湖南文理学院OFDM调制解调的FPGA 实现.docx
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湖南文理学院OFDM调制解调的FPGA实现
湖南文理学院课程设计报告
课程名称:
通信系统课程设计
院部:
电气与信息工程学院
专业班级:
通信工程07101班
学生姓名:
刘焱
指导教师:
侯青莲
完成时间:
2010年12月30日
报告成绩:
评阅意见:
评阅教师日期
摘要
OFDM(OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing)即正交频分复用,是一种特殊的多载波调制技术。
OFDM全称为正交频分复用(OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing),是一种新型的高效的多载波调制技术,它能够有效地对抗多径传播,使受到干扰的信号能够可靠地接收。
经过几十年的开发之后,OFDM/COFDM不但被广泛地应用于高速数字通信中,而且已扩展到其他领域。
同时现代数字信号处理技术和超大规模专用集成电路(VLSI)的发展也使得快速傅立叶变换的实现变的更加容易,使该技术的实现费用更趋实际,为以后OFDM广泛应用于通信领域开辟了道路。
、
本设计主要讨论了OFDM的FPGA实现,在高速无线通信系统中实现调制/解调的重要方案;重点叙述了OFDM解调实现方法,及在FPGA中的设计实现。
关键词:
OFDMFPGA调制/解调
Abstract
OFDM(OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing)isaspecialmulti-carriermodulationtechnique.OFDMisshortofOrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing.Itisanewtypeofhighlyefficientmulti-carriermodulationtechnique,itcaneffectivelyfightagainstmulti-pathspreadandmakethesignalinterferencereliablyreceive.Afterseveraldecadesofdevelopment,OFDM/COFDMhasbeenwidelyusedinhigh-speeddigitalcommunications,andhasspreadtootherfields.Atthesametime,moderndigitalsignalprocessingtechnologyandultra-large-scaleapplicationspecificintegratedcircuits(VLSI)alsomakethedevelopmentoffastFouriertransformmoreeasilyandthecostofthetechnologymorepractically,andopenthemarketforOFDMwidelyusedinthefieldofcommunicationinthefuture.
ThisdesignmainlydiscussestheFPGArealizationforOFDM.Animportantproposaltorealizedemoinhighspeedwirelesscommunication.EmphasisisplacedontherealizationofOFDMdemoandthedesignofFPGA
Keywords:
OFDM FPGA DEMO
目录
一.设计目的4
二.设计要求5
三.设计内容5
1.OFDM系统的基本原理5
2.OFDM的主要技术6
2.1信道分配6
2.2分组信道6
2.3自适应跳频6
2.4多天线7
2.5调制方式7
3.OFDM正交调制解调系统原理方框图8
4.OFDM的FPGA的实现10
1.OFDM调制解调器电路13
2.OFDM波形仿真13
四.设计心得体会14
五.参考文献15
