一种基于FPGA的无线通信系统设计与实现

摘要

随着科技水平的不断提高，无线通信作为现代通信领域中重要的通信方式取得了迅猛的发展。然而伴随着社会的进步，人们对无线通信的需求也在不断地提高。为了满足社会的需求，无线通信技术以更快的速度在发展着，各种新技术也不断地被提出。不同的技术适用于不同的通信环境，当通信环境改变时，就需要重新设计一套新的通信系统，且采用不同通信技术的通信系统之间的通信也变得非常复杂。传统的解决方案是为各个通信系统设计专用的多模多频芯片，但专用芯片往往不能适用于其他通信环境，开发进度慢、成本高、通用性差。因此对无线通信技术及无线通信系统的研究有着重要的意义。
　　本文研究了无线通信系统中的几个主流的通信技术包括OFDM技术、MIMO技术和智能天线技术，根据三种技术的特点，提出了一种融合了三种技术的解决方案，该融合技术方案抑制了每种技术单独使用存在的缺点。融合技术方案中提出了一种空间平滑的快速子空间算法用以估计波达角，此算法保证了对相干信号的有效识别，同时进行了二次降维，大大降低了算法的复杂度，提高了识别的速度。利用FPGA的可重置性，运用模块化思想，设计出了一种基于FPGA的无线通信系统。该系统采用以OFDM技术为核心的技术方案，由可数字重配或可替换模块组成，因此可以进行灵活的配置，从而能够适应各种不同的通信环境和不同的通信系统。
　　本文以工作在2.4GHz频段的通信系统为例，设计实现了系统的各个模块，包括天线发射接收部分、上下变频部分、数模/模数转换部分、FPGA发射与接收的编码与调制等部分。实验测试结果表明各个模块能够实现相应的功能达到了设计的要求。
　　模块化的设计思想使本文所设计的无线通信系统具有灵活、方便、适应性强的特点，但系统模块较多，易用性和稳定性有待提高。因此，该系统适用于某个通信环境下的方案验证和临时通信。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题背景及研究意义

1．2 相关技术发展动态

1．2．1 现代通信技术的发展

1．2．2 可编程逻辑器件的发展

1．3 本文主要研究内容

1．3．1 论文研究任务

1．3．2 论文结构

1．4 本章小结

第二章 下一代无线通信系统关键技术

2．1 OFDM技术

2．1．1 OFDM基本原理

2．1．2 OFDM系统结构

2．2 空间分集技术

2．2．1 多输入多输出技术原理

2．2．2 智能天线原理

2．3 智能天线与MIMO-OFDM融合方案

2．4 本章小结

第三章 射频前端电路设计与实现

3．1 系统总体方案设计

3．2 射频前端天线收发部分

3．2．1 功率放大器电路设计

3．2．2 低噪声放大电路设计

3．2．3 收发转换电路设计

3．2．4 天线收发电路设计

3．3 上下变频部分

3．3．1 下变频电路设计

3．3．2 上变频电路设计

3．4 本振电路部分

3．5 模数／数模转换部分

3．5．1 模数转换电路设计

3．5．2 数模转换电路设计

3．6 系统PCB设计与分析

3．7 本章小结

第四章 发射和接收机FPGA实现

4．1 发射与接收机FPGA实现概述

4．1．1 软硬件开发平台

4．1．2 收发部分总体架构

4．2 发射机关键技术的FPGA设计

4．2．1 训练序列模块的设计

4．2．2 扰码模块的设计

4．2．3 信道编码模块的设计

4．2．4 交织模块的设计

4．2．5 调制模块的设计

4．2．6 发射机IFFT模块的设计

4．2．7 循环前缀及加窗模块的设计

4．3 接收机关键技术的FPGA设计

4．3．1 同步模块的设计

4．3．2 均衡模块的设计

4．3．3 解调模块的设计

4．3．4 解交织模块的设计

4．3．5 解扰码模块的设计

4．4 本章小结

第五章 系统调试及分析

5．1 系统测试环境及设备需求

5．2 系统关键模块的测试与分析

5．2．1 模数转换模块的测试与分析

5．2．2 本振模块的测试与分析

5．2．3 下变频模块的测试与分析

5．2．3 上变频模块测试与分析

5．3 本章小结

第六章 总结与展望

攻读学位期间发表的主要学术论文

参考文献

致谢