OFDM介紹

　　OFDM （ Orthogona lFrequency D iv isionM ultiplex ing） 即正交頻分復(fù)用技術(shù)， 實(shí)際上 OFDM 是 MCM M ult-iC arrierM odu la tion， 多載波調(diào)制的一種。其主要思想是： 將信道分成若干正交 子信道， 將高速數(shù)據(jù)信號轉(zhuǎn)換成并行的低速子數(shù)據(jù)流， 調(diào)制到在每個(gè)子信道上進(jìn)行傳輸。正 交信號可以通過在接收端采用相關(guān)技術(shù)來分開， 這樣可以減少子信道之間的相互干擾 IC I。

　　OFDM設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)： 一是無需線性均衡， 從而避免了噪聲的增強(qiáng)， 而且由于它的符號間隔 很長， 對多徑效應(yīng)、脈沖噪聲和快速衰落有較強(qiáng)的抵抗能力; 二是由于子載波是相互正交 的， 所以頻譜可以交疊使用， 頻譜利用率比普通的多載波系統(tǒng)要高得多。為了防止各子信道 之間的串?dāng)_， OFDM 要求子載波相互正交。利用這種正交性， 接收機(jī)能正確分離開各個(gè)子數(shù) 據(jù)流。為了保證子載波之間的正交性， OFDM 要求各子載波在時(shí)間、頻率上均保持同步， 而 且要求相鄰子載波的頻率間隔為 OFDM 的有效符號時(shí)間間隔 T的倒數(shù)。

　　OFDM調(diào)制解調(diào)基本原理

　　OFDM是一種無線環(huán)境下的高速傳輸技術(shù)。無線信道的頻率響應(yīng)曲線大多是非平坦的，而根據(jù)OFDM技術(shù)的特點(diǎn)，盡管總的信道是非平坦的，具有頻率選擇性，但每個(gè)子信道是相對平坦的，在每個(gè)子信上進(jìn)行的是窄帶傳輸，信號帶寬小于信道的相應(yīng)帶寬，因此就可較好地消除信號波形間的干擾。由于在OFDM系統(tǒng)中各子信道的載波相互正交，它們的頻譜是相互重疊的，這樣不僅減小了子載波間的相互干擾，同時(shí)還提高了頻譜利用率。

　　OFDM增強(qiáng)了抗頻率選擇性衰落和抗窄帶干擾的能力。在單載波系統(tǒng)中，單個(gè)衰落或者干擾可能導(dǎo)致整個(gè)鏈路不可用，但在多載波的OFDM系統(tǒng)中，只會(huì)有一小部分載波受影響。通過合理地挑選子載波位置，可使OFDM的頻譜波形保持平坦，同時(shí)保證了各載波之間的正交。OFDM的接收機(jī)實(shí)際上是通過FFT（fast fourier transform，即快速傅里葉變換）實(shí)現(xiàn)的一組解調(diào)器。它將不同載波搬移至零頻，然后在1個(gè)碼元周期內(nèi)積分，其它載波信號因其與所積的信號正交，故不會(huì)對信息的提取產(chǎn)生影響。OFDM的數(shù)據(jù)傳輸速率與子載波數(shù)量有關(guān)。

　　OFDM調(diào)制解調(diào)電路基本構(gòu)成方框圖

　　OFDM調(diào)制解調(diào)電路的基本構(gòu)成方框圖，輸入數(shù)據(jù)經(jīng)串，井轉(zhuǎn)換成并行的多路數(shù)據(jù)，經(jīng)多路調(diào)制后再經(jīng)并，串轉(zhuǎn)換變成串行數(shù)據(jù)，再經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換，然后經(jīng)低通濾波器和調(diào)制器調(diào)制后經(jīng)帶通濾波器（BPF），然后進(jìn)行發(fā)射傳輸。在接收端經(jīng)帶通濾波器（BPF）將載波選入，再進(jìn)行解調(diào)和低通取出調(diào)制信號，然后經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器再變成數(shù)據(jù)信號，數(shù)據(jù)信號經(jīng)串，并轉(zhuǎn)換變成多路多載頻調(diào)制信號，經(jīng)OFDM解調(diào)后經(jīng)并，串轉(zhuǎn)換恢復(fù)成原數(shù)據(jù)信號輸出。

