（电磁场与微波技术专业论文）基于ofdm的plc通信系统均衡模块的fpga实现.pdf

摘要 摘要 为了能够实现利用电力线接入互联网，使得电力线通信成为现实，在电力线通信系统中， 必须采用抗干扰性能很强的调制方式。0 f d m ( 正交频分复用) 就是这样一种调制方式。但是 因为电力线信道的特点，在系统中加入均衡器也是必须的。本论文就是论述在基于o f d m 的低 压电力线通信系统中均衡器的原理和实现的。 o f d m 系统中的均衡不必像单载波系统中那么复杂，不要求完全消除i s i 和i c l 。在本系统 中，应用l m s 算法的变种归一化l m s 算法实现均衡。尽管l m s 算法有收敛速度慢、对信道 的跟踪性能不好等特点，但由于它的实现简单和计算量小，它的应用还是很普遍的。归一化l m s 算法的使用使得系统不需要额外的信道估计，节省了资源的开销，但带来了系统性能的损失。 均衡模块分时域均衡和频域均衡两部分，时域均衡完成接收机在f f t 运算前对信道的补偿，频 域均衡则加在f f t 之后，用来校正各个子信道的增益和相位。时域均衡模块较频域均衡模块复 杂的多，时域均衡器采用1 6 个抽头的横向滤波器，而频域均衡只是单抽头的滤波器，尽管每个 子信道都需要一个滤波器，但仅仅是简单的重复。系统采用f p g a 实现，按照f p g a 开发流程， 逐步完成v e r i l o g 程序编写，功能仿真，综合，综合后仿真，布局布线，布局布线后仿真和下 板调试等步骤。在第五章，论文给出了程序框架，仿真波形、综合结果和性能分析。 论文结构可划分为绪论和主体两大块。主体部分包括四个部分，分别是o f d m 系统的介绍、 f p g a 芯片和开发环境的介绍、o f d m 系统中均衡算法的研究和均衡算法的f p g a 实现的结果 和分析。论文的重点是后两部分内容。 关键词：低压电力线通信，正交频分复用，均衡，f p g a ，n l m s 一， a b s t r a c t a b s t r a c t i no r d e rt ou s et h ep o w e rl i n et ot u m so nt h ei n t e m e t ，a n de n a b l e st h ep o w e rl i n ec o m m u c a t i o nt o b e c o m et h er e a l i 吼p o w e r l i n ec o m m u n i c a t i o n ss y s t e ms h o u l ds e l e c tam o d u l a t i o nm e t h o do fv e 巧 s n o n ga n t i _ j 锄m i n g 0 f d m ( 0 n 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 st h i sk i n do fm o d u l a t i o n m e t h o d b e c a u s eo ft h ec h a m c t e r i s t i c so fp o w e r l i n ec h a n n e l ，i ti sn e e dt ou s et h ee q u a l i z e ri nt h a t s y s t e m t h i sp a p e rd i s c u s s e st h e p r i n c i p l ea n di m p l e m e n t i o no fe q u a l i z e ri nl o w p o w e rl i n e c o m m u n i c a t i o ns y s t e mb a s e do ni nt h eo f d m i no f c ) 】s y s t e m ，t h ee q u a l i z e rd o e sn o tn e e dt ob es oc o m p l e xj u s tl i k ei nt h es i n g l e c a r r i e rw a v e s y s t e m 1 td o e sn o tr e q u e s tt oe l i m i n a t e1 s ia l l di c ic o m p l e t e l yy e t i nt h i ss y s t e m ，w eu s em e n o m a l i z a t i o nl m s ( n l m s ) a l g o r i t h mt oi m p l e m e me q u l i z e r i tu s e si nv e 巧l a 唱er a n g ef o rs i m p l e a n dl i t t l ec a l c u l a t i o nq u a n t i l m ，a l t h o u g hi th a ss l o w l yc o n v e 唱e n c er a t ea n dn o t g o o dt ot m c kt h e c