基于fpga的ofdm调制器的仿真设计_毕业论文

武汉工程大学邮电与信息工程学院毕业设计（论文）基于FPGA的OFDM调制器的仿真设计SIMULATIONDESIGNOFOFDMMODULATORBASEDONFPGA专业班级通信工程0905（移动通信方向）作者声明本人声明所呈交的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，除了文中特别加以标注的地方外，没有任何剽窃、抄袭、造假等违反学术道德、学术规范的行为，也没有侵犯任何其他人或组织的科研成果及专利。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。如本毕业设计（论文）引起的法律结果完全由本人承担。毕业设计（论文）成果归武汉工程大学邮电与信息工程学院所有。特此声明。作者专业作者学号作者签名_年_月_日摘要正交频分复用OFDM技术是一种多载波数字调制技术，作为一种可以有效对抗信号信道间干扰和符号干扰的高速传输技术，以其频谱利用率高、抗多径衰落能力强、抗窄带干扰性能好、成本低等特点，得到了广泛应用。它能满足无线通信的高速化、宽带化以及移动化的需求，成为第四代移动通信的首选技术，也是当前移动通信技术研究的热点问题。FPGA现场可编程逻辑门阵列是一种可编程逻辑器件，它具有设计时间短、投资少、风险小的特点,而且可以反复修改,反复编程,直到完全满足需要,具有其他方式无可比拟的方便性和灵活性。这些特性使得FPGA可以高性能地实现OFDM通信系统的收发模块功能。本文概况地介绍了OFDM系统的基本概念、基本工作原理和关键技术，指出了OFDM调制技术的优势介绍了的FPGA设计的基本原则和流程；深入进行基于FPGA的OFDM调制解调方案设计针对仿真平台设计多种测试环境，得出仿真波形进行方案的优化完善并进行验证。本论文第1章首先首先介绍了OFDM的研究背景、目的以及意义。第2章对OFDM的基本原理以及技术的实习进行综述，并对OFDM系统的关键技术作出了详尽的介绍。第3章对OFDM调制解调原理进行了说明，并介绍采用IFFT和FFT的OFDM系统结构。第4章叙述了OFDM调制器的MTALAB仿真。第5章叙述了OFDM调制器的VERILOG仿真，并对仿真结果进行对比验证。第6章对OFDM技术的主要优缺点总结，并对其发展进行了展望。关键词正交频分复用OFDM；现场可编程门阵列FPGA）；仿真ABSTRACTORTHOGONALFREQUENCYDIVISIONMULTIPLEXINGOFDMTECHNIQUEISAMULTICARRIERDIGITALMODULATIONTECHNOLOGY,ASAKINDOFCANEFFECTIVEAGAINSTINTERFERENCEANDSYMBOLINTERFERENCEBETWEENTHESIGNALCHANNELOFHIGHSPEEDTRANSMISSIONTECHNOLOGY,WITHITSHIGHSPECTRUMEFFICIENCY,STRONGABILITYTORESISTMULTIPATHFADINGANDNARROWBANDINTERFERENCERESISTANTPERFORMANCEISGOOD,LOWCOST,ETC,HASBEENWIDELYAPPLIEDITCANSATISFYTHEHIGHSPEEDWIRELESSCOMMUNICATIONS,BROADBANDANDMOBILENEEDS,BETHEFIRSTCHOICEOFTHEFOURTHGENERATIONMOBILECOMMUNICATIONTECHNOLOGY,ISALSOAHOTPROBLEMINTHESTUDYONTHECURRENTMOBILECOMMUNICATIONTECHNOLOGYFPGAFIELDPROGRAMMABLEGATEARRAYISAKINDOFPROGRAMMABLELOGICDEVICES,ITHASSHORTERDESIGNTIME,THECHARACTERISTICSOFLESSINVESTMENT,SMALLRISK,ANDCANBEREPEATEDLYMODIFIEDANDPROGRAMMINGREPEATEDLY,UNTILFULLYMEETTHENEEDS,OTHERWAYSINCOMPARABLECONVENIENCEANDFLEXIBILITYTHESEFEATURESMAKETHEFPGACANACHIEVEHIGHPERFORMANCEOFOFDMCOMMUNICATIONSYSTEMTRANSCEIVERMODULEFUNCTIONTHISARTICLEOVERVIEWTHEBASICCONCEPTOFOFDMSYSTEMAREINTRODUCED,THEBASICWORKINGPRINCIPLEANDKEYTECHNOLOGY,POINTSOUTTHEADVANTAGESOFOFDMMODULATIONTECHNIQUETHISPAPERINTRODUCESTHEBASICPRINCIPLESANDTHEFPGADESIGNOFPROCESSFURTHERFOROFDMDEMODULATIONSCHEMEBASEDONFPGADESIGNSIMULATIONPLATFORMISDESIGNEDFORAVARIETYOFTESTENVIRONMENT,SCHEMEOPTIMIZATIONANDSIMULATIONWAVEFORMFORVALIDATIONCHAPTER1,FIRSTOFALL,THISPAPERFIRSTINTRODUCESTHERESEARCHBACKGROUND,PURPOSEANDSIGNIFICANCEOFOFDMCHAPTER2,THEPRACTICEOFTHEBASICPRINCIPLEOFOFDMANDTECHNOLOGYWEREREVIEWED,ANDTHEKEYTECHNOLOGIESOFOFDMSYSTEMHASMADETHEDETAILEDINTRODUCTIONCHAPTER3ILLUSTRATESTHEORYOFOFDMMODULATIONDEMODULATION,ANDIFFTANDFFTSTRUCTUREOFOFDMSYSTEMISINTRODUCEDCHAPTER4DESCRIBESTHEOFDMMODULATOROFMTALABSIMULATIONVERILOGSIMULATIONOFOFDMMODULATORAREDESCRIBEDINCHAPTER5,ANDTHESIMULATIONRESULTSWERECOMPAREDCHAPTER6MAINADVANTAGESANDDISADVANTAGESOFOFDMTECHNOLOGY,ANDITSDEVELOPMENTISPROSPECTEDKEYWORDSORTHOGONALFREQUENCYDIVISIONMULTIPLEXINGOFDMFIELDPROGRAMMABLEGATEARRAYFPGASIMULATION目录第1章绪论111OFDM的研究背景112OFDM的研究目的和意义1第2章OFDM技术基础221OFDM的基本原理222OFDM技术的实现423OFDM系统的关键技术5231同步技术5232信道估计6233降低峰值平均功率比6234均衡6235编码信道和交织7第3章OFDM调制器技术931OFDM调制解调原理932采用IFFT和FFT的OFDM系统结构11第4章OFDM调制器的MTALAB仿真1441IFFT模块1542添加循环前缀1543加窗模块1644前导模块1645成帧模块17第5章OFDM调制器的VERILOG仿真1851OFDM调制器的结构设计1852子模块仿真分析18521BPSK/DBPSK映射18522IFFT前数据处理20523IFFT模块20524添加循环前缀和加窗21525前导生成模块22526成帧模块2353仿真结果的对比验证24第6章总结与展望25参考文献28致谢29附录主要英文缩写语对照表30第1章绪论11OFDM的研究背景在现代通信系统中，如何高速和可靠地传输信息成为人们关注的一个焦点。虽然第三代移动通信比现有的传输速率快上千倍，但其数据传输速率也仅有2MBIT/S，第四代移动通信系统计划已经开始研究。第四代移动通信以正交频分复用OFDM作为核心技术之一。OFDM调制技术的出现为实现高效的抗干扰调制技术和提高频带利用率开辟了一条的新路径。20世纪60年代已经提出了OFDM的基本原理，有关OFDM的专利在1970年1月首次公开发表，1971年WEINSTEIN和EBERT又提出用离散傅立叶变换来等效多个调制解调器的功能，简化了系统结构，使OFDM技术更趋于实用化。近年来，随着数字信号处理（DSP）和超大规模集成电路（VLSI）技术的发展才使得制约OFDM技术发展的屏障不复存在，OFDM也因而变得更加实用。