针对o f d m 中的信道估计技 术，深入分析了基于f f t 级联的信道估计理论和基于联合最大似然 函数的半盲分组估计理论，在此基础上详细研究描述了用于o f d m 系统的迭代的最大似然估计算法，并利用m a t l a b 做了相应的仿真比 较，验证了它们的有效性。 而后，在m a t l a b 中应用s i m u l i n k 工具构建o f d m 系统仿真平台。 在此平台上，对o f d m 系统在多径衰落、高斯白噪声等多种不同的 模型参数下进行了仿真，并给出了数据曲线，通过分析结果可正确评 价o f d m 系统在多个方面的性能。 在综合了o f d m 的系统架构和仿真分析之后，设计并实现了基 于f p g a 的o f d m 调制解调系统。首先根据8 0 2 1 6 协议和o f d m 系 统的具体要求，设定了合理的参数；然后从调制器和解调器的具体组 成模块入手，对串并转换，q p s k 映射，过采样处理，插入导频，添 t 硕+ 学位论文基于f p g a 的o f d m 调制解调器的设计与实现 加循环前缀，i f f t 倒盯，帧同步检测等各个模块进行硬件设计，详细 介绍了各个模块的设计和实现过程，并给出了相应的仿真波形和参数 说明。其中，针对定点运算的局限性，为系统设计并自定义了2 4 位 的浮点运算格式，参与傅立叶反变换和傅立叶变换的运算，在系统参 数允许的范围内，充分利用了有限资源，提高了系统运算精度；然后 重点描述了基于f p g a 的快速傅立叶变换算法的改进、优化和设计实 现，针对原始快速傅立叶变换f p g a 实现算法运算空闲时间过多，资 源占用较大的问题，提出了带有流水作业功能、资源占用较少的快速 傅立叶变换优化算法设计方案，使之运用于o f d m 基带处理系统当 中并加以实现，结果满足系统参数的需求。最后以理论分析为依据， 对整个o f d m 的基带处理系统进行了系统调试与性能分析，证明了 设计的可行性。 综上所述，本文完成了一个基于f p g a 的o f d m 基带处理系统 的设计、仿真和实现。本设计为o f d m 通信系统的进一步改进提供 了大量有用的数据。 【关键字】无线城域网，0 f d m ，f p g a ，基带处理，f f t i f f t i l 硕十学位论文基于f p g a 的o f d m 调制解调器的设计与实现 t h ed e s i g na n di m p l e m e n l 陵t i o no fo f d m m o d e mb a s e do nf p g a a b s t r a c t o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ( o f d m ) i sak i n do f d i g i t a l m o d u l a t i o n t e c h n o l o g y o fm u l t i c a r d e r sw h i c hh a s m a n y c h a r a c t e r i s t i c ss u c ha s h i g h e rs p e c t r u me f f i c i e n c y , s t r o n g e ra b i l i t yo f a n t i - m u l t i - p a t hi n t e r f e r e n c ea n dl o w e rc o s t i ti ss u i t a b l ef o rt h ed e m a n d o ft h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n si nh i g hs p e e d ，b r o a db a n da n dm o b i l i t y , a n dw i l lb e c o m et h ep i v o t a lm o d u l a t i o na n dt r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g yo f t h en e x tg e n e r a t i o nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s ( 4 g ) t h i sp a p e rd e s c r i b e st h eo f d mf u n d a m e n t a lp r i n c i p l ef i r s t l y f o r o f d mm o d u l a t i o n ，d e m o d u l a t i o n ，c h a r a c t e r i s t i ca n dk e yt e c h n o l o g i e s ，i t a n a l y s e st h e mo nt h e o r ya n ds h o w st h em o r ea