特高频/甚高频频段OFDM无线通信系统中同步技术的研究及FPGA实现

摘要

本文对正交频分复用（OFDM）系统中的同步技术进行较详细的研究与分析，针对实际应用在甚高频和特高频频段内设计了一个以里德-索罗蒙（RS）编码、多进制正交幅度调制和傅立叶变换为核心的基带无线通信系统，研究并选择了适合该系统的基带同步算法，并利用FPGA芯片对该系统的同步算法进行硬件实现，为最终在19.5kHz带宽（未含保护频带）内能够实现有用信息传输速率为67.5kbit/s、有效频带利用率为3.46bit/s/Hz的实时通信奠定了较好的基础。
　　 本文主要目标是理论研究，软件仿真及硬件实现正交频分复用通信系统的同步算法。经过大量分析和比较，我们采用了其中一些低复杂度但性能仍然较好的帧同步，符号定时同步和频率同步方案。针对本系统的特点，我们对以上几种算法均进行了改进，降低了运算的复杂度和误符号率，仿真结果表明，运用这些同步方法以后，在信噪比25分贝时，误比特率低于10-5，满足系统的设计要求。
　　 本系统同步算法的硬件实现分帧同步，小数频偏估计和补偿，整数频偏估计和补偿三部分。在第一部分中，通过两个启动时间不同的模块分别寻找两帧中的最小能量比值，通过最小值的位置来判断帧起始位置，然后将完整的帧信号交替输出，达到了不间断的提供有效数据的效果。接下来我们将坐标旋转数字计算机（CORDIC）算法和快速傅立叶变换（FFT）算法应用到后两部分中。通过对基四算法和基二算法占用资源进行比较，选择适合本系统的基二频率抽取算法。在反正切与频偏补偿算法中，采用了时分复用结构的坐标旋转数字计算机算法，同使用纯组合逻辑来实现该算法相比，节约了大量可编程资源，提高了运算精度。经过多方面的优化，最终在FPGA芯片EP2C20中占用了不到一半的可编程资源实现了帧同步及频率同步算法。

目录

文摘

英文文摘

第一章 引言

第一节 OFDM技术基本原理

第二节 OFDM技术的主要优缺点

第三节 关于本文

第二章 OFDM无线通信系统的同步技术性能研究

第一节 OFDM无线通信系统同步技术概述

第二节 三种主要的偏差对OFDM系统性能的影响

2.2.1 符号定时偏差对OFDM系统的影响

2.2.2 载波频率偏差对OFDM系统的影响

2.2.3 采样频率偏差对OFDM系统的影响

第三节 OFDM无线通信系统常见同步算法性能研究

2.3.1 定时同步

2.3.2 利用循环前缀实现定时同步

2.3.3 利用导频序列实现定时同步

2.3.4 频率同步

第四节 本章小结

第三章 OFDM无线通信系统方案设计及同步算法性能仿真

第一节 无线信道特性对OFDM系统的设计要求

3.1.1 多普勒效应

3.1.2 多径延迟扩展和与循环前缀

第二节 OFDM无线通信系统的基带参数设计

3.2.1 系统设计目标与系统基本参数的制定

3.2.2 IFFT/FFT和MQAM点数的确定

3.2.3 帧结构的设计及信道编码选择

第三节 同步算法的设计和仿真

3.3.1 帧同步

3.3.2 符号定时和小数倍频偏估计

3.3.3 整数倍频偏估计

第四节 本章小结

第四章 OFDM无线通信系统同步技术的硬件实现算法研究

第一节 CORDIC算法

4.1.1 CORDIC算法概述

4.1.2 CORDIC算法的推导

4.1.3 扩大CORDIC算法的估计范围

第二节 FFT算法

4.2.1 FFT算法概述

4.2.2 FFT可算法的推导

4.2.3 蝶形单元

第三节 PN序列与相关算法

4.3.1 相关运算的基本原理

4.3.2 复数PN序列在系统中的应用

第四节 本章小结

第五章 OFDM无线通信系统同步技术的FPGA实现

第一节 同步方案所选器件及电路原理图分析

第二节 帧同步算法

5.2.1 基带信号的A/D转换模块

5.2.2 补码转换为原码

5.2.3 串并转换

5.2.4 找帧头模块

第三节 小数倍频偏的估计和补偿

5.3.1 Cordic1部分

5.3.2 Cordic2部分

5.3.3 小数频偏估计和补偿模块

第四节 整数倍频偏的估计和补偿

5.4.1 FFT部分

5.4.2 Cordic3部分

5.4.3 整数频偏估计和补偿模块

第五节 基带系统的FPGA实现

5.5.1 音频信号编解码器的控制

5.5.2 扰码与解扰

5.5.3 二进制与多进制转换

5.5.4 RS编解码

5.5.5 交织与解交织

5.5.6 QAM调制解调

5.5.7 IFFT与FFT

5.5.8 D/A与A/D控制

第六节 本章小结

第六章 总结

第一节 全文总结

第二节 工作展望

参考文献

致谢

附录

个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果