（电路与系统专业论文）基于电源线传输的ofdm系统设计.pdf

摘 要 摘 要 随着电 子信息技术不断发展， 人们对通信系统的 性能要 求越来越高。 高速率， 高稳定性等都是下一代通信技术中必须优先考虑的因素。正交频分复用技术 c o f d m) 正是由 于具有信道利用率高， 以 及抗干扰能力强等特性从而成为目 前 通信技术研究的热点。 另外一方面， 由于计算机技术和网络技术的不断发展， 人们对家用电器智能 化控制的要求不断提高。 智能家电， 家庭局域网等概念不断涌现。 针对这些需求 寻找到一个廉价的通信方案无疑成为研究的关键。 而电 源线传输技术以 其最低廉 的信道成本无疑具有十分大的优势。 本文针对低压电源线网络特性，结合o f d m技术的特点提出了一种适用于 电源线传输的o f d m系统。论文首先介绍了民用低压电源线网络的特性，并提 出了 该信道的模型。 其次介绍了o f d m系统的 数学模型。 然后分别介绍了o f d m 发送器和接收器的硬件结构， 其中具体阐述了 信道编码模块以及基带调制模块的 基本原理和硬件实现结构。然后针对 o f d m系统中所存在的同步问题进行了研 究分析， 分别分析了时偏同步以及频偏同步对整个系统的影响。 并提出了解决方 案。 最后是整个系统的算法级的仿真结果分析。 关键词: 正 交 频分复 用， 电 源线网 络传输， 信道编 码及解码， 交织反 交 织 i f f t , 同步 ab s t r a c t 目. 目. . . 目. . 叫. ab s t r a c t wi t h t h e d e v e l o p o f i n f o r m a t i o n t e c h n o l o g y , t h e c o m m u n i c a t i o n s y s t e m w h i c h p e o p l e n e e d e d m u s t b e h i g h q u a l i t y . t h e h ig h r a t e o f d a t a t r a n s m itt i n g a n d t h e r e l i a b i l i t y a r e t h e m o s t i m p o rt a n t e l e m e n t s i n t h e n e x t g e n e r a t i o n s y s t e m s . o rt h o g o n a l f r e q u e n c y d i v i s i o n m u l t ip l e x i n g ( o f d m ) h a s r e c e n t l y a c h i e v e d m u c h p o p u l a r it y d u e t o d e s i r a b l e p r o p e rt i e s , s u c h a s h i g h b a n d e f f i c i e n c y ， r o b u s t n e s s t o i n t e r f e r e n c e s a n d s o 0n. o n t h e o t h e r h a n d , w i th t h e c o m p u t e r a n d n e t w o r k t e c h n o l o g i e s , p e o p l e n e e d t h e e l e c t r o n i c a p p l i a n c e w i t h m o r e a u t o m a t i o n a n d i n t e l l i g e n c e . t h e r e f o r e , c o m e s t h e i d e a s c a l l e d in t e l l i g e n t e l e c t r o n i c a p p l i a n c e a n d h o m e n e t w o r k s . h o w t o f i n d a c h e a p e r s o l u t i o n u s e d i n t h i s a r e a b e c o m e v e r y im p o rt a n t . b e c a u s e o f t h e l o w p r i c e , u s i n g t h e p o w e r l i n e a s t h e c o m m u n i c a t i o n c h a n n e l h a s b e e n v e r y a t t r a c t i v e c o n s i d e r i n g a b o u t t h e c h a r a c t e r s o f p o w e r l i n e c h a n n e l a n d o f d m, w e d