（通信与信息系统专业论文）ofdm系统同步及解调的fpga实现.pdf

摘要 摘要 自2 0 世纪8 0 年代以来，正交频分复用技术不但在广播式数字音频和视频领 域得到广泛的应用，而且已经成为无线局域网标准( 例如i e e e8 0 2 1 l a 和 h i p e r l a n 2 等) 的一部分。o f d m 由于其频谱利用率高，成本低等原因越来越受 到人们的关注。随着人们对通信数据化、宽带化、个人化和移动化需求的增强， o f d m 技术在综合无线接入领域将会获得越来越广泛的应用。人们开始集中越来 越多的精力开发o f d m 技术在移动通信领域的应用，本文也是基于无线通信平台 上的o f d m 技术的运用。 本文的所有内容都是建立在空地数据无线通信系统下行链路f p g a 实现基础 上的。本文作者的主要工作集中在链路接收端的f p g a 实现和调试上。主要包括 帧同步( 时间同步) 算法的研究与设计、o f d m 频率同步算法的研究与设计以及同步 模块、o f d m 解调模块、q a m 解调模块的f p g a 实现。最终实现高速数字图像传 输系统下行链路在无线环境中连通。 对于无线移动通信系统而言，多普勒频移、收发设备的本地载频偏差均可能 破坏o f d m 系统子载波之间的正交性，从而导致i c i ，影响系统性能。另外，由 于o f d m 系统大多采用i f f t f f t 实现调制解调，因此在接收方确定f f t 的起点 对数据的正确解调也至关重要。同步技术即是针对系统中存在的定时偏差、频率 偏差进行定时、频偏的估计与补偿，来减少各种同步偏差对系统性能的影响。在 o f d m 实现的关键技术中，同步技术是十分重要的一部分。本文花费了三个章节 阐述了同步技术的原理、算法和实现方法。 目前o f d m 系统的载波同步方案，可以归纳为三大类：辅助数据类，盲估计 类和基于循环前缀的半盲估计类。本文首先分析了各种载波同步方案的优缺点， 并举例说明了各个载波同步方式的实现方法。然后具体阐述了本文在f p g a 平台 上实现的o f d m 接收端同步的同步方式，包括其具体算法和f p g a 实现结构。本 文所采用的帧同步和频率同步方案都是采用辅助数据类的，在阐述其具体算法的 同时对算法在不同参数和不同形式下的性能做出了仿真对比分析。 o f d m 的解调采用f f t 算法，在f p g a 上的实现是十分方便的。本文主要阐 摘要 述其实现结构，重点放在提取有效数据部分有效数据位置的推导过程。最后介绍 了本文实现q a m 软解调的解调方法。 本文阐述算法采用先提出原理，然后给出具体公式，再根据公式中的系数和 变量分析算法性能的方式。在阐述实现方式时首先给出实现框图，然后对框图中 比较重要或者复杂的部分进行详细阐述。在介绍完每个模块实现方式之后给出了 仿真或者上板结果，最后再给出整体测试结果。 关键字：空地数据无线通信系统，同步，o f d m 解调，q a m 解调，f p g a a b s t r a c t t h eo f d m t e c h n o l o g yh a sb e e nu s e dw i d e l yi nt h ef i e l do fd i g i t a la u d i oa n dv i d e o b r o a d c a s ts y s t e ma n db e c o m ep a r to ft h el o c a la r e an e t w o r ks t a n d a r d ss i n c et h e19 8 0 s i tc a u s e sp e o p l e sg r e a ta t t e n t i o nb e c a u s eo fi t sh i 曲u t i l i t yr a t i oo ft h ef r e q u e n c y s p e c t r u ma n dl o wc o s t 。i t sa p p l i c a f i o nw i l lb e c o m em o r ea n dm o r ee x t e n s i v ei nt h ef i e l d o fi n t e g r a t e dw i r e l e s sa c c e s s ，w h i l et h en e e do fd i g i t a l ，b r o a d - b a n d ，p e r s o n a l i z ea n d m o b i l ec o m m u n i c a t i o ni si n c r e a s i n g p e o p l ea r ep a y i n gm o r ea n dm o r ea t t e n t i o no nt h e d e v e l o p m e n to ft h eo f d mt e c h n o l o g y sa p p l i c a t i o ni n t h ef i e l do fw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n , a n dt h et h e s i sa l s of o c u s e so ni t sa p p l i c a t i o ni nt h i sf i e l d a l lt h ec o n t e n to ft h et h e w si sb a s e do nt h er e a l i z a t i o no ft h ea i rt og r a n dd i g i t a l