正交频分复用解调电路设计(编辑修改稿)

正交频分复用解调电路设计(编辑修改稿)内容摘要：

欧洲首先推出了全球移动通信系统（ GSM： Global System for Mobile）。 随后美国和日本也相继指定了各自的数字移动通信体制。 20世纪 90 年代初，美国 Qualm 公司推出了窄带码分多址（ CDMA：CodeDivision Multiple Access）蜂窝移动通信系统，这是移动通信系统中具有重要意义的事件。 从此，码分多址这种新的无线接入技术在移动通信领域占有了越来越重要的地位。 这些目前正在广泛使用的数字移动通信系统是第二代移动通信系统。 第二代移动通信系统主要是为支持话音和低速率的数据业务而设计的。 但随着人们对通信业务范围和业务速率要求的不断提 高，已有的第二代移动通信网将很难满足新的业务需求。 为了适应新的市场需求，人们正在制定第三代（ 3G）移动通信系统。 但是由于 3G 系统的核心网还没有完全脱离第二代移动通信系统的核心网结构，所以普遍认为第三代系统仅仅是一个从窄带向未来移动通信系统过渡的阶段。 目前，人们已经把目光越来越多得投向超三代（ beyong 3G）的移动通信系统中，使其可以容纳市场庞大的用户数、改善现有通信品质不良，以及达到高速数据传输的要求。 若从技术层面来看，第三代移动通信系统主要是以 CDMA 为核心技术，三代以后的移动通信系统则以正交频分复用 OFDM（ Orthogonal Frequency Division Multiplexing）最受瞩目，特别是有不少专家学者针对 OFDM 技术在无线通信技术上的应用，提供了相关的理论基础，例如无线区域环路（ WLL： Wireless Local Loop）、数字音讯广播（ DAB: Digital Audio Broadcasting）等，都将在未来采用 OFDM 技术。 目前世界范围内存在有多种数字无线通信系统，然而基于支持话音业务的电路交换模式的第二代移动通信系统不能满足多媒体业务的需要 ,但是对于高速数据业务来 说，单载波 TDMA（ Time Division Multiple Access） 系统和窄带 CDMA 系统中都存在很大的缺陷。 由于无线信道存在时延扩展，而且高速信息流的符号宽度又相对较窄，所以符号之间会存在较严重的符号间干扰（ ISI： InterSymbol Interference），因此对单载波TDMA 系统中使用的均衡器提出非常高的要求，即抽头数量要足够大，训练符号要足够多， 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 2 页 共 34 页 训练时间要足够长，而均衡算法的复杂度也会大大增加。 对于窄带 CDMA 来说，其主要问题在于扩频增益与高速数据流之间的矛盾。 保证相同带宽的前 提下，高速数据流所使用的扩频增益就不能太高，这样就大大限制了 CDMA 系统噪声平均的优点，从而使得系统的软容量受到一定的影响，如果保持原来的扩频增益，则必须要相应的提高带宽。 此外， CDMA 系统内的一个非常重要的特点是采用闭环的功率控制，这在电路交换系统中比较容易实现，但对于分组业务来说，对信道进行探测，然后再返回功率控制命令会导致较大的时延，因此对于高速的无线分组业务来说，这种闭环的功率控制问题也存在缺陷。 因此，人们开始关注正交频分复用（ OFDM）系统，希望通过这种方法来解决高速信息流在无线信道中的传输问题 ，从而可以满足带宽要求更高的多种多媒体业务和更快的网络浏览速度。 正交频分复用 (OFDM： Orthogonal Frequency Division Multiplexing)的提出已有近 40 年的历史，第一个 OFDM 技术的实际应用是军用的无线高频通信链路。 但这种多载波传输技术在双向无线数据方面的应用却是近十年来的新趋势。 经过多年的发展，该技术在广播式的音频和视频领域已得到广泛的应用。 近年来，由于 DSP（ digital signal processing） 技术的飞速发展， OFDM 作为一种可以有效对抗 ISI 的高 速传输技术，引起了广泛关注。 OFDM 技术已经成功地应用于数字音频广播（ DAB）、高清晰度电视 HDTV（ Highdefinition Television）、无线局域网 WLAN（ Wireless Local Area Network），它在移动通信中的运用也是大势所趋。 