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

摘要 摘要 当今在全球范围内移动通信处于高速发展时期，我国对后三代移动通信的研 究已经正式列入8 6 3 项目，并启动了 f u t u r e 计划”。现在已经进入项目的第二个 阶段，电子科技大学负责b 3 gt d d 方式的下行链路设计，重点是基于f p g a ( 现场 可编程门阵列) 的实现研究。 o f d m 是多载波数字调制技术，它大大提高了频带利用率。除此之外，o f d m 还有抗多径，抗频率选择性衰落，抗码间干扰等优点；并且可以采用i f f t f f t 来 进行调制，便于硬件实现。因此b 3 g 把o f d m 作为核心技术之一。但是o f d m 也有功率峰值功率比过大以及对频偏敏感等缺点，在应用的时候需要采用各种方 法来克服。 无线信道是最复杂的信道之一，无线信道帧结构的合理设计对于保障系统性 能是至关重要的，b 3 g 设计了适用于上下行不同数据量要求的帧结构，以及适用 于不同移动台速度的时隙结构。本论文基于f p g a ，设计实现了这一灵活的帧结构， 使系统能够适用复杂的无线信道。 f p g a 属于一种可编程逻辑器件，芯片内部以阵列状排列各种可配置逻辑块。 通过可编程连线，人们可以方便地将程序下载到芯片中实现设计。具有设计周期 短、投资少、风险小的特点，并且能够反复修改，反复编程，反复下载，直到满 足设计需求，具有其他方式所没有的方便性和灵活性。 本论文的设计重点在b 3 gt d d 方式下行链路的发送端o f d m 调制、组帧 以及各种接口的f p g a 实现。本设计的f p g a 芯片采用x i l i n x 公司v i r t e x i ip r o 系 列产品x c 2 v p 7 0 ，d a c 器件采用a n a l o gd e v i c e s 公司的a d 9 7 7 7 ，设计平台 采用x i l i n x 公司的i s e 系列软件。本论文在前期的o f d m 算法基础上，加入了 o f d m 的加窗模块、功率峰均比抑制模块和同步码滤波处理模块，设计了整个算 法的数字实现系统，并且经过仿真验证之后下载到芯片中成功地实现了整个链路 的联调，性能满足设计需求。 关键词：b 3 g ，o f d m ，帧，f p g a a b s t r a c t a b s t r a c t n o w a d a y st h e r eh a sb e e ng r e a td e v e l o p m e n ti nt h em o b i l ec o m m u n i c a t i o na l lo v e r t h ew o r l d t h eg o v e m m e n ta t t a c h e si m p o r t a n c et oi ta n dh a ss t a r t e dt h e f u t u r e p r o j e c t ”n a m e db 3 g b e y o n d3 r dg 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 mr b 3 g ) u e s t ci si nc h a r g eo f t h et d dd o w n l i n kt h a tb a s e so nf p g a o f d m ( 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 st h ek e yt e c h n o l o g yo fb 3 g s y s t e m b e s i d e sh i g hb a n d d d t he f f i c i e n c y , t h e r ea r em a n yo t h e ra d v a n t a g e si no f d m ， b u ti ta l s oh a st w od i s a d v a n t a g e s p e a ka v e r a g ep o w e rr a t ea n ds e n s i t i v i t yt of r e q u e n c y s k e w s oi ti sn e c e s s a r yt od e a lw i t ht h e mi ni m p l e m e n t w i r e l e s sc h a n n e li ss oc o m p l i c a t e dt h a tt h ef l a m es t r u c t u r ei sv e r yi m p o r t a n tt ot h e s y s t e mp e r f o r m a n c e 。