（信息与通信工程专业论文）基于fpga的ofdm通信发送系统的研究与实现.pdf

l11 m a s t e ro f e n g i n e e r i n g b y c h e ny i h u i ( i n f o r m a t i o na n dc o m m u n i c a t i o ne n g i n e e r i n g ) t h e s i ss u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rs u n j i a o y a n j u n e2 0 1 1 ， 1 一 i | 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成博硕士学位论文 除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体 已经公开发表或未公开发表的成果。本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名：豫丛矩 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解大连海事大学有关保留、使用研究生学 位论文的规定，即：大连海事大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编学位论文。同意将本学位论文收录到中国优秀博硕士 学位论文全文数据库( 中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社) 、中国学位论 文全文数据库( 中国科学技术信息研究所) 等数据库中，并以电子出版物形式 出版发行和提供信息服务。保密的论文在解密后遵守此规定。 ，本学位论文属于：保密口在年解密后适用本授权书。 不保密( 请在以上方框内打“妒，) 论文作者签名：除以褥 导师躲多雅 日期：2 u 年7 月2 日 一 p 。一 一 中文摘要 摘要 正交频分复用( 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 f d m ) 技术拥 有良好的抗多径性能和较高的频谱利用效率，适用于高速无线通信系统。2 0 1 0 年 1 1 月国际电信联盟无线通信部f - ( i t u r ) 将l t e a d v a n c e d ( 包含t d l t e a d v a n c e d ) 和w i r e l e s sm a n a d v a n c e d 确定为第四代移动通信技术( 4 g ) 标准，这两种标准 中均采用了o f d m 技术。因此，对o f d m 技术的研究是4 g 中的研究热点之一。 现场可编程门阵列( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ，f p g a ) 因其设计的灵活性、 可重用性及开发速度快、周期短等特点，在3 g 空中接口部分和网络部分中得到很 好的应用机会，不难发现，到了4 g 技术会对f p g a 有更大的需求。 i e e e 8 0 2 1 1 a 无线局域网标准作为典型的o f d m 物理层接入方式的应用系统， 是研究o f d m 技术的基础。作者通过对o f d m 基本原理和8 0 2 1 1 a 的深入学习和 研究，进行了o f d m 通信系统发送部分的方案的详细设计，采用自顶向下的f p g a 设计方法，完成了o f d m 通信系统发送部分在寄存器传输级( r e g i s t e r - t r a n s f e r l a y e r ，r t l ) 的完整设计与f p g a 实现。在x i l i n x 的i s e 8 2 i 开发环境下，采用 v e r i l o g 硬件描述语言( v e r i l o g h d l ) 进行了长短训练序列、扰码、多速率卷积码、 交织、1 6 q a m 映射、导频插入、i f f t 调制、循环前缀与加窗以及主控单元等系统 模块的设计；采用m o d e l s i m 6 5 a 和m a t l a b 7 0 仿真工具对设计系统进行了单元模块 仿真和系统仿真；并将设计的o f d m 通信发送系统下载到x i l i n x 公司的s p a r t a n i i i 系列f p g a 硬件平台进行了系统测试，并依据系统软件仿真和硬件测试的结果进 行了分析，其中重点研究分析了加窗与循环前缀对o f d m 系统性能的影响。 仿真和测试结果表明：设计的o f d m 通信系统发送部分能够完成各个模块的 功能和系统功能，各个子模块与整体系统软件仿真和下载测试结果完全正确。 