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基于FPGA的OFDM调制器的仿真设计-毕业设计论文.doc
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1、武汉工程大学邮电与信息工程学院毕业设计(论文)基于FPGA的OFDM调制器的仿真设计 Simulation design of OFDM modulator based on FPGA专业班级 通信工程0905(移动通信方向) 武汉工程大学邮电与信息工程学院毕业设计(论文)作者声明本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果,除了文中特别加以标注的地方外,没有任何剽窃、抄袭、造假等违反学术道德、学术规范的行为,也没有侵犯任何其他人或组织的科研成果及专利。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。如本毕业设计(论文)引起的法律结果完
2、全由本人承担。毕业设计(论文)成果归武汉工程大学邮电与信息工程学院所有。特此声明。 作者专业: 作者学号: 作者签名: _年_月_日 摘 要正交频分复用(OFDM)技术是一种多载波数字调制技术,作为一种可以有效对抗信号信道间干扰和符号干扰的高速传输技术,以其频谱利用率高、抗多径衰落能力强、抗窄带干扰性能好、成本低等特点,得到了广泛应用。它能满足无线通信的高速化、宽带化以及移动化的需求,成为第四代移动通信的首选技术,也是当前移动通信技术研究的热点问题。FPGA(现场可编程逻辑门阵列)是一种可编程逻辑器件,它具有设计时间短、投资少、风险小的特点, 而且可以反复修改, 反复编程, 直到完全满足需要,
3、具有其他方式无可比拟的方便性和灵活性。这些特性使得FPGA可以高性能地实现OFDM通信系统的收发模块功能。本文概况地介绍了OFDM系统的基本概念、基本工作原理和关键技术,指出了OFDM调制技术的优势;介绍了的FPGA设计的基本原则和流程;深入进行基于FPGA的OFDM调制解调方案设计;针对仿真平台设计多种测试环境,得出仿真波形进行方案的优化完善并进行验证。本论文第1章首先首先介绍了OFDM的研究背景、目的以及意义。第2章对OFDM的基本原理以及技术的实习进行综述,并对OFDM系统的关键技术作出了详尽的介绍。第3章对OFDM调制解调原理进行了说明,并介绍采用IFFT和FFT的OFDM系统结构。第
4、4章叙述了OFDM调制器的MTALAB仿真。第5章叙述了OFDM调制器的VERILOG仿真,并对仿真结果进行对比验证。第6章对OFDM技术的主要优缺点总结,并对其发展进行了展望。关键词:正交频分复用(OFDM);现场可编程门阵列(FPGA);仿真 AbstractOrthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) technique is a multi-carrier digital modulation technology, as a kind of can effective against interference and symbol
5、 interference between the signal channel of high speed transmission technology, with its high spectrum efficiency, strong ability to resist multipath fading and narrowband interference resistant performance is good, low cost, etc, has been widely applied. It can satisfy the high speed wireless commu
6、nications, broadband and mobile needs, be the first choice of the fourth generation mobile communication technology, is also a hot problem in the study on the current mobile communication technology.FPGA (Field Programmable Gate Array) is a kind of programmable logic devices, it has shorter design t
7、ime, the characteristics of less investment, small risk, and can be repeatedly modified and programming repeatedly, until fully meet the needs, other ways incomparable convenience and flexibility. These features make the FPGA can achieve high performance of OFDM communication system transceiver modu
8、le function.This article overview the basic concept of OFDM system are introduced, the basic working principle and key technology, points out the advantages of OFDM modulation technique; This paper introduces the basic principles and the FPGA design of process; Further for OFDM demodulation scheme b
9、ased on FPGA design; Simulation platform is designed for a variety of test environment, scheme optimization and simulation waveform for validation.Chapter 1, first of all, this paper first introduces the research background, purpose and significance of OFDM. Chapter 2, the practice of the basic prin
10、ciple of OFDM and technology were reviewed, and the key technologies of OFDM system has made the detailed introduction. Chapter 3 illustrates theory of OFDM modulation demodulation, and IFFT and FFT structure of OFDM system is introduced. Chapter 4 describes the OFDM modulator of MTALAB simulation.
