基于fpga的ofdm调制器的仿真设计_毕业论文(编辑修改稿)

基于fpga的ofdm调制器的仿真设计_毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

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。 OFDM 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 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。 武汉工程大学邮电与信息工程学院毕业设计（论文） 5 D A T A帧 控制 头( F C H )交 织器卷 积编 码 器R S编 码 器扰 频 器D B P S K /D Q P S K映 射I F F T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F F T信 道估 计解 交 织D B P S K /D Q P S K解 调R o b u s t 4R o b u s t 6组 合 器V i t e r b i解 码 器R S解 码 器解 扰 器 D A T A帧 控制 头( F C H )前 向 纠 错 码 解 码 器O F D M 解 调 器前 向 纠 错 码 编 码 器 图 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。 OFDM 系统的关键技术 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武汉工程大学邮电与信息工程学院毕业设计（论文） 6 (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 算法武汉工程大学邮电与信息工程学院毕业设计（论文） 7 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 1%~2%，系统产生的 3dB 相位噪声带宽大约为子载波间隔的 %~%。 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。 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。 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，即通过增加系统武汉工程大学邮电与信息工程学院毕业设计（论文） 8 的复杂性换取系统频带利用率的提高。 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。 武汉工程大学邮电与信息工程学院毕业设计（论文） 9 第 3 章 OFDM 调制器技术 OFDM 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 、图。 图 基于 OFDM 系统得调制和解调框图 武汉工程大学邮电与信息工程学院毕业设计（论文） 10 图 调制原理框图 图 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 )， di(i=0,1,2… ,N1) 表示分配给每个子信道的数据符号， ƒi表示第 i 个子载波的载波频率，矩形函数 rect(t)=1,|t|≤ T/2,则 t=ty 从 错误 !未指定书签。 开始的 OFDM 符号可以表示为：    TttttTtttttfjTttr e c tdtsssssNisisi0)](2e x p [)2/(Re)( 10() 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 :   TttttTtttttTijTttr e c tdtsssssNissi0)](/2e x p [)2/()( 10 () 其中 s(t) 的实部和虚部分别对应 OFDM 符号的同相 (Inphase) 和正交武汉工程大学邮电与信息工程学院毕业设计（论文） 11 (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 展示了 OFMD 系统调制解调模型框图，其中 ƒ=ƒc+i/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。 tfje 12 信 道来 自 信 道 的数 据串并变换d 1d 0d N 1tfje 22 tfj Ne 12 s ( t )tfje 12  tfje 22tfj Ne 12  积 分积 分积 分0~d1~Nd 1~d并串变换 图 OFDM 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。