正交频分复用（OFDM）是一种特殊的多载波传输调制（MCM）技术，它可以被看做是一种调制技术，也可以被当做是一种复用技术。OFDM系统既可以维持发送符号周期源于大于多径时延，又能够支持高速的数据业务，并且不需要复杂的信道均衡。12OFDM的研究目的和意义本文的研究目的是从各方面深入研究正交频分复用理论，领会OFDM基带处理技术、FPGA电路设计的关键思想，并给予FPGA设计，实现OFDM系统中的关键功能模块和基带处理中的调制解调器，并给出仿真结果。基于PFGA实现OFDM通信系统，能有效降低电路复杂度，运用先进的算法提升通信系统的性能指标，采用计算机辅助设计，实现电子设计自动化，便于移植、集成和大规模生产。第2章OFDM技术基础21OFDM的基本原理众所周知无线通信传输信号的路径有很多，这就是所谓的多径效应，OFDM的最初提出是为了解决多径效应对数据传输的影响。在数字通信系统中，我们通常采用的通信系统是单载波传输系统模型如图21所示。TGTJWE0TJWE0TG信道图21单载波传输示意图图中GT是匹配滤波器对于给定的码元波形，使得输出信噪比最大的线性滤波器，在传输速率并不高的情况下，这种系统因时延产生的码间干扰不是特别严重，能通过均衡技术消除这种干扰。所谓码间干扰（ISI）就是当一个码元的时延信号产生的拖尾延伸到相邻码元时间中时，会影响信号的正确接收，导致系统误码性能的降低，这类干扰就被称作码间干扰。但是对于宽带业务来说，由于数据传输速率较高，高数据传输速率使得码元周期非常小，如果码元传输出现多径时延，可能会影响到后面好几个码元。这就对均衡提出了更高的要求，需要引入复杂的均衡算法，并且要考虑到算法的收敛速度和可实现性。从另一个角度去看，当信号的带宽接近或者超过信道的相干带宽时，信道的时间弥散就会导致频率选择性衰落，使得同一个信号中不同的频率成分体现出不同的衰落特性，所以多载波传输技术的运用就是一种必然趋势。OFDM是一种多载波调制（MCM）技术，其基本原理就是把高速的数据流经过串并变换，分配的传输速率相对较低的若干个子信道中进行传输。由于每个子信道中的码元周期会相对增加，因此可以减轻由无线信道的多径时延扩展所产生的时间弥散性对系统的影响，并且还可以在OFDM，码元之间插入保护间隔，令保护间隔大于无线信道的最大时延扩展，这样就可以最大限度地消除由于多径带来的码间干扰（ISI），而且一般采用循环前缀作为保护间隔，从而可以避免由多径带来的信道间干扰（ICI）1。随着OFDM技术的发展与兴起，考虑到能用OFDM技术来进行高速数据传输，它能够很好地对抗信道的频率选择性衰落，减少甚至消除码间干扰的影响。OFDM是一项多载波传输技术，可以被当作是一种调制技术，也可以被看作是一种复用技术。其基本原理是把传输的数据流串并变换后分解为若干个并行的子数据流（也可以看作将一个信道划分为若干个并行的相互正交的子信道），这样的话每个子数据流的速率比串行过来的数据流低得多（速率变为多少取决于变换为多少路并行数据流），因此每个子信道上的码元周期将会变长，每个子信道上便是平坦衰落，然后用每个子信道上的低速率数据去调制相应的子载波，从而构成多个低速码元合成的数据的发送传输系统基本原理图如图22。S/P积分判决积分判决积分判决P/S信道1JTE0JT1NJT0JTE1JT1NJTED1DSTDD图22OFDM系统调制解调原理框图在单载波系统中，一次干扰或衰落就可能导致整个链路性能恶化甚至失效，但是在多载波系统中，某一时刻仅仅会有少部分子信道受到衰落的影响，从而不会使得整个通信链路性能失效。在衰落信道中，根据多径信号最大时延和码元时间的关系，可以把性能MTST降级分为平坦衰落和频率选择性衰落两种类型。如果，则信道呈现平坦衰要一个码元的多径时延扩展超出了码元持续时间，就会出现这种情况，而信号的这种时延扩展会导致信号码间干扰的产生。正交频分复用的技术关键就是实现并保护好子载波间的正交性，接受端收到的信号XT与子载波相乘后通过积分器，不同频率的载波相乘积分后为零，只有相同载波积分后得到原始符号。正是由于每个子载波的正交性，我们可以是子载波的频谱重叠并靠近NYQUIST带宽，从而大大提高了频谱的利用率，所以非常适合移动场合中的高速传输。多径传输的符号干扰时个头疼的问题，OFDM为解决这样的问题在符号间加上保护间隔内，保护间隔可以不传输任何信号。这样的情况下仍然解决不了信道间干扰（ICI），子载波之间的正交性遭到破坏，接收端就不能很好的恢复出原始信号，这点是毁灭性的。