1999 年 IEEE802． 11a 通过了一个 5GHz 的无线局域网标准，其中 OFDM 调制技术被采用 并作 为它的物理层标准。 1 系统设计内容与要求 设计内容 采用单芯片（ FPGA）完成一个正交频分复用解调电路设计。 采用 64 点 FFT，完 成31个子载波传输，每个子载波使用 4QAM星座图。 每个子载波对应不同的频率，互相之间保持正交，避免了信道间干扰。 正交频分复用（ OFDM）技术是多载波解调中的一种，在高速无线通信中有广泛的应用。 OFDM 适合无线通信场景，采用多载波方式，可以把数据流分成多个分支，这样可以把噪声当作加性高斯白噪声，简化了系统。 借助 EDA 设计软件，在 FPGA 上实现 OFDM 通信系统中的解调功能。 设计要求 使用 QUARTUS II 软件，设计硬件电路，编写 HDL程序，对电路进行功能和时序仿真分析。 实现 OFDM 解调，在 FPGA 上实现解调电路，并进行性能测试。 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 3 页 共 34 页 采用 31个子载波， 64点快速傅立叶变换，能够实现 Mbps 数据传输速率。 可以通过计算机的串口进行数据接收演示。 2 OFDM 系统基本介绍 OFDM 技术介绍 正交频分复用 （ OFDM） 技术与已经普遍熟知应用的频分复用 （ FDM： Frequency Division Multiplexing） 技术十分相似 ， 与 FDM 基本原理相同 ， OFDM 把高速的数据流通过串并变换 ， 分配到速率相对较低的若干个频率子信道中进行传输 ， 不同的 地方 是 ，OFDM 技 术利用了更好的控制方法 ， 使频谱利用率有所提高。 OFDM 与 FDM 的主要差别为以下几方面： 第一：在常规的广播系统中，每一个无线站在不同的频率上发送 若干个 信号，有效的运用 FDM 来保证每个站点的分隔，广播系统中的每一个站点没有任何的同位或同步；但使用 OFDM 传播技术，譬如 DAB，从多个无线站来的信息信号被组合成一个单独的复用数据流，这些数据是由多个子载波密集打包组成，然后将在 OFDM 体系中传输，在 OFDM信号内的所有子载波都是在时间和频率上同步，使子载波之间的干扰被严格控制。 这些复用的子载波在频域中交错重叠，但因 为调制的正交性且采用循环前缀作为保护间隔，所以不会发生载波间干扰 ICI（ InterCarrier Interference）。 第二： 对传统的频分复用（ FDM）系统而言 ，传播的信号需要在两个信道之间存在较大的频率间隔即保护带宽来防止干扰，这降低了全部的频谱利用率；然而应用 OFDM的子载波正交复用技术大大减少了保护带宽，提高了频谱利用率。 如图 21。 在 早期 时候， 正交频分复用（ OFDM）系统 中， 各子载波采用正交滤波器将信道分成多个子信道，但要用 很多的滤波器， 尤其是当路数增多的时候。 1971 年， Weinstein及 Ebert 等将 DFT应用 于 多载波传输系统中，从而很方便地实现了多路信号的复合和分解。 OFDM 系统的一个重要优点就是可以利用快速傅立叶变换实现调制和解调，从而大大简化系统实现的复杂 程 度。 图 21 FDM与 OFDM带宽利用率的比较 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 4 页 共 34 页 正交频 分复用（ OFDM）系统是一种特殊的多载波传输方案，它可以被看作是一种调制技术，也可以被当作一种复用 的 技术。 多载波传输把数据流分解成若干个子比特流，这样每个子数据流将具有低得多的比特速率，用这样的低比特率形成的低速率多状态符号再去调制相应的子载波，就构成多个低速率符号并行发送的传输系统。 正交频分复用是对多载波调制（ MCM： MultiCarrier Modulation）的一种改进。 它的特点是各子载波相互正交 的 ， 所以 扩频调制后的频谱可以相互重叠，不但减小了子载波间的相互干扰，还大大提高了频谱利用率。 选择 OFDM 的一个主要原因在于该系统能够很好地对抗频率选择性衰落和窄带干扰。 在单载波系统中，一次衰落或者干扰可以导致整个链路失效，但是在多载波系统中，某一时刻只会有少部分的子信道会受到深衰落的影响。 