1、湖南文理學院課程設計報告課程名稱：通信系統課程設計院部：電氣與信息工程學院專業班級：通信工程07101班學生姓名：劉凝指導教師：侯青蓮完成時刻：2020年12月30日報告成績：評閱意見:日期評閱教師摘要OFDM(OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing)即正交頻分復用，是一種特殊的多載波調制技術。OFDM稱為正交頻分復用(OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing)，是一種新型的高效的多載波調制技術，它能夠有效地對抗多徑傳播，使受到干擾的信號能夠靠得住地接收。通過幾十年的開發以后，OFDM/COFDM但被普遍地應用于高速

2、數字通信中，而且已擴展到其他領域。同時現代數字信號處置技術和超大規模專用集成電路(VLSI)的進展也使得快速傅立葉變換的實現變的加倍容易，使該技術的實現費用更趨實際，為以后OFDMg遍應用于通信領域開辟了道路。、本設計要緊討論了OFDM!FPG麒現，在高速無線通信系統中實現調制/解調的重要方案；重點表達了OFD解調實現方式，及在FPG沖的設計實現。關鍵詞：OFDMFPGA調制/解調AbstractOFDM(OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing)isaspecialmulti-carriermodulationtechnique.OFDMisshorto

3、fOrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing.Itisanewtypeofhighlyefficientmulti-carriermodulationtechnique,itcaneffectivelyfightagainstmulti-pathspreadandmakethesignalinterferencereliablyreceive.Afterseveraldecadesofdevelopment,OFDM/COFDMhasbeenwidelyusedinhigh-speeddigitalcommunications,andhasspreadtoo

4、therfields.Atthesametime,moderndigitalsignalprocessingtechnologyandultra-large-scaleapplicationspecificintegratedcircuits(VLSI)alsomakethedevelopmentoffastFouriertransformmoreeasilyandthecostofthetechnologymorepractically,andopenthemarketforOFDMwidelyusedinthefieldofcommunicationinthefuture.Thisdesi

5、gnmainlydiscussestheFPGArealizationforOFDM.Animportantproposaltorealizedemoinhighspeedwirelesscommunication.EmphasisisplacedontherealizationofOFDMdemoandthedesignofFPGAKeywords:OFDMFPGADEMO1 .設計目的52 .設計要求53 .設計內容5系統的大體原理52.OFDM的要緊技術6信道分派62.2分組信道72.3自適應跳頻72.4多天線72.5調制方式8正交調制解調系統原理方框圖9的FPG順實現111.OFDMM

6、制解調器電路13波形仿真13四.設計心得體會14五參考文獻15OFD耐制解調的FPGA實現1 .鞏固加深對通信大體知識分析和OFDMK理的把握，提高綜合運用通信知識的能力;2 .培育查閱參考文獻，獨立試探，設計，鉆研電子技術相關問題的能力；3 .把握仿真軟件對系統進行仿真分析；4 .把握相關電子線路工程技術標準和常規電子元器件的性能技術指標；5 .了解電氣圖國家標準和電氣制圖國家標準，并利用電子CA/正確繪制電路圖；6 .培育嚴肅認真的工作作風與科學態度，成立嚴謹的工程技術觀念；7 .培育工程實踐能力，創新能力和綜合設計能力。1、畫出OFD段現的原理框圖，說明系統中各要緊組成部份的功能2、依照

7、選用的軟件編好用于系統仿真的測試文件。3、給出仿真結果及進行分析。4、寫出詳細的設計報告（很多于5000字）1.OFDM系統的大體原理多載波傳輸是把數據流分解為假設干個獨立的子比特流，如此每一個子數據流具有低得多的比特速度，用此比特率形成低速度多狀態符號再去調制相應的子載波。從而組成多個低速度符號并行發送的傳輸系統。OFDM是一種特殊的多載波傳送方案，利用逆快速傅立葉變換（IFFT）和快速傅立葉變換（FFT）別離實現調制解調，是實現復雜度最低、應用最廣的一種多載波傳輸方案。它將單個用戶的信息流被用/并變換為多個低速度碼流，每一個碼流都用一條載波發送。OFDM棄用傳統的用帶通濾波器來分隔子載波頻