w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e mo nf p g a n 圮m a i nw o r ko ft h ea u t h o rf o c u s e so nt h e r e a l i z a t i o no ft h er e c e i v i n gt e r m i n a lo ft h ed o w n - l i n k t h i st h e s i si n v e s t i g a t e sf r a m e s y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h ma n df r e q u e n c ys y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h mi nt h ed o w n l i n k s y s t e m m o r e o v e r , f p g ai m p l e m e n t a t i o n o fs y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h m s ，q a m d e m o d u l a t i o na l g o r i t h m sa n dm u l t i c a r r i e rd e m o d u l a t i o na l g o r i t h m sa r ea l s od i s c u s s e d e x p l i c i t l y a tl a s tr e a l i z ea l lt h ed o w n l i n ko ft h eh i g hs p e e dd i g i t a la u d i ot r a n s m i s s i o n s y s t e m i nt h ew i r e l e s sm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，t h ed o p p l e rs h i f ta n dt h ec a r r i e r s h i f tb e t w e e nt r a n s m i t t e r sa n dr e c e i v e r sw i l l d e s t r o yt h eo r t h o g o n a l i t yo f t h e s u b c h a n n e l s ，a n dt h e nc a u s et h ei c i i c lw i l ld e g r a d et h es y s t e mp e r f o r m a n c e s i g n i f i c a n t l y s y n c h r o n i z a t i o ni sa l s oav i t a lf a c t o rf o rt h ec o r r e c to f d md e m o d u l a t i o n a tt h er e c e i v i n gt e r m i n a l ，b e c a u s et h em f l f tm o d u l a t i o na n dd e m o d u l a t i o n t e c h n o l o g i e sa r ea d o p t e di nt h eo f d ms y s t e m t h et i m ea n df r e q u e n c ys h i f t i n g e s t i m a t ea n dc o m p e n s a t es c h e m e si nt h es y n c h r o n i z a t i o nc a l lr e d u c e 血e i ri m p a c to nt h e s y s t e mp e r f o r m a n c e 1 h e t h e s i sc o s t st h r e ep a r t st oi n t r o d u c et h et h e o r yo ft h e s y n c h r o n i z a t i o n ，t h ea l g o r i t h m sa n dt h er e a l i z a t i o n 。 w es u m m e du pt h es y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h m si nt h r e ek i n d s ：d a t a - a i d e d a l g o r i t h m s ，b l i n de s t i m a t i o na l g o r i t h m sa n dh a l f - b l i n de s t i m a t i o na l g o r i t h m sb a s e do n m a b s t r a e t c y c l i cp r e f i x i nt h et h e s i s ，f i r s tw ea n a l y z e dt h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so f d i f f e r e n ts y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h m s ，a n dt h e nt o o kd i f f e r e n ta l g o r i t h m si nd i f f e r e n t l i t e r a t u r ec i t e sf o re x a m p l e 。