OFDM信道調製解調的仿真及其FPGA設計

2020-11-15 電子產品世界

　　OFDM(正交頻分復用)是一種高效的多載波調製技術，其最大的特點是傳輸速率高，具有很強的抗碼間幹擾和信道選擇性衰落能力。OFDM最初用於高速MODEM、數字移動通信和無線調頻信道上的寬帶數據傳輸，隨著IEEE802.11a協議、BRAN(Broadband Radio Access Network)和多媒體的發展，數字音頻廣播(DAB)、地面數字視頻廣播((DVB-T)和高清晰度電視((HDTV)都應用了OFDM技術。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/269688.htm

　　OFDM利用離散傅立葉反變換/離散傅立葉變換(IDFT/DFT)代替多載波調製和解調，調製解調的核心是快速傅立葉運算單元，在進行蝴蝶運算時，不可避免的要進行大量的乘法運算。由於FPGA具有強大的並行處理和計算能力，以及豐富的存儲資源和邏輯運算資源，因此在FPGA器件上實現OFDM調製解調結構，具有很好的通用性和靈活性。

　　OFDM與系統框圖

　　OFDM的多個載波相互正交，一個信號內包含整數個載波周期，每個載波的頻點和相鄰載波零點重疊，這種載波間的部分重疊提高了頻帶利用率。OFDM每個子信道的頻譜均為sinx/x形，各子信道頻譜相互交疊，但在每個子信道載頻的位置來自其他子信道的幹擾為零，如圖1所示。

　　

 

　　OFDM系統如圖2所示，OFDM系統的調製和解調分別由IFFT和FFT完成。首先將串行輸入數據d0，d1...，d(N-1)變換成並行數據，接下來進行編碼和星座圖映射，得到頻域數據。經過IFFT後相當於調製到正交的N個f0，f1，...，fN-1子載波，完成正交頻分復用。接下來加入循環前綴，進行並/串轉換，數/模轉換，再調製到高頻載波上發送。如果是基帶傳輸，則不需要進行載波調製。

　　在接收端進行相反的操作，使用N個相同的子載波進行N路解調，再將這N路解調信號並串輸出，復現發送的原始信號。經過FFT變換後的數據相當於將時域數據再轉換成頻域數據，即完成了OFDM信號的解調。

　　OFDM調製原理雖然是用N個正交的載波分別調製N路子信道碼元序列，但實際中很難獨立產生N個正交的載波。所以OFDM多採用VLSI技術，用FFT代替多載波調製和解調。當子信道數目比較多的時候，採用FFT可以大大減少系統的複雜度。而FPGA的並行乘法器和加法器結構容易硬體實現OFDM的核心運算，有效地提高了OFDM調製解調速度。

　　軟體仿真與設計

　　隨著FPGA和VLSI的發展，大量的EAB(嵌入式陣列塊)、LE(邏輯單元)、內嵌乘法器和高速FIFO存儲器帶來了OFDM/COFDM的實用化，為OFDM提供了硬體支持。軟體上可以採用MATLAB、硬體描述語言VHDL、QuartusⅡ等軟體進行仿真與設計。

　　仿真過程中採用了隨機信號作為輸入信號，經過4QAM編碼映射後進行再IFFT調製，然後進入信道進行數據傳輸，每幀信號為512點;同時採用簡單的11點數字離散信道，其值為：[0.05 -0.063 0.088 -0.126 -0.25 0.9047 0.25 0 0.126 0.038 0.088]。

　　在一般OFDM系統中為使IFFT和FFT前後的信號功率保持不變，當N=2m(m為正整數)時，作如下定義：

　　

 

　　採用16位定點算法，這便意味著要考慮溢出問題。對於基-2 FFT，為了防止溢出，可以採用以下辦法：將每一個蝶算後的數據右移1bit，即相當於將該數做除2處理。這樣，加入總衰減比例因子，將比例因子分散到各步計算中。這種情況下，輸出不是原來定義的離散傅立葉變換，而是它的。而對於基-2 IFFT，這個比例因子正是公式中需要的，所以FPGA實現的IFFT便是最終結果。

　　圖3和圖4分別是信道h(n)的FFT值(倒數)和第二幀輸入數據(迭代次數10)。

　　

 

　　調製過程中Matlab的IFFT結果同FPGA結果比較如表1所示。

　　

 

　　表1 IFFT結果比較

　　經過FPGA的IFFT在非主頻率點上有一些小的誤差。這是因為在計算IFFT的時候，同樣因為捨入問題，在本該為零的點產生一些極小的數值，從而在信號顯示時出現這些毛刺。

　　對於表1，FFT峰值結果的誤差，是因為FPGA採用的是16bit定點算法，在程序中有很多舍位處理帶來的誤差。至於Sine信號峰值的不同，那是因為將FPGA實現的IFFT結果再進行Matlab的fft()計算，而IFFT的那些毛刺，必然在時域上產生影響。

