西北t 業(yè)大學(xué)碩十畢業(yè)論文摘要 摘要 本文對(duì)0 f d m 基帶調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)的f p g a 設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究和論述，重點(diǎn)實(shí)現(xiàn) 其中的i 峪碼編、譯碼模塊和基帶成形濾波器模塊。本文首先介紹了o f d m 調(diào)制 的原理和o f d m 基帶調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)，以及f p g a 設(shè)計(jì)的基本原則。接 著介紹了r s 碼的編碼原理和時(shí)域迭代譯碼算法，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)r s 碼編碼 器和譯碼器。然后介紹了成形濾波的原理和多種實(shí)現(xiàn)成形濾波器的結(jié)構(gòu)，采用多 相結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了平方根升余弦滾降濾波器。 關(guān)鍵字：o f d m ，f p g a ，r s 碼，成形濾波 西北工業(yè)大學(xué)碩士畢業(yè)論文 a b s t f a c t a b s t r a c t 1 1 1 i sp 印e ri n v e s t i g a t e sa l g o r i u n s 鋤df p g ai i i l p l e i i l c i i t a t i o no ft l l eo f d mb 器e - b a n d m o d 鋤r sc o d 盯、d e c o d e r 柚ds q u a r e - r o o tr a i s e dc o s i n e 丘l t e ra r ei m p l e m e r 山e d f i r s t l y ，o f d mm o d u l a t i t 1 1 e o r y 缸dt o pl e v c lm o d u l eo fm em o d 鋤h a v eb e e i l i l l 仃o d u c e d ，m c b 硒i cp r i n c i p l 囂f i ”f p g ad e s i 辨h a v cb 唧i n 的d u c e dt o o 1 1 1 e n ，t l l e c o d et l l c o r y 鋤dt i m e d o m a i ni t e n t i v ed e c o d ea l g 硎t h l no fi 峪c o d ei si n 仃0 d u c e d ，r s c o d e ra i l dd c c o d c ra r ed e s i g n e da n di m p l 鋤e l l t e di l lt l l i sb 嬲e a f t e rm a t ，也ep r i n c i p l eo f b 舾e - b 姐ds i 鄂山s h 印i n g 姐d m es 呲t i l r e so fb 瑟e b 鋤ds i 妒a ls h a p i n gm t e r 眥 i m r o d l i c e d ，t h e nm es q u a 降r o o tr a i s e dc o s i n ef i l t c r i si m p l 鋤e i l t e dj i lp 0 1 y p h 蹴 s t n l c t l e 1 y w o r d s ：0 f d m ，f p g a ，r sc o d e ，s i 印a ls h a p i n gf i l t c r i l 西北t = 業(yè)大學(xué)碩十畢業(yè)論文第一章緒論 1 1 課題背景和來(lái)源 第一章緒論 在過(guò)去的l o 年里，移動(dòng)通信得到了飛速地發(fā)展，第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)( 3 g ) 的出現(xiàn)更使移動(dòng)通信前進(jìn)了一大步。到目前為止，3 g 各種標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范已達(dá)成協(xié)議， 并已開(kāi)始商用。但也應(yīng)該看到3 g 系統(tǒng)尚有很多需要改進(jìn)的地方，如：3 g 缺乏全 球統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)；3 g 所采用的語(yǔ)音交換架構(gòu)仍承襲了第二代( 2 g ) 的電路交換，而不 是純p 方式；流媒體( 視頻) 的應(yīng)用不盡如人意；數(shù)據(jù)傳輸率也只接近于普通撥 號(hào)接入的水平，更趕不上x(chóng) d s l 等。所以，在第三代移動(dòng)通信還沒(méi)有完全鋪開(kāi)，距 離完全實(shí)用化還有一段時(shí)間的時(shí)候，已經(jīng)有不少國(guó)家開(kāi)始了對(duì)下一代移動(dòng)通信系 統(tǒng)( 4 g ) 的研究。 目前普遍的觀點(diǎn)是：下一代的無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)將是基于統(tǒng)一的口6 包交換方式， 向用戶提供的峰值速率超過(guò)1 0 0 m b i 體，并能支持用戶在各種無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)中無(wú)縫 漫游的全新網(wǎng)絡(luò)。為了支持更高的信息傳輸速率和更快的用戶移動(dòng)速度，在下一 代的無(wú)線通信中必須采用頻譜效率更高、抗多徑干擾能力更強(qiáng)的新型傳輸技術(shù)。 在當(dāng)前能提供高速率傳輸?shù)母鞣N無(wú)線解決方案中，以正交頻分復(fù)用( 0 h ，m ) 為代 表的多載波調(diào)制技術(shù)是最有前途的方案之一。 移動(dòng)通信系統(tǒng)中存在的主要問(wèn)題是多徑效應(yīng)所引起的碼間干擾( i s i ) 問(wèn)題。 傳統(tǒng)上克服i s i 的方法有兩種：第一種方法是采用單載波調(diào)制加時(shí)域均衡的方法； 第二種方法是直接序列擴(kuò)頻碼分多址( d s c d m a ) 加r 燦礓接收技術(shù)。這兩種方 法在各自系統(tǒng)中都能很好地克服因多徑效應(yīng)所引起的碼間干擾問(wèn)題。但是對(duì)于高 速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)來(lái)說(shuō)，傳統(tǒng)的單載波系統(tǒng)和c d m a 系統(tǒng)都存在很大的缺陷。由于無(wú)線 信道存在時(shí)延擴(kuò)展，而且高速信息流的符號(hào)寬度又相對(duì)較短，所以符號(hào)之間會(huì)存 在較嚴(yán)重的i s i 。因此對(duì)單載波系統(tǒng)中所使用的均衡器提出非常高的要求，即抽頭 數(shù)量要足夠大，訓(xùn)練符號(hào)要足夠多，訓(xùn)練時(shí)間要足夠長(zhǎng)，這樣均衡算法的復(fù)雜度 也會(huì)大大增加。對(duì)于c d m a 系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，其主要問(wèn)題在于擴(kuò)頻增益與高速數(shù)據(jù)流之 間的矛盾。