摘 要

OFDM技术是高效的数据传输技术之一，该数据通信是通过利用并行低速传输的正交子载波来实现的。它通过将一个频率选择性信道分为多个频率稳定的衰落信道从而使信道均衡变得比较容易。本次设计我们需要对OFDM系统的构成、工作原理及同步技术进行研究。利用FPGA设计一个OFDM同步系统并进行仿真，找出优良的同步算法与信号抗干扰的解决方法。

本次设计并首先分析了OFDM同步系统中码间干扰和载波偏差对OFDM同步系统的影响和他们的产生原因。同时，在本次设计中还介绍了以往OFDM同步系统关于同步技术的经典算法与OFDM同步系统的基本组成模块。最后在OFDM同步技术理论的基础上给出OFDM同步系统中关于QPSK的调制与解调，OFDM同步系统的发射机接收机及其减小误差的方式方法等的FPGA的实现和仿真方案与最后的关于输入输出对比的验证。

关键词：正交频分复用：现场可编程门阵列；载波同步

Abstract

OFDM technology is one of the efficient data transmission technology, the data communication is achieved through the use of parallel low speed transmission of orthogonal subcarriers. It is easy to make the channel equalization easier by incorporating a frequency selective channel into a number of stable fading channels. In this design, we need to study the composition, working principle and synchronization technology of OFDM system. Using FPGA to design a OFDM synchronization system and simulation, find out the excellent synchronization algorithm and signal anti interference solution.

In this design, the influence of inter symbol interference and carrier offset on OFDM synchronization system is analyzed, and the causes of the OFDM synchronization system are analyzed. At the same time, in the design of the previous OFDM synchronization system on the synchronization of the classical algorithm and OFDM synchronization system of the basic components of the module. Finally in the theory of OFDM synchronization technology based on given synchronization for OFDM system on QPSK modulation and demodulation and synchronization for OFDM system of transmitter receiver and reduce the error of the FPGA implementation and simulation scheme and the last on the input and output contrast verification.

Key words: OFDM；FPGA；Carrier synchronization

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 国内外发展现状 1

1.3内容安排 2

第2章 无线信道 3

2.1 无线信道的传播特点 3

2.2 无线信道的衰落类型 3

2.2.1 大尺度衰落特性 3

2.2.2 阴影衰落 4

2.2.3 小尺度衰落 4

第3章 OFDM同步系统的基础知识与经典算法 6

3.1 OFDM同步系统基础知识 6

3.1.1 OFDM设计基本思路 6

3.1.2 用IFFT/FFT实现OFDM 7

3.1.3 保护间隔和循环前缀 8

3.2 OFDM同步系统 9

3.3 OFDM同步技术 11

第4章 OFDM同步系统的FPGA设计与仿真 13

4.1 OFDM同步系统发射端的设计 13

4.1.1 QPSK调制 13

4.1.2 训练符号的插入 14

4.1.3 IFFT模块 14

4.2 干扰的降低与消除 16

4.2.1 插入循环前缀 16

4.2.2 数字变频 16

4.3 OFDM同步系统接收端的设计 18

4.3.1 数字下变频模块 19

4.3.2符号与载波同步模块 19

4.3.3 FFT模块的设计 22

4.3.4联合同步模块 23

4.3.5 QPSK解调与输入输出对比 25

第5章 总结 26

参考文献 27

致 谢 28

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

为了迎合未来无线移动通信的需要，在加快对3G技术全球化的同时，也加深了对4G技术的研究。虽然现在我们在移动通信上3G技术已经发展成熟，成为我们现在网络的主要技术，但是在不久之后，我们会在移动通信上发展以OFDM技术为主的比3G更快更稳定的4G通信。OFDM将会由于其良好的抗干扰能力以及传输精确度和环境适应能力，成为4G通信技术的关键技术之一。因此众多大学、研究所已开始对OFDM同步技术及其相关的同步算法展开研究。这些技术都是OFDM同步系统的关键技术，能够很好很高效的提升系统的性能指标^[1]。

同步技术设计的好坏精确与否是衡量OFDM同步系统的在工作上是否稳定高效良好的重要指标之一。同步技术中同步算法若存在误差，数据传输就无法精确高效的传输。OFDM同步系统有着特殊的性质，他要求他的所有子载波之间都必须保持严格的正交，一旦正交不成立，那么OFDM系统就会遭到破坏，这是一种特殊的多载波调制技术。所以码间串扰、相位噪声等一些干扰误差的出现都会以影响子载波正交性的方式对OFDM同步系统的数据传输产生非常大的干扰。因为OFDM的波形很特殊，所以OFDM同步系统的同步算法在设计的时候就拥有了针对这种性质的特殊算法^[2]。

所以说，同步算法的设计在OFDM同步系统的设计中有着至关重要的地位。因此设计出一种精确高效的同步算法，然后在OFDM的设计中将所设计的同步算法实现出来就成了OFDM同步系统的关键。

1.2 国内外发展现状

OFDM技术是MCM发展而来的，是一种特别的多载波调制技术。在 20世纪七十年代，Weistein和Ebert提出了离散傅里叶变换(Discrete Fourier Transform, DFT)来实现多载波调制，人们开始用串并转换的方法来研究OFDM同步系统的现代化实现方法，而且衍生出了很多性能优良的OFDM同步系统^[3]。我们可以用DFT来实现OFDM同步系统的各个子载波间的正交关系，但是在当时，由于数字信号处理技术并不成熟，所以OFDM同步技术并没有得到很好地发展。到了80年代时，因为MCM系统获得了突破性的进展，使得大规模集成电路出现，因此FFT技术的实现就变得容易，在这些基础上缓慢发展的OFDM同步系统也就因此加快了发展的步伐。

在最近几年，由于数字信号处理技术(DSP)和复杂可编程逻辑器件(CPLD)的发展，使得通信系统的设计更加方便，有效的促进了OFDM同步系统的发展与完善。现在OFDM技术已经应用到数字音频广播系统(DAB)、数字视频广播系统( DVB)、无线电局域网 (WLAN)、非对称数字用户环路(ADSL)的系统中，并且在宽带无线接入Wimax(IEEE 802.16a)、超宽带技术(OFDM-UWB)、长期演进计划(LTE)等领域也开始使用并变成了国际通信中的新的标准^[3]。

1.3内容安排

本次设计目的在于设计出OFDM同步系统中关键的OFDM同步技术方法，通过FPGA设计实现算法并进行仿真，验证同步算法的正确性和有效性。

本次设计共分为五个部分。

第一部分简单阐述OFDM同步系统的由来和发展历程，简述了本次设计的意义，然后对论文的设计进行了一个简单说明。

第二部分主要介绍了对无线信道做了一个分类说明，属于通信系统的基础。

第三部分概述了OFDM同步系统的基本原理。介绍了OFDM同步系统的基本模型并对OFDM同步系统中误差对系统的干扰和最后补偿进行了论述。介绍了经典的同步算法。