h a n n e lc h a r a c t e r i s t i c t h es y s t e mn e e dn o tc h a r u l e le s t i m a t i o nf o rn l m sa l g o r i t h m s os y s t e mi s s i m p l ea n de c o n o m i c a l i nr c s o u r s eb u tl o s ti np e r f o n i l a n c e t h ee q u a l i z e rc o n s i s t so ft i m ed o m a i n e q u a l i z e ra n df r e q u e n c yd o m a i ne q u a l i z e r t h et i m ed o m a i ne q u a l i z e ri su s e dt oc o m p e n s a t ec h a n n e l b e f o r ef ft t h ef r e q u e n c yd o m a i ne q u a l i z e ri sa d d e da r e rf f ta n du s e dt oa d j u s tg a i na n dp h a s eo f e v e r yc h a i l dc h a n n e l t h et i m ed o m a i ne q u a l i z e ri sm o r ec o m p l i e xm a nt h e 白j q u e n c yd o m a i n e q u a l i z e r t h et i m ed o m a i ne q u a l i z e rc o n s i s t so fl6t a p sf i l t e r t h e 矗e q u e n c yd o m a i ne q u a l i z e ri so n e t a pf i l t e r i t i ss i m p l yr e p e t i t i o n ，a l t h o u 曲e v e r yc h a i l dc h a n n e ln e e do n et a p t h es y s t e mu s e st h e f p g ar e a l i z a t i o n a c c o r d i n gt of p g ad e v e l o p m e n tn o w ，w ec o m p l e t ev e r i l o gp r o g r a m m i n g ， m n c t i o ns i m u l a t i o n ，s y i l t h e s i s ，s i m u l a t i o na r e rs y n t h e s i s ，r o u t i n g ，s i m u l a t i o na f t e rr o u t i n ga n d b o a r d d e b u g g i n gs t e pb ys t e p 1 n6 f t hc h a p t e r ，t h ep 印e rh a sp r o d u c e dt h ep r o c e d u r ef r a m e ，s i m u l a t i o n p r o f i l e ，s y n t h e s i sr e s u l ta n dp e o r n l a n c ea n a l y s i s t h ep a p e rs t n l c t u r em a yd i v i d ei n t ot h ei n 仃o d u c t i o na n dt h em a i nb o d yt w ob u l k s m a i nb o d yc o n s i s t o ft h e0 f d ms y s t e mi n 仃o d u c t i o n ，t h ef p g ac h i pa n dd e v e l o p m e n te n v i r o 啪e n ti n 仃o d u c t i o n ， e q u a l i z a t i o na l g o r i t h mi no f d ms y s t e ma n dt h er e s u l ta n dp e r f o m a n c ea n a l y s i so ff p g ar e a l i z a t i o n t h ep 印e rk e yp o i n ti st h el a t t e r “v op a n so fc o n t e n t s k e yw o r d s ：l o w p o w e rl i n ec o m m u n i c a t i o n ，o f d m ，e q u l i z e ，f p g a ，n l m s i t 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，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，也不包含为获得东南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已在论文中作了明 确的说明并表示了谢意。 