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基于FPGA全数字OFDM收发信机的研究与实现.pdf

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上传者: xl46512 2012-05-08 评分 0 0 0 0 0 0 暂无简介 简介 举报

简介:本文档为《基于FPGA全数字OFDM收发信机的研究与实现pdf》,可适用于IT/计算机领域,主题内容包含北京交通大学硕士学位论文基于FPGA全数字OFDM收发信机的研究与实现姓名:黄伟申请学位级别:硕士专业:通信与信息系统指导教师:陶成北京交通大学硕士符等。

北京交通大学硕士学位论文基于FPGA全数字OFDM收发信机的研究与实现姓名:黄伟申请学位级别:硕士专业:通信与信息系统指导教师:陶成北京交通大学硕士学位论支中文攘要中文摘要摘要:正交频分复用(OFDMOrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing)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。它利用许多并行的、传输低速率数据的子载波来实现高速率的通信。它的特点是各子载波相互正交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。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它成为第四代移动通信的首选技术是当前移动通信技术研究的热点问题。本文概括的介绍了OFDM系统的基本概念、基本工作原理和关键技术重点讨论了如何在FPGA上实现OFDM低中频收发信机。基于这些理论知识确定了OFDM低中频收发信机系统实现方案并选择ALTER公司的CycloneTMIIDE教学评估板和DKDApCN开发套件作为FPGA硬传平台通过使用Verilog语言对FPGA芯片硬件编程完成具体的硬件实现。最后针对系统的特点制定出具体的测试方案对所设计的系统进行了调试和性能钡试。关键词:OFDM符号同步载波频偏估计相位同步数字上几:变频CORDlC算法FPGA:分类号:TN.北京交通大学硕士学位论文ABSTRACTABSTRACTABSTRACT:OFDM(OahogonalFrequencyDivisionMultiplexing)isahighspeedTransactiontechnologywhichcalldefeatICI(InterChannelInterference)andISI(IntersymbolInterference)soitmakesOFDMmoreandmorepopular.OFDMtransmitshighspeeddatathroughmanysubcarrierswhichareparallelandhavelowertransmissionfrequency.Allthesubcarriersareonhogonalsotheirfrequencyspectrumcanbelappedfromeachother,ThateailnotonlydecreasesISIbutalsoincreasesfrequencyspectrumutilizmion.BecauseallofaboveOFDMhasbeenthefirstchoiceinGmobilecommunicationtechnology.Inthispaper’weintroducethebasictheory,fundamentaloperatingprinciplesandkeytechnology.Mostimportantly,wediscusshowtoimplementtheOFDMlowIFtransmitterandreceiverBaseonFPGA.BaseonthesetheodeswegetthewholestructureabouttheOFDMlow.IFtransmitterandreceiver,anduseCyclonIIDEDevelopmentEducationBoardandDKDAPCNDevelopmentBoardaShardwareplatforms.AfterprogrammingtheFPGAchipsusingtheVerilogHDLlanguage,thewholedesignispresented..。一。Atlast,wesetdowndetailedtestplanandmake'thetest.Afterthetestsomeusefulconclusionsaredrawnandsomeguidesaboutthecontinuousworkagegiven.KEYWORDS:OFDMsymbolsynchronizationcarrierfrequencysynchronizationcarrierphasesynchmnizatlonFPGADigitalUp/DownConvenerCLASSNO:TN.北京交通大学硕士学位论文图表甘录图.图.图.图.图.图.图.图.I图.图.图.图.图.图.图.图.图.图.图.图.图.图.图.图.图.图.图.图.图.图.图.图.图表目录基于FFT的OFDM收发信机结构模型包含个子载波的OFDM信号.OFDM符号中各子载波的频谱.多径情况下空闲保护问隔在子载波问造成干扰加入循环前缀的OFDM符号OFDM系统的模拟混频器。OFDM系统的数字混频器限幅原理示意图OFDM系统中利用保护间隔对抗衰落示意图OFDM系统的数据结构图OFDM数据的帧结构...................:.OFDM收发信机系统设计框图。QPSK矢量图(a:相偏:b:a/相偏)QPSK映射用Verilog语言编程实现后的硬件RTL级电路图训练符号插入模块示意图。生成FFTIPcoi'o的过程。l用于插入循环前缀(cP)和保护带宽的FIFO示意图数字上变频(DUC)结构框图FIR内插滤波器工作原理图NCO的功能方框图NCOIPcorc参数设计FIRfilterIPcom参数设计使用QuartusII设计的数字上变频数字下变频(DDC)结构框图抽取滤波器的工作原理图使用QuartosII设计的数字下变频训练符号的特性最佳符号定时示意图符号同步算法原理图符号同步硬件实现原理图符号同步和小数频偏联合估计算法的原理图符号同步和小数频偏联合估计算法的硬件实现原理图......................................................................北京交通大学硕士学位论文图表目录图.小数频偏补偿模块硬件实现原理图l图.符号同步和小数频偏估计与补偿硬件实现原理图l图.FFTIFcole运算方式选择设定图.整数额偏估计与补偿硬件实现原理图.图.符号定时偏差和载波相位偏差联合估计与补偿硬件实现原理图.图.QPSK解调用Vefilog语言编程实现后的硬件RTL级电路图.图.向量旋转l图.CycloneIIDE教学评估扳实物图(前板).图.CycloneDSP开发套件实物图(前板)图.经过IFFT调制以后的OFDM训练符号图.符号定时仿真图..图.小数频偏估计仿真图.图.符号定时误差和载波相位偏移联合估计和补偿仿真图.图.OFDM收发信机基带系统仿真图图.输入输出文件比较..图.OFDM基带系统设计硬件资源使用情况~l图.OFDM基带系统总体测试结果图l图.输入输出数据结果比较.图.符号定时同步测试结果图.l小数频偏估计与补偿测试结果图.符号定时偏差与载波相位偏差联台估计与补偿测试结果。图.数字上下变频载波仿真图~图.存在频率偏差和相位偏差下变频基带训练符号数据仿真图“图.符号定时估计仿真图图.小数频偏估计仿真图图.符号定时误差和相位同步联合估计和补偿仿真图图.OFDM收发信机频带系统仿真图.图.输入输出文件比较图.OFDM频带系统设计硬件资源使用情况图.加入Khz载波频偏时OFDM频带系统总体测试结果图一图.数字上几:变频载波分量图.符号定时同步测试结果一.图.小数频偏估计与补偿测试结果图.符号定时偏差与载波相位偏差联合估计与补偿测试结果....图.加入Khz载波频偏时OFDM频带系统总体测试结果图.北京交遥大学硬士学位论文图袁目录图.图.图.图.图.l输入输出数据..数字上厂F变频载波分量符号定时同步测试结果.小数额偏估计与补偿测试结果符号定时偏差与载波相位偏差联合估计与补偿测试结果.袭.tCORDIC算法计算表图C.图C图C.OFDM基带数据结构.ltl加入kHz载波频偏的OFDM频带系统输入输入输出数据加入kHz载波频偏的OF.DM频带系统输入输入输出数据致谢本论文的工作是在我的导师陶成副教授的悉心指导下完成的陶成副教授严谨|勺治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢三年来陶茈老师对我的关心和指导。陶成副教授悉心指导我们完成了实验室的科研工作在学习上和生活上都给予『.我很大的关心和帮助在此向陶成老师表示衷心的谢意。陶成副教授周晓波博士杜凯老师对于我的科研工作和论文都提出了许多的乏贵意见在此表示衷心的感谢。在实验室工作及撰写论文期间王强、梅晓、李司等同学对我论文中的FPGA开究工作、开发板调试工作给予了热情帮助刘留博士张风珍周媛王丽萍亭同学也为我的论文提供了许多建议和帮助在此向他们表达我的感激之情。另外也非常感谢我的家人和朋友他们的理解和支持使我能够在学校专心完成琵的学业。北京交通大学硕士学位论文绪论第章绪论.I课题研究的目的与意义近年来由于数字信号处理(DSP)技术的飞速发展正交频分复用(OFDMOrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing)技术作为一种可以有效对抗信号波形闻干扰的高速传输技术引起了广泛关注。