b 3 gd e s i g n saf l e x i b l ef l a m ew h i c hc a na d a p tt od i f f e r e n td a t a t r a n s f e rr a t e sb e t w e e nd o w n l i n ka n du p l i n ka n dc a na d a p tt ov a r i a b l em o b i l es p e e d f p g a ( f i e l dp r o g r m n m a b l eg a t ea r r a y ) i sak i n do fp r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e b yt h ep r o g r a m m a b l ec a b l e ，w ec a r ld o w n l o a do u rd e s i g nt ot h ef p g ac h i p s h o r t e r d e s i g n i n gt i m e ，l e s si n v e s t m e n ta n dn or i s ka r et h ea d v a n t a g e sa n di tc a nb em o d i f i e d ， p r o g r a m m e da n dd o w n l o a d e dr e p e a t e d l y t h ep u r p o s eo ft h i sp a p e ri ss t u d y i n gt h eh a r d w a r ei m p l e m e n t a t i o nm e t h o do f o f d m ，f r a m ea n dv a r i o u si n t e r f a c e su s i n gf p g a t h ef p g ac h i p su s ex c 2 v p 7 0o f t h ev i r t e x i ip r of a m i l yp r o d u c tm a d eb yx i l i n xc o m p a n ya n dt h ed a c su s ea d 9 7 7 7 m a d eb ya n a l o gd e v i c e sc o m p a n y t h ed e s i g np l a t f o r mu s e si s es o f t w a r ef a m i l y w h i c hi sd e s i g n e db yx i l i n xt o o b a s e do nt h ei a s tr e s e a r c ho fo f d ma l g o r i t h r r io f b 3 g t h ep a p e rs t u d i e sa n dp r o p o s e so f d mw i n d o w i n g ，p e a ka v e r a g ep o w e rr a t er e j e c t i o n a n ds h a p i n gf i l t e nt h i sp a p e re m p h a s i z e so nh o wt od e s i g na n di m p l e m e n tt h ed i g i t a l s y s t e mo ft h ew h o l ea l g o r i t h m a f t e rs i m u l a t i o n ，t h ed e s i g nw a sd o w n l o a d e dt oc h i p s a n dm a k e st h el i n ki m p l e m e n ts u c c e s s f u l k e y w o r d s ：b 3 0 , o f d m ，f r a n r e ，f p g a 图目录 图2 一l 图2 2 图2 3 图2 4 图2 5 图3 - 1 图3 2 图3 3 图3 4 图3 5 图3 - 6 图3 7 图3 8 图4 1 图4 2 图4 3 图4 - 4 图4 5 图4 6 图4 7 图4 8 图4 9 图目录 完整的f p g a 设计流程 v i r t e x i ip r o 结构示意图 c l b 单元 s p i 接口， 串口寄存器接口时序图( 高字节优先) 电子科技大学b 3 g t d d 下行链路基本框架 电子科技大学b 3 g t d d 下行链路实现框架图 o f d m 系统基本模型框图一 加入循环前缀示意图 8 0 2 1 l ao f d m 发送功率谱密度 b 3 g 系统的帧结构 自适应的时隙结构 下行方案i i 最大验证速率帧结构 多天线发送板p c b 原理图 o f d m 调制与组帧f p g a 总体设计 背板同步信号定义时序图 o f d m 调制实现原理图 组帧实现原理图 1 6 q a m 调制星座图 o f d m 调制设计实现图 x f f tc o r e 引脚图 x f f t 时序图 v i “ 。