基于FPGA的OFDM.doc

基于FPGA的OFDM
第一章 OFDM的介绍
OFDM简介
在传统的多载波通信系统中,整个系统频带被划分为若干个互相分离的子信道,也就是所谓的载波。为了避免信道之间的干扰,在信道之间通常有一定宽度的保护间隔,接收端通过滤波器把各个子信道分离之后接收所需信息。这样虽然可以避免不同信道的互相干扰,但却以牺牲频率利用率为代价。而且当子信道数量很大的时候,大量分离各子信道信号的滤波器的设置就成了几乎不可能的事情。
20世纪中期,人们提出了频带混叠的多载波通信方案,选择相互之间正交的载波频率作子载波,也就是我们所说的正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)技术。这种“正交”表示的是载波频率间精确的数学关系。按照这种设想,OFDM既能充分利用信道带宽,也可以避免使用高速均衡和抗突发噪声差错。
目前,OFDM已经被国外的多个标准采用,如IEEE (欧洲通信标准学会)的HiperL-AN/2标准同样采用OFDM作为调制方式,有线传输系统的应用也同样采用了基于OFDM的调制复用技术,如在xDSL中的离散多音频系统和有线调制器应用。
OFDM是一种特殊的多载波调制技术,用户的信息首先要经过串行到并行的转换,转变成多个低速率的数据码流,通过编码之后,调制为射频信号,传统的调制技术在同一个时刻只能用一种频率进行数据的传送,而OFDM则可以在正交的频率上同时发送多路信号,可以说是并行的传送多路信号,这样OFDM能够充分地利用信道的带宽。OFDM不用带通滤波器来分隔子载波,而是通过快速傅立叶变换(FFT)来选用那些即便混叠也能够保持正交的波形。
OFDM尽管还是一种频分复用(FDM),但已完全不同于过去的FDM。OFDM的接收机实际上是通过FFT实现的一组解调器。它将不同载波搬移至零频,然后在一个码元周期内积分,其他载波信号由于与所积分的信号正交,因此不会对信息的提取产生影响。
OFDM的数据传输速率也与子载波的数量有关。
OFDM系统的子载波可以自适应地根据信道的情况选择调制方式,并且能够实现在各种调制方式之间的切换。选择和切换的原则是频谱利用率和误码率之间的平衡选择。在通常的通信系统中,为了保持一定的可靠性,选择通过采用功率控制和自适应调制协调工作的技术。信道好的时候,发射功率不变,可以增强调制方式(如64 QAM),或者在低调制(如QPSK)时降低发射功率。功率控制与自适应调制要取得平衡,也就是说对于一个远端发射台,它有良好的信道,若发送功率保持不变,可使用较高的调制方案如64 QAM;若功率可以减小,调制方案也相应降低,可使用QPSK。
OFDM信号发送和接收原理
OFDM系统的基本原理就是将指配的信道分成许多正交子信道,在每个子信道上进行窄带调制和传输,信号带宽小于信道的相关带宽。
OFDM信号的发送过程需要经过下面几个步骤:
(1)编码:在基于OFDM调制技术的系统中,编码采用Reed-Solomon码、卷积纠错码、维特比码或TURBO码。
(2)交织:交织器用于降低在数据信道中的突发错误,交织后的数据通过一个串并行转换器,将IQ映射到一个相应的星座图上。在这里I代表同相信号,Q代表正交信号。
(3)数字调制:在OFDM方式中,采用星座图将符号映射到相应的星座点上。这一过程产生IQ值,它们被过滤并送到IFFT上进行变换。
(4)插入导频:为了能够使接收稳定,在每48个子载波中插入4个导频信息。
(5)串并转换:使串行输入的信号以并行的方式输出到M条线路上。这M条线路上的任何一条上的数据传输速率则为R/M码字/秒。
(6)快速傅立叶逆变换:快速傅立叶逆变换可以把频域离散的数据转化为时域离散的数据。由此,用户的原始输入数据就被OFDM按照频域数据进行了处理。
(7)并串转换:用于将并行数据转换为串行数据。
(8)插入循环前缀并加窗:循环前缀为单个的OFDM符号创建一个保护带,在信噪比边缘损耗中被丢掉,以极大地减少符号间干扰。
接收器完成与发送器相反的操作。接收器收到的信号是时域信号。由于无线信道的影响发生了一定的变化,首先要通过训练序列定时和频率偏移进行估计,同时将符号的定时信息传送到去循环前缀功能模块,在这里训练序列和导频信息主要是用来信道纠错。然后将信号经过一个串行一并行的转换器,并且把循环前缀清除掉。清除循环前缀并没有删掉任何信息,循环前缀中的信息是冗余的,使用循环前缀是为了保证前面提到的卷积特性的成立。总体来说整个接收过程需要经过下面几个步骤:
①定时和频率同步,②去循环前缀,③串并转换,④快速傅里叶变换,⑤并串转换,⑥信道校正,⑦数字解调,⑧去交织,⑨解调。
OFDM技