8、譜的方式，改用跳頻方式選用那些即便頻譜混疊也能夠維持正交的波形，因此咱們說，OFDM既能夠看成調制技術，也能夠看成復用技術。OFDM增強了抗頻率選擇性衰落和抗窄帶干擾的能力。單載波系統中，單個衰落或干擾可能致使整條鏈路不可用，但在多載波系統中，只會有一小部份載波受阻礙。糾錯碼的應用能夠幫忙其恢復一些易錯載波上的信息。在傳統的并行通信系統中，整個系統頻帶被劃分為N個互不混疊的子信道，每一個子信道被一個獨立的信源符號調制，即N個子信道被頻分復用。這種做法，盡管能夠幸免不同信道相互干擾但卻以捐軀頻帶利用率為代價，這在頻帶資源如此緊張的今天尤其不能忍受。上個世紀中期，人們又提出了頻帶混疊的子信道方案，

9、信息速度為a,而且每一個信道之間距離也為azH，如此能夠幸免利用高速均衡和抗突發噪聲過失，同時能夠充分利用信道帶寬，節省了50%。為了減少各個子信道間的干擾，咱們希望各個載波間正交。這種“正交”表示的是載波的頻率間精準的數學關系。傳統的頻分復用的載波頻率之間有必然的愛惜距離，通過濾波器接收所需信息。在如此的接收機下，愛惜頻帶分隔不同載波頻率，如此就使頻譜的利用率低。OFDM不存在那個缺點，它許諾各載波間頻率相互混疊，采納了基于載波頻率正交的FFT調制，由于各個載波的中心頻點處沒有其他載波的頻譜分量，因此能夠實現各個載波的正交。盡管仍是頻分復用，但已與過去的FDMA有了專門大的不同:再也不是通過

10、很多帶通濾波器來實現，而是直接在基帶處置，這也是OFDM有別于其他系統的優勢之一。OFDM的接收機事實上是一組解調器，它將不同載波搬移至零頻，然后在一個碼元周期內積分，其他載波由于與所積分的信號正交，因此可不能對那個積分結果產生阻礙。OFDM的高數據速度與子載波的數量有關，增加子載波數量就能夠提高數據的傳送速度。OFDM每一個頻帶的調制方式能夠不同，這增加了系統的靈活性，大多數通信系統都能提供兩種以上的業務來支持多個用戶，OFDM適用于多用戶的高靈活度、高利用率的通信系統。2.OFDM的要緊技術OFDMJ要緊技術有信道分派、分組信道、自適應跳頻、多天線、調制方式等1.1 信道分派OFDM能夠有

11、很多種方式為用戶分派信道最要緊的是分組信道分派、自適信道分派這兩種分派方式。1.2 分組信道顯然，最簡單的方式是將信道分組分派給每一個用戶，如此能夠使由于失真、各信道能量的不均衡和頻偏所造成的用戶間的干擾減到最小。可是載波分組會使信號容易衰落，于是咱們用載波跳頻來解決那個問題。分組隨機跳頻空閑時刻較短，約n個字符時刻。利歷時刻交織和前向糾錯能夠恢復丟失的數據，可是會降低系統容量而且會增加信號時延。2. 3自適應跳頻這是一種新的基于信道性能的跳頻技術，信道用來傳遞對它來講具有最正確信噪比的信號。因為每一個用戶的位置不同，因此信號的衰落模式也不相同，因此每一個用戶收到的最強信號都不同于其他用戶，從