OFDM的解决方法是把符号后面长度是TG（保护间隔的长度）的部分拿到每个符号的前面当做保护间隔来传输，这种方法就叫做循环前缀。这样就使得在FFT周期内，OFDM符号的延时副本所包含的波形的周期个数是整数，从而解决了ICI。将原符号块最后信号放到原符号块的前部，构成新序列，时域中原来发送信号与信道响应的线性卷积变为圆周卷积。22OFDM技术的实现电力线的信道环境非常恶劣，信道特征和参数受到频率、地点、时间和连接到它上面的设备的影响。从10KHZ到200KHZ的低频率区域更容易产生冲突。而且电力线是一个频率选择性信道。除了经常发生在50/60HZ脉冲噪音中主要的背景噪音外，窄带冲突和小组时延能达到几百微秒。OFDM是一种能有效利用有限CENELEC带宽的调制技术，且支持使用先进的信道编码技术，这种组合能力在电力线信道上形成一个非常可靠的通信。图23展示了基于G3PLC协议的OFDM系统实现框图。CENELEC带宽被分割成许多子信道，这些信道被看作是用不同的正交频率表示的独立频移键控（PSK）调制载波。正交和RS编码提供了冗余比特，它能使接收端在由背景噪声和脉冲噪声而造成的比特丢失的情况下自行纠错。时间频率交织方案用于降低译码器输入端接受噪音的相关性而提供多样性。DATA帧控制头FCH交织器卷积编码器RS编码器扰频器DBPSK/DQPSK映射IFFT添加循环前缀加窗模拟前端电力线模拟前端同步检测去除循环前缀FFT信道估计解交织DBPSK/DQPSK解调ROBUST4ROBUST6组合器VITERBI解码器RS解码器解扰器DATA帧控制头FCH前向纠错码解码器OFDM解调器前向纠错码编码器图23基于G3PLC协议的OFDM系统实现框图OFDM信号是由复值信号点进行快速离散傅立叶变换（IFFT）操作产生的，这些信号点是由不同的相位调制编码产生，且它们被分配到不同的子载波。每个OFDM符号都是由一个循环前缀加到一个由IFFT产生的块的前面而构成的。选择一个循环前缀的长度以便信道时延不会引起连续OFDM符号或邻近的子载波产生冲突。接收端基于接收信号的质量决定采用何种的调制方案。而且，系统会区分受损的子载波的信噪比以及选择在哪个信道上传输。23OFDM系统的关键技术231同步技术OFDM技术区分各个子信道的方法是利用各个子载波之间严格的正交性。频偏和相位噪声会使子载波之间的正交特性恶化从而导致子信道间的信号相互干扰ICI，这种对频率偏差的敏感是OFDM系统的主要缺点之一，特别是在实际应用中与FDMA、TDMA和CDMA等多址方式相结合时，时间和频率同步尤为重要。时域同步，要求OFDM系统确定符号边界，并且提取出最佳的采样时钟，从而减小载波干扰ICI和码间干扰ISI造成的影响。在OFDM系统中，只有发送和接收的子载波完全一致，才能保证载波间的正交性，从而可以正确接收信号。任何频率偏移必然导致ICI。实际系统中，由于本地时钟源如晶体振荡器不能精确的产生载波频率，总要附着一些随机相位调制信号。结果接收机产生的频率不可能与发送端的频率完全一致。对于单载波系统，相位噪声和频率偏移只是导致信噪比损失，而不会引入干扰。但对于多载波系统，却会造成子载波间干扰ICI，因此OFDM系统对于载波偏移比单载波系统要敏感，必须采取措施消除频率偏移。如果时域同步误差较大，FFT处理窗已超出了当前OFDM符号的数据区域和保护时间区域，包括了相邻的OFDM符号，则引入码间干扰，严重恶化了系统性能。频域同步，要求系统估计和校正接收信号的载波偏移。与频率误差不同，时间同步误差不会引起子载波间干扰ICI。但时间同步误差将导致FFT处理窗包含连续的两个OFDM符号，从而引入了OFDM符号间干扰ISI。并且即使FFT处理窗位置略有偏移，也会导致OFDM信号频域的偏移，从而造成信噪比损失，BER性能下降。OFDM系统中的同步过程一般分为捕获和跟踪两个阶段，捕获阶段进行粗同步，跟踪阶段进行细同步，以进一步减小误差。对十突发式的数据传输，一般是通过发送辅助信息来实现同步。当前提出的OFDM系统中，采用辅助信息的同步方式主要可以分为插入导频符号的同步和基于循环前缀的同步。这两种同步方法，各有其优缺点。插入导频符号法同步性能较好，但是这种方法浪费了带宽和功率资源，降低了系统的有效性。基于循环前缀的同步法可以应用最大似然估计算法，克服了插入导频符号浪费资源的缺点，且简单、易实现，但是同步范围较小。