s e c o n dw ei n t r o d u c e do u rs y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h m sa n d t h er e a l i z a t i o nd e t a i l so nf p g a w eu s e dt h ed a t a a i d e da l g o r i t h m si nt h et i m e s y n c h r o n i z a t i o na n df r e q u e n c ys y n c h r o n i z a t i o n w en o to n l ye x p o u n d e dt h ed e t a i l so f t h ea l g o r i t h m sw eu s e d , b u ta l s oa n a l y z e dt h ed i f f e r e n c eo ft h e i rp e r f o r m a n c e sb e t w e e n d i f f e r e n tp a r a m e t e r sa n dm e a n s t h er e a l i z a t i o no ff f to nf p g ai sv e r ys i m p l e w ei n t r o d u c e dt h ea c c o m p l i s h e d s h l l c t i eo ft h eo f d md e m o d u l a t i o n , f o c u s i n go nt h ec o m p u t a t i o n a lp r o c e s so ft h e v a l i dd a t ae x t r a c t i o n l a s t ，w ei n t r o d u c e dt h ew a yo ft h eq a ms o f td e m o d u l a t i o n f i r s tt h et h e s i sg i v e st h et h e o r yo ft h ea l g o r i t h m s ，t h e ng i v e st h ef o r m u l a s ，a n dl a s t a n a l y z e st h ep e r f o r m a n c eb a s e do nt h ec o e f f i c i e n t sa n dv a r i a b l e si nt h e s ef o r m u l a s w h e n i n t r o d u c i n gt h ew a y so f t h er e a l i z a t i o n ，t h et h e s i sg i v e st h ew h o l es 仃u c t u r ef i r s t l y , a n dt h e ni n t r o d u c e st h ed e t a i l s a f t e ri n t r o d u c i n ge v e r ym o d u l et h et h e s i sg i v e st h e s i m u l a t i o na n dt e s tr e s u l t so ft h i sm o d u l e ，a n dt h e ng i v e st h et e s tr e s u l t so ft h ew h o l e s y s t e ma tl a s t k e y w o r d ：a i rt og r a n dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，s y n c h r o n i z a t i o n , o f d m d e m o d u l a i o n , q a md e m o d u l a t i o n ，f p g a i v 图目录 图目录 o f d m 系统基本原理框图一7 循环前缀结构7 o f d m 链路框架结构13 o f d m 帧结构1 3 定时正确时o f d m 解调后星座图1 4 定时错误时o f d m 解调后星座图1 5 采样子载波波形图1 5 加入频偏o f d m 解调后的星座图1 6 相关峰值随信噪比变化仿真图2 1 无噪声和信噪比l o d b 时的相关器输出值m a t l a b 仿真对比图2 1 频偏对相关峰的影响2 2 频偏对相关器输出的影响2 2 量化与非量化相关峰值在不同s n r 下对比仿真图2 3 频率同步算法结构图2 4 频率同步仿真收敛曲线。2 5 不同s n r 和不同频偏下的频偏估计值精度对比曲线图2 6 差分频率同步和本地频率同步频偏估计精度仿真对比图2 7 l = 4 和l = 8 时频偏估计精度仿真对比图2 8 p = i 和p = 8 时频偏估计精度仿真对比图2 9 帧同步f p g a 实现整体结构图31 滑动相关器整体设计框图31 模平方计算实现框图。3 3 频率同步f p g a 整体实现结构图3 3 鉴频器实现结构图3 4 鉴频器中相关器实现结构图3 4 c o r d i c 算法示意图。