关于学位论文使用授权的说明 期： 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文 的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档 的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借 阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东 南大学研究生院办理。 签名：越导师签名：鞋日 期：竺! ：兰：- 第一章绪论 第一章绪论 1 1 电力线通信技术及应用简介 1 1 1 电力线通信技术的发展历史 电力线通信( p o w e rl i n ec o 嗍u n i c a t i o n ) 技术是指利用电力线作为载体来传送信息的通 信技术。其历史可追溯到2 0 世纪2 0 年代。那时，电力线通信技术主要利用ll k v 以上的高压进 行远距离信息传输，工作频率为1 5 0 k h z 以下，后来，该频段成为欧洲电技术标准化委员会电力 线通信的正式频段。4 0 年代期问，在中高压输电网( 3 5 k v 以上) 上通过电力载波机利用较低的频 率( 9 4 9 0 k h z ) 以较低速率传送数据或话音，成为电力线通信技术应用的主要形式之一。到了5 0 年代，低频高压电力线通信技术已j 。泛应用于监控、远程指示、设备保护以及语音传输等领域。 5 0 年代后至9 0 年代早期的3 0 多年，电力线通信开始应用在中压和低压电刚上，其开发工作主 要集中在电力线自动抄表、电网负载控制和供电管理等领域，但并没有导! 致电力线通信大量的 产品及服务的出现。在低压( 2 2 0 v ) 领域，p l c 技术首先用于负荷控制、远程抄表和家居自动化， 其传输速率一般为1 2 0 0 b p s 或更低，称为低速p l c 。近几年国内外开展的利用低压电力线传输 速率在1 m b p s 以上的电力线通信技术称之为高速p l c 。人们对电力载波通信的热衷来自于几个 方隧，首先，输电网是多条平行金属线结构，理论上这种结构能在相当高的频率下保持低损耗 和低噪声，而电能传输和电器噪声只在低频，占用很小的带宽，完全可以把多余的带宽作为电 能传输的副产品用于通信，与光缆及无线通信相比这种信道资源相当廉价；其次，电网是一个 已经建成层分布极其广1 泛的整体网络，绝大部分电器都能接触到这个网络，通信建立相当方便； 此外，电网巾的变压器和电能表对通信频率起到阻隔作用，各级i 捌络相互保持独立，这大大增 强了电力通信的频率复用功能，也简化了网络维护。 随着i n t e r n e t 技术的飞速发展，利用2 2 0 v 低压电力线传输高速数据的价值越来越为人们 所重视，因为它具有不用布线、覆盖范围广、连接方便的显著特点，被认为是提供“最后一公 里”解决方案最具竞争力的技术之一。目前高速p i 。c 已可传输高达4 5 m b p s 的数据，而且能同时 传输数据、语音、视频和 b 力，有可能；带来“四网合”的新趋势。 第一章绪论 1 1 2 低压电力线通信技术的商业化运营情况 1 、国际市场 英国联合电力公司的子公司n o r w e b 通讯公司在1 9 9 0 年开始对电力线载波通讯进行研究。 1 9 9 5 年，该公司又与加拿大n o r t e l ( 北电网络) 公司联手，共同开发这项新技术。1 9 9 5 1 9 9 7 年的两年问，n o r w e b 和n o r t e l 公司已经成功地在英国曼彻斯特对2 0 个居民用户进行了试验， 其中包括话音服务。1 9 9 8 年3 月2 5 日，两家公司成立合资公司n o r w e b ，进行该技术的市场推 广。从此以后，包括美国、西班牙、德国和韩国在内的许多国家的研究机构开展了高速电力线 技术的研究和开发，产品的传输速率也从1 m b p s 发展到2 m b p s 、1 4 m b p s 、2 4 m b p s ，甚至4 5 m b p s 。 当前，在高速p l c 进行商用化运营方面走在前列的是德国公司。早在2 0 0 0 年5 月，德国电 力公司r w e 就开始采用瑞士a s c o m 的产品为埃森的电力用户提供电力线数据服务，数率达到 2 m b p s 。截至2 0 0 1 年1 0 月，r w e 电力线通信公司大致安装了1 5 0 0 个电力线上网用户。在德国 的曼海姆，当地的 i v v 公司和以色列m a i n n e t 公司成立了合资公司p p c ( p o w e rp l u s c o 姗u n i c a t i o n sa g ) 。