OFDM基帶設計

摘 要：通過了解OFDM（正交頻分復用）的基本原理、分析OFDM基帶通信系統的原理以及基本結構，對該系統進行完整化以及改進，對各個功能子模塊進行劃分，并掌握各模塊的原理以及實現方法，最后進行整合、仿真。使用Verilog HDL語言編寫底層代碼，在QuartusII9.0開發平臺上操作進行編譯、仿真和時序分析，基于FPGA實現OFDM基帶系統的設計。

關鍵詞：OFDM；數字通信技術；IFFT/FFT

中圖分類號：TN919.3 文獻標識碼：A 文章編號：1674-7712 （2014） 16-0000-01

如今，信息時代下的數字通信技術正在高速發展，特別是在數字移動通信、軍事通信、衛星通信以及光纖通信技術方面有著顯著進步，而如何更高效地利用有限的頻譜資源，即提高頻譜效率成為各類數字通信的重點，改進和更新調制方式成為需要。

正交頻分復用調制是現代數字技術中為了提高頻譜利用率的有效技術之一，而且如今它被廣泛的應用于眾多的高速數據傳輸領域，比如IEEE802.11a、xDSL（高比特率數字用戶）、DAB（歐洲的數字音頻）等。

一、OFDM基本原理

正交頻分復用技術OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）實際上是多載波調制的一種特殊方式。它是將高速的數據流串并轉化成N路低速的數據流，然后用各載波調制，并行傳輸。因為子數據流的傳輸速率變為原來速率的1/N，也就是說它的符號周期現在擴大為了原來的N倍，可遠大于通信信道的最大延時擴展，因此，該技術具有較強的抗多徑衰弱能力以及抗脈沖干擾能力，更適合高速數據的傳輸。

正交頻分復用的各個子載波在時域上是相互正交的，頻域上是相互交疊的，所以它的頻率效率更高。

一個OFDM符號包括N個經過調制的子載波。T為OFDM符號的持續時間，即碼元周期，di（i=0，1，…，N-1）表示分配給每個子載波的數據符號，fc表示第0個子載波的載波頻率，矩形函數rect（t）=1，|t|≤T/2，則從t=ts開始的一個OFDM符號可以表示為：

（1）

OFDM系統的數學模型框圖如圖1所示。fi=fc+i/T。

圖1 OFDM系統數學模型框圖

二、OFDM基帶設計

（一）OFDM基帶系統原理

由式1，以及圖1，可看出，OFDM調制可通過快速傅里葉逆變換來實現，而核心也是這個部分。下面我們具體介紹OFDM基帶系統的收發機的原理，以及各模塊功能。

首先，我們有具高速的數據流，而圖1，數據是并行處理的，所以，需要首先進行串并變換使之成為串行數據流，然后進行調制，再進行傅里葉逆變換處理，最后進行頻域均衡。為了使該通信系統信息的傳輸更具可靠性和有效性，增加了擾碼器，編碼器交織器，導頻插入以及加循環前綴模塊。

OFDM基帶系統收發機原理框圖如圖2。

圖2 OFDM基帶系統收發機原理框圖

（二）各具體模塊分析

（1）時鐘發生器。這里需要產生幾個不同頻率的時鐘信號。可用一個由系統庫中調用的鎖相環產生，設置其參數即可。

（2）串并變換/并串變換。并串變換原理：先將并行數據暫存于移位寄存器，然后左端一位輸出到一位輸出端口，然后寄存器依次左移一位，輸出。最后輸出串行數據。串并變換原理：也是在寄存器中，新輸入的位值成為原來數據的最低位，原來數據的最高位舍去，通過“連接符”實現。

（3）擾碼模塊。加擾，就是在不增加冗余且不攪亂信號的同時，改變數字信號的統計特性，使其具有近似高斯白噪聲統計特性的一種技術，是建立在反饋移位寄存器理論上的。可避免出現長串的1或0，有助于接收機的定時恢復。

（4）卷積編碼。是信道編碼的一種，增加信號傳輸的可靠性。

（5）交織編碼。交織是為了在時域或頻域上分布傳輸信息比特，使信道的突發錯誤在時間上得到擴散，從而，使譯碼器可把它們看成隨機錯誤處理。可避免傳輸過程中的突發錯誤影響接收機解碼器的工作。

（6）16QAM編碼。16QAM與其他調制技術相比，能得到更高的頻譜效率，且具有抗噪聲能力強等優點。

（7）導頻插入。這里導頻信息在頻域上占用少數幾個特定的預留子載波，同符號信息一起幀傳輸。作為接收機的已知信息，實現頻率同步。

（8）IFFT/FFT變換。這里是采用碟形運算法。

（9）添加循環前綴和加窗處理。用來消除由于多徑造成的子信道間干擾和使OFDM符號在帶寬之外的功率譜密度下降得更快。

參考文獻：

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