潘志华的论文基于OFDM系统发射机的CRC和加扰初稿2.docx
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潘志华的论文基于OFDM系统发射机的CRC和加扰初稿2
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QuartusII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。
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（GlobalSystemforMobileTelecommunication,GSM）和90年代初提出的窄带码分多址（CodeDivisionMultipleAccess,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（Beyond3G,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（OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing,OFDM）技术和正交幅度调制（QuadratureAmplitudeModulation，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OFDM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R．w．Chang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84 Hz。
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年的论文，Weinstein和Ebert提出使用离散傅里叶变换（Discrete Fourier Transform，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（Cyclic Prefix，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19.2 kb/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OrthogonalFrequency-DivisionMultiplexing，中文含义为正交频分复用。
这种技术是HPA联盟（HomePlugPowerlineAlliance）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MCMMulti-CarrierModulation，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（OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing）为核心技术，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WLAN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（codedOFDM：
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。
选择OFDM作为数字音频广播和数字视频广播（DVB）的主要原因在于：
OFDM技术可以有效地解决多径时延扩展问题。
因此不难看出，OFDM技术良好的性能使得它在很多领域得到了广泛的应用。
欧洲的DAB系统使用的OFDM调制技术其试验系统已在运行，很快吸引了大量听众。
它明显地改善了移动中接收无线广播的效果，用于DAB的成套芯片的开发工作正在一项欧洲发展项目中进行，它将使OFDM接收机的价格大大降低，其市场前景非常看好。
领域二：
无线局域网
大家知道，HiperLAN/2物理层应用了OFDM和链路自适应技术，媒体接入控制（MAC）层采用面向连接、集中资源控制的TDMA/TDD方式和无线ATM技术，最高速率达54Mbps，实际应用最低也能保持在20Mbps左右。
另外，IEEE802.11无线局域网工作于ISM免许可证频段，分别在5.8GHz和2.4GHz两个频段定义了采用OFDM技术的IEEE802.11a和IEEE802.11g标准，其最高数据传输速率提高到54Mbps.
技术的不断发展，引发了融合。
一些4G及3.5G的关键技术，如OFDM技术、MIMO技术、智能天线和软件无线电等，开始应用到无线局域网中，以提升WLAN的性能。
如802.11a和802.11g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。
另外，天线技术及传输技术，使得无线局域网的传输距离大大增加，可以达到几公里（并且能够保障100Mbps的传输速率）。
