[硕士论文精品]mimo-ofdm系统发射机关键技术的fpga实现

摘要摘要OFDMORTHOGONALFREQUENCYDIVISIONMULTIPLEXING技术由于具有频谱效率高和抗频率选择性衰落强等优点，已经成为未来无线通信的关键技术。其基本原理是将频域中的一个宽带信道划分成多个重叠的子信道并行地进行窄带传输，每个子信道上用一个子载波承载数据。由于OFDM的子载波调制是在频域上根据信号星座图计算出来的，而且完成OFDM调制需要的大量的运算，OFDM系统的发射机必须有强大的计算能力，因此使用FPGA来完成这项任务已是大势所趋。由于OFDM信号具有较高的PAPRPEAKTOAVERAGEPOWERRATIO，因此对高功率放大器的线性度要求较高；同时OFDM信号的宽带特性也会使高功率放大器产生记忆性的非线性失真，使得符号间干扰增加，采用数字预失真技术降低OFDM信号对HPA线性度的要求已经成为OFDM系统发射机的热门技术。本课题来源于某无线MIMOOFDM通信系统的预研项目，该系统设计实现采用了软件无线电的设计思想，使用FPGADSP的硬件体系架构。本文研究的重点为该OFDM系统发射机关键技术相关算法的研究和FPGA实现。主要包括OFDM符号调制、系统信号组帧、数字上变频以及外围接口在FPGA上的设计及实现，并最终通过了中频直连的硬件测试。在数字预失真器设计方面，研究了基于VOLTERRA级数间接学习型预失真器的算法，并在XILINX公司的XC2VP70型号FPGA完成了该类型预失真器的设计；在实际的硬件电路设计中，针对该算法的特点，在电路实现结构上进行了简化，大大减少了数据的运算量，同时相应地减少了对FPGA资源的消耗；为了验证设计的正确性，我们建立一个特定参数的记忆非线性功率放大器WIENER模型；测试结果表明，针对此功率放大器的模型，此预失真器可以有效抑制互调失真达18DB，从而验证预失真器设计方法的正确性。关键词OFDM，高功率放大器，非线性，数字预失真，FPGAABSTRACTABSTRACTDUETOITSHI曲SPECTRALEFFICIENCYANDROBUSTNESSAGAINSTFREQUENCYSELECTIVEFADING，ORTHOGONALFREQUENCYDIVISIONMULTIPLEXINGOFDMHASBECOMEAKEYTECHNIQUEINFUTUREWIRELESSCOMMUNICATIONTHEBASICPRINCIPLEOFOFDMISTODIVIDEAWIDEBANDFREQUENCYCHANNELINTOSEVERALOVERLAPPINGSUBCHANNELSANDEVERYSUBCARRIERTRANSMITSDATAINEVERYSUBCHANELDUETOSUBCARRIERMODULATIONOFOFDMBASEDUPONCALCULATIONOFSIGNALCONSTELLATIONSANDOFDMMODULATIONNEEDINGNUMEROUSCALCULATIONS，OFDMTRANSMITTERMUSTHAVEASTRONGCAPABILITYOFCALCULATIONANDTHEIDEATHATWEUSEFPGAFORCOMPLETINGTHETASKHASBECOMEATRENDTHEOFDMMODULMEDSIGNALUSUALLYOWNSHILGHPAPR,WHICHDEMANDSARELEVANTWIDELINEARRANGEFORTHEHIGHPOWERAMPLIFIERMEANWHILE，BROADBANDCHARACTERISTICSOFOFDMSIGNALCAUSESTHEHPATOGENERATENONLINEARDISTORTIONWIMMEMORYANDINCREASESINTERSYMBOLINTERFERENCEISO，SODI西TALPREDISTORTIONWHICHCANREDUCETHELINEARITYREQUIREMENTOFHPAHASBECOMEAPOPULARTECHNOLOGYINOFDMSYSTEMTRANSMITTERTHISTHESISDERIVESFROMSOMEOFDMMIMOPRERESEARCHCOMMUNICATIONSYSTEMWHICHADOPTSTHEDESIGNCONCEPTIONOFSOFTWAREDEFINEDRADIOSDRANDUSESTHEHARDWAREARCHITECTUREOFFPGAPLUSDSETHISTHESISINVESTIGATESTHEFPGAIMPLEMENTATIONOFOFDMSYSTEMTRANSMITTERTHEMAINCONTENTSINCLUDETHEOFDMSYMBOLMODULATION，SYSTEMSIGNALFRAMING，DIGITALUPCONVERTERANDPERIPHERALINTERFACEINFPGAIMPLEMENTATIONFINALLY,THEDESIGNHASPASSEDHARDWAREEXPERIMENTALVERIFICATIONINTHEENVIRONMENTOFINTERMEDIATEFREQUENCYDIRECTINTERCONNECTIONINTHETOPICOFDIGITALPREDISTORTORDESIGN，THISTHESISSTUDYTHEINDIRECTLEARNINGPREDISTORTIONALGORITHMBASEDONVOLTERRASERIESANDHASCOMPLETEDTHEFPGADESIGNIMPLEMENTIONOFTHISKINDOFPREDISTORTORACCORDINGTOTHEFEATUREOFALGORITHMINTHEPRACTICALDESIGNOFCIRCUITS，WESIMPLIFIEDTHEDESIGNSTRUCTUREOFCIRCUITS，REDUCEDTHEIIDATACOMPUTATIONALCOMPLEXITYANDRESOURCECONSUMPTIONGREATLYINFPGAINORDERTOV嘶匆THEDESIGN,WECONSTRUCTSPECIFICPARAMETERSWIENERMODELOFHIGHPOWERAMPLIFIER0NATHERESULTSOFTESTDEMOSTRATETHATTHEPREDISTOIRTORCANREDUCETHEINTEM。DULATIONDIST。RTI。NIMDUPTO18DBANDPROVECORRECTNESSOFDESIGNINGMETHODSKEYWORDSOFDM，HPA，NONLINEAR,DIGITALPREDISTORTIO轧FPGAIII图目录图目录图21采用SM方案的MIMO系统结构6图22采用SD方案的MIMO系统结构6图23OFDM系统基本模型框图。8图24基于FFT的OFDM系统框图9图25添加循环前缀示意图1O图26预失真技术原理框图13图27数字上变频器架构图14图28数字上变频频谱搬移示意图14图29整数倍内插时域表示图肛315图210插值滤波器示意图15图31MIMOOFDM系统发射机体系结构17图32同步帧结构1667“0025416750MS20图33数据帧结构20图34系统发射机硬件电路板框图21图35系统发射机硬件电路板实物图21图36系统发射机FPGA总体设计22图370FDM调制原理图23图38升采样设计模块图24图39XFFTCORE引脚图25图310FFT40CORE模块时序图连续数据流27图311添加循环前后缀的OFDM示意图28图312OFDM符号添加前后缀操作示意图28VTL图目录图313经过加窗处理后的OFDM符号示意图29图314OFDM符号的加窗设计。30图315系统信号组帧实现结构图。31图316系统信号组帧状态控制转移图。32图317基于WOLTERRA级数间接学习型预失真器结构图34图318VOLTERRA预失真器硬件结构图35图319计算输入矢量结构图36图320矢量内积的二叉树求和37图321LMS自适应模块38图322升采样250倍FIR插值滤波器幅频特性39图323升采样250倍IIR插值滤波器幅频特性。40图324升采样250倍IIR插值滤波器相频特性。40图325升采样250倍IIR插值滤波器零极点图。41图326CIC抽取和内插滤波器内部结构图42图327CIC内插滤波器幅频响应R250，MI，N342图328CIC内插滤波器相频响应R250，MI，N3143图329CIC内插滤波器幅频响应局部放大图R250，MI，_344图330CICCOREV30接口图44图331CIC插值滤波器时序图尺845图332IQ调制原理46图333DDSCOREV50引脚图46图334异步双口RAM读时序图50图335异步双口RAM写时序图50图336DPRAM2区域命名及地址分配图51图目录图337FPGA控制AP状态转移图52RAM2图338RS232与DSP1接口时序示意图53图339AP区域命名及地址分配图54RARNL图340RS232串口控制状态转移图55图341FPGA控制AP状态转移图56RAML图41频