OFDM系统中FFT算法的设计与FPGA实现

摘要

无线通信技术作为如今通信技术研究中的重点，获得了广泛的关注。OFDM技术能够有效地抵抗多径衰落，并能大幅度地提高无线通信系统的频谱利用率以及传输速率，在无线通信领域有着极为良好的应用前景。FFT/IFFT运算模块作为OFDM系统中数据处理的核心模块，是OFDM系统能够正确调制和解调的关键，运算结果直接影响OFDM系统的性能。因此，FFT算法的研究对OFDM系统的设计和优化具有重要意义。
　　本文介绍了OFDM系统的基本原理、实现模型以及优缺点，分析了OFDM系统中FFT/IFFT模块的设计需求，设计了可扩展的改进的基4MDC FFT/IFFT架构。针对传统MDC架构占用存储单元多、蝶形运算单元和乘法器利用率低等缺点，改进MDC FFT架构的存储调度方案，包括输入存储和旋转因子存储的改进。对于输入存储方案的优化，在输入缓存模块设置12个存储区，恰当调度数据流，将并行的输入数据流转换成串行块，每一级的一个蝶形运算单元可以不间断地处理四路数据流，减少了存储单元的大小，也保障了数据可以进行流水线式处理，并且蝶形运算单元和乘法器利用率达到100％;对于旋转因子存储的优化，在ROM中存储部分旋转因了值，通过旋转因子的规律建立映射关系获得其他旋转因子，减少旋转因子存储，提升了架构整体运算性能。另外对FFT架构进行了详细设计，包括输入缓存模块、蝶形运算模块、旋转因子模块、复数乘法器模块以及数据重整模块等子模块的设计和优化。在RTL级实现了FFT/IFFT模块，并进行仿真和测试验证。
　　测试结果表明，基于FPGA平台实现的改进MDC-FFT架构支持点数可变(128/512/1024/2048)的FFT运算，支持4路数据流并行传输，吞吐率较高，是时钟频率的4倍，与优化前相比，资源消耗降低了5％以上，FFT/IFFT性能良好，应用于OFDM系统调制时，支持QPSK/16QAM/64QAM等调制制式，EVM测试结果小于3％。其研究成果对于应用OFDM的通信系统有较大的工程应用价值。

目录

声明

摘要

1．1 研究背景与意义

1．2 国内外研究现状

1．3 研究内容与设计指标

1．3．1 研究内容

1．3．2 设计要求和指标

1．4 论文的章节安排

第二章 OFDM系统及FFT算法分析

2．1．1 OFDM基本原理

2．1．2 OFDM系统结构模型

2．2 傅里叶变换与离散傅里叶变换

2．3 快速傅里叶变换

2．3．2 基2 DIT-FFT算法

2．3．3 基4 DIF-FFT算法

2．3．4 基r-FFT算法运算复杂度分析

2．4 FFT硬件实现结构

2．4．1 顺序处理结构

2．4．2 并行迭代处理结构

2．4．3 阵列处理结构

2．4．4 级联流水线处理结构

2．5 本章小结

第三章 改进的基4 MDC-FFT架构的设计与实现

3．1 系统架构实现方案

3．1．1 FFT模块中的数据处理

3．1．2 可扩展流水线FFT架构设计

3．1．3 最后一级蝶形单元操作

3．2 改进的存储调度方案

3．2．1 输入存储调度方案设计与实现

3．2．2 旋转因子模块设计与实现

3．3 MDC-FFT架构中其他关键模块设计与实现

3．3．1 蝶形运算单元模块设计与实现

3．3．2 复数乘法器设计与实现

3．3．3 数据整合模块设计与实现

3．4 本章小结

第四章 测试结果与分析

4．1 FPGA测试

4．2 综合及资源分析

4．3 FFT模块应用于OFDM系统性能测试

4．3．1 OFDM系统搭建

4．3．2 系统性能测试

4．4 本章小结

5．1 总结

5．2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表论文