（计算机应用技术专业论文）基于fpga的ofdm调制解调器研究与实现.pdf

学位论文数据集 中图分类号 t n 9 1 9 6 学科分类号 5 i o 5 0 1 5 论文编号 10 0 10 2 0 1 10 7 2 7 密级无 学位授予单位代码 l o o l o 学位授予单位名称北京化工大学 作者姓名毕金鑫 学号 2 0 0 8 0 0 0 7 2 7 获学位专业名称计算机应用技术获学位专业代码 0 8 1 2 0 3 课题来源校级项目研究方向 无线通信技术 论文题目 基于f p g a 的o f d m 调制解调器研究与实现 关键词f p g a ，o f d m ，同步，f f ，f 论文答辩日期 2 0 1 1 5 2 6 幸论文类型应用研究 学位论文评阅及答辩委员会情况 姓名 职称 工作单位学科专长 指导教师聂伟副教授北京化工大学 移动通信，信号处理 评阅人l 袁洪芳副教授北京化工大学 故障诊断 评阅人2 胡伟副教授北京化工大学 计算机图形学 评阅人3 评阅人4 评阅人5 答辩委员会主席 王学伟教授北京化工大学电子信息与测控 答辩委员l 张凤元 副教授北京化工大学密码学与信息安全 答辩委员2 袁洪芳副教授北京化工大学 故障诊断 答辩委员3 尤枫副教授北京化工大学 软件测试 答辩委员4 胡伟副教授北京化工大学 计算机图形学 答辩委员5 注：一论文类型：1 基础研究2 应用研究3 开发研究4 其它 二中图分类号在( ( 中国图书资料分类法查询 三学科分类号在中华人民共和国国家标准( g 阴1 3 7 4 5 9 ) ( ( 学科分类与代码中查 询 四论文编号由单位代码和年份及学号的后四位组成 基于f p g a 的o f d m 调制解调器研究与实现 摘要 0 f d m ( 正交频分复用) 技术作为一种多载波调制技术，具有频谱 利用率高、抗频率选择性衰落、抗码问干扰能力强等优点，适用于无 线信道中的高速数据传输，因而具有广泛的应用前景。当前，0 f d m 技术已经被采纳为多种通信标准的物理层技术，被普遍认为是下一代 移动通信系统中的关键技术。 目前，对于0 f d m 技术的理论研究及仿真性能已经日趋成熟，而 无线通信系统的应用离不开硬件实现，本文参考8 0 2 1 l a 协议的物理 层算法，设计j ，个基f p g a ( 现场口j 编程| 、j 阵列) 的0 f d m 基带硬 件通信系统，可以实现0 f d m 技术的全部基本流程。调制端包括扰码 模块、卷积模块、交彩i 模块、1 6 q a m 训制模块、i f f t 模块、加c p ( 循 环前缀) 模块等；解渊端包括0 f d m 步和信道估计模块、均衡模块、 f f t 模块、解训模块、解交织模块、解伊5 模块、解扰模块等。 l 司时，小砹计针对o f d m 定时l 叫步的f p g a 实现的问题，提出并 实现了种丛丁：改进a m d f 算法的0 f d mi l d 步方案，为a m d f 算法 在0 f d m 通信系统一l - 的应川提供j ，种几j 行的硬件实现力法；针财 l f f t 模块硬件资源l 川j 较大的问题，采川了b u r s ti o 模式的l pc o r e 北京化t 人学学位论义 ( 知识产权核) ，并用两个双口r a m 转换时钟域的方法加快b u r s t i o 模 式的处理速度，实现了系统性能与资源占用的折中；针对信道时间选 择性衰落和频率选择性衰落对系统的影响，本设计在解调端利用长训 练序列实现了信道估计与均衡算法。本文根据8 0 2 1 1 a 的定义，结合 0 f d m 技术和导频序列的特性，实现了信道估计和均衡模块处理功 能。本设计给出了各个关键模块的实现方案并测试通过，其实现方法 对其他通信系统的设计具有一定的参考意义。 关键词：f p g a ，0 f d m ，f f t ，同步 a b s t r a c t d e s i g na n di m p l e m e n to ff p g ab a s e d o f d ms y s t e m 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 sa m u l t i c a i t i e rm o d u l a t i o nt e c h n o l o g y ，w h i c hh a sh i g hb a n d w i d t he f j f i c i e n c ya n d a b i l i t y o f c o p i n