d v a n t a g et h a no t h e r m o d u l a t i n gt e c h n o l o g y a i ma t c h a n n e l e s t i m a t i o n ，d e e p l ya n a l y z e s f f t - b a s e dc a s c a d eo n e - d i m e n s i o n a lc h a n n e le s t i m a t i o na l g o r i t h m sa n d u n i t e di t e r a t i v em a x i m u ml i k e l i h o o ds e m i b l i n de s t i m a t i o na l g o r i t h m s ， b a s e do ni t ，i t e r a t i v em a x i m u ml i k e l i h o o de s t i m a t i o na l g o r i t h m si sa l s o d e s c r i b e da n dc o m p a r e db ym a t l a b ，b o t ho ft h e ma r ev a l i d a t e d a n dt h e n ，o f d ms y s t e ms i m u l a t i o n p l a t f o r m i sb u i l d e du s i n g m a t l a ba n ds i m u l i n k o nt h i s p l a t f o r m ，t h ed a t ac u r v ei sg a v e nf o r i i i 硕十学位论文基于f p g a 的o f d m 调制解凋器的设计与实现 o f d ms y s t e mb a s e do nv a r i o u sm o d u l ep a r a m e t e r , j u s tl i k em u l t i p a t h f a d e ，g a u s sw h i t en o i s ea n ds oo n t h r o u g ha n a l y z i n gt h es i m u l a t i o n r e s u l t ，s o m es y s t e mp e r f o r m a n c e sc a nb ea p p r a i s e de x a c t l y a f t e rc o m b i n i n gt h ef r o n ts e v e r a l c h a p t e r sa n di l l u m i n a t i n gt h e o f d ms y s t e mc o n f i g u r a t i o na n ds i m u l a t i o na n a l y s i sa i m e dt o s y s t e m c h a r a c t e r i s t i c s ，e m p h a s i s i s d e s i g n a n d i m p l e m e n t a t i o n o fo f d m b a s e b a n dp r o c e s s i n gb a s e do nf p g a a c c o r d i n gt o8 0 2 16p r o t o c o la n d o f d mc h a r a c t e r i s t i c ，r e a s o n a b l e p a r a m e t e r s a r ee s t a b l i s h e d f r o m m o d u l a t o ra n dd e m o d u l a t o rt o s e r i e s - t o - p a r a l l e lc o n v e r s i o n ，q p s k m a p p i n g ，o v e rs a m p l i n g ，p i l o ti n s e r t i o n ，g u a r d i n t e r v a l a d d i t i o n ， i 哪f ta n df l a m es y n c h r o n i z a t i o nd e t e c t i o n ，p a p e rm s k e sd e s i g na n d i m p l e m e n t a t i o n f o r e v e r y m o d u l eo f s y s t e m ，m e a n w h i l ep r e s e n t s i m u l a t i o nw a v e sa n dp a r a m e t e re x p l a i n a t i o n t h e r e i n t o ，d u et ol i m i t a t i o n o f f i x e dp o i n t ，2 4f l o a tp o i n tf o r m a ti sd e s i g nf o rs y s t e m ，a n dp a r t i c i p a t e d i ni f f r f f tw i t hm a k i n gf u l lu s eo fs y s t e mr e s o u r s ea n di m p r o v i n g o p e r a t i o ne f f i c i e n c yi np a r a m e t e ra l l o w e d a n di f f r 册b a s e do nf p g a i s e m p h a s i z e d ，f o r t h e p r o b l e m t h a t a l g o r i t h mo p e r a t i o n t i m ei s e x c e s s i v e l yl o n g a n d o c c u p i e d r e s o u r c ei s e x c e s s i v e l ym o r e ，n e w a l g o r i t h mw i t hp i p e l i n i n ga n dl e s sr e s o u r c eo c c u p i e di sb r o u g h to u ta n d c a r r i do u t p u ti ti n t oo f d mb a s e b a n dp r o c e s s i n gs y s t e m ，p a r a m e t e ri s s a t i s f i e dw e l l a f t e r w a r d ，b a s e do no f d m t h e o r y , t h es y s t e md e b u g g i n g a n dp e r f o r m a n c ea n a l y s i si s n e c e s s a r yt od oa n dt h ef e a s i b i l i t yo ft h i s i v 硕十学位论文基于f p g a 的o f d m 调制解调器的设计与实现 d e s i g ni sp r o v e d li na l l ，t h ed e s i g n ，s i m u l a t i o na n di m p l e m e n t a t i o no fo f d m b a s e b a n dp r o c e s s i n gb a s e do nf p g ai sc o m p l e t e d t h i sd e s i g np r o v i d e s m a n ya v a i l a b l ed a t af o rf a r t h e ri m p r o v e m e n t l i uj i a ( c o m m u n i c a t i o na n di n f o r m a t i o ns y s t e m ) s u p e r v i s e db yq i u r u n h e k e yw o r d s w i r e l e s s m a n ，o f d m ，f p g a ，b a s e b a n dp r o s e s s i n g ， f f t i f f t v 东华大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学位 论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除 文中己明确注明和引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 已经发表或撰写过的作品及成果的内容。论文为本人亲自撰写，我对 所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 专l l1 日期： 6 7 年，月1 0 日 东华大学学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允 许论文被查阅或借阅。本人授权东华大学可以将本学位论文的全部或 部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本版权书。 本学位论文属于 不保密口。 学位论文作者签名：享l j 4 王 日期： 力年1 月日 指导教师签名： 日期： 9 年j 月歹口日 第一章绪论 第一章绪论 随着以通信技术和计算机技术为标志的高科技的发展，人们的生活发生了 日新月异的巨大变化。人与人之间的信息传递越来越密切，方式也越来越多样化， 人类的社会已经进入了“信息社会 。