e s i gne d a o f d m s y s t e m w h i c h c a n b e u s e d i n p o w e r l i n e n e t w o r k s . i n t h e b e g i n n i n g， t h i s p a p e r i n t r o d u c e s t h e c h a r a c t e r s a n d m o d e l s o f p o w e r l i n e c h a n n e l . i n t h e s e c o n d c h a p t e r , w e g i v e t h e m a t h e m a t i c s m o d e l o f o f d m. i n t h e t h i r d c h a p t e r , t h e s t r u c t u r e o f t r a n s m i tt e r a n d r e c e i v e r i n o f d m s y s t e m h a v e b e e n p r o p o s e d， e s p e c i a l l y i n t h e c h a n n e l c o d i n g m o d u l e a n d m o d u l a t e m o d u l e . i n t h e f o rt h c h a p t e r , w e h a s a n a l y z e d t h e s y n c h r o n i z a t i o n a l g o r it h m u s e d i n t h e o f d m. a n d i n t h e l a s t c h a p t e r w e g i v e o u t t h e s i m u l a t i o n r e s u l t s o f w h o l e s y s t e m. k e y w o r d s : o f d m a n d d e i n t e r l e a v e r ， i f f t p o w e r l i n e c o m m u n i c a t i o n ， c h a n n e l c o d i n g a n d d e c o d i n g ， i n t e r l e a v e r s y n c h r o n i z a ti o n 第一章 引言 第一章 引言 1 . 1 o f d m 简介 正交频分多路复用( o r t h o g o n a l f 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 ， o f d m ) 是一种多载波信号基带调制方式。 这种利用频分的多载波进行数据的并行传输早 在六十年代中期就被提出来了【 1 . 1 1 . 2 , 频分复用( f d m ) 基本思想就是把信道 在频域上划分成多个子信道或称子载波，然后在这些子载波上并行的传输数据。 起初这些子载波的是完全独立，子信道之间是没有交叠的，见图1 . 1 . 1 。 这样的 在接收端就可以 利用不同的滤波器将每个子信道区别开来， 从而恢复子载波上的 数据。 后来通过大量的 研究发现如果子载波之间满足一定的 数学关系， 如存在正 交性， 这样虽然子信道之间存在一定的交叠， 见图1 . 1 . 2 。 但由于载波之间的正 交性，完全可以 在接收端通过一定的变化而区分开来， 这样就从原先的f d m系统 演变成了o f d m 系统。 曰鳅川 ! i 1润1111 !凡叭n 曰m曲山 图1 . 1 . 1 传统频分多载波信号 图1 . 1 . 2 正交频分多路载波信号 正交频分多路相对于传统的频分方式有两大显著的优势【 1 . 3 1 ，首先由于正 交频分系统的子信道有一定的交叠， 从而该系统的对信道的利用率较高， 并且由 于是采用并行数据传输方式， 所以o f d m 系统较单载波系统有更高的数据传输率， 一般都能达到几兆比 特每秒。 其次由于子载波之间存在正交性， 较传统的频分系 统子载波之间不易互相干扰。 传统频分系统中， 接收端需要对于每一个子载波都 要设计一套独立的滤波器。而o f d m 系统在接收端利用f f t电路就可以完成将每 个子载波区分开来。 具体原理将在第二章具体说明。 而从而大大降低了 硬件的复 杂度。随着大规模集成电 路( v l s i ) 生产工艺和数字信号处理( d s p ) 芯片水平的不 断发展， 利用硬件实现o f d m 系统成为了可能。 事实上采用o f d m 进行数字通讯中 的基带处理方式已成为全世界研究的热点， 并且也在众多应用中被广泛采用。 如 3 第一章 引言 无线局域网( ka n ) 的工 e e e 8 0 2 . 1 1 a / g 标准， 欧洲数字视频/ 音频广播( d v b / d a b ) 以 及数字登录线( x d s l ) 等均采用的是o f d m 这种基带调制方式。