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1、基于OFDM系统发射机的CRC和加扰 指导老师：钟凯 学位申请人：潘志华 学号：1030430324 院系：信息工程系 专业：通信工程 2014年5月23日 第一章 绪论1、 目的要求 熟悉和理解未来移动通信系统中的关键技术，研究基于OFDM系统发射机的CRC和加扰，能够自主编写VerilogHDL 代码并且用modelsim仿真软件进行仿真，最后通过选用FPGA芯片在Quartus II软件中进行性能评估。2、 课题的意义及应用背景 现代社会已步入信息时代，在各种信息技术中，信息的传输即通信起着支撑作用。世界各国都在致力于现代通信技术的研究和开发，而无线通信是现代通信系统中不可缺少的组成部分
2、。今天，无线通信已经成为人们日常生活不可缺少的重要通信方式之一，而人们对无线通信业务的需要的迅速增加是无线通信技术的根本推动力。 上个世纪80年代中期产生的全球移动电信系统(Global System for Mobile Telecommunication, GSM)和90年代初提出的窄带码分多址(Code Division Multiple Access, CDMA)通信系统是第二代移动通信技术，满足了人们较高质量的语音业务和低速率的数据业务要求。随着人们对通信业务类型要求的不断扩大，对通信速率的要求不断提高，已有的第二代移动通信网已经不能满足新的业务需求;为此，本世纪初，人们制定了以宽带
3、CDMA技术为核心的第三代移动通信网标准WCDMA, cdma2000和TD-SCDMA。目前，研究人员把目光投向三代以后(Beyond 3G, B3G )和第四代(4G)无线通信系统的技术研究，研究主要目标是高速Internet无线接入和高质量数字多媒体信息无线传输等方面的应用，而此类 业务的一个共同点是要求高速无线信息传输。正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM)技术和正交幅度调制(Quadrature Amplitude Modulation ，QAM)相结合在高速无线传输中具有许多优势，B3G和4G系统中已将OFD
4、M技术列为备选物理层标准。最近几年，研究人员针对OFDM技术在无线通信系统中的应用提出许多理论和技术基础。3、 国内外研究现状 OFDM的历史要追溯到20世纪60年代中期，当时RwChang发表了关于带限信号多信道传输合成的论文。他描述了发送信息可同时经过一个线性带限信道而不受信道问干扰(ICI)和符号间干扰(。ISI)的原理。此后不久，Saltzberg完成了性能分析。他提出设计一个有效并行系统的策略应该是集中在减少相邻信道的交叉干扰(crosstalk)而不是完成单个信道，因为前者的影响是决定性的。 1970年，OFDM的专利发表，其基本思想就是通过采用允许子信道频谱重叠，但又相互间不影响
5、的频分复用(FDM)的方法来并行传送数据，不仅无需高速均衡器，有很高的频谱利用率，而且有较强的抗脉冲噪声及多径衰落的能力。OFDM早期的应用有ANIGSC-1O(KATH-RYN)高频可变速率数传调制解调器(Modem)。该Mo-dem利用34路子信道并行传送34路低速数据，每个子信道采用相移键控(PSK)调制，且各子信道载波相互正交，间隔为84Hz。但是在早期的OFDM系统中，发信机和相关接收机所需的副载波阵列是由正弦信号发生器产生的，且在相关接收时各副载波需要准确地同步，因此当子信道数很大时，系统就显得非常复杂和昂贵。 对OFDM做主要贡献的是Weinstein和Ebert在1971年的论
6、文，Weinstein和Ebert提出使用离散傅里叶变换(DiscreteFourierTransform，DFT)，实现OFDM系统中的全部调制和解调功能的建议。因而简化了振荡器阵列以及相关接收机中本地载波之间的严格同步的问题，为实现OFDM的全数字化方案作了理论上的准备。用离散傅里叶变换(DFT)完成基带调制和解调，这项工作不是集中在单个信道，而是旨在引入消除子载波间干扰的处理方法。为了抗ISI和ICI，他们在时域的符号和升余弦窗之间用了保护时间，但在一个时间弥散信道上的子载波间不能保证良好的正交性。 另一个主要贡献是Peled和Ruiz在1980年的论文，他引入了循环前缀(CyclicP
7、refix，CP)的概念，解决了正交性的问题。他们不用空保护间隔，而是用OFDM符号的循环扩展来填充，这可有效地模拟一个信道完成循环卷积，这意味着当CP大于信道的脉冲响应时就能保证子载波间的正交性，但有一个问题就是能量损失。 随着VLSI的迅速发展，已经出现了高速大阶数的FFT专用芯片及可用软件快速实现FFT的数字信号处理(DSP)的通用芯片，且价格低廉，使利用FFT来实现OFDM的技术成为可能。1981年Hirosaki用DFT完成的OFDM调制技术，试验成功了16QAM多路并行传送19.2kb/s的电话线Modem。而在无线移动信道中，尽管存在着多径传播及多普勒频移所引起的频率选择性衰落和
8、瑞利衰落，但OFDM调制还是能够减轻瑞利衰落的影响。这是因为在高速串行传送码元时，深衰落会导致邻近的一串码元被严重破坏，造成突发性误码。而与串行方式不同，OFDM能将高速串行码流转变成许多低速的码流进行并行传送，使得码元周期很长，即远大于深衰落的持续时间，因而当出现深衰落时，并行的码元只是轻微的受损，经过纠错就可以恢复。另外对于多径传播引起的码间串扰问题，其解决的方案是在码元间插入保护间隙，只要保护间隙大于最大的传播时延时间，码间串扰就可以完全避免。 正基于此，1984年，Cimini提出了一种适于无线信道传送数据的OFDM方案。其特点是调制器发送的子信道副载波调制的码型是方波，并在码元间插入