p p c 为每个终端用户提供3 5 0 k b p s 1 2 m b p s 的带宽，典型小区的用户数 为2 5 0 到3 0 0 户，最大传输距离为5 0 0 米，一般的典型传输距离为1 5 0 、1 8 0 米。到2 0 0 3 年底在 曼海姆用户数已经达到1 2 0 0 0 0 户，并计划在2 0 0 6 年的达到5 0 0 0 0 0 户。 2 、国内情况 自从英国诞生高速p l c 技术以后，我国的研究机构也进行了相应的研究，取得了一定的成 果。中国电力科学研究院自1 9 9 9 年开始从事高速p l c 的研究工作，开发了2 m b p s 、1 4 m b p s 、4 5 m b p s 等高速p l c 系列产品。并于2 0 0 1 年8 月起在沈阳电业新村小区建立了我国第一个高速p l c 实验 网络，开通了基于该网络的数字化社区。福建电力试验研究院基于家庭插电联盟标准，研制了 1 0 m b p s 电力线调制解调器。 从2 0 0 1 年1 2 月起，国电通信中心开始组织国内外厂商在北京的一些小区开展电力线上网 实验。包括广华轩小区的韩国x e l i n e 公司1 4 m b p s 产品、华景园小区的瑞士a s c o m 公司4 5 m b p s 产品( 含i p 电话功能) 、善果小区的福建电力试验研究院1 0 m b p s 产品、岳峰园小区的美国l e a p 公司1 4 m b p s 产品、椿树园小区1 6 号楼的西班牙d s 2 公司4 5 m b p s 产品，以及华能平渊里小区3 号楼中国电力科学研究院的1 4 m b p s 产品等。 3 、低压电力线通信的国际组织 电力线高速通信的国际组织主要有家庭插电联盟| i p a ( h o m e p l u gp o w e r l i n ea 】1 i a n c e ) 、电 2 第一章绪论 力线通信论坛p l cf o r u m 、p a l a s ( p o w e r l i n ea sa na 1 t e r n a t i v el o c a la c c e s s ) 、以及日本 的e c h o n e t 。 家庭插电联盟成立于2 0 0 0 年4 月，由思科、英特尔、惠普、松下和夏普等1 3 家公司组成， 致力于创造共同的家用电力线网络通信技术标准。目前h p a 现已发展成为由9 0 家公司组成的企 业集团，并选用美国i n t e l l o n 公司的技术作为统一技术标准的原型。2 0 0 1 年6 月，四a 发布了 其标准的第1 个版本h o m e p l u gs p e c f i c a t i o n l 0 ，将数据传输速率定为1 4 i b p s ，采用0 f d m 调制解调技术，m a c 层协议为c s m a c a 。该标准定位于家庭内部网络应用，对户外高速电力线接 入较少涉及。 凹a 和p l cf o r u m 的组织架构较为松散，两者性质相同，都是平台性的论坛结构，两者之 间的工作大约有4 0 是重叠的，田a 偏重于室内联网，而p l cf o r u m 则侧重于接入部分，它们 使用不同的频段。另一个区别在于，p l cf o r u m 主要与电力公司打交道，而胛a 主要针对用户 进行工作。考虑到频率划分的兼容性问题，p l cf o r u m 提出了对户内外使用频率的划分建议， 目前已得到e t s i 的支持。目前该组织正致力于放宽对p l c 的电磁辐射限值，并纳入国际标准。 p a l a s 将目标定位于为高速p l c 市场上的潜在用户开发一套完整的、商业化的测试服务工 具包，该工具包包括技术模拟和咨询工具、最初的商业和转型服务模型以及具体的产品策略。 除此之外，p a l a s 还提供一套综合方法，以减少产品面市的时间，增强产品在市场、技术、组 织和经济问题上的确定性。 2 0 0 1 年，日本6 0 家有关企业设立了联合机构“电力线载波通信设备开发会”，研究用电 力线作通信线路的技术。2 0 0 5 年1 月8 日，日本松下电器产业公司、三菱电气公司和索尼公司 在拉斯维加斯举行的消费电子博览会上宣布组建了“消费电子电力线通信联盟”。 1 1 3 低压电力线通信技术应用的发展模式 根据当地电网的配置情况和各种i n t e r n e t 接入技术市场化程度的不同，当前高速p l c 技术 主要有两种发展模式： 其一为以美国为代表的家庭联网模式。这种模式的p l c 只提供家庭内部联网，户外访问使 用其它传统的通信方式。这一方面是由于美国a d s l 、h f c 等技术和产品已经比较成熟和普及， 更重要的是由于美国的低压配电变压器一般为单相，平均只为5 6 个用户提供供电服务，推广 高速p l c 接入技术成本过高的缘故。 另一种模式是面向欧洲和皿太市场的。因为这些地区的低压配电网结构比较类似，一般为 3 第一章绪论 2 0 0 3 0 0 个用户提供供电服务，推j 高速p l c 接入服务平均成本较低。该应用模式提供自配电 变压器或楼边至用户家庭的全面p l c 解决方案。由于室外产品同室内产品的使用环境不同，技 术上实现起来难度较大，因此能够提供该种方案的公司数量较少，主要有西班牙d s 2 公司、瑞 士a s c o m 公司、以色列m a i n n e t 公司等。