基于ofdm的调制解调原理,ofdm调制解调fpga代码

　　OFDM介绍

　　OFDM （ Orthogona lFrequency D iv isionM ultiplex ing） 即正交频分复用技术， 实际上 OFDM 是 MCM M ult-iC arrierM odu la tion， 多载波调制的一种。其主要思想是： 将信道分成若干正交 子信道， 将高速数据信号转换成并行的低速子数据流， 调制到在每个子信道上进行传输。正 交信号可以通过在接收端采用相关技术来分开， 这样可以减少子信道之间的相互干扰 IC I。

　　OFDM设计优点： 一是无需线性均衡， 从而避免了噪声的增强， 而且由于它的符号间隔 很长， 对多径效应、脉冲噪声和快速衰落有较强的抵抗能力; 二是由于子载波是相互正交 的， 所以频谱可以交叠使用， 频谱利用率比普通的多载波系统要高得多。为了防止各子信道 之间的串扰， OFDM 要求子载波相互正交。利用这种正交性， 接收机能正确分离开各个子数 据流。为了保证子载波之间的正交性， OFDM 要求各子载波在时间、频率上均保持同步， 而 且要求相邻子载波的频率间隔为 OFDM 的有效符号时间间隔 T的倒数。

　　OFDM调制解调基本原理

　　OFDM是一种无线环境下的高速传输技术。无线信道的频率响应曲线大多是非平坦的，而根据OFDM技术的特点，尽管总的信道是非平坦的，具有频率选择性，但每个子信道是相对平坦的，在每个子信上进行的是窄带传输，信号带宽小于信道的相应带宽，因此就可较好地消除信号波形间的干扰。由于在OFDM系统中各子信道的载波相互正交，它们的频谱是相互重叠的，这样不仅减小了子载波间的相互干扰，同时还提高了频谱利用率。

　　OFDM增强了抗频率选择性衰落和抗窄带干扰的能力。在单载波系统中，单个衰落或者干扰可能导致整个链路不可用，但在多载波的OFDM系统中，只会有一小部分载波受影响。通过合理地挑选子载波位置，可使OFDM的频谱波形保持平坦，同时保证了各载波之间的正交。OFDM的接收机实际上是通过FFT（fast fourier transform，即快速傅里叶变换）实现的一组解调器。它将不同载波搬移至零频，然后在1个码元周期内积分，其它载波信号因其与所积的信号正交，故不会对信息的提取产生影响。OFDM的数据传输速率与子载波数量有关。

　　OFDM调制解调电路基本构成方框图

　　OFDM调制解调电路的基本构成方框图，输入数据经串，井转换成并行的多路数据，经多路调制后再经并，串转换变成串行数据，再经D/A转换，然后经低通滤波器和调制器调制后经带通滤波器（BPF），然后进行发射传输。在接收端经带通滤波器（BPF）将载波选入，再进行解调和低通取出调制信号，然后经A/D转换器再变成数据信号，数据信号经串，并转换变成多路多载频调制信号，经OFDM解调后经并，串转换恢复成原数据信号输出。

　　OFDM调制/解调的MATLAB实现

　　% 文件名：p171ofdm.m

　　% 2011-3-20 《无线通信的MATLAB和FPGA实现》西瑞克斯 人邮

　　% p171 例4-9 用MATLAB实现OFDM调制、解调，其中假设OFDM信号包含6个

　　%子载波。这里只是简单地说明OFDM调制方式，因此略去了交织、加窗等部分。

　　c=6; %子载波个数

　　bits=108; %每个信道的比特数

　　n=c*bits; %总的传送比特数

　　data=2*round（rand（1，n））-1; %产生信源数据

　　s=reshape（data，c，bits）; %串/并变换

　　tp=1:0.1：（1+10.8）-0.1;

　　for i=1:c

　　carrier（i，：）=cos（2*i*pi*tp）; %产生载波信号

　　bpsk_sig（i，：）=s（i，：）.*carrier（i，：）; %产生调制信号

　　fin（i，：）=ifft（bpsk_sig（i，：））; %对信号进行IFFT

　　end

　　%并串变换

　　transmit=reshape（fin，1，648）;

　　%加噪声

　　snr=10;

　　rxdata=awgn（transmit，snr，‘measured’）;

　　%并串变换

　　rec=reshape（rxdata，c，bits）;

　　for i=1:c

　　rd（i，：）=fft（rec（i，：））; %进行FFT处理

　　uncarry（i，：）=rd（i，：）.*carrier（i，：）; %解调

　　end

　　rdata=sign（real（uncarry））; %判决输出结果

　　%并串变换

　　rdout=reshape（rdata，1，648）;