域4倍升采样时域仿真图MATLAB仿真57图424倍升采样仿真波形MODELSIM仿真58图43IFFT模块仿真波形图MODELSIM仿真58图44OFDM符号添加循环前后缀仿真波形图MATLAB仿真59图45OFDM符号添加循环前后缀仿真波形图MODELSIM仿真59图46OFDM符号加窗仿真波形图MATLAB仿真60图47OFDM符号加窗仿真波形图MODELSIM仿真60图48OFDM符号组帧仿真图MATLAB仿真61图49OFDM符号组帧仿真图MODELSIM仿真61图410原始双音输入信号频谱62图411通过记忆非线性功放后双音信号频谱未经预失真63图412通过记忆非线性功放后双音信号频谱经过预失真63图413数字上变频仿真波形图MODELSIM仿真64图414实测四音信号经过CIC内插滤波器后时域波形图64图415实测IQ调制后时域波形图65图416发射机中频OFDM信号频谱图65图417中频直连测试示意图66图418中频直连测试环境下FFT后的星座图66图419中频直连测试环境下经信道估计后的星座图67表目录表目录表31系统主要技术指标18表32子载波分配方式19表33FFTCOREV40外部引脚功能说明25表34CICCOREV30引脚定义45表35DDSCOREV50引脚说明46表36DDSCOREV50参数配置说明47表37DB9MALE连接器引脚定义48表38CY7C026AV主要引脚定义49表41发射机FPGA设计部分的资源占用情况67表42预失真器FPGA设计的资源占用情况68X缩略词表英文缩写英文全称3GB3GPSKFDIVIATDMACDMAOFDMACPDFTFFTGPSGSMICIIDFTFIRIIRCICIFFTISIMIMOOFDMP廿RQAMDUCDDCSTC缩略词表3旧GENERATIONBEYOND3RDGENERATIONPHASES11IRKEYINGFREQUENCYDIVISIONMULTIPLEACCESSCUMULATIVEDISTRIBUTIONFUNCTIONCODEDIVISIONMULTIPLEACCESSORTHOGONALFREQUENCYDIVISIONMULTIPLEACCESSCYCLICPREFIXDISCRETEFOURIERTRANSFOLRILLFASTFOURIERTRANSFORMGLOBALPOSITIONSYSTEMGLOBALSYSTEMFORMOBILECOMMUNICATIONINTERCARRIERINTERFERENCEINVERSEDISCRETEFOURIERTRANSFORNIFINITEIMPULSERESPONSEINFINITEIMPULSERESPONSECASCADEINTEGRATORCOMBINVERSEFASTFOURIERTRANSFORMINTERSYMBOLINTERFERENCEMULTIPLEINPUTMULTIPLEOUTPUTORTHOGONALFREQUENCYDIVISIONMULTIPLEXINGPEAKTOAVERAGEPOWERRATIOQUADRATUREAMPLITUDEMODULMIONDIGITALUPCONVERTDIGITALDOWNCONVEASPACETIMECODINGXI中文释义第三代移动通信系统后3G移动通信系统相移键控频分多址累积分布函数码分多址正交频分多址循环前缀离散傅立叶变换快速傅立叶变换全球定位系统全球移动通信系统载波间干扰离散傅立叶反变换有限冲激响应无线冲激响应级联积分梳状快速傅立叶反变换符号间干扰多输入多输出正交频分复用峰值功率与平均功率比正交幅度调制数字上变频数字下变频空时编码缩略词表PLLNCODDSSMSDHPAIMDLMSPNROMRAMFPGADSPASSPADCDACFIF0WIIAXSDRPHASELOCKEDLOOPNUMEFICFLLYCONTROLEDOSCILLATORDIRECTDIGITALSYNTHESISSPACEMULTIPLEXINGSPACEDIVERSITYHIGHPOWERAMPLIFIERINTERMODULATIONDISTORTIONLEASTMEANSQUAREPSEUDONOISEREADONLYMEMORYRANDOMACCESSMEMORYFIELDPROGRAMMABLEGATEARRAYDIGITALSIGNALPROCESSORAPPLICATIONSPECIFICSTANDARDPARTSANALOGTODIGITALCONVERTERDIGITALTOANALOGCONVERTERFIRSTINFIRST0UTWORLDWIDEINTEROPERABILITYFORMICROWAVEACCESSSOFTWAREDEFINEDRADIO锁相环数控振荡器直接数字合成空间复用空间分集高功率放大器互调失真最小均方伪噪声只读记忆随机存取记忆现场可编程门阵列数字信号处理器专用标准产品模拟数字转换器数字模拟转换器先入先出微波存取全球互通软件无线电主要数学符号表符号类别变量产R且大里矢量转置求和求自然对数为底的幂求以2为底的对数求复数实部求复数的模求正弦求余弦向上取整主要数学符号表字体、说明或用法小写斜体字符大写粗体蒯厅H矿酬州州H刚刚H独创性声明本人声明所呈交的口位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意签名霉腿日期扣洚岁月。17日关于论文使用授权的说明本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。保密的学位论文在解密后应遵守此规定签名襄I率氐，第一章绪论11移动通信的发展概况第一章绪论1873年，麦克斯韦提出电磁波辐射理论，奠定了无线通信的理论基础1897年5月18日，马可尼进行横跨布里斯托尔海峡的无线电通信试验取得成功，标志着无线电通信的诞生；1901年，马可尼实现了隔着大西洋的无线电通信。自20世纪初以来，随着巨大的市场需求、理论界的一次次跨越、微电子和半导体器件的进步，使移动通信技术日益成熟并得到飞速发展，移动通信进入了崭新的时代。第一代蜂窝移动通信系统出现于20世纪80年代早期，采用频分多址和模拟技术，仅能提供语音服务，不能传输数据。模拟系统的缺点主要有频谱利用率低、抗干扰能力差、系统容量小以及系统保密性差等。因此，模拟蜂窝技术不能满足未来多媒体通信业务的需求，必将在日益激烈的市场竞争中被逐步淘汰。进入20世纪80年代，社会的发展对移动通信的容量、质量以及业务种类都提出了更高的要求。而且超大规模集成电路、微型计算机、微处理器和数字信号处理技术的进一步发展及其大量应用，为开发数字移动通信系统提供了技术保障。80年代中期，欧洲首先推出了全球移动通信系统GLOBALSYSTEMFORMOBILE，GSM。20世纪90年代初，美国QUALCOMM公司推出了窄带码分多址LLLCODEDIVISIONMULTIPLEACCESS，CDMA蜂窝移动通信系统，成为移动通信系统发展中的里程碑。由于数字蜂窝移动通信系统具有容量大、频谱利用率高、通信质量好、业务种类多、易于加密、抗干扰能力强、用户设备小、系统成本低等优点，从而在全世界范围得到了迅速的应用，目前广泛使用的数字移动通信系统就是第二代移动通信系统【2】。然而第二代数字移动通信系统的数据传输速率也只有96KBITS，最高可达32KBITSS，依然不能满足人们对多媒体通信业务的需求。随着多年技术的发展和融合，国际电信联盟已经确定了第三代移动通信标准，主要有欧洲和日本合作的WCDMA、美国的CDMA2000、中国的TDSCDMA以及后来补充进来美国的WIMAX。第三代移动通信要求在系统中添加各种宽带数据业务，以支持语音视频、互联网接入以及其他更高速率的数据业务。目前在美国、日本及欧洲等国家和地区已经开展了3G网络的商业化运营。在中国，随着工业信电子科技大学硕士学位论文息化产业部对电信运营商3G牌照的发放，3G网络的建设也在密锣紧鼓的建设中，3G网络的大规模商业运营也即将展开。但是由于3G技术能够提供的数据传输速率只有384KBITSS2MBITSS，依然不能满足人们未来的通信要求。因此，人们寄希望于B3GBEYOND3G移动通信系统【引，使未来移动通信系统可以拥有更大的系统容量、更好的通信品质、更高速数据传输和更高的频谱利用率。在第三代移动通信系统主要是以CDMA为核心技术，而未来B3G移动通信系统关键技术中主要是多进多出MULTIPLEINPUTMULTIPLEOUTPUT，MIMO技术14J和正交频分复用ORTHOGONALFREQUENCYDIVISIONMULTIPLE，OFDMIS技术，当然也包括诸如智能天线、软件无线电等技术。目前大多数电信运营商已经选择LTELONGTERMEVOLUTION作为B3G的演进技术。12未来无线通信的关键技术121MIMO和OFDM技术MIMO技术即是多进多出MULTIPLEINPUTMULTIPLEOUTPUT，MIMO技术，它在通信系统发射端和接收端都采用多天线技术，MIMO的多入多出是针对多径无线信道而言的。MIMO系统可以创造多个并行空间信道。通过这些并行空间信道独立地传输信息，数据率必然可以提高。