关键词：正交频分复用；f p g a ) i f l 丌调制；循环前缀；加窗 龟 ， 、 英文摘要 a b s t r a c 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 f d m ) i ss u i t a b l ef o rh i g hs p e e d w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，b e c a u s ei th a sag o o dr e s i s t a n c em u l t i p a t hf a d i n ga n d h i g hs p e c t r a lu t i l i z a t i o ne f f i c i e n c y i n t e r n a t i o n a lt e l e c o m m u n i c a t i o nu n i o n r a d i o c o m m u n i c a t i o ns e c t o r ( i t u - r ) h a sa c c e p t e dl t e - a d v a n c e d ( i n c l u d et d l t e - a d v a n c e d ) a n dw i r e l e s sm a n - a d v a n c e da st h e4 “g e n e r a t i o nm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m ( 4 g ) s t a n d a r d si nn o v e m b e ro f2 010 ，o f d mt e c h n o l o g yi su s e di nb o t ho ft h es t a n d a r d c o n s e q u e n t l y ，t h es t u d yo no f d mt e c h n o l o g yh a sb e e no n er e s e a r c hf o c u so f4 g f i e l d p r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ( f p g a ) h a sb e e no b t a i n e dg o o da p p l i c a t i o no p p o r t u n i t e sf o r a i ri n t e r f a c ea n dn e t w o r ko f3 g ，b e c a u s eo fi t s d e s i g nf l e x i b i l i t y ，r e u s a b i l i t ya n d d e v e l o p m e n to ff a s t ，s h o r tc y c l ea n ds oo n ，n od i f f i c u l tt of i n dt h a tf p g aw i l lh a v e m o r eg r e a t e rr e q u i r e m e n ti nt h et e c h n o l o g yo f4 g i e e e 8 0 2 1law i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k ( l a n ) s t a n d a r da sa t y p i c a la p p l i c a t i o n s y s t e mo fo f d mp h y s i c a ll a y e ra c c e s sm o d e ，i ti st h ef o u n d a t i o no fo f d mt e c h n o l o g y r e s e a r c h t h ea u t h o rh a sm a d et h ed e t a i l e dd e s i g no fs c h e m eo fo f d mc o m m u n i c a t i o n b yt h ei n d e p t hs t u d y i n ga n dr e s e a r c h i n go fo f d mb a s i cp r i n c i p l ea n d8 0 2 1la ，a n d a d o p t s t o t o p d o w nd e s i g nm e t h o d o ff p g a ，ac o m p l e t e d e i g