g w i t h m u l t i p a t hf a d i n g m a k e so f d mas u i t a b l e t e c h n o l o g yf o rh i g hs p e e dw i r e l e s st r a n s m i s s i o n i t ss u p p o s e dt h a to f d m w i l lh a v ea ne x t e n s i v ea p p l i c a t i o ni nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n i th a sb e e n a d o p t e da st h ep h y s i c a l l a y e rt e c h n o l o g yo fs e v e r a ls p e c i f i c a t i o n s a n d m a n ye x p e r t se x p e c tt h a ti tw i l lb e ak e yt e c h n o l o g yi nt h en e x tg e n e r a t i o n m o b il ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m t h et h e s i s f i r s t l yi n t r o d u c e st h ei e e e8 0 2 11as t a n d a r d ，t h eb a s i c p r i n c i p l e sa n dr e a l i z a t i o no ff p g a b a s e do f d ms y s t e m t h e nb a s e do n t h e s t a n d a r d ， t h et r a n s m i t t e rw h i c hc o n s i s to fc h a n n e lc o d i n g ， i n t e r l e a v i n g ，16 q a mm a p p i n g ，d a t ai n s e r t i n g ，i f f t 但f tt r a n s l a t i o n ， c y c l i cp r e f i x ，e x p o n e n t s c a l i n gi sd e s i g n e d a n dt h ei e v e i s em o d u l e sh a v e b e e na n a l y z e da n dd i s c u s s e d a no f d ms y m b o lt i m i n g s y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h m b a s e do n m o d i 行e d a m d fi s p r e s e n t e d i nt h i s p a p e r f u r t h e r ，af p g a b a s e d 北京化t 人学学位论义 h a r d w a r e i m p l e m e n t a t i o no ft h es y n c h r o n i z a t i o nb l o c ki sd o n e t h e s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h en e w a l g o r i t h m n o to n l yh a s h i g h e s t i m a t i o n a c c u r a c y a s a m d f ， b u ta l s o s i g n i f l c a n t l y r e d u c e d c o m p u t a t i o n a lc o m p l e x i t y ：b u r s ti os t y l ea n dad u a lb l o c kr a mi su s e di n i f f ti pc o r e a c o r d i n gt o8 0 2 1 l a ，e q u a l i z a t i o ni su s e di nr e c e i v e rt o r e d u c et h ei