（通信与信息系统专业论文）b3g系统关键技术的fpga设计与实现——同步、ofdm解调.pdf

摘要 摘要 近年来，随着人们对高速数据传输和多媒体业务需求的不断增长，多入多出 ( m i m o ) 和正交频分复用( o f d m ) 技术已成为无线移动通信领域的研究热点。由于 能够显著改善频谱效率、提高数据传输速率和系统容量，m i m o o f d m 技术被广 泛认为是后三代移动通信系统( b 3 g ) 的关键技术。然而，o f d m 对频率偏移非常敏 感，因此同步技术也成为b 3 g 系统的关键技术之一，备受关注。 在国家“8 6 3 ”f u t u r e 计划中，电子科技大学负责b 3 gt d d 方式下o f d m 下行链路的设计，其硬件实现主要是基于现场可编程门阵y i j ( f p g a ) 进行开发。该 链路由数字基带发送板、多天线发送板、多天线接收板、信道估计与m i m o 扳和 数字基带接收板构成。 本文负责多天线接收板的开发工作，即针对同步、o f d m 解调进行f p g a 设 计、编程实现、仿真测试和电路验证，最终实现b 3 gt d d 下行链路的联通，使系 统性能符合设计要求。 前两章概述了本文的研究背景、课题来源，并简单介绍了在本文f p g a 设计 中用到的开发工具、仿真软件、测试软件和所选器件等。主要器件为x i l i n x 公司 的x c 2 v p 7 0 芯片和a d 公司的模数转换器a d 6 6 4 4 。 第三章详细介绍了b 3 g t d d 下行链路中同步技术和o f d m 解调的算法原理， 并从硬件实现的角度对其进行了一定的改进。 第四章首先简介全链路的总体硬件实现方案，然后对同步、o f d m 解调部分 各功能模块的f p g a 设计进行详细阐述，给出各模块的实现结构框图和仿真波形 图。主要包括时间同步模块、频率粗同步模块、频率精同步模块、定时恢复模块、 尾帧检测模块、a g c a f c 辅助模块、o f d m 解调模块和r o c k e ti o 接口模块等。 第五章基于多天线接收板对f p g a 设计进行了电路验证，通过c h i p s c o p e 软 件观测芯片内的状态转换、数据处理等信息，证明了设计的正确性。同时，对资 源占用情况和系统运行速度进行了小结。 最后，第六章对全文进行了概括性总结，明确了下一步有待进行的工作和未 来的一些研究方向。 关键词：b 3 g ，f p g a ，o f d m 解调，时间同步，频率同步 a b s t r a c t a b s t r a c t r e c e n t l y , t h en e e do fh i g h - s p e e dd a t at r a n s m i s s i o na n dm u l t i m e d i as e r v i c e sm a k e m u l t i p l e - i n p u tm u l t i p l e o u t p u t ( m i m o ) t e c h n i q u ea n do r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ( o f d m ) b e c o m eh o t s p o ti nt h ef i e l do fw i r e l e s sm o b i l ec o m m u n i c a t i o n m i m o o f d mh a sb e e nr e g a r d e da st h ek e yt e c h n o l o g yo f b 3 gc o m m u n i c a t i o ns y s t e m b e c a u s ei tc a ni m p r o v es y s t e mc a p a c i t ya n ds p e c t r u me f f i c i e n c y h o w e v e r , o f d mi s v e r ys e n s i t i v et o 台e q u e n c yo f f s e t t h e ns y n c h r o n i z a t i o ni ss i g n i f i c a n tt ob 3 gs y s t e m d u r i n gt h en a t i o n a l 8 6 3 ”f u t u r ep r o j e c t ，u e s t ci si nc h a r g eo f t h eb 3 gt d d d o w n l i n kt h a tb a s e so nf p g a t h ed o w n l i n kc o n s i s t so ff i v eb o a r d sw h i c ha r e r