在保證相同帶寬的前提下，對(duì)高速數(shù)據(jù)流所使用的擴(kuò)頻增益不能太高， 兩北丁業(yè)大學(xué)碩七畢業(yè)論文第一章緒論 否則就大大限制了c d m a 系統(tǒng)噪聲平均的優(yōu)點(diǎn)，從而使得系統(tǒng)的軟容量受到一定 的影響，如果保持原來(lái)的擴(kuò)頻增益，則必須要相應(yīng)地提高帶寬。此外，受系統(tǒng)復(fù) 雜性的限制，c d m a 系統(tǒng)中凡u ( e 接收機(jī)的分支數(shù)量不能太多( 一般為5 左右) ， 但高速寬帶系統(tǒng)中可分解的多徑分量較多，此時(shí)會(huì)有較大的能量損失。 多載波調(diào)制技術(shù)把一個(gè)高速串行數(shù)據(jù)流分解為若干個(gè)獨(dú)立的子數(shù)據(jù)流，這樣每 個(gè)子數(shù)據(jù)流將具有很低的比特速率，用這樣的低比特率數(shù)據(jù)形成的低速率多狀態(tài) 符號(hào)再去調(diào)制相應(yīng)的子載波，從而構(gòu)成多個(gè)低速率符號(hào)并行發(fā)送的傳輸系統(tǒng)。從 而可以有效地對(duì)抗多徑干擾，這種優(yōu)勢(shì)是其它調(diào)制方式所無(wú)法比擬的。 o ) m 是多載波傳輸方案的實(shí)現(xiàn)方式之一，它利用逆快速傅立葉變換( 珊f t ) 和快速傅立葉變換( f i 叮) 來(lái)分別實(shí)現(xiàn)調(diào)制和解調(diào)，是實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度最低、應(yīng)用最廣 的一種多載波調(diào)制方案。此外，人們還提出了許多其他實(shí)現(xiàn)多載波傳輸?shù)恼{(diào)制方 式，如矢量變換方式、基于小波變換的d w m t 方式、采用濾波器組的濾波多音 ( f m t ) 調(diào)制方式等，但它們的實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度相對(duì)較高，在實(shí)際系統(tǒng)中很少使用。 正因?yàn)? f i ) m 潛在的多徑對(duì)抗能力，且可以靈活地和其他接入方式結(jié)合成衍生系 統(tǒng)，所以0 f d m 已經(jīng)被列入4 g 無(wú)線通信系統(tǒng)的可能解決方案，受到眾多研究者 的廣泛關(guān)注。目前o f d m 作為核心技術(shù)已被多種有線和無(wú)線接入標(biāo)準(zhǔn)采納，包括 e e 8 0 2 1 l a 、h 口e r i ，a n 一2 、d a b 、d v b 、m e e 8 0 2 1 6 系列標(biāo)準(zhǔn)等。 本文主要參考e e 8 0 2 1 6 d 標(biāo)準(zhǔn)，研究和設(shè)計(jì)全數(shù)字o f d m 基帶調(diào)制解調(diào)系 統(tǒng)，并基于f p g a 實(shí)現(xiàn)其中的多個(gè)關(guān)鍵模塊。 1 2 課題意義 設(shè)計(jì)全數(shù)字通信機(jī)，降低了電路復(fù)雜度，便于采用先進(jìn)的算法提高通信機(jī)的 性能指標(biāo)，便于采用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化，便于移植、集成和 大規(guī)模生產(chǎn)。 自主研發(fā)的基帶調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)，不需采用專用的調(diào)制解調(diào)芯片，更有利于自 身的技術(shù)積累和自我保護(hù)，更加靈活自由，不會(huì)受到專用調(diào)制解調(diào)芯片技術(shù)和知 識(shí)產(chǎn)權(quán)方面的限制。 e e 8 0 2 1 6 d 標(biāo)準(zhǔn)支持寬帶固定接入，這是它最基本的業(yè)務(wù)模型。全移動(dòng)接入 2 西北t 業(yè)大學(xué)碩十畢業(yè)論文第一章緒論 是m e e 8 0 2 1 6 標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展的最終應(yīng)用，在這種應(yīng)用模式下，可以漫游切換，并支持 普通車速移動(dòng)下無(wú)中斷的無(wú)線接入，其市場(chǎng)容量巨大。目前國(guó)內(nèi)采用e e 8 0 2 1 6 標(biāo)準(zhǔn)的通信機(jī)還沒(méi)有得到推廣，市場(chǎng)對(duì)這類設(shè)備的需求很大。因此，研究設(shè)計(jì)基 于e e 8 0 2 1 6 d 標(biāo)準(zhǔn)的全數(shù)字o f 【) m 基帶調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)是一個(gè)重要的技術(shù)突破， 也為基于0 f d m 的4 g 移動(dòng)通信系統(tǒng)的研究打下基礎(chǔ)，具有長(zhǎng)遠(yuǎn)的意義。 本文研究和設(shè)計(jì)的0 f d m 基帶調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)參考了e e 8 0 2 1 6 d 標(biāo)準(zhǔn)，將 o f d m 基帶調(diào)制解調(diào)所需的擾碼、r s 碼、卷積碼、交織、1 6 q j 蝴映射、0 f d m 調(diào)制解調(diào)( 研，f f t ) 、加循環(huán)前綴、基帶成形濾波器、相關(guān)接口電路全部集成到 一個(gè)f p g a 芯片上，以實(shí)現(xiàn)片上系統(tǒng)( s o c ) 設(shè)計(jì)，大大簡(jiǎn)化系統(tǒng)的復(fù)雜度，提 高系統(tǒng)的性能。在設(shè)計(jì)整體系統(tǒng)的前提下，本文重點(diǎn)實(shí)現(xiàn)其中的r s 碼編碼器和譯 碼器模塊，以及基帶成形濾波器模塊。 1 3 論文內(nèi)容和結(jié)構(gòu) 本文主要研究和設(shè)計(jì)了o f d l m 基帶調(diào)制系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案，基于f p g a 設(shè)計(jì) 和實(shí)現(xiàn)了r s 碼編、譯碼器及基帶成形濾波器，工作量較大，具有一定的難度。 本文按照設(shè)計(jì)要求初步完成了以上模塊的設(shè)計(jì)，并在設(shè)計(jì)過(guò)程中采用了許多 先進(jìn)的技術(shù)和設(shè)計(jì)理念，合理地利用了阡g a 資源，優(yōu)化了整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，縮 短了設(shè)計(jì)周期。 本文的章節(jié)安排如下： 第一章介紹了本文的課題背景、意義、論文內(nèi)容和結(jié)構(gòu)。 第二章介紹了o f 【) m 調(diào)制的原理、0 f d m 基帶調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)發(fā)送端和接收端 的總體設(shè)計(jì)方案及參數(shù)選擇原則。 第三章介紹了基于v 甜l o g 卸) l 進(jìn)行f p g a 設(shè)計(jì)的相關(guān)內(nèi)容。 第四章介紹了r s 碼原理、r s 碼編碼器和譯碼器的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)。 第五章介紹了f 取、r 濾波器設(shè)計(jì)原理和平方根升余弦滾降濾波器的設(shè)計(jì)及 實(shí)現(xiàn)。 