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基于FPGA的OFDM系统设计与仿真.pdf

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南京邮电大学硕士论文独创性声明本人声明所呈交的学位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。尽我所知,除了文中特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含其他入已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得南京邮电大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。为我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均以在论文中作了明确的说明并表示了谢意。研究生签名 日期皿乒纠名南京邮电大学学位论文使用授权声明南京邮电大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档,可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外,允许论文被查阅和借阅,可以公布包括刊登论文的全部或部分内容。论文的公布包括刊登授权南京邮电大学研究生部办理。研究生签名 导师签名 盥眺肆·限南京邮电大学硕士研究生学位论文 第~章绪论1.1课题背景和来源第一章绪论随着蜂窝移动通信、宽带无线接入技术、多媒体技术的迅速发展,简单的语音业务、低速数据业务已经不能满足人们的需求,电信运营商需要开发出更多新的增值业务来吸引与保留顾客,如多媒体彩信、LBS位置业务、游戏、移动视频、电视业务等。由于单载波技术存在严重的ISI并且均衡实现复杂,CDMA扩频调制技术的扩频增益低、抗噪声和ISI能力下降,不能满足宽带高速业务的要求。为了能在复杂的电磁环境和紧缺的频谱资源条件下,实现高速率、高质量、高效率的数据传输,必须采用更有效的无线传输技术。上世纪50年代末提出的正交频分复用0FDM技术,具有频谱利用率高、均衡实现简单和抗多径干扰能力强等优点,已越来越受到业界的广泛关注。正交频分复用OFDMOrthogonal Frequency Division Multiplexing是一种多载波调制MCM技术。它可以被看做一种调制技术,也可以被当做一种复用技术。它能够有效地对抗多径传输,使得受到干扰的信号能够可靠地接收,它将串行高速信息数据流变换成为若干路并行低速数据流,每路低速数据被调制在彼此正交的子载波上,然后所有子载波叠加在一起构成发送信号。和传统的单载波系统相比,OFDM系统的各子载波信道频谱相互重叠,因此具有较高的频谱利用率,其频谱效率比单载波高出近一倍。同时,OFDM通过串,并转换,使高速数据流变成多个在子载波上并行传输的低速数据流,减小了无线信道对系统的影响,增强了抗多径和频率选择性衰落的能力。此外,OFDM的正交子载波将频率选择性衰落信道等效为若干并行的平坦衰落信道,将信道的影响等效为复数因子,简化了信道均衡。而且,OFDM还可以通过动态功率分配技术和比特自适应调制技术使系统达到最优性能。由于这种技术具有在杂波干扰下传送信号的能力,因此常常会被利用在容易外界干扰或者抵抗外界干扰能力较差的传输介质中。它的特点是各子载波相互正交,使扩频调制后的频谱可以相互重叠,从而减小了子载波间的相互干扰在对每个载波完成调制以后,为了增加数据的吞吐量,提高数据传输的速度,它又采用了一种叫作HomePlug的处理技术,来对所有将要被发送数据信号位的载波进行合并处理,把众多的单个信号合并成一个独立的传输信号进行发送另外,更为难得的是它可以利用离散傅立叶反变换离散傅立叶变换IDFT/DFT代替多载波调制和解调。l南京邮电大学硕士研究生学位论文 第~章绪论20世纪60年代已经提出了OFDM的基本原理,1970年1月首次公开发表了有关OFDM的专利,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、由于OFDM的各个子载波间相互正交,采用FFT实现正交调制,在当时的系统应用中,实时傅立叶变换的复杂度、发射机和接收机振荡器以及射频功率放大器的线性要求等因素都成为OFDM技术实现的制约条件。近年来,随着数字信号处t里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逐步走向实用。