； 加 m 地 舯 加 埘 苈 筋 蕊 圆 加 m 忽 n 舶 一 一 | | 一 | | | = 图目录 图4 1 0 图4 1 1 图4 1 2 图4 1 3 图4 1 4 图4 一1 5 图4 一1 6 图4 1 7 图4 1 8 图4 1 9 图4 2 0 图4 2 1 图4 2 2 图4 2 3 图4 2 4 图4 2 5 图4 2 6 图4 2 7 图4 2 8 图4 2 9 图4 3 0 图4 3 1 图4 3 2 图4 3 3 加窗前o f d m 符号扩充，3 7 加窗后o f d m 符号叠加3 8 加窗原理框图3 8 流水线结构的p a p r 设计3 9 导频符号天线与载波分配示意图4 0 导频发生器4 0 导频发生控制器内部框图4 l 同步码发生器设计i 4 2 同步码发生器设计1 1 4 2 同步码滤波前后时域波形图4 3 滤波前的同步信号功率谱4 4 滤波后的同步信号功率谱4 4 s y n c _ r e c o v e r 模块4 5 s y n cr e c o v e r 时序4 6 o f d mt r i g ，4 6 o f d mt r i g 模块的s l o tp a t t e m 信号时序图4 7 组帧控制模块时序图4 8 d a c 接口原理框图4 9 d a c 接口控制信号时序图5 0 d a c 接口控制逻辑5 0 向s p i 接口输入、输出数据的时序5 1 s p i 接口内部框图5 2 a u r o r a 流模式传送时序5 4 a u r o r a 流模式接收时序5 4 v i i 图目录 图5 - 1f p g a 设计仿真测试 图5 2f p g a 设计硬件测试 图5 3数字信号的m a t l a b 分析q a m 解调星座图 图5 4数字信号的m a t l a b 分析o f d m 信号频谱图 v i l l 5 6 5 7 5 8 5 9 表目录 表3 1 表3 2 表3 3 表4 ，1 表4 2 表5 1 表5 2 表5 3 表目录 b 3 g 系统的指标要求 电子科技大学b 3 g t d d 下行链路设计目标 系统参数表一 子载波映射方案 工作模式寄存器地址映射表 x c 2 v p 7 0 资源列表 多天线发送板资源占甭表 多天线发送板运行速度分析报告 b 博 插 砣 巧 矾 缩略字表 2 g a d c a d s l a s i c a t m b 3 g b ，i s d n c d m a c l b c p c p l d d c m d a c e d a f d m a f f t f i f o f p g a f p l d e t s i h d l i b c n i c i c i i f f t i o b 缩略字表 s e c o n dg e n e r a t i o n a n a l o gt od i g i t a lc o n v e r t e r a s y m m e t r i c a ld i g i t a ls u b s c r i b e rl o o p 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 b e y o n d3 mg e n e r a t i o n b r o a db a n di n t e g r a t e ds e r v i c e sd i g i t a ln e t w o r k c o d ed i v i s i o nm u l t i p l e xa c c e s s c o n f i g u r a b l el o g i cb l o c k c y c l i cp r e f i x c o m p l e xp r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e d i g i t a lc l o c km a n a g e r d i g i t a lt oa n a l o gc o n v e r t e r 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 d 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 