OFDM调制解调的FPGA实现
一.设计目的
1.巩固加深对通信基本知识分析以及OFDM原理的掌握,提高综合运用通信知识的能力;
2.培养查阅参考文献,独立思考,设计,钻研电子技术相关问题的能力;
3.掌握仿真软件对系统进行仿真分析;
4.掌握相关电子线路工程技术规范以及常规电子元器件的性能技术指标;
5.了解电气图国家标准以及电气制图国家标准,并利用电子CAD等正确绘制电路图;
6.培养严肃认真的工作作风与科学态度,建立严谨的工程技术观念;
7.培养工程实践能力,创新能力和综合设计能力。
二.设计要求
1、画出OFDM实现的原理框图,说明系统中各主要组成部分的功能。
2、根据选用的软件编好用于系统仿真的测试文件。
3、给出仿真结果及进行分析。
4、写出详细的设计报告(不少于5000字)
三.设计内容
1.OFDM系统的基本原理
多载波传输是把数据流分解为若干个独立的子比特流,这样每个子数据流具有低得多的比特速率,用此比特率形成低速率多状态符号再去调制相应的子载波。
从而构成多个低速率符号并行发送的传输系统。
OFDM是一种特殊的多载波传送方案,利用逆快速傅立叶变换(IFFT)和快速傅立叶变换(FFT)分别实现调制解调,是实现复杂度最低、应用最广的一种多载波传输方案。
它将单个用户的信息流被串/并变换为多个低速率码流,每个码流都用一条载波发送。
OFDM弃用传统的用带通滤波器来分隔子载波频谱的方式,改用跳频方式选用那些即便频谱混叠也能够保持正交的波形,因此我们说,OFDM既可以当作调制技术,也可以当作复用技术。
OFDM增强了抗频率选择性衰落和抗窄带干扰的能力。
单载波系统中,单个衰落或者干扰可能导致整条链路不可用,但在多载波系统中,只会有一小部分载波受影响。
纠错码的应用可以帮助其恢复一些易错载波上的信息。
在传统的并行通信系统中,整个系统频带被划分为N个互不混叠的子信道,每个子信道被一个独立的信源符号调制,即N个子信道被频分复用。
这种做法,虽然可以避免不同信道互相干扰但却以牺牲频带利用率为代价,这在频带资源如此紧张的今天尤其不能忍受。
上个世纪中期,人们又提出了频带混叠的子信道方案,信息速率为a,并且每个信道之间距离也为azH,这样可以避免使用高速均衡和抗突发噪声差错,同时可以充分利用信道带宽,节省了50%。
为了减少各个子信道间的干扰,我们希望各个载波间正交。
这种“正交”表示的是载波的频率间精确的数学关系。
传统的频分复用的载波频率之间有一定的保护间隔,通过滤波器接收所需信息。
在这样的接收机下,保护频带分隔不同载波频率,这样就使频谱的利用率低。
OFDM不存在这个缺点,它允许各载波间频率互相混叠,采用了基于载波频率正交的FFT调制,由于各个载波的中心频点处没有其他载波的频谱分量,所以能够实现各个载波的正交。
尽管还是频分复用,但已与过去的FDMA有了很大的不同:
不再是通过很多带通滤波器来实现,而是直接在基带处理,这也是OFDM有别于其他系统的优点之一。
OFDM的接收机实际上是一组解调器,它将不同载波搬移至零频,然后在一个码元周期内积分,其他载波由于与所积分的信号正交,因此不会对这个积分结果产生影响。
OFDM的高数据速率与子载波的数量有关,增加子载波数目就能提高数据的传送速率。
OFDM每个频带的调制方法可以不同,这增加了系统的灵活性,大多数通信系统都能提供两种以上的业务来支持多个用户,OFDM适用于多用户的高灵活度、高利用率的通信系统。
2.OFDM的主要技术
OFDM的主要技术有信道分配、分组信道、自适应跳频、多天线、调制方式等
2.1信道分配
OFDM可以有很多种方式为用户分配信道最主要的是分组信道分配、自适信道分配这两种分配方式。
2.2分组信道
显然,最简单的方法是将信道分组分配给每个用户,这样可以使由于失真、各信道能量的不均衡和频偏所造成的用户间的干扰减到最小。
但是载波分组会使信号容易衰落,于是我们用载波跳频来解决这个问题。
分组随机跳频空闲时间较短,约n个字符时间。
利用时间交织和前向纠错可以恢复丢失的数据,但是会降低系统容量并且会增加信号时延。
2.3自适应跳频
这是一种新的基于信道性能的跳频技术,信道用来传递对它来说具有最佳信噪比的信号。