3 5 同步模块软仿真时序图3 8 同步模块基带加中频上板同步采样图3 8 o f d m 解调整体结构框图4 0 f f t 模块输入信号时序图4 1 2 0 4 8 点f f t 解调后有效数据频域排列方式4 4 乒乓操作控制模块4 4 提取有效信号模块输出接口信号时序图4 4 o f d m 解调输出值实际采样图4 5 o f d m 解调输出实际采样星座图4 6 q a m 调制星座图4 7 v i i 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 5 6 7 8 9 l l l 2 3 4 5 6 7 8 9 l 2 3 4 5 6 7 8釜参参知孓孓孓弘禾禾禾如年年禾禾年禾禾孓孓孓孓孓孓孓孓孓每每每白每昏每每 图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图 图目录 图6 9 图6 1 0 图6 1 1 图6 1 2 图6 1 3 图7 - 1 图7 2 q a m 软解调实现结构图4 8 旋转补偿后输出实际采样星座图4 8 硬件平台示意图。4 9 接收端v i t e b i 译码后实际数据采样图5 0 基带板照片。5 0 时钟不同源模块设计框图5 1 i 、q 路反接旋转补偿后星座图5 3 v i 表目录 表目录 系统基本参数表。4 相关运算查找表3 2 c s y n cd f r e qd p h a s ee o r d i ci p 的参数设置3 6 c s y n cr i c o d d si p 的参数设置3 7 f f t 模块与i p c o r e 引脚对应表4 0 f f t 核的参数配置表4 l 数据符号的子载波分配表4 2 导频符号子载波分配表4 2 不同信噪比下的误码率5 0 i x l 1 2 3 1 2 3 4 5卜孓孓孓矗昏昏乱岳表表表表表表表表表 缩略语对照表 & 戳g 啜 b r a n c c k c d m a c n c o r d i c c o f d m c p c r c d a b d c o d d s d 盯 d p l l d s s s e t s i f d f d m a f f t f i f o f p g a f s m h d l h d t 、厂 h s d p a i c i 缩略语对照表 a d d i t i v ew l l i t cg a u s s i a nn o i s e b r o a d b a n dr a d i oa c c e s sn e t w o r k c o m p e n s a t ec o d i n gk e ym o d u l a t i o n c o d ed i v i s i o nm u l t i p l e xa c c e s s c o r en e t w o r k c o o r d i n a t er o t a t i o n a ld i g i t a lc o m p u t e r c o d e do r t h o g o n a l f r e q u e n c yd i v i s i o n m u l t i p l e x i n g c y c l i cp r e f i x c y c l i cr e d u n d a n c yc h e c k d i g i t a la u d i ob r o a d e a s t d i 昏t a lc o n t r o l l e do s c i l l a t o r d i r e c td i 酉t a ls y n t h e s i s d i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o r m d i g i t a lp h a s el o c k e dl 0 0 p d i r e c ts e q u e n c es p r e a ds p e c t r u m e u r o p e a nt e l e c o m m u n i c a t i o n ss t a n d a r d s i n s t i u t e f r e q u e n c yd i s c r i m i n a t i o n f r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e xa c c e s s f a s tf o u r i e rt r a n s f o r m f i r s ti n p u tf i r s to u t p u t f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y f i m t es t a t em a c h i n e h a r d w a r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g e h i 曲d e f i n i t i o nt e l e v i s i o n h i g hs p e e dd o w n l i n kp a c k a g e sa c c e s s i n t e rc h a n n e li n t e r f e r e n c e x 加性高斯白噪声 宽带射频接入网 补偿编码键控 码分多址 核心网络 坐标旋转数字计算 编码正交频分复用 循环前缀 循环冗余校验 数字音频广播 数字压控振荡器 直接数字合成 离散傅立叶变换 数字锁相环 直接序列扩频技术 欧洲电信标准协会 鉴频器 频分多址 快速傅立叶变换 先进先出 现场可编程门阵列 有限状态机 硬件描述语言 高清晰度电视 高速下行分组接入 信道间干扰 缩略语对照表 i