同步是OFDM技术中的一个难点，许多学者提出了很多OFDM同步算法，其中较常用的有利用奇异值分解的ESPRIT同步算法和ML估计算法，ESPRIT算法虽然估计精度高，但计算复杂，计算量大，而ML算法利用OFDM信号的循环前缀，可以有效地对OFDM信号进行频偏和时偏的联合估计，而且与ESPRIT算法相比，其计算量要小得多。OFDM系统对定时频偏的要求是小于OFDM符号间隔的4，对频率偏移的要求大约要小于子载波间隔的12，系统产生的3DB相位噪声带宽大约为子载波间隔的00101。232信道估计在OFDM系统中，信道估计器的设计主要有两个问题一是导频信息的选取。由于无线信道常常是衰落信道，需要不断对信道进行跟踪，因此导频信息也必须不断地传送；二是复杂度较低和导频跟踪能力良好的信道估计器的设计。在实际设计中，导频信息的选择和最佳估计器的设计通常又是相互关联的，因为估计器的性能与导频信息的传输方式有关。233降低峰值平均功率比由于OFDM信道时域上表现为N个正交子载波信号的叠加，当这N个信号恰好均以峰值叠加时，OFDM信号也将产生最大峰值，该峰值功率是平均功率的N倍。尽管峰值功率出现的概率较低，但为了不知真地传输这些高PAPR的OFDM信号，发送端对高功率放大器HPA的线性度要求也很高。因此，高的PAPR使得OFDM系统的性能大大下降甚至直接影响实际应用。为了解决这一问题，人们提出了基于信号畸变技术、信号扰码技术和基于信号空间扩展等降低OFDM系统PAPR的方法。234均衡在一般的衰落环境下，OFDM系统中的均衡不是有效改善系统性能的方法。因为均衡的实质是补偿多径信道引起的码间干扰，而OFDM技术本身已经利用了多径信道的分集特性，因此在一般情况下，OFDM系统就不必再做均衡了。在高度散射的信道中，信道记忆长度很长，循环前缀CP的长度必须很长，才能使ISI尽量不出现。但是，CP长度过长必然导致能量大量损失，尤其对子载波个数不是很大的系统。这时，可以考虑加均衡器以使CP的长度适当减小，即通过增加系统的复杂性换取系统频带利用率的提高。235编码信道和交织为了提高数字通信系统性能，信道编码和交织是普遍采用的方法。对于衰落信道中的随机错误，可以采用信道编码；对于衰落信道中的突发错误，可以采用交织技术。实际应用中，通常同时采用信道编码和交织，进一步改善整个系统的性能。在OFDM系统中，如果信道衰落不是太严重，均衡是无法再利用信道的分集特性来改善系统性能的，因为OFDM系统自身具有，利用信道分集特性的能力，一般的信道特性信息已经被OFDM这种调制方式本身所利用了。但是OFDM系统的结构却为在子载波间进行编码提供了机会，形成COFDM方式。编码可以采用各种码，如分组码、卷积码等，其中卷积码的效果要比分组码好。第3章OFDM调制器技术31OFDM调制解调原理OFDM技术对信号进行I/Q调制,在IQ两路调制时没有幅度上的失真,所以极大的克服了模拟I/Q调制的幅度和相位不平衡性,克服了模拟混频电路非线性的影响。由于FPGA的可编程性,使用FPGA实现调制/解调可以提高系统的可编程性。在FPGA中在使用平方根升余弦滤波器对基带信号滤波,以消除符号间干扰,滤波后的IQ两路信号通过乘法器与NCO中的正弦和余弦中频载波相乘完成IQ调制,最后两路信号相加通过DA转换送入信道。接收时将信道来的通过AD转换后的信号通过与NCO的两路正交载频相乘分解出IQ两路信号送至FPGA进行OFDM调制在并串转换数据输出。实现框图分别如图31、图32和图33。图31基于OFDM系统得调制和解调框图图32调制原理框图图33调制原理框图一个OFDM符号之内包含多个经过相移键控PSK或者正交幅度调制QAM的子载波。如果用N表示子载波的个数，T表示OFDM符号的持续时间周期，DII0,1,2,N1表示分配给每个子信道的数据符号，I表示第I个子载波的载波频率，矩形函数RECTT1,|T|T/2,则TTY从开始的OFDM符号可以表示为31TTTTFJTTRECDTSSSSSNISISI02EXP/R1一旦将要传输的比特分配到各个子载波上，某一种调制模式则将它们映射为子载波的幅度和相位，通常采用等效基带信道来表示OFDM的输出信号32TTTTTIJTTRECDTSSSSSNISI0/2EXP/1其中ST的实部和虚部分别对应OFDM符号的同相INPHASE和正交QUADRATUREPHASE分量，在实部系统可以分别与相应子载波的余弦分量和正弦分量相乘，构成最终的子信道信号和合成的OFDM符号。