2010年3月ofdm调制解调细化方案2.ppt

OFDM通信系统基带设计细化方案,张 苏 王 海 信号处理与传输研究院2010年3月25日,Contents,O OFDM系统的基本原理O 802.11a物理层协议O OFDM基带处理器总构架O OFDM发射机的设计O OFDM接收机的设计,OFDM系统的基本原理数学模型,OFDM可以看成是一种频分复用方式，一个已调符号包括多个经过调制的子载波。从t=t0开始的一个OFDM已调符号可以表示为：其中：N表示子载波个数，di (i=0,1,2,N-1)表示第i个子载波的加权符号，fc为第0个子载波的频率。其复等效基带信号为：,(1-1),(1-2),OFDM系统的基本原理时域正交性,是一个正交函数集。,OFDM系统的基本原理频域正交性,对于带限信号是一个完备正交函数集。,OFDM系统的基本原理FFT的应用,令式(1-2)中ts=0，对信号s(t)以T/N的速率进行采样，即令t=kT/N (k=0,1,N-1)，得到：可以发现，式(1-3)与IDFT运算的表达式一致。同样在接收端，可以使用DFT恢复原始数据。即：实际系统中，为控制计算复杂度，采用Radix-2 FFT代替DFT。当子载波数目非常庞大时，还可以采用Radix-4 FFT退化乘法器，进一步减小运算量。,(1-3),(1-4),OFDM系统的基本原理保护间隔,在无线传输中，由于信道的群延迟特性不同，在一个OFDM符号中，不同子载波的延迟将不同，此时若不作任何处理，将产生ICI。或由于多径效应，在一个OFDM符号中，不同到达径信号的子载波之间也会产生ICI。,OFDM系统的基本原理循环前缀,为了ICI，必须在每个OFDM符号之前插入一段循环前缀，其持续时间只要大于信道的时延扩展，就可以有效地避免ICI。这样ICI只会对接收序列循环前缀的前一部分样值形成干扰，只要将其去掉，就可以完全避免ICI对系统产生的影响。,OFDM系统的基本原理加窗,为了让OFDM调制信号的带外频谱下降更快，必须对OFDM符号采取加窗技术，常用的是升余弦窗（实际系统中视情况可采用RRC窗）。,802.11a物理层协议主要参数,方案主要参数设定,802.11a物理层协议PDU帧结构,OFDM基带处理器总构架结构,OFDM基带处理器总构架处理流程,物理层发射机接收到来自于MAC层的串行的二进制比特流。根据802.1la标准，这些比特数据首先将通过发射机中的卷积编码器进行编码。通过截断已编码的数据比特流，编码器的最终输出不同码率的数据，这些数据将根据标准中指定的交织模式进行交织。交织后的比特数据根据调制方式不同，通过映射模块映射为BPSK、QPSK、16QAM或64QAM星座图上的点。映射输出每48个复数组成个OFDM符号，其中包含一个同相分量I和一个正交分量Q。导频添加模块在64点快速反傅立叶变换之前，增加4个导频符号，并在其他12个未使用的子载波频率上放置0数据，并按标准调整顺序后送入IFFT变换，IFFT将频域信号转换为时域信号。在加入保护间隔模块后将最后的16个复数数据提前，作为一个OFDM符号的循环前缀。这样，形成一个OFDM符号。最后加入报头数据，即由在接收端需要的用于包检测、频率校正和信道估计的长短训练序列组成。,OFDM基带处理器总构架数据格式,从中可以看到，接收的定时同步、载波频偏估计以及信道估计等都是由前置的两个训练符号来完成的。训练符号包括两了部分：10个周期重复的短训练符号(Horst Training Symbol，STS) t1t10(每个的符号间隔为正常ODFM符号间隔的1/4)和2个周期重复的长训练序列(Long Training Symbol，LTS)T1T2(符号间隔与正常OFDM符号相同)。由此，总的训练时间长度为160ms。训练符号后面紧接着“signal”域，其中包含有后续数据的调制类型、编码速率和数据长度这样对接收而言非常重要的信息。以上这些部分一起构成了帧头(Frame Head)部分，接收机在对数据符号进行译码之前要利用它们完成训练任务。,OFDM发射机的设计signal域分析,Signal域的组成：Rate字段：显示与数据符号传输速率之间的关系，以及相应的调制方式和码率；Length字段：指示MAC层请求PHY层发送物理层服务数据单元（PSDU）的字节数。Tail字段：全部置0，用于初始化卷积编码器和终止Viterbi译码器的码网格。,21,23,22,18,20,19,15,17,16,12,14,13,9,11,10,6,8,7,3,5,4,0,2,1,P,Rate4bit,R,Length12bit,Signal Tail6bit,LSB,MSB,OFDM发射机的设计signal域分析,Signal域中信息比特的处理过程与Data域相同，现在我们为了保证Signal域信息可靠的传输，我们采用BPSK调制和编码方式为1/2码率的卷积编码，不再进行删余。Signal符号生成需要：1/2卷积编码、交织、BPSK调制、Pilot的插入、IFFT和插入CP（循环前缀）。,OFDM发射机的设计信道编码器,802.11a中的卷积码生成多项式,Tb,Tb,Tb,Tb,Tb,Tb,Input Data,Output Data A,Output Data B,OFDM发射机的设计信道编码器,删余,X0,X1,X2,X3,X4,X5,A0,A1,A2,A3,A4,A5,B0,B1,B2,B3,B4,B5,A0,B0,A1,B2,A3,B3,A4,B5,删余比特,源数据,编码数据,删余后数据,码率的删余过程,OFDM发射机的设计信道编码器,多码速卷积编码器的结构编码器工作流程如下：数据加扰后以串行比特流形式在CLK_IN时钟的控制下输入1/2码率的Convolution Encoder模块中进行编码处理。