这几家公司在欧洲的西班牙、德国、奥地利、法国和 亚洲的韩国、新加坡、香港等国家和地区建有实验网络。 1 1 4 低压电力线通信面临的问题和主要技术手段 由于电力线是给用电设备传送电能，而不是专门设计用来传送数据的，所以电力线作为数 据传输的通道存在许多问题，其中，最主要是噪音干拢和信号衰减。电力线通信的噪音在电力 信道中，最严重的干扰源几乎没有与简单的高斯白噪声相同的地方，它们既可以是脉冲的也可 以是频率选择性的，或者两者兼有。它们主要来自于低压电网相连的负载，以及无线电j 播的 干扰，而信号的衰减是与通信信道的物理长度和低压电网的阻抗匹配相关的。由于负载的开关 会引起电力线上供电电流的波动，从而导致在电力线的周圈产生电磁辐射，所以，沿电力线传 送数据时，会出现许多意想不到的问题。在这样的噪声环境下，很难保证数据传输的质量。而 且，电力线通信的噪声和信号衰减是随时涧变化的，很难找到规律。因此，电力线通信的环境 极为恶劣。 以前，低压电力线通信所采用的技术主要有f s k 技术、扩频( s s ) 技术等。f s k 主要存在的 问题是各种噪音对通信质量的影响和带宽限制对传输速率的制约；s s 技术速率较高，抗干扰性 能优异，但占用频带宽，均衡实现复杂。目前，正交频分复用技术( 0 f d m ) 技术在低压电力线 通信的应用中越来越成为热门。家庭插座电力线联盟( h p a ) 在2 0 0 1 年七月宣布确立的高速电力 线网络通信协议的1 0 版本中采用的关键调制技术就是0 f d m 技术，可以在配电网电力线上实现 1 4 m b s 的数据传输。就在刚落幕不久的美国拉斯维加斯2 0 0 4c e s 展会上，松下电器公司公布 了其最新的皿一p l c 技术，不仅在成本、高速方面取得进展，而且通过0 f d m 调制和w a v e l e t 压 缩方式，将干扰噪音降至原来的1 5 。据称，应用此技术，使用电力线的家用网络通信技术最 大数据传输速度可达1 7 0 m b i t 秒。 第一章绪论 1 2 低压电力线通信系统信道环境分析 o f d m 系统是多载波调制，信道被分成许多子信道，如果子信道带宽足够小( 或者说，子 信道数目足够多) ，那么每个子信道内的频谱响应可视为平坦的。同时，循环前缀技术的引入， 使信道与信号的卷积运算近似为循环卷积，因而只要信道迟延小于循环前缀，o f d m 系统可以 很好的克服i c i 和i s i ，这时，o f d m 系统中的均衡仅相当于单载波通信中的简单的均衡技术， 而不需要c d m a 通信中复杂的均衡技术，在较好的通信环境中，甚至可以不使用均衡技术来对 信道补偿。 低压电力线通信是不可能做到这一点。原因就在于复杂而又恶劣的低压电力线信道环境。 电力网是为各种用电设备传输电能而铺设的网络，并不是专门设计用来传递信息的。电力 网在网络结构、布局以及物理特性等方面与专门设计用来通信的媒质( 例如：双绞线、铜轴电 缆、光纤等) 构成的网络有很大的区别，因此在这些网络中成功运用的一些技术手段并不能照 搬到低压电力线通信中。而且，电力网随应用地域，应用范围，所接负载不同，表现出来的信 道特性亦有很大变化，故而，在一个电网成功应用的产品，在应用到别的电网中往往不能达到 理想的要求。 总的来说，低压电力线信道主要在以下两方面与传统的通信信道不同： 1 、它的噪声特性不是表现为高斯白噪声，分布在0 5 m h z 2 0 m h z 的频段噪声特性主要表 现为窄带干扰和脉冲噪声。研究表明，电力线上的噪声主要可以分为以下五类： 1 ) 有色背景噪声：功率谱密度较低，随频率变化。这种噪声主要由大量低功率的噪声源产 生。它的功率谱密度随时间变化很慢。有色背景噪声的功率谱密度的分布范围一般为 一1 6 0 d b v 2 h z 一1 2 0 d b v 2 h z ，最坏情况下可能达到一1 1 0 d b v 2 h z 。 2 ) 窄带噪声：类似于幅度调制的正弦信号。这种噪声主要由处于中短波频段的广播站信号 的干扰导致。它通常随着白天与夜晚而不同，夜晚一般比白天幅度高。 3 ) 周期脉冲噪声( 与电网频率不同步) ：这种周期噪声的重复周期一般在5 0 k h z 2 0 0 k h z ， 在频域表现为离散线谱。这种类型的噪声一般由电源的开关电源操作产生。 4 ) 周期脉冲噪声( 与电网频率同步) ：主要由与电网同步的功率控制器件( 可控硅器件工作 时) 产生，噪声频率与电网频率同步，重复周期是5 0 h z 或1 0 0 h z ，它的持续时间短( 几毫秒) ， 功率谱密度( p s d ) 随频率的增加而降低。 5 ) 异步脉冲噪声：由电网设备的开关动作产生，持续时问从几微秒至几毫秒，到达时间随 机，p s d 有时会高出背景噪声5 0 d b 左右。 因而电力线信道的噪声是一种时变噪声，并随着环境的不同而改变。各种噪声的时变性很 5 第一章绪论 强。背景噪声随着人为活动缓慢变化；周期性脉冲噪声和异步脉冲噪声不仅随着时段不同而变 化，而且随着电网5 0 h z 工频按1 0 0 h z 频率作瞬时时变。 2 、低压电力线信道是一种多径衰落模型。