n n u e n c ef 如mt h ei n f o m l a t i o nc h a n n e l t h i sp a p e rg i v e st h e c i r c u ti m p l e m e n ts c h e m e so ft h e k e ym o d u l ew i t hc o r r e c ts i m u l a t i o n r e s u l t s ，t h e s ek e yt e c h n i q u e sa r et h eb a s i cp r o b l e m si nc o m m u n i c a t i o n s y s t e m ， a n di t i s h e l p m l f o rt h e d e s i g n a n d a p p l i c a t i o n o fo t b e r c o m m u r u c a t i o ns y s t e m s k e y w o r d s ：f p g a ，o f d m ，f f t ，s y n c h r o n i z a t i o n 1 2 课题来源以及主要研究内容1 1 3 课题研究中的难点和创新点2 1 4 沦文组织结构2 第二章o f d m 原理及系统设计5 2 1 概述5 2 2o f d m 基本原理6 2 3 系统设计1 l 2 3 1i e e e8 0 2 1l a 原理1 2 2 3 20 f d m 调制器结构设计1 7 2 3 3o f d m 解调器结构设计1 8 2 4 结论2 0 第三章o f d m 调制器的设计与实现2 l 3 1 概j 丕2 1 3 2o f d m 调制器功能模块设计与实现2 l 3 2 1 扰码器的设计彳实现2 l 3 2 2 卷秘编码模块的设计与实现2 3 3 2 交织模块的设计与实现2 4 3 2 41 6 q a m 映射模块的设计与实现2 5 3 2 5i f f t 模块的设、| j 实现2 8 3 2 6 加循环时缀模块的没计与实现3 3 3 2 7 训练序列产生模块的设计与实现3 5 v ：l 匕京化+ r 人学：学位论文 3 2 8o f d m 调制器模块实现：3 6 3 3 结 仑：3 7 第四章o f d m 解调器的设计与实现3 9 4 1 概述3 9 4 2o f d m 解调器功能模块设计与实现3 9 。4 2 1o f d m 同步技术简介3 9 4 2 2 定时估计的设计与实现4 0 4 2 3 载波频率同步的设计与实现4 6 4 2 4 信道估计与均衡的设计与实现4 8 4 。2 5f f t 模块的设计与实现5 l 4 2 6 解映射的设计与实现5 1 4 2 7 解交织的设计与实现5 2 4 2 8v i t e r b i 译码器的设计与实现5 2 4 2 ，9 解扰的设计与实现5 6 4 3 结论5 7 第五章系统硬件实现5 9 5 1o f d m 系统硬件实现5 9 5 2 结论6 5 第六章结论。6 7 参考文献6 9 致谢7 1 研究成果及发表的学术论文。7 3 作者与导师简介7 5 v co n t e n t s c h a p t e r li n t r o d u c t i o n 。一”1 1 1i n t r o d u c t i o n 1 1 2b a c k g r o u n da n dm a i nr e s e a i hc o n 白e n to f p a p e r 1 1 3d i 瓶c l l l t i e sa n di n n o v a t i o n si np r o c e s so f r e s e a r c h 2 1 4s t m c m r eo f p a p e r ”2 c h a p t e r2p r i n c i p l eo fo f d m a n ds y s t e md e s i g n 。5 2 1s u m m a r i z e 5 2 2p r i n c i p l eo f o f d m 6 2 3s y s t e md e s i 缪i 1 1 2 3 1p r i n c i p l eo f i e e e8 0 2 1 l a 1 2 2 3 2o v e r a us t r u c t u r eo fo f d mm o d u l a t o r 17 2 3 3o v e r a l ls t m c t u r eo f o f d md 锄o d u l a t o r 18 2 4c o n c l u s i o n 2 0 c h a p t e r3d e s i g na n di m p l e m e n t o fo f d mm o d u l a t o r 。