正交频分复用OFDMOrthogonal Frequency Division Multiplexing技术作为一种可以有效对抗信号波形间干扰的高速传输技术,引起了广泛关注,它可以克服符号间干扰,适合在无线信道中传输高速的数据业务。最初应用于高速MODEM、数字移动通信和高密度磁记录等方面,后来技术的研究深人到无线调频信道上的宽带数据传输随着IEEE802.1l a协议、ETSI BRANBroadband Radio Access Network和多媒体应用的引人,无线通信领域已经为OFDM技术的应用做好了准备。它既可以用于广播类型的系统,也可以用于分组交换的网络。下一代移动无线通信系统的目标是实现无所不在的、高质量的、高速率的宽带多媒体通信,由于OFDM的高频谱利用率、易于硬件实现、对抗频率选择性衰落和窄带干扰的能力突出等优点,随着3G技术的不断完善,4G技术的研究正在如火如荼地进行,OFDM技术已经成为4G的关键技术之一。OFDM技术的主要优点有频谱利用率高,支持高速数据传输,对多径延时引起的码间干扰抵抗性强,对信道频率选择衰落抵抗性强等。基于以上优点,自20世纪80年代以来,以OFDM为代表的多载波调制技术已经陆续在数字音频广播DAB、数字视频广播DVB、非对称数字用户环路ADSL、IEEE802.1 la、HiperLAN/2无线局域网、4G移动通信等领域得到应用并成为国际和行业标准。此外OFDM也易于和其它多种接入方法结合使用,构成OFDMA系统,包括多载波码分多址,以及OFDM.TDMA等等,使得多个用户可以同时利用OFDM技术进行信息的传输。当下国内有很多对OFDM的研究,但是大多都只是停留在算法研究和系统仿真上,对于OFDM系统在硬件实现方面,相关的研究还比较少。FPGA是一种可编程逻辑器件,厂家将可配置的逻辑块以阵列状排列芯片内部,通过可编程连线,用户可以方便的实现各种组合逻辑和时序逻辑。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。目前软件无线电己经成为通信领域一个新的发展方向。它的中心思想是构造一个具有开放性、标准化、模块化的通用硬件平台,将各种功能,如工作频段、2南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论调制解调类型、数据格式、加密模式、通信协议等由应用软件来完成,并使宽带A/D和D/A转换器尽可能靠近天线,以研制出具有高度灵活性、开放性的新一代无线通信系统。由于数字技术和可编程器件的发展以及软件无线电技术的提出,几乎所有通信系统的基带和中频频带部分都可以全数字实现。因此,越来越多的人希望通信系统能够实现高度的数字化和模块化。FPGA的灵活性和可编程的特点恰恰能够满足人们的这种需要。因此本课题的目的就是希望能够很好的结合上述两方面的优势,用FPGA作为平台,设计、仿真进而实现OFDM系统。目前世界各国许多大公司、研究团体已经充分认识到OFDM技术的应用前景,纷纷加入世界性的OFDM论坛,专门讨论OFDM在技术上、市场推广上的各方面问题,从而进一步推动了OFDM技术的商用化。2005年3月,北电Nortel在渥太华高级无线实验室进行的演示采用了多输入多输出MIMO的无线通信技术,此项技术将奠定北电4G移动宽带解决方案的基础。在演示中,北电在蜂窝站点和4G设备上采用了MIMO支持的多天线系统,以及正交频分复用OFDM传输技术。而此前北电及行业研究表明,这两项技术的结合,确保了以最低的价格提供最高的网络带宽和最大的频谱效率。2006年2月,北电的高速OFDM和MIMO分组接入标准获得了批准,成为针对无线网络标准长期演进LTE的3G伙伴关系项目3GPP的一部分。随着人们对通信数据化、宽带化、个人化和移动化的需求,OFDM技术在综合无线接入领域将越来越得到广泛的应用。1。2本课题的研究目的及意义本文的研究目的是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,并基于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。本文的研究途径是理论指导实践。实践验证理论。首先深入学习无线通信系统的基础理论,包括OFDM基本原理、编码调制技术、IFFT/FFT算法等其次,基于以上基础理论,利用HDL语言设计出加扰、RS编码、卷积交织码、QPSK/QAM映射、串并/并串转换、FFT/IFFT、基带成型滤波等系统关键的功能模块。最后,基于FPGA来实现各个模块的仿真。基于FPGA实现OFDM通信系统,便于降低电路复杂度,采用先进的算法有利提高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。