此时的信道容量随着天线数量的增大而线性增大。也就是说可以利用MIMO信道成倍地提高无线信道容量，在不增加带宽和天线发送功率的情况下，频谱利用率可以成倍地提高。利用MIMO技术可以提高信道的容量，同时也可以提高信道的可靠性，降低误码率。目前MIMO技术领域一个研究热点是空时编码SPACETIMECODE，STC，其主要思想是利用空间和时间上的编码实现一定得空间分集和时间分集。常见的空时编码有空时块码SPACETIMEBLOCKCODE，STBC和空时格码SPACETIMETRELLISCODE，STTC。OFDM技术【6】【81是一种特殊的频分复用【9】【10FREQUENCYDIVISIONMULTIPLEACCESS，FDMA，是目前已知频谱利用率最高的一种通信技术，它与数字调制、数字信号处理、多载波传输等技术有机结合在一起所构建的通信系统具有传输速率快、频带利用率高和抗多径能力强等优点，因此越来越受到人们的重视。OFDM主要是在频域内将所给信道划分为许多正交子信道，在每个子信道上使用一个子载波进行调制，且各个子载波并行进行传输，这样可以有效对抗无线信道的多径效应，消除符号间干扰INTERSYMBOLINTERFERENCE，ISI。另外，OFDM系统的各个一2第一章绪论子载波之间是相互正交的，其频谱之间也相互交叠，这样可以大大提高系统的频谱利用率，在有限的传输带宽内，使数据传输速率大幅度提高【11】。122软件无线电技术纵观当前的移动通信市场，多种通信体制共存、新体制不断涌现以及无线频带越来越拥挤的发展现状，在20世纪90年代提出了软件无线电概念。软件无线电SOFTWAREDEFINEDRADIO，SDR的思想是构造一个通用硬件平台，并使宽带AD和DA转换器尽量靠近天线，在数字域完成信号的各种处理，并在这个通用硬件平台上通过软件编程来灵活的实现各种通信功能。软件无线电要求AD和DA转换器具有很高的采样速率和采样精度，采样速率一般要求大于信号带宽的25倍，采样精度在80DB的动态范围内要求不能低于12位；而数字下变频DIGITALDOWNCONVERTER，DDC是AD变换后首先要完成的工作，包括数字下变频、滤波和二次采样，这是系统中数字处理运算量最大的部分，通常采用现场可编程门阵YUFPGA来完成；而基带部分的信号处理、调制解调、编译码等通常由数字信号处理器DSP完成，当单个DSP处理能力不足时，可采用多个DSP芯片并行处理的方式进行。将软件无线电的思想延伸到移动通信领域，设想不需要为每一种新的移动通信体制重新建网、更换设备，只需在各个基站中建设统一的硬件平台，不论是现有的各种体制和标准，还是将来新出现的体制和标准，都以软件加载的方式进行更新换代，这样既节省了重新建网的费用，又缩短了从研究到应用的周期，进而更好更快地促进移动通信的发展【121。13本文主要研究内容131研究任务本文的目的是研究无线MIMOOFDM系统发射机中OFDM调制、信号组帧、数字预失真技术、数字上变频以及外围接口的FPGA实现。各模块实现的理论算法由其他同学提供，其性能已经通过MATLAB仿真验证。本文的主要研究工作是找到发射机系统中较为优化的FPGA实现方案，用尽可能少的资源，完成相关算法的实现，并使得性能接近于算法仿真时所达到的性能。3电子科技大学硕士学位论文132论文结构及主要内容第一章首先介绍了移动通信的历史发展情况，然后对未来移动通信的关键技术MIMO和OFDM技术及软件无线电技术进行简单的介绍；第二章首先介绍了MIMO系统的工作原理，然后对项目中的系统关键技术OFDM及相关技术的基本原理和技术细节进行了介绍针对OFDM系统峰均比过高的特点，阐述了预失真技术的基本原理；第三章为全文的重点，首先介绍了MIMOOFDM系统发射机的体系结构、以及系统参数，接着详细介绍了系统发射机的硬件电路结构设计以及系统发射机FPGA的总体设计，然后详细地阐述了系统发射机各个子模块的功能、算法实现和FPGA设计，包括OFDM符号调制、系统信号组帧、数字预失真、数字上变频以及FPGA外围接口设计。第四章首先对FPGA中各设计模块进行验证，然后对系统发射机以及通信系统全链路进行验证，最后分析了FPGA设计的资源占用情况。第五章对全文进行概括性的总结，并提出了下一步的工作的研究任务。14本章小结本章首先介绍了移动通信发展现状以及未来移动通信的发展趋势，然后对本项目无线MIMOOFDM通信系统的核心技术MIMO、OFDM技术以及软件无线电的思想进行简略介绍。最后对本文研究工作的研究任务以及论文结构和内容进行了介绍。