在各种信息技术中，信息的传输起着支撑 作用，由于人类社会生活对通信的需求越来越高，世界各国都在致力于现代通信 技术的研发和建设中。 现代移动通信技术在融汇了当代电子技术、计算机技术、无线通信、有线通 信和网络技术的基础上，更是得到了突飞猛进地发展。目前，移动通信己从模拟 通信发展到了数字通信阶段，并且朝着个人通信更高阶段发展。未来的移动通信 目标是能在任何时间、任何地点、向任何个人提供可靠的通信服务。同时，计算 机网络已经从有线网络向无线网络发展，并且要求能够随时随处自由接入 玳t e r n e t 、享受更多的业务、安全且有保障。在通信技术和计算机技术的驱动 环境下，使得o f d m ( o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 得到了迅速 的发展，并且成为新一代宽带移动通信的首选传输方式之一。 1 1无线城域网技术 在无线局域网( w l a n ) 势头正劲之际，近几年又出现了无线城域网( m a n ) 技术。无线城域网的推出是为了满足日益增长的宽带无线接入( b w a ) 市场需求。 虽然多年来8 0 2 1 1 x 技术一直与许多其他专有技术一起被用于b w a ，并获得很大 成功，但是w l a n 的总体设计及其提供的特点并不能很好地适用于室外的b w a 应 用。当其用于室外时，在带宽和用户数方面将受到限制，同时还存在着通信距离 等其他一些问题。基于上述情况，i e e e 决定制定一种新的、更复杂的全球标准， 这个标准应能同时解决物理层环境( 室外射频传输) 和0 0 s 两方面的问题，以满 足b w a 和“最后一英里”接入市场的需要。有了这样一个全球标准，就能使通信 公司和服务提供商通过建设新的无线城域网来为目前仍然缺少宽带服务的企业 与住宅提供服务。 i e e e 8 0 2 1 6 工作组专门负责无线城域网方面的技术工作，目前已经推出了 第一章绪论 一系列的空中接口标准，目前最新推出的8 0 2 1 6 2 0 0 4 标准是最权威也是得到 最广泛公认的标准。2 0 0 0 年1 1 月，o f d m 论坛的固定无线接入工作组向i e e e 8 0 2 1 6 工作组中的i e e e8 0 2 1 6 3 工作小组提交了一份建议书，提议采用o f d m 技术作为i e e e8 0 2 1 6 3 城域网的物理层标准。8 0 2 1 6 - 2 0 0 4 是相对比较成熟 并且最具实用性的一个标准版本，其中包含2 1 1 g h z 频段的空中接口标准，是 专门为满足非视距传播( n l o s ) 的需要而设计的，是对8 0 2 1 6 a 标准的修订。其 物理层主要采用o f d m 技术，包括两种空中接口，一种是w i r e l e s sm a n - o f d m ， 另外一种是w i r e l e s s m a n - o f d m a 。由于o f d m 和o f d m a 具有较高的频谱利用率， 且在抵抗多径效应、频率选择性衰落和窄带干扰上具有明显优势，因此成为 8 0 2 1 6 中主要的物理层关键技术。 w i r e l e s s m a n - o f d m 使用的频段是2 l1 g h z ，双工方式也都可以采用t d d 和 f d d 方式，其中f d d 还包括半双工方式( h - f d d ) 。o f d m 关于延迟扩展时间和有效 符号时间的比值，标准规定可以根据不同的多径时延扩展在1 4 ，1 8 ，1 1 6 和 1 3 2 之中选取，在抵抗符号间干扰和高传输效率之间取得平衡乜1 。 w i r e l e s s m a n - o f d m 支持高级天线系统( 从s ) 和空时码发送分集( s t c ) ，上下行 子帧中可以包含h a s 部分或s t c 部分。8 0 2 1 6 系统是以突发的方式传输数据的， 其中所应用的o f d m 子载波数为2 5 6 。 1 2o f d m 技术的背景及研究现状 o f d m 是一种高效的数据传输方式，其基本思想是在频域内将给定信道分成 许多正交子信道，在每个子信道上使用一个子载波进行调制，并且各子载波并行 传输。这样，尽管总的信道是非平坦的，具有频率选择性，但是每个子信道是相 对平坦的，在每个子信道上进行的是窄带传输，信号带宽小于信道的相应带宽， 因此就可以大大消除信号波形间的干扰。o f d m 相对于一般的多载波传输的不同 之处是它允许子载波频谱部分重叠，只要满足子载波间相互正交，则可以从混叠 的子子载波上分离出数据信号。”。由于o f d m 允许子载波频谱混叠，其频谱效率 大大提高，因而是一种高效的调制方式。 2 第一章绪论 1 2 1o f d m 技术的应用与发展 早在上世纪6 0 年代中期，就已经提出频率复用、多载波并行传输的概念。 在这样的并行系统里，将整个信号频带分为m 个互不干扰的子频带，在每个子频 带上都调制数据。这样的频分复用并行系统可以对抗频率选择性衰落，但是这样 的并行系统代价也是明显的：需要m 个调制器以及m 个解调器，在硬件实现上会 碰到难以克服的困难。 