OFDM 、QAM系统的实现 电子信息工程学院203教研室 王俊 副教授
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工程经验 ——OFDM、QAM 2002年通过国际合作，设计研制出基于IEEE 802.11a/b /g标准的无线局域网物理层基带芯片。 在PC机上完成了基于IEEE 802.11a/b /g标准物理层发射机、接收机的算法性能仿真。 在DSP上完成了发射、接收机，并投入使用。
OFDM的介绍 OFDM技术的优势 OFDM技术的难点 对抗干扰及衰落的优势 频谱利用比较高 便于大规模集成电路如DSP系统的实现 开放灵活 PAR值问题
对抗干扰及衰落的优势 高速数据流通过串并转换，使得每个子载波上的数据符号持续长度相对增加，可有效对抗信号波形间的干扰ISI，适用于多径环道存在频率选择性，而所有子载波都处于深衰落的概率极小，OFDM系统可通过动态比特分配和动态子信道分配的方法，充分利用信噪比较高的子信道，提高系统性能。因为窄带干扰只能影响一小部分的子载波，因此OFDM可以在某种程度上抵抗这种窄带干扰。 OFDM的以上优势减小了接收机的复杂度，甚至可以不用均衡器，仅采用插入循环前缀的方法消除ISI的不利影响，大大节省了系统花费、减小了系统复杂度和功率消耗。
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OFDM高频谱利用率 OFDM系统由于子载波之间存在正交性，允许子信道的频谱相互重叠，因此与常规的频分复用相比，OFDM可以最大限度地利用频谱资源。
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便于大规模集成电路实现 在实际工程实现中，各子信道的正交调制和解调可以通过离散傅利叶反变换(IDFT)和离散傅利叶变换(DFT)实现。对N很大(N>32)的系统，可以通过快速傅立叶反变换(IFFT)和快速傅立叶变换(FFT)来实现。基于FFT的系统在计算方面更有效，并且随着大规模集成电路技术和DSP的发展，IFFT和FFT都非常容易实现。
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OFDM的开放灵活性 无论从无线数据业务的使用需求，还是从移动通信系统自身要求，都希望物理层支持非对称高速数据传输，而OFDM系统可以很容易使用不同数量的子载波来实现上下链路中不同的传输速率。
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OFDM易受频偏影响 由于OFDM系统内存在多个正交子载波，而且其输出信号是多个子信道的叠加，因此对子信道的正交性有严格要求。而由于无线信道的时变性，还有发射机载波和本地振荡器的频率偏差，所以OFDM易受频率偏差的影响。
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PAR值问题 如果多个子信号的相位一致时，所得到的叠加信号的瞬时功率会远大于信号的功率，出现较大的峰值与均值功率比（PAR），这个比值的增大会降低射频放大器的功率效率，使系统性能恶化。
IEEE 802.11a的介绍 IEEE 802.11a集合了OFDM技术、BPSK、QPSK、16QAM、64QAM等调制方法
802.11.a的结构
802.11.a的结构
802.11.a的参数
循环前缀 加入保护间隔后，只要反射波与直达波之间的延时差不超过Tg，就不会发生符号间干扰。可见保护间隔减小了多径传输的影响，代价是降低了数据传输速率，带宽效率下降。
数据扰动
编码
不同调制方式允许的星座误差
子载波映射
数据交织
卷积编码
设计过程 利用VC仿真设计算法的性能 研究VC和DSP实现的差异，主要是定点性能仿真 在DSP中实现时采用了查表和插值相结合的方法，提高了处理的实时性和精度。同时研究了定点处理对算法精度的影响，并找到一些定点处理时提高精度的方法，在我们设计的ASIC中得到了应用
发射机结构
接收机结构
接 收 机 流 图
性能指标 Condition: Given SNR = 29.000000 Calculated SNR = 29.251165 TotalPacketNum = 2000 TxNumber_Octet = 1000 TxDATARATE = 54 AEQUSTYLE = 3 Doppler Frequency = 20.000000 (Hz) Tao_delta(ns) = 100.000000 (ns) ACR = -1.000000 (dB) Frequency Offset = 36.000000 (ppm) Transmitter Papr= 8 db P= 3 0.12 ACI = –1db ADC: Papr =13 P= 10 Inl = 0 Result Bits 8 9 10 11 12 13 14 15 floating PER 0.1185 0.076 0.063 0.0575 0.0580
Condition: Given SNR = 20.000000 Calculated SNR = 18.287008 TotalPacketNum = 200 TxNumber_Octet = 100 TxDATARATE = 24 AEQUSTYLE = 3 Doppler Frequency = 20.000000 (Hz) Tao_delta(ns) = 100.000000 (ns) ACR = 8.000000 (dB) Frequency Offset = 36.000000 (ppm) Transmitter Papr= 3.6 db P= 3 0.12 ACI = 8db ADC: Papr =13 P= 10 Inl = 0 Result Bits 7 8 9 10 11 12 13 14 15 floating PER 0.29 0.075 0.040 0.035 0.030