正交频分复用调制利用许多并彳亍的、传输低速率数据的子载波来实现高速率的通信。它可以克服符号问干扰适合在无线信道中传输高速的数据业务。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它成为第四代移动通信的首选技术是当前移动通信技术研究的热点问题。以OFDM为代表的多载波调制技术已经陆续在数字音频广播(DABDigitalAudioBroadcasting)数字视频广播(DVBDigitalVideoBroadcasting)非对称数字用户环路(ADSLAsymmetricalDigitalSubscriberLine)IEEE.la、HiperLAN/无线局域网G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OFDMTDMA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较少。特别是在国内采用FPGA方式实现全数字OFDM通信系统的尝试则更为罕见。近来软件无线电已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、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实现全数字的OFDM中频收发信机实现在物理层面上的互通并最终实现针对不同北京交通大学硕士学位论文绪论的通信系统和标准通过适当的配置就能够完成对于不同标准的物理层的定制要求实现通信系统的数字化、模块化和可定制化。.OFDM的发展历史多载波传输把数据流分解成若干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(oFDM)就是一种特殊的多载波传输方案它既可以被看作是一种调名技术也可以被当作一种复用技术。正交频分复用(OFDM)最早起源于世纪年代中期在年代就已经形成了使用并行数据传输和频分复用的概念。年Weinstein和Ebert把离散傅立叶变换(DFT,DiscreteFourierTransform)应用到并行传输系统中作为调制和解调过程的一部分从此在基带就可以实现频分复用(FDMFrequencyDivisionMultiplexing)了。这样在完成FDM的过程中可以完全依靠执行快速傅立叶变换(FFT,FastFourierTransform)的硬件来实施。世纪年代OFDM技术就已经应用到多种高频军事系统中但是直到年代中期该方法才开始受到关注并得到广泛的应用。如非对称数字用户环路(ADSL)和高速数字用户环路(HDsL)它们使用OFDM技术可以有效地消除符号问干扰。年欧洲电信标准协会制定了数字音频广播(DAB)标准。紧跟着是年数字视频广播(DVB)标准采用的编码正交频分复用调制。在年月IEEE.a标准决定选择OFDM技术作为其无线局域网(WLAN。WirelessLocalAreaNetwork)GHz波段的物理层接入方案。这是OFDM技术第一次被运用于分组业务通信中。此后日本的多媒体移动接入推进协议会(MMACMobileMultimediaAccessCommunication)欧洲的宽带射频按入网(BRAN。BroadRadioAccessNetwork)的局域网标准都使用OFDM作为标准调制技术。年月OFDM论坛的固定无线接入工作组向IEEE..的无线城域网委员会提交了一份建议书提议采用OFDM技术作为IEEE..城域网的物理层标准。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得到越来越广泛的应用它也成为G以后移动通信的主流技术。此外OFDM还易于结合时空编码、分集、干扰抑制以及智能天线等技术。最大程度地提高物理层信息传输的可靠性。如果再结合自适应调制、自适应编码以及动态子载波分配等技术其性能可以进~步得到提高。北京交通大学硕士学位论文绪论.作者在论文中的主要工作本文旨在研究利用FPGA芯片进行OFDM基带以及低中频收发信机的设计与实现。在接收端设计并完成利用训练符号进行同步的同步模块验证的同步算法的可行性。搭建OFDM系统硬件平台作为研究其他同步算法和OFDM相关的关键技术的硬件平台。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、解决闯题的缝力以及实际动手能力。在课题研究期间作者通过Intemet查询、文件检索、向国内外厂商索取资料等途径和方式同国内外相关公司技术人员交流仔细研究了该技术的现状。在本设计中利用IPcore进行设计是一大特色它有很多优点:一方面加快了设计速度缩短了设计周期另一方面也有利于将常用并且成熟的设计模块化提高硬件编程的重复利用率。同时IPcore的广泛推广也有利于知识产权的保护和发展为更方便侠捷地进行创新和开发提供保障和条件。从可编程器件开发者们广泛采用IPcOFC进行设计研发我们可以看出这种设计方法具有强大的生命力.在课题研究期间作者主要完成的工作如下:.研读.la以及HiperLAN/标准比较其异同点并确定本系统的数据结构、性能参数和设计方案:.研读楣关的OFDM同步设计论文确定系统同步方案并进行可彳亍住论证:.确定OFDM收发信机的设计方案并作可行性论证..制定详细的系统设计方案和测试方案。.以ALTERA公司的quartusII.spl硬件设计开发环境作为开发平台以Synplieity公司的Synplify和SynplifyPro软件作为语言综合工具使用Verilog语言进行硬件编程设计:.研究和适当地使用IPcorc进行设计.熟悉和掌握如何合理地在设计中利用IPcore进行研发.利用mentorgraphie公司的modelsim.a软件和Novassoftware公司的Debussy软件作为仿真工具对设计进行前仿真和后仿真从而确认设计的正确性以ALTERA公司的FPGA开发板(CycloneIIDEDevelopmentEducationBoard、DKDAPCN)作为硬件平台迸行可编程器件编程、开发和测试最终在此开发板上实现整个OFDM收发信机系统实现物理层的互连北京交通大学硕士学位论文OFDM的系统模型与技术基础第章OFDM的系统模型与技术基础.基于FFT的OFDM收发信机结构模型图.基于FI可的OFDM收发信机结构模型Fig..S订ucnlrcofOFDMtransmitterandreceiverbaseonFFT正交频分复用(OFDM)技术与已经普遍应用的频分复用(FDMFrequencyDivisionMultiplexing)技术十分相似。不同的是OFDM技术更好地利用了控制方法使频谱利用率有所提高是对多载波调制(McMMultiCarrierModulation)的一种改进。它的特点是各子载波相互正交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。OFDM还有一个特点就是该系统能够很好地对抗频率选择性衰落和窄带干扰。OFDM系统收发信机的典型结构如图.所示。图中上半部分是发送机框图下半部分是接收机框图。之所以把FFT和IFFT运算部分放在一起是因为这两种运算过程非常相似可以用同样的硬件结构来实现。发送端通过一定的映射关系将需要传输的数字信号转换成用子载波的幅度和相位来表示并进行离散傅立叶反变换(IDFT)将数据的频谱表达式变到时域上。接收端进行与发送端相反的操作将射频(RFRadioFrequency)信号与接收信号进行混频处理.并用FFT变换分解频域信号子载波的幅度和相位被采集出来并转换回数字信号。由于编码和交织是通信系统中很普遍的模块在这里就不再赘述了下面只针对OFDM系统与其他系统的区别对OFDM的工作原理以及一些特殊的关键技术进行比较详细的讨论。北京交通大学硕士学位论文OFDM的系统模型与技术基础.OFDM工作原理和技术基础..串并变换在OFDM系统中每个传输符号速率的大小大约在几十bit/s到几十kbit/s之问所以必须进行串并变换将输入串行比特流转换成为可以传输的OFDM符号。由于调制模式可以自适应调节所以每个子载波的调制模式是可以变化的。因而每个予载波可传输的比特数也是可以变化的所以串芽变换需要分配给每个子载波数据段的长度是不一样的。在接收端执行相反的过程从各子载波处来的数据被转换回原始的串行数据【lJ。..子载波调制一个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。在OFDM系统中每一个OFDM符号是多个经过调制的子载波信号之和其中每个子载波的调制方式可以相同也可以不同可以选择相移键控(PsK)或者正交幅度调制(QAM)。一旦将要传输的数据比特分配到各个子载波上某一种调制方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号来描述OFDM的输出信号。假设子载波个数为NT表示OFDM符号宽度di(i=。N)是分配给每个子载波上经过调制映射后的数据符号‘是载波频率那么从t=乜开始的OFDM符号可以表示为【】:U/d”rsO=>di}fexpljn{CttI(t。<t筑{.T)()i匀渤。。s(=o(tsstAtsts。r)()其中式()中s(t)的实部和虚部分别对应于OFDM符号的同相(In.phase)和正交(Quadraturephase)分量在实际系统中可以分别与相应子载波的余弦和正弦分量相乘构成最终的子载波信号并合成OFDM信号。图.中给出了一个OFDM符号内包括个子载波的实例。从图.中可以看出每个子载波在一个OFDM符号内都包含了整数倍个周期而且各个子载波之同相差一个周期出图中可以看出各子载波之阉满足正交往。北京交通大学硕士学位论文FDM的系统模型与技术基础图,包含个子载波的OFDM信号Fig..TheOFDMsignalincludingsubcarriers这种正交性还可以从频域角度来解释如图.