d f t i e e e 口f t i s i j t a g l f m o m l m s e n c o 0 f d m p a p r p n q a m r t l s n r t d m a u w b w i m a x 、礼a n i n v e r s ed i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o r i i l i n s t i t u t eo fe l e c t r i c a la n de l e c t r o n i c e n g i n e e r s i n v e r s ef a s tf o u r i e rt r a n s f o r i l l i n t e rs y m b o li n t e r f e r e n c e j o i n tt e s ta c t i o ng r o u p l o o pf i l t e r m u l t i p l e - i n p u tm u l t i p l e - o u t p u t m a x i m u ml i k e l i h o o d m e a ns q u a r ee r r o r n u m e r i c a l l yc o n t r o l l e do s c i l l a t o r o r t h o g o n a if r e q u e n c y d i v i s i o n m u l t i p l e x i n g p e a k - t o - a v e r a g ep o w e rr a t i o p s e u d o - r a n d o mn u m b e r q u a d r a t u r ea m p l i t u d em o d u l a t i o n r e g i s t e rt r a n s f o r m a t i o nl e v e l s i g n a lt on o i s er a t i o t i m ed i v i s i o nm u l t i p l e xa c c e s s u l t r aw i d e b a n d w o r l d w i d e i n t e r o p e r a b i l i t y f o r m i e r o w a v ea c c e s s w i r e l e s si 。o c a la r e an e t w o r k x i 离散傅立叶反变换 美国电气电子工程 师学会 快速傅立叶反变换 符号问干扰 联合测试行动小组 环路滤波器 多入多出 最大似然 均方误差 数字振荡器 正交频分复用 峰值平均功率比 伪随机数 正交调幅 寄存器传输级 信噪比 时分多址 超宽带 微波存取全球互通 无线局域网 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 1 年卵阳 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 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、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：秘导师签名：警掣 日期：年月日 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 随着通信技术的不断成熟和发展，如今的通信传输方式可以说多种多样，变 化日新月异，从最初的有线通信到光通信，再发展到现在的无线通信。随着无线 移动通信和i n t e m e t 语音、数据以及视频业务的快速发展，对通信系统的传输速率 要求也越来越高，宽带化和数字化己成为通信技术的主要发展方向。随着d s p 芯 片技术的发展，傅里叶变换反变换、高速m o d e m 采用的6 4 1 2 8 2 5 6 q a m 技术、 栅格编码技术、软判决技术、信道自适应技术、插入保护时段、减少均衡计算量 等成熟技术的逐步引入，o f d m 作为一种可以有效对抗信号波形问干扰的高速传 输技术，引起了广泛关注。人们开始集中越来越多的精力开发o f d m 技术在移动 通信领域的应用。 移动通信是现代无线通信系统中不可缺少的组成部分，它不但集中了无线通 信和有限通信的最新技术成就，而且集中了网络接收和计算机技术的许多成果。 移动通信的发展可以说是相当的迅速，从最初的模拟电话发展到现在的2 g ，2 5 g ， 3 g 系统，仅仅用了短短的二十几年时间。第一代移动通信技术以频分多址( f d m a ) 制式提供普通模拟电话，实际数据速率为2 4 k b i t s ；第二代移动通信采用时分多 址m a ) 制式，支持数据交换，提供数字电话和简短文本传输，数据速率为 1 4 4 k b i t s ；2 5 g 移动通信支持分组交换，目标数据速率为1 1 4 k b i t s ；近年来提出的 3 g 通信技术的目标是：全球统一标准，使用统一频段，提高频谱效率，提供高质 量的多媒体服务，加强安全保密功能，要求数据传输速率在室内环境下达到 2 m b i t s 。从第一代移动通信技术到第三代移动通信技术的发展都是为了有更高的 客户容量，能够承载更多的数据业务，有更高的传输速率，能够覆盖更广的范围。 以后移动通信的目标是：除了把i p 由核心网络( c 扩展到无线接入网( 黜埘) ，使 c n 与无线局域网( w l a m 互联、支持多媒体广播和组播等之外，更重要的是引入 高速下行链路分组接x ( h s d p a ) 技术，采用更好的调制技术，也就是正交频分复用 多载波调制技术( o f d m ) ，从而达到1 0 m b i t s 的下行速率。 