基于FPGA的OFDM基带通信系统的设计与实现

摘要

正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)技术的各个子载波相互正交使其具有较高的频谱利用率和较好的多径传输能力，是高速无线通信系统中宽带多媒体业务传输的关键技术，也是第四代移动通信的核心传输技术。现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array，FPGA)由于其设计具有较高的灵活性、可重复利用性和开发周期短等优点，在通信系统中得到了广泛的应用。
　　 本文基于IEEE802.11a无线局域网标准，通过对OFDM基带通信系统基本原理的深入学习和研究，进行了OFDM基带通信系统发送部分和接收部分的方案设计。本设计采用FPGA自顶向下的层次化设计方法，在Xilinx的ISE8.2i开发环境下，采用Verilog硬件描述语言对控制单元、时钟单元、映射与解映射、调制与解调、循环前缀、加窗、训练序列和同步等模块进行了详细设计。采用Synplify Pro9.6综合工具对各个模块进行综合，完成整个OFDM通信系统在寄存器传输级(Register-Transfer Layer，RTL)的设计。采用Modelsim6.5a仿真工具对模块和系统进行仿真，同时还借助Matlab7.0仿真工具对某些模块进行仿真对比。仿真结果满足设计要求后，将设计好的OFDM基带通信系统下载到由Xilinx公司生产的Spartan-3E FPGA硬件平台进行了系统测试。将系统硬件测试与Modelsim6.5a软件仿真的结果进行对比和分析，重点分析了加窗、循环前缀和同步对系统性能的影响。
　　 仿真和测试结果表明:本课题设计的OFDM基带通信系统满足设计要求，实现了每个模块的功能和整个系统的功能，完成了数据的发送和接收，每个模块以及整个系统的软件仿真是正确的，发送部分的硬件测试结果也是正确的。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 OFDM通信系统的发展与应用

1．2 FPGA技术的发展与应用

1．3 本文研究的主要内容

第2章 OFDM通信系统的基本原理与关键技术

2．1 OFDM通信系统的工作原理

2．1．1 OFDM通信系统的结构

2．1．2 OFDM基本原理

2．2 FFT/IFFT与映射技术

2．2．1 FFT/IFFT

2．2．2 映射技术

2．3 OFDM同步技术

2．3．1 帧同步

2．3．2 载波同步

2．3．3 采样频率同步

2．4 加窗和循环前缀技术

2．4．1 加窗技术

2．4．2 循环前缀技术

第3章 OFDM基带系统的设计

3．1 总体方案设计

3．1．1 系统结构设计

3．1．2 系统参数设计

3．1．3 开发工具与开发环境

3．2 系统控制和时钟模块设计

3．2．1 控制模块

3．2．2 时钟模块

3．3 发送部分设计

3．3．1 信源模块

3．3．2 QPSK映射模块

3．3．3 导频插入模块

3．3．4 IFFT调制模块

3．3．5 加窗与循环前缀模块

3．3．6 训练序列模块

3．4 接收部分设计

3．4．1 帧同步模块

3．4．2 载波同步模块

3．4．3 采样频率同步模块

3．4．4 去循环前缀模块

3．4．5 FFT解调模块

3．4．6 QPSK解映射模块

第4章 系统仿真测试及结果分析

4．1 系统时钟和控制的仿真测试及结果分析

4．1．1 系统时钟的仿真测试

4．1．2 系统控制的仿真测试

4．2 发送部分仿真测试及结果分析

4．2．1 信源模块仿真测试

4．2．2 QPSK映射模块仿真测试

4．2．3 导频插入模块仿真测试

4．2．4 IFFT模块仿真测试

4．2．5 加窗和循环前缀模块仿真测试

4．2．6 训练序列模块仿真测试

4．2．7 发送部分综合仿真测试

4．3 接收部分仿真测试及结果分析

4．3．1 帧同步模块仿真测试

4．3．2 载波同步模块仿真测试

4．3．3 采样频率同步模块仿真测试

4．3．4 去循环前缀模块仿真测试

4．3．5 FFT模块仿真测试

4．3．6 QPSK解映射模块仿真测试

4．3．7 接收部分综合仿真

4．4 OFDM系统的综合仿真测试及结果分析

4．4．1 系统综合仿真测试

4．4．2 FPGA硬件测试平台的使用方法

4．4．3 硬件测试与结果分析

结论

参考文献

附录

致谢

研究生履历