21 3 1s u m m a r i z e 2 l 3 2d e s i g n 锄di m p l 锄e n to f o f d mm o d u l a t o r 2 l 3 2 1d e s i g na n di m p l e m e n to f s c r a m b l e 2 l 3 2 2d e s i g na n di m p l e m e n to f c o d i n g 2 3 3 2 3d e s i g na n di m p l e m e n to fi n t e r l e a v e r 2 4 3 2 4d e s i g na n di m p l e m e n to f1 6 q a m 2 5 3 2 j d e s i g na n di m p l e m e n to f l f f t 一2 8 3 2 6d e s i g na n di m p l e m e n to fa d dc p 3 3 3 2 7d e s i g na n di m p l e m e n to f t r a i n i n gm e s s a g e 3 5 v i i 北京化l i 人学学位论文 3 2 8d e s i g no f o f d mm o d u l a t o r 3 6 3 3c o n c l u s i o n 3 7 c h a p t e r 4d e s i g na n di m p l e m e n to fo f d md e m o d u l a t o r 3 9 4 1s u m m 撕z e 3 9 4 2d e s i g na n di m p l e m e n to f o f d md e l o d u l a t o r 3 9 4 2 1o f d ms ”c h r o n i z a t i o n 3 9 4 2 2d e s i g na n di m p l e m e n to ft i m i n ge s t i n l a t e 4 0 4 。2 3d e s i 髓a n di m p l e m e n to fc a r r i e rs ”c h r o n i z a t i o n 4 6 4 2 4d e s i g na n di m p l 鲫e n to fc h a 衄e le s t i m a t e 4 8 4 2 5d e s i 盟a n di m p l e m e n to f f f t 5 l 4 2 6d e s i g na n di m p l e i n e n to f d 啪a p p i n g 5 1 4 2 7d e s i g l la i l di m p l e m e n to f d e i n t e r l e a v e r 5 2 4 2 8d e s i 盟a n di m p l e m e n to f t e r b i 5 2 4 2 9d e s i g na n di m p l e m e n to f d e c r a m b l e 5 6 4 3c o n c l u s i o n 5 7 c h a p t e r 5 s y s t e l nj m p l e m e n t a t i o n 5 9 5 1o f d ms y s t e mi m p l e m e n t a t i o n 5 9 5 2c o n c l u s i o n 6 5 c h a p t e r6c o n c l u s i o n 6 7 r e f 爸r e n c e 。6 9 a c k n o w i e d g e m e n t ：7 l p r o d u c t i o na n da r t i c l e 。7 3 i n t r o d u c t i o no ft h ea u t h o ra n dt h et u t o r 。