o f d m 技术的推出其实是为了提高载波的频谱利用率，或者说是为了改进对 电子科技大学硕士学位论文 多载波的调制用的，它的特点是各子载波相互正交，使扩频调制后的频谱可以相 互重叠，从而减小了子载波间的相互干扰。在对每个载波完成调制之后，为了增 加数据吞吐量，提高数据传输的速度，它对所有将要被发送的数据信号载波进行 合并处理，把众多的单个信号合并成一个独立的传输信号进行发送。另外o f d m 可以利用离散傅里叶反变换和正变换来实现多载波的调制解调，使其实现十分方 便。 o f d m 技术特别适合应用于速度快和带宽宽的无线数据传输，而宽带化和高 速化已成为通信技术的主要发展方向，可见o f d m 技术的应用在未来移动通信的 发展中是十分重要的部分。 1 2o f d m 技术的发展 o f d m 技术在上个世纪六十年代就己经提出，但是由于当时的硬件条件限制， 只限于理论上分析。它的发展经历了几个里程碑式的阶段【i 】【2 】： 上个世纪六十年代由贝尔实验室r w c h a n g 发表的一篇文章“s y n t h e s i so f b a n d 1 i m i t e do r t h o g o n a ls i g n a l sf o rm u l t i c h a n n dd a t at r a n s m i s s i o n ”，提出了多载波 调制的思想，为了限制系统频谱，r w c h a n g 等分析了在经过滤波、带限的多 载波系统中，如何使子载波保持正交。 s b w e i n s t e i n 和p m e b e r t 两人在上个世纪七十年代提出了采用离散傅立叶变 换实现多载波调制的思想，取代并行数据传输系统中的正弦波发生器阵列和相干 解调，使这项技术的应用得以简化，从而解决了原来一个系统中存在多个振荡源 难于实现的问题，为实现多载波调制的全数字化做了理论上的准备。w e i n s t e i n 等 还提出在o f d m 符号之间加入空白的保护间隔来消除符号间干扰，但这种办法不 能保证信号经过色散信道后各子载波之间仍然正交。 在8 0 年代a p e l e d 和a r u i z 提出了d f t 的快速算法，为o f d m 技术走向实 用迈了一大步，此外a p e l e d 和a r u i z 还提出了采用循环前缀( c p ) 的方法，采用 这种方法可以保证信号经过色散信道后，仍能保持子载波的正交性。 1 3o f d m 技术的应用 由于o f d m 技术具有较强的抗多径衰落的能力，非常适合高速数据传输，因 2 第一章绪论 此在许多通信系统中得到了广泛的应用。 1 9 9 5 年，欧洲电信标准委员会( e t s l ) 将o f d m 作为数字音频广播( d a b ) 的调 制方式，用以提供c d 音质的数字音频广播，这是第一个以o f d m 作为传输技术 的标准。数字音频广播标准制定的成功开了0 f d m 应用的先河。 1 9 9 9 年，美国电气及电子工程师学会( i e e e ) 通过了个5 g h z 的无线局域网 ( w l a n ) 标准i e e e 8 0 2 1 】a ；欧洲电信标准化委员会( e t s i ) n u 定了2 4 g 频段的 无线( w l a n ) 标准一一i e e e 8 0 2 1 1 ，以及宽带射频接入网( b r a n ) 的局域网标准 h y p e r l a n 2 ，三者均采用o f d m 调制技术作为物理层标准。 1 9 9 8 年，基于i e e e 8 0 2 1 l 标准的通信产品正式进入市场，在原来1 m b p s 和 2 m b p s 速率的传输标准之上，随后又提出两个新的物理标准：其中之一在2 4 g 频 段采用补偿编码键控c c k ，数据传输速率达到了ll m b p s 。另一个物理层标准则致 力于在5 g 频段采用o f d m 技术，传输速率达到6 m b p s 至5 4 m b p s 。 地面广播电视经历了从模拟黑白电视到彩色电视的发展，现在已经步入数字 高清晰度电视h d t v 阶段。虽然各国采用的数字电视地面传输系统标准不尽相同， 但只有美国的标准采用8 - v s b ，欧洲、曰本和我国均采用了o f d m 多载波调制技 术。 o f d m 还与其他的相关技术结合组成性能更为优越的技术应用在通信的各个 领域。如：与d s s s 结合形成w - o f d m 技术，与快速调频技术结合组成f l a s h o f d m 技术，与阵列天线技术结合组成v - o f d m 技术，与时空编码相结合组成 m i m o o f d m 技术f l l f 【2 】。 另外无线通信标准w i m a x ，又称i e e e 8 0 2 1 6 标准，或广带无线接入标准。 它是一项无线城域网技术，是针对微波和毫米波频段提出的一种新的空中接口标 准。它用于将8 0 2 1l a 无线接入热点连接到互联网，也可连接公司与家庭等环境至 有线骨干线路。它可作为线缆和d s l 的无线扩展技术，从而实现无线宽带接入。 w i m a x 的核心调制技术就是o f d m 技术。 1 4 论文的主要内容及课题来源 本论文的课题来源为空地数据通信系统数字基带的设计，为空中平台与地面 站之间的数据通信系统提供数字基带传输部分解决方案。表1 1 为下行o f d m 传 电子科技大学硕士学位论文 输系统的基本参数表。 