基于FPGA的V-BLAST MIMO MC-CDMA基带系统的实现

摘要

MIMO技术、多载波技术与链路自适应技术是未来移动通信系统最值得关注的几种物理层技术。MIMO技术在提高系统频谱利用率方面性能卓越，多载波CDMA技术则能有效地对抗频率选择性衰落，将MIMO技术与MC-CDMA方案相结合，构成空域复用MIMO MC-CDMA系统，将在很大程度上提高系统的性能和容量。将自适应调制技术引入空域复用MIMO MC-CDMA系统能够充分利用无线信道容量，更有效地提高信息传输速率。 本论文工作属于国家高技术研究发展计划（863计划）-“空域复用MIMO-MC-CDMA系统跨层自适应无线传输技术研究”课题的一部分，完成该课题中基于FPGA的空域复用MIMO MC-CDMA系统的基带信号处理平台的设计与实现的任务。 本文主要工作包括可支持QPSK、16QAM和64QAM三种调制方式的通用调制解调器的设计与实现，V-BALST编解码的设计与实现，MC-CDMA调制解调器的设计与实现，ZF V-BLAST检测算法的设计与实现，跨6个时钟域的时钟管理模块的设计实现，最后搭建了空域复用MIMO MC-CDMA系统的数字基带收发信机。 本文在发射机的通用调制解调器的设计方面，依据不同的调制方式星座映射的特点，综合考虑解调性能和实现复杂度，设计了不同的解调方法。在MC-CDMA调制的实现方面，借用了OVSF码的产生方法来实现Walsh码的产生，可配置产生32种不同的扩频码字。 本文在接收机检测算法的设计方面，为了达到降低系统实现复杂度，提高系统实用价值的目的，优先考虑了采用低实现复杂度的ZF检测算法，选取了Greville分块算法作为ZF检测中的矩阵求逆方法。在具体实现过程中，充分利用各种基本运算的硬件实现方式，结合各类IP核及FPGA芯片的特点，合理规划矩阵求逆、矩阵相乘等运算环节，在保证性能的前提下，实现了以较少的资源消耗量实现了接收机检测算法。 本文采用硬件仿真模型模拟MIMO信道的方法，实现了对系统的联合调试与功能验证，与软件仿真结果进行比较，性能良好。

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论文说明：图表目录

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致谢

1 引言

1.1 课题技术背景

1.1. MIMO技术概述

1.1.2 多载波技术概述

1.1.3 链路自适应技术概述

1.2 课题研究意义

1.3 开发工具介绍

1.3.1 FPGA芯片简介

1.3.2 ISE10.1工具介绍

1.3.3 基于FPGA的设计方法

1.3.4 FPGA开发流程

1.4 本文研究内容与结构安排

1.5 本章小结

2 V-BLAST MIMO MC-CDMA系统模型

2.1 垂直分层空时码(V-BLAST)概述

2.2 MC-CDMA调制解调基本原理

2.3 V-BLAST MIMO MC-CDMA基带系统模型

2.3.1 发射机模型

2.3.2 信道模型

2.3.3 接收机模型

2.4 V-BLAST MIMO MC-CDMA系统检测算法

2.5 本章小结

3 发射机基带处理系统的设计实现

3.1 总体方案设计

3.2 信源建模

3.3 调制解调的实现

3.3.1 调制解调基本原理

3.3.2 QPSK调制解调的FPGA实现

3.3.3 16QAM调制解调的FPGA实现

3.3.4 64QAM调制解调的FPGA实现

3.4 V-BLAST的编码方案

3.5 MC-CDMA调制解调的硬件实现

3.5.1 方案设计

3.5.2 频域扩频的实现

3.5.3 FFT/IFFT的FPGA实现

3.6 仿真分析与功能验证

3.7 本章小结

4 接收机基带处理系统的设计实现

4.1 总体方案设计

4.2 V-BLAST检测的实现

4.2.1 V-BLAST检测模块

4.2.2 求伪逆矩阵G的FPGA实现

4.3 FIFO模块

4.4 频域合并模块

4.5 排序及并串转换

4.6 信宿模块

4.7 基本运算模块设计

4.7.1 数的表示

4.7.2 除法器设计实现

4.7.3 乘法器设计实现

4.8 仿真分析与功能验证

4.9 本章小结

5 系统设计实现与验证

5.1 系统验证方案

5.2 系统时钟管理单元的FPGA实现

5.2.1 DCM模块的工作原理

5.2.2 系统时钟管理单元设计实现

5.3 系统验证结果

5.4 设计要点总结

5.5 本章小结

6 总结与展望

6.1 论文工作总结

6.2 下一步工作展望

参考文献

作者简历