e s p o n s i b l ef o rd i g i t a l b a s e b a n dt r a n s m i t t i n g ，m u l t i a n t e n n at r a n s m i t t i n g ，m u l t i a n t e n n a r e c e i v i n g ，c h a n n e le s t i m a t i o na n ddj 罾t a l b a s e b a n dr e c e i v i n gr e s p e c t i v e l y t h i sp a p e ri sr e s p o n s i b l ef o rm u l t i a n t e n n ar e c e i v i n gb o a r da n dh a sf i n i s h e dt h e f p g ad e s i g no fs y n c h r o n i z a t i o na n do f d md e m o d u l a t i o n s i m u l a t i o na n dt e s t i n g r e s u l t sh a v ep r o v e dt h ep e r f o r m a n c eo f b 3 gd o w n l i n k c h a p t e ro n ea n dc h a p t e rt w oi n t r o d u c e dt h eb a c k g r o u n do ft h i sd i s s e r t a t i o n ， d e v e l o p m e n ts o f t w a r ea n dt h ec h a r a c t e ro fd e v i c e ss u m m a r i l y , s u c ha sx i l i n xx c 2 v p 7 0 c h i pa n da d 6 6 4 4 c h a p t e r t h r e ed e s c r i b e dt h ea l g o r i t h mo fs y n c h r o n i z a t i o na n do f d md e m o d u l a t i o n a n di m p r o v e dt h em e t h o db a s e do nh a r d w a r er e a l i z a t i o n a f t e ri n t r o d u c t i o no ft h ew h o l ef p g ad e s i g no fb 3 gd o w n l i n k ，c h a p t e rf o u r s c h e m e do u te v e r yf u n c t i o nm o d u l es u c ha st i m e s y n c h r o n i z a t i o n ，f r e q u e n c y s y n c h r o n i z a t i o n ，t i m i n gr e c o v e r y , l a s tf r a m ed e t e c t ，o f d md e m o d u l a t i o na n dr o c k e t i oi n t e r f a c ee t c l o t so fs t r u c t u r es c h e m e sa n ds i m u l a t i o nw a v e sw e r ep r e s e n t e d c h a p t e rf i v ep r o v e dt h ev a l i d i t yo ff p g ad e s i g nb a s e do nc h i p s c o p ea n dc i r c u i t t e s t i n ga n da n a l y s e dt h er e s o u r c ea n dr u n n i n gs p e e d f i n a l l y , i nc h a p t e rs i x ，w es u m m a r i z e da n dc o n c l u d e dt h ew h o l ed i s s e r t a t i o n f u r t h e rr e s e a r c hi s s u e sa n dp o s s i b l er e s e a r c hd i r e c t i o n sw e r ep o i n t e do u t k e y w o r d s ：b 3 gf p g a ，o f d md e m o d u l a t i o n ，t i m es y n c h r