由于各个系统应 用环境及要求不同， 所以 每个o f d m 在具体指标上有所不同，但这些系统均拥有 上面所述o f d m的优点。可见o f d m以成为高速数字通信的一个重要发展方向。 1 . 2电 源线通信简介 电源线传输就是利用低压电 源线作为传输信道进行数据传输。 电 源线信道的 最大优点就是成本低， 电源线随处可见， 从而省去了架设专门数据线的巨 额成本。 利用电 源线信道通信的想法早在电 源线网络出现时就被提出来了， 但由于电 源线 网络环境比 较恶劣， 信道上面的噪声很大， 在该信道上传输的数据极易受到干扰， 所以长期以来一直无法实现在电源线网络上良好的通信效果。 目 前利用电源线信 道传输较成功的系统方式为直接扩频技术。 直接扩频技术的核心就是发送端一些 伪随机序列， 这些序列分别代表被调制的数据。 由于伪随机噪声序列有很好的自 相关性， 并且不易受到高斯白噪声影响， 所以在接收端可以 通过相关检测恢复被 调制的数据。 但由 于直接扩频技术需要发送很长的伪随机序列， 所以 采用这种传 输方式最大的传输速率也就几百k比 特每秒， 这远远无法满足现代的应用所需求 的数据率。 随着电子技术， 通讯技术， 网络技术的不断发展， 消费类电 子逐渐与计算机， 通讯技术结合起来。 人们越来越需要改变以 往分立电子设备的状况， 而希望将他 们都互联起来， 并且做到智能控制。 于是就出现了 家庭网络， 智能大厦等应用要 求。 在这些应用中成本和可靠性是最重要的两个因素。 现有的可能采用的通讯方 式一般分为以下两种。 1 .无线方式 目前存在的无线方式一般为蓝牙技术( b l u e t o o t h ) 和无线局域网 ( w i r e l e s s s l a n ) 。 这两项技术都存在通信距离有限， 对外界干扰大的问 题。并且成本也比较高。 2 有线方式 有线通信最大的优势在于可靠性高。 但由于需要铺设专门的通信数据线， 所以成本也很高，在一个智能大楼里，需要铺设的通信线往往要长达几 千米。而如果采用电源线作为传输信道，这样无疑将大大减少成本。 正是基于对于可靠性， 成本，以及传输速率等因素考虑， 所以我们提出了将 o f d m 技术与电 源线通信相结合的想法。本文对在电 源线传输信道中采用的o f d m 系统在算法级进行了研究和设计。 文章分以 下几个主要部分， 第二章为电源线信 道分析， 主要分析归 纳了电 源线信道的一些主要特性和典型参数。 第三章为o f d m 4 第一章 引言 的系统模型， 包括o f d m 的 连续时域模型和离散时域模型。 第四 章为o f d m 系统介 绍， 包括信道编码， 调制模块等主要模块的原理及其硬件实现。 第五章为 o f d m 系统中同步问题对系统性能的影响。第六章为全系统的仿真结果及性能分析。 第二章 电 源线信道分析 第二章 电 源线信道分析 信道是在发送机和接收机之间提供了连接， 信道的特性将直接影响到发送机 和接收机的设计。 可以这样说发送机和接收机所做的一切工作， 就是为了 抵抗信 道上不良因素的影响，完成数据的完整传输。 对于数据传输来说， 电源线是一个十分恶劣的 信道。 虽然按物理介质划分电 源线信道应该属于有线信道， 但电源线存在着信道开放性和网络的无规律性， 所 以 其十分容易受到外界的噪声干扰， 从某种程度来讲电源线信道比 较无线信道其 信道环境更加恶劣。 尽管如此， 电源线也存在其自 身的优点。 其最显著的 特点是 电源线随处可见，其网络分布十分密集，如果能利用该信道进行数据传输的话， 无疑将减少在铺设专门通信线上所花费的费用。 而相对于无线传输来说， 利用电 源线传输数据不会向外发送高能量的电 磁波，从而减小了 对外界其他设备的千 扰。 所以电源线上的数据传输特别适合于家庭， 小区， 大厦中的设备互联， 实时 监控等对于成本比较看重的应用。 2 . 1 信道特性 电源线信道模型可见图 2 . 1 . 1 ，总的来说电源线信道是频变和时变的 2 . 1 1 仁 2 . 2 1 ， 并且它与发送与接收机所处的具体电 源网络图2 . 1 . 2 也有十分密切 的关系。 图211电 源线信道模型框图 图11 . 2电源网络示意图 h ( f , t ) 是接收发送机所在网络的传输函数，其具有时变和频变的特性。如图 2 . 1 . 3 所示。归纳起来有以 下一些特点。 1 . 信道带宽 民 居室内电 源线网 络有效带宽为一般为5 - 3 0 m h z 范围内， 宽度为2 5 m h z 的区 第二章 电源线信道分析 域。 主要是由 于噪声的 干扰和信道物理特性所致。 电 源线网络的噪声典型分布见 图2 . 2 . 1 。一方面低于 5 m h z 的信道由于受到噪声千扰太大，一般无法利用。另 外一方面由于电源线一般为铜线外包绝缘橡胶， 对于信号无频闭作用， 所以超过 ! n 大 二 ，r 二 _玉 _二 互 _二 _ 乃-10书如 习生，之 朋书动仍切书韵邓 毛0及:，一”苏 o s i s i s 2 0 2 s . f 叫二 9脚旧 习f r e q u t r 叼扣电卜 图2 . 