n a n df p g a i m p l e m e n t a t i o n o ft h eo f d mc o m m u n i c a t i o nt r a n s m i s s i o n s y s t e m h a sb e e n a c c o m p l i s h e do nr e g i s t e r - t r a n s f e rl a y e r ( r t l ) i nt h ei s e 8 2 io fx i l i n xd e v e l o p m e n t e n v i r o n m e n t ，t h ev e r i l o gh a r d w a r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g e ( v e r i l o g h d l ) h a sb e e nm a d e t o t r a i n i n gs e q u e n c e ，s c r a m b l e r ，m u l t i - r a t ec o n v l u t i o n a lc o d e ，i n t e r w e a v e ，16 q a m m a p p i n g p i l o ti n s e r t i o n ，i f f tm o d u l a t i o n ，c y c l i cp r e f i xa n dw i n d o w e d ，a n dm a i n c o n t r o lu n i td e s i g no fs y s t e mm o d u l e ；m o d e l s i m 6 5 aa n dm a t l a b 7 0s i m u l a t i o nt o o l s h a v eb e e nu s e dt om a k es y s t e md e s i g na n ds i m u l a t i o n ；a n da c c o m p l i s h e dt h ed e s i g n e d o f d mc o m m u n i c a t i o nt r a n s m i s s i o ns y s t e mt od o w n l o a dt ot h ef p g ah a r d w a r e p l a t f o r mo fs p a r t a n i l ls e r i e so fx i l i n xa n df i n i s h e dt h es y s t e mt e s t ，b e s i d e s ，a c c o r d i n g t ot h er e s u l to fs y s t e ms o f t w a r es i m u l a t i o na n dh a r d w a r et e s tm a d et h ea n a l y s i s ，w h i c h f o c u s e so nt h ea n a l y s i so fw i n d o w e da n dc y c l i cp r e f i xf o rt h es y s t e mp e r f o r m a n c e i n f l u e n c eo fo f d m 英文摘要 s i m u l a t i o na n dt e s tr e s u l t ss h o wt h a tt h e0 f d mc o m m u n i c a t i o nt r a n s m i s s i o n s y s t e md e s i g n e dc a na c c o m p l i s hf u n c t i o no fe a c hm o d u l e a n ds y s t e mf u n c t i o n ，s o f t w a r e s i m u l a t i o na n dd o w n l o a dt e s tr e s u l t so fe a c hm o d u l ea n dt o t a ls y s t e ma r ea b s o l u t e l y c o r r e c t t ” k e yw o r d s ：o f d m ；f p g a ；i f f i m o d u l a t i o n ；c y c l i cp r e f i x ：w i n d o w e d 卜 目录 目录 第l 章绪论1 1 1o f d m 的发展与应用现状1 1 2o f d m 系统的特点3 1 3f p g a 技术的发展与应用4 1 4 研究的目标与主要内容5 第2 章o f d m 通信系统的基本原理6 2 1o f d m 系统的工作原理6 2 1 1o f d m 系统的数学模型6 2 1 2o f d m 信号的频谱9 2 2 信道编码技术1 l 2 2 1 加扰技术l l 2 2 2 卷积码编码1 2 2 2 3 交织编码1 4 2 3o f d m 映射与调制技术1 6 2 3 1 映射调制1 6 2 3 2d f t f f t 实现o f d m 调制。