o n i z a t i o n ，f i e q u e n c y s y n c h r o n i z a t i o n i i 图形列表 图形列表 图2 - 1 c h i p s c o p e 工作原理6 图2 - 2v i r t e x i ip r o 系列产品结构示意图8 图2 - 3a d 6 6 4 4 内部结构框图9 图3 - 1插入循环前缀的o f d m 符号一1 1 图3 - 2o f d m 系统框图1 2 图3 - 3b 3 g t d d 下行链路的系统帧结构1 7 图3 - 4 b 3 gt d d 下行链路的基本框架1 8 图3 - 5同步时隙结构图1 8 图3 - 6下行同步码结构图1 9 图3 7时间同步的算法流程2 0 图3 - 8o f d m 系统基本模型框图2 4 图4 - 1 b 3 gt d d 下行链路的硬件系统架构框图2 7 图4 - 2多天线接收板的设计框图2 8 图4 - 3多天线接收板的算法流程一2 9 图4 4同步模块的f p g a 设计框图2 9 图4 5时间同步模块的结构框图3 0 图4 - 6适应门限的结构框图3 1 图4 7时问同步模块仿真波形图3 2 图4 ，8频率粗同步模块的结构框图3 3 图4 - 9粗频偏估计子模块的结构框图3 3 图4 1 0 粗频偏估计子模块仿真波形图3 4 图4 - 1 1粗频偏补偿模块的结构框图3 4 v i 图形列表 c o r d i cv 3 0i p 核的结构框图3 6 c o r d i c v 3 0 i p 核的时序波形图3 7 频率精同步模块的结构框图一3 8 定时恢复模块的结构框图3 9 定时恢复模块的仿真波形图3 9 常见d p l l 的结构框图4 0 累加型d c o 的结构框图4 1 相位比较器和s a r 的简化结构框图4 1 d p l l 的仿真波形图4 2 同步信号的格式说明4 2 p o w e r p c 与接口关系图4 3 同步与o f d m 解调芯片间数据传送格式4 4 o f d m 解调模块的f p g a 设计框图4 5 f f t 核外部引脚图4 6 插入序号模块的结构框图4 8 插入序号后o f d m 符号格式4 9 插入序号模块的仿真波形图4 9 r o c k e ti o 内部结构框图5 0 r o c k e ti o 接口结构框图5 2 r o c k e t i o 接口仿真波形图5 3 测试单路a d c 接口模块接收正弦波5 5 测试多路a d c 接口模块接收正弦波5 5 测试a d c 接口模块接收实际数据5 6 测试时问同步及尾帧检测模块5 6 2 3 4 5 6 7 8 9 o 1 2 3 4 5 6 7 b ) ) 0 化 邶 州 似 蛳 伽 榔 伽 蚴 蚴 ! 蚴 似 秘 秘 埘 螂 蚴 纠 。： 粥 舛 图 图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图 图形列表 图5 5 图5 - 6 图5 7 图5 8 图5 - 9 图5 1 0 图5 - 1 1 图5 1 2 测试插入序号模块全局图 测试插入序号模块局部图 测试r o c k e ti o 接口模块发送计数器数据全局图 测试r o c k e ti o 接口模块发送计数器数据局部图 多天线接收板测试方案 线性信道估计后单数据符号的星座图， b 3 gt d d 下行链路联调测试方案 o f d m 解调后数据的星座图 v 1 i i 卯 弱 船 妇 盯| | | | 二二 表格列表 表格列表 表3 - 1b 3 gt d d 下行链路的基本指标 表3 - 2 b 3 gt d d 下行链路的设计指标 表3 - 3b 3 gt d d 下行链路的系统参数 表3 4子载波映射表 表4 1 表4 2 表4 3 表4 4 表4 5 相关运算查找表 c o r d i cv 30 核实现三角函数运算的引脚说明 f f t 核夕 部引脚说明 f f t v 3 1 核的实际配置说明 接收端o f d m 符号子载波分布表 表5 - 1同步的资源占用情况 表5 - 2o f d m 解调的资源占用情况 i x 三二二二二一 耶 腼 肿 ” 拍 村 钉 携 酡 以 缩略语对照表 1 g 2 g 3 g a d c a f c a g c a s i c a t m a w g n b 3 g c d m a c d r c l b c o r d i c c p d a c d c m d c o d d s d f r d p l l e d a f d m a f f t f i f o f p g a 缩略语对照表 f i r s tg e n e r a t i o n s e c o n dg e n e r a t i o n t h j f dg e n f i o n a n a l o gt od i 垂t a lc o