第六章總結(jié)全文，并給出了一些改進(jìn)思路。 西北工業(yè)大學(xué)碩士畢業(yè)論文 第二章o f d m 基帶系統(tǒng)轄體設(shè)計(jì) 第二章0 f d m 基帶系統(tǒng)整體設(shè)計(jì) 2 10 f d m 簡(jiǎn)介 多徑衰落是影響移動(dòng)通信系統(tǒng)的主要問(wèn)題。由于多徑傳播，會(huì)造成信道的時(shí) 間彌散性效應(yīng)。在無(wú)線電波傳輸過(guò)程中，由于時(shí)延擴(kuò)展，接收信號(hào)中的某些符號(hào) 的波形會(huì)擴(kuò)展到其它符號(hào)中，造成了符號(hào)間干擾( i n t c fs y m b o lk t e r f e r e n c e ，i s i ) 。 在單載波系統(tǒng)中，如果數(shù)據(jù)傳輸速率較低，多徑效應(yīng)造成的符號(hào)間干擾( i s i ) 不是特別嚴(yán)重，可以利用合理的均衡技術(shù)使系統(tǒng)正常工作。但對(duì)高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)而 言，時(shí)延擴(kuò)展造成的i s i 很大，這樣就會(huì)對(duì)均衡器提出非常高的要求，特別是均衡 器實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜性及收斂速度，導(dǎo)致均衡器難以實(shí)現(xiàn)或?qū)崿F(xiàn)的成本過(guò)高。 o f d m ，即正交頻分復(fù)用，是多載波調(diào)制( m c m ) 技術(shù)的一種。m c m 的基 本思想是把一路高速串行數(shù)據(jù)流經(jīng)串并轉(zhuǎn)換為n 路低速并行的子數(shù)據(jù)流，用它們 分別去調(diào)制n 路子載波后進(jìn)行并行傳輸。由于子數(shù)據(jù)流的速率是原來(lái)的l n ，即 符號(hào)周期擴(kuò)大為原來(lái)的n 倍，遠(yuǎn)大于信道的最大延遲擴(kuò)展，這樣m c m 就把一個(gè) 寬帶頻率選擇性信道劃分成了n 個(gè)窄帶平坦衰落信道( 均衡簡(jiǎn)單) ，從而先天具有 很強(qiáng)的抗無(wú)線信道多徑衰落和抗脈沖干擾的能力，特別適合于高速無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸。 o h ) m 是一種子載波頻譜相互混疊的m c m ，因此它除了具有上述m c m 的優(yōu)勢(shì)外， 還具有更高的頻譜利用率。0 f d m 選擇時(shí)域相互正交的子載波集，它們雖然在頻 域相互混疊，卻仍能夠在接收端被分離出來(lái)。 0 f i ) m 的歷史可以追溯到2 0 世紀(jì)6 0 年代中期，c h 鋤g 發(fā)表了關(guān)于將帶限信 號(hào)合成進(jìn)行多信道傳輸?shù)恼撐?，其中闡述了把消息在線性帶限信道中進(jìn)行無(wú)信道 間干擾( i c i ) 和符號(hào)間干擾( i s i ) 的并行傳輸?shù)幕驹?。之后，s a l t z b e 唱對(duì)這 種處理進(jìn)行了分析，并得出這樣的結(jié)論：“設(shè)計(jì)一個(gè)有效的并行處理系統(tǒng)的目的應(yīng) 該在于減少相鄰信道間的串?dāng)_，而不在于完善單個(gè)信道，因?yàn)闇p小串?dāng)_失真更為 重要?！边@個(gè)非常重要的結(jié)論，在幾年之后所形成的數(shù)字基帶處理技術(shù)得到了證明。 1 9 7 1 年w j 豳t e i n 和e b e f l 對(duì)o f d m 的發(fā)展做出了重要貢獻(xiàn)：他們將d f t 技術(shù) 引入0 f d m 中，進(jìn)行基帶調(diào)制和解調(diào)。他們的工作也不在于“完善單個(gè)信道”，而 4 西北1 = 業(yè)大學(xué)碩十畢業(yè)論文 第二章o f d m 基帶系統(tǒng)整體設(shè)計(jì) 是引入了更加有效的處理技術(shù)，避免了使用大量子載波振蕩器，并且為了減少i s i 和i c i ，他們?cè)? f d m 符號(hào)間加入了保護(hù)間隔以及時(shí)域升余弦窗函數(shù)，但在他們 的系統(tǒng)中，子載波在彌散信道環(huán)境下不能保持完善的正交性。 1 9 8 0 年p e l e d 和r u i z 對(duì)0 f 【) m 技術(shù)做出了另一個(gè)重要貢獻(xiàn)，即把循環(huán)前綴 ( c p ) 或稱循環(huán)擴(kuò)展引入0 f i ) m 系統(tǒng)以解決子載波問(wèn)的正交性問(wèn)題。他們?cè)诒Ｗo(hù) 間隔中加入的是o f d m 符號(hào)的循環(huán)擴(kuò)展，而不是使用空白保護(hù)間隔，從而有效地 模仿了循環(huán)卷積信道，當(dāng)c p 大于信道沖激響應(yīng)時(shí)間( 即信道的最大延遲擴(kuò)展f 。) 時(shí)，就能夠保證彌散信道中子載波間的正交性。雖然加入c p 也同時(shí)引入了能量損 失，但是相比于其所獲得的幾乎是零的i c i ，還是值得的。 1 9 9 9 年，皿e e 將o f d m 作為無(wú)線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)e e 8 0 2 1 1 a 的物理層的調(diào)制 標(biāo)準(zhǔn)。目前，o f d m 己被多種數(shù)字無(wú)線通信標(biāo)準(zhǔn)所采納，如歐洲的數(shù)字音頻廣播 d a b 、數(shù)字視頻廣播d v b t ，以及無(wú)線局域網(wǎng)h 口e r i ，a n 2 等。0 f d m 在蜂窩移 動(dòng)通信中的應(yīng)用始于2 0 世紀(jì)8 0 年代中期，從1 9 9 3 年開(kāi)始興起了0 f d m 與c d m a 相結(jié)合的研究：歐洲已把o f d m 作為發(fā)展地面數(shù)字電視的基礎(chǔ)：日本也將它用于發(fā) 展便攜式電視和安裝在旅游車、出租車上的車載電視；0 f d m 也應(yīng)用于有線環(huán)境 的各種高速p s t n 接入以抗脈沖干擾、防止串話，如a d s l ，r d s l ，v d s l 等，當(dāng) o f r ) m 應(yīng)用于有線時(shí)，通常被稱為d m t ，即離散多音頻：o f d m 技術(shù)還應(yīng)用于m c 及皿t v 傳輸系統(tǒng)。 0 f d m 具有頻譜利用率高，抗多徑衰落能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，是一項(xiàng)非常有潛力的 高速數(shù)據(jù)通信技術(shù)。o f i ) m 技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)主要?dú)w結(jié)為以下幾個(gè)方面： ( 1 ) 頻譜利用率高。 在o f d m 系統(tǒng)中，各個(gè)子載波之間相互正交，頻譜互相重疊，提高了系統(tǒng)的 頻譜利用率。當(dāng)子載波個(gè)數(shù)很大時(shí)，頻譜利用率趨于2 b a u 帽z 。這一優(yōu)點(diǎn)在頻譜 資源日益緊張的無(wú)線通信應(yīng)用中尤為重要。 ( 2 ) 有效克服符號(hào)間干擾。 0 f d m 系統(tǒng)中，把高速串行的數(shù)據(jù)流通過(guò)串并轉(zhuǎn)換器變?yōu)椴⑿械退俚淖訑?shù)據(jù) 流，使得每個(gè)子載波上數(shù)據(jù)符號(hào)的持續(xù)周期相對(duì)增加，從而有效地減小無(wú)線信道 時(shí)間彌散所帶來(lái)的i s i 。