该模块以同步方式工作，每输入1个比特将会并行输出2位编码数据。根据RATE控制信号(MODECON)，1/2码串卷积后的数据再进行删余操作，以实现3/4或2/3的码率。,OFDM发射机的设计交织器,卷积交织器是一种非常适合于使用连续比特流系统的交织方式。图示为卷积交织器的基本结构。这种交织器将比特在左边的转换器中写入，从右边的转换器中读出。卷积交织器的主要优点在于达到同样交织深度时，其所存储的容量几乎是分组交织器所存储容量的一半，因此可以大大减少由交织而引起的延时。卷积交织器的反交织是通过对交织器沿其水平轴翻转来实现的，具体操作过程与交织的过程是类似的。,OFDM发射机的设计4QAM映射,模块及端口说明映射关系,DM_CLKDM_DINDM_NDDM_RST,DM_REDM_IMDM_INDEXDM_RDY,00(0.707,0.707)01(-0.707,0.707)11(-0.707,-0.707)10(0.707,-0.707),OFDM发射机的设计导频插入,图中，SPI_DIN为导频模块输入数据，INDEX_IN为输人数据标号，从0到47。4个导频依次为1，1，1，一1。输入数据标号INDEX_IN通过LUT模块进行变换生成写入RAM的地址，输入计数。到47映射为52个子载波，中间插入4个导频符号。因为导频插入模块输出到一个64位的IFFT模块，一个模64的计数器用来生成输出地址。双口RAM暂时存放输入的信号。,OFDM发射机的设计Radix-2 IFFT,调用内置IP Core。采用Radix-2 FFT或Radix-4 FFT。已经找到直接可利用的FFT的VHDL代码，可以直接修改使用。,OFDM系统的基本原理保护间隔,保护间隔实现框图： 一个OFDM符号长度为64个复数符号，循环前缀长度为16。调制后的数据按顺序先存入RAM，在第48个数据传输过来时，就将其后的16个数据作为输出并且也将这16个数据存入RAM，当这64个数据存完时，又即刻将它们输出，这时循环前缀就加在一个OFDM符号前面了。,RAM,64个复数符号,第48个,OFDM发射机的设计加窗/限带滤波,对OFDM符号“加窗”意味着令符号周期边缘的幅度值逐渐过渡到零。通常采用的窗类型就是升余弦函数：系统带宽之外的功率下降速度取决于滚降因子b的选取。滚降系数越大，带宽外的功率谐密度下降得更快。如果系统采用离散时间的形式实现（其中参数Ts=4.0ms, TTR=100ns）。那么上述加窗函数变为：,OFDM发射机的设计正交调制,将经过基带调制得到的串行序列进行串并转换，得到原序列的奇序列和偶序列，再分别用此两序列分别调制两个正交载波，后相加即得到输出的中频信号。,调制部分关键问题分析,由于Signal域中Length为12bit，所以一个数据帧的最大长度为，要求突发长度最大为4095个bit。（帧长度要求多少？）若为2ms，则突发bit数要少于3240个；与802.11a比较：1.子载波上信息数率低（由312.5K降到25K），利于抵抗多径衰落。2.实现通信要求的信道带宽降低，即信道间隔由20MHz降到1.6MHz，这样更有利于通信的实现（只要检测到有1.6M的频谱空穴就可以实现一个次用户的通信，一段大的空穴中可以容纳更多的次用户通信）。,OFDM接收机的设计分组检测,分组检测寻找数据分组起始的近视估计。延时相关算法:(D为一个短训练序列周期长度),P,C,（）,| |,/,OFDM接收机的设计分组检测,分析：当无信息，即接收信号中只有噪声时，理想情况下 为0，因为噪声取样值的互相关系数为0，因此 很小；当接收到第二个短训练符号时， 为相同短训练序列的互相关系数， 开始明显增加，并且出现9个短训练序列的相关平坦。虚警问题：当信道中有出现较大随机噪声时， 可能超过预先设定的门限值，那样就会错误的判断有分组的到来。解决方法：增加保持长度，即达到门限值后保持一定的采样周期才判决有分组到来。,OFDM接收机的设计FPGA系统同步分析,在OFDM系统中，系统的同步主要有三种。1.载波同步：接收端的震荡频率要与发送载波同频同相； 2.样值同步：接收端与发送端抽样频率一致；3.符号同步：IFFT和FFT起止时刻同步。下面的图描述了三种同步在系统中所处的位置：,OFDM接收机的设计载波同步,载波同步的时域方法：设发送信号为 ，则通带信号 的复基带模型为： 其中， 为发送载波频率； 为采样周期。 在接收端，忽略瞬时噪声，接收到的复基带信号 为 其中， 为发送和接收载波的频差。,OFDM接收机的设计载波同步,定义两连续符号之间时延为D个采样点，OFDM符号长度为L，则周期重复延时相关和为 从理论上讲，如果没有频偏，R应该为一实数。频偏的影响体现在上式中的这一项上。因此，可以计算出频率偏差估计值为其中 =arctan（ ）为对复数R取角度运算。在系统中我们已经给定训练符号，所以估算出训练符号的频偏并以此对所有子载波的频偏进行修正。,OFDM接收机的设计载波同步,实现方法：,频偏估计,频偏补偿,OFDM接收机的设计ADC（样值同步）,修正采样频率偏移（SFC）。因为FPGA的开发板上集成了压控振荡器（Voltage Controlled Oscillator，VCO），所以我们使用VOC来实现样值同步。具体算法为DDS算法。,OFDM接收机的设计ADC（样值同步）,VCO实现样值同步的原理图如下：,OFDM接收机的设计符号同步,接收机可以将载