所示在每个子载波频率最大值处所有其他子信道的频谱恰好为零。因此在对OFDM符号进行解调的过程中可以从多个相互重叠的子信道符号中提取每一个子信道符号而不会受到其他子信道的干扰从而得到对应的每个子载波频率的最大值。从图.可以看出FDM符号频谱实际上可以满足奈奎斯特准则即多个子信道频谱之间不存在相互干扰。因此这种一个子信道频谱出现最大值而其他子信道频谱为零点的特点可以避免载波间干扰(IClInterChannelInterference)的出现p“。图.OFDM符号中各子载波的频谱Fig..FrequencyspectrumofsubcarrlersintheOFDMsymbol..FFT的实现对于子载波N比较大的系统来说式()中的OFDM符号的调制可以采用离散傅立叶反变换(IDFT,InverseDiscreteFourierTransform)方法来实现。不失一般性令ts=并且忽略矩形函数对于信号s(t)以Tm的速率进行抽样即令t=kT/N(k=l...N.)则得到【:。。:。(kT/N)=艺dIexv.刊aik、(。站sⅣ)()北京交通大学硕士学位论文OFDM的系统模型与技术基础从上式中可以看出Sk等效为对di进行IDFT运算。同样地在接收端为了恢复出原始数据符号dj可以对Sk进行逆变换即离散傅立叶变换(DFLDiscreteFouHerTransform)得到例:NI....di=ske】【p(一j(osfsⅣ)()由以上分析可以看到OFDM系统得调制和解调可以分别由IDFT和DFT来代替。在OFDM系统的实际运用中。可以采用更加方便快捷的快速傅立叶反变换变换(IFFT,InverseFastFourierTransformJFFT,FastFourierTransform)来实现。N点IDFT运算需要N次乘法而FFT仅为(N/)l(N).这里需要指出了是由于FFTIFFT变换也是对信号进行时域/须域间变换的方法。因此对于OFDM系统来说我们还可以这样理解在发送端利用IFFT调制实际上是把频域上的数据变换到时域上而接收端的FFT调制就是将时域上的数据再变回到频域。..保护间隔、循环前缀与子载波数的选择应用OFDM的一个重要原因在于它可以有效地对抗多径时延扩展。由于把输入数据流串并变换到N个并行子信道中使得每一个调制子载波的数据周期可以扩大为原始数据符号周期的N倍因此时延扩展与符号周期的数值比也同样降低了N倍。为了最大限度地消除符号闻干扰(ISIIntersymbolInterference)还可以在每个OFDM符号之间插入保护间隔(GIGuardInterval)而且该保护间隔长度L一般要大于信道中的最大时延扩展这样一个符号的多径分量就不会对下~个符号造成干扰。在这段保护间隔内可以不插入任何信号即是一段空白的传输时段。在这种情况下由于多径传播的影响仍然会产生载波闻干扰(IClInterChannelInterference)即子载波之间的正交性遭到破坏而使得子载波之问相互产生干扰。如图.所示。从图中可以看出由于多径传播的影响在FFT运算时间长度内第一子载波和第二子载波之问的周期个数之差不再是整数所以当接收机进行解调的时候子载波之问就会彼此影响”。北京交通大学硕士学位论文OFDM的系统模型与技术基础图.多径情况下空闲保护间隔在子载波间造成千扰Fig.ATheInterferencebetweensubcarriersduetoNon.DataInsertGuardIntervalinthemultipathchannel所以提出了一种薪的增加保护间隔的方法这釉方法还可以减少在接收端的定时偏移错误。这种保护问隔是一种循环复制从而增加符号的波形长度即将每个OFDM的后k时问中的样点复制到OFDM符号前面形成前缀在交接点没有任何的间断。这种做法被称为加入循环前缀(CBCyclePrefix)。复制//弋。匾国盈二二夏盈訇i“上L一l卜符=兰二=茳二二蛩“分”‘.....二..........一时间............二二.卜‘图.加入循环前缀的OFDM符号Fig..TheOFDMsymbolafteraddingCyclePrefix如图.所示符号的总长度发生了变化辱=弓手墨zr其中Ts是OFDM符号的总长度Tg是抽样的保护间隔长度Trrr是FFT变换产生的无保护间隔的OFDM符号长度则在接收端抽样开始的时刻k应该满足下式‘’J:rmax<瓦<k()其中T。。式信道中的最大多径时延扩展当抽样满足该式时则lsI的影响很小甚至没有:如果Tg满足f。axTg则可以完全克服ISI的影响。同时时延信号也不会在解调过程中产生ICI。北京交通大学硕士学位论文OFDM的系统模型与技术基础OFDM系统加入保护间隔之后会带来功率和信息速率的损失其中功率损失可以定义为【】:Vguard=。曝)(z)从上式中可以看出当循环前缀占到%时功率损失也不会超过ldB但带来的信息损失率却达到%t"。..RF调制OFDM调制器的输出产生的是基带信号要传输此信号还需要将其与信道所需传输的频率进行混频操作在技术上通过模拟或者数字上变频都可以完成.