同時(shí)，在數(shù)據(jù)間插入的循環(huán)前綴也有效地減低了i c i 。 ( 3 ) 使用m f l 忭f t 方法來(lái)實(shí)現(xiàn)o f i ) m 調(diào)制和解調(diào)。 5 西北業(yè)大學(xué)碩士畢業(yè)論文第二章o f d m 基帶系統(tǒng)整體設(shè)計(jì) 大規(guī)模集成電路技術(shù)和數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的飛速發(fā)展，使f t 侗f 1 r 的實(shí)現(xiàn)變 得極為容易，也為0 f d m 技術(shù)實(shí)用化掃除了障礙。 ( 4 ) 對(duì)抗頻率選擇性衰落或窄帶干擾。 在單載波系統(tǒng)中，單個(gè)衰落或干擾能夠?qū)е抡麄€(gè)通信鏈路失敗，但是在多載 波系統(tǒng)中，窄帶干擾只會(huì)影響到一個(gè)或有限的幾個(gè)子信道。對(duì)于這些子信道，可 以通過(guò)降低受干擾子載波的數(shù)據(jù)率或放棄受干擾的子載波，來(lái)降低窄帶干擾對(duì)整 個(gè)o f d m 系統(tǒng)性能的影響。 ( 5 ) 具有頻率分集能力。 由于o f d m 系統(tǒng)的頻帶內(nèi)存在零點(diǎn)，所以，數(shù)據(jù)被并行分配在互不相關(guān)的子 頻帶上發(fā)送時(shí)，可將時(shí)間分集與頻率分集結(jié)合起來(lái)，提高系統(tǒng)傳輸?shù)目煽啃浴?任何一種技術(shù)都不可能是十全十美的，o f i ) m 技術(shù)也不例外。o f d m 信號(hào)是 由多個(gè)子信道信號(hào)疊加而成的，因此與單載波系統(tǒng)相比，存在以下兩大缺點(diǎn)： ( 1 )高峰均功率比( p e a k - t o a v e r a g ep o w e rr a t i o 衛(wèi)廿r ) 。 高峰均功率比對(duì)發(fā)射機(jī)內(nèi)功率放大器的線性范圍提出了很高的要求，且會(huì)引 起信號(hào)頻譜的變化，破壞子載波間的正交性。因此，如何降低p a p r 就成為有效應(yīng) 用0 f d m 技術(shù)中的一個(gè)難點(diǎn)， ( 2 ) 對(duì)頻偏和相位噪聲比較敏感。 o f 【 m 系統(tǒng)中，各個(gè)子載波必須嚴(yán)格滿足頻率正交性。無(wú)線信號(hào)的頻率偏移， 或者發(fā)射機(jī)載波頻率與接收機(jī)本地振蕩器之間的頻率偏移，都會(huì)破壞子載波間的 正交性，產(chǎn)生子載波間串?dāng)_，導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)性能嚴(yán)重下降。 2 20 f d m 調(diào)制原理 o f 【) m 調(diào)制原理如圖2 1 所示：速率為咒6 豇s 的串行比特流，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)編碼 器，每l o g ：m 個(gè)比特被映射為一個(gè)符號(hào)( m 為符號(hào)空間的符號(hào)個(gè)數(shù)) ，從而產(chǎn)生 速率為e = 五導(dǎo)萬(wàn)符號(hào)s 的串行符號(hào)流，符號(hào)周期正= 擊s 。串行符號(hào)串并變換 為n 路并行符號(hào)，每一個(gè)符號(hào)調(diào)制n 個(gè)正交子載波中的一個(gè)，n 個(gè)調(diào)制后的子載 波相加，再進(jìn)行傳輸。 西北r 業(yè)大學(xué)碩十畢業(yè)論文第二章o f d m 基帶系統(tǒng)糕體設(shè)計(jì) 一p p s ps 州妨) 變換 唧護(hù)一力 伊 啦 圖2 1o f d m 調(diào)制原理示意圖 各子載波間的正交性是通過(guò)適當(dāng)選取五，每個(gè)子載波在一個(gè)0 f d m 符號(hào)周期 內(nèi)包含整數(shù)個(gè)周期，各個(gè)相鄰子載波之間相差一個(gè)周期實(shí)現(xiàn)的。取子載波間隔 鱸= 1 z ，及厶= ( 其中k 為大于或等于零的整數(shù)，一般取零) ， 正= + 矽，則各子載波在一個(gè)o f d m 符號(hào)周期內(nèi)可保持正交。如下所示。 吾r 酬_ ，唧( 一_ ，mm f ) 出= 協(xié) ：；： 在接收端，如圖2 2 所示，o h ) m 符號(hào)經(jīng)過(guò)混頻器積分器組進(jìn)行解調(diào)和判決。 客阼咿j pp 唧護(hù)駟 p ，s 變換 一陌下罵 咿降 圖2 2o h ) m 系統(tǒng)接收端的解調(diào)部分 在不考慮同步誤差以及信道干擾的理想情況下，進(jìn)入每一路混頻器積分器的 信號(hào)為相互正交的正弦信號(hào)和余弦信號(hào)的和，其形式為： 口( 0 ) c o s ( 2 巧：f ) + 6 ( o ) s i n ( 2 刁f ) + ，+ d ( 一1 ) c o s ( 2 7 靠一 f ) + 6 ( 一1 ) s i l l ( 2 ，九一i f ) 7 西北t 業(yè)人學(xué)碩士畢業(yè)論文第二章o f d m 基帶系統(tǒng)整體設(shè)計(jì) 考慮工子載波上同相分量：頻率為正的同相混頻器將整個(gè)上式乘以c o s ( 2 礬f ) ， 然后將所得的積在時(shí)間o t 內(nèi)進(jìn)行積分。因?yàn)檩d波日j 的正交性，積分運(yùn)算只對(duì) 位于正處的同相子載波有非零結(jié)果，從而提取出有用數(shù)據(jù)口( n ) 。同樣的道理可以 從各正交支路恢復(fù)出6 ( n ) 。所有被恢復(fù)的符號(hào)經(jīng)并串變換后，再進(jìn)行解碼，即得 到所發(fā)送的原始數(shù)據(jù)比特?？梢?jiàn)，雖然子信道頻譜相互混疊，子載波間的正交性 卻使得各個(gè)子信道依然能夠被分離出來(lái)。子載波間的正交性還可以從頻域的角度 進(jìn)行理解，如不加特殊的脈沖成型，即矩形脈沖成型的情況，由于并行符號(hào)的每 一路的周期為z ，則每一路的頻譜都是取樣函數(shù)，如圖2 3 所示，取樣函數(shù)的峰值 出現(xiàn)在各個(gè)子載波頻率處，而此處，所有其它子信道的頻譜恰好為o 。在解調(diào)的 過(guò)程中需要計(jì)算的是這些峰值，因此可以從多個(gè)互相混疊的子信道符號(hào)頻譜中提 取出每個(gè)子信道符號(hào)，而不受其它子信道的干擾。 圖2 1o f d m 子信道的頻譜( 矩形脈沖成型) 采用i f f t f f t 來(lái)實(shí)現(xiàn)o f d m 調(diào)制解調(diào)，可以省掉大量的振蕩器和積分器，無(wú) 論是算法還是硬件實(shí)現(xiàn)都可以采用比較成熟的d s p 技術(shù)，從而有效地降低系統(tǒng)的 成本和復(fù)雜度。大大促進(jìn)了o f i ) m 技術(shù)的實(shí)用化。 o f d m 調(diào)制的輸出信號(hào)可寫(xiě)作： 一l z ( f ) = 【口( h ) c o s 2 礬f + 6 ( h ) s i n 2 礬吐其中o f z ( 2 1 ) = 0 對(duì)其以血= z 進(jìn)行采樣，得到 一l x ( 肌正) = 【口( 月) c o s 2 礬( 肌t ) + 6 0 ) s i n 2 礬( 州正) 】 ( 2 2 ) 2 0 西北t 業(yè)大學(xué)碩士畢業(yè)論文第二章o f i ) m 基帶系統(tǒng)整體設(shè)計(jì) 其中脅= 0 ，。