1 . 3 电 源线系统的频率特性和相位特性 3 0 m h z 的信号衰减比 较严重， 导致无法远距离传输。 一般在上述信带范围的信号 有 效 传 输 距 离 为 5 0 0 米 左 右 。 绝 对 阻 抗 z i 在5 m - 2 0 m 范 围 内 随 着 频 率 增 加 而 增 加 并且其最大值和最小值波动范围很大。一般而言在 2 0 k h z其值约为5 5 2 ， 而在 3 0 m h z 约为1 2 0 5 2 。 2 .信号衰减 衰减就是从发射端到接收端信号能量的损失。引起信号衰减的原因有很多， 传输距离的长短， 在传输线上负载不匹配引起的反射， 多经效应等。 电源线信道 衰减一般在4 0 d b / k m 左右【 2 . 3 1 ， 根据不同区域有所不同，具体见表2 . 1 . 表2 . 1电源线信道信号衰减典型值 地点衰减值( d b/k m ) 农村 1 0 0 城市 8 0 工业区 4 0 3 .多径效应 多径效应是指信号从发送端到接收端往往会通过多个路径进行传输， 由于每 个路径的长短和特性不一致， 在接收端往往会接收到经过不同延时和衰减的同一 个信号，也就是所谓的 “ 重影” 。由于电力线网络分布的无规则性，和负载的随 机性， 这种多径效应在电源线信道上就特别突出。 由于这些重影信号在相位上与 发送的信号有相关性。 如果不进行处理， 这些延迟的信息符号将干扰到发送信号 本身以及下一拍发送的信号， 从而引起码间干扰。 电源线网络的最大多径延迟一 般可以 达到0 .5 ,u s ， 在 某 些 极 端情 况下 还 会更 大。 以 上 所 列 举的 参 数 均 为 典 型 值。 由 于电 源 线 网 络 是 个 开 放 的 网 络气 不同 的 地 区和时间，电 源线网络的 信道特性波动很大。一般来讲居民小区较工厂区域好， 第二章 电 源线信道分析 而欧洲等国较我国好， 夜晚较白天好。 所以在设计系统时需要针对不同的应用环 境进行一定的调整。 2 . 2 信道噪声 嚎 ，兰夕居寻三.，2注络e迁 f r e q u e n c y i m h 习 图2 , 2 . 1电源线信道典型噪声分布 噪声是影响信道好坏的非常重要的因素。 电 源线上的噪声与频率， 附载， 时 间， 地点等都有着非常重要的关系， 总得来说电源线信道上存在以下几种主要的 噪声。 1 .周期性的脉冲噪声。所有的电源线上都存在5 0 h z 我国 ( 6 0 h z 欧洲) ，幅度为 2 2 0 v t 1 1 0 v )的 交流电 信号， 对于在电 源线信道上传输的信息来说是一个十 分巨大的周期性脉冲噪声， 这种噪声干扰使得在5 0 h z - 1 0 o h z 范围内的电源线 信道基本无法利用。 2 .色噪声。主要来源于电 源设备，比分说交流发电机等，他们不但会发送本身 周期性的干扰信号，而且还会引起该噪声频率整数倍频率共振，从而引起所 谓色噪声。该噪声随着频率的增加而减小。 3 .窄带频选噪声干扰， 主 要来源于电台， 电 视台 等大功率发送无线电 波的 地方。 这些地方发送的无线电波信号会引起某些频点共振从而导致这些频点无法传送 数据，导致频率选择性干扰。 4 .突发的脉冲干扰 2 . 4 1 ， 主要是由于用电器的电源开关开启或闭合所引起。 此 类噪声虽然在时间上持续时间比较短，但其噪声短时间内功率比较大。 5 高斯白噪声，是所有用电器中都存在的背景噪声。噪声功率不大，但几乎是 一致存在， 持续时间较长。 以上噪声特性主要是参考国外一些资料，总的来说，在5 m h z - 2 5 m h z频段信道上 所受到的干扰还比 较小， 噪声能量均值在一 3 0 d b 左右。 在该频段进行通信还是可 以 获得较好的效果口这就是我们所设计的o f d m 系统选取中心频率为 1 5 m h z ，带 宽为i o m h区域的原因。另外由于我国在用电器的电磁兼容性没有欧美等国家规 第三章 系统模型 第三章 系统模型 正交频分多路复用( o f d m ) 调制的基本思想就是将有效信带划分成多个子信 道 ( 或称子载波) 。 这样每个子信带都属于窄带通信， 使得均衡就变得十分容易。 为了获得到的信道利用率和避免子信道之间的信道干扰， 所以每个子信道上的载 波互相之间都是正交的， 这就是正交频分的由 来。图3 . 1 是o f d m 信号基带调制 示意图， 信道被划分成了n 个子信道， 子信道之间互相有交叠， 但由于子载波之 图3 . 1 o f d m基带信号示意图 间互相是成正交的，所以 可以通过一定的数学方法将其区分开来。 3 . 1连续时域模型 图3 . 1 . 1 所示的 是o f d m 系统的 模型示意图。 发 送端信元d a d , . 心二 ， 分别并 行进入 图3 . 1 . 1 o f d m 系统基带模型 各 自 对 应 的 调 制 器 f w a ( t) . f - , ( t) ， 然 后 组 成 复 合 信 号 s ( t ) = 艺 d , . f , (t) ， 其 中 f (t ) 二 。 