本论文为空地下行传输系统选择o f d m 技术，因为，正如表1 1 列i 的那样， 此空地下行传输系统具有高带宽( 2 3 4 m h z ) ，高数据传输速率( 3 2 m b s ) ，低误码率 要求( 信噪比1 5 d b - 1 6 d b 时，要求l o 1 0 巧数量级的误码率) ，而o f d m 技术正是 在带宽宽、速率高的要求下有很好的性能，虽然其移动速度较快f 12 2 4 k m h ) 从而造 成的多普勒频移较高，但是通过好的同步和信道估计算法完全可以纠正。最终 f p g a 实现的测试也证明此系统很好的满足了性能的要求。 表1 1 系统基本参数表 载频石 5 8 g h z 设计数据率 3 2m b s 系统带宽b 3 0m h z 子载波数 1 0 2 4 有敬子载波数帆 7 9 4 有效带宽 2 3 4m h z 子载波间隔a f 2 9 3k h z 循环扩展c p 2 1 6 ( 7 2 u s ) 符号周期珞 3 4 1 + 7 2 - - - 4 1 3u s 保护载波数 2 3 0 调制方式 1 6 0 a m 速度v 1 2 2 4k m h 最大多普勒频移 6 5 7 3h z 信道编码l 2 卷积码，约柬长度为9 本论文的研究工作分为以下几点： ( 1 ) 对o f d m 接收端同步算法的分析。 包括了解盲同步、基于训练序列的同步、半盲同步的算法；对f p g a 实 现所采用算法的分析，即收敛时间，在不同信噪比下的收敛精度，不同系数 下的收敛精度的仿真对比。 ( 2 ) 在f p g a 上实现整个o f d m 接收端的算法。 4 第一章绪论 包括v e r i l o g 代码的编写，运用m o d e l s i m 进行功能和时序仿真，同步、 o f d m 解调、信道估计、q a m 解调、解交织的分块上板调试。 ( 3 ) 整个o f d m 系统的硬件调试。 包括接口设计和代码编写，发送端基带、中频，接收端基带、中频的联 合调试，整个系统的性能测试。 本论文着重介绍基于o f d m 的高速数字图像传输系统接收端的同步和解调的 f p g a 实现。包括o f d m 各种同步技术的介绍，本文所采用的同步算法的介绍及 对比仿真分析，本文采用的同步算法在f p g a 上的实现结构以及仿真和硬件实现 结果，o f d m 解调和q a m 解调实现结构以及仿真和硬件实现结果四个部分。 5 电子科技大学硕士学位论文 第二章o f d m 技术原理 o f d m 是一种特殊的多载波传输方案，它可以被看作是一种调制技术，也可 以被当作一种复用技术。多载波传输把数据流分解成若干子比特流，这样每个子 数据流将具有比原数据流低得多的比特速率，用这样的低比特率形成的低速率多 状态符号再去调制相应的子载波，就构成多个低速率符号并发的传输系统。正交 频分复用是对多载波调$ 1 j ( m c m ) 的一种改进，它的特点是各子载波相互正交，所 以扩频调制后的频谱可以互相重叠，不但减小了子载波之间的相互干扰，而且还 可以大大提高频谱利用率。选择o f d m 的另一个主要原因在于该系统能够很好地 对抗频率选择性衰落和窄带干扰【b 】。 2 1o f d m 的调制解调技术原理 图2 1 给出了o f d m 调制解调原理框图。在发端，高速的串行数据流经过串 并转换后，转换成n 路并行的低速数据流，再调制到n 个正交的子载波上，并行 送入信道进行传输。一个基带o f d m 数据符号的表达式可以写成 1 一l j ( f ) = 寺工( 七) e j 2 x f * t , o t r ( 2 1 ) vk = 0 其中，工( 后) 是第k 个子载波传输的数据符号，一般是从p s k 或者q a m 星座点中 取出，五= k t 为第k 个子载波的频率，t = n a t 为o f d m 数据符号的周期，& 为 采样间隔，n 为o f d m 符号的样点数。各个子载波之间是相互正交的，频谱相互 重叠，因此，可以获得较高的频谱利用率。 在接收端，利用子载波的正交性，可以用一个匹配滤波器组来接收式( 2 1 ) 中 的o f d m 符号。当要从式( 2 1 ) 中解调出第j 个子载波上的信号时，可采用频率为 j t 的谐波，并在时间t 内进行积分，由于各个子载波之间的正交性，当k 歹时， 两个谐波积分值为零，从而能正确的解调出所期望的第j 个子载波上的信号。 在实际应用中，通常利用f f r 变换完成调制解调功能，对式( 2 1 ) 以周期f 进 行采样，可以得到 6 第二章o f d m 技术原理 j ( 刀血) = 专篓x ( 尼弘7 2 石警，。甩一 ( 2 - 2 ) 式( 2 2 ) 为星座符号z ( 七) 的反离散傅里叶变换( i d f d 。在接收机中，可以用一个 离散傅里叶变换( d f t ) 解调。因此频分复用可以在基带实现，而不需要使用传统的 带通滤波器方法。同时，d f t 的快速算法叫f t 算法的发展大大降低了计算复 杂度，从而为o f d m 技术的广泛应用奠定了基础【2 1 。 图2 - 1o f d m 系统基本原理框图 2 2 保护时间与循环前缀 o f d m 技术的一个重要特点就是具有较强的抗多径衰落的能力，通过将高速 的串行数据流转换成多个并行的低速数据流后进行传输，可大大增加数据符号的 周期，减弱多径衰落信道下符号间干扰i s i 的影响。为了完全消除符号间干扰，可 以在o f d m 符号之间插入一段空白的保护间隔。当保护间隔的时间长度大于信道 的最大时延扩展时，一个符号的多径分量不会对其后的符号造成干扰。但是在多 径衰落信道下，插入空白保护间隔会破坏子载波的正交性，引起子载波间干扰i c i 。 为了解决这个问题，p e l e d 等人提出了循环前缀的概念。 复制 o f d m 符号长度 图2 - 2 循环前缀结构 循环前缀，