l8 2 4 循环前缀与加窗技术l8 2 4 1 循环前缀技术1 8 2 4 2 加窗技术2 4 2 5o f d m 的同步信号3 0 2 5 1 同步的基本概念3 0 2 5 2 训练序列的生成3l 第3 章o f d m 通信系统的f p g a 设计一3 4 3 1 系统总体方案设计3 4 3 1 1 系统结构设计3 4 3 1 2 系统参数设计3 5 3 1 3 系统开发环境介绍4 0 3 2 系统控制单元设计：。：4 4 3 2 1 时钟模块设计4 4 3 2 2 主控模块设计，- 4 6 3 3 基带数据处理单元设计： 4 9 目录 3 3 1 信源模块设计4 9 3 3 2 数据加扰设计5 0 3 3 3 卷积码编码5 2 3 3 4 交织设计5 4 3 4o f d m 前导序列设计5 7 3 4 1 短训练序列的生成5 7 3 4 2 长训练序列的生成6 0 3 5 映射与载波调制设计6 2 3 5 11 6 q a m 映射模块6 2 3 5 2 子载波( i f f t ) 调制模块6 3 3 5 3 导频插入模块6 8 3 6 循环前缀和加窗设计7 0 3 7 发送系统整体设计7 3 3 7 1 组合模块设计7 3 3 7 2o f d m 帧生成7 4 第4 章系统仿真测试与结果分析7 5 4 1 系统控制单元仿真测试与结果分析7 5 4 1 1 系统时钟单元仿真测试：7 5 4 1 2 主控单元仿真测试7 6 4 2 基带数据处理单元仿真测试与结果分析。7 7 4 2 1 信源模块仿真测试7 7 4 2 2 加扰码模块仿真测试7 9 4 2 3 卷积码模块仿真测试7 9 4 2 4 交织模块仿真测试81 4 3 前导序列单元仿真测试与结果分析8 3 4 3 1 短训练序列模块仿真测试8 3 4 3 2 长训练序列模块仿真测试8 4 4 4 映射调制单元仿真测试与结果分析8 5 4 4 116 q a m 映射模块仿真测试。8 5 4 4 2i f f t 调制模块仿真测试8 7 4 4 3 导频插入模块仿真测试8 8 4 5 循环前缀与加窗模块仿真测试与结果分析9 0 4 5 1 循环前缀仿真测试9 0 簟 爹 t 咤 结 参 附 致 随着美国军方早在2 0 世纪的5 0 6 0 年代就创建了世界上第一个m c m 系统，随后 才衍生出采用多个子载波的o f d m 系统。2 0 世纪5 0 年代中期提出，6 0 年代形成了并 行数据传输和频分复用的概念。1 9 7 0 年1 月o f d m 专利技术首次公开发表，后来衍生 出采用大规模子载波和频率重叠技术的o f d m 系统。2 0 世纪6 0 年代，r w c h a n g 在 论文【l 】中首次提出正交频分复用技术。在c h a n g 的论文发表后不久，s a l t z b e r g 对o f d m 进行了性能分析【2 】，指出o f d m 系统容易受到信道间干扰( i n t e rc h a n n e li n t e r f e r e n c e ， i c i ) 的影响，会给系统性能带来严重影响。为了克服i c i 和符号问干扰( i n t e rs y m b o l i n t e r f e r e n c e ，i s i ) ，p e l e d 和r u i z 引入了循环前缀【3 】( c y c l i cp r e f i x ，c p ) 的周期扩展， o f d m 符号之间不再采用空白保护间隔( g u a r di n t e r v a l ，g i ) ，只要c p 的长度大于信 道的最大多径时延，就可以避免信道间干扰，而且c p 的引入不会造成i c i 。1 9 7 1 年 w e i n s t e i n 和e b e r t 把离散傅里叶变换( d f t ) 应用到并行传输系统中【4 1 ，为o f d m 系统 进行调制和解调提供了一种很好的方案，可以大大降低系统实现所需成本。但在以后相 当长的一段时间内，实时傅里叶变换设备的复杂度、发射机和接收机振荡器的稳定性以 及射频功率放大器的线性要求等因素制约了o f d m 技术的实现。