7 5 v i i l 第一章绪论 1 1 概述 第一章绪论 j 下交频分复用( o f d m ) 是移动通信领域的关键技术之一，它具有很多其它无线 传输技术没有的特点，如：频谱利用率高、抗频率选择性衰落和窄带干扰的能力 强、核心算法( f f t ) 易于实现等。o f d m 技术适用于高速的无线通信传输系统， 被广泛应用于w l a n 、d a b 、d v b 以及h d t v 等系统中，并将成为第四代移动 通信的核心技术【l 】。 本设计参考i e e e 8 0 2 1 l a 技术，采用x i l x 公司的f p g a 芯片x c 3 s 4 0 0 作 为主功能芯片，完成了o f d m 基带信号的处理，系统包括调制器和解调器两个部 分，可以实现o f d m 技术的全部基本流程。其中调制器包括扰码模块、卷积模块、 交织模块、1 6 q a m 调制模块、i f f t 模块、加c p 模块等；解调器包括o f d m 同 步和信道估计、均衡、f f t 、解映射、解交织、解码、解扰等模块。 1 2 课题主要研究内容 本课题基于f p g a 设计并实现了o f d m 调制解调系统，包括调制器和解调器 两个部分，每个部分采用x i l i n x 公司的s p a r t a n 系列f p g a ：x c 3 s 4 0 0 作为主芯片。 程序采用v e r i l o g 语素编写。开发环境采用x i l i n x 公司的i s e 集成丌发环境，采 用m o d e l s i m 进行仿真。 本课题涉及的研究内容主要包括以下几部分： ( 1 ) 详细介绍了o f d m 技术的原理，结合f p g a 设计。的特点，提了一些改 进的实现方法，如定时估计、均衡、i f f t 的实现方法改进等。 ( 2 ) 参考8 0 2 1 1 a 协议的系统参数，研究并设计了毖二rf p g a 平台的o f d m 璀 带通信系统，分别给m 了调制端和解调端的模块划分，用v e n l o g 语乎i 实现了 0 f d m 技术的各种通f i ：i 算法。 ( 3 ) 根据o f d m 系统的要求，设计了与现有实验平台兼容的硬件板卡，原理 图绘制和p c b 制版都采用p r o t e l 软件进行。 北京化l ：人学学位论义 1 3 课题研究中的难点和创新点 由于o f d m 系统从原理上就比较繁杂，需要实现发送、同步、接收三大块任 务，因此本课题的任务量比较大。在课题研究过程中，遇到的难点主要有以下几 个方面： o f d m 系统对同步有较高的要求，因此本文的一个重点就是同步模块的设计 和实现。包括定时估计、载波同步、符号同步等内容。 信道估计和均衡模块的设计和实现也是本课题研究的一个难点：本文根据 8 0 2 1l a 的定义，结合0 f d m 技术和导频序列序列的特性，实现了一种均衡模块 结构。系统在m o d e l s i m 下进行了算法仿真并由f p g a 完成硬件的丌发。 o f d m 系统算法比较复杂，程序编写、调试工作量比较大；硬件资源占用较 多，因此在一定程度上增加了硬件实现的复杂度。 本文的侧重点在于利用f p g a 实现o f d m 算法，为了便于实现，本课题在 o f d m 原理的基础上作出了几点创新如下： 同步模块采用了改进的a m d f 方法完成，可以在性能相似的前提下降低系统 实现复杂度，针对o f d m 定时同步的f p g a 实现的问题，提出并实现了一种基于 改进a m d f 算法的0 f d m 同步方案，为a m d f 算法在o f d m 通信系统中的应 用提供了一种可行的硬件实现方法： i f f t 模块采用i pc o r e 实现，但是i pc o r e 的c o n t i n u o u si o 模式资源占用 较大，网此改用b u r s ti 0 模式，采用两个双口r a m 转换时钟域的方法加快b u r s t i o 模式的处理速度。 在信道估计与均衡模块，本设计将两个相同的长训练序列取平均值，得到的 结果进行均衡运算，由于两个统计独立的噪声取样求平均值后，其平均值的变化 量相当予单个噪声取样变化量的一 ，因此可以降低随机噪声的影响。 1 4 论文组织结构 本论文分为六章，择常的 i 婴内容介绍如f ： 第一章对本文设订的调制解渊系统的特点做了概述，大致介绍了o f d m 系统 的特点，以及本论文的人敛情况。 第二：落首先介绍了o f d m 的原雕应j f j 现状。然后通过介绍8 0 2 1 l a 技术， 提了整个系统的繁体 殳汁思路，分刚给 n 系统渊制器和解凋器的实现框图。 筇i 蠢洋细介绍了小系统洲：搽的符个校块占小j ! ；涸! 