n v e r t e r a u t o m a t i cf r e q u e n c yc o n t r o l a u t o m a t i cg a i nc o n t r 0 1 a p p l i c a t i o ns p e c i f i ci n t e g r a t e dc i r c u i t a s y n c h r o n o u st r a n s f e rm o d e a d d i t i r e m i t eg a u s s i a nn e l s e b e y o n dt h i r dg e n e r a t i o n c o d ed i v i s i o nm u l t i p i e xa c c e s s c o n t r o ld a t ar e g i s t e r c o n f i g u r a b l el o g i cb l o c k c o o r d i n a t er o t a t i o n a ld i g i t a lc o m p u t e r c y c l i cp r e f i x d i g i t a lt oa n a l o gc o n v e r t e r d i g i t a lc l o c km a n a g e r d i g i t a lc o n t r o l l e do s c i l l a t o r d i r e c td i g i t a ls y n t h e s i s d i s c r e t ef o u r i e r l y a n s f o r m d i g i t a lp h a s el o c k e dl 0 0 p e l e c t r o n i cd e s i g na u t o m a t i c f r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e xa c c e s s f a s tf o u r i e rt r a n s f o n n f i r s ti n p u tf i r s to u t p u t f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y x 第一代( 移动通信系统) 第二代( 移动通信系统) 第三代( 移动通信系绣) 模数转换器 自动频率控制 自动增益控制 专用集成电路 异步传输模式 加性高斯白噪声 后三代( 移动通信系统) 码分多址 控制数据寄存器 可配置逻辑模块 坐标旋转数字计算机 循环前缀 数模转换器 数字时钟管理器 数字控制振荡器 直接数字综合 离散傅立叶变换 数字锁相环 电子设计自动化 频分多址 快速傅立叶变换 先进先出 现场可编程门阵列 缩略语对照表 g s m h d l m a i b c n i c i i d f t i f f r i l a i m t - 2 0 0 0 i o b i s l j b p l l j t a g l d p c l u t m a c m c c d m a m g t m i m o m s b o f d m o f d m a p a p r p c s p m a p n p s p l l q o s g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l e h a r d w a r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g e i n t e g r a t e db u sa n a l y s i s i n t e g r a t e db r o a dc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k i n t e rc h a r m e li n t e r f e r e n c e i n v e r s ed i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o r n l i n v e r s ef a s tf o u r i e rt r a l l s f o r m i n t e g r a t e dl o g i ca n a l y s i s i n t e m a t i o n a lm o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o n s2 0 0 0 i n p u f f o u t p u tb l o c k i n t e rs y m b o li n t e r f e r e n c e j i t t