r m f i r s ti n p u tf i r s to u t t ) 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 f i e l dp r o g r a n m a a b l el o g i cd e v i c e e u r o p e a nt e l e c o m m u n i c a t i o ns t a n d a r d si n s t i t u t 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 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 g r a t e dc i r c u i t i n t e rc h a n n e li n t e r f e r e n c e i n v e r s ef a s tf o u r i e rt r a n s f o f i l l i n p u t o u t p u tb l o c k x 第二代( 移动通信系统) 模数转换器 数字用户环路 专用集成电路 异步传输模式 超三代移动通信系统 宽带综合业务服务网 码分多址 可配置逻辑模块 循环前缀 复杂可编程逻辑器件 数字时钟管理器 数模转换器 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 现场可编程逻辑器件 欧洲电信标准协会 硬件描述语言 综合宽带通信网 集成电路 信道问干扰 快速傅立叶反变换 输入输出接口模块 缩略字表 i s i j t a g l c l u t m g t m i m o o f d m o f d v i a p a p r p l d p n q o s r i s c r - t l s p i t d d _ r d m a t t i u c f v h d l v l s i w l a n i n t e rs y m b o li n t e r f e r e n c e j o i n tt e s ta c t i o ng r o u p l o g i cc e l l l o o k - u p t a b l e 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 i n p u tm u l t i - o u t p u 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 t l e x o r t h o g o n a f r e q u e n c y d i v i s i o nm u l t i p l e a 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 r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e p s e u d o - r a n d o mn u m b e r q u a l i t yo fs e r v i c e 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 e r i a lp o r ti n t e r f a c e t i m ed i v i s i o nd u p l e x t j m ed i v i s i o nm u l t i p l e xa c c e s s t r a n s m i s s i o nt i l l l ei n t e r v a l u s e rc o n s t r a i n tf i l e v h s i c ( v e r i yh i g hs p e ：e ai c ) h a r d w a r ed e s c r i 【曲o nl a n g u a g e v e r yl a r g es c a l ei c w i r e l sl o c a la r e an e t w o r k x 1 符号问干扰 联合测试行动小组 逻辑单元 查找表 多吉比特收发器 多入多出 正交频分复用 正交频分复用多址 峰值平均功率比 可编程逻辑器件 伪随机数 业务质量 精简指令集计算机 寄存器传输级 串行接口 时分双工 时分多址 传输时间间隔 用户约束文件 硬件描述语言 超大规模集成电路 宽带无线局域网 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：邀豳墨!