因为每个用户的位置不同,所以信号的衰落模式也不相同,因此每个用户收到的最强信号都不同于其他用户,从而相互之间不会发生冲突。
研究表明,在频率选择性信道采用自适应跳频可以大幅提高信号接收功率,能够达到5~20dB,这是一个非常好的结果。
事实上,自适应跳频消除了频率选择性衰落。
多径信道中,速率为1Gbit/s的信号的频响特性每15cm就会发生很大的变化,因此信号的频率刷新速率要比15cm的移动速率快很多,一般情况下终端每移动5cm刷新一次就足够了。
比如终端以每小时60km的速度移动,刷新速率就是大约330次/秒。
跳频的开销比特数量与用户速率、用户数量以及系统是全双工还是半双工有关。
全双工系统的接收机和发射机的工作频率的间隔至少应大于40MHz,信道数量是用户数的两倍,发射的参考码字的数量比用户数多1个,也就是说除了每个用户需要发送一个参考码字外,基站的前向信道也必需发送一个。
采用并行通信可以减少参考码字,20个用户可以共用一个参考码字。
对于一个10Mbit/s带宽全双工系统,有10个速率为50kbit/s的用户,调制方式是QPSK,其开销比特将占整个数据的30%~50%。
而时分半双工系统可以减少开销比特,只有10%~15%。
当信道变化太快,跳频速度跟不上时,用随机跳频代替自适应跳频。
由于这种转换非常快,所以衰落时间很短暂,采用时间交错和前向纠错能够补偿这种衰落。
时间交错要求尽可能短,否则就会增加时延。
2.4多天线
ODFM由于码率低和加入了时间保护间隔,因此具有极强的抗多径干扰能力。
由于多径时延小于保护间隔,所以系统不受码间干扰的困扰,这就允许单频网络(SFN)可以用于宽带OFDM系统,依靠多天线来实现,即采用由大量低功率发射机组成的发射机阵列消除阴影效应,来实现完全覆盖。
多天线系统非常适用于无线局域网。
一般的局域网由于阴影效应,信号无法完全覆盖,需要使用中继器。
对于传统系统来说,中继器可能会带来多径干扰,但OFDM不存在这个问题,它的中继器可以加在任何需要的地方,不仅可以完全覆盖网络,并且可以消除多径干扰。
2.5调制方式
OFDM系统的各个载波可以根据信道的条件来使用不同的调制,比如BPSK、QPSK、8PSK、16QAM、64QAM等等,以频谱利用率和误码率之间的最佳平衡为原则。
选择满足一定误码率的最佳调制方式可以获得最大频谱效率。
多径信道的频率选择性衰落会导致接收信号功率大幅下降,达到30dB之多,信噪比也大幅下降。
使用与信噪比相匹配的调制方式可以提高频谱利用率。
根据信息论的观点,可靠性和有效性是通信系统运行是否良好的重要考核指标。
例如系统通常选择BPSK或QPSK调制,这样可靠性得到了保障,但这两种调制的频谱效率太低。
如果使用自适应调制,那么在信道好的时候终端就可以使用较高的调制,同样在终端靠近基站时,调制可以由BPSK转化成16QAM、64QAM,整个系统的频谱利用率得到大幅度的改善,自适应调制能够使系统容量翻番。
但任何事物都有其两面性,自适应调制也不例外。
它要求信号必需包含一定的开销比特,以告知接收端发射信号所采用的调制方式,并且,终端需要定期更新调制信息,这又势必会增加更多的开销比特。
OFDM技术将这个矛盾迎刃而解,通过采用功率控制和自适应调制协调工作的技术。
信道好的时候,发射功率不变,可以增强调制方式(如64QAM),或者在低调制(如QPSK)时降低发射功率。
功率控制与自适应调制要取得平衡,也就是说对于一个远端发射台,它有良好的信道,若发送功率保持不变,可使用较高的调制方案如64QAM;若功率可以减小,调制方案也相应降低,可使用QPSK。
失真、频偏也是在选择调制时必须考虑的因素。
传输的非线性会造成互调失真〔IMD),此时信号具有较高的噪声电平,信噪比一般不会太高;失步和多普勒平移所造成的频率偏移使信道间失去正交特性,仅仅1%的频偏就会造成信噪比下降3OdB。
信噪比限制了最大频谱利用率只能接近5~7bit/s/Hz。
自适应调制要求对信道的性能有充分的了解,如果在差的信道上使用较强的调制方式,那么就会产生很高的误码率,影响系统的可靠性。
多用户OFDM系统的导频信道或参考码字可以用来测试信道的好坏。
发送一个己知数据的码字,在满足通信极限的情况下测量出每条信道的信噪比,根据这个信噪比来确定最适合的调制方式。