直到2 0 世纪8 0 年代， 大规模集成电路促进了f f t 技术的实现，o f d m 逐步在高速数字通信领域得到广泛应 用。 在2 0 世纪8 0 年代末，为了满足高精确( h i 曲f i d e l i t y ，h i f i ) 数字音频广播( d i g i t a l a u d i ob r o a d c a s t i n g ，d a b ) 要求，o f d m 因其能够有效抗多径干扰在d a b 中得到研究。 1 9 9 5 年欧洲电信标准化协会( e t s i ) 将o f d m 标准作为d a b 标准，接着在1 9 9 7 年基 于o f d m 标准的d a b 标准投入使用。在欧洲由于基于o f d m 技术的d a b 标准得到成 第1 章绪论 功试验，1 9 9 6 年e t s i 又将o f d m 技术引入数字视频广播( d i g i t a lv i d e ob r o a d c a s t i n g ， d v b ) 标准中【5 】【6 1 。1 9 9 8 年d v b 第一次被英国采用，使用多频( m u l t i f r e q u e n c y n e t w o r k ， m f n ) ，2 k 模式，6 4 q a m 映射，7 , u s 保护间隔和2 3 码率卷积码，信息传输速率达到 2 4 1 3 m b i t s v i 。另外，日本数字地面电视广播( t e r r e s t r i a li n t e g r a t e ds e r v i c e d i g i t a l b r o a d c a s t i n g ，i s d b t ) 也采用了o f d m 多载波技术，开发了分段o f d m 技术，即在 6 m h z 的频段内分成1 3 个子频段，分别进行各自的o f d m 调制，可以固定和移动接收， 增强了交织深度，抗脉冲干扰能力优于欧洲的d v b t 。1 9 9 8 年i e e e 8 0 2 1l a 标准工作 决定选择o f d m 作为5 - g h z 频段无线局域网物理层标准，系统提供6 - - - 5 4 m b i t s 的数据 净荷通信能力。其中，对于6 m b i t s 、1 2 m b i t s 、2 4 m b i f f s 的发送和接收数据速率的支持 是必备的，o f d m 技术首次应用于无线分组业务通信中【8 l 。e t s i 提出的h i p e r l a n 2 标 准同样工作在5 - g h z 频段，它和8 0 2 1 1 a 一样，能够提供5 4 m b s s 的数据传输速率，并 且兼容3 g 无线局域网( w l a n ) 系统，物理层采用o f d m 技术。工作在2 4 g h z 的 i e e e 8 0 2 1 1 9 也采用o f d m 技术，使数据速率提高到2 0 m h z 以上【9 1 。 在1 9 9 9 年清华大学原创性地提出具有完整自主知识产权的地面数字多媒体电视广 播系统( d m b - t ，t e r r e s t r i a ld i 舀t a lm u l t i m e d i a t vb r o a d c a s t i n g ) 标准方案【1 0 】【1 。它是 基于o f d m 技术、扩频和同步技术，d m b t 标准在o f d m 的保护间隔内填充p n 序列 以取代循环前缀。p n 序列除了作为o f d m 调制的保护间隔外，可以用于实现系统帧同 步、频率同步、时间同步以及信道估计等。因此，发送的o f d m 信号可以不用插入大 量导频信号以及帧前导序列，可以提高大约1 0 的信道容量。2 0 0 3 年d m b t 选定为我 国地面数字多媒体电视广播标准，逐渐得到广泛应用。目前o f d m 已经被采纳为w i m a x ( w o r l di n t e r o p e r a b i l i t yf o rm i c r o w a v ea c c e s s ，w i m a x ) 物理层标准，w i m a x 无线城 域网技术网络覆盖面积是3 g 基站的l o 倍，最大接入速度在7 0 m b i t s ，不仅解决了无线 接入技术，而且还能够作为有线网络接入的无线扩展。在超宽带( u l t r aw i d eb a n d ，u w b ) 通信中，已经将m b o f d m 标准作为u w b 全球标准，而且m b o f d m 商用芯片已经 问世，产业发展进入芯片阶段。 第四代移动通信技术则以o f d m 最受瞩目，o f d m 技术已经成为公认的4 g 核心技 术之一。