基于OFDM的数字跳频通信技术研究及其硬件设计

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近年来,随着无线通信技术的发展,移动Ad Hoc网络(Mobile Ad Hoc Network,MANET)得到了飞速发展。但是由于MANET网络拓扑结构变化复杂且迅速,导致其多径效应和节点之间的互相干扰较为显著。跳频技术可有效提高通信系统抗干扰能力、减小信道之间的干扰。正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)技术是将输入的串行时域数据变换为并行频域数据,因而可考虑将时域数据映射到频率成分中的某一个或某几个上,从而实现基于OFDM的数字跳频。基于OFDM的数字跳频系统具有跳速快、易于数字集成、功耗较小等优点。在基于OFDM的跳频通信中,子载波映射方式和跳频序列对跳频OFDM(Frequency Hopping OFDM,FH-OFDM)系统具有重要影响。本文主要工作如下:(1)首先,对基于OFDM的跳频通信进行理论分析;其次,对基于OFDM的时间连续跳频和时间间隔跳频进行理论分析;最后对m序列、RS序列、Latin Square序列、Costas序列对跳频性能的影响进行理论研究。(2)针对基于OFDM的时间连续跳频通信系统,研究采用单子载波映射、随机多子载波映射、分组分散式子载波映射、分组集中式子载波映射及分组随机式子载波映射五种子载波映射方式的系统性能。(3)提出了基于OFDM的时间间隔跳频通信系统,研究采用固定时间间隔分组分散式子载波映射、固定时间间隔分组集中式子载波映射、固定时间间隔分组随机式子载波映射及随机时间间隔分组随机式子载波映射四种子载波映射方式的系统性能。(4)针对不同的跳频通信系统,构造了非连续抽头m序列、RS序列、Latin Square序列、Costas序列。对九种子载波映射方式下的基于OFDM的跳频通信系统与四种跳频序列的组合在高斯信道、瑞利信道、单频干扰、多频干扰及部分频带干扰下的性能进行仿真分析。仿真结果表明,FH-OFDM系统比OFDM系统具有更优异的抗多径和抗干扰性能,同时发现采用RS序列的随机时间间隔分组随机式子载波映射FH-OFDM与其余子载波映射方式的FH-OFDM相比,在相同的通信条件下,都具有较为优异的性能。(5)完成RS序列随机时间间隔分组随机式子载波映射FH-OFDM系统的硬件模块设计,应用硬件描述语言对主要模块进行硬件设计和功能验证。硬件验证平台采用XILINX公司Virtex-7 VC707 Evaluation Platform FPGA开发板,完成了硬件设计部分的逻辑综合,Vivado综合结果表明:跳频跳时(Frequency Hopping Timing Hopping,FHTH)模块时钟达333 MHz,总功耗达0.619 W,共占用Slice LUTs资源1503个,Slice Registers资源1627个,发送模块占用IO资源523个,接收模块占用IO资源522个。
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