一 ， ， 二 n k )t代表卷积。则o f d m 的基带传输公式为式 3 . 1 0 第三章 系统模型 a ( t ) =n -i 、 一 2)t n kt)+ b sin (2 g w kt) 0t 1 6 q a m 或者6 4 q a m 等多幅度相位调制方式。 而为了抵抗信道中的噪声干扰， o f d m 还需要引入信道编码 ( c h a n n e l c o d i n g )和交织( i n t e r l e a v e r ) 等模块以获 得较好的抗噪性能，具体原理和实现方法将在下章硬件结构中说明。 第匹童 o f d m 系 统硬件结构 第四章 o f d m 系统硬件结构 生 . 1发送接收模块结构综述 4 . 1 . 1发射器结构说明 如前章所述， o f d m 调制方式就是需要实现公式3 . 1 ， 为了增加系统的抗千扰 能力和方便接收端进行符号的同步以及频率的同步，还需对 d f d m的调制信号进 行循环嵌缀的扩展和在载波中加入导频 p i l o t ) .整个d f d m发射端的硬件框图 见图4 . 1 . 1 。而相对应的接收端框图见图4 . 1 . 2 . 图4 . l . 1 d f d m 发射模块框图 首先串行的数字信号源进入信道编码模块，在本系统中采用的是卷积编码 ( c o n v o l u t i o n c o d i n g ) 引入冗余位以 抵抗信道中的干扰，然后进入交织模块 ( i n t e r l e a v e r ) 打乱符号之间的顺序， 然后将串 行数据转换成并行的数据( s e r i a l t o p a r a l l e l ) 进入q a m 的映射器w a n m a p p i n g ) ，完成对信源的q a m 编码。然后 并行数据进入工 f f t 模块。其中还需要加入导频数据 p i l o t i n s e r t ) ，其后在完 成并 变串( p a r a l l e l t o s e r i a l ) 的 同时 加入 循环 前缀头( a d d c y c l i c p r e f i x ) , 在此完成整个基带的调制工作。 为了使得有效的利用 d a c的带宽需要对信号进行 深采样的变化( u p s a m p l i n g f i l t e r ) ,然后与直接数字频率合成器( d d f s ) 生成的 载波信号完成混频的工作，最后进入反s i n c函数滤波器输入到d a c 输出。为了 方便接收端进行符号和频率的同步， 在发送有效数据信号包之前， 还需要发送一 定的v i 练模式数据( t r a i n i n g s y m b o l ) 。整个数据帧格式由帧控制器 ( f r a m e c o n t r o l ) 进行 控制。 第四章 o f d m系统硬件结构 4 . 1 . 2接收器结构说明 与发送端相对应， 接收端首先通过a d c ， 然后与本振( l o ) 混频滤波后下载频， 经过符号同步( s y m b o l s y n c ) 模块在时域上对o f d m 进行粗同步， 然后移除循环嵌 缀头( r e m o v e c p ) ， 将串 行信号转换成并行信号( s e r i a l t o p a r a l l e l ) 后送f f t 模块进行基带的 解调， 完成解调后同时获得导频信息供频率同 步( f r e q u e n c y 图4 . 1 . 2 o f d m 接收模块框图 s y n c ) 进行载频的同步工作，之后再将并行信号转换成串行信号工 q a m反映射 ( q a m d e m a p p i n g ) 处理， 其后进行反交织( d e i n t e r l e a v e ) 和卷积解码( v i t e r b i d e c o d i n g ) 的工作最后恢复出 信源信号。 可以 看出接收机的模块设计上与发送机大体上是一一对应的， 卷积编码器与 v i t e r b i 解码器， 交织器与反交织器， q a m 映射器与q a m 反映射器， 工 f f t 与f f t , 我们将在下面几个小节里分别说明其原理和硬件结构。 而在接收机最为关键的 模 块是符号同步模块和频率同步模块， 其设计的好坏直接影响到整个系统的纠错能 力，我们将在第五章详细说明。 4 . 1 . 3参数说明 由于本系统的应用环境是低压电 源线信道， 根据第二章讨论的电源线信道的 特点，我们选取了中心频率为1 5 m h z ， 带宽为i o m h z 的这段信道。该频段噪声较 小，比较有利于信号的传输。 信 道编 码采 用( 2 , 1 , 6 ) 的 卷积编 码 方式， 码 率为r = 1 / 2 ， 编 码生 成多 项 式 为 $ o = 1 3 3 (s ) , 9 ， 一 1 7 1 (s ) 。 解 码 采 用v i t e r b i 最 大 似 然 解 码 器。 