特别是多输入多输出( 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 ) 系统与o f d m 技 基t - f p g a 的o f d m 通信发送系统的研究与实现 术结合【13 1 ，即m i m o o f d m 因其较高的信道容量和良好的抗多径干扰成为4 g 核心技 术研究的热点。将o f d m 与c d m a 结合在一起的o f d m c d m a ，能够提高速率、大 容量数据通信，成为4 g 技术研究的热点。2 0 1 0 年l t e ( l o n gt e r me v o l u t i o n ) 作为标 准的4 g 网络在欧洲已经开始商用。l t e 采用o f d m 和m i m o 作为其无线网络演进的 唯一标准，它以o f d m o f d m a 为核心技术，上行链路使用o f d m a 技术，最高速率 达到1 0 0 m b i t s ，下行链路使用单载波频分复用( s c f d m a ) ，在保证系统性能的同时 能有效降低峰均比( p a p r ) ，减小终端发射功率，最大速率达到5 0 m b i t s t l 4 j 。我国拥 有自主知识产权的下一代移动通信技术t d l t e 已于2 0 1 0 年l o 月被国际电信联盟最终 确定为4 g 的国际标准，采用o f d m 技术的w i m a xa d v a n c e d 也一同被确定为4 g 标 准【15 1 。2 0 11 年全球将建成2 6 个t d l t e 试验网，我国将在广州、深圳、上海、北京等 7 个城市建立测试网【1 6 】。i t u 为满足未来10 - - - 1 5 年全球移动通信需求已启动 i m i a d v a n c e d ，在技术上，i m i a d v a n c e d 将基于o f d m ，在l t e ( 或相当) 技术的基 础上，作进一步增强。可见o f d m 技术正受到世界各国的重视，具有良好的发展前景。 1 2o f d m 系统的特点 o f d m 系统之所以得到迅速发展和应用，其原因在于o f d m 系统存在很多优点【1 7 】： ( 1 ) 通过串并变换，将高速数据流变换成低速数据流，使每个子信道上的数据符 号持续时间相对增加，从而有效地减小无线信道时间弥散带来的i s i ，这样就减小了接 收机内均衡的复杂度，甚至不需要采用均衡技术。 ( 2 ) 与传统的多载波相比，o f d m 系统将频带分为多个相互重叠的子带，各个子 载波相互正交，子载波间不需要保护频带，最大限度的利用频谱资源。 ( 3 ) o f d m 系统每个子载波可以采用不同的调制方式，很容易通过不同数量的子 载波实现上行和下行链路中不同的数据传输速率。 ( 4 ) 无线信道很容易受到多径干扰的影响，使信号产生严重的频率选择性衰落， o f d m 系统采用的多个子载波不会同时遭遇频率选择性衰落，而且通过动态比特分配及 动态子信道分配的方法，充分利用信噪比较高的子信道，从而最大限度减小衰落，提高 系统性能。另外，窄带干扰只能影响- 4 , 部分的子载波，因此在某种程度上可以抵抗窄 带干扰。 第1 章绪论 ( 5 ) 大规模集成电路及d s p 的发展，o f d m 系统的调制解调可以很容易地采用i f f t 和f f t 来实现，避免了子载波振荡器组及相干解调器的使用，极大的降低了实现的复杂 度和昂贵的费用。 ( 6 ) o f d m 系统可以很容与其他多种接入方法相结合，构成o f d m a 系统，其中 包括多载波码分多址m c c d m a 、调频o f d m 以及o f d m t d m a 等。 但是由于o f d m 系统存在多个正交的子载波，其输出的信号为多个子载波的叠加， 会存在以下缺点： ( 1 ) 容易受到频率偏差的影响。由于子信道的频谱相互重叠，它们之间必须保持 严格的正交性，然而由于多普勒频移以及发射机和接收本地振荡器之间存在频率偏差， 都会破坏系统子载波的正交性，从而产生i c i ，影响系统性能。 ( 2 ) 存在较高的峰值平均功率比。o f d m 系统发送的是多个载波叠加后的信号， 如果多个载波相位一致时，所叠加的信号会瞬间出现较高的峰值。这就要求系统中功率 放大器具有较高的线性放大范围，如果不能满足要求，就会造成叠加信号频谱畸形，从 而导致i c i ，使系统性能恶化。 1 3f p g a 技术的发展与应用 可编程逻辑器件是在专用集成电路( a s i c ) 基础上发展起来的一种新型逻辑器件， 是当今数字系统设计的主要硬件平台。可编程逻辑器件共经历了四个发展阶段【1 8 】：2 0 世纪7 0 年代到7 0 年代中期为第一阶段，该阶段只有简单的可编程只读存储器( p r o m ) 、 紫外线可擦除只读存储器( e p r o m ) 和电可擦出只读存储器( e e p r o m ) ，它们只能 完成简单的数字逻辑功能。