12、而彼此之間可不能發生沖突。研究說明，在頻率選擇性信道采納自適應跳頻能夠大幅提高信號接收功率，能夠達到520dB,這是一個超級好的結果。事實上，自適應跳頻排除頻率選擇性衰落。多徑信道中，速度為1Gbit/s的信號的頻響特性每15cm就會發生專門大的轉變，因此信號的頻率刷新速度要比15cm的移動速度快很多，一樣情形下終端每移動5cm刷新一次就足夠了。比如終端以每小時60km的速度移動，刷新速度確實是大約330次/秒。跳頻的開銷比特數量與用戶速度、用戶數量和系統是全雙工仍是半雙工有關。全雙工系統的接收機和發射機的工作頻率的距離至少應大于40MHz，信道數量是用戶數的兩倍，發射的參考碼字的數量比用戶數

13、多1個，也確實是說除每一個用戶需要發送一個參考碼字外，基站的前向信道也必需發送一個。采納并行通信能夠減少參考碼字，20個用戶能夠共用一個參考碼字。關于一個10Mbit/s帶寬全雙工系統，有10個速度為50kbit/s的用戶，調制方式是QPSK,其開銷比特將占整個數據的30%50%,而時分半雙工系統能夠減少開銷比特，只有10%15%。當信道轉變太快，跳頻速度跟不上時，用隨機跳頻代替自適應跳頻。由于這種轉換超級快，因此衰落時刻很短暫，采歷時刻交織和前向糾錯能夠補償這種衰落。時刻交織要求盡可能短，不然就會增加時延。3. 4多天線ODFM由于碼率低和加入了時刻愛惜距離，因此具有極強的抗多徑干擾能力。由

14、于多徑時延小于愛惜距離，因此系統不受碼間干擾的困擾，這就許諾單頻網絡(SFN)能夠用于寬帶OFDM系統，依托多天線來實現，即采納由大量低功率發射機組成的發射機陣列排除陰影效應，來實現完全覆蓋。多天線系統超級適用于無線局域網。一樣的局域網由于陰影效應，信號無法完全覆蓋，需要利用中繼器。關于傳統系統來講，中繼器可能會帶來多徑干擾，但OFDM不存在那個問題，它的中繼器能夠加在任何需要的地址，不僅能夠完全覆蓋網絡，而且能夠排除多徑干擾。4. 5調制方式OFDM系統的各個載波能夠依照信道的條件來利用不同的調制，比如BPSK、QPSK、8PSK、16QAM、64QAM等等，以頻譜利用率和誤碼率之間的最正確

15、平穩為原那么。選擇知足必然誤碼率的最正確調制方式能夠取得最大頻譜效率。多徑信道的頻率選擇性衰落會致使接收信號功率大幅下降，達到30dB之多，信噪比也大幅下降。利用與信噪比相匹配的調制方式能夠提高頻譜利用率。依照信息論的觀點，靠得住性和有效性是通信系統運行是不是良好的重要考核指標。例如系統通常選擇BPSK或QPSK調制，如此靠得住性取得了保障，但這兩種調制的頻譜效率太低。若是利用自適應調制，那么在信道好的時候終端就能夠夠利用較高的調制，一樣在終端靠近基站時，調制能夠由BPSK轉化成16QAM、64QAM，整個系統的頻譜利用率取得大幅度的改善，自適應調制能夠使系統容量翻番。但任何事物都有其兩面性，

16、自適應調制也不例外。它要求信號必需包括必然的開銷比特，以告知接收端發射信號所采納的調制方式，而且，終端需要按期更新調制信息，這又必將會增加更多的開銷比特。OFDM技術將那個矛盾迎刃而解，通過采納功率操縱和自適應調制和諧工作的技術。信道好的時候，發射功率不變，能夠增強調制方式（如64QAM），或在低調制（如QPSK）時降低發射功率。功率操縱與自適應調制要取得平穩，也確實是說關于一個遠端發射臺，它有良好的信道，假設發送功率維持不變，可利用較高的調制方案如64QAM;假設功率能夠減小，調制方案也相應降低，可利用QPSK。失真、頻偏也是在選擇調制時必需考慮的因素。傳輸的非線性會造成互調失真IMD），現