由于电力线缆各连接点处的不匹配，而且网络结 构导致了大量的反射，附加的衰减路径( 回声) 将导致传输函数的频率选择性，这说明电力线 信道是一个多径信道模型。具体来说，随着传输距离的增加，信道频响特性中出现比较陡峭的 频响特性，而且有很深的衰落。进一步分析表明，信号的衰减是距离和频率的指数函数。 因此，通信信号在低压电力线信道中传输会发生非常严重的时延、衰减和畸变。尽管0 f d m 调制方式有很强的抗干扰和抗衰减能力，同时也引入循环前缀技术较好的克服了i s i 和i c i ，但 由于低压电力线信道的迟延变化范围非常大，如果单纯采用增大循环前缀的方法消除i c i 和 i s i ，会带来系统性能的严重损失，特别是在系统大容量高速度传输数据的情况下，信道的散射 将不可忽略，更是不可能完全消除i c i 和i s i 。均衡技术的引入，则可以很好的解决这些问题。 6 第二章0 f d m 系统介绍 第二章o f d m 系统介绍 2 1 0 f d m 技术的发展历史、主要思想和优缺点 2 1 10 f d m 技术的发展历史 频分复用( f d m ) 技术早在上个世纪5 0 、6 0 年代就已经被应用到军事上，而正交频分复 用技术( o f d m ) 的发展历史可追朔到上个世纪6 0 年代。c h a n g 在1 9 6 6 年首先提出了o f d m 的概念，接着，s a l t z b e 唱研究了在多载波系统中子载波信道之间干扰问题，分析了将正交幅度 调制( o q 舢v i ) 应用于多载波系统中的性能。然而，对o f d m 技术发展贡献最大的是w e i n s t e i n 和e b e r t ，他们于1 9 7 1 年提出了利用离散傅氏正反变换( i d f t 和d f t ) 实现基带信号的调制 和解调，解决了o f d m 技术的工程可实现问题。但是，由于当时实现该技术的费用非常高，因 此，一直未被人们所关注。直到今天，随着数字信号处理和微电子技术的高速发展，才使0 f d m 系统的实用化成为可能。 2 1 20 f d m 技术的主要思想 0 f d m 的主要思想就是在频域内将给定信道分成n 个正交子信道，在每个子信道上使用一 个子载波进行调制，将串行数据转化为n 个并行数据分配给这n 个不同的正交子载波，实现并 行数据传输。通常利用i d f t 和d f t 或者i f f t 和f f t 实现正交频分复用发射和接收。由于子 载波空间相互正交，因此，相互重叠的子载波不会产生相互干扰。为了有效地解决由于信道脉 冲响应延时扩展、载波频率偏移和符号时钟不同步等引起的码间干扰( i s i ) 和子载波信道问干 扰( i c i ) 问题，w e i n s t e i n 和e b e r t 提出了在o f d m 符号之间插入保护区间( g s ) 的方法。但 是，在色散信道中，该方法不能保证子载波之间的正交。针对此问题，p e l e d 和r u i z 在1 9 8 0 年 引进了循环前缀( c p ) 概念，即将0 f d m 信号尾部的一部分信号复制到保护区间中，只要c p 的长度大于色散信道的脉冲响应长度，就能够保证子载波的正交。 2 1 30 f d m 技术的优缺点 总的来说o f d m 技术有下列几个优点： 第二章o f d m 系统介绍 ( 1 ) 频谱利用率高。由于子载波频谱相互重叠，因此，充分利用了可以利用的频带，提 高了频谱利用率： ( 2 ) 较强的抗多径能力。由于o f d m 的符号符号间隔比较长，对多径效应、脉冲噪声和 快速衰落有较强的抵抗能力； ( 3 ) o f d m 信号调制解调实现简单。利用i f f t 和f f t 技术可以有效地实现o f d m 信 号的调制和解调： ( 4 ) 抗频率选择性衰减。由于o f d m 信号是通过许多相互正交的子载波信道传输的，频 率选择性干扰一般只影响其中的几个子载波信道，若这几个子载波信道传输的数据无法接收， 则利用相邻子载波信道正确接收的数据，通过纠错技术恢复丢失的数据。因此，o f d m 系统比传 统的单载波系统有更好的抗频率选择性衰减能力： ( 5 ) 利用循环前缀信号消除i s i 和i c i 干扰。 ( 6 )良好的纠错能力。利用适当的信道编码模式和纠错技术，如r e e d s o l o m o n 编码和卷 积编码技术，可以纠正由于频率选择性衰减和突发干扰而丢失的数据符号： ( 7 ) 简单的信道均衡技术。由于信道的可利用频带被划分成许多窄带子信道，而每一个 窄带子信道可看成平坦衰减信道，因此，采用单载波系统使用的简单信道均衡技术就可以满足 系统性能要求，不需要c d m a 系统所使用的复杂的自适应均衡技术； 因为o f d m 系统的诸多优点，该技术己成功应用于欧洲的d a b ( d 罾t a la u d i ob r o a d c a s t ： 数字音频广播) 和d 一t ( d i g i t a l d e ob m a d c a s t ：地面数字视频广播) 等广播系统、无线局 域网( w l a n ：w i r e l e s s l a n ) 、非对称数字用户线( a d s l ) 以及无线a t m ( a s y n c h r o n o u st r a i l s f e r m o d e ) 中，并正在扩展它的应用范围。 