而对于今后要开展的在无线局域网中的多媒体业务来说，最高为54Mbps的数据传输速率还远远不够。
为了进一步提升无线局域网的数据传输速率，实现有线与无线局域网的无缝结合，IEEE成立了IEEE802.11n工作小组，以制定一项新的高速无线局域网标准。
IEEE802.11n计划将WLAN的传输速率从802.11a和802.11g的54Mbps增加至108Mbps以上，最高速率可达320Mbps，成为802.11b/a/g之后的另一场重头戏。
和以往的802.11标准不同，802.11n协议为双频工作模式（包含2.4GHz和5.8GHz两个工作频段）。
这样802.11n保证了与以往的802.11a/b/g标准兼容。
领域三：
宽带无线接入
OFDM技术适用于无线环境下的高速传输，不仅应用于无线局域网，还在宽带无线接入（BWA）中得到应用。
IEEE802.16工作组专门负责BWA方面的技术工作，它已经开发了一个2GHz～11GHzBWA的标准—IEEE802.16a，物理层就采用了OFDM技术。
该标准不仅是新一代的无线接入技术，而且对未来蜂窝移动通信的发展也具有重要意义。
在BWA领域，一些公司开发的技术虽然都基于OFDM，但有各自的特色，形成一些专利技术，如Cisco和Iospan公司的VectorOFDM（VOFDM）、Wi-LAN公司的WidebandOFDM（WOFDM）、Flarion公司的flash-OFDM.其中，VOFDM由Cisco公司支持，WOFDM则由Wi-LAN公司提出，构成了基于两个组织的OFDM两大阵营：
宽带无线Internet论坛（BWIF）和OFDM论坛，它们力图使自己的OFDM模式成为标准。
其中由Wi-LAN公司倡导的OFDM论坛，有50多个成员，其中有如Breezecom、start-upBeamReachNetworks和Nokia等参加，主要是协调提交到IEEE的OFDM提案。
而宽带Internet论坛（BWIF）则是在Cisco倡导下，由IEEE工业标准技术组织IEEE-ISTO成立的，其主要目标是提供低成本宽带无线接入技术，号召采用基于VOFDM的标准作为解决方案。
领域四：
3GCDMA的新概念
为满足未来无线多媒体通信需求，人们在加紧实现3G系统商业化的同时，开始了后3G（Beyond3G）的研究。
从技术方面看，3G主要以CDMA技术为核心技术，而未来移动通信系统则以OFDM技术最受瞩目。
在宽带接入系统中，由于OFDM系统具备良好的特性，将成为下一代蜂窝移动通信网络的有力支撑。
6、OFDM技术的优势和不足
1、OFDM技术的优点
首先，抗衰落能力强。
OFDM把用户信息通过多个子载波传输，在每个子载波上的信号时间就相应地比同速率的单载波系统上的信号时间长很多倍，使OFDM对脉冲噪声（ImpulseNoise）和信道快衰落的抵抗力更强。
同时，通过子载波的联合编码，达到了子信道间的频率分集的作用，也增强了对脉冲噪声和信道快衰落的抵抗力。
因此，如果衰落不是特别严重，就没有必要再添加时域均衡器。
其次，频率利用率高。
OFDM允许重叠的正交子载波作为子信道，而不是传统的利用保护频带分离子信道的方式，提高了频率利用效率。
再者，适合高速数据传输。
OFDM自适应调制机制使不同的子载波可以按照信道情况和噪音背景的不同使用不同的调制方式。
当信道条件好的时候，采用效率高的调制方式。
当信道条件差的时候，采用抗干扰能力强的调制方式。
再有，OFDM加载算法的采用，使系统可以把更多的数据集中放在条件好的信道上以高速率进行传送。
因此，OFDM技术非常适合高速数据传输。
此外，抗码间干扰（ISI）能力强。
码间干扰是数字通信系统中除噪声干扰之外最主要的干扰，它与加性的噪声干扰不同，是一种乘性的干扰。
造成码间干扰的原因有很多，实际上，只要传输信道的频带是有限的，就会造成一定的码间干扰。
OFDM由于采用了循环前缀，对抗码间干扰的能力很强。
2、OFDM技术的不足
对频偏和相位噪声比较敏感。
OFDM技术区分各个子信道的方法是利用各个子载波之间严格的正交性。
频偏和相位噪声会使各个子载波之间的正交特性恶化，仅仅1％的频偏就会使信噪比下降30dB。
因此，OFDM系统对频偏和相位噪声比较敏感。
功率峰值与均值比（PAPR）大，导致射频放大器的功率效率较低。
与单载波系统相比，由于OFDM信号是由多个独立的经过调制的子载波信号相加而成的，这样的合成信号就有可能产生比较大的峰值功率，也就会带来较大的峰值均值功率比，简称峰均值比。
对于包含N个子信道的OFDM系统来说，当N个子信道都以相同的相位求和时，所得到的峰值功率就是均值功率的N倍。
当然这是一种非常极端的情况，通常OFDM系统内的峰均值不会达到这样高的程度。
高峰均值比会增大对射频放大器的要求，导致射频信号放大器的功率效率降低。
负载算法和自适应调制技术会增加系统复杂度。
负载算法和自适应调制技术的使用会增加发射机和接收机的复杂度，并且当终端移动速度每小时高于30公里时，自适应调制技术就不是很适合了。
第2章OFDM原理
1、OFDM系统的基本模型