传输性能 接收机噪声 -95dB； 发射功率 1W。 数据率 接收信噪比(dB) 作用距离 估算 （m） 6 13 2800 9 14 2400 12 16 2200 18 2000 24 21 1200 36 25 700 48 29 400 54 30 300 接收机噪声 -95dB； 发射功率 1W。
DSP和PC机完成发射机 输出波形比较
定点性能分析 ENOB一定时PER和PAPR之间的关系
发射机每个程序所用机器周期 1 SubProgram 6M 9M 12M 18M 24M 36M 48M 54M 2 Main RF_sentor.asm 714 3 4 ParameterSet 42 45 5 6 SignalField 20 7 ConvolEncoder _Signal 46 8 Inter_maping 144 9 10 Pack_Scramble 1158 1547 1296 1429 1564 1830 2100 2235 11 1768 2890 2992 5134 5338 12886 7684 12 5244 6706 8236 11262 13 14 Ifft_radix4 14105 15 Addwindow _Prefix _8Tap_8bitsFir 22050 16 _4Tap_16bitsFir 14630 17 18 Total (34 dataSymbols) 63406
接收机每个程序所用机器周期 1 SubProgram 6M 9M 12M 18M 24M 36M 48M 54M 2 Receiver 528 4 Frame_Detect 2209 5 FreqFineEst 668 6 FreqOffsetRough_Conpensate 353 7 ArcTg 58 8 Timing 1253 1247 9 channel_estimation 562 10 AdjChannelEsti 60 12 RxParaRecover 43 42 13 _bit_demap_bpsk 105 14 15 DeScramble_Ini (Only using at the first Data Symbol) 417 16 Demap_int 273 17 2163 18 _bit_demap_qpsk 19 _bit_demap_16qam 4494 20 _bit_demap_64qam 6909 21 DeScramble 505 660 631 652 568 1030 22 23 Loop_Filter 572 24 channel_equilization 5104 25 Phase_compensation 8514 27 fft_radix4 9332 接收机每个程序所用机器周期
发射机所用内存 PM 777(words) 1376 +size of Input data A Mem(words) B Mem(words) ½(2/3)Convolution encoding 256 ¾Convolution encoding 512 BPSK Mapping 2 QPSK Mapping 4 16QAM Mapping 16 64QAM Mapping 64 Scramble table 127 IFFT coefficient 96 Spectrum adjust table 52 Preamble 640 Page Register 32 Temp Mem 288*2+ size of Input data 160+ size of output data Total 1376 +size of Input data 1193+ size of output data
接收机所用内存 PM 583(words) 668+ size of Input data A Mem(words) B Mem(words) Divided table 128 ArcTg table 64 Local long preamble(Frequence domination) 28 Scramble table 127 FFT coefficient 96 SinCos table 1024 Modulation coefficient 7 Local long preamble(Time domination) 66 Page Register 32 Temp Mem 192*2 + size of Input data 192*2 + size of output data Total 668+ size of Input data 1736+ size of output data
关键技术 时间同步 频率同步 信道均衡
时间同步的解决方法 采用对接收训练信号进行前后滑动相关来确定时间同步的方法可以避免频偏对时间同步的影响。根据导频序列的相位变化，可以估计定时偏移，并与自适应均衡同步地调整、校正采样时偏。
关键技术 时间同步 频率同步 信道均衡
频率同步解决方法 联合利用短训练序列和长训练序列采用先粗后精的频率同步方法。利用频域导频上的观测数据利用基带数字锁相环对剩余频偏进行跟踪和相位校正，同时对相位噪声进行跟踪和校正。
关键技术 时间同步 频率同步 信道均衡
信道均衡解决方法 采用通过时域均衡减小信道响应时间从而减小保护间隔的方法，或在频域对每个子载波分别进行类似时域均衡的方法。
谢谢各位领导！