3.OFDM正交调制解调系统原理方框图
基于OFDM系统的调制和解调原理方框图
首先码元速率为T,比特速率是Ts,因为串并变换的关系,所以T=NTs。
在上图中,正交关系就表现在调制信号pi(t)和解调信号qi(t)的关系上。
必须如下式这样正确的选择pi(t)和qi(t),才能满足正交调制的条件。
(2.1)
我们在OFDM系统,为了做到子载波之间的正交性,往往选择
和
为正余弦信号:
和
。
这样
和
明显能够满足公式(2.1):
(2.2)
但
必须满足关系:
。
那么发送信号s(t)可以表示为:
,其中
。
接收端解调后各子载波信号为:
(2.3)
从式子2.3可以看到,第m个子载波解调后可以正确的会付出期望的符号d(m),而对于其它子载波来说,由于在积分间隔内,频率偏差是
的整数倍,所以积分结果为0。
使用快速傅立叶变换调制解调
(2.4)
我们可以把这个式子变换个形式:
(2.5)
我们把
称为等效基带信号。
对这个基带信号进行采样,得到基带信号
:
(2.6)
对于子载波N非常大的系统来说,OFDM正交调制可以采用离散傅立叶逆变换IDFT算法来实现。
从2.6式我们可以很容易的发现
是d(n)的离散傅立叶逆变换IDFT。
若不考虑噪声和干扰的影响,且假设满足正交条件,那么在接收端采用类似的方法就可以得到接收信号。
,显然,
是序列
的离散傅立叶变换。
在OFDM系统的实际应用中,可以采用更加方便更加快速的快速傅立叶变换(FFT/IFFT)[4]。
N点DFT和IDFT运算需要实施N*N次的复数乘法;而FFT和IFFT可以显著的降低运算复杂度。
对于常用的基2-FFT和IFFT运算来说,复数乘法的次数仅仅为
举个简单的例子,假设N=16,DFT和FFT所需要的复数乘法数量分别是256次和32次。
而且随着N的增大,这种差距会越来越大,FFT的优势会更加明显。
对于子载波数量非常大的OFDM系统来说,可以进一步采用基4的FFT算法。
在基4的FFT运算中,只存在于{1,-1,j,-j}的相乘运算,因此不需要采用完整的乘法器来实施这种乘法,只需要通过简单地加、减以及交换实部和虚部的运算(当与-j,j相乘时)来实现这种乘法。
在基4-FFT算法中,FFT变换可以被分为多个4点的FFT变换,这样就只需要在两个级别之间执行完整的乘法操作。
因此,N点的基4FFT运算中只需要执行(3/8)N(Log2N-2)次复数乘法或相位选转,以及Nlog2N次复数加法。
例如在64点的FFT中,需要计算96次复数乘法和384次复数加法,换句话说,计算每个样值所需要的乘法和加法次数分别为1.5和6次。
4.OFDM的FPGA的实现
使用Verilog实现系统的调制解调模块,假设数据位宽度为16比特。
IEEE802.16a协议中规定载波数目为256个,在实现时调用256点FFT模块的IPCore来实现,将工作频率设置为数据速率的2倍,使FFT/IFFT来复用一个模块,以节省资源。
从时延的角度出发,且考虑到256为4的幂次方,配置基4的模式。
moduleofdm_modem(clk,reset,x_send,x_rec,y_out,,mdm,y_index);
inputclk;
inputreset;
//声明了32比特,高16比特是虚部,低16比特是实部
input[31:
0]x_send;
input[31:
0]x_rec;
output[31:
0]y_out;
output[7:
0]y_index;//输出数据的下标
outputmdm;//标志输出是调制信号还是解调信号,
//1表示调制信号,0表示解调信号
wireinv_we=1;
wire[31:
0]xn;
wire[49:
0]xk;
reg[7:
0]cnt;
regflag;
wirefwd_inv;
//产生调制、解调操作的控制信号
always@(posedgeclk)begin
if(!
reset)begin
cnt<=0;
flag<=0;
end
cnt<=cnt+1;
if(cnt==0)
flag<=!
flag;
else
flag<=flag;
end
assignfwd_inv=reset?