一l 。將這些分量在f 的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行低通濾波，即進(jìn)行d a 變換， 則又可以恢復(fù)為原來(lái)的模擬信號(hào)x ( f ) 。 將正代入， ( 2 2 ) 式可以寫(xiě)作： i 1一，2 冊(cè)“l(fā) x ( m ) = r e ) + ，6 ( 行) 】p 礦 m = o ，1 2 ，一1 ( 2 3 ) lh ；oi 而大括號(hào)內(nèi)的表達(dá)式正是序列x ( n ) = ( ) + 弘( n ) ，= o ，1 ，一1 ) 的離散傅 立葉變換d f t ?？梢?jiàn)，圖2 1 的方框內(nèi)部分可用d f t 實(shí)現(xiàn)，取d f t 輸出的實(shí)部， 再經(jīng)d a 變換和重建平滑濾波又可恢復(fù)成原來(lái)的模擬信號(hào)x ( f ) ，經(jīng)上變頻即可送 入信道進(jìn)行傳輸。由于只傳d f t 輸出的實(shí)部，在接收端( 下變頻之后) 則須以缸2 時(shí)間間隔進(jìn)行采樣，并進(jìn)行2 n 點(diǎn)d f t 才能恢復(fù)出原來(lái)的數(shù)據(jù)。與發(fā)送端相同， 圖2 2 接收端的方框內(nèi)部分也可以用d f t 模塊代替。為使d f t 輸出為實(shí)數(shù)，可以 將x o ) 的共軛反轉(zhuǎn)序列x 一1 右移2 n 點(diǎn)置于z 0 ) 之后從而構(gòu)成2 n 點(diǎn)的共軛偶 對(duì)稱序列，其2 n 點(diǎn)的d f t 即為實(shí)數(shù)。另外，如果上變頻調(diào)制的輸入既有i 通道 又有q 通道的話，則不僅可以傳實(shí)部( i 通道) ，還可以傳虛部( q 通道) 。 由于將n ( n ) 改為一口( n ) 或?qū)? ( ) 改為一6 ( 一) 不影響信息的攜帶，又由于o f d m 作為m c m 的一種被視為一種頻域技術(shù)，則圖2 1 所示的虛線框內(nèi)部分，也可用 d f t 來(lái)實(shí)現(xiàn)。使用d f t 的輸出為： 橢= k 髓m 咖竿 c z a ， 經(jīng)d a 變換后得： f ( r ) “專簍 口( 一) c 。s 2 礬f 一6 ( n ) s i i l 2 礬f 】 ( 2 5 ) 與( 2 1 ) 相比，刀( f ) 與j ( f ) 的差異僅在于幅度以及6 0 ) 的符號(hào)，因而不會(huì)影響信 息的傳輸。由于d 冊(cè)f t 有快速算法h 呵，l h 叮，如果2 ”，可補(bǔ)零，從而圖 2 1 中的虛線框中部分也可用f t 實(shí)現(xiàn)，圖2 2 接收端的框內(nèi)部分可用n 叮實(shí)現(xiàn)。 這種方法更為常用。 9 西北1 = 業(yè)人學(xué)碩士畢業(yè)論文 第二章o f i ) m 基帶系統(tǒng)整體設(shè)計(jì) 2 30 f d m 基帶調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)整體設(shè)計(jì) 發(fā)送端整體示意圖和接收端整體示意圖分別如圖2 4 和圖2 5 所示。根據(jù) i e e e8 0 2 1 6 d 標(biāo)準(zhǔn)，數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)擾碼( 隨機(jī)化) 、r s 碼編碼、卷積碼編碼、交織、1 6 q a m 映射，進(jìn)行0 f d m 調(diào)制，再加入循環(huán)前綴，基帶成形濾波，最后通過(guò)天線進(jìn)行發(fā) 射。解調(diào)過(guò)程按相反順序逐步進(jìn)行。圖中自d a a d 以下各部分都集成在單片f p g a 上。設(shè)計(jì)中暫未考慮同步、峰均比抑制等問(wèn)題。 發(fā) 送 數(shù) 據(jù) 接 收 數(shù) 據(jù) 圖2 4 發(fā)送端整體示意圖 圖2 5 接收端整體示意圖 2 3 1 擾碼模塊 進(jìn)行基帶傳輸?shù)男盘?hào)如果出現(xiàn)長(zhǎng)的連“1 ”和連“o ”串，則會(huì)包含較大的低 頻分量，則很難通過(guò)信道進(jìn)行傳輸。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行離散化，也稱之為“擾碼”，使數(shù) 據(jù)變成偽隨機(jī)序列，可解決這一問(wèn)題。它的原理是將待傳送的數(shù)據(jù)與一個(gè)偽隨機(jī) 序列進(jìn)行逐比特異或運(yùn)算，然后再進(jìn)行隨后的處理步驟并通過(guò)信道傳送。在接收 端把經(jīng)過(guò)解調(diào)解碼的數(shù)據(jù)流與相同的一個(gè)偽隨機(jī)序列進(jìn)行異或，則可以恢復(fù)出原 l o 西北工業(yè)人學(xué)碩士畢業(yè)論文 第二章o f d m 基帶系統(tǒng)整體設(shè)計(jì) 始的發(fā)送信息。擾碼器可用一個(gè)線性反饋移位寄存器構(gòu)成，如圖2 6 所示。 圖2 6 擾碼模塊示意圖 2 3 2r s 碼模塊 r s 碼是一類有很強(qiáng)糾錯(cuò)能力的多進(jìn)制b c h 碼，也是一類典型的代數(shù)幾何碼。 它最早是由r c c d 和s o l o m o n 應(yīng)用m s 多項(xiàng)式在頻域構(gòu)造出來(lái)的。利用m s 多項(xiàng)式 構(gòu)造的r s 碼是非系統(tǒng)碼，我們可以利用b c h 碼的構(gòu)造方法在時(shí)域產(chǎn)生系統(tǒng)碼。 對(duì)于線性分組碼來(lái)說(shuō)，在其他指標(biāo)相同的情況下，非系統(tǒng)碼和系統(tǒng)碼的糾錯(cuò)能力 相同，但在譯碼時(shí)系統(tǒng)碼可直接讀出信息元，非系統(tǒng)碼還要增加一個(gè)信息元的轉(zhuǎn) 換電路。所以本文采用系統(tǒng)碼編碼方案。 r s ( 2 5 5 ，2 3 9 ) 碼是在有限域g f ( 2 8 ) 上運(yùn)算得到的。它的編碼參數(shù)如下： 碼長(zhǎng)櫛= 2 5 5 ，信息位個(gè)數(shù)| | = 2 3 9 ， 校驗(yàn)位r = 開(kāi)一七= 1 6 ，糾錯(cuò)能力f = 8 ，碼距d = 1 7 本原多項(xiàng)式p = x 。+ ，+ 礦+ ，+ l 生成多項(xiàng)式g ( 功= o 一) 0 一口1 ) o 一口2 ) o 一口”) r s 碼譯碼器的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，通常包括伴隨式計(jì)算電路、關(guān)鍵方程求解電路、 錢氏搜索電路、福尼算法電路和譯碼輸出等部分。其中關(guān)鍵方程的求解是整個(gè)譯 碼器的核心，本文采用b c r l e k 鋤p m 雒s e y ( b m ) 算法來(lái)求解關(guān)鍵方程。 本文在信道編碼部分，采用r s ( 2 5 5 ，2 3 9 ) 碼與( 2 ，l ，6 ) 卷積碼級(jí)聯(lián)的 結(jié)構(gòu)。級(jí)聯(lián)碼一定程度上解決了糾錯(cuò)碼理論中性能與設(shè)備復(fù)雜性的矛盾，它不僅 有極強(qiáng)的糾突發(fā)錯(cuò)誤的能力，也有極強(qiáng)的糾隨機(jī)錯(cuò)誤的能力?？梢愿鶕?jù)需要，對(duì) 編碼采用不同的增信刪余方案，可以得到不同的編碼速率。