OFDM 技术的发展 OFDM(Orthogona1FrequencyDivisionMultiplexing)即正交频分复用 ， 是一种多载波数字调制技术 ， 于 20世纪 60年代就己提出 ， 该技术的特点是易于实现信道 的 均衡 ， 降低了均衡器的复杂性 ， 但由于 OFDM技术要求大量的复杂计算和高速存储设备 ， 当时的技术条件 还 达不到 ， 所 以仅在一些军用系统中有过应用。 第一个 OFDM技术的实际应用是军用的无线高频通信链路，由于 较 早期的 OFDM系统结构非常复杂，需要使用多个调制解调器，从而限制了它的应用和发展。 1971 年， Weinstein和 Ebert提出了采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，使得 OFDM技术更趋于实用化。 近年来，由于数字信号处理技术和大规模集成电路技术 (VLSI) 的发展，制约 OFDM技术发展的障碍已不存在。 同时， 80年代中 后 期以来由于无线通信技术，特别是无线多媒体技术的飞速发展，要求的数据传输速率 越来越高。 随着传输速率的提高，信道干扰更加严重，采用传统的单载波调制方式，其信道均衡的难度也随之增加，而采用 OFDM调制技术可有效地处理信道干扰，提高系统的传输速率，因此倍受 大家 瞩目。 1995年欧洲电信标准委员会 (ETSI)将 OFDM作为数字音频广播 (DAB)的调制方式，这是第一个以 OFDM作为传输技术的标准。 欧洲数字视频广播联盟也在 1997年采用 OFDM作为其地面广播 (DVBT)调制标准。 1999年 IEEE将 OFDM作为其无线局域网标准。 OFDM和 CDMA的结合也 被用于宽带 CDMA中。 目前 OFDM技术己经被广泛应用于广播式的音频和视频领域和民用通信系统中，主要的应用 有 ：非对称的数字用户环路 (ADSL)、 ETSI 标准的数字音频广播 (DAB)、数字视频广播 (DVB)、高清晰度电视 (HDTV)、无线局域网 (WLAN)等。 正交频分复用技术 (OFDM)是一种无线环境下高速传输技术。 无线信道的频率响应大多是非平坦的，而 OFDM技术的主要思想就是在频域内将所给信道分成许多正交子信道，在每个子信道上使用一个子载波进行调制，并且各子载波并行传输，这样，尽管总的信道是非平坦的，也就 是具有频率选择性，但是每个子信道是相对平坦的，并且在每个子信道上是窄带传输，信号带宽小于信道的相应带宽，可以大大消除信号波形 之 间的干扰， 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 5 页 共 34 页 又由于各子信道的载波间相互正交，于是它们的频谱 都 是相互重叠的，这样既减小了子载波间的相互干扰，同时又提高了频谱利用率。 OFDM技术具有较强的抗信道频率选择性衰落的性能，是抗信道多径的有效方法。 随着 DSP 芯片技术的发展，傅立叶变换 /逆 变换、高速 Modem 采用的 64/128/256QAM 技术、栅格编码技术、信道自适应技术 以及 插入保护时段等成熟技术的逐步引入，人们开始集中越来 越多的精力开发 OFDM 技术在移动通信领域的应用。 OFDM 技术由于使用正交重叠的频谱，频谱效率较高，另外还具有抗多径时延、硬件实现简单等优点，目前已基本被公认为 Beyond3G 的核心技术，尤其是 OFDM、多载波作为一项核心技术 以及 其他先进的发送和接收技术的结合，更是今后研究的热点。 OFDM 系统的优缺点 近年来， OFDM 技术已经备受关注，其原因在于 OFDM 技术有以下优点： 把高速率数据流通过串并转换，使得每个子载波上的数据符号 的 持续长度相对增加，从而有效的减少无线信道的时间弥散所带来的 ISI，这 样就减小了接收机内均衡的复杂度，有时甚至可以不采用均衡器， 而且 仅仅通过采用插入循环前缀的方法消除 ISI的不利影响。 传统的频分多路传输方法，将频带分为若干个不相交的子频带来传输并行数据流，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，允许子信道的频谱相互重叠，因此与常规的频分复用系统相比， OFDM 系统可以最大限度的利用频谱 的 资源。 当子载波个数很大时 ,系统的频谱利用率趋于 2波特 /Hz。 各个子信道中的正交调制和解调可以通过采用 IDFT 和 DFT 的方法来实现。 对于N很大的系统 中，可以通过采用快速傅立叶 (FFT)来实现。 而随着大规模集成电路技术与DSP 技术的发展， IFFT 与 FFT 都是非常容易实现的。