e r - b o u n d e dp h a s el o c k e dl o o p j o i n tt e s ta c t i o ng r o u p l o w - d e n s i t yp a r i t y c h e c kc o d e l o o k - u pt a b l e m u l t i p l y a c c u m u l a t o r m u l t i p l e c a r r i e rc o d ed i “s i o nm u l t i p l e x a c c o s s m u l t i - g i g a b i tt r a n s c e i v e r m u l t i p l e i n p u tm u l t i p l e - o u t p u t m o s ts i g n i f i c a n tb i t o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s p e a k - t o a v e r a g ep o w e rr a t i o p h y s i c a lc o d es u b l a y e r p h y s i c a lm e d i u ma d a l p t e r p s e u d o r a n d o mn u m b e r p u l s es t e a lp h a s el o c k e dl o o p q u a l i t yo fs e r v i c e x i 全球移动系统 硬件描述语言 片内总线分析仪 综合广带通信网 信道问干扰 离散傅立叶反变换 快速傅立叶反变换 片内逻辑分析仪 国际移动通信2 0 0 0 输入输出接口模块 符号间干扰 抖动限制锁相环 联合测试行动小组 低密度极性校验码 查找表 乘累加器 多载波码分多址 多吉比特收发器 多入多出 最高有效位 正交频分复用 正交频分复用多址 峰值平均功率比 物理编码子层 物理媒质适配层 伪随机数 脉冲窃取锁相环 业务质量 缩略语对照表 r f r i s c r t l s a r s f d r s i s 0 s n r s p i s r t d d t d m a t d s c d m a t t i v h d l w c d m a w l a n r a d i of r e q u e n c y r e d u c e di n s t r u c t i o ns e tc o m p u t e r r e g i s t e rt r a n s f o r m a t i o nl e v e l s u c c e s s i v ea p p r o x i m a t i o nr e g i s t e r s p u r i o u sf r e ed y n a m i cr a n g e s i n g l e i n p u ts i n g l e - o u t p u t s i g n a lt on o i s er a t i o s e r i a lp o r ti n t e r f a c e s c a l e dr a d i a n s t i m ed i v i s i o nd u p l e x t i m ed i v i s i o nm u l n p l e x a c c e s s t i m ed i v i s i o ns y n c h r o n o u sc o d em u l t i p l e x a c c e s s t r a n s m i s s i o nt i m ei n t e r v a l v h s i c ( v e r yh i g hs p e e di c ) h a r d w a r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g e w i d e b a n dc o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s w i r e l e s si ，o c a la r e an e t w o r k x i i 射频 精简指令集计算机 寄存器传输级 连续逼近寄存器 无杂散动态范围 单入单出 信噪比 串行接口 弧度量化 时分双工 时分多址 时分同步码分多址 传输时间间隔 超高速集成电路硬件描 述语言 宽带码分多址 无线局域网 独创性声明 本人声明所呈交的学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：立缉日期：御占年3 月，卢日 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： 导师签名：么鳅 日期：2 抑多年；月日 第一章引言 第一章引言 1 1 移动通信系统的发展 现代移动通信技术的发展始于2 0 世纪2 0 年代，并在近三十年来得到迅速发 展，从模拟通信到数字通信，并且正朝着个人通信这一更高阶段发展。