11、VERILOG simulation of OFDM modulator are described in chapter 5, and the simulation results were compared. Chapter 6 main advantages and disadvantages of OFDM technology, and its development is prospected. Key Words: Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM); Field Programmable Gate Array (F
12、PGA) ; simulation 武汉工程大学邮电与信息工程学院毕业设计(论文)目 录 第1章 绪论.11.1 OFDM的研究背景.11.2 OFDM的研究目的和意义.1 第2章OFDM技术基础.22.1 OFDM的基本原理.22.2 OFDM技术的实现.42.3 OFDM系统的关键技术.52.3.1 同步技术.52.3.2 信道估计.62.3.3 降低峰值平均功率比.62.3.4 均衡.62.3.5 编码信道和交织.7 第3章OFDM调制器技术.93.1 OFDM调制解调原理.93.2 采用 IFFT 和 FFT 的 OFDM 系统结构.11 第4章OFDM调制器的MTALAB仿真.144
13、.1 IFFT模块.154.2 添加循环前缀.154.3 加窗模块.164.4 前导模块.164.5 成帧模块.17 第5章 OFDM调制器的VERILOG仿真.185.1 OFDM调制器的结构设计.185.2 子模块仿真分析.185.2.1.BPSK/DBPSK映射.185.2.2 IFFT前数据处理 .205.2.3 IFFT模块.205.2.4添加循环前缀和加窗.215.2.5 前导生成模块.225.2.6 成帧模块.235.3 仿真结果的对比验证.24第6章 总结与展望25参考文献28致谢29附录 主要英文缩写语对照表307第1章 绪论1.1 OFDM的研究背景在现代通信系统中,如何高
14、速和可靠地传输信息成为人们关注的一个焦点。虽然第三代移动通信比现有的传输速率快上千倍,但其数据传输速率也仅有2Mbit/s,第四代移动通信系统计划已经开始研究。第四代移动通信以正交频分复用(OFDM)作为核心技术之一。OFDM调制技术的出现为实现高效的抗干扰调制技术和提高频带利用率开辟了一条的新路径。20世纪60年代已经提出了OFDM的基本原理,有关OFDM的专利在1970年1月首次公开发表,1971年Weinstein和Ebert又提出用离散傅立叶变换来等效多个调制解调器的功能,简化了系统结构,使OFDM技术更趋于实用化。近年来,随着数字信号处理(DSP)和超大规模集成电路(VLSI)技术的
15、发展才使得制约OFDM技术发展的屏障不复存在,OFDM也因而变得更加实用。正交频分复用(OFDM)是一种特殊的多载波传输调制(MCM)技术,它可以被看做是一种调制技术,也可以被当做是一种复用技术。OFDM系统既可以维持发送符号周期源于大于多径时延,又能够支持高速的数据业务,并且不需要复杂的信道均衡。1.2 OFDM的研究目的和意义本文的研究目的是从各方面深入研究正交频分复用理论,领会OFDM基带处理技术、FPGA电路设计的关键思想,并给予FPGA设计,实现OFDM系统中的关键功能模块和基带处理中的调制解调器,并给出仿真结果。基于PFGA实现OFDM通信系统,能有效降低电路复杂度,运用先进的算法
16、提升通信系统的性能指标,采用计算机辅助设计,实现电子设计自动化,便于移植、集成和大规模生产。第2章 OFDM技术基础2.1 OFDM的基本原理 众所周知无线通信传输信号的路径有很多,这就是所谓的多径效应,OFDM的最初提出是为了解决多径效应对数据传输的影响。在数字通信系统中,我们通常采用的通信系统是单载波传输系统模型如图2.1所示。图2. 1单载波传输示意图图中g(t)是匹配滤波器(对于给定的码元波形,使得输出信噪比最大的线性滤波器),在传输速率并不高的情况下,这种系统因时延产生的码间干扰不是特别严重,能通过均衡技术消除这种干扰。所谓码间干扰(ISI)就是当一个码元的时延信号产生的拖尾延伸到相
17、邻码元时间中时,会影响信号的正确接收,导致系统误码性能的降低,这类干扰就被称作码间干扰。但是对于宽带业务来说,由于数据传输速率较高,高数据传输速率使得码元周期非常小,如果码元传输出现多径时延,可能会影响到后面好几个码元。这就对均衡提出了更高的要求,需要引入复杂的均衡算法,并且要考虑到算法的收敛速度和可实现性。从另一个角度去看,当信号的带宽接近或者超过信道的相干带宽时,信道的时间弥散就会导致频率选择性衰落,使得同一个信号中不同的频率成分体现出不同的衰落特性,所以多载波传输技术的运用就是一种必然趋势。OFDM是一种多载波调制(MCM)技术,其基本原理就是把高速的数据流经过串并变换,分配的传输速率相
18、对较低的若干个子信道中进行传输。由于每个子信道中的码元周期会相对增加,因此可以减轻由无线信道的多径时延扩展所产生的时间弥散性对系统的影响,并且还可以在OFDM,码元之间插入保护间隔,令保护间隔大于无线信道的最大时延扩展,这样就可以最大限度地消除由于多径带来的码间干扰(ISI),而且一般采用循环前缀作为保护间隔,从而可以避免由多径带来的信道间干扰(ICI)1。随着OFDM技术的发展与兴起,考虑到能用OFDM技术来进行高速数据传输,它能够很好地对抗信道的频率选择性衰落,减少甚至消除码间干扰的影响。OFDM是一项多载波传输技术,可以被当作是一种调制技术,也可以被看作是一种复用技术。其基本原理是把传输
19、的数据流串并变换后分解为若干个并行的子数据流(也可以看作将一个信道划分为若干个并行的相互正交的子信道),这样的话每个子数据流的速率比串行过来的数据流低得多(速率变为多少取决于变换为多少路并行数据流),因此每个子信道上的码元周期将会变长,每个子信道上便是平坦衰落,然后用每个子信道上的低速率数据去调制相应的子载波,从而构成多个低速码元合成的数据的发送传输系统基本原理图如图2.2。图2. 2 OFDM系统调制解调原理框图在单载波系统中,一次干扰或衰落就可能导致整个链路性能恶化甚至失效,但是在多载波系统中,某一时刻仅仅会有少部分子信道受到衰落的影响,从而不会使得整个通信链路性能失效。在衰落信道中,根据
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