和i 实现力法，内容涉及 扰码l = ；：| 块、卷秋模块、交钐l 校块、1 6 q a m 渊制模块、i f f t 模块、加c p 模块等， 第一章绪论 对关键模块给出了m o d e l s i m 仿真波形图。 第四章介绍了本系统解调器的各个模块基本原理和实现方法，包括同步和信 道估计、均衡、f f t 、解映射、解交织、解码、解扰等j 特别是提出了一种基于 a m d f 技术的定时同步方法，为a m d f 算法在o f d m 通信系统中的应用提供了 一种可行的硬件实现方法。 第五章对整个系统的硬件设计作了详细介绍，给出了硬件实现框图和各个子 模块的硬件原理图。 第六章对本文所做的研究工作进行了总结，并对一些有待改进的地方作了说 明。 北京化t 人学学位论义 t 一一一 4 第_ 二章系统方案分析o j 总仆砹汁 2 1 概述 第二章o f d m 原理及系统设计 正交频分复用( o f d m ) 是一种无线环境下多载波调制方式。其英文全称为 o n h o g o n a lf r e q u e n c y d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g 。 由于这种技术具有在杂波干扰下传 送信号的能力，因此常会被利用在容易受到外界干扰或者抵抗外界干扰能力较差 的传输介质中l 2 。 o f d m 系统的起源最早可以追朔到上世纪6 0 年代，自8 0 年代以来o f d m 系 统开始逐渐应用到各种通信系统中。o f d m 系统首先在广播领域得到了广泛的应 用，d a b ( 数字广播) 和d v b ( 数字电视) 都采用了该技术，随后，o f d m 技术也 应用在无线宽带通信系统8 0 2 1l a 、8 0 2 1 1 9 、8 0 2 1 6 d 、8 0 2 1 6 e 、8 0 2 2 0 的物理层 规范中，目前最热门的b 3 g 以及l t e 长期演进技术也采用o f d m 技术作为基本 的物理层调制技术，除此之外，近距离通信技术i e e e 8 0 2 15 3 au w b 也要选用 m b o f d m ( 多载波o f d m ) 作为备选方案l3 1 。目前大部分最新的无线通信技术都是 以o f d m 为核心，o f d m 技术以其独特的优势已经成为下一代无线通信技术的 主要标志之一【4 1 。 与传统的f d m 技术不同，由于o f d m 系统中的各个子信道的载波具有相互 f 交的特点，红频域上这螳r 绒波的频藩足棚亚叠的，这种设汁方法呵以提- 龉 系统的频谱利用率、降低载波i 日j 干扰。在系统实现上，o f d m 的这种正交调制和 解调可以分别采j 日t f f t 和f f t 变换的方法，而随着电子设计技术的进步，尤其 是f p g a 、d s p 等技术的f 1 益发展，很容易将傅晕叶变换及其反变换利用硬件实 现，随着f f t 算法在0 f d m 系统中的广泛应用，不但使o f d m 的实现复杂度大 大降低，也使系统性能得剑了进一步的摊高【5 j 。在o f d m 系统中，射频部分的设 计难度以及硬件的规模、成本f j 以很低，这是因为子信道信号的合成与分离都在 基带完成，射频予系统只需璎个负责收发全频段的模拟信号的通道即可，而不 需要传统多城波传输系统一l 一利川i ：多频率源和陡峭的滤波器完成信号处理，一个 o f d m 系统中可以实现f ：于个子载波的并行传输，这对于传统的多载波通信系统 是不可想缘的i 】。 一般情况_ 卜，无线通俯系统的卜行链路传输的数据量要远火于上行链路传输 的数捌量，【! i j 九线数抛业务郝仃n 刈：刈+ 4 ；6 ：f i ，j 特点。i i jo f d m 技术可以利川分配4 、= 同数量的彳倍道术实现- l ：ij ：链路和卜i j ：链路巾的町变传输速牢，支持非对称速率 的高速数圳f 输，可以满儿见线通f ? i 系统的l ， 身悱能要求和jj 、高速数捌传输、i k 北京化t 人学学位论义 务的需求。 o f d m 系统具有动态子信道分配和动态比特分配的功能，由于无线信道衰落 的频率选择特性，窄带干扰只能使小部分的子信道收到干扰，总会有频率衰落相 对不严重、信噪比比较高的子信道，通过动态地分配信息比特，充分利用这些子 信道可以提升整个系统的性能。因此通过动态分配技术，o f d m 系统可以很好地 抵抗频率选择性干扰。 