　　%在MATLAB里运行上述程序后，读者可自行比较rdout和data的数值。

　    OFDM调制解调的FPGA实现

　　实现方法：

　　OFDM 技术对信号进行I/Q 调制，在IQ两路调制时没有幅度上的失真，所以极大的克 服了模拟 I/Q调制的幅度和相位不平衡性， 克服了模拟混频电路非线性的影响。由于FPGA的可编程性，使用 FPGA 实现调制 /解调可以提高系统的可编程性。

　　在 FPGA 中在使用平方根升余弦滤波器对基带信号滤波，以消除符号间干扰，滤波后的IQ两路信号通过乘法器与NCO中的正弦和余弦中频载波相乘完成 IQ 调制，最后两路信号相加通过DA转换送入信道。接收时将信道来的通过 AD转换后的信号通过与NCO的两路正交载频相乘分解出 IQ 两路信号送至 FPGA进行OFDM 调制在并串转换数据输出。实现框图 分别如图 1、图 2和图 3。

　　每个 OFDM 符号是多个经过调制的子载波信号之和。如果用N表示子信道的个数， T表 示 OFDM 符号宽度，d i（ 0， 1， ， N-1） 是分配给每个子信道的数据符号， f c 是载波频率， 则从 t= ts 开始的 OFDM 符号可以表示为

　　其中， 式 （ 2） 的实部和虚部分别对应于 OFDM 符号的同相和正交分量， 在实际工程中 可以分别与相应得子载波的余弦分量和正弦分量相乘， 构成最终的子信道和合成的 OFDM 符号。设计时使用 IDFT来代替 OFDM 调制， 使用 DFT 来完成 OFDM 调制， 也正是由于快速 DFT的引入， 才使 OFDM 技术在调制 /解调方面体现了巨大的优势。

　　这种正交性还可以从频域角度来理解， 在每一个子载波频率的最大处， 所有其他子信道 的频谱值恰好为零， 因此在理想情况下， 可以从多个相互重叠的子信道符号频谱中提取出各 个子信道符号， 而不会受到其他子信道的干扰。 OFDM 实际上是可以满足无符号间干扰的奈 奎斯特准则， 这种消除子信道间干扰 （ IC I） 的方法是通过在时域中使用矩形脉冲成形， 在 频域中每个子载波的最大处采样来实现。

　　当数据长度较大时， 可以利用 FFT /IFFT来代替 IDFT /DFT 提高算法速度。正交频分复 用采用并行传送的方式， 降低了码速率， 使符号时间大大延长， 相对时延超过符号周期所造 成的符号间串扰就会避免。为了更有效的抗符号间串扰， 在每一帧信号中插入保护间的信 息， 只是加入循环前缀对一小部分信号进行重复。

　　OFDM FPAG实现

　　使用 Verilog实现系统的调制解调模块， 假设数据位宽度为 16比特。

　　IEEE802 16a协议中规定载波数目为 256个，在实现时调用256点FFT模块的IP Core 来实现，将工作频率设置为数据速率的2倍，使 FFT / IFFT来复用一个模块，以节省资源。从时延的角度出发，且考虑到256为4的幂次方，配置基4的模式。

　　M odu le ofdm _modem （ clk， rese，t w _send， w _rec， q_ou，t mdm， q_index）; input c lk;

　　input rese;t

　　/ /声明了 32比特， 高 16比特是虚部， 低 16比特是实部

　　input［ 31： 0］w _send;

　　input［ 31： 0］w _rec;

　　output［ 31： 0］ q_ou;t

　　output［ 31： 0］ q_index; / /输出数据的下标

　　outputm dm; / /标志输出是调制信号还是解调信号

　　/ /1表示调制信号， 0表示解调信号

　　w ire inv_w e= 1; w ire［ 31： 0］ xn; w ire［ 31： 0］ xk; reg［ 7： 0］ cn;t reg flag; w ire fw d_inv;

　　/ /产生调制、解调操作的控制信号

　　a lw ays@ （ posedge clk） beg in

　　if （！

　　reset） begin

　　cnt《 = 0;

　　flag《 = 0; end

　　cnt《 = cnt+ 1;

　　if （ cnt= = 0）

　　flag《 = ！ flag;

　　e lse

　　flag《 = flag;

　　end

　　assign fw d_inv= rese？t flag： 0;

　　/ /在标志为 1时做 FFT， 完成 OFDM 信号的调制