　　OFDM調(diào)制/解調(diào)的MATLAB實(shí)現(xiàn)

　　% 文件名：p171ofdm.m

　　% 2011-3-20 《無線通信的MATLAB和FPGA實(shí)現(xiàn)》西瑞克斯 人郵

　　% p171 例4-9 用MATLAB實(shí)現(xiàn)OFDM調(diào)制、解調(diào)，其中假設(shè)OFDM信號包含6個(gè)

　　%子載波。這里只是簡單地說明OFDM調(diào)制方式，因此略去了交織、加窗等部分。

　　c=6; %子載波個(gè)數(shù)

　　bits=108; %每個(gè)信道的比特?cái)?shù)

　　n=c*bits; %總的傳送比特?cái)?shù)

　　data=2*round（rand（1，n））-1; %產(chǎn)生信源數(shù)據(jù)

　　s=reshape（data，c，bits）; %串/并變換

　　tp=1:0.1：（1+10.8）-0.1;

　　for i=1:c

　　carrier（i，：）=cos（2*i*pi*tp）; %產(chǎn)生載波信號

　　bpsk_sig（i，：）=s（i，：）.*carrier（i，：）; %產(chǎn)生調(diào)制信號

　　fin（i，：）=ifft（bpsk_sig（i，：））; %對信號進(jìn)行IFFT

　　end

　　%并串變換

　　transmit=reshape（fin，1，648）;

　　%加噪聲

　　snr=10;

　　rxdata=awgn（transmit，snr，‘measured’）;

　　%并串變換

　　rec=reshape（rxdata，c，bits）;

　　for i=1:c

　　rd（i，：）=fft（rec（i，：））; %進(jìn)行FFT處理

　　uncarry（i，：）=rd（i，：）.*carrier（i，：）; %解調(diào)

　　end

　　rdata=sign（real（uncarry））; %判決輸出結(jié)果

　　%并串變換

　　rdout=reshape（rdata，1，648）;

　　%在MATLAB里運(yùn)行上述程序后，讀者可自行比較rdout和data的數(shù)值。

　 ? ?OFDM調(diào)制解調(diào)的FPGA實(shí)現(xiàn)

　　實(shí)現(xiàn)方法：

　　OFDM 技術(shù)對信號進(jìn)行I/Q 調(diào)制，在IQ兩路調(diào)制時(shí)沒有幅度上的失真，所以極大的克 服了模擬 I/Q調(diào)制的幅度和相位不平衡性， 克服了模擬混頻電路非線性的影響。由于FPGA的可編程性，使用 FPGA 實(shí)現(xiàn)調(diào)制 /解調(diào)可以提高系統(tǒng)的可編程性。

　　在 FPGA 中在使用平方根升余弦濾波器對基帶信號濾波，以消除符號間干擾，濾波后的IQ兩路信號通過乘法器與NCO中的正弦和余弦中頻載波相乘完成 IQ 調(diào)制，最后兩路信號相加通過DA轉(zhuǎn)換送入信道。接收時(shí)將信道來的通過 AD轉(zhuǎn)換后的信號通過與NCO的兩路正交載頻相乘分解出 IQ 兩路信號送至 FPGA進(jìn)行OFDM 調(diào)制在并串轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)輸出。實(shí)現(xiàn)框圖 分別如圖 1、圖 2和圖 3。

　　每個(gè) OFDM 符號是多個(gè)經(jīng)過調(diào)制的子載波信號之和。如果用N表示子信道的個(gè)數(shù)， T表 示 OFDM 符號寬度，d i（ 0， 1， ， N-1） 是分配給每個(gè)子信道的數(shù)據(jù)符號， f c 是載波頻率， 則從 t= ts 開始的 OFDM 符號可以表示為