图31展示了OFMD系统调制解调模型框图，其中CI/T。在接收端，将接收的同相和正交矢量映射回数据，完成子载波调制。TFJE12信道来自信道的数据串并变换D1D0DN1TFJ2TFJE2STTFJE12TFJ2TFJNE12积分积分积分0D1ND1并串变换图34OFDM系统调制解调模型框图这种正交性还可以从频域角度来理解,在每一个子载波频率的最大处,所有其他子信道的频谱值恰好为零,因此在理想情况下,可以从多个相互重叠的子信道符号频谱中提取出各个子信道符号,而不会受到其他子信道的干扰。OFDM实际上是可以满足无符号间干扰的奈奎斯特准则,这种消除子信道间干扰ICI的方法是通过在时域中使用矩形脉冲成形,在频域中每个子载波的最大处采样来实现。32采用IFFT和FFT的OFDM系统结构快速傅里叶变换是一个相对成熟和完善的算法，该算法因其方便、快捷和有效性在很多领域得到广泛应用。傅里叶变换独特的蝶型运算不仅在现有的通信与信号处理方面具有很强的优势，在OFDM系统中同样也能起到一定的作用。在实际应用中，系统并行数据的调制与解调可以采用反傅立叶变换IFFT和傅立叶变换FFT来实现。采用IFFT和FFT的OFDM系统结构如图所示。图35采用IFFT和FFT的OFDM系统结构对于N比较大的系统，式（32）中的OFDM复等效基带信号可以采用离散傅里叶逆变换（IDFT）方法实现。为了叙述简洁，可以令式（32）中的TS0并且忽略矩形，对于信号ST以T/N的速率进行抽样，即令TKT/NK0,1,N1，则得到33102S/EXPNKIIKTDJ01N可以看到等效为对进行IDFT运算。同样在接收端，为了恢复出原始I的数据符号，可以对进行逆变换，即DFT得到ID34102SEXPNIKIKJ01IN调制如QAM串行变并行二进制信源IFFT低通滤波器信道解调如QAM并行变串行二进制数据FFT低通滤波器XKSNST载波调制载波解调RTRNYK根据以上分析，可以看到OFDM系统的调制解调可以分别有IDFT和DFT来替代，通过N点的IDFT运算，把频域数据符号变换为时域数据符号，IDSK经过射频载波调制之后，发送到无线信道中。其中每一个IDFT输出的数据符号都是由所有子载波信号经过叠加而成的，既对连续的多个经过调制的子载波的SK叠加信号进行抽样得到的。在OFDM系统实际的运用中，可以采用更加快捷方便的IFFT/FFT。N点IDFT运算需要实施N2次复数乘法，而IFFT则可以明显地降低运算复杂度。对于常用的基2的IFFT算法，其复数乘法次数仅仅为（N/2）LOG2N，以16点的变换为例，IDFT和IFFT中所需要的乘法次数分别为256次和32次，并且锁着子载波个数N的增加，复杂度之间的差距也会越来越明显，IDFT的计算复杂度随着N增加而二次方增长，IFFT的计算复杂度却只是略快于线性变化。对于子数量庞大的OFDM系统来说，可以进一步采用基4的IFFT算法来实施傅里叶变换。第4章OFDM调制器的MTALAB仿真使用MATLAB可实现OFDM调制器的仿真，OFDM调制器的系统模型可表示如图41所示。数据源FCH和DATA使用预先存储的数据0、1比特流，数据大小分别为3613比特和3640比特。为了信号可以有效传输，系统采用BPSK和DBPSK调制方案，采用256点的IFFT的运算模块。为消除ISI和多径造成的ICI的影响，添加循环前缀，循环前缀大小为30采样点。为了让OFDM信号的带外功率谱密度下降的更快，对信号进行加窗。最后在信号的头部位置加上前导码，形成OFDM帧，进行发送。图41G3PLC协议的数据帧结构图42OFDM调制器系统模型数据源FCH和DATA使用预先存储的0、1数据流，数据大小分别为3613比特和3640比特，其中FCH采用BPSK映射，DATA采用DBPSK映射。SYNCPSYNCMSYNCMSYNCPSYNCPSYNCPSYNCPSYNCPSYNCPSYNCPFCH1FCH3FCH13OVERLAPGIFCH1OVERLAPGIOVERLAPGIOVERLAPGIOVERLAPGID1PREAMBLEFCHDATABPSK映射DBPSK映射IFFT添加循环前缀加窗成帧模块前导生成模块FRAMEDATAFCH41IFFT模块在进行IFFT运算时，IFFT的输入为36个子载波，其中第一个子载波放置到第23号位置，最后一个子载波放置到第58号位置，其余位置补零。