交織技術(shù)對(duì)經(jīng)過(guò)編碼 的數(shù)據(jù)序列重新排列，解交織后使突發(fā)錯(cuò)誤在時(shí)間上被分散，從而有利于糾錯(cuò)編 碼有效的進(jìn)行糾錯(cuò)。 r s 碼的編、譯碼器的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)是本文的重點(diǎn)。 西北丁業(yè)大學(xué)碩士畢業(yè)論文第二章o f d m 基帶系統(tǒng)整體設(shè)計(jì) 2 3 3 卷積碼模塊 卷積碼可表示為( ，k ，塒) ，參數(shù)的意義如下： 宰碼長(zhǎng)，信息元個(gè)數(shù)k ，校驗(yàn)元個(gè)數(shù)以。一。 碼率，表示卷積碼傳輸信息的有效性。 編碼存儲(chǔ)m ，表示輸入信息組在編碼器中的存儲(chǔ)周期( 即編碼器中寄存器的 級(jí)數(shù)) 。 編碼約束度= 掰+ l ，表示編碼過(guò)程中相互約束的信息組的個(gè)數(shù)。 編碼約束長(zhǎng)度虬= 櫛。表示編碼過(guò)程中相互約束的碼元個(gè)數(shù)。 ( 胛。，研) 卷積碼編碼器通常分為兩類：一類是聊( 一) 級(jí)的串行編碼器； 另一類是塒的串行和并行編碼器。對(duì)于最常見(jiàn)的( 2 ，1 ，棚) 卷積碼來(lái)說(shuō)，塒( 一k ) 級(jí) 的串行編碼器最常用。特別是在使用子生成元的方式來(lái)描述卷積碼時(shí)，可直接根 據(jù)子生成元方便地畫(huà)出相應(yīng)的m ( 一) 級(jí)的串行編碼器。對(duì)( 2 ，1 ，研) 卷積碼進(jìn)行增 信刪余處理，即可方便地獲得其它碼率的卷積碼。 卷積碼在編碼過(guò)程中，充分利用了各組之間的相關(guān)性，七。和較小，在與分 組碼同樣的碼率和設(shè)備復(fù)雜性條件下，從理論和實(shí)際上均以證明卷積碼的性能不 比分組碼差，并且實(shí)現(xiàn)最佳和準(zhǔn)最佳譯碼也比較簡(jiǎn)單。由于卷積碼各組之間相互 有關(guān)，因此在卷積碼的分析過(guò)程中，至今沒(méi)有找到像分組碼那樣有效的數(shù)學(xué)工具， 所以對(duì)卷積碼的性能分析比較困難，從分析中得到的成果也不像分組碼那么多， 實(shí)際應(yīng)用中往往要借助計(jì)算機(jī)的搜索來(lái)尋找好碼。 卷積碼的譯碼通常有門限譯碼、序列譯碼、t e r b i 算法這三種較好的譯碼算法。 特別是t e r b i 算法是基于碼的網(wǎng)格( 們l l i s ) 圖基礎(chǔ)上的一種最大似然譯碼算法， 是一種最佳的概率譯碼算法。 2 3 41 6 0 圳映射 q a m 正交幅度調(diào)制是用兩路獨(dú)立的信號(hào)分別去調(diào)制同相與正交的兩個(gè)載波， q a m 已調(diào)信號(hào)可以表示為： 1 2 西北工業(yè)大學(xué)碩士畢業(yè)論文 第二章o f d m 基帶系統(tǒng)縐體設(shè)計(jì) o 二愁憊麓譬淼墨0 鰣如c z 咱= 爿。g ( f ) c o s 2 礬f 一彳。g ( f ) s i n 2 礬f 、 式( 2 6 ) 中，爿。和爿。是承載信息的正交載波的信號(hào)幅度，g ( 力是信號(hào)脈沖。 用另一種方法可將q a m 信號(hào)波形表示為： o ) = r e 【8 佛g ( f ) e 月誓】( 2 7 ) = g ( f ) c o s ( 2 礬f + 色) 、7 式( 2 7 ) 中= 疋+ 以，吒= t a n _ 1 ( 厶如) 。該表達(dá)式表明，q a m 信號(hào)波 形可以看做組合幅度和相位調(diào)制。 圖2 7 是1 6 0 a m 的一個(gè)矩形信號(hào)點(diǎn)星座圖。 l r 圖2 71 6 q a m 矩形信號(hào)星座圖 1 6 q a m 映射的實(shí)現(xiàn)框圖如圖2 8 所示。 碼流 輸入 審叫差分卜 格 并 叫編碼卜 雷 轉(zhuǎn) 碼 映 換 射 圖2 81 6 q a m 映射框圖 q 2 3 5i f f t f f t 模塊 d f t 的出現(xiàn)大大地增加了數(shù)字信號(hào)處理的靈活性，有效的f f t 算法的出現(xiàn)使 得硬件實(shí)現(xiàn)高速實(shí)時(shí)的d f t 運(yùn)算成為可能。f f t 是數(shù)字信號(hào)處理中應(yīng)用最為廣泛 的工具之一。根據(jù)不同的實(shí)現(xiàn)方法，可有多種h 丌算法。 快速傅立葉( f f t ) 變換利用旋轉(zhuǎn)醫(yī)子矸z 具有周期性和對(duì)稱性的特點(diǎn)對(duì)運(yùn)算進(jìn) 行簡(jiǎn)化。旋轉(zhuǎn)因子阡? 的周期性表現(xiàn)為 形f ：i 焉1 ：$ m ：暇 西北工業(yè)大學(xué)碩十畢業(yè)論文第一二章o f d m 基帶系統(tǒng)整體設(shè)計(jì) 旋轉(zhuǎn)因子了的對(duì)稱性表現(xiàn)為 _ v i “= 一”或者【陟礦”】- = 嘴或者嶗+ i = 一贈(zèng) 通過(guò)簡(jiǎn)化，復(fù)數(shù)乘法運(yùn)算量從2 次減少到( ，2 ) l 0 9 2 次。在硬件實(shí)現(xiàn)中， 乘法所需運(yùn)算時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于加法，因此以乘法運(yùn)算量作為整個(gè)算法的運(yùn)算量。當(dāng) 趨向較大值時(shí)，h h 所占用的時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于d f t 。 h 叮的基本思想在于，將原有點(diǎn)序列分解成為兩個(gè)或更多的較短序列，這 些短序列的d f t 可重新組合成原序列的d f t ，而總的運(yùn)算次數(shù)卻比直接的d f t 少的多，從而達(dá)到提高運(yùn)算速度的目的。f f t 算法按照分解方式基本上可分成兩 大類：時(shí)域抽取法f f t ( d e c 曲a t i 一h l t i m ef i 呵，簡(jiǎn)稱d i t f f t ) 和頻域抽取法 f f t ( d e c i m a t i o n h f r e q u c yh 叮，簡(jiǎn)稱d 一f f d 。d 玎一h 丌算法運(yùn)算流圖 如圖2 9 所示。 硼) o 父 邢，彩 x ( 2 ) 二二 一( 3 ) ) = 靜 。_ 、 一( 5 ) 戶 x ( 5 ) _ 砩 一( 6 ) 顫3 ) _ 、 印) 盤篙 圖2 9 點(diǎn)d i t _ - f f t 運(yùn)算流圖( = 8 ) 皿f t 運(yùn)算的實(shí)現(xiàn)有多種方式，既可以經(jīng)預(yù)處理后直接調(diào)用己設(shè)計(jì)好的h 丌模 塊來(lái)實(shí)現(xiàn)，也可以直接采用基- 2 的d r r 巧f t 運(yùn)算流圖來(lái)實(shí)現(xiàn)。 如果要調(diào)用已設(shè)計(jì)好的f f t 模塊實(shí)現(xiàn)i f f t ，可根據(jù) x ( 力) ：喜瑩1 x ( 后) h ( 2 q ) x ( 力) 3 畝蓋x ( 后) “ ( 2 q ) 所以 x + ( 聹) ：丟鳘1 f ( _ j ) 時(shí) ( 2 q ) x + ( 聹) 2 畝舌f ( 忌) 時(shí) ( 2 q ) 1 4 刪 姍 刪 荊 砌 珊姍 刪永永春融委 西北一i ：業(yè)大學(xué)碩士畢業(yè)論文第二章o f d m 基帶系統(tǒng)整體設(shè)計(jì) 對(duì)式( 2 8 ) 和式( 2 9 ) 兩邊同時(shí)取共軛，得 砌) = 專【篆礬后) 時(shí)】- 專 d ，研州糾) + ( 2 1 0 ) x ( 行) 2 畝【蓋x + ( 后) 時(shí)】2 畝 d ，研x + ( 七) 】) ( 2 1 0 ) 這樣，可以先將( _ i ) 取共軛，然后直接調(diào)用已設(shè)計(jì)好的h 呵模塊進(jìn)行處理，最后 取共軛并乘以1 得到序列x ( 玎) 。 