(完整版)基于FPGA的OFDM调制器的仿真设计_毕业设计

2.3 OFDM系统的关键技术

2.3.1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(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0.01%~0.1%。 2.3.2 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。 2.3.3 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。 2.3.4 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，即通过增加系统的复杂性换取系统频带利用率的提高。

2.3.5 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。

第3章 OFDM调制器技术

3.1 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 3.1、图 3.2和图 3.3。