日期：文彩年弓月睁日 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：乏举导师签名：z 罐 日期：知多年多月仟日 第一章引言 1 1 移动通信系统的发展 第一章引言 纵观移动通信的发展史，第一代模拟系统仅提供语音服务，不能传输数据； 第二代数字移动通信系统的数据传输速率也只有9 6 k b i t s ，最高可达3 2 k b i t s ；第 三代移动通信系统数据传输速率可达到2 m b i t s ；而我们目前所致力研究的第四代 移动通信系统可以达到1 0 0 m b i t s 以上 j j 。虽然第三代移动通信可以比现有传输速 率快上千倍，但是仍无法满足未来多媒体通信的要求，第四代移动通信系统的提 出便是希望能满足提供更大的频宽需求【2 1 。 第四代移动通信技术的概念可称为宽带( b r o a d b a n d ) 接入和分布网络，具有非 对称超过2 m b s 的数据传输能力，对全速移动用户能提供1 5 0m b s 的高质量影像 服务，将首次实现三维图像的高质量传输。包括宽带无线固定接入、宽带无线局 域网、移动宽带系统和互操作的广播网络( 基于地面和卫星系统) 。其宽带无线局域 厩3 ( w l a n ) 能与b i s d n 和a t m 兼容，实现宽带多媒体通信，形成综合宽带通信 网( i b c n ) ，他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 3 【4 【5 】： 通信速度提高，数据率超过第三代，上网速率从2m b s 提高到1 0 0m b s 。 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，改变了以传 统移动电话业务为主设计移动通信网络的设计观念。 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。 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。 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。 第四代移动通信系统计划以o f d m ( 正交频分复用) 为核心技术提供增值服务， 电子科技大学硕士学位论文 它在宽带领域的应用具有很大的潜力。较之第三代移动通信系统，采用多种新技 术的o f d m 具有更高的频谱利用率和良好的抗多径干扰能力，它不仅仅可以增加 系统容量，更重要的是它能更好地满足多媒体通信要求，将包括语音、数据、影 像等大量信息的多媒体业务通过宽频信道高品质地传送出去 6 】【”。 1 2 相关技术发展动态 1 2 1o f d m 技术 正交频分复用技术( o f d m ) 的应用已有近4 0 年的历史，第一个o f d m 技术的 实际应用是军用的无线高频通信链路。但这种多载波传输技术在双向无线数据方 面的应用却是近十年来的新趋势。经过多年的发展，该技术在广播式的音频和视 频领域已得到广泛的应用。主要的应用包括：非对称的数字用户环路( a d s l ) 、e t s i 标准的音频广播、数字视频广播等。1 9 9 9 年i e e e 8 0 2 1 l a 通过了一个5 g h z 的无 线局域网标准，其中o f d m 调制技术被采用为它的物理层标准。e t s i 的宽带射频 接入n ( b r a n ) 的局域网标准也把o f d m 定为它的调制标准技术。1 9 9 9 年1 2 月， 包括e r i c s s o n 、n o k i a 和w i l a n 在内的7 家公司发起了国际o f d m 论坛，致力于 策划一个基于o f d m 技术的全球性单一标准。现在o f d m 论坛的成员已增加到 4 6 个会员，其中1 5 个为主要会员。我国的信息产业部也己参加了o f d m 论坛， 可见o f d m 在无线通信的应用已引起国内通信界的重视。2 0 0 0 年1 1 月，o f d m 论坛的固定无线接入工作组向1 e e e 8 0 2 1 6 3 的无线城域网委员会提交了一份建议 书，提议采用o f d m 技术作为i e e e 8 0 2 1 6 3 城域网的物理层标准。随着 i e e e 8 0 2 1 1 a 和b r a n h y p e r l a r d 2 两个标准在局域网的普及应用，o f d m 技术将会 进一步在无线数据本地环路的广域网领域做出重大贡献。o f d m 由于其频谱利用 率高、成本低等原因越来越受到人们的关注。随着人们对通信数据化、宽带化、 个人化和移动化的需求，o f d m 技术在综合无线接入领域将得到越来越广泛的应 用【8 】 9 m 】。 1 2 2 可编程逻辑器件 当今社会是数字化的社会，是数字集成电路广泛应用的社会1 1 】。数字集成电 路本身在不断地进行更新换代。