2 2o f d m 基本原理 大部分无线信道的频率响应曲线应该是非平坦的，而o f d m 技术将信道分为 若干个相互正交的子信道，并且将高速串行输入信号转变为低速并行信号，按一 定的映射关系分配到各个子信道上，每个子信道分别由相互正交的子载波调制， 由于并行数据相对速率较低，对抗多径衰落的能力要优于单载波系统。在o f d m 系统中，由于各子载波采用并行传输的方式，信号带宽小于信道的相应带宽，可 以将每个子信道上的传输都看做窄带传输，每个子信道都是比较平坦的，可以克 服信道的频率选择性衰落，大大消除信号波形问的干扰。 伊莳 e l 拇0 幽fi 。j ：一：l | 卜 一( 三二 i r ? 2 鳖鞲三：对+ j 一- i 信道 三一，i 一：j ! 一萋翟 ，。”_ “ 岫厂“n m d l j 卜蔓1 一一- 1 一一 ，一 卜x - 1 钗分：- 1 图2 1o f d m 原理框图 f i g 2 一lp r i n c i p i eo fo f d m o f d m 符号是由多个并行正交子信道相互叠加传输得到的，其中每个信道的 予载波调制方法可以是：相移键控或萨交幅度调制，如2 p s k 、q p s k 、1 6 q a m 、 6 4 q a m 等【7 】，将了钱波个数用来表示，每个o f d m 符弓的时域k 度川厂术挺 示，笫c 个f 载波的频率用f 束表示，每个子信道分配到的数据信息用 讲( 汪l ，2 ，3 一1 ) 来表刀，坨“( f ) = l ，lf 匿丁2 ，时f b j 从，- t 丌始，则! 刍 f 。f f 。+ 丁时：o f d m 符号的表达式为： 5 ( f ) = r e z ，e “( f 一乞一丁2 ) e x p 【2 刀( z + 丁2 ) ( f 一) 】 ( 2 1 ) 吖1 ， 或栉，+ 7 _ 时，0 f d m 符口表达式为：s ( f ) = 0 。 其。l - 实部对应j ：o f d m 符号的同相分量，虚部埘应o f d m 符号的j f 交分量， 采川复等效悸； ；信号水表述o f d m 的输m 信号农达式，可以采用信号分别j 对戍 第二章系统方案分析与总体设计 子载波的c o s 分量、s i n 分量相乘的方法实现，构成各路并行的子信道叠加成的 o f d m 符号【8 】，如图2 1 所示，给出了o f d m 系统的基本原理框图。 当f + 丁时： _ 一l s ( f ) = 4 陀甜( f 一一丁2 ) e x p 【2 万f r o 一) 】 ( 2 2 ) 当f f ，或者f f ，+ r 时：s ( f ) = o o f d m 技术的子载波选取方式和公式推导如下： 公式2 3 表示一个o f d m 符号的等效低通信号， 的多载波调制信号的叠加： +，一i+ j ( f ) = x 础鼠。一，z 咒) = c ( f ) 它可以表示成一组并行传输 ( 2 3 ) 它的特殊之处在于各个子载波频率的定义，如下： 猷萨k 嚣1 亿4 ， 其中，女是在第，1 个( ) f d m 符号传输的样值，其子载波序号为尼。为o f d m 系统的子载波数，凡是o f d m 的符号间隔，即在每个子载波上传输的单个符号 的持续时间，r 表示o f d m 符号是第，z 个，五代表子载波序号为尼的频率， z = z + 要，尼= o 人，一1 。n ，f 足第o 个的了载波的频率。这种予载波频率的定义 方法可以保证各个子载波在长度为死的区间上符合正交性，如下式所示： ( 枷) g ( ，妨) = f 蜀( 喊【岫= p 嘶仃膨 也= 撕t 出= 聊一妁 ( 2 5 ) 由于o f d m 技术的这种正交特性，解凋器能很方便地从接收到的信号中分离 出传输符号： r “2 毒f i ：”l ，( f ) g ：( f ) 衍= 义一， 店。- l ( 2 6 ) 因此，对。二每个子载波来说，在个o f d m 符号周期内都包括整数个值，而 且在一个符号周期内相邻予载波之间满足“只相差一个载波周期 ，即棚邻载波 的频差为0 f d m 符号剧j l f j 的倒数，即町以保证子载波之间相互j f 交： 0r 1m = n r p ( 胞d e x p 卜，) 肚气。历，z ( 2 7 先将式( 2 6 ) r l 一的第，个绒波进行解渊操作，然后在符号k 度丁内进行积分运 7 北京化t 人学学位论文 算，对应以下公式： 、”j翟j 嘭= 1 r ie x p ( 一2 万o 一) 丁) 嘭e x p ( 2 刀f o 一) 丁) 巩 ，二 f = o 必誓 = l r 面je x p ( j f 2 万( f 一_ ，) o t ) r 渺= t ( 2 8 ) f 窖o f j 由式( 2 8 ) 可以得出，要恢复出符号西，只要对子载波信号进行解调和积分两 步运算就可以了。