进入2 l 世 纪，移动通信将逐渐演变成社会发展和进步必不可少的工具。当代移动通信系统 已经经历了三个主要发展阶段，每一代的发展都是技术的突破和观念的创新。 第一代移动通信系统( 1 g ) ，主要采用的是模拟技术和频分多址( f d m a ： f r e q u e n c y d i v i s i o n m u l t i p l e x a c c e s s ) 技术。但由于模拟蜂窝网的容量限制以及各类 通信系统制式不统一，该系统不能进行移动通信的长途漫游，只能是一种区域性 的移动通信系统。 第二代移动通信系统( 2 g ) ，主要采用的是数字式的时分多址( t d m a ：t i m e d i v i s i o nm u l t i p l e xa c c e s s ) 技术和码分多址( c d m a ：c o d ed i v i s i o nm u l 如l e xa c c e s s ) 技术。该系统主要是为支持话音和低速率的数据业务而设计的，典型的有 g s m ( g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l e ) 系统和i s 9 5c d m a 系统。 第三代移动通信系统( 3 g ) ，也称i m t - 2 0 0 0 ，主要采用的是智能天线阵、软件 无线电、多载波、多用户检测、移动性管理及智能网等技术。该系统具有宽带化、 智能化、综合化的特点，支持话音和多媒体数据通信，可以提供前两代系统不能 提供的各种宽带信息业务，例如高速数据与电视图像等。第三代移动通信系统将 在近几年内推向市场i lj 。 然而，第三代移动通信系统并不是真正意义上的个人通信和全球通信，其通 信标准有w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 和t d s c d m a 三大分支，成员间存在相互兼容 的问题。该系统的频谱利用率还比较低，不能充分地利用宝贵的频谱资源；其支 持的最大传输速率2 m b p s 也还不足以满足未来移动通信发展的需要。因此人们已 经把目光越来越多地投向后三代( b 3 g ：b e y o n d3 g ) 通信系统，该系统可以容纳庞 大的用户数、改善现有通信质量，达到高速数据传输的要求。 1 2b 3 g 的系统定义及技术要求 b 3 g 移动通信系统的概念可称为广带( b r o a d b a n d ) 接入和分布网络，具有非对 称超过2m b p s 的数据传输能力，对全速移动用户能提供1 5 0m b p s 的高质量影像 电子科技大学硕士学位论文 服务，将首次实现三维图像的高质量传输。它包括广带无线固定接入、广带无线 局域网( w l a n ) 、移动广带系统、互操作的广播网络( 基于地面和卫星系统) 。其广 带无线局域网能与a t m 兼容，实现广带多媒体通信，形成综合广带通信网( i b c n ) ， 还能提供信息之外的定位定时、数据采集、远程控制等综合功能。其主要技术要 求是： ( 1 ) 传输速度提高，数据传输率远远超过3 g ，从2m b p s 提高到1 0 0m b p s 。支 持更为丰富的移动通信业务，包括高分辨率实时图像业务、会议电视虚拟现实业 务等，使用户在任何地方可以获得任何所需的信息服务，且服务质量得到保证f 2 。 ( 2 ) 以移动数据为主面向i n t e m e t 大范围覆盖高速移动通信网络，改变了以移动 电话业务为主设计移动通信网络的传统观念。 ( 3 ) 采用多天线或分布天线的系统结构及终端形式，支持手机互助功能，采用 可穿戴无线电，可下载无线电等新技术。 ( 4 ) 发射功率比现有移动通信系统降低l o 1 0 0 倍，能够较好地解决电磁干扰 问题。 1 3 本论文的主要研究内容和贡献 1 3 1 课题来源 国家“8 6 3 ”未来移动与无线通信发展的f u t u r e 计划于2 0 0 2 年制定并启动， 其目的是在b 3 g 移动通信发展初期即着手开展相关的研究与开发，与国际上同步 发展，获取具有自主知识产权的核心技术专利，为我国未来提出后三代或第四代 移动通信标准奠定基础。 电子科技大学通信抗干扰技术国防重点实验室从项目启动之日即参与承担该 项目的完成工作。在国家“8 6 3 ”f u t u r e 计划第一阶段中，电子科技大学负责 s i s o 系统的浮点和定点仿真，并提出m i m o 系统的设计方案；第二阶段中，电子 科技大学负责t d d 方式下行链路演示系统的设计与实现。 