它由早期的电子管、晶体管、小中规模集成电路、 发展到超大规模集成电路( v l s l ，几万门以上) 以及许多具有特定功能的专用集成电 电子科技大学硕士学位论文 它在宽带领域的应用具有很大的潜力。较之第三代移动通信系统，采用多种新技 术的o f d m 具有更高的频谱利用率和良好的抗多径干扰能力，它不仅仅可以增加 系统容量，更重要的是它能更好地满足多媒体通信要求，将包括语音、数据、影 像等大量信息的多媒体业务通过宽频信道高品质地传送出去 6 删。 1 2 相关技术发展动态 1j 2 ，jo f d m 技术 正交频分复用技术( o f d m ) 的应用已有近4 0 年的历史，第一个o f d m 技术的 实际应用是军用的无线高频通信链路。但这种多载波传输技术在双向无线数据方 面的应用却是近十年来的新趋势。经过多年的发展，该技术在广播式的音频和视 频领域已得到广泛的应用。主要的应用包括：非对称的数字用户环路( a d s l ) 、e t s i 标准的音频广播、数字视频广播等。1 9 9 9 年i e e e s 0 2 1 l a 通过了一个5 g h z 的无 线局域网标准，其中o f d m 调制技术被采用为它的物理层标准。e t s i 的宽带射频 接n ( b r a n ) 的局域网标准也把o f d m 定为它的调制标准技术。1 9 9 9 年1 2 月， 包括e r i c s s o n 、n o k i a 和w i l a i n 在内的7 家公司发起了国际o f d m 论坛，致力于 策划一个基于o f d m 技术的全球性单一标准。现在o f d m 论坛的成员已增加到 4 6 个会员，其中1 5 个为主要会员。我国的信息产业部也已参加了o f d m 论坛， 可见o f d m 在无线通信的应用已引起国内通信界的重视。2 0 0 0 年1 1 月，o f d m 论坛的固定无线接入工作组向i e e e 8 0 21 63 的无线城域网委员会提交了一份建议 书，提议采用o f d m 技术作为1 e e e 8 0 2 1 6 3 城域网的物理层标准。随着 i e e e 8 0 2l l a 和b r a n h y p e r l a r f f 2 两个标准在局域网的普及应用，o f d m 技术将会 进一步在无线数据本地环路的广域网领域做出重大贡献。o f d m 由于其频谱利用 率高、成本低等原因越来越受到人们的关注。随着人们对通信数据化、宽带化、 个人化和移动化的需求，o f d m 技术在综台无线接入领域将得到越来越广泛的应 用【8 j 【9 【l 。 1 2 2 可编程逻辑器件 当今社会是数字化的社会，是数字集成电路广泛应用的社会【1 l 】。数字集成电 路本身在不断地进行更新换代。它由早期的电子管、晶体管、小中规模集成电路、 发展到超丈规模集成电路f v l s j ，几万门以上) 以及许多具有特定功能的专用集成电 发展到超大规模集成电路( v l s i ，几万门以上) 以及许多具有特定功能的专用集成电 电子科技大学硕士学位论文 它在宽带领域的应用具有很大的潜力。较之第三代移动通信系统，采用多种新技 术的o f d m 具有更高的频谱利用率和良好的抗多径干扰能力，它不仅仅可以增加 系统容量，更重要的是它能更好地满足多媒体通信要求，将包括语音、数据、影 像等大量信息的多媒体业务通过宽频信道高品质地传送出去 6 】【”。 1 2 相关技术发展动态 1 2 1o f d m 技术 正交频分复用技术( o f d m ) 的应用已有近4 0 年的历史，第一个o f d m 技术的 实际应用是军用的无线高频通信链路。但这种多载波传输技术在双向无线数据方 面的应用却是近十年来的新趋势。经过多年的发展，该技术在广播式的音频和视 频领域已得到广泛的应用。主要的应用包括：非对称的数字用户环路( a d s l ) 、e t s i 标准的音频广播、数字视频广播等。1 9 9 9 年i e e e 8 0 2 1 l a 通过了一个5 g h z 的无 线局域网标准，其中o f d m 调制技术被采用为它的物理层标准。e t s i 的宽带射频 接入n ( b r a n ) 的局域网标准也把o f d m 定为它的调制标准技术。1 9 9 9 年1 2 月， 包括e r i c s s o n 、n o k i a 和w i l a n 在内的7 家公司发起了国际o f d m 论坛，致力于 策划一个基于o f d m 技术的全球性单一标准。现在o f d m 论坛的成员已增加到 4 6 个会员，其中1 5 个为主要会员。我国的信息产业部也己参加了o f d m 论坛， 可见o f d m 在无线通信的应用已引起国内通信界的重视。2 0 0 0 年1 1 月，o f d m 论坛的固定无线接入工作组向1 e e e 8 0 2 1 6 3 的无线城域网委员会提交了一份建议 书，提议采用o f d m 技术作为i e e e 8 0 2 1 6 3 城域网的物理层标准。