交织分为两步。 第一次交织: 1 = ( n c b p s l 1 6 ) ( k m o d 1 6 ) + fl o o r ( k 1 1 6 ) k = 0 , 1 ， 二 ” n c a r s 一 1 第二次交织: j = s x fl o o r ( i l s ) + ( i + n c b r s + fl o o r ( 1 6 x i l n c g r s ) ) m o d s i = o , 1 ， 二 ， n c e r 一 1 其中s = m a x ( n b r s c / 2 , 1 ) 同样与之对应反交织也分为两步 第一次反交织 第四章 o f d m系统硬件结构 i = s x f l o o r ( j i s ) + ( j + f t o o r ( 1 6 x j i n c b p s ) ) m o d s j = 0 , 1 , . . ., n c e r s 其中s = m a x ( n g p s c / 2 , 1 ) 第二次反交织 k = 1 6 x i 一 ( n c .一 1 ) f l o o r ( 1 6 x i 1 n c e p s ) i = 0 , 1 , . . , n c a p s n c a p s 二 为 每 个。 f d m 符 号 所 携 带 的 信 息 比 特 数， 我 们的 系 统 为2 8 8 6 i t e n a p s c : 为 每 个 子 载波 上 所调 制的 数 据， 我 们的 系 统为6 , 所以s = 3 o q a m 编码采用6 4 点q a m ，与之相对应在接收端为6 4 点的d e q a m . 子载波数目 为6 4 ， 所以 采用6 4 点的工 f f t 。 每个子带带宽为1 o m h z / 6 4 = 0 . 1 5 6 2 5 m h z 一个工 f f t 符号周期为6 . 4 ,u s ， 循环前缀为1 / 4 个工 f f t 周期1 . 6 u s 。 所以 总共 一个i f f t 符号为6 . 4 n s +1 . 6 u s = 8 u s 。 表 4 . 1 是上述参数的一个总结。 表4 . 1 o f d m系统参数一览 参数 值 48一4-12 n s d n s p n s g n s f 数据子载波的个数 导频子载波的个数 保护带子载波的个数 所有子载波的个数 子载波的频带宽度 i f f t o r f f t周期长度 6 4 ( n s d + n s p + n s g ) 0 . 1 5 6 2 5 m h z ( = 1 0 m h z / 6 4 ) 6 . 4 u s ( 1 / o f ) :循环前缀头时间长度 1 . 6 u s ( t f f t / 4 ) t s 工 g n a l:o f d m 符号时间长度 n b p s c : 8 / i s ( t g i + t f f t ) 6 b i t n b p s c : 2 8 8 6 i t n d b p s : 每 个子 载波 上所 调 制的比 特 数 c we 载波上调制的比 特 数_ q f d m l 4 rp 面 i- i il n 有 效 信 数 1 4 4 6 i t d a t a r a t e :数据码率 1 8 m b i t / s 第四 章 o f d m系统硬件结构 4 . 2 o f d m 帧结构 4 . 2 . 1时域上的结构 o f d m 帧在时域上的结构见图 4 . 2 . 1 0 卜: ， ;斗 _ 卡 !1 1 . 0 刀s! 6 . 4 ,u s 州 t i m e 图4 . 2 . 1 o f d m 符号帧时域结构示意图 一帧o f d m 符号包含两个o f d m 符号。 第一个为训练模式符号， 发送的为事先规定 好的数据， 以供接收端进行时域同步和频域同步之用， 训练模式数据具体内容在 第五章时 介绍。 第二 个为 数据符号。 整 个帧长为1 6 u s ， 每 个符号均为8 u s ， 其 中 有效 数据为6 .4 u s ， 循 环前缀头1 . 6 u s 。 两个o f d m 符号 在时间 上是连 续的， 这 样有利于对符号头部的捕获。 4 . 2 . 2频域上的结构 o f d m 符号频域上的结构见图4 . 2 . 2 0 6 1 0 2 4 3 1 3 8 5 2 5 8 6 3 f r e q u e n c y 图4 . 2 . 2 o f d m 符号频域结构示意图 整个频带被划分成0 - 6 3 共6 4 个子信道。 根据功能这全部6 4 个子信道被划分 成保护带信道，导频信道和数据信道。 1 . 保护带信道 由于o f d m 属于一个带限信号，将靠近信道边缘的子信道空出不传输数据。 这样即可以避免o f d m 信号对于与之相邻信道上信息的干扰。 也可以 在接收端降 低对于带通滤波器的要求。 