9、了保护间隙。虽然各子信道的频谱为sinx/x形，但由于码元周期很长，单路子信道所占的频带很窄，因而位于信道频率边缘的子信道的拖尾，对整个信道带宽影响不大，可以避免多径传播引起的码间串扰。同时由于省去了升余弦滤波器，使实现的方案非常简单，因此后来的大多数OFDM方案都是以此为原形实现的。20世纪90年代，OFDM的应用又涉及到了利用移动调频(FM)和单边带(SSB)信道进行高速数据通信、陆地移动通信、高速数字用户环路(HDSL)、非对称数字用户环路(ADSL)、超高速数字用户环路(VHDSL)、数字音频广播(DAB)及高清晰度数字电视(HDTV)和陆地广播等各种通信系统。1991年，Casas提
10、出了OFDM/FM的方案，可利用现有的调频系统进行数据传输。四、OFDM技术概述OFDM的英文全称为Orthogonal Frequency-Division Multiplexing，中文含义为正交频分复用。 这种技术是HPA联盟（HomePlug Powerline Alliance）工业规范的基础，它采用一种不连续的多音调技术，将被称为载波的不同频率中的大量信号合并成单一的信号，从而完成信号传送。由于这种技术具有在杂波干扰下传送信号的能力，因此常常会被利用在容易受外界干扰或者抵抗外界干扰能力较差的传输介质中。实际上OFDM是MCM Multi-CarrierModulation，多载波调
11、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间相互干扰ISI。每个子信道上的信号带宽小于信道的相干带宽，因此每个子信道上的可以看成平坦性衰落，从而可以消除符号间干扰。而且由于每个子信道的带宽仅仅是原信道带宽的一小部分，信道均衡变得相对容易。其实，OFDM并不是如今发展起来的新技术，OFDM技术的应用已有近40年的历史，主要用于军用的无线高频通信系统。但是，一个OFDM系统的结构非常复杂，从而限制了其进一步推广。直到上世纪70年代，人们采用离散傅立叶变换来实现
12、多个载波的调制，简化了系统结构，使得OFDM技术更趋于实用化。80年代，人们研究如何将OFDM技术应用于高速MODEM。进入90年代以来，OFDM技术的研究深入到无线调频信道上的宽带数据传输。目前OFDM技术已经被广泛应用于广播式的音频、视频领域和民用通信系统，主要的应用包括：非对称的数字用户环路（ADSL）、ETSI标准的数字音频广播（DAB）、数字视频广播（DVB）、高清晰度电视（HDTV）、无线局域网（WLAN）等5、 OFDM技术的应用 从技术层面来看，第四代移动通信系统将有望以OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）为核心技术，
13、主要理由是无线电频率使用效益高、抗噪声能力强、适合高速数据传输等。然而OFDM仍有许多问题待解决，不过部分标准的制订工作已经接近尾声且即将商用化（如数字音频广播），目前，OFDM技术已经广泛应用于无线局域网领域，但若要应用在移动通信领域仍需时日。目前OFDM技术已经被广泛应用于广播式的音频、视频领域和民用通信系统中，主要的应用包括：非对称的数字用户环路（ADSL）、ETSI标准的数字音频广播（DAB）、数字视频广播（DVB）、高清晰度电视（HDTV）、无线城域网、无线局域网（WLAN），甚至3G的CDMA也开始引入OFDM技术思想以提升其性能。首先，在宽带接入系统中，由于OFDM系统具备良好的
14、特性，将成为下一代蜂窝移动通信网络的有力支撑。专家指出，4G等未来移动通信以数据通信和图像通信为主，数据通信的速率比3G要大大提高，还特别注重与互联网结合，通信以IP协议为基础等等。其中就牵涉到很多关键技术，如为了达到高速传输以及高QoS的保障，必须使频谱利用率提高、信号抗衰落能力增强、抗码间干扰能力显著增强等，我们需要OFDM等先进的调制技术。而目前正在研发的3GPPLTE技术也很可能选用OFDM及其改进型作为基本多址技术。因此我们可以预见，OFDM技术将在未来发挥如今CDMA技术对于移动通信一样的重要作用，甚至产生更广泛的影响。其次，在无线局域网中，OFDM等技术开始得到应用，以提升WLA
15、N的性能。如802.11a和802.11g都采用OFDM调制技术，提高了传输速率，增加了网络吞吐量。802.11n计划采用MIMO与OFDM相结合，使传输速率成倍提高。最后，在数字广播电视系统中，数字音频广播(DAB)是第一个正式使用OFDM标准的。另外，当前国际上全数字高清晰度电视传输系统中采用的调制技术就包括OFDM技术，欧洲HDTV传输系统已经采用了编码OFDM技术。它具有很高的频谱利用率，可以进一步提高抗干扰能力，满足电视系统的传输要求。总之，正是因为具备了显著的优势，OFDM在未来移动通信和其他宽带无线技术的发展中才如鱼得水，获得了广泛的应用。我们有理由相信，随着人们对无线通信需求的进一步增加，OFDM必将获得更大的发展。近年来，围绕OFDM存在的两个缺陷，业内人士进行了大量研究工作，并且已经取得了进展。OFDM技术既可用于移动的无线网络，也可以用于固定的无线网络，它通过在楼层、使用者、交通工具和现场之间的信号切换，有效地解决了其中的信息冲突问题。 领域一：高清晰度数字电视广播 OFDM在数字广播电视系统中取得了广泛的应用，其中数字音频广播（DAB）标准是第一个正式使用OFDM的标准。另外，当前国际上全数字高清晰度电视传输系统中采用的调制技术中就包括OFDM技术，欧洲HDTV传输系统已经采用COFDM（co