17、在信號具有較高的噪聲電平，信噪比一樣可不能太高;失步和多普勒平移所造成的頻率偏移使信道間失去正交特性，僅僅1%的頻偏就會造成信噪比下降3OdB。信噪比限制了最大頻譜利用率只能接近57bit/s/Hz。自適應調制要求對信道的性能有充分的了解，若是在差的信道上利用較強的調制方式，那么就會產生很高的誤碼率，阻礙系統的靠得住性。多用戶OFDM系統的導頻信道或參考碼字能夠用來測試信道的好壞。發送一個己知數據的碼字，在知足通信極限的情形下測量出每條信道的信噪比，依照那個信噪比來確信最適合的調制方式。3.OFDM正交調制解調系統原理方框圖s(t)基于OFDM系統的調制和解調原理方框圖第一碼元速度為T,比特速

18、度是Ts,因為串并變換的關系，因此T=NTs。在上圖中，正交關系就表此刻調制信號pi(t)和解調信號qi(t)的關系上。必需如下式如此正確的選擇pi(t)和qi(t),才能知足正交調制的條件。Ts0 Pm(t)qn(t)dt C mn0, mC, m(2.1)咱們在OFDM系統，為了做到子載波之間的正交性，往往選擇R和q)為正余弦信號：Pm(t)ej2fmt和qn(t)ej2fnt。如此pi(t)和qi明顯能夠知足公式(2.1)：j2 fmttej2 fntdt0,mT ,m(2.2)但fn必需知足關系：fn f0n/Tf0 n/NTs,0sm, n N 1那么發送信號s(t)能夠表示為:s(

19、t)d(n)ej20fnt,其中d(n)dn(t)*g(t)。接收端解調后各子載波信號為:1NTsN 1j2 ftd(m) 0d(n)ej2 fntNTs n 0e j2 fmtdt1 I, J NL (n)nNTs j2e0n mt NTss dtd(m) (2.3)d(m),而關于從式子2.3能夠看到，第m個子載波解調后能夠正確的會付出期望的符號其它子載波來講，由于在積分距離內，頻率誤差是1/'NTs的整數倍，因此積分結果為00利用快速傅立葉變換調制解調N1s(t)d(n)ej2fnt(2.4)n0咱們能夠把那個式子變換個形式：N1j2(f0)tN1j2tNTsNTsj2f0ts(

20、t)d(n)ed(n)ee(2.5)n0n0咱們把S(t)稱為等效基帶信號。對那個基帶信號進行采樣，取得基帶信號Si(k)：mdnN1j2ts(k)d(n)eNTstkTSn0n1j2nkd(n)eN,0n,kN1(2.6)n0關于子sl(k)是d(n)的離散傅立葉逆變換IDFTo假設不考慮噪聲和干擾的阻礙，且假設知足正交條件，那么在接收端采納類似的方式就能夠夠取得接收信號。N1j2空d(n)s(k)eN,0n,kN1,顯然，d(n)是序列sl(k)的離散傅立葉變換。k0在OFDM系統的實際應用中，能夠采納加倍方便加倍速速的快速傅立葉變換(FFT/IFFT)4。N點DFT和IDFT運算需要實施

21、N*N次的復數乘法；而FFT和IFFT能夠顯著的降低運算復雜度。關于經常使用的基2-FFT和IFFT運算來講，復數乘法的次數僅僅為Nlog2N，舉個簡單的例子，假設N=16,DFT和FFT所需要的復數乘法數量別離是2256次和32次。而且隨著N的增大，這種差距會愈來愈大，FFT的優勢會加倍明顯。關于子載波數量超級大的OFDM系統來講，能夠進一步采納基4的FFT算法。在基4的FFT運算中，只存在于1,-1,j,-j的相乘運算，因此不需要采納完整的乘法器來實施這種乘法，只需要通過簡單地加、減和互換實部和虛部的運算(當與-j,j相乘時)來實現這種乘法。在基4-FFT算法中，FFT變換能夠被分為多個4