4第二章MIMOOFDM通信系统技术原理及特点第二章MIMOOFDM通信系统技术原理及特点21MIMO系统技术原理MIMO系统的基本原理就是在发射端和接收端均采用多天线或阵列天线和多通道，MIMO的多入多出是针对多径无线信道来说的。传输信息流SJJ经过空时编码形成个信息子流QJJ，FL，N，这个信息子流由N个天线发射出去，经空间信道后由M个接收天线接收。特别是，这个信息子流同时发送到信道，各发射信号占用同一频带，因而并未增加带宽。若各发射接收天线间的通道响应独立，则多入多出系统可以创造多个并行空间信道。通过这些并行空间信道独立地传输信息，数据率必然可以提高。此时的信道容量随着天线数量的增大而线性增大。也就是说可以利用MIMO信道成倍地提高无线信道容量，在不增加带宽和天线发送功率的情况下，频谱利用率可以成倍地提高。利用MIMO技术可以提高信道的容量，同时也可以提高信道的可靠性，降低误码率。前者是利用MIMO信道提供的空间复用增益，后者是利用MIMO信道提供的空间分集增益。因此，按MIMO系统的结构不同，又可以分为采用空间复用SM方案的MIMO系统和采用空间分集SD方案的MIMO系统【L31。211空间复用方案在不增加系统带宽和天线发送功率的情况下，空间复用可以提供随发送天线数目线性增长的数据传输速率。在空间复用中，要发送的数据比特流被分为经过空时编码形成若干个较低速率的子比特流，在各个发射天线上被同时发送；接收机通过信道信息可以区分并分别提取来自各个发射天线的信号，然后恢复出各个原始的子比特流，合并后就可以得到原始比特流。实现空间复用增益的算法主要有BLAST算法、ZF算法、MMSE算法和ML算法。ML算法具有良好的译码性能，但是复杂度较高，对于实时性要求较高的无线通信不能满足其要求；ZF算法比较简单，但是要求系统具有较高的信噪比；性能和复杂度最优的为BLAST算法。采用空间复用方案的MIMO系统结构如图21所示。5电子科技大学硕士学位论文图21采用SM方案的MIMO系统结构212空间分集方案空间分集方案为MIMO系统提供空间分集增益，即在一定的数据传输速率下，可以获得更好的误码率性能。传统的多天线被用来增加分集度从而克服信道衰落。具有相同信息的信号通过不同的路径被发送出去，在接收机端可以获得数据符号多个独立衰落的复制品，从而获得更高的接收可靠性；对于发射分集技术来说，同样是利用多条路径的增益来提高系统的可靠性。在一个具有根发射天线M根接收天线的系统中，如果天线对之间的路径增益是独立均匀分布的瑞利衰落，可以获得的最大分集增益为MN。空时编码STC就是依靠在空间上的编码来获得分集的一种技术。采用空间分集方案的MIMO系统结构如图22所示。图22采用SD方案的MIMO系统结构22OFDM系统技术原理OFDM是多载波调制的一种，其主要思想为在频域内将所给信道分成很多正交子信道，在每个子信道上使用一个子载波进行调制，且各个子载波并行传输。6第二章MIMOOFDM通信系统技术原理及特点OFDM特别适合于存在多径传播和多普勒频移的无线移动信道中进行传输高速数据，能有效对抗多径效应，消除ISI，对抗频率选择性衰落，信道利用率高。从时域看，由于把高速数据流通过串并变换，分配到传输速率相对较低的若干子信道中进行传输，因此每个子信道中的数据符号周期会相对增加，可以减轻由无线信道的多径时延扩展所带来的影响。从频域上看，由于各个子信道之间是互相正交的，信号通过子载波在各个子信道上独立地进行传输，各个子载波的频谱相互重叠，因而可以得到较高的频谱利用率；如果每个子信道的带宽被划分得足够窄，使得子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽，每个子信道的频率特性就可近似看做是平坦的，即每个子信道都可看做无符号间干扰的理想信道。这样，在接收端不需要使用复杂的信道均衡技术即可对接收信号可靠地进行解调【L】。221OFDM系统基本模型一个OFDM符号之内包含多个经过调制的子载波的合成信号，其中每个子载波都可以受到相移键控PSK或者正交幅度调匍JQAM符号的调制。如果表示子载波的个数，丁表示OFDM符号的持续时间周期，ZF0，1，N一1是分配给每个子信道的数据符号，F是第F个子载波的载波频率，矩形函数RECTT1，ITIT2，则从T，。开始的OFDM符号可以表示为SO，RE篓Z陀CR。一一丁，2，EXPC，2万O一，T。T一旦将要传输的比特分配到各个子载波上，某一种调制模式则将其映射为子载波的幅度和相位，通常采用等效基带信号来描述OFDM的输出信号J善咖甜卜刁他EXPJ2万亍I卜伽归气22【0FT，丁其中S，的实部和虚部分别对应于OFDM符号的同相和正交分量，在实际系统中可以分别与相应子载波的余弦分量和正弦分量相乘，构成最终的子信道信号和合成的OFDM符号。