　　其中， 式 （ 2） 的實(shí)部和虛部分別對應(yīng)于 OFDM 符號的同相和正交分量， 在實(shí)際工程中 可以分別與相應(yīng)得子載波的余弦分量和正弦分量相乘， 構(gòu)成最終的子信道和合成的 OFDM 符號。設(shè)計(jì)時(shí)使用 IDFT來代替 OFDM 調(diào)制， 使用 DFT 來完成 OFDM 調(diào)制， 也正是由于快速 DFT的引入， 才使 OFDM 技術(shù)在調(diào)制 /解調(diào)方面體現(xiàn)了巨大的優(yōu)勢。

　　這種正交性還可以從頻域角度來理解， 在每一個(gè)子載波頻率的最大處， 所有其他子信道 的頻譜值恰好為零， 因此在理想情況下， 可以從多個(gè)相互重疊的子信道符號頻譜中提取出各 個(gè)子信道符號， 而不會(huì)受到其他子信道的干擾。 OFDM 實(shí)際上是可以滿足無符號間干擾的奈 奎斯特準(zhǔn)則， 這種消除子信道間干擾 （ IC I） 的方法是通過在時(shí)域中使用矩形脈沖成形， 在 頻域中每個(gè)子載波的最大處采樣來實(shí)現(xiàn)。

　　當(dāng)數(shù)據(jù)長度較大時(shí)， 可以利用 FFT /IFFT來代替 IDFT /DFT 提高算法速度。正交頻分復(fù) 用采用并行傳送的方式， 降低了碼速率， 使符號時(shí)間大大延長， 相對時(shí)延超過符號周期所造 成的符號間串?dāng)_就會(huì)避免。為了更有效的抗符號間串?dāng)_， 在每一幀信號中插入保護(hù)間的信 息， 只是加入循環(huán)前綴對一小部分信號進(jìn)行重復(fù)。

　　OFDM FPAG實(shí)現(xiàn)

　　使用 Verilog實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的調(diào)制解調(diào)模塊， 假設(shè)數(shù)據(jù)位寬度為 16比特。

　　IEEE802 16a協(xié)議中規(guī)定載波數(shù)目為 256個(gè)，在實(shí)現(xiàn)時(shí)調(diào)用256點(diǎn)FFT模塊的IP Core 來實(shí)現(xiàn)，將工作頻率設(shè)置為數(shù)據(jù)速率的2倍，使 FFT / IFFT來復(fù)用一個(gè)模塊，以節(jié)省資源。從時(shí)延的角度出發(fā)，且考慮到256為4的冪次方，配置基4的模式。

　　M odu le ofdm _modem （ clk， rese，t w _send， w _rec， q_ou，t mdm， q_index）; input c lk;

　　input rese;t

　　/ /聲明了 32比特， 高 16比特是虛部， 低 16比特是實(shí)部

　　input［ 31： 0］w _send;

　　input［ 31： 0］w _rec;

　　output［ 31： 0］ q_ou;t

　　output［ 31： 0］ q_index; / /輸出數(shù)據(jù)的下標(biāo)

　　outputm dm; / /標(biāo)志輸出是調(diào)制信號還是解調(diào)信號

　　/ /1表示調(diào)制信號， 0表示解調(diào)信號

　　w ire inv_w e= 1; w ire［ 31： 0］ xn; w ire［ 31： 0］ xk; reg［ 7： 0］ cn;t reg flag; w ire fw d_inv;

　　/ /產(chǎn)生調(diào)制、解調(diào)操作的控制信號

　　a lw ays@ （ posedge clk） beg in

　　if （！

　　reset） begin

　　cnt《 = 0;

　　flag《 = 0; end

　　cnt《 = cnt+ 1;

　　if （ cnt= = 0）

　　flag《 = ！ flag;

　　e lse

　　flag《 = flag;

　　end

　　assign fw d_inv= rese？t flag： 0;

　　/ /在標(biāo)志為 1時(shí)做 FFT， 完成 OFDM 信號的調(diào)制