1 3 2 本论文内容安排 本论文的主要目标是完成b 3 g t d d 下行链路中多天线接收板f 包含同步技术、 o f d m 解调) 的f p g a 设计与实现。 第一章引言，回顾了移动通信系统的发展历史，介绍了本文所研究的b 3 g 系 2 u 了科技大学硕士学位论文 服务，将首次实现三维图像的高质量传输。它包括广带无线固定接入、广带无线 局域i 珂( w l a n ) 、移动广带系统、互操作的广播网络( 基于地面和卫星系统) 。其广 带无线局域网能与a t m 兼容，实现广带多媒体通信，形成综合广带通信网( m e n ) ， 还能提供信息之外的定位定时、数据采集、远程控制等综合功能。其主要技术要 求是： ( 1 ) 传输速度提高，数据传输率远远超过3 g ，从2m b p s 提高到1 0 0m b p s 。支 持更为丰富的移动通信业务，包括高分辨率实时图像业务、会潋电视虚拟现实业 务等，使用户在任何地方可以获得任何所需的信息服务，且服务质量得到保证 ”。 ( 2 ) 以移动数据为主面向i n t e r n e t 大范围覆盖高速移动通信网络，改变了以移动 电话业务为主设计移动通信网络的传统观念。 ( 3 ) 采用多天线或分布天线的系统结构及终端形式，支持手机互助功能，采用 可穿戴无线电，可下载无线电等新技术。 ( 4 ) 发射功率比现有移动通信系统降低1 0 - - 1 0 0 倍，能够较好地解决电磁干扰 问题。 1 3 本论文的主要研究内容和贡献 l _ 3 1 课题来源 国家“8 6 3 ”未来移动与无线通信发展的f u t u r e 计划于2 0 0 2 年制定并启动， 其目的是在b 3 g 移动通信发展初期即着手开展相关的研究与开发，与国际上同步 发展，获取具有自主知识产权的核心技术专利，为我国未来提出后= 代或第四代 移动通信标准奠定基础。 电子科技大学通信抗干扰技术国防重点实验室从项目启动之日即参与承担该 项目的完成工作。在国家“8 6 3 ”f u t u r e 计划第一阶段中，电子科技大学负责 s i s o 系统的浮点和定点仿真，并提出m i m o 系统的设计方案；第二阶段中，电子 科技大学负责t d d 方式下行链路演示系统的设计与实现。 1 3 2 本论文内容安排 本论文的主要目标是完成b 3 g t d d 下行链路中多天线接收板f 包含同步技术、 o f d m 解调1 的f p g a 设计与实现。 第一章引言，回顾了移动通信系统的发展历史，介绍了本文所研究的b 3 g 系 第一章引言，回顾了移动通信系统的发展历史，介绍了本文所研究的b 3 g 系 2 电子科技大学硕士学位论文 服务，将首次实现三维图像的高质量传输。它包括广带无线固定接入、广带无线 局域网( w l a n ) 、移动广带系统、互操作的广播网络( 基于地面和卫星系统) 。其广 带无线局域网能与a t m 兼容，实现广带多媒体通信，形成综合广带通信网( i b c n ) ， 还能提供信息之外的定位定时、数据采集、远程控制等综合功能。其主要技术要 求是： ( 1 ) 传输速度提高，数据传输率远远超过3 g ，从2m b p s 提高到1 0 0m b p s 。支 持更为丰富的移动通信业务，包括高分辨率实时图像业务、会议电视虚拟现实业 务等，使用户在任何地方可以获得任何所需的信息服务，且服务质量得到保证f 2 。 ( 2 ) 以移动数据为主面向i n t e m e t 大范围覆盖高速移动通信网络，改变了以移动 电话业务为主设计移动通信网络的传统观念。 ( 3 ) 采用多天线或分布天线的系统结构及终端形式，支持手机互助功能，采用 可穿戴无线电，可下载无线电等新技术。 ( 4 ) 发射功率比现有移动通信系统降低l o 1 0 0 倍，能够较好地解决电磁干扰 问题。 1 3 本论文的主要研究内容和贡献 1 3 1 课题来源 国家“8 6 3 ”未来移动与无线通信发展的f u t u r e 计划于2 0 0 2 年制定并启动， 其目的是在b 3 g 移动通信发展初期即着手开展相关的研究与开发，与国际上同步 发展，获取具有自主知识产权的核心技术专利，为我国未来提出后三代或第四代 移动通信标准奠定基础。 电子科技大学通信抗干扰技术国防重点实验室从项目启动之日即参与承担该 项目的完成工作。在国家“8 6 3 ”f u t u r e 计划第一阶段中，电子科技大学负责 s i s o 系统的浮点和定点仿真，并提出m i m o 系统的设计方案；第二阶段中，电子 科技大学负责t d d 方式下行链路演示系统的设计与实现。 1 3 2 本论文内容安排 本论文的主要目标是完成b 3 g t d d 下行链路中多天线接收板f 包含同步技术、 o f d m 解调) 的f p g a 设计与实现。 第一章引言，回顾了移动通信系统的发展历史，介绍了本文所研究的b 3 g 系 2 第一章引言 统的定义及技术要求，对本文研究工作的课题来源、论文内容进行了概述。 