基于FPGA的OFDM水声通信系统设计

摘要

随着海洋开发和利用的迅速发展，人们越来越重视水下语音通信系统的研究与开发，如何在海洋中实现高速率、高可靠性的信息传输成为水声通信中的研究重点。正交频分复用技术(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)是数字通信中的一种多载波并行传输技术，它具有较高的频带利用率，对多途干扰具有很强的抵抗能力。因此，OFDM技术被引入到水声通信领域。由于FPGA具有并行处理方式，适用于OFDM算法的实现，因此基于FPGA的OFDM水声通信系统的设计具有重要的应用价值。
　　本文介绍了OFDM技术的基本工作原理和关键技术，并简要的介绍了FPGA设计的基本结构和开发流程。针对FPGA适合并行处理的特点，设计了一种基于FPGA的OFDM水声通信系统，完成的主要工作和取得的成果如下:
　　(1)本文首先对水声信道的基本传输特性进行了初步分析，其次对OFDM技术的基本原理和关键技术进行了简单介绍。最后根据总体需求提出了OFDM水声通信系统的整体架构。
　　(2)设计了在FPGA上实现OFDM系统的具体方案。系统分为发射机和接收机两部分:发射机完成数据的调制，把上位机送来的比特流调制成OFDM符号，并送到射频前端发送。接收机把接收到的OFDM符号解调成为比特流。完成了FPGA内部所有模块的设计:发射机主要分为数据预处理模块、数据映射模块、导频插入模块、IFFT和循环前缀模块以及数字上变频模块等。接收机主要分为数字下变频模块、帧同步模块、时反模块和多普勒补偿模块等。
　　(3)采用Verilog HDL硬件描述语言编写程序，在Xilinx的FPGA上完成算法的逻辑综合和硬件测试。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景和意义

1．2 国内外研究现状

1．3 本文主要研究内容

1．4 本文的结构安排

第2章 OFDM水声通信系统原理及FPGA技术

2．1 水声通信的特点

2．1．1 声波传播损耗

2．1．2 水声信道的多径效应

2．1．3 多普勒效应

2．2 OFDM系统的原理

2．2．1 OFDM基本思想

2．2．2 OFDM系统的数学模型

2．2．3 OFDM关键技术

2．3 FPGA技术

2．3．1 FPGA的基本结构

2．3．2 FPGA设计基本原则

2．3．3 FPGA开发流程

2．3．4 MicroBlaze软核

2．4 OFDM系统硬件平台设计

2．4．1 总体需求

2．4．2 系统方案设计

2．5 本章小结

第3章 OFDM通信系统发射机的设计

3．1 发射机总体设计方案

3．2 待发数据信息预处理

3．2．1 扰码模块

3．2．2 信道编码模块

3．2．3 交织模块

3．3 OFDM符号调制

3．3．1 数字映射模块

3．3．2 导频插入模块

3．3．3 IFFT模块

3．3．4 循环前缀模块

3．3．5 生成线性调频信号模块

3．3．6 数字上变频模块

3．4 本章小结

第4章 OFDM通信系统接收机的设计

4．1 接收机总体设计方案

4．2 FPGA的硬件实现

4．2．1 数字下变频模块

4．2．2 同步模块

4．2．3 时反模块

4．2．4 多普勒补偿模块

4．2．5 信道均衡模块

4．3 OFDM符号解调模块

4．3．1 逆映射模块

4．3．2 解交织模块

4．3．3 信道解码模块

4．3．4 解扰模块

4．4 本章小结

第5章 总结与展望

5．1 研究工作总结

5．2 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间参加的科研项目和成果