而对于其他的载波，其在时间段内的积分结果为o 。由于在一 个o f d m 符号的时间段内，这些子载波的频率差别一归产生了整数倍个子载波 周期，按积分性质可知，其结果为零，因此不能对输出数据造成影响。 在频域角度上也可以理解o f d m 的正交性，一个o f d m 符号在其周期t 内 包含若干个并行传输的子载波。这些子载波再通过p s k ( 相移键控) 、q a m ( 正 交幅度调制) 等进行调制。其频谱等效为是组位于个子载波频率上的冲激函数 与周期为t 的矩形脉冲进行卷积操作的结果，如图2 2 所示，给出了o f d m 符号 的s 咖c 函数频谱，它由相互叠加的各个子信道通过矩形波成型得到。由于o f d m 在频域上采用了相互正交的子载波，在每一子载波频率的最大值点都对应其它所 有子载波的频率值为零的点，由于系统接收端对o f d m 信号进行解调的过程中， 需要计算这些点上所对应的子载波取得的峰值，可以通过求积分的方法方便地从 多个相互叠加的子载波符号频谱中提取各个子载波符号的值，而不受其它子载波 的干扰【9 1 。因此这种一个子载波的频谱最大值点与其他子载波零点对齐的方式可 以有效地避免i c i ( 载波i jj - i i 扰) 的出现。如粜小使刚f 卜交载波的方法，棚邻子载波 的频谱不但不能叠加，而且子载波频段之间还要再加上c p ( 保护间隔) ，使得系 统的频谱利用率降低，而且每个频段的射频通道都需要使用频率特性非常陡峭的 滤波器，以增加子频段的数目，同时减少相邻频段之间的干扰【。 m ； v 一、 一 f 一一广 穴 。 凤 fi i f1 i1 i = aa f 犷影淞勰 夕夕懒瓜a 够静y 图2 2o f d m 的频谱 f j g 2 - 2s p e c t r u mo fo f d m 第一二章系统方案分析j 总体i 5 2 计 o f d m 技术虽然具有良好的性能，但是它并不是一种完美的技术。在实际的 0 f d m 系统实现时，需要重点考虑如下几方面的关键问题： 一、系统同步的实现 o f d m 系统对同步要求很高，同步模块的性能对o f d m 系统性能表现的好坏 有很大的影响。o f d m 系统中的同步包括定时检测、载波同步、符号同步、采样 频率同步、剩余相位跟踪等步骤。和单载波调制系统类似，o f d m 系统的定时检 测是为了找到信息的开始位置；符号同步则是为了区分每个o f d m 符号的起始位 置；载波同步是为了实现接收信号的相干解调；因为每个o f d m 符号块包含若干 个样值，为了使调制端与解调端的取样时刻能够精确对齐，需要进行采样频率同 步。o f d m 中的同步对于突发式的数据传输方式，分为捕获和跟踪两个阶段，一 般是通过调制端发送辅助信息实现同步，如：导频、训练序列等。与传统的单载 波系统相比，o f d m 系统对同步有更高的要求，如果在o f d m 系统中没有做好 同步，信号就会产生严重的i c i ( 载波间干扰) 和i s i ( 符号间干扰) ，不利于后 续的信号处理。 二、峰均功率比 从时域角度考虑，每一个0 f d m 符号都是若干路并行正交子信道信号的叠加， 当这些并行子信道中的信号恰好以同时取到同极性的最大值时，o f d m 信号将产 生一个最大的峰值信号功率。将这个峰值信号的功率与信号平均功率相除，得到 的结果就足峰均比，也就足峰值j l 均功聋爱比( p a p r ) 。在o f d m 系统r | 1 ，峰均比 与子载波的个数n 有关，n 越大则p a p r 越大，例如n = 1 0 2 4 时p a p r 可达到3 0 d b 如果p a p r 值较大，就会对调制端的功率放大器的线性度有很高要求，因此降低 o f d m 的峰均比，可以提升o f d m 系统的性能、降低系统实现成本。 三、信道估计与均衡 o f d m 凋制后的系统可等效为若干个并行的子信道，这些子信道之问相互独 立。如果对信道噪声造成的影响暂时不予考虑，对于每个子信道，将子信道上调 制端的发送信号的频谱乘以信道特性的频谱可以得剑解调端接收信号的频谱。信 道的频讲特陀的f i 汁值可以经过倍道估i = 卜模块算i j i ，然后利川估汁值实现解调端 接收信号的均衡处理，将子信道上的解凋端接收信号除以信道估计模块输出的信 道频甜f 特性i ! i j i j 得剑均衡结采