第二章开发环境与工具，首先介绍了f p g a 设计的一般流程，然后介绍了本 文研究过程中所采用的开发工具，包括i s e 硬件开发平台、m o d e l s i m 仿真工具、 c h i p s c o p e 测试软件及v e f i l o gh d l 硬件描述语言。最后对本文硬件实现选用的器 件_ x i l i n x 公司的v h - t e x i ip r o 系列芯片x c 2 v p 7 0 和a d 公司的模数转换器 a d 6 6 4 4 进行了介绍。 第三章b 3 g t d d 下行链路中的同步技术和o f d m 解阋，首先对o f d m 技术 的基本原理和优缺点进行了概述，然后对同步技术进行了归纳和综述。同步技术 一般分为时间同步和频率同步，其具体实现方法又可分为数据辅助型和非数据辅 助型。最后，本章对b 3 gt d d 下行链路进行简介，并详细描述了该链路中同步技 术和o f d m 解调的算法，包括同步码的设计、时间同步频率同步的计算过程、 o f d m 解调的算法流程，并从f p g a 设计的角度对上述算法进行了改进，使之更 适于硬件实现。 第四章同步技术和o f d m 解调的f p g a 设计，首先介绍了b 3 gt d d 下行链 路的f p g a 总体设计，共有五块电路板，其中多天线接收板完成同步及o f d m 解 调。然后详细介绍了同步及o f d m 解调的各模块的f p g a 设计与实现，包括时间 同步模块、频率粗同步模块、频率精同步模块、定时恢复模块、尾帧检测模块、 a g c a f c 辅助模块、单天线o f d m 解调模块、r o c k e ti o 接口模块等，给出了各 模块的结构框图和仿真波形图。 第五章设计验证与性能分析，对同步技术和o f d m 解调的f p g a 设计进行 了电路验证。系统工作稳定，性能良好，证明了该设计的正确性和可行性。然后 对设计所占用的硬件资源、系统的运行速度进行了总结。 第六章总结，对全文进行了概括性的总结，探讨了今后研究的可能方向。 1 4 小结 本章首先回顾了移动通信系统的发展历程以及后三代( 或称第四代) 移动通信 系统的定义及技术要求；然后介绍本文的课题来源、论文结构及内容安排。 3 电子科技大学硕士学位论文 第二章开发环境与工具 2 1f p g a 设计的一般流程 一个完整的f p g a 设计流程包括设计输入、功能仿真f 前仿真) 、综合优化、时 序仿真( 后仿真) 、配置下载、板级调试等主要步骤。 ( 1 ) 设计输入就是将设计者所设计的电路以开发软件要求的某种形式表达出 来，一般包括硬件描述语言h d l 、状态图与原理图输入三种方式。常用方式是h d l 语言为主，原理图输入为辅。在设计中一般选择自顶向下( t o p d o w n ) 的设计流程， 把待实现的系统划分为各个子系统，再分别进行结构描述和设计实现。 ( 2 ) 功能仿真通过专用仿真工具，在不考虑线路延时的情况下，验证电路功能 是否符合设计的要求。 ( 3 ) 综合是指以选定的f p g a 结构和器件为目标，将h d l 语言、原理图等设 计输入翻译成由与、或、非门、r a m 、寄存器等基本逻辑单元组成的逻辑网表。 优化是指对速度和面积进行逻辑优化，一方面把逻辑描述中的冗余项化简或去除， 以尽量减少所消耗的资源；另一方面可对时钟、延时进行约束。 ( 4 ) 时序仿真是指完成布局布线后进行的包含定时关系的仿真，考虑到了门延 时、布线延时带来的影响，是接近真实器件运行的仿真。 ( 5 ) 配置下载是在功能仿真和时序仿真正确的前提下，将综合后生成的比特 ( b i t ) 文件下载到具体的f p g a 芯片中。因为f p g a 大多支持i e e e 的j t a g 标准， 所以使用j t a g 口是常用下载方式。 ( 6 ) 板级调试即为将比特文件下载到f p g a 器件内部后进行实际器件的物理 测试，得到正确的测试结果，从而验证设计的正确性。 这一流程是一个循环反复的过程，如果某个步骤出了问题，就需要根据错误 定位到相应的步骤，更改或重新设计，直至实现正确验证。 2 2 开发工具 f p g a 的开发设计离不开e d a 工具软件。有的设计软件是由芯片制造商提供 的，如：x i l i n x 公司的i s e 软件、a l t e r a 公司的m a x + p l u si i 软件等：有的设计 软件是由专业e d a 软件商提供的，称为第三方软件，如s y n p l i f y 、s y n o p s y s 、 m o d e l s i m 等。下面介绍本文使用的开发工具和编程语言。 4 第二章开发环境与工具 2 2 1i s e x i l i n x 公司是当今实际上最大的f p g a c p l d 生产商之一，长期以来一直推进 着f p g a c p l d 技术的发展。其开发软件也不断升级换代，由早期的f o u n d a t i o n 系列逐步发展到目前的i s e