但是o f d m 系统由于存在多个正交的子载波，而且其输出信号是多个子信道的叠加，因此 与单载波系统相比，存在如下缺点： ( 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。由于电力线信道的时变性，在传输过程中容易出现信号频谱偏移或发送机与接 收机本地振荡器之间存在的频率偏差，都会使o f d m 系统子载波之间的正交性遭到破坏，导致 子信道问干扰( i c i ) ，这种对频率偏差的敏感性使o f d m 系统的主要缺点之一： ( 2 ) 存在较高的峰值平均功率比。多载波系统的输出使多个子信道信号的叠加，因此如 果多个信号的相位一致时，所得到的叠加信号的瞬时功率就会远高于信号的平均功率，导致较 大的峰值平均功率比( p a p r 。p e a l ( 一t o a v e r a g ep o w e rr a t i o ) 。这就对发送机内放大器的线性度 8 第二章o f d m 系统介绍 提出了很高的要求，因此可能带来信号的畸变，使信号的频谱发生变化，从而导致各个子信道 间的正交性遭到破坏，产生干扰，使系统的性能恶化。 2 2o f d m 的基本原理 2 2 1 多载波通信 对于特定的信道特性，通信系统的设计人员必须在发送功率和接收机复杂性受约束的情况 下决定如何有效地利用可用带宽来可靠地传输信息。对于一个非理想线性滤波器信道，在单载 波系统中，时间弥散一般比符号速率大得多，因此信道的非理想频率响应特性导致了i s i 。而多 载波系统中将可用带宽划分为若干子信道，每一条子信道近似于理想。假设c 是一个非理 性的带宽为w 的带限信道频率响应，加性高斯噪声功率谱密度为哦。将带宽w 划分成宽 度为f 的= 聊个子带，选择v 足够小，以至在每一个子带中，c 尸或。近似 为常数。选择发送信号功率的频率分布为p ，其约束条件为 l p ( 厂) 矽p 。 ( 2 1 ) 式中，r 。是发送机可用的平均功率。然后，在n 个子信道上发送数据。 在理想情况下，a w g 烈信道的容量是 卜川0 8 ：a + 最( 2 吲 式中，c 是容量，单位为比特秒舭夕。在多载波系统中，当4 厂足够小时。子信道的容量 c ，删 掣铲， q q ， 因此，信道的总容量为 c = 粪c ，嘶鼢： 掣， q 叫， c = c ，= v 1 0 9 ：( 1 + 等学) ( 2 叫) i = 1- 、 yn n j ij 当矽j0 时，可得 c = 她叶瓮铲阿 c 2 在式( 2 一1 ) 中确定的p 约束条件下，使c 最大化的p 可以通过下列积分式的最大化 来确定： 9 第二章o f d m 系统介绍 脚：叶瓮簪m c 朋 c 2 吲 式中，入为拉格朗日( l a g r a n g e ) 乘法因子，可以选择它以满足约束条件。通过变量的微积分 进行最大化运算，则发送信号功率的最佳分布式下列方程的解 二+ 兄= o ( 2 7 ) 尸( 厂) + 。( ) ic ( ) j 2 因此，p + 函。c 尸必须是常数，调整该值可满足式( 2 1 ) 中平均功率的约束 条件，即 p c 厂，= k 一m ? 川c 厂川2 ；主荔； c 2 8 ， 由上分析可知，多载波调制提供一个能产生接近于容量的传输速率的解决方案，多载波调 制将可用的信道带宽划分为若干较窄宽度4 = 彤，的子带。每一个子带中的信号可以独立编 码，并以同步符号速率1 4 厂且最佳功率配置p 来调制。 2 2 20 f d m 信号和频谱 从本质上说，例吖是实现多载波系统的一种新方式。与一股的删信号不i j 的是钟：删 由于采用了正交的子载波，允许各个子载波频谱重叠，因此可以极大的提高频谱利用率。 假设 是一组个正交的载波的频率，其中各个载波的频率关系为： = 丘+ ，尼= o ，1 ，人，一1 ( 2 9 ) 式中，丁是单个码元的持续时间，r = j 4 工 假设这一组个正交的载波为： y ，女( f ) 2g 女o 一，丁) ( 一 ， + o 。) ( 2 一l o ) ，是时间下标为整数，式中的g 女( f ) 取 引归k 0 d 淼，沪 图2 1 给出了单个子载波的频谱和仞m 符号波形的比较。 1 0 第二章o f d m 系统介绍 图2 10 f d m 信号( n = 1 6 ) 与单载波信号频谱比较 ( f ) 满足以下的正交条件： e f ，m ( f ) 少n 女( f ) 出= o ，f i 卯七尼 c | 岷酬2 研一 ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) 以有限复数集 c ，( 尼) ) 表示数字信号，并用少卅( f ) 对其调制，其复数表达式如下： + 一l j ( f ) = c 舭) ，。( f ) ，= 一m = o ( 2 1 4 ) s 以j 即为调制后得到的o f d m 信号，图2 2 给出了s 以夕的各个子载波在频域上的频谱 交叠情况： 图2 2o f d m 的频谱交叠 由图中可以看出，各个子载波在调制后的频谱是相互重叠的，每个子载波频谱的波峰正好 位于所有其它子载波频谱的零点，这是由子载波的正交性决定的。 