2 0 世纪7 0 年代中期到8 0 年代中期为第二阶段，该阶段出现 了结构稍微复杂的可编程阵列逻辑( p a l ) 和通用阵列逻辑( g a l ) ，能够完成各种逻 辑运算功能。2 0 世纪8 0 年代中期到9 0 年代末为第三阶段，该阶段x i l i n x 和a l t e r a 公 司分别推出与标准门阵列类似的f p g a 和类似于p a l 结构的可扩展c p l d ，提高了逻辑 运算速度，具有体系结构和逻辑单元灵活，集成度高以及使用范围广等特点，能够实现 超大规模电路，编程方式也很灵活。在这阶段，c p l d 、f p g a 器件在制造工艺上也获 得长足发展，达到了o 8 1 工艺和系数门百万门的规模。2 0 世纪9 0 年代末至今为第四阶 段，此阶段出现了s o c 和s o p c 技术，是p l d 和a s i c 技术融合的结果，涵盖了实时 、 求与硬件设计的完美结合，应用范围从单片扩展到系统级。未来f p g a 将更加趋向：于 大容量、低电压、低功耗；系统级高密度，强调f p g a 的i p 硬核和i p 软核；与a s i c 相互融合，取长补短；应用动态可重构技术。 目前，f p g a 应用的场合很多，特别是在高速的、实时性强并对时间要求相当苛刻 的场合，有很强的处理能力。通信行业一直是f p g a 产业最重要的应用领域，软件无线 电技术、视频图像处理、军事和航空航天领域都大量应用了f p g a 技术。x i l i n x 的产品 已经遍布无线基础设施当中，特别是在困内t d s c d m a 的部署中，无处不在。目前， x i l i n x 公司为支持l t e 、w i m a x 、w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 、t d s c d m a 及g s m ，将产 品向提供统一标准的平台、产品生命周期长以及容量扩展发展。3 g 设备中，大多数都 采用f p g a 来解决时延和带宽的矛盾，不难发现，到了4 g 技术会对f p g a 有更大的需 求。另外，f p g a 在消费电子、接口逻辑控制、医疗、测试与测量以及金融等新兴领域 开拓到新的市场【1 9 】。 1 4 研究的目标与主要内容 本设计以x i n l i n x 公司s p a r t a n i i i 系列f p g a 为硬件平台，采用v e r i l o g 硬件描述语 言，设计实现o f d m 通信系统的发送部分，重点研究分析加窗和循环前缀对o f d m 通 信系统的影响。具体实现设计时，要正确完成系统各个模块仿真测试；o f d m 发送系统 整合仿真测试结果正确；各个子模块及整个发送系统能够正确下载且硬件测试结果正 确。依据仿真测试结果，分析给出循环前缀、窗函数对o f d m 通信系统的影响。 第2 章o f d m 通信系统的基本原理 第2 章o f d m 通信系统的基本原理 2 1o f d m 系统的工作原理 2 1 1o f d m 系统的数学模型 o f d m 是一种多载波传输技术，它将可用的频谱划分为多个子载波，将高速 数据符号经串并变换变为低速数据流，然后用低速数据流调制各子载波【2 0 】【2 l 】。 j 嘲_ 咱玉卧坠 千 千 宙瑙+ 二 琴瘟岿并 最墨岛、并 千 变 一2 斫+ 仇 + 门藉卜 由 最墨8 0 、 11 ：竺l e - j 2 矾卜体 变 换 换 ： ： 且咐 卜虻啦 胤十 图2 1o f d m 系统的数学模型 f i g 2 1m a t h e m a t i cm o d e l so f ao f d m s y s t e m 设一个o f d m 系统有个子信道构成，输入的串行符号为b 蜀e o ，b 。是一个 复数，为第k 路子信道中的调制数据；六为第k 路子载波的频率；z 为o f d m 符 号持续的时间；矩形函数彤甜( f ) = 1l f l t c 2 ；纯为第k 路子载波的初始相位， 则从t = f 。开始的一个o f d m 符号为： n - ! s o ) = b k r e c t ( t - t , 一i 2 ) e 7 2 砺卜卜吼 ( ，f ，+ 乃) ( 2 1 ) k = o o f d m 是一种特殊的多载波系统，它的各个子载波要求保持正交，以便在接 收端能正确解调出各路信号。假设每个o f d m 符号持续时间为z ，则任意两个子 载波在z 内保持正交的条件是： f 5 p 2 矾懈p 2 咖仍出：0 ( 2 2 ) 椰 由( 2 2 ) 式可以解出，要求子载波间隔为 基于f p g a 的o f d m 通信发送系统的研究与实现 a f = l k f t = n | t s 因此各个子载波间的最小间隔为 a f i 。