所以 本系统规定序号为 0 , 1 , 2 , 3 , 4 , 5 , 3 1 , 5 8 , 5 9 , 6 0 , 1 7 第四 章 o f d m系统硬件结构 6 1 , 6 2 , 6 3 这1 2 个子信道均为保护带信道， 在上面将不传输数据。 2 .导频信道 由于电源线信道属于一个时变信道， 并且发送端和接收端的时钟也存在一定 的相位误差和频偏。所以需要在每一个 o f d m符号中发送一定的导频数据，以供 接收端做时钟回复和频率回复之用。本系统规定将【 1 0 , 2 4 , 3 8 , 5 2 1 这四个子载波 固定作为导频信道，始终发送仁 1 , 1 , 1 , 1 这些数据。四个导频之间间隔都为 1 4 个子载波，所以可以较好侦测出相偏和频偏的影响。具体原理在第五章说明。 3 .数据信道 除了上述两种信道， 剩余的4 8 个子信道全部作为数据信道。对于每一个子 信道均采用6 4 点q a m 调制方式传输数据。 所以每个子信道上可调制6 6 i t 的信息， 一个 o f d m 符号共可以调制6 x 4 8 =2 8 8 b i t 的数据。 第四章 o f d m系统硬件结构 4 . 3信道编码 信道编码的基本思想就是在信源的数据中加入一些冗余的信息位， 如果在信 道中数据受到噪声干扰而出 错就通过这些冗余位上所携带的信源信息对信源信 息迸行一定程度上的恢复. 在高斯白 噪的信道中一般采用两类编码方式 4 . 1 1 , 线性分组码和卷积码。 通过研究发现在相同的编码率r 和解码器硬件复杂相当的 情况下， 卷积码的性能好于线性分组编码， 并且卷积码在w c d m a , c d m a 的t u r b o 便码以及其他o f d m系统中所广泛采用，所以本设计也采用卷积码的信道编码方 式。 4 . 3 . 1卷积编码 卷积码是将发送的信息序列通过一个线性的， 有限状态的移位寄存器而产生 的码。 通常该移位寄存器由k 级( 每级k 比特) 和n 个线性的代数函数生成器组成。 如图4 . 3 . 1 所示。 二进制数据移位输入到编码器， 沿着移位器每次移动k 比特位。 每一个k 比 特输入序列对应一个n 比特输出序列。 因此其编码效率( 码率) 定义为 凡= k / n 。 参数k 称为 卷积 码的 约束长度， 而符 合上诉参数的 卷积码简 称( n , k , k ) 卷积码。 卷积码的 在离散无记忆信道差错平均概率p n ( q 一 i ) q - a o f f , 1 一 q - ( p o - r )ir 1 2 r o 是 升 、， _ 一 _.2， 二 ， _ ， m i l a m 一 0 9 2 不 丁 s. nx o ， -t c m tt , - 在 i e e e 8 0 2 . 1 1 仁 4 的编码生成多项式为s o 图4 . 3 . 1 卷积编码器 2 1 协议中规定所采用的卷积编码为( 2 , 1 , 6 ) 码， 该卷积码 二 1 3 3 (8 ) 9 ， 一 1 7 1 (8 ) 。 生 成的 码 率为r = 1 / 2 编 码 器的 硬 第四章 o f d m系统硬件结构 件结构见图4 .3 .2 . m 4 . 3 . 2 ( 2 , 1 , 6 ) 卷积编码生成器 待编码的比 特信息串行的输入编码器， 每一个时钟移位一次并与编码器中以前所 存留的信息进行相加， 这里的加法为逛罗华域上的加法， 即为异或运算。 在输出 端按先后顺序分别输出g 0 和g i 。 很容易看出， 经过编码器后，当前输入位上所 携带的信息被分配到与他相邻的位上， 这样即使由于噪声的干扰破坏了 某些位上 所携带的信息， 也可以通过该位前后位进行数据的恢复， 这就是卷积编码抗千扰 的基本原理。 由于是输入一位， 输出两位， 所以输出数据的波特率变为输入序列 的两倍。 由于考虑到电 源线信道情况与无线信道比较类似， 同时为了增强模块以 后的复用性在我们的系统中也采用这种卷积编码器。 对于当前输入位来说， 编码器中一个暂存了6 位的信息， 于是输出会与当前 产生的2 6 = 6 4种状态有关。下面我们用一个 ( 2 , 1 , 2 ) 编码生成多项式为 s o 一 瓶， s 1 = 瑞， 卷 积 编 码 器 来 简 单 介 绍 一 下 卷 积 编 码 的 原 理 和 与 之 对 应的 解 码 器的原理。 卷积编码器有以下几种描述方式。 1 .框图描述 图 4 . 3 . 3 是上面所述要求的卷积码编码器的具体硬件结构框图。 该编码器 共保护两个寄存器以 保存前两个时刻输入的 信息比 特， 加法也是基 2伽罗华域 ( g f ( 2 ) ) 上 的 加法 器， 在 这即 为 异 或门 。 输出 按g 0 , g 1 顺 序 输出 。 输出 位宽 均为 l b i t a k叮 k - i o - 3r . 里 n . 4 . 3 .3 ( 3 , 1 , 2 ) 卷积编码生成器 第四章 o f d m系统硬件结构 可以看出这种描述方法最为直观，但对于输入与输出的对应关系仍然无法 直接得到。 2 . 生成多 项式 由上面的框图可以的到( 2 , 1 , 2 ) 卷积码的生成多项式为: g n = 1 + x z , g , = 1 + x + 尸。 