　　在FPGA實現時，一般是在完成IFFT以後將結果暫時存放在RAM中，然後在從RAM裡讀出數據時，採取部分重複讀取的方式，將一部分數據重複複製，從而形成循環前綴。這樣可以對連續的數據流進行變換處理，滿足系統的實時性要求。

　　

 

　　解調過程中Matlab的FFT結果同FPGA結果比較如表2所示。

　　表2 FFT結果比較

　　從表2可以看出，FPGA的結果同Matlab的結果基本相同，只是FFT峰值有些不同。這也因為FPGA採用的是16bit定點算法，在程序中有很多舍位處理。但 FPGA的結果是將原小數信號變成整數後再進行處理的，當最後再轉換成小數後，結果將是一致的。

　　

 

　　結語

　　OFDM信道調製解調的關鍵是一對離散傅立葉變換。程序可以由Verilog HDL模塊進行設計，用相應的模塊仿真程序TESTBENCH進行功能仿真，經過波形仿真和結果驗證後，將程序下載到FPGA中實現。同時，Verilog HDL仿真結果與MATLAB中函數fft()以及ifft()的輸出結果進行比較(採用的是浮點運算)，得出圖形和數據的比較結果。

　　結果表明，用FPGA實現OFDM信道調製解調與MATLAB仿真結果基本一致，具有良好的性能和較高的效率。

相關焦點

  • 基於FPGA的8PSK軟解調的研究與實現
    隨後，通過QUARTUS II 仿真平臺對8PSK 軟解調器進行了硬體描述語言（VHDL）的設計實現和功能仿真，並通過與LDPC 解碼模塊級聯在Altera 公司的STratix II 系列FPGA 晶片上完成最終測試。通過與MATLAB 仿真結果進行比較，驗證上述簡化8PSK 軟解調器設計的正確性和可行性。
  • 基於FPGA器件的QPSK調製解調程序實現系統的設計與測試
    基於FPGA器件的QPSK調製解調程序實現系統的設計與測試 電子設計 發表於 2019-04-23 08:19:00 1 引言 工程實踐中
  • DSP實現HF信道8PSK信號解調
    由於採用了串行制(數據調製在一個載頻)，這種數據機不存在功率分散問題，抗多徑效應能力較強。為了克服多徑效應，自適應信道均衡技術的研究也取得了很大進展。這樣設計的原因是由於碼元判決部分總是存在固定的延時，DFE輸出信號必須同判決反饋信號同時出現。首先，均衡器B的輸出解調後，得到判決反饋信號，再調整延時，使判決反饋信號與DFE輸出同步。同時求出誤差，供平方根卡爾曼算法使用。
  • 基於Matiab的QAM通信系統的仿真
    在眾多系統仿真平臺中，Matlab及其Simulink工具箱較之於其它仿真軟體，有著獨到的優勢，它使通信技術人員擺脫系統仿真中繁瑣的編程過程，有效地提高了仿真的效率，而且易學易用。
  • 基於FPGA的OFDM寬帶數據通信同步系統設計與實現
    通過仿真完成了系統方案的設計，並利用Altera公司的CycloneII器件實現了整個同步系統設計。通過測試，論證了方案的可行性。 關鍵詞：正交頻分復用  同步  碼間幹擾  多載波調製  載波間幹擾 Abstract: OFDM is the key technology of 4G in the field of mobile communication.
  • 雙軟擴頻與π/4DPSK複合調製系統建模仿真
    信號複合後調製載波，接收端下變頻後使用比特軟值解調恢復出發送數據。並進行了系統建模和在AWGN和多徑信道下的誤碼率性能仿真。結果表明，新系統在BER=10-5時比傳統的硬判決解調算法性能提高約3 dB，具有較好的抗幹擾與抗多徑能力。
  • 漫畫講解調製解調,深奧的通信原理是不是明白了?
    眾所周知，調製和解調是通信基本業務流程中的重要組成部分。「調製」，就像為信號找一個交通工具，讓它載著信息穿過信道到達目的地。我們知道，在無線信道中，信號是以電磁波的形式傳遞的。那麼，電磁波怎麼來傳遞信息呢?我們先來舉一個「用水果傳遞信息」例子。
  • 非線性功放對數字調製信號的影響研究
    仿真結果表明，功放飽和對非恆包絡調製信號影響更大，尤其是信道間隔較小的情況下，非恆包絡調製信號的誤碼性能惡化嚴重。該研究為數字通信系統的工程設計提供了一種可借鑑分析方法。因此研究功放對數字調製信號的影響，不僅能夠更進一步加深理論上的理解，而且對實際工程中的功放和調製方式的設計以及選擇也具有重要的指導意義。