在图23中给出了OFDM系统基本模型框图，其中，ZIT。在接收端，将收到的同相和正交分量反映射回数据信息，从而完成子载波解调【L】。7电子科技大学硕士学位论文串并EJLTL一_ENI如掣睁I2UFTVO0E12。IY并串图23OFDM系统基本模型框图对于比较大的系统来说，式22中的OFDM复等效基带信号可以采用离散傅立叶逆变换IDFT方法来实现。为了叙述的简洁，令公式22QH的0，并且忽略矩形函数，对SF信号以TN的速率进行抽样，即令TKTNK0，1，N1，则得到篓ZE歹等0_K预失真器功率放大器图26预失冥技术原理框图我们可以调整预失真器的参数，使输入信号矿经过预失真器进行失真后的信号巧再输入非线性功率放大器，使输出为线性输出VO厂屹DK27K形预失真系统基本都是基于以上原理，在具体实现方式又可以分为以下三种13电子科技大学硕士学位论文射频预失真、中频预失真和基带预失真。与前两者相比，基带预失真技术具有很大的优势，这是由于基带预失真技术不涉及难度大的射频信号处理，只在低频部分对基带信号进行补偿处理，因而这种方法更便于使用现代的DSP技术，同时可以通过增加采样率及量化阶数的办法来抵消高阶互调失真。234数字上变频技术数字上变频的基本原理是利用插值、滤波和混频的方式，将基带信号的频谱直接搬移至中频。数字上变频器的构架及频谱搬移如图27及28所示。数据图27数字上变频器架构图基带中频射频图28数字上变频频谱搬移示意图1插值滤波插值滤波的主要功能就是用来完成信号采样率的变换。所谓的插值，就是指在原始序列相邻的两个采样点之间插AK1个零值，从而使采样率变为原来的K倍，插值示意图如图29所示。14第二章MIMOOFDM通信系统技术原理及特点翟馨输入序列。，、。Q。岁，TL了甲甲慝怒忙坩忑磊刊蕊剥焉图417中频直连测试示意图在中频直连测试环境下，数据在中频发送设备中经过编码、16QAM调制、多载波调制后，经过有线信道，在中频接收设备中经过时间同步、OFDM符号解调后，利用CHIPSCOPE采集FPGA中的数据，将其导入MATLAB进行处理后，得到了如图418所示的星座图，再进行信道估计后，得到如图419所示的星座图。图418中频直连测试环境下FFT后的星座图通过观察图419所示的星座图，我们可以发现在中频直连的测试环境下，星座图有点发散，造成这种结果的原因可能是1信号在各处理阶段由于数据截位所造成的精度损失；66第四章设计验证与性能分析2在数字上变频信号处理中，由于CIC内插滤波器通带内的不平坦性所造成的信号幅度失真；一O8O60402002040608图419中频直连测试环境下经信道估计后的星座图44系统资源占用分析441发射机设计的资源占用为了适应系统方案的调整，充分发挥软件无线电的设计思想，更快、更好地在硬件平台上实现各种方案的设计，故将原来在FPGA实现的OFDM符号调制及组帧部分转移到DSP中去实现，而只在FPGA中完成升采样滤波、IQ调制以及外围接口的设计。故此最终系统发射机中FPGA设计资源占用情况如表41所示表41发射机FPGA设计部分的资源占用情况名称使用数量总数量占用百分比SLICE2422330887SLICE寄存器25556617634输入查找表3807661763输入输出端口LOB1159267GCLK全局时钟1166BLOCKRAM6328167眦眈。舵“舶呲电子科技大学硕士学位论文综合报告显示，最小时钟周期为12299NS，即最高工作频率为81310MHZ，系统的工作时钟频率为40MHZ，因此满足系统设计的要求。442预失真器设计的资源占用根据36节预失真器的设计及423节对预失真器设计方法的测试可知，由于HPA也在FPGA中进行建模，因此预失真器整体设计对芯片XC2VP70资源占用情况如表42所示表42预失真器FPGA设计的资源占用情况名称使用数量总数量占用百分比SLICE57023308817SLICE寄存器744766176114输入查找表68726617610输入输出端口LOB179261GCLK全局时钟L166BLOCKRAM5328118X18乘法器10032830FPGA的几项主要资源一SLICE、查找表、BLOCKRAM、硬件乘法器均有不同程度的使用，其中SLICE、硬件乘法器使用最多。根据算法可知，数据处理过程中存在大量的乘法和加减法运算，而在FPGA实现又采用了并行计算的方式，所以消耗了大量的SLICE和硬件乘法器；同时综合报告显示，最小时钟周期为11316NS，即最高工作频率为88369MHZ。