自主研发更有利于自身的技术积累和自我保护,更加灵活自由,不会受到专用南京邮电大学硕士研究生葶位论文 第一章绪论调制解调芯片技术和知识产权方面的限制。我们作为在校研究生研究该课题的主要目的是以该课题作为研究载体,培养自学能力,锻炼搜索资料能力,提高提出问题、分析问题、解决问题的能力以及实际动手能力。1.3应用现状及展望OFDM技术最早应用于ETSI标准的数字音频广播DAB和数字视频广播DVB中。在宽带无线接入系统中,从面向个人区域网PAN的IEEE802.15UWB到面向局域网LAN的IEEES02.11WiFi、面向城域网MAN的IEEE802.16WiMAX,直至提议面向广域网WAN的IEEE802。20MBWA,均采用了OFDM/OFDMA技术。此外,在蜂窝移动通信系统中,3GPP LTE标准的下行链路将采用OFDMA,上行链路将采用具有低峰均比的改进型SC.FDMA,用于降低功放成本和延长电池寿命;3GPP2 UMB超级移动宽带标准的上下行链路均采用了OFDMA技术。未来的B3G/4G技术也将会基于OFDM。目前无线通信领域所有的新兴技术几乎都以OFDM技术为核心。1.3.1数字广播系统目前大多数数字广播系统,如欧洲的DAB系统、DVB系统、日本的ISDB、韩国的T-DMB、美国的MediaFLO、中国的CMMB等,都采用OFDM调制技术,其中ETSI提出的DAB标准是第一个使用OFDM的标准。移动电视ITU国际标准的DMB移动多媒体广播,它的上游标准DAB的物理层采用编码正交频分复用COFDM技术,通过加入多媒体功能,来实现在高速移动过程中清晰地接收图像。在DAB中使用OFDM的主要原因在于OFDM技术可以有效地解决多径时延扩展问题,并可以单频组网,提高系统的频谱效率。1.3.2无线局域网在新一代WLAN技术标准, 美国的IEEE802.1la和欧洲ETSI的HiperLAN/2中均采用OFDM技术。IEEES02.1la工作在5GHz频带,采用OFDM调制技术,速率可达54Mbiffs。HiperLAN/2物理层应用OFDM和链路自适应技术,媒体接入控制采用面向链接、集中资源控制的TDM~TDD方式和无线ATM技术,最高速率可达54Mbit/s。工作在5GHz频段的WLAN系统通过使用不同的调制和编码技术支持可变速率通信,目前采用BPSK、QPSK、16QAM、64QAM可支持6一,54Mbit/s的传输速率。4南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论1.3.3宽带无线接入宽带无线接入系统是针对微波及毫米波段中新的空中接口标准,它具有速率高、抗干扰强等特点,能够支持无线多媒体通信,适用于商务大楼、热点地区及家庭用户的宽带接入。IEEE802.16工作组专门负责在宽带无线接入方面的技术工作,它已经开发IEEE802.16系列标准,其物理层采用OFDM技术。在宽带无线接入领域,具有代表性的OFDM技术包括Wi.LAN公司的W-OFDM,Cisco和Iospan公司的V-OFDM,Flarion公司的FLASH.OFDM。1Wi.LAN公司推出的W-OFDM传输方案已成为IEEES02.16标准的物理层调制技术。W-OFDM通过发送训练符号来克服多径问题,采用扩展的前向纠错码在多个频率上扩展符号,将信号转换成DS.SS信号,它将信道估计与Reed.Solomon算法配合使用,使纠错能力增加一倍。采用随机相位的信号白化技术和信道估计技术解决PARA问题和多径衰落的影响。W-OFDM频谱利用率高,采用16QAM调制的商用W-OFDM系统目前可到3.2b/s/Hz的频谱利用率。2V-OFDM是一种特殊的MIMOOFDM技术,同时还引入时间分集的概念。该技术联合OFDM和空时处理技术,信号在发射时采用数组天线,同时在不同的信号间插入一定的时间间隔,使信号在时间、频率和空间上实现分集,使干扰被降低,大大提高系统对窄带和宽带干扰的容限,同时充分利用多径效应,在多径的环境中使用多重天线来提高SNR和数据速率。3FLASH.OFDM是一种以OFDM为主的利用快速跳频进行扩频的技术,具有频率分集能力,为移动用户提供基于IP的宽带接入Intemet服务,使移动用户拥有可同LAN相比拟的性能、安全性和速率。上下行链路是数百个子信道组成的宽带载波,传输数据时给每个用户分配子信道,每个子信道采用了自适应调制和Vector-LDPC编码方案,其上下行峰值速率可达900kbps和3Mbps。1.3.4与CDMA技术的结合扩频码分多址CDMA成功应用于第二代移动通信系统中,而且是第三代移动通信系统的核心技术,但是CDMA的容量受限于多址干扰和多径干扰。而多载波技术对于多径干扰和符号间串扰有很强的抵抗力,因此从1993年开始陆续出现讨论多载波调制与扩频码分多址技术结合的文章。