直到1 9 7 1 年，w e i n s t e i n 和e b e r t 提出了正交频分复用( o f d m ：o r t h o g o n a l f r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 的并行传输系统，从而可以用离散傅立叶 变换对( d f t d i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o r m ) 来等效实现多个调制解调器的功 能，这才极大的简化了原始的并行多载波系统并促进了o f i ) m 技术的应用。并且 正交的频分复用除了保持并行系统固有的优势外还进一步的增大频谱利用率，至 此o f d m 开始引起了学术界和工业界的高度重视。 现在o f d m 技术在许多重要的场合中得到了运用，0 f d m 己经作为工业标准被 广泛应用于数字音频广播( d a b ) 系统，数字视频广播( d v b ) 系统以及高清晰度 电视( h d t v ) 中。无线局域网( w l a n ) 包括i e e e8 0 2 1 1 a 和h i p e r l a n 也是采用 o f d m 调制技术。同时，w i m a x ( w o r l di n t e r o p e r b i l i t yf o rm i c r o w a v ea c c e s s ) 技术作为一项无线城域网( 删a n ) 技术正日益受到业界的重视，w i m a x 的最新标 准i e e e8 0 2 1 6 d 及后续的i e e e8 0 2 1 g e 都采用了o f d m 技术。而且基于c d m a 的第三代移动通信从频谱利用率角度来衡量，并未产生质的飞跃，所以具有极高 频谱效率的o f d m 技术有可能被推荐作为下一代蜂窝移动通信系统的主要调制方 式啪。 与此同时，近年来，随着半导体技术、数字信号处理技术的发展，f p g a 显 著的优势如高集成，高速度，高可靠为人们所认可，利用f p g a 实现基带信号的 处理成为近年来开发的热点而人们也逐步尝试利用f p g a 实现调制解调模块， o f d m 系统的f p g a 实现自然而然成了关注的焦点。 1 2 20 f 啪系统的优势和不足 近年来，o f d m 技术之所以越来越得到人们的广泛关注，其原因在于o f d m 系 统存在以下的主要优点： ( 1 ) 把高速数据流通过串并转换，使得每个子载波上的数据符号持续长度相 第一章绪论 应增加，从而可以减小无线信道的时间弥散性所带来的i s i ( 符号间干扰) ，这 样就减小了接收机内均衡的复杂度，有时甚至可以不采用均衡器，仅通过采用插 入c p ( 循环前缀) 的方法就可以消除i s i 的不利影响。 ( 2 ) 在传统的频分复用多路传输方式中，将频带分为若干个不相交的子频带 来传输并行的数据流，在接收端用一组滤波器来分离各个子信道，这种方法简单、 直接，但缺点是频谱利用率低，此外，子信道之间要留有足够的保护频带，而且 多个滤波器的实现也有不少困难。而o f d m 系统由于各个子载波之间存在正交性， 允许子信道的频谱相互重叠，因此o f d m 系统可以最大限度地利用频谱资源。这 种正交性还可以从频域角度来解释。每个o f d m 符号在其周期丁内包括多个非零 的子载波。因此其频谱可以看作是周期为丁的矩形脉冲的频谱与一组位于各个子 ，一、 载波频率上的万函数的卷积。矩形脉冲的频谱幅值为s m c v 纠函数，这种函数的 零点出现在频率为l f 整数倍的位置上。在每个子载波频率最大值处，所有其 他子信道的频谱值恰好为零。因为在对o f d m 符号进行解调的过程中，需要计算 这些点上所对应的每个子载波频率的最大值，所以可以从多个相互重叠的子信道 符号中提取每一个子信道符号，而不会受到其他子信道的干扰。可以看出，o f d m 符号频谱实际上可以满足奈奎斯特准则，即多个子信道频谱之间不存在相互干 扰。因此这种一个子信道频谱出现最大值而其它子信道频谱为零点的特点可以避 免载波间干扰( i c i ) 的出现。 o f d m 符号内包括四个子载波时的时域波形见图1 - 1 ，o f d m 符号内包括七个 子载波时的频域波形见图1 - 2 。 4 删手l t ：! 一 ： 一h t - 艇瀑避7 1n 一 一3 * 证 v zi 矗。! f 芰 替 底l 矽一汪r 玎一i 。h 一噩一 f 。一 ：fw j 1 一瓜彳 ， i；fj f ； 盯2 !酊x l￥ i 一厶 k 瓜。 丁玎一 y i 7 k 丛3 ：。；：| - l - - ：一；fl 姑 旧0 5 艚 耐_i i 矿 图1 - 1o f 叫符号内包括四个子载波时的时域波形 第一章绪论 图1 _ 2o f d m 符号内包括七个子载波时的频域波形 由此可见，o f d m 的一个子信道频谱出现最大值时，其它子信道频谱为零点。 从而可以保证从多个相互重叠的子信道符号中提取每一个子信道符号，而不会受 到其他子信道的干扰。 ( 3 ) 各个子信道间的正交性的调制与解调可以利用i d f t 和d f t 实现，对于子 载波数比较大的情况下，可以通过i f f t f f t 算法来实现。 “) 无线数据业务一般都存在非对称性，即下行链路中传输的数据量要远远 大于上行链路的数据传输量，此外移动终端发射功率与基站发射功率相差很大。 所以对于移动通信，物理层需要支持非对称高速数据传输。o f d m 系统可以容易 地通过使用不同数据量的子信道来实现上行与下行链路中不同的传输率。 ( 5 ) 由于无线信道存在频率选择性，不可能所有的子载波都同时处于比较深 的衰落情况中，o f d m 系统可以通过比特分配和动态子信道分配的方法充分利用 信噪比较高的子信道，从而提高系统的性能。 ( 6 ) o f d m 系统可以与其它多种接入方法相结合，构成o f i ) m a 系统，其中包括 多载波码分多址m c - c d m a 、跳频o f d m 以及o f d m - t d m a 等等，使得多个用户可以 同时利用o f d m 技术进行信息的传输。 ( 7 ) 因为窄带干扰只能影响- d , 部分的子载波，因此o f d m 系统可以在某种程 度上抵抗这种窄带干扰。 但是o f d m 系统内由于存在多个正交子载波，而且其输出信号是多个信道信 号的叠加，因此与单载波系统相比，o f d m 系统存在以下主要缺点： 第一章绪论 ( 1 ) 易受频率偏差的影响 由于子信道的频谱相互覆盖，这就对它们之间的正交性提出了严格的要求。 然而，由于无线信道的时变性，在传输过程中会出现无线信号的频律偏移，如多 普勒频偏，或者由于发射机载波频率与接收机本地振荡器之间存在频率偏差，都 会使得0 f d m 系统子载波之间的正交性遭到破坏，从而导致i c i ( 信道间干扰) ， 这种对频率偏差敏感是o f d m 系统的主要缺点之一嘲。 ( 2 ) 存在较高的峰值平均功率比 与单载波系统相比，由于多载波调制系统的输出是多个子信道信号的叠加， 因此如果多个信号的相位一致时，所得到的叠加信号瞬时功率就会远远大于信号 的平均功率，导致出现较大的峰值平均功率比( p e a k t o a v e r a g er a t i o ，p a r ) ， 这样就对发射机内放大器的线性提出了较高的要求。如果放大器的动态范围不能 满足信号的变化，则会为信号带来畸变，使叠加信号的频谱发生变化，从而导致 各个子信道信号之间的正交性遭到破坏，产生相互干扰，使系统性能恶化。 1 3 本课题的研究目的和研究途径 本文研究的目的是深入研究无线城域网和正交频分复用理论，领会0 f n 基 带处理技术、f p g a 电路设计的关键思想，设计实现0 f n 系统中的关键功能模块 和基带处理中的调制解调器，并给出合理的仿真分析。 本文的研究途径是理论指导实践，实践验证理论，即首先深入学习无线通信 系统的基础理论，包括0 f d m 系统中的信号流程、基带信号处理、i f f t f f t 算法 分析等。其次，基于以上基础理论，利用f p g a 和相应的v h d l 语言设计出串并变 换、过采样、插入导频及循环前缀和快速傅立叶变换等系统关键的功能模块。最 后，进行模块整合，完成调制解调功能，搭建出0 f n 基带处理系统，然后通过 m a t l a b 建立仿真平台，提供不同的测试环境，来正确评价此系统在多方面的性 能。 6 第一章绪论 1 4 本文的主要工作 由于无线城域网i e e e 8 0 2 1 6 a 的协议标准中物理层的设计主要采用的o f d m 技术，所以在本论文中，首先介绍了o f d m 技术的基本原理和部分关键技术，并 且对其中的信道估计部分进行了较为细致的阐述；然后详细描述了o f d m 基带调 制和解调的f p g a 实现，包括整体架构和方法，并对每个模块进行了实现分析； 最后对无线城域网的物理层o f d m 系统进行了仿真和分析。 本论文的具体结构如下： 第l 章介绍了无线城域网和o f d m 系统的概念，包括本论文的研究背景和无 线城域网、o f d m 技术的发展现状，同时描述了本文对o f d m 基带处理系统的研究 目的和研究途径。 第2 章介绍了正交频分复用( o f d m ) 技术的基本原理和关键技术。从理论上 详细的阐述了o f d m 技术的原理和其中的一些关键技术，例如保护间隔，过采样 处理等；而后讨论了目前信道估计理论的发展现状和趋势，着重分析了基于f f t 级联的信道估计理论和基于联合最大似然函数的半盲分组估计理论，在此基础上 详细描述了用于o f d m 系统的迭代的最大似然估计算法，并利用m a t l a b 做了相应 的仿真比较，验证了它们的有效性。 第3 章对无线城域网的物理层o f d m 系统进行了仿真和分析。首先按照设计 参数要求搭建o f d m 基带处理系统的仿真平台；然后针对仿真平台，设计多种不 同的测试环境，得出仿真波形，为后来的o f d m 基带处理的系统实现提供了一些 有力的理论依据。 