flag:
0;
//在标志为1时做FFT,完成OFDM信号的调制
assignxn[15:
0]=flag?
x_send[15:
0]:
x_rec[15:
0];
assignxn[31:
16]=flag?
x_send[31:
16]:
x_rec[31:
16];
//由于计算FFT需要加载数据和完成蝶形运算两个N点的周期,
//所以输出类型和输入类型是相反的
assignmdm=!
flag;
assigny_out[15:
0]=xk[24:
9];
assigny_out[31:
16]=xk[49:
34];
//调用IPcore
ofdm_fftofdm_fft(
.fwd_inv_we(inv_we),.start(reset),.fwd_inv(fwd_inv),
.clk(clk),.xn_re(xn[15:
0]),.xn_im(xn[31:
16]),
.xk_re(xk[24:
0]),.xk_im(xk[49:
25]),.xk_index(y_index));
endmodule
上述程序经过SynpligyPro综合后得到RTL结构图。
调制和解调共用一个FFT模块,以速度换取面积
1.OFDM调制解调器电路
OFDM调制/解调器RTL结构图
2.OFDM波形仿真
上面已经基本完成OFDM系统的FPGA实现,下面对照仿真截图进行仿真分析。
图一系统总仿真图
为了便于观察,来发送一组数据1、7、3、4、5、6。
图二发送信号仿真图
通过仿真截图可以观察到发送信号通过OFDM系统后,又还原为原来信号,说明这个系统是正确的。
图三接收信号的仿真图
四.设计心得体会
在这次课程设计中,在收获知识的同时,还收获了阅历,收获了成熟,在此过程中,我们通过查找大量资料,请教老师,以及不懈的努力,不仅培养了独立思考、动手操作的能力,在各种其它能力上也都有了提高。
更重要的是,在实验课上,我们学会了很多学习的方法。
而这是日后最实用的,真的是受益匪浅。
要面对社会的挑战,只有不断的学习、实践,再学习、再实践。
课程设计是培养学生综合运用所学知识,发现,提出,分析和解决实际问题,锻炼实践能力的重要环节,是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程。
从中我体会到了拥有扎实的基础很关键,因为如果你平时学得就不怎么样,那么你面对这么一个比较有难度的程序,你可能会望而却步,看他人的程序都是个难点,更别说让你自己去设计。
为了解决此类问题,最好就是多向同学,老师请教,不要怕难为情。
尤其是老师,评他们多年教学的经验,要解决我们的问题,对他们来说只是小意思。
这次课程设计虽然结束了,但是也留下了很多遗憾。
因为由于时间的紧缺和许多课业的繁忙,并没有做到最好。
不过,最起码我没有放弃,我们坚持下去了。
相信以后我会以更加积极地态度对待自己的学习、对待自己的生活。
学习和实践的激情永远不会结束,相反,我会更加努力,努力的去弥补自己的缺点,发展自己的优点,去充实自己。
只有在了解了自己的优缺点之后,才会更加珍惜所拥有的,更加努力的去完善它,增进它。
只有不断的测试自己,挑战自己,才能拥有更多的成功和快乐!
认真对待每一次锻炼自己的机会,珍惜每一分一秒,学到最多的知识和方法,增强自己的能力。
在收获知识,提高能力的同时,我也学到了很多人生的哲理,懂得怎么样去制定计划,怎么样去实现这个计划,并掌握了在执行过程中怎么样去克服心理上的不良情绪。
同时我也明白对任何事情如果付出越多,那么你收获也就越多。
这个是我们在实时测量技术试验上学到的最重要的东西,也是以后都将受益匪浅的!
因此在以后的生活和学习的过程中,我一定会把课程设计的精神带到生活中,不畏艰难,勇往直前!
此外,我还要感谢老师们给了我们这次课程设计的机会,为我们以后的发展铺下了坚实的道路。
五.参考文献
1.《无线通信FPGA设计》田耘电子工业出版社
2.《移动通信》李建东郭梯云等西安电子科技大学出版社
3.《宽带无线通信OFDM技术》王文博郑侃人民邮电出版社
4.《3G长期演进技术与系统设计》郑侃赵慧王文博 电子工业出版社
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