在接收端，数字信号q ( 尼) 可通过相干解调进行恢复 哪) = 亭e 印) 讥砸渺 ( 2 一1 5 ) 假定系统传输速率为肋i t s 的b 船k 信号，d j 叼吖符号波形为矩形，且只考虑频谱主瓣。 如图2 3 所示，o f d m 系统所用的主瓣带宽为彬，砌= ( + 1 ) r ，而传输速率r 硼，这里丁 第二章o f d m 系统介绍 为d f d 彻d m 时域符号的长度，且j 厅为o f d m 子载波间隔。而对于删系统，为保证接 收端正确区分各个子载波，删个子载波之间的主瓣不能重叠，所以f d m 的信号主瓣带宽为 矽砌= 2 丁，同样传输速率r 硼。因此当n 趋向于无穷大时，f d m 系统的所用带宽仍为 2 j r ，而删系统的带宽为艘彬胁= 溉( + 1 ) 丁= 熙型笋r = r ，比删系统节约 了一半带宽，而两者的信号速率相同，所以o f d m 系统的频谱利用率舯是f d m 系统的两 倍。另外可以发现，当足够大时，则可忽略0 删两端子载波的旁瓣，其带宽近似为4 ， 而系统抽样率也为4j ：，恰好等于其奈奎斯特抽样率，引起的频谱失真很小。 飞乡 哪名| 影p ( 2 。n ) 1 厂r 图2 3o f d m 与f d m 信号的频谱比较 2 30 f d m 系统的实现 2 3 1 直接法实现0 f d m 系统 _ ，2 矾f ，e 2 秭f ，人e ，2 矾f ，人e _ ，2 矶 是一组典型的正交信号，其中取工：门， 4 厂= j 丁，z = o ，1 ，2 ，人，一1 。利用这样一组正交信号作为子载波对码元周期为丁的成形波形 进行调制就形成了o f d m 所发送的信号。接收机的解调器也是由这样一组正交信号在【o ，丁】内分 别与发送信号进行相关运算实现解调的。 1 2 第二章o f d m 系统介绍 图2 4 直接产生0 f d m 系统原理图 上图就是直接产生0 f d m 信号的原理图，其中映射器是指子信道上的编码调制( 如q a m ， m p s k ) 。编码调制产生的复数序列用 c ) = 口( 尼) + 弘( 七) ) 尼= o ，l ，a ，一l ( 2 1 6 ) 表示，此复数序列经串并变换器后调制到个子载波，叠加后所得到的传输波形可表示为： j v l x ( f ) = 日( 七) c o s ( 2 矾f ) 一6 ( 七) s i n ( 2 矾f ) ( 2 1 7 ) 式中6 ( 尼) 前面加“一”号是为了解调时的方便。 假设基带调制后的信号x ( f ) 经过a w g n 信道，接收到的信号是： ，_ ( f ) = x ( f ) + n ( f ) 式中n ( f ) 是信道的加性高斯白噪声。 ( 2 1 8 ) 因0 f d m 的各个子载波是正交的，所以可以在接受端进行如下的相关解调： a ( 七) = 争f r r c o s ( 2 矾咖 = 争1 7x ( f ) c o s ( 2 矾f ) 巩+ 争1 7 巾) c o s ( 2 矾f ) 西 ：( 七) + ，l 。( 七) 1 2 1 9 争r 心) 知川) 6 ( 七) + 月6 s i n ( 2 矾f ) 西 s i n ( 2 矾f ) 班+ 争卜( f ) s i n ( 2 矾f ) 出 七) 1 3 第二章o f d m 系统介绍 使用图2 4 的结构来设计0 f d m 系统是不现实的。系统中要为每个子载波设计一个独立的发 送和接收通道，这个通道包括一套调制、解调、混频、滤波、放大等功能器件。当很大时， 系统的复杂性和设备成本将急剧增大，最后变得不可接受。而且在系统中同时提供大量准确而 且稳定的子载波本振频率对于系统设计者来说也是个巨大的挑战。 2 3 2 利用d f t id f t 实现0 f d m 系统 s b w e i n s t e i n 和p m e b e r t 在1 9 7 1 年发表的论文中指出0 f d m 的调制解调可以利用点 的i d f t d f t 来快速实现，大大降低了0 f d m 系统实现的复杂度。 下面我们基于0 f d m 的原理，推导0 f d m 的i d f t d f t 实现的方法： 因为c 调制到第k 个载波e 7 2 矾，所以合成的o f d m 信号可以表示为： i ，一ll x ( f ) = r e c - p 。2 矾 f o ，丁】 ( 2 2 0 ) l 七= 0j f ，为抽样时( c 0 ，c ，人，c 一1 ) 的时间间隔，显然丁= f ， j x 。，= r e 篓c 。p 2 州c + ；) ) = r e 蓑c 。e j 2 础 e ，2 矾。) c 2 2 ， = x ( f ) 的低通包络记为： 如果以，2 必为采样频率对s ( f ) 采样， o ，t 内共采集n 个样值。 由上式，我们可以写成： ( 2 2 2 ) 0 以一1( 2 2 3 ) j s 。= 专蓑c 。e ，2 瘕号 。n 一-c 2 2 4 ， 可见，对s ( f ) 以六抽样得到的n 个样值g 。) 正好是p 女) 的逆变换。因此o f d m 可以由d f t 实现： 在发端