但是由于数字调制技术提高了处理IQ信道之问的匹配性和数字IQ调制器相位的准确性将会更加精确【l】。图.和.分别是模拟混频器和数字混频器的结构图。在本文中除了因为上述原因也为了实现软件无线电我们选择了数字上变频作为中频(IF'IntermediateFrequency)调制的方法。输出图.OFDM系统的模拟混频器Fig..StructureofAnalogupconveyorinOFDMsystemL一‘一.J输出圈.OFDM系统的数字混频器Fig..StructureofD遮imlupconveyorinOFDMsystem数字上变频器(DUCDigitalUpConvertor)和数字下变频器(DDCDigitalDownConvea是软件无线电中的关键技术之一。虽然现在专用的数字上厂F变频芯片品种很多但是它们在设计和修改方面远远不如FPGA灵活使用FPGA设计的数字上/下变频芯片更加符合软件无线电的思想。北京交通大学硕士学位论文OFDM系统关键技术概述.同步技术第章OFDM系统关键技术概述OFDM系统内存在多个正交子载波其输出信号是多个子载波信号的叠加由于子载波相互覆盖这就对它们之间的正交性提出了严格的要求。由于信号失真随发送信道带宽的多普勒扩展的增加而加剧【。因此对于要求子载波保持严格同步的正交频分复用系统来说载波的频率偏移所带来的影响会更严重会对系统性能带来非常严重的地板效应即无论怎样增加信号发射功率也不能显著地改善系统的性能。OFDM系统的同步技术可以分为时间同步和载波同步pl。通过定时恢复可以实现时问同步。定时恢复可以进一步分为OFDM块(帧)同步和采样时钟同步(。OFDM块由循环前缀和有用数据信息组成因此OFDM块同步就是要确定OFDM块有用数据信息的开始时刻也可以叫做确定FFT窗的开始时刻在本文我们称OFDM块同步为符号定时同步即确定一个OFDM符号开始的时刻。采样时钟同步主要是接收机和发射机的采样频率保持一致。采样时钟频率偏差将导致载波间干扰(ICI)。采样时钟频率偏差还将影响到同步但是可以假设采样时钟同步是理想的一般研究定时恢复的算法都基于此假设这有助于简化问题而把更多注意力放到核心算法上。在本设计中就假定采样同步理想。载波同步主要分为载波频率同步和载波相位同步。载波频偏估计简称频偏估计由子载波间隔的整数倍偏移和子载波间隔的小数倍偏移构成。子载波整数倍偏移不会引起ICI而子载波小数倍偏移会破坏子载波之间的正交性并由此引起ICI。Moose给出了ICI和AWGN情况下有效的SNR的下界【】:SNRe(£)>.SNRsinn£SNR旧/sin..T【£、‘由上式可知即使很小的频率偏移也会带来较大的性能损失。在做载波频率同步的时候先做子载波间隔小数倍偏移估计(在时域上完成)后做子载波间隔整数倍偏移估计(频域上完成)。这是因为子载波小数倍偏移会产生ICl如果不校正当进行FFT变换到频域做整数倍频率估计的时候精度会受到影响。由于OFDM系统要求各子载波保持严格的正交性因此载波同步时不仅要实现频率同步还要实现相位同步。这是因为由信号的时频域理论特性我们知北京交通大学硕士学位论文OFDM系统关键技术概述道时域上的相移等于频域上频谱的平移因此接收端和发送端载波的相位必须保持一致否则将会影响到接收端解调的正确性。载波相位同步也是在频域上完成的。到目前为止人们已经提出了很多关于OFDM系统同步的算法。主要可以被分为两种:一种是以循环前缀为基础的同步技术由于没有利用特殊的己知训练符号所以这种同步技术被称为非数据辅助(NDANo.DataAided)同步或者盲同步。另一种就是向数据中插入已知的特殊训练符号通过接收到的完整的训练符号来实现同步被称为数据辅助(DADataAided)同步。这两种同步各有利弊:非数据辅助(NDA)同步节省频带资源和传输速率但是同步精度没有数据辅助(DA)同步高而且同步捕获时间也更长不适合分组传输相对应地数据辅助(DA)同步虽然在精度和捕获时间上有比较好的表现但是由于需要向数据中插入训练符号这会占用传输带宽降低系统的有用数据传输速率会带来功率和信息速率的损失。然而可以肯定的是这两种同步算法都是利用数据的相关性实现的。EMoosel最先提出频偏的最大似然估计假设定时同步已经完成通过发送两个相同的OFDM块根据FFT的性质得到最大似然函数。D.Landstromis提出同时利用导频符号和循环前缀估计定时同步。LM.Schmidl"J提出用两个特殊结构的训练OFDM块来做定时和频偏估计。YH.Kim【提出了用一个OFDM块完成定时、子载波间隔的小数倍的偏移量和子载波问隔的整数倍的偏移量的估计他的优点是只用一个训练符号块节省了开销而且计算复杂度和频率捕获范围与前两个训练OFDM块一样。在本文中就是受到了YH.Kim提出的这种算法的启发利用一个训练符号来实现符号同步、载波小数频偏估计、载波整数频偏估计和相位同步。