这些方法可分为两类频域扩频和时域扩频。频域扩频通称为Multicarrier CDMAMC.CDMA;时域扩频有两种不同的构成方法MulticarrierDS.CDMAMC-DSDMA和Multitone CDMAMTDMA。气南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论1MC.CDMA系统中每个信息符号先经过与扩频序列相乘,相乘后的每路信号调制到每个子载波上,若PN序列长为N,则调制到N个子载波上,即信息是在许多载波频率片上同时进行发送的。MC.CDMA可看作是一种特殊的OFDM系统,具有接近矩形的频谱,带外辐射小,可用FFT实现信号的调制与解调,同时还具有低功率谱密度接收、扩频、多址、抗干扰和抗多径的能力。2MC.SCDMA系统中信息比特先经过串/并变换,并行的每路经过相同扩频序列扩频,再调制到不同的子载波上。相邻的子载波频带之间有1/2的重叠,且保持正交关系。由于把OFDM信令引入MC.SCDMA方案有助于建立同步信道,所以该方案最初主要是用于上行通信链路。3MT-CDMA系统中数据流先经过串/并变换,调制到不同载波上,以形成OFDM信号,此时子载波之间有1/2的重叠,且满足正交性,OFDM的符号周期为界。然后再经过长为L的扩频码扩频,则扩频后每个子载波的带宽扩展为坍。,而相邻子载波的间隔仍然保持以前的l几,因此在子载波之间有更多的重叠。此时,子载波之间也不再保持正交性。MT-CDMA一般采用较长的扩频序列,比DS.CDMA能容纳更多的用户。OFDM技术有着广阔的发展前景,目前已成为第四代移动通信的核心技术,IEEE802.11a/g标准为了支持高速数据传输都采用OFDM调制技术。目前,OFDM结合MIMO技术、软件无线电技术、LDPC编码技术以及智能天线技术,最大程度地提高物理层的可靠性。未来,再结合自适应调制、自适应编码以及动态子载波分配、动态比特分配算法等技术,可进一步优化OFDM的性能。1.4论文内容和结构在论文的第一章简要介绍OFDM的国内外研究情况与应用现状第二章简要地介绍OFDM正交频分复用系统的基本原理、系统构成和技术特点;第三章介绍可编程逻辑器件,对FPGA的开发环境和开发语言进行简单介绍;第四章简要介绍了OFDM所涉及到的关键技术;第五章重点完成编码和调制的建模和仿真在论文的最后一章第六章总结了论文的工作完成情况,以及对未来工作的展望。6南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章OFDM的基本原理第二章OFDM的基本原理现代社会对通信的依赖和要求越来越高,于是设计和开发效率更高的通信系统就成了通信工程界不断追求的目标。通信系统的效率,说到底就是频谱利用率和功率利用率。特别是在无线通信的情况下,对这两个指标的要求往往更高,尤其是频谱利用率。由于空间可用频谱资源是有限的,而无线应用却越来越多,使得无线频谱的使用受到各国政府的严格管理并统一规划。于是,各种各样的具有较高频谱效率的通信技术不断被开发出来,OFDMOrthogonal Frequency Division Multiplexing是目前已知的频谱利用率最高的一种通信系统,它将数字调制、数字信号处理、多载波传输等技术有机结合在一起,使得它在系统的频谱利用率、功率利用率、系统复杂性方面综合起来有很强的竞争力,是支持未来移动通信特别是移动多媒体通信的主要技术之一。OFDM是一种多载波传输技术,N个子载波把整个信道分割成N个子信道,N个子信道并行传输信息。OFDM系统有许多非常引人注目的优点。第一,OFDM具有非常高的频谱利用率。普通的FDM系统为了分离开各子信道的信号,需要在相邻的信道间设置一定的保护间隔频带,以便接收端能用带通滤波器分离出相应子信道的信号,造成了频谱资源的浪费。OFDM系统各子信道间不但没有保护频带,而且相邻信道问信号的频谱的主瓣还相互重叠,但各子信道信号的频谱在频域上是相互正交的,各子载波在时域上是正交的,OFDM系统的各子信道信号的分离解调是靠这种正交性来完成的。另外,OFDM的各子信道上还可以采用多进制调制如频谱效率很高的QAM,进一步提高了OFDM系统的频谱效率。第二,实现比较简单。当子信道上采用QAM或MPSK调制方式时,调制过程可以用IFFT完成,解调过程可以用FFT完成,既不用多组振荡源,又不用带通滤波器组分离信号。第三,抗多径干扰能力强,抗衰落能力强。由于一般的OFDM系统均采用循环前缀Cyclic Prefix,CP方式,使得它在一定条件下可以完全消除信号的多径传播造成的码间干扰,完全消除多径传播对载波间正交性的破坏,因此OFDM系统具有很好的抗多径干扰能力。