第4 章按照i e e e 8 0 2 1 6 a 协议标准及参数选择，对o f d m 系统进行了参数的 设计，然后按照设计好的系统参数，对o f d m 基带处理系统的f p g a 实现进行了详 细的描述。从最初对信源信号的串并转换到q p s k 映射，再到后面的过采样、导 频和f f t i f f t 调制解调处理，针对每一个功能模块，文中都给出了详细的设计 方案和实践的测试波形，其中着重对快速傅立叶变换算法进行了讨论，提出了一 种较为有效的针对f f t i f f t 实现的f p g a 算法，并将其应用于系统中，完成系统 的设计。最后针对模块和系统的测试结果进行了分析。 第5 章对本论文所做工作的进行总结，并对今后所需做的工作进行展望。 7 第二章o f d m 的基本原理及关键技术的介绍 第二章o f d m 的基本原理及关键技术的介绍 o f d m ( 正交频分复用) 从基本原理上讲是一种特殊的多载波传输方案，单个 用户的数据流被串并变换为多路的低速率并行数据流，每个码流都用一个载波 发送。与普通的多载波传输方式不同，o f d m 的子载波之间是相互正交的。多载 波传输和低速码流增强了o f d m 抗频率选择性衰落和抗窄带干扰的能力。在单载 波系统中，单个衰落或者干扰可能导致整条链路不可用，但在多载波系统中，只 会有一小部分载波受影响，这样即使在高信道误码的环境下，通过纠错编码技术 的使用，也可以帮助恢复一些信道条件较差的载波上的信息，从而使整个多载波 系统的性能在频率选择性衰落环境中呈现较好的鲁棒性。 2 1o f d m 的基本原理 2 1 1o f d m 信号的调制和解调 一般的，0 f d m 的等效低通信号可以表示为一组并行传输的调制载波信号阳3 ： 其中， s o ) 5 量荟c n , k g t o 一甩乃) 。蝥( f ) 浯1 眦) = i e 坝 卸，o ) ( 2 - 2 ) 啪) = i o 其他一 c 。j 为在第n 个o f d m 符号间隔的第k 个子载波上传输的符号，n 是o f d m 系统的 子载波个数，c o ) 表示第n 个o f d m 信号，0 为o f d m 符号问隔，也是每个子载 波上传输的符号间隔， 是第k 个子载波的频率， 2 ，0 + 寺，k = 。，l ， n 一1 ，厂。是最低使用频率，这种子载波频率的设定保证了载波g 。1 3 f ) 之间的正交 性， f fg ko ) g ，( f ) 出。fp ，碱r p 川邪出；rp ，h 等出：。6 ( 七一z ) ( 2 3 ) 8 第一二章o f d m 的基本原理及关键技术的介绍 _ 。1 。j 7 。 + i ) 1 1 $ ( f ) g ：o ) 出= c 一，t 七2 。，一1 ( 2 4 ) 从上述表达式可见，要买现一个o f d m 传输糸统，需要一组振汤器严生n 个 子载波，接收端也需要对n 个子载波进行同步，显然，当n 非常大时，系统的硬 件构成将是非常庞大而且不经济的。1 9 7 1 年，w e i n s t e i n 和e b e r t 将d f t 技术引 入o f d m 系统当中，是o f d m 变得经济实用口1 。 假定厂o = 0 ，以0 的速率对( 2 1 ) 式的等效低通信号进行采样，o f d m 信 号可以表示为， c ”聃。+ 胁务黔引弦讲( 专黔e 肼寻) i 胛 ( 2 - 5 ) 接收端的解调过程可以用f f t 来实现， 一专肿c 删，一专羹黔p 胁等e 吖幼等= 黔肌驴6 ， 这样就用简单实用的i f f t 、f f t 模块实现了多载波的调制解调过程，大大简 化了o f d m 硬件结构的复杂度。当然，实际的0 f d m 系统在使用i f f t 、f f t 模块时， 还需要在公式( 2 - 5 ) 、( 2 - 6 ) 的基础上做一点修改，目的是保证在i f f t 、f f t 变 换前后信号的能量保持不变，以( 2 5 ) 式的i f f t 变换为例，变换前，n 个符号 的能量和为荟l c j i ，变换后的符号的能量和为： 轰n - 1i ，j ( 聊) l2 = 磊n - in 荟- in 荟- ic 。 c ：j p ，h 鲁e ，2 等 ( 2 7 ) = 墓暮气一，鬟e ，抽等 = 荟川 是变换前的n 倍，为了使信号在i f f t 前后变换能量保持不变，将式( 2 - 5 ) 改为， c ( m ) = 历万1n 磊- 1 c 础p j 7 矗“m ) = 厨胛丁( c 础) ( 2 8 ) 9 第章o f d m 的基奉原理硬关键技术的介州 相应的，接收端的解调过程调整为： ”击鬟胁p 4 警- 嘉唧嘶 上式完整的表达了实际o f b m 系统的多载波调制解调的过程。 按照上述的o f d m 信号的调制原理得到的o f d i 的时域信号波形 ( 2 9 ) 如图2 一l 所示 豳2 - 1o f d m 信号的时域波形 从图2 1 中可以看到o f d m 信号的特征，没有恒定的包络，信号的瞬时功率 变化很快，会出现较大的峰值功率。 