= 1 1 , ( 2 3 ) ( 2 4 ) 即为o f d m 系统子载波正交条件。 由公式( 2 3 ) 及o f d m 系统子载波的正交条件，并假设各个子载波初始相位 为0 ，且不考虑射频载波调制条件下，一个基带o f d m 符号可以表示为： 一l s ( f ) = b g 2 删t k = 0 一1 = 【( 口tc o s ( w k t ) 一b ks i n ( w k t ) ) + j ( a s i n ( w k t ) + b kc o s ( w k t ) ) k = 0 式中：a 。和- 仇分别为复数吼的实部和虚部，均为实数；w k = 2 n f f , ，z = 1 i , 。 由式( 2 5 ) 可以得出，o f d m 调制的过程就是：将输入数据a 。和玩作为傅里 叶系数分别于正弦和余弦函数相乘累加合成j ( f ) 的过程。而o f d m 的解调就是对 s ( f ) 信号进行傅里叶级数展开，求解a 。和仇的过程；每个子载波实际上包含了余 弦和正弦两个正交载波，分别调制复数玩的实部和虚部。另外，o f d m 符号j ( f ) 的 实数部分包含了两个正交载波的部分，发送时只需发送实数部分。因此一个o f d m 符号可以表示为： 一l s ( f ) = 口ic o s ( w k t ) 一仇s i n ( w i t ) ( 2 6 ) 七t o 下面从时域分析o f d m 子载波的正交性，如图2 2 所示。 i ，j2 f n剐 ， + oc 弼 办 口 + p 0 鼯 州脚州脚 = = 第2 章o f d m 通信系统的基本原理 。 4 2 蜊0 1 a n t 一 1 2 。 4 图2 2 包含四个予载波的o f d m 符号 f i g 2 2c o n t a i n sf o u rs u b e a r d e r so fo f d ms y m b o l s - 斗誓、b # 木二： 矗：| - - - 一7 图2 34 个子载波相加后的时域o f d m 信号波形 f i g 2 3a f t e ra d d i n gt h ef o u rs u b - c a r r i e r so fo f d ms i g n a li nw a v e f o r mi nt i m ed o m a i n 图2 2 所示为一个包含四个子载波的o f d m 符号，图中设定子载波具有相同幅 度和相位。在实际当中，每个子载波的幅度和相位与其调制的数据符号所采用的 调制方式( 典型的调制方式有b p s k ，q p s k ，q a m ) 决定，并不一定相同。由于子 载波频率间隔为疋，正对应图2 2 中一个o f d m 符号周期内各个子载波之间相差 整数个周期。图2 2 中四个子载波叠加后的波形如图2 3 所示。现假设用四个子载 波根据式( 2 6 ) 进行o f d m 调制。如图2 4 所示。 ， 图2 4i q 路串并变换与各路对应的子载波 f i g 2 4b s e r i a lt op a r a l l e lt r a n s f o r mo fi qa n ds u b c a r r i e r sc o r r e s p o n d i n go f e a c hc h a n n e l 图2 4 中，串并变换完后的数据符号与其对应的子载波相乘累加即得到两个 o f d m 符号。 2 1 2o f d m 信号的频谱 设一个子信道的子载波频率为以、数据符号持续时间为互，则子载波符号波 形和频谱如图2 4 所示【2 2 】【2 3 1 。 “ 、 ：j j l、i j ： 。； t 。1 一t ， i ! ； ， jf ； i；：!： jj：，i ， ： ，i ： ，j ：， ； ：l ：j ； j i：i ， ： ，i：! ? k j 夕k 、j 不o ( a ) 波形 t + t s ( b ) 频谱密度 图2 5 子载波符号波形和频谱 f i g 2 5s i g n a lw a v e f o r ma n ds p e c t r u mo fs u b c a r r i e r 各个子载波间隔为= 1 c ，各个子载波叠加后的频谱幅度曲线如图2 5 所 第2 章o f d m 通信系统的基本原理 图2 5 各个子载波叠加后的频谱幅度 f i g 2 5a m p l i t u d es p e c t r u mo f e a c hs u b c a r r i e r so f o v e r p r i n t i n g 由图2 5 可以看出各路子载波的频谱相互重叠，但是实际上它们在一个符