具体的算法和实现方式在下面的章节中有论述在本文中没有对其它算法做更为深入的研究。.降低峰均}L(PAPR)技术假设x(t)代表一个OFDM符号的波形则该符号的峰均比(PAPR,Peak.toAveragePowerRate)定义为口J:PAPR=max丽{Ix(t)}()上式的分子表示xO)的最大瞬时功率分母表示x(t)的平均功率。在OFDM系统中符号的波形起伏很大。另外一个常用的参数为OFDM信号的幅度峰值因子(cF'CrestFactor)其定北京交通大学硕士学位论文FDM系统关键技术概述义为OFDM信号的幅度峰值与平均幅度之比即】c】=絮器=斯F'APR()由iqb论述可知PAPR的累计概率分布函数(CDF,CumulativeDistributionFunction)为【】:P(PAPRz)=【F(石)】“=(一eZ)”()因此OFDM信号的PAPR值大于门限的概率为:Pr()=P(PAPR>)=一【F(z)】N=一(一ez)“()由此我们可以对OFDM符号峰均比的概念和概率分布都有了比较清晰的认识。当IDFT输入端的数据同相时其输出就会产生很大的峰值。OFDM符号的这种特性导致对A/DD/A以及功率放大器(HPA)等要求很高但由于峰值出现是随机的这就意味着线性放大器必定不能一直工作在最佳状态从而导致功率利用率不高。因此采用合适的减小队PR的技术对OFDM系统很重要。目前存在许多降低PAPR值的技术。常见的减小OFDM系统峰均比的方法可以被分为类:限幅类技术、编码类技术和概率类技术。由于本文研究的重点并不在于此所以下面仅对这些技术做一个简单的介绍。..限幅类技术限幅类技术采用了非线性过程直接在OFDM信号幅度峰值或附近采用非线性操作来降低PAPR值。非线性过程的缺点是会引起信号的畸变。属于这类技术的有:限幅滤波、峰值加窗和峰值抵消。I)限幅滤波技术限幅滤波的基本原理:OFDM信号幅度一旦超过设定的门限时就将被过滤掉。限幅技术也有各种不同的方法。有的对快速傅立叶反变换(IFFT)后、插值前的信号进行限幅处理。由于处理后的信号在数模变换(DA)前必须进行插值操作这将导致峰值再生为了避免这种情况可以选择对插值后的数据进行限幅。然而无论采用何种方式的限幅技术在限幅后都需要通过滤波来消除带外限幅噪声。北京交通大学硕士学位论文OFDM系统关键技术概述qtI菇./一。。/。X图.限幅原理示意围Fig..schematicdiagramoflimitedrange图.为限幅原理示意图。其中x为限幅前的信号幅度Y为限幅后的信号幅度。由图可见限幅后的信号幅度将限制在A。。内。)峰值加窗技术为了减轻直接限幅带来的带外干扰问题可以把比较大的信号峰值乘以适当的非矩形窗函数比如高斯窗函数。实际上只要能够得到比较好的频谱特性任何窗函数都可以。这就是峰值加窗技术。为了减少带外干扰理想的窗应该具有尽可能窄的带宽:另一方面在时域里窗函数不应太宽。比较好的窗函数有cosineKaiSer和Hamming窗。峰值加窗技术虽然减轻了带外干扰的问题但是与直接限幅相比它使更多的信号点产生了畸变。)峰值抵消技术峰值抵消技术的基本思想是从信号中减去一个时延的一定幅度的参考函数使得每一个被减的参考函数至少降低信号的一个峰值样点。恰当地选择参考函数使其与传输的OFDM信号具有大致相当的带宽。峰值抵消技术与上面相比的最大优点就是基本上不会带来任何带外干扰p”。..编码类技术编码类技术用来限制可用于传输的信号码字集合只有那些幅度峰值低于A。。。的码字才能被选择用于传输从而完全避开信号峰值。这类技术为线性过程因此不会出现限幅类技术那种限幅噪声。通过分析显示.只要有限的信息冗余就可以达到该目的口.假设C表示码字c表示所有码字的集合。对于码集C定义如下:PAPR(C)m。acxPAPR(c)()编码的任务就是要恰当地选择子集C使得PAPR(曼矗。。编码类技术是以降低信息传输速率为代价来获得PAPR值的改善的。同北京交通大学硕士学位论文OFDM系统关键技术概述时该算法的复杂度非常大因此它仅适合与子载波数比较小的情况。通常互补Golay序列可以用来构造降低信号PAPR的传输码集。之所以选择Golay序列主要有两个原因。一是采用这种技术可以将信号的PAPR值限定到dB内而与输入的数据以及子载波数无关。二是这种码具有纠错能力可以进一步改善系统的性能。但是需要注意的问题就是这种互补Golay序列仅适合用于相位调制技术即MPSK调制而不适合MQhM。另外一个值得注意的问题是假如采用了保护频带Golay序列的特性将被破坏因此所产生的信号的PAPR值将不再是dB而是比dB大通常仅比未经过编码系统的PAPR值低~dB。..概率类技术这类技术并不着日艮于降低信号幅度的最大值而是降低峰值出现的概率。其基本思想就是将耳()改为Pr’()从而降低较大峰值出现的概率。一般的概率类技术都将带来一定的信息冗余。这类技术最基本的方法就是通过线性变换如下式所示Yn=A。x。B。(nN)()其中。Yn为IFFT前输入的N点数据向量Y的元素x。