随着 i e e e 8 0 2 1 1 a 和b r a n h y p e r l a r d 2 两个标准在局域网的普及应用，o f d m 技术将会 进一步在无线数据本地环路的广域网领域做出重大贡献。o f d m 由于其频谱利用 率高、成本低等原因越来越受到人们的关注。随着人们对通信数据化、宽带化、 个人化和移动化的需求，o f d m 技术在综合无线接入领域将得到越来越广泛的应 用【8 】 9 m 】。 1 2 2 可编程逻辑器件 当今社会是数字化的社会，是数字集成电路广泛应用的社会1 1 】。数字集成电 路本身在不断地进行更新换代。它由早期的电子管、晶体管、小中规模集成电路、 发展到超大规模集成电路( v l s l ，几万门以上) 以及许多具有特定功能的专用集成电 第一章引言 路。但是，随着微电子技术的发展，设计与制造集成电路的任务已不完全由半导 体厂商来独立承担。系统设计师们更愿意自己设计专用集成电路似s i c ) 芯片，而 且希望a s i c 的设计周期尽可能短，最好是在实验室里就能设计出合适的a s i c 芯 片，并且立即投入实际应用之中，因而出现了现场可编程逻辑器件( f p l d ) ，其中 应用最广泛的当属现场可编程门阵列( f p g a ) 录1 复杂可编程逻辑器件( c p l d ) 。 早期的可编程逻辑器件只有可编程只读存贮器( p r o m ) 、紫外线可按除只读存 贮器( e p r o m ) 矛1 3 电可擦除只读存贮器( e e p r o m ) - - - 种。由于结构的限制，它们只能 完成简单的数字逻辑功能 1 2 】【1 3 】f 1 4 1 。 其后，出现了一类结构上稍复杂的可编程芯片，即可编程逻辑器件( p l d ) ，它 能够完成各种数字逻辑功能。典型的p l d 由一个“与”门和一个“或”门阵列组成， 而任意一个组合逻辑都可以用“与一或”表达式来描述，所以，p l d 能以乘积和的 形式完成大量的组合逻辑功能。 这一阶段的产品主要有p a l ( 可编程阵列逻辑) 和g a “通用阵列逻辑) 。p a l 器 件是现场可编程的，它的实现工艺有反熔丝技术、e p r o m 技术和e e p r o m 技术。 在p a l 的基础上，又发展了一种通用阵列逻辑g a l ( g e n e r i ca r r a yl o g i c ) ，如 g a l l 6 v 8 ，g a l 2 2 v l o 等。它采用了e e p r o m 工艺，实现了电可按除、电可改写， 其输出结构是可编程的逻辑宏单元，因而它的设计具有很强的灵活性，至今仍有 许多人使用。这些早期的p l d 器件的一个共同特点是可以实现速度特性较好的逻 辑功能，但其过于简单的结构也使它们只能实现规模较小的电路。 为了弥补这一缺陷，2 0 世纪8 0 年代中期。a l t e r a 和x i l i n x 分别推出了类似 于p a l 结构的扩展型c p l d ( c o m p l e xp r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ) 和与标准门阵 列类似的f p g a ( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ) ，它们都具有体系结构和逻辑单元 灵活、集成度高以及适用范围宽等特点。这两种器件兼容了p l d 和通用门阵列的 优点，可实现较大规模的电路，编程也很灵活。与门阵列等其它a s i c ( a p p l i c a i i o n s p e c i f i ci c l 相比，它们又具有设计开发周期短、设计制造成本低、开发工具先进、 标准产品无需测试、质量稳定以及可实时在线检验等优点，因此被广泛应用于产 品的原型设计和产品生产( 一般在1 0 ，0 0 0 件以下) 之中。几乎所有应用门阵列、p l d 和中小规模通用数字集成电路的场合均可应用f p g a 和c p l d 器件。 电子科技大学硕士学位论文 1 3 课题来源和研究任务 本课题来源于国家“8 6 3 ”项目第二阶段：b 3 gt d d 方式下o f d m 下行链路 设计与实现，项目编号：2 0 0 3 a a l 2 3 3 1 0 0 6 。 本论文主要研究o f d m 调制技术和b 3 gt d d 方式下的帧结构，完成o f d m 调制和组帧的f p g a 设计，成功地将设计放入试验系统中进行联调，并且分析了 算法和设计在实现中的性能。 1 4 论文主要内容 第一章，研究了移动通信系统的发展，讨论了o f d m 技术和可编程逻辑器件 的发展现况。 