其中IFFT运算结果有用的数据只为实部。图43IFFT模块结构图42添加循环前缀由于信道具有记忆性，导致结果输出不仅与当前输入块有关，还与上一个输入块有关，这样就引起了块间干扰ISI。并且由于多径传播的影响，会造成子载波间的干扰ICI，即子载波的正交性遭到破坏。图44添加循环前缀02358IFFT255FCHDATA取实部运算SIGNAL_IFFT00循环前缀CPC0C29C30C285带循环前缀的数据块OFDM符号C0C1C2C226C25543加窗模块采用特定的窗函数，每个符号边界的8个采样点使用升余弦函数，其余采样点窗函数值设置为1。图45升余弦窗函数相邻符号间的头部8采样点和尾部8采样点进行覆盖叠加。示意图如下图46符号的覆盖叠加44前导模块前导是由8个SYNCP符号和15个SYNCM符号连接后加窗后构成，其中每个SYNCP和SYNCM符号都包含了256点。图47前导加窗示意图头部尾部头部尾部头部尾部第N1个符号第N个符号第N1个符号最终的符号SYNCPSYNCPSYNCPSYNCPSYNCPSYNCPSYNCPSYNCPSYNCP1/2MSYNCM8个采样点8个采样点升余弦函数窗函数SYNCP是由固定的36个初始相位为映射复数做IFFT后取实部的结果，SYNCM符号为SYNCP符号取反的结果。45成帧模块图48一帧信号波形图图49一帧信号的功率谱示意图第5章OFDM调制器的VERILOG仿真51OFDM调制器的结构设计0200040006000800010000120001400016000180000080060040020002004006008OFDM位位0020406081121416182X10530201001020304050位位位位HZ位位位位位/DB位位位位位位图51为OFDM调制器VERILOG仿真的结构框图，系统设计基于G3PLC协议。数据源FCH和DATA采用预先存储于ROM的数据，然后数据经过映射模块，映射数据在做IFFT运算之前要进行数据处理，添加循环前缀和加窗后，与前导码进行叠加，形成OFDM帧。ROMBPSK/DBPSK映射IFFT前数据处理IFFT添加循环前缀和加窗前导生成模块成帧模块OFDM帧ROMSYNCPDATAFCH图51OFDM调制器的结构框图52子模块仿真分析521BPSK/DBPSK映射本次设计的数据源FCH和DATA预先存储于ROM模块中，模块设计方案为当FCH数据输入使能信号EN_FCH有效时，输入FCH待映射数据，输出数据OUT_MAP为BPSK映射的FCH；若DATA数据输入使能信号EN_DATA有效时，输入DATA待映射数据，输出数据OUT_MAP为DBPSK映射的DATA。函数结构如图52所示图52BPSK/DBPSK映射函数其中，每36个数据的起点，输出一个SOP_MAP信号，表示映射数据输出的起点。数据进行BPSK/DBPSK映射的时候，由于调制方式差异的原因，如果DATA紧跟着FCH输入完就输入进行DBPSK映射，那么DBPSK的输出会比BPSK输出晚两个时钟才会开始，所以需要让DATA提前两个时钟输入。BPSK/DBPSK映射仿真波形如图53、54所示。图53BPSK映射仿真波形图54DBPSK映射仿真波形522IFFT前数据处理IFFT前数据处理的主要目的是实现输入IFFT的数据流的控制，使输入数据能够满足IFFT模块的处理数据的要求。图55数据流控制示意图523IFFT模块IFFT模块采用了经过优化的ALTER公司的IP核FFTV72。该IP核处理速度快、占用资源少、使用方便，能够满足本设计的应用要求。RAM1RAM2MUXMUX输入数据IFFT800K800K图56IFFT模块仿真波形图524添加循环前缀和加窗将IFFT运算结果暂存于两块RAM中，用来交替存储流入的数据。循环前缀的方案采用重复读取RAM中的数据的方式，将一部分数据重复复制，从而形成循环前缀。图57数据流控制示意图22625502550123456789101112131415248249250251252253254255保护间隔RAM中的数据有效数据由于FPGA中乘法器需要占用很大的资源，所以在硬件设计中将升余弦函数部分用程序直接实现，其实现方法为将升余弦函数的数值转化为8位二进制，用移位代替乘法器，而其他数值保持不变。图58添加循环前缀和加窗函数仿真波形525前导生成模块首先将一个符号的SYNCP的数据预先存储在25616BIT的ROM中，SYNCM采用SYNCP取反的结果，不会单独再存放于ROM中。