为原始频域数据向量x的元素。该类方法的目的就是要寻找N点向量A和B从而使得传输的符号y=IFFT具有降概率的峰值【】。属于这类技术的有选择映射SLM(SelectedMappin曲、部分传输序列PTS(PartialTransmitSequence)、冲击整形PS(PulseShapin曲、TI(ToneInjection)TR(ToneRejection)等。在这些技术中SLM和Iris着眼于选择恰当的A向量而B向量为零向量。它们都利用了N各A向量中的元素具有单位幅度的限制即:A。=ej钆。【zasnsN这即为纯的相位旋转。而和TR着眼于优化B向量而A向量为单位向量。PS将向量A扩展成一个矩阵使得各子载波符号具有一定的相关性从而改善信号PAPR特性。每种方法都有不同程度上的性能、开销和复杂度的折衷。.信道估计信道就是信号从发送端到接收端所经历的一切媒介.包括从发射机到接收机之北京交通大学硕士学位论文OFDM系统关键技术概述问信号传播所经过的物理媒质。信号在物理媒质中传播会引起信号相频失真、符号问干扰等现象。信道估计可以定义为为了描述物理信道对输入信号的影响而进行的定性研究的过程。通过信道估计算法接收机可以得到信道的冲击响应。建立信道模型后需要根据实际信道的变化来更新模型的参数从而选择合适的信道估计算法使得估计算法误差最tb(。在OFDM系统中信道估计器的设计主要有两个问题:一是导频信息的选择由于信道的时变特性需要接收机不断对信道进行跟踪因此导频信息也必须不断的传送:二是既有较低复杂度又要有良好导频跟踪能力的信道估计器的设计。在确定导频发送方式和信道估计准则条件下寻找最佳的信道估计器结构。在实际设计中导频信息的选择和最佳估计器的设计通常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瞄H。总的来说在OFDM系统中信道估计算法有两种一种是基于训练序列的估计算法一种是盲估计算法。基于训练序列的信道估计算法是指利用接收机已知的信息来进行信道估计。它的好处在于其应用广泛缺点是训练序列占用了信息比特降低了信道传输的有效性浪费了带宽。另外在接收端夏将整帧的信号接收以后才能提取出训练符号进行信道估计带来了不可避免的时延所以对帧结构提出了限制要求。盲估计不需要训练序列只需要利用传输数据的内在数学信息。这种算法与基于训练序列的算法相比虽然节省了带宽但是缺点也是很观显的:运算量很大而且灵活性很差在实时系统中的应用受到限制。在OFDM系统中当今基于训练序列的信道估计算法主要有下面几种:基于DFT的信道估计法基于奇异值分解(SVDSingularValueDecomposition)的信道估计算法基于滤波器的信道估计算法最大似然估计算法在上述介绍的几种关键技术中.本文仅对同步技术做了比较详细的研究由于时间和精力的原因对于降低均峰比(pAPR)技术以及信道估计技术仅仅做了一定的理论上的了解和研究。北京交通大学硕士学位论文OFDM系统实现方案与硬件实现第章OFDM系统实现方案与硬件实现在这一章中主要介绍在项目中所设计的OFDM系统的实现方案以及如何在硬件上实现的。在本试验室项目实施的现阶段想要完整地实现上述标准中所描述的OFDM系统是很困难的本文旨在研究OFDM基带以及低中频收发信机的设计与实现。在接收端设计并完成利用训练符号进行同步的同步模块验证的同步算法的可行性。搭建OFDM系统硬件平台作为研究其他同步算法和OFDM相关的关键技术的硬件平台。.OFDM系统性能参数与数据结构..OFDM系统基本参数的选择OFDM参数的选择就是需要在多项要求冲突中进行折中考虑。通常来讲首先必须要明确几个参数:传输带宽(Bandwidth)、数据比特率(BitRate)、子载波带宽、子载波数以及保护间隔(GuardInterval)长度。符号持续时同:投有IsI:只有相位旋转和幅值衰减:直接路径厨T丽砸丌面广.嗣(DPDirectPath)’’圆唑l塑l塾哑哑l”:}其他路径(配l/ultiPath)‘圈.OFDM系统中.利用保护间隔对抗衰落示意图Fig.IPrincipalofcombatlngfadingusingtheguardintervalinOFDMtransmission一般来说一个系统的传输带宽是事先已经被给定的所以我们需要确定的是在具体的传输带宽和传输时延扩展(SpreadDelay)下OFDM系统的子载波间隔数据传输速率以及循环前缀、保护带宽长度等问题。对于OFDM系统来说’其子载波问隔不能超过相关带宽的最大值同时保护间隔必须能够有效地降低时延扩展所带来的影响。图.I显示了由于传输时延扩展导致接收到的OFDM符号产生符号间干扰(SlIntersymbolInterference)的情况。从中我们可以看出合理的保护间隔是如何减小多径衰落的影响的。按照惯例保护间隔的时间长度应该为应用环境时延扩展均方根值的~倍。在实

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