OFDM的子载波把整个信道划分成许多窄信道,尽管整个信道是有可能是极不平坦的衰落信道,但在各子信道上的衰落却是近似平坦的,这使得OFDM系统子信道的均衡特别简单,往往只需一个抽头的均衡器即可。当然,与单载波系统比,OFDM也有一些困难问题需要解决。这些问题主要是第一,同步问题。理论分析和实践都表明,OFDM系统对同步系统的精度要求更高,大的同步误差不仅造成输出信噪比的下降,还会破坏子载波间的正交性,造成载波间干扰,从7南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章OFDM的基本原理而大大影响系统的性能,甚至使系统无法正常工作。第二,OFDM信号的峰值平均功率比Peak-to.Average Power Ratio,PAPR往往很大,使它对放大器的线性范围要求大,同时也降低了放大器的效率。OFDM在未来通信系统中的应用,特别是在未来移动多媒体通信中的应用,将取决于上述问题的解决程度。2.1 OFDM技术基本原理正交频分复用OFDM的基本原理就是把高速的数据流通过串并变换,分配到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符号周期会相对增加,因此可以减轻由于无线信道的多径时延扩展所产生的时间弥散性对系统造成的影响,并且还可以在OFDM符号之间插入保护间隔guard interval,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符号间干扰ISI。2.1.1多载波调制和FFTOFDM是一种多载波传输技术。设fkkl,2,..,N为N个子载波频率,则一般的多载波已调信号在第i个码元间隔内可以表示成Ⅳ一IIr∑置后,texpj27rfktkO 2.1其中,Xik,t是信号在第i个码元间隔内所携带的信息,它决定了Sit的幅度和相位,一般情况下它们是只与码元标号有关的复常数,它们携带了要传输的信息;例如,若第k个子载波采用QPSK调制时,设采用rd4方式的星座,当第个码元为“00”时,根据码元和星座的映射关系可以知道,X;k,t√2/21j。为叙述方便,在只需研究一个多载波信号码元的时候,常常省略码元标号而当子载波采用普通没有采用波形形成的QAM或MPSK调制时,Xi1,t与i无关,从而将Xik,t简写成X蛐,根据上下文这样不会产生歧义。按上述约定,2。1式可以写成Ⅳ一lJ,∑Xkexpj2,rfktk0 2.2我们希望这种多载波传输方式的频谱利用率要高,即子载波间隔要尽可能小;还希望系统实现简单。要实现上述多载波传输系统,一般需要N个振荡源和相应的带通滤波器组,系统结构复杂,体现不出多载波传输的优势。但是,经过细致的分析可以发现,上述多载波传输系统的调制解调都可以利用离散傅里叶变换Discrete FourierTrans,DFT实现,由于DFT有著名的快速算法FFTFast Fourier Trans,使得多载波传输系统R塑塞堂皇奎兰堡主堕壅竺堂垡丝苎 笙三翌旦里坚竺苎查堕里实现起来大为简化,特别是利用FFT实现的OFDM系统,以其结构简单、频谱利用率高而受到广泛重视。下面分析多载波传输系统可以用DFT实现的条件。为确定子载波间的频率间隔,我们考虑接收端如何对信号解调。我们对接收信号暂不考虑噪声和失真的影响以抽样率£抽样,利用DFT对抽样信号进行解调。利用N点的DFT可以计算出信号的第个频谱分量为.Ⅳ-IskAf∑sn/f,exp-j2xnk/Nn0 2.3这里,SkAf是第个频谱分量;sn/f,n-0,1,2,...,N·1是抽样信号;f正/N是DFT的分辨率。为使DFT正确计算出频谱,信号必须在N点抽样以外周期性重复,当信号只含有该DFT的谐波成份时,条件就能满足。将tn/f,代入式2.2得sn/Z∑石,exp/2万乃力/Zj-o 2.4将式2.4代入式2.3得skAf∑∑Xjexpj2,rfj,n/f,exp-j21rnk/NX xJX exp.,2万乃刀/Zexp一/2万,l尼/Ⅳ5∥N-I.∥zfj一寺 范5其中6m,n{0 孵刀Ll, 历刀观察上式可以发现,当多载波已调信号的频率五等时,就有s是鲈cxk,其中C为常数,就是说当各子载波的频率为解调用的DFT分辨率整数倍时,可以用DFT对信号完成解调。从以上分析可知,为保证正确解调,Xk在一个码元间隔内保持为常数是必要的,如果子载波的QAM或MPSK调制采用了波形成型技术,如采用余弦滚降波形,采用DFT解调时还要作专门的处理。由以上分析,当各子载波的频率为解调用的DFT分辨率整数倍时,可以用DFT对多载波已调抽样信号完成解调。特别地,当子载波的频率间隔为鲫时,由式2.4有9
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