22、點的FFT變換，如此就只需要在兩個級別之間執行完整的乘法操作。因此，N點的基4FFT運算中只需要執行(3/8)N(Log2N-2)次復數乘法或相位選轉，和Nlog2N次復數加法。例如在64點的FFT中，需要計算96次復數乘法和384次復數加法，換句話說，計算每一個樣值所需要的乘法和加法次數別離為1.5和6次。4.OFDM的FPGA勺實現利用Verilog實現系統的調制解調模塊,假設數據位寬度為16比特。IEEE802.16a協議中規定載波數量為256個,在實現時調用256點FFT模塊的IPCore來實現，將工作頻率設置為數據速度的2倍，使FFT/IFFT來復用一個模塊，以節省資源。從時延的角度

23、動身,且考慮到256為4的冪次方,配置基4的模式。moduleofdm_modem(clk,reset,x_send,x_rec,y_out,mdm,y_index);inputclk;inputreset;/聲明了32比特，高16比特是虛部，低16比特是實部input31:0x_send;input31:0x_rec;output31:0y_out;output7:0y_index;/輸出數據的下標outputmdm;/標志輸出是調制信號仍是解調信號,/1表示調制信號，0表示解調信號wireinv_we=1;wire31:0xn;wire49:0xk;reg7:0cnt;regflag;wi

24、refwd_inv;/產生調制、解調操作的操縱信號always(posedgeclk)beginif(!reset)begincnt<=0;flag<=0;endcnt<=cnt+1;if(cnt=0)flag<=!flag;elseflag<=flag;endassignfwd_inv=reset?flag:0;/在標志為1時做FFT,完成OFDM信號的調制assignxn15:0=flag?x_send15:0:x_rec15:0;assignxn31:16=flag?x_send31:16:x_rec31:16;/由于計算FFT需要加載數據和完成蝶形運算兩個

25、N點的周期，/因此輸出類型和輸入類型是相反的assignmdm=!flag;assigny_out15:0=xk24:9;assigny_out31:16=xk49:34;/挪用IPcoreofdm_fftofdm_fft(.fwd_inv_we(inv_we),.start(reset),.fwd_inv(fwd_inv),.clk(clk),.xn_re(xn15:0),.xn_im(xn31:16),.xk_re(xk24:0),.xk_im(xk49:25),.xk_index(y_index);endmoduleFFT上述程序通過SynpligyPro綜合后取得RTL結構圖。調制和解

26、調共用一個模塊，以速度換取面積asj_fft_sglstream_fft_90:asj_fft_sglstream_fft_90_instOFDMB制/解調器RTM構圖2.OFDMK形仿真上面已經大體完成OFD源統的FPG故現，下面對照仿真截圖進行仿真分析。1.OFD憫制解調器電路cLkFit11岫_科，SinZ_ir <j_gI E5_E_崢 5 12_± QP 口pqtSD 口七皿jFT靛*£國iutpiLt_rFT_Iriii回flijtpMLt_DjeCcinsowctwiiaUSlfHf 巾 p回HITTti out pm匚1力. S 制v*_Kn；Ti4i

27、 國| utpm_rF7T_R*中s產町b._EFFTf*圖一系統總仿真圖為了便于觀看，來發送一組數據7、3、4、五、6TJOLTjjuirjiiALnLJirjnnj川川jrwnjnuvjTjjuviiwLunr.mr.TLivjrjLrmiiniuiijninirruuwnU ：JL!：_二！：_:J 口- L-，一 J 二？XLB> XT tin>-學0 1T|*1_7oot. r.：n_ h, , _, ：!廠 一 一 nr_tl%*圖二發送信號仿真圖通過仿真截圖能夠觀看到發送信號通過OFDM（統后，又還原為原先信號，說明那個系統是正確的。圖三接收信號的仿真圖四.設計心得體會在這次課程設計中，在收成知識的同時，還收成了閱歷，收成了成熟，在此進程中，咱們通過查找大量資