  • 基於音效卡的QPSK信號的實時軟解調(圖)
    詳細介紹了適合於pc機實時處理的載波頻率恢復、符號定時恢復、自適應信道均衡等qpsk信號實時解調的核心算法。最後，結合psk31的qpsk信號給出了整個系統的測試結果。關鍵詞：qpsk；數位化實時解調；音效卡；載波頻率恢復；符號定時恢復；自適應信道均衡 引言---目前，數據機產品大都採用專用dsp晶片作為核心處理器件，這是因為dsp是專門的數位訊號處理晶片，其處理速度快，實時性好。
  • 5G的調製方式,到底是怎麼實現的?
    「調製」，就像為信號找一個交通工具，讓它載著信息穿過信道到達目的地。 我們知道，在無線信道中，信號是以電磁波的形式傳遞的。 那麼，電磁波怎麼來傳遞信息呢？ 我們先來舉一個「用水果傳遞信息」例子。
  • CDMA無線鏈路中QPSK調製的測量與淨化
    無線信號的調製與解調是無線通信的核心技術之一，通信制式改變，調製與解調方式也將改變。CDMA IS-95與cdma2000 1x的主要差別之一就是前向鏈路的調製方式不同，前者採用BPSK（Binary Phase Shift Keying，二相相移鍵控）調製方式，後者從RC3開始在業務信道上採用QPSK（Quadrature Phase Shift Keying，正交相移鍵控）調製方式。
  • 智能天線射頻前端電路的研究和設計
    它 包括收信單元和發信單元，其中收信單元的主要作用是接收來自用戶發出的上行射頻信號，對其進行濾波、放大和下變頻處理，然後對變頻後的模擬信號進行數模轉 換和解調，產生需要的數字I/Q信號，送往基帶處理單元；發信單元的主要功能是對基站基帶處理單元送來的數位訊號進行調製以及數模轉換，然後上變頻到規定 的射頻頻段並進行功率放大，最後通過天線發射。射頻前端的典型原理框圖如圖1所示。
  • WiMAX Wave2的雙信道MIMO測量
    注意，矩陣解碼與解調是相互獨立的，矩陣解碼要先於解調之前完成。當信道係數之間存在關聯時，實際的WiMAX 接收機可以使用其固有的分解或MMSE技術[參考文獻1]來進行真實的數據恢復。如上所述，數據恢復需要知道信道係數，信道係數的值可由接收機或雙信道信號分析儀使用WiMAX OFDM 波形[參考文獻2]中包含的獨一無二的導頻結構來測出。
  • 光纖的調製方法
    Tektronix公司產品工程師Pavel Zivny說：「運營商要在現有的光纖中擠進100 Gbps的流量，其中很多原來設計用於10 Gbps，有些甚至是為2.5 Gbps光纖鏈路而設計的。」要簡單地將一個100 Gbps NRZ（不歸零）流硬塞入現有光纖，顯然是不現實的。當前的DWDM（密集波分復用）光纖採用各信道之間50 GHz的間隔。
  • 消費類無人機圖傳系統設計中的一些關鍵 | 雷鋒網公開課
    為此，我們今天有幸請到了一位行業大牛，他將從技術細節出發，為我們介紹圖傳系統設計中的 1 個核心問題，2 個設計紅線，4 個基本設計參數，8 個設計重點，以及 1 個中肯的設計建議。必須對關鍵信息進行冗餘處理才能適用於單向無線信道。同時接收機基帶解調算法中的時鐘提取，位同步，字同步，幀同步也要針對高誤碼率來設計，否則小的誤碼就會產生災難性的圖像丟失。
  • 數字調製信號接收技術
    數字無線電技術因採用軟體化數位化設計，工作穩定可靠，可生產性好，設備小巧，因而在通信中應用越來越廣泛。隨著大規模集成電路的發展以及對通信設備小型化、智能化的要求，數字無線電技術已經成為發展趨勢。全數字接收機的概念被提出後立刻引起了人們的興趣與關注，它和傳統的數字接收機不同，其解調和採樣所用的本地參考時鐘振蕩於固定的頻率，且不需要反饋控制，濾波、載波同步、時鐘同步、數據判決等全由採樣後的數位訊號處理器來完成。本文設計提出了適於中頻數位化接收機的體制結構和實現方法。
  • 光纖的複雜調製方法介紹
    Tektronix公司產品工程師Pavel Zivny說：「運營商要在現有的光纖中擠進100 Gbps的流量，其中很多原來設計用於10 Gbps，有些甚至是為2.5 Gbps光纖鏈路而設計的。」　　要簡單地將一個100 Gbps NRZ（不歸零）流硬塞入現有光纖，顯然是不現實的。當前的DWDM（密集波分復用）光纖採用各信道之間50 GHz的間隔。