前导生成函数结构图如图513所示，输入信号ENA启动前导序列生成的信号，输出信号ODATA_PREAMBLE_VALID为前导序列的有效信号。图59前导生成函数结构图函数内部设置计数器变量CNT，读取95个符号。当计数器CNT为0时，开始进行第一个符号读取，同时头部8点进行加窗，由于地址的读取会产生两个时钟的延时，所以当地址读取从2开始0和1由于地址无效，不是有效值。第一个符号读取完毕后继续从ROM中重复读取第2至第8个SYNCP，此时已读取了8个SYNCP。当计数器计数至8时，读取SYNCP的同时取反，形成SYNCM，当计数器计数至9时，读取1/2个SYNCM的同时进行尾部8点加窗，生成前导。前导仿真波形图如图514所示。图510前导仿真波形图526成帧模块由于前导长度2432点，需要设置移位寄存器进行CP的2432个时钟的输出延时，将前导的输出和数据的输出连续形成一帧。图511OFDM仿真波形图53仿真结果的对比验证将VERILOG的仿真结果与MATLAB的仿真结果进行比较，图512展示的是VERILOG仿真值与MATLAB计算结果的均方误差。从图中可以看出VERILOG的计算值与MATLAB的计算值存在误差。这个误差的来源主要有两个方面，一方面是因为采用定点数计算，转换过程中有一定的舍入误差。令一方面是在计算过程中也会产生一些累积的误差。但这个均方误差值均小于，完全能够满足系统510设计要求。0501015020250300051152253354X105位位位位位位位位位位位位位图512均方误差值第6章总结OFDM是一种能够对抗由多径衰落信道造成的符号间干扰的有效技术，它可在频率选择性衰落信道中实现高速率的无线通信。第三代移动通信系统的标准己确定，第四代移动通信系统己处于研究和试验阶段。OFDM技术作为一种高效的调制技术，将成为第四代移动通信系统的关键技术之一。作为OFDM系统中关键技术之一的信道估计，它的性能直接影响到未来移动通信的通信品质。开展这方面的研究具有很强的理论和现实意义。OFDM技术的主要优缺点优点1适用于多径环境和衰落信道中的高速数据传输它将高速串行数据分割成多个子信号，降低码元速率，相应延长了码元周期；当传输的符号周期大于最大延迟时间时就能够有效的减弱多径扩展的影响。所以OFDM对信道中因多径传输而出现的ISI有很强的鲁棒性，系统总的误码率性能好。2具有很强的抗信道衰落能力在OFDM中由于并行数据码元周期很长，一般大于深衰落的延续时间，通常衰落发生在某个子载波上，这时通过各个子载波的联合编码，便可恢复。如果衰落不是特别严重，简单的均衡器结构是OFDM的突出优点之一。由于OFDM在每个子信道上通常经历的是平坦衰落，所以可以方便的对各个子信道进行频域均衡。通常，一阶抽头滤波器结构的均衡器便可满足要求。这对接收机的复杂度是个很大的简化。3频谱利用率高传统的频分多路传输方法是将频带分为若干个不相交的子频带来并行传输数据流，各个子信道之间要保留足够的保护频带。而OFDM系统由于各个子载波之间存在正交性，允许子信道的频谱互相重叠，因此与常规的频分复用系统相比，OFDM系统可以最大限度地利用频谱资源。当子载波个数很大时，系统的频谱利用率趋于。2/BAUDHZ4可以采用IDFT和DFT方法来实现各个子信道中的正交调制和解调可以采用IDFT和DFT方法来实现。尤其在子载波数目众多的情况下，采用FFT算法能大大减少系统的复杂度，简化系统结构，使得OFDM技术更趋于实用化。5抗窄带干扰因为窄带干扰只能影响一小部分的子载波，因此OFDM系统可以在某种程度上抵抗这种窄带干扰。缺点1对定时和频率偏移敏感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。然而由于无线信道存在时变性，在传输过程中会出现无线信号的频率偏移，例如多普勒频移，或者由于发射机载波频率与接收机本地振荡器之间存在的频率偏差，都会使得OFDM系统子载波之间的正交性遭到破坏，从而导致子信道间干扰（ICI），这种对频率偏差的敏感性是OFDM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是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远高于信号的平均功率，导致较大的峰值平均功率比。