正交频分复用OFDM（OrthogonalFrequencyDivisionMultiplex）是一种多载波调制方式，通过减小和消除码间串扰的影响来克服信道的频率选择性衰落。
它的基本原理是将信号分割为N个子信号，然后用N个子信号分别调制N个相互正交的子载波。
由于子载波的频谱相互重叠，因而可以得到较高的频谱效率。
近几年OFDM在无线通信领域得到了广泛的应用。
下图是OFDM基带信号处理原理图。
其中，（a）是发射机工作原理，（b）是接收机工作原理。
OFDM基带信号处理原理图
当调制信号通过无线信道到达接收端时，由于信道多径效应带来的码间串扰的作用，子载波之间不再保持良好的正交状态，因而发送前需要在码元间插入保护间隔。
如果保护间隔大于最大时延扩展，则所有时延小于保护间隔的多径信号将不会延伸到下一个码元期间，从而有效地消除了码间串扰。
当采用单载波调制时，为减小ISI的影响，需要采用多级均衡器，这会遇到收敛和复杂性高等问题。
在发射端，首先对比特流进行QAM或QPSK调制，然后依次经过串并变换和IFFT变换，再将并行数据转化为串行数据，加上保护间隔（又称“循环前缀”），形成OFDM码元。
在组帧时，须加入同步序列和信道估计序列，以便接收端进行突发检测、同步和信道估计，最后输出正交的基带信号。
当接收机检测到信号到达时，首先进行同步和信道估计。
当完成时间同步、小数倍频偏估计和纠正后，经过FFT变换，进行整数倍频偏估计和纠正，此时得到的数据是QAM或QPSK的已调数据。
对该数据进行相应的解调，就可得到比特流。
2、OFDM系统正交性原理
OFDM系统主要思想是：
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ICI。
每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽，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。
FDM/FDMA技术其实是传统的技术，将较宽的频带分成若干较窄的子带（子载波）进行并行发送是最朴素的实现宽带传输的方法。
但是为了避免各子载波之间的干扰，不得不在相邻的子载波之间保留较大的间隔，这大大降低了频谱效率。
因此，频谱效率更高的TDM/TDMA（时分复用/多址）和CDM/CDMA技术成为了无线通信的核心传输技术。
但近几年，由于数字调制技术FFT（快速傅丽叶变换）的发展，使FDM技术有了革命性的变化。
FFT允许将FDM的各个子载波重叠排列，同时保持子载波之间的正交性（以避免子载波之间干扰），部分重叠的子载波排列可以大大提高频谱效率，因为相同的带宽内可以容纳更多的子载波。
3、OFDM系统的关键技术
1、时域和频域同步
OFDM系统对定时和频率偏移敏感，特别是实际应用中可能与FDMA、TDMA和CDMA等多址方式结合使用时，时域和频率同步显得尤为重要。
与其它数字通信系统一样，同步分为捕获和跟踪两个阶段。
在下行链路中，基站向各个移动终端广播式发同步信号，所以，下行链路同步相对简单，较易实现。
在上行链路中，来自不同移动终端的信号必须同步到达基站，才能保证子载波间的正交性。
基站根据各移动终端发来的子载波携带信息进行时域和频域同步信息的提取，再由基站发回移动终端，以便让移动终端进行同步。
具体实现时，同步将分为时域同步和频域同步，也可以时频域同时进行同步。
2、信道估计
在OFDM系统中，信道估计器的设计主要有两个问题：
一是导频信息的选择。
由于无线信道常常是衰落信道，需要不断对信道进行跟踪，因此导频信息也必须不断的传送。
二是既有较低的复杂度又有良好的导频跟踪能力的信道估计器的设计。
在实际设计中，导频信息选择和最佳估计器的设计通常又是相互关联的，因为估计器的性能与导频信息的传输方式有关。
3、信道编码和交织
为了提高数字通信系统性能，信道编码和交织是通常采用的方法。
对于衰落信道中的随机错误，可以采用信道编码；对于衰落信道中的突发错误，可以采用交织。
实际应用中，通常同时采用信道编码和交织，进一步改善整个系统的性能。
在OFDM系统中，如果信道衰落不是太深，均衡是无法再利用信道的分集特性来改善系统性能的，因为OFDM系统自身具有利用信道分集特性的能力，一般的信道特性信息已经被OFDM这种调制方式本身所利用了。
但是，OFDM系统的结构却为在子载波间进行编码提供了机会，形成COFDM方式。
编码可以采用各种码，如分组码、卷积码等，卷积码的效果要比分组码好。
4、降低峰均功率比
由于OFDM信号时域上表现为个正交子载波信号的叠加，当这个信号恰好均以峰值相加时，OFDM信号也将产生最大峰值，该峰值功率是平均功率的倍。
尽管峰值功率出现的概率较低，但为了不失真地传输这些高峰均功率比（PeaktoAveragePowerRatio,PAPR）的OFDM信号，发送端对高功率放大器（HPA）的线性度要求很高且发送效率极低，接收端对前端放大器以及A/D变换器的线性度要求也很高。
因此，高的PAPR使得OFDM系统的性能大大下降甚至直接影响实际应用。
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