写 成 八 进 制 形 式 为g 。 二 5 (8 ) , g 。 二 7 (8 ) ， 这 种 表 示 方 式 最 为 简 便， 但 依然无法直观的得出输入输出的具体值。 3 .状态转移图 编码器中任意一个时刻储存的数据称为编码器的一个状态，( 2 , 1 , 2 )卷 积码的编码器储存深度为2 ， 所以 寄 存器共有四种可能的状态: 0 0 , 0 1 , 1 0 , 1 1 . 随着信息序列的不断输入， 编码器就不断的从一个状态转移到另一个状态， 并输 出相应的码字序列。图4 . 3 . 4 给出了 ( 2 , 1 , 2 )的状态转移图。从图中可以是 分直观的得到输入与输出的关系。图中实线部分表示输入的值为0 , 虚线部分表 示输入值为1 。转移线上的值表示当前时刻的输出。 i ;一 一 - 0 :一 图4 . 3 . 4 ( 2 , 1 , 2 ) 卷积码状态转移图 图4 . 3 . 5 ( 2 , 1 , 2 ) 卷积码网格图 4 网格图 虽然状态图能够表示卷积码编码器在不同输入的信息序列下编码器各状态 之间的关系， 但并不能表示编码器状态转移与时间的关系。 于是就出现了网格图 描述方法，见图4 . 3 . 5 a 对于( 2 , 1 , 2 ) 编码器， 编码器中一共暂存0 0 , 0 1 , 1 0 , 1 1 四种状态，左边序列 为当前寄存器中所保留的状态， 实线代表当前输入为0 , 虚线代表当前输入为1 . 从网格图中可以得出每个状态有两个输入和两个输出分支。每一个分支上的 n ( n = 2 ) 个数 字， 表示 第i 个时 刻 编 码输出 的 码 字c , 二 ( 呀。 ) ， 侧，) ， 因 而网 格中 的 每一条路径都对应于不同的输入信息序列。 由于所以输入的信息序列共有2 ( k 第四章 o f d m系统硬件结构 =1 ) ，因此网格图中可能的路径也有2 k 。通过编码器网格图我们可以很清楚的 看出，卷积编码的过程实际上就是根据输入信息在网格图上走出一条路径如图 4 . 3 . 6 所示，同时产生相应的编码输出。 卜 。 卜 ， ， . : : 二 ， 卜 。 : ， : : 二 : 卜 ， 卜 。 卜 : 1 . 1 . 1 .笼 1 . 1 . 1 . 1 .a 1 1 1 1 % i 1 6 u n 图4 . 3 . 6卷积编码路径图 4 . 3 . 2最大似然解码 对于发送码序列 c ， 经过加性白噪声和出 错概率 的二进制对称信道得到接 收序列r = c +e ， 其中e 为信道噪声所引入的错误序列。 译码器根据接收序列r , 按最大似然译码准则， 找出 编码器在网 格图上所走过的路径。 即寻着最大似然函 数。 我们可以定义穿过网格图的第i 条路径之第j 个分支的量度为在第i 条路径 上 发 送 序 列 为 瑞 ， 、 二 。 , 1 ， 而 接 收 序 列 为 rim ,m 一 0 , 1 的 联 合 条 件 概 率 的 对 数 ， 即 对= lo g p ( 芍 弓 ) , j = 1 , 2 , 3 . 一把 整 个 穿 过 网 格 图 由b 个 分 支 组 成 的 第i 条 路 径 的 量 度 定 义 为 p m , = 全 ,u , 。 判 决 器 的 判 决 准 贝 。 就 是 选 取 量 度 较 大 的 一 条 路 径 。 计算最大路径度量， 可以 计算接收到的码字与编码网格图上可能发送码字之 间的距离。 如果采用硬判据译码， 就是计算接收到的码字与可能发送码字之间的 不同位数总和即汉明距离。 如果采用的是软判据译码， 就是计算接收到的码字与 可能发送码字之间的相对距离， 即欧氏距离。 译码的过程就是不断的在接收到的 码字与可能发送的码字之间求最小汉明距离或欧氏 距离。 以上方法虽然在理论上被证明是最优的译码方法， 但基本上是无法由硬件实 现的。 举例来说， 对于一个信息序列长度l =1 0 0 ， 并且该序列是经过( 2 , 1 , 2 ) 卷积编码器编码后得到的。 那么在编码网 格图上一共存在2 k = 2 1 0 0 条可能路径。 第四章 o f d m系统硬件结构 假设这发送码率为l 0 0 b p s ， 即这 1 0 0 b i t 在 1 秒中全部被译码器接收到，那么即 使是在1 0 0 6 p s 如此低的 信息 速率下， 也要求译码器能 够在1 秒钟内 完成全部2 1 0 0 条路径的比较， 基本上是无法实现的。 正是基于上述原因，出 现了v i t e r b i 算法。 该算法是由于a . j . v i t e r b i 首 先于 1 9 6 7 年在 4 . 2 1 中提出而命名。v i t e r b i 算法不再是计算网格图上所有2 u 条路径， 而是接收一段比较一段， 然后选取一段可能的译码分支，即将很长的l 划分成一小段一小段分别译码，这样就避免了由 于 l过长所需要的巨 大硬件开 销。 最后将每一小段的译码结果拼接起来， 获得整个序列的最大似然译码。 其算 法具体步骤如下。 1 .设在时刻m