第二章，研究了f p g a 的设计流程，介绍了本设计用到的软硬件平台。软件 采用x i l i n xi s e ，硬件采用x i l i n xv i r t e x i ip r ox c 2 v 7 0 5f f l 7 0 4 和a d 的a d 9 7 7 7 。 第三章，讨论了b 3 gt d d 下行链路的系统参数和链路结构，然后详细研究了 该系统中的o f d m 调制技术和帧结构。本章前一段详细分析了o f d m 调制各个技 术细节的实现方法，以及其对系统性能的影响；后一段给出了b 3 g 系统各种模式 的帧结构，并分析其作用和原理。 第四章，全文的重点，采用自顶向下的设计方法，详细叙述了o f d m 调制和 组帧的硬件实现算法和f p g a 设计。本章首先介绍了多天线发送板的板级设计， 然后给出了o f d m 调制和组帧的f p g a 整体设计，然后分小章详细地阐述了各个 子模块的功能、实现算法和f p g a 设计，同时给出了主要模块的硬件实现框图和 时序波形图。 第五章，首先介绍了本设计采用的验证方法，然后详细了分析验证结果。最 后分析了f p g a 设计的资源占用和运行速度。 第六章，对全文进行总结，提出了下一步的工作任务，探讨了今后可能的研 究方向。 4 第二章现场可编程门阵列f p g a 2 1f p g a 简介 第二章现场可编程门阵歹i j - f p g a 现场可编程门阵列( f p g a ) 是近十来年加入到可编程技术行列中的器件，可编 程门阵列在器件的选择和内部的互连上提供了更大的自由度。f p g a 的结构类似于 掩膜可编程门阵列( m p g a ) 由逻辑功能块排列组成，并由可编程的内部连线连接这 些逻辑功能块来实现不同的设计。f p g a 利用可以编程的电子开关f 基于查找表 ( l o o k u pt a b l e ) 技术) 实现逻辑功能和互连，类似于传统的可编程逻辑器件。 对于s r a m 工艺的f p g a ( 如a l t e r a 的所有f l e x a c e x ，a p e x 系列，x i t i n x 的s p a r t a n , v i r t e x ) ，由于s r a m 工艺的特点，掉电后数据会消失，因此调试期间 可以用下载电缆配置p l d 器件，调试完成后，需要将数据固化在一个专用的 e e p r o m 中用通用编程器烧写) 上电时，由这片配置e e p r o m 先对p l d j j l ：i 载数据， 十几个毫秒后，芯片即可正常工作。( 亦可由c p u 配置p l d ) 。但s r a m 工艺的f p g a 般不可以加密。还有一种反熔( a n t i f u s e ) 技术的f p g a ，如a c t e l ，q u i c k l o g i c 的部分产品就采用这种工艺。用法与e e p r o m 的p l d 一样，但这种芯片是不能 重复擦写，所以初期开发过程比较麻烦，费用也比较昂贵。但反熔丝技术也有许 多优点：布线能力更强，系统速度更快，功耗更低，同时抗辐射能力强，耐高低 温，可以加密，所以在一些有特殊要求的领域中运用较多，如军事及航空航天。 f p g a 芯片是特殊的a s i c 芯片，除了具有a s i c 的特点之外，还具有以下几 个优点： ( 1 ) 随着v l s i ( v e r yl a r g es c a l ei c ，超大规模集成电路) 工艺的不断提高，单 芯片内部可以容纳上百万个晶体管，f p g a 芯片自勺规模也越来越大，其荜 片逻辑门数已达到上百万门，它所能实现的功能也越来越强，同时也可以实 现系统集成。 ( 2 )f p g a 芯片在出厂之前都微过百分之百的测试，不需要设计人员承担投片风 险和费用，设计人员只需在自己的实验室里就可以通过相关的软硬件环境未 完成芯片的最终功能设计。所以，f p g a 的资金投入小，节省了许多潜在的 花费。 电子科技大学硕士学位论文 ( 3 ) 用户刚以反复地编程、擦除、使用或者在外围电路不动的情况下用不同软件 就可实现不同的功能。所以，用f p g a 试制样片，能以最快的速度占领市场。 f p g a 软件包中有各种输入工具和仿真工具，及版图设计工具和编程器等全 线产品，电路设计人员在很短的时间内就可完成电路的输入、编译、优化、 仿真，直至最后芯片的制作。当电路有少量改动时，更能显示出f p g a 的 优势。电路设计人员使用f p g a 进行电路设计时，不需要具备专门的i c ( 集 成电路) 深层次的知识，f p g a 软件易学易用，可以使设计人员更能集中精 力进行电路设计，快速将产品推向市场。 2 2f p g a 开发流程 没问题 图2 - 1 完整的f p g a 设计流程 第二章现场可编程门阵列一f p g a 一般来说，完整的f p g a 设计流程【1 5