68第五章总结51主要工作及贡献第五章总结本文针对无线MIMOOFDM通信系统方案，对发射机系统中关键技术进行了研究和设计，在多天线发送板的XC2VP705FFL704芯片上实现了诸如OFDM调制、系统信号组帧、数字预失真以及数字上变频FPGA设计，同时实现了FPGA与PC机的RS232接口、通过异步双口RAM与DSP的接口设计，通过软件仿真以及在中频直连环境中进行全链路的硬件测试，验证了FPGA设计的正确性。本文的主要贡献有1在OFDM调制和系统信号组帧设计方面，根据系统方案要求及相关算法完成了FPGA设计并在MODELSIM中进行了电路仿真；2在数字上变频及FPGA外围接口设计方面，完成了FPGA设计、MODELSIM中电路仿真以及硬件电路调试；3在数字预失真器设计方面，研究了基于VOLTERRA级数间接学习型预失真器的算法，并在FPGA完成了该类型预失真器的设计；在实际的硬件电路设计中，针对该算法的特点，在电路实现结构上进行了简化，大大减少了数据的运算量，同时相应地减少了对FPGA资源的消耗；最后对该设计方法进行了硬件测试验证，测试结果表明，针对特定参数功率放大器的模型，该设计可以有效改善IMD达18DB，从而可以确定该设计方法的正确性。52下一步研究工作由于时间方面的限制，本文各设计模块中一些重要参数以及相关运算数据的截位定标只是保守的估计值，而最终值需要在外场测试中通过实际的测试才能确定；同时也需要根据实际的外场测试结果进一步修改完善相关模块的设计。另外对数字预失真相关算法研究的还不够，在以后的工作中，需要对一下几个方面进行研究1在中频直连环境下，需要测量不同信噪比下的误比特率；69电子科技大学硕士学位论文2需要根据实际外场测试的结果，对各设计模块进行进一步的改进，提高系统的性能3在实际硬件电路设计中，更多更好地使用MATLAB的定点仿真，使得硬件设计更加贴近相关算法；4在FPGA中实现数字预失真器，需要根据相关的理论算法，研究如何进一步减少运算量并在硬件电路设计中采用折叠的实现方式来减少对FPGA资源的消耗；70致谢致谢在本论文即将完成之际，在这里我要向培养、教育过我的老师以及关心、帮助过我的同学和朋友表示衷心的感谢和崇高的敬意首先，要感谢我的指导老师刘皓副教授。刘老师为我创造了良好的学习环境，在学术研究方面对我悉心的指导；同时刘老师渊博的知识、严谨的治学态度以及对科学前沿的敏锐洞察力，都给我留下了深刻的印象。在项目中，刘老师丰富的工程实践经验、热情的工作态度也让我受益匪浅；在生活中，他宽以待人的高尚品德以及对我的体谅和包容，将令我永生难忘。同时我也衷心的感谢实验室的雷霞老师，在科研中她帮助我克服一个又一个的困难；同时她对工作的严谨以及对学生无私的关心令我相当的感动。感谢整个项目组的所有同学以及师兄师弟，特别是李发军、林波、侯致宝、王运健、李毅然、王菲、刘明辉、周楠清、张骞、李夏、王明等人。大家在项目的研发过程中相互帮助，相互鼓励，一起克服困难，并取得了成功，这段经历令我终生难忘。最后，深深地感谢我的父母，感谢他们一直以来对我无限的关爱和支持71电子科技大学硕士学位论文1】2】3】【4】【5】【6】【7】【8】【9】【10】【11】12】【13】【14】【15】参考文献佟学俭，罗涛OFDM移动通信技术原理与应用人民邮电出版社，2003李文元无线通信技术概论国防工业出版社，2006KIMY，JEONGBJ，CHUNGJBEYOND3GVISION,REQUIREMENTS，ENABLINGTECHNOLOGIES【J】IEEECOMMUNICATIONMAGAZINE，2003，413120124MOHINDERJANKIRAMANSPACETIMECODESANDMIMOSYSTEMSARTECHHOUSE，2004尤肖虎，曹淑敏，傅学群我国未来移动通信研究开发展望【J】电信科学，2002，1882629RPRICEANDPEGREENACOMMUNICATIONTECHNIQUEFORMULTIPATHCHANNELPROCEEDINGSOFTHEIRE,1958555570CHANGRW，GIBBYRAATHEORETICALSTUDYOFPERFORMANCEOFANORTHOGONALMULTIPLEXINGDATATRANSMISSIONSCHEME【J】IEEETRANSACTIONSONCOMMUNICATIONS，1968，164529540JACBINGHANLMULTICARRIERMODULMIONFORDA