若直接采用基一2 的d i t _ 一f t 實(shí)現(xiàn)f t ： 將h 叮算法流圖稍加變換，就可以用于離散傅立葉逆變換( m e r s ed i s c r e t e f o 證c r t r a i l s f o 肋，簡(jiǎn)稱礬。) 。比較d f t 和d f t 的運(yùn)算公式： x ( j j ) ：d f r x ( 甩) 】：蘭1 x ( 刀) 形名一 ( 2 1 1 ) x ( 囂) ：上d ，研x ( j i ) 】：告笠1x ( 七) 陳b ( 2 _ 1 2 ) x ( 囂) = 上d ，研x ( 露) 】- 寺毛x ( 七) 陳h “一心 只要將d f r 運(yùn)算式中的系數(shù)嚼”改為嶗h ，最后乘以1 ，就是d f r 的運(yùn)算 公式。所以，只要將上述的d i t f f t 與d f f t 算法中的旋轉(zhuǎn)因子嘟改為緯麗p ， 最后的輸出再乘以l 就可以用來(lái)計(jì)算d f t 。這兩種方法各有優(yōu)勢(shì)，根據(jù)具體應(yīng) 用中的實(shí)際要求靈活選用。 2 3 6 加循環(huán)前綴 0 f d m 系統(tǒng)數(shù)據(jù)流被分配到n 個(gè)子載波，符號(hào)速率變成單載波系統(tǒng)的l n ，低 符號(hào)速率使得o f 【，m 能有效抵抗由于多徑傳播而引起的符號(hào)問(wèn)干擾( i s i ) 。i s i 對(duì) o f d m 符號(hào)的影響還可以通過(guò)在每個(gè)符號(hào)的開(kāi)始位置加上額外的保護(hù)間隔來(lái)進(jìn)一 步改善。如果所加的保護(hù)間隔是擴(kuò)展符號(hào)波形的循壞復(fù)制，則每個(gè)子載波在符號(hào) 的數(shù)據(jù)部分都有一個(gè)整數(shù)的循環(huán)，所以稱為循環(huán)前綴。插入循環(huán)前綴更重要的作 用是可以有效消除子載波間干擾( i c i ) 。i c i 的產(chǎn)生如圖2 8 所示。 圖2 8 多徑效應(yīng)引起子載波間干擾i c i 1 5 西北1 ：業(yè)大學(xué)碩士畢業(yè)論文第二章o f d m 基帶系統(tǒng)整體設(shè)計(jì) 由圖2 8 知，在不加循環(huán)前綴的情況下，在一個(gè)o f i ) m 符號(hào)周期里，第二子載 波相對(duì)第一子載波有時(shí)延。這樣使得在h 呵計(jì)算周期內(nèi)，第一子載波和第二子載波 之間相差的周期數(shù)不是整數(shù)。這種情況下，對(duì)其中任一個(gè)子載波進(jìn)行解調(diào)都會(huì)受 到另一個(gè)子載波的干擾。由于多徑傳播使子載波之間出現(xiàn)相對(duì)時(shí)延，從而破壞予 載波間的正交性，造成子載波間干擾( i c i ) 。循環(huán)前綴就是把每個(gè)o f d m 符號(hào)的 后乙時(shí)間中的樣點(diǎn)復(fù)制到o f d m 符號(hào)的前面以形成前綴，在交接點(diǎn)沒(méi)有間斷。 圖2 9 顯示了插入循環(huán)前綴的情況。 ，i 塑b 1 s 一s y m l “n 1s y h i b o l ns y m b o l n + 1 圖2 9 插入循環(huán)前綴的o f d m 信號(hào) 整個(gè)符號(hào)長(zhǎng)度為五= + ，此處乃為符號(hào)總長(zhǎng)度，乃為保護(hù)間隔，為 用于生成o f d m 信號(hào)的h 嚇的長(zhǎng)度。在接收端抽樣開(kāi)始的時(shí)刻最應(yīng)該大于信道的 最大多徑時(shí)延擴(kuò)展，并小于循環(huán)前綴的長(zhǎng)度。這樣可以保證在子載波間有相對(duì) 時(shí)移的情況下，每個(gè)f f t 計(jì)算周期內(nèi)子載波問(wèn)相差的周期數(shù)仍為整數(shù)。這樣子載波 間的正交性就不會(huì)由于多徑效應(yīng)而受到破壞。 2 3 7 基帶成形濾波器模塊 為了提高頻譜利用率，頻譜成形技術(shù)被廣泛采用。對(duì)發(fā)送信號(hào)的頻譜進(jìn)行加 工，在消除碼間干擾和實(shí)行最佳檢測(cè)的前提下，壓縮信號(hào)頻帶，提高頻譜的利用 率。為了有效利用頻譜，要求每個(gè)碼元波形的頻譜擴(kuò)展盡可能小。但信號(hào)的頻譜 分析表明，任何信號(hào)的頻譜與它的時(shí)間寬度不能同時(shí)被限制在任意小的有限值以 內(nèi)。這要求我們?cè)谠O(shè)計(jì)波形時(shí)要加以權(quán)衡，折衷考慮。 成形濾波可以在調(diào)制后對(duì)調(diào)制波以帶通濾波方式完成，也可以在調(diào)制前對(duì)基 帶以低通濾波方式完成。雖然也可以在中頻和射頻實(shí)現(xiàn)，但由于中頻和射頻信號(hào) 1 6 西北工業(yè)丈學(xué)碩士畢業(yè)論文第二章o f d m 基帶系統(tǒng)移體設(shè)計(jì) 頻率較高，難以采用數(shù)字處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)難度較大，因而很少采用。 與基帶模擬成形濾波器相比，基帶數(shù)字成形濾波器具有高精度、高可靠性、 高靈活性的優(yōu)點(diǎn)，便于大規(guī)模集成、易于實(shí)現(xiàn)線性相位等特點(diǎn)?，F(xiàn)代數(shù)字通信系 統(tǒng)中，成形濾波大多在數(shù)字域進(jìn)行。通過(guò)設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器來(lái)實(shí)現(xiàn)成形濾波。 數(shù)字濾波器是完成信號(hào)濾波處理功能的，用有限精度算法實(shí)現(xiàn)的離散時(shí)間線 性非時(shí)變系統(tǒng)，其輸入是一組數(shù)字量，其輸出是經(jīng)過(guò)變換的另一組數(shù)字量。數(shù)字 濾波器具有穩(wěn)定性高、精度高、靈活性大等突出優(yōu)點(diǎn)。隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，用 數(shù)字技術(shù)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)濾波器越來(lái)越受到人們的注意，得到廣泛的應(yīng)用。 本文研究了f 瓜和i 瓜濾波器的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了平方 根升余弦滾降濾波器。這部分是本文的重點(diǎn)。 2 40 f d m 系統(tǒng)的參數(shù)選擇原則 在o f d m 系統(tǒng)中，通常需要確定以下參數(shù)：保護(hù)間隔、符號(hào)周期、子載波的 數(shù)量等。這些參數(shù)的選擇取決于給定信道的帶寬、時(shí)延擴(kuò)展以及所要求的信息傳 輸速率。一般按照以下步驟來(lái)確定0 f 【 m 系統(tǒng)的各參數(shù)： ( 1 ) 確定保護(hù)間隔：根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，一般選擇保護(hù)間隔的時(shí)間長(zhǎng)度為均方根時(shí)延 擴(kuò)展值的2 到4 倍。 ( 2 ) 選擇符號(hào)周期：考慮到保護(hù)間隔所帶來(lái)的信息傳輸效率的損失和系統(tǒng)的 實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度以及系統(tǒng)的峰值平均功率比等因素，在實(shí)際系統(tǒng)中，一般選擇符號(hào)周 期長(zhǎng)度至少是保護(hù)間隔長(zhǎng)度的5 倍。 ( 3 ) 確定子載波的數(shù)量：子載波的數(shù)量可以直接利用一3 d b 帶寬除以子載波間 隔( 即去掉保護(hù)間隔之后的符號(hào)周期的倒數(shù)) 得到。或者，可以利用所要求的比 特速率除以每個(gè)子信道中的比特速率來(lái)確定子載波的數(shù)量。每個(gè)子信道中傳輸?shù)?比特速率由調(diào)制類型、編碼速率以及符號(hào)速率來(lái)確定。 選擇了以上參數(shù)之后，還要保證在f f t f t 運(yùn)算時(shí)間內(nèi)和符號(hào)間隔內(nèi)的采樣 數(shù)量必須為整數(shù)，如不能滿足要求，可適當(dāng)改變以上參數(shù)，以滿足采樣數(shù)量的要 求。 1 7 西北工業(yè)大學(xué)碩士畢業(yè)論文 第三章基于v e n l o g h d l 進(jìn)行f p g a 設(shè)計(jì) 第三章基于v e r iio gh d l 進(jìn)行f p g a 設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)電路的經(jīng)典方法是依賴于電路原理圖的人工設(shè)計(jì)方法，而現(xiàn)在的大規(guī)模 復(fù)雜電路則廣泛采用基于計(jì)算機(jī)語(yǔ)言的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法。這種變革實(shí)際上有幾方面 的原因，其中最重要的一個(gè)原因就是沒(méi)有一個(gè)設(shè)計(jì)工程師隊(duì)伍能夠用人工方法有 效、全面、正確地設(shè)計(jì)和管理包含幾百萬(wàn)個(gè)門的現(xiàn)代集成電路( i c ) 。而利用硬件 描述語(yǔ)言( ) l ) ，工程師們能夠很容易地實(shí)現(xiàn)對(duì)大型復(fù)雜電路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和管理。 在設(shè)計(jì)過(guò)程中，為了能抓住市場(chǎng)機(jī)遇，設(shè)計(jì)工程師還必須快速完成能應(yīng)對(duì)市場(chǎng)需 求的正確設(shè)計(jì)，因而即使是小型的電路設(shè)計(jì)，也提倡采用基于語(yǔ)言描述的設(shè)計(jì)方 法。 3 1f p g a 設(shè)計(jì) 3 1 1 數(shù)字設(shè)計(jì)方法簡(jiǎn)介 隨著微電子設(shè)計(jì)技術(shù)與工藝的發(fā)展，數(shù)字集成電路從電子管、晶體管、中小 規(guī)模集成電路、超大規(guī)模集成電路( v l s i c ) 逐步發(fā)展到今天的專用集成電路 ( a s i c ) 。a s i c 的出現(xiàn)降低了產(chǎn)品的生產(chǎn)成本，提高了系統(tǒng)的可靠性，縮小了設(shè) 計(jì)的物理尺寸，推動(dòng)了社會(huì)的數(shù)字化進(jìn)程。但是a s i c 因其設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)，改版投資 大，靈活性差等缺陷制約著它的應(yīng)用范圍。硬件工程師希望有一種更靈活的設(shè)計(jì) 方法，根據(jù)需要，在實(shí)驗(yàn)室就能設(shè)計(jì)、更改大規(guī)模數(shù)字邏輯，研制自己的a s i c 并 馬上投入使用，這是提出可編程邏輯器件的基本思想。 隨著微電子制造工藝的發(fā)展，可編程邏輯器件取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。從早期的 只能存儲(chǔ)少量數(shù)據(jù)，完成簡(jiǎn)單邏輯功能的可編程只讀存儲(chǔ)器( p r o m ) 、紫外線可 擦除只讀存儲(chǔ)器( e p r o m ) 和電可擦除只讀存儲(chǔ)器( e e p r o m ) ，發(fā)展到能完成 中大規(guī)模的數(shù)字邏輯功能的可編程陣列邏輯( p a l ) 和通用陣列邏輯( g a l ) ，今 天已經(jīng)發(fā)展成為可以完成超大規(guī)模的復(fù)雜組合邏輯與時(shí)序邏輯的復(fù)雜可編程邏輯 器件( c p l d ) 和現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列( f p g a ) 。隨著工藝技術(shù)的發(fā)展與市場(chǎng)需要， 超大規(guī)模、高速、低功耗的新型f p g c p l d 不斷推陳出新。新一代的f p g a 甚 西北工業(yè)丈學(xué)碩士畢業(yè)論文 第二章基于v e r i l o g h d l 進(jìn)行f p g a 設(shè)計(jì) 至集成了中央處理器( c p u ) 或數(shù)字處理器( d s p ) 內(nèi)核，在一片f p g a 上進(jìn)行軟 硬件協(xié)同設(shè)計(jì)，為實(shí)現(xiàn)片上可編程系統(tǒng)( s o p c ，s y s t e m0 l i lp r o f a 呦a b l ec h i p ) 提 供了強(qiáng)大的硬件支持。 f p g a 是在c p l d 的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的新型高性能可編程邏輯器件，它一般采 用s r a m 工藝，也有一些專用器件采用f l 礎(chǔ)工藝或反熔絲( a n t i - f l l s e ) 工藝等。 f p g a 的集成度很高，其器件密度從數(shù)萬(wàn)系統(tǒng)門到數(shù)千萬(wàn)系統(tǒng)門不等，可以完成極 其復(fù)雜的時(shí)序與組合邏輯電路功能，適用于高速、高密度的高端數(shù)字邏輯電路設(shè) 計(jì)領(lǐng)域。f p g a 的基本組成部分有可編程i ，o 單元、基本可編程邏輯單元、嵌入式 塊r a m 、豐富的布線資源、底層嵌入功能模塊和內(nèi)嵌專用硬核等。 使用f p g a 進(jìn)行數(shù)字設(shè)計(jì)，開(kāi)發(fā)過(guò)程中投資較少，研制和開(kāi)發(fā)的時(shí)間較短， f p g a 的開(kāi)發(fā)工具功能強(qiáng)大且易學(xué)易用，使設(shè)計(jì)人員可以集中精力進(jìn)行電路功能設(shè) 計(jì)。因此f p g a 被越來(lái)越多地用于通信、計(jì)算機(jī)及其他相關(guān)領(lǐng)域的設(shè)計(jì)中。 3 1 2f p g a 設(shè)計(jì)流程介紹 設(shè)計(jì)過(guò)程是首先是對(duì)設(shè)計(jì)項(xiàng)目進(jìn)行整體分析設(shè)計(jì)，然后用硬件描述語(yǔ)言對(duì)各 個(gè)功能模塊進(jìn)行描述，再將用硬件描述語(yǔ)言寫(xiě)的模型進(jìn)行編譯、綜合、功能仿真、 布局布線、時(shí)序仿真等步驟，對(duì)模型的結(jié)構(gòu)、功能、時(shí)序等進(jìn)行驗(yàn)證，保證其滿足 設(shè)計(jì)