21 2 离散傅立叶变换的过采样 在实际应用中，对一个o f d m 符号进行n 点的i f f t 运算所得到的n 个输出样 值往往不能真正的反映连续o f d m 符号的变化特征，当没有对o f d m 符号使用过过 采样，就将样值点送到模数转换器时，可能会导致形成伪信号。其表现为当样值 点被还原之后，原信号中的高频成分可能会受到损失。针对这种现象，一般都需 要对o f d m 符号进行过采样，即在原来的采样点之问添加些采样点，构成p n ( p 为整数) 个采样点。 这种过采样的实施可以利用 f f t 、f f t 运算来丑；现，在进行i f f t 运算时， 需要在原始的n 个输入样值的中问添加( p1 ) n 个零。而在进行f f t 运算时 则需要在原始的n 个输入样值的后面添加( p 一】) n 个零。 当对以t 为采样删隔的时域采样信号进行p 倍的过采样时，采样间隔变为 t p 。而时域连续信号的频谱宽度保特不变，冈此从频域上看来，等效于在连续 信号的带宽之外补零，即相当于在i f f 、运算中存频域数据中插入零。 以慨i k = 0 , 1 一 ，n 一1 表示调制在频域上的数据符号，经过 f f t 变换之 第二章o f d m 的基本原理及关键技术的介绍 后，得到时域的数据符号5 ，l i o ，1 ，n 一畸，即： 沪丽in 磊- i s t 时圳，h ，一1 ( 2 _ 1 0 ) 这里一p 州驯m ，如果希望通过p 倍过采样得到更加精确反映连续信号的 时域离散采样点，可以在进行i f f t 运算之前，在输入的频域数据符号的中间补 充( p - - i ) n 个零，扩充为p n 个采样点，形成一个新的输入序列： 。；j：i；c，。；t，。；“y：-，掣，r爿r，：，；a，-c：z，t，。， 这里s 二为经过补零形成的新的序列，m = o 工，( p n - 1 ) ，然后进行p n 点 的i f f t ，则可以得到p 倍过采样的p n 个时域离散采样点： j = 南磊文昭扣o h 叫。1 ( 2 - 1 2 ) 这里，即为得到的过采样的时域采样点，可以更加精确的反映0 f d m 符号 的变化情况。唯一不同的就是p n 的i f f t 计算结果的模值为n 点i f f t 计算结果 的p 分之一。 。i j ，!二 ”f t 专1 f i 百弓 图2 - 2 a 无过采样 ”厂 一i 。l ， j 鼍 j j 2 。 j j j 。1 “侣：j jjj 1rj ?j _ 1 图2 2 b 2 倍过采样 图2 2 c3 倍过采样图2 2 d4 倍过采样 第二章o f d m 的基本原理及关键技术的介绍 图2 2 为n = 8 ，输入序列为 1 ，一1 ，1 ，一1 ，1 ，1 ，一1 ，1 ) 时，实施过 采样和不实施过采样的情况的比较，图中2 2 ( a ) 、2 - 2 ( b ) 、2 - 2 ( c ) 、2 2 ( d ) 依次为不实施过采样、2 倍过采样、3 倍过采样和4 倍过采样的情况。横坐标表 示采样点的个数，纵坐标表示i f f t 运算输出的模值，可以看出，过采样的倍数 越高越能反映符号变化的细节。 2 1 3o f d m 的保护间隔和循环前缀 如何消除由多径时延扩展引起的符号间干扰( i s i ) ，是无线通信系统设计中 必须要考虑的一个关键问题。o f d m 技术之所以能够成为宽带无线通信研究热点 的主要原因之一就是他可以有效的对抗多径时延扩展，通过把输入的数据流分配 到n 个并行的子载波上，使得o f d m 符号的周期扩大为原始数据符号周期的n 倍， 因而时延扩展与符号周期的比值也降低到原来的n 倍，大大减少了时延扩展导致 的符号间干扰。 通信系统中，当信号通过脉冲响应为h ( t ) 的信道后，接收信号为 _ ) ，) j i gs o ) h q ) ( 2 1 3 ) 其中。表示线性卷积。 在以无2 2 乡，速率抽样的o f d m 系统中，第n 个信号 e 沏) 沏= 0 上，n 一1 ) 通过脉冲响应长度为l t 的离散信道后的接收信号可 表示为， y 一( m ) 2 乏 o ) 。只沏一7 ) 沏= o 1 ，一1 ) 2 1 4 ) 这里为了分析方便，假定信道是慢时变的，这样在一个o f d m 符号的时间内， 可近似认为信道不变化，所以j i l ( ，) 与m 无关，( 2 1 4 ) 式表示一个线性卷积运算， 序列h 的长度为l + 1 ，c 的长度为n ，贝, l j y 。的长度为n - - i - l 。所以要防止前后两 个符号之间的i s i ，必须在符号与符号之间加入长度至少为l 的保护间隔( g u a r d i n t e r v a l ，g i ) 。一般需要g i 的长度t 大于无线信道的最大时延扩展，这样上 一个符号的多径分量只会对下一个符号的保护间隔产生影响，而不会干扰下一个 符号，在这个保护段内可以不插入任何信号，即传输一段空闲的传输时段阳1 。然 1 2 第二章o f d m 的基本原理及关键技术的介绍 而在这种情况下，由于多径传播的影响，会产生i c i ，即子载波之间的正交性遭