（通信与信息系统专业论文）基于fpga的ofdm通信系统基带设计与实现.pdf

原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研 究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者： 芹望 同期：z o o 年乡月萄r 学位论文使用授权声明 本人在导师指导下完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属郑州大学。 根据郑州大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或向国家有关部 门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权郑州 大学可以将本学位论文的全部或部分编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或者其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。本人离校后发表、使用学 位论文或与该学位论文直接相关的学术论文或成果时，第一署名单位仍然为郑 州大学。保密论文在解密后应遵守此规定。 学位论文作者： 件望 日期：加归年g - 月z 逐日 郑州人学硕 ：论文 摘要2 0 1 0 年5 月 摘要 o f d m 技术是被无线局域网标准i e e e s 0 2 1 l a 选中作为其物理层的接入技术。 o f d m 系统就是正交频分复用系统，它是一种特殊的多载波调制解调系统。它的 特殊性体现在它的各个子载波的频谱是互相重叠但是严格正交的，频谱重复说 明它的频谱利用率比常规多载波系统要高，而互相j 下交则保证了能够f 确解调。 o f d m 系统具有对抗多径衰落，抵抗窄带噪声的特点，但它的特殊结构也导致其 对系统的同步性能提出了很高要求。 本文搭建了一个基于f p g a 芯片的o f d m 基带模拟传输的一个硬件平台，在 其中实现了基本的o f d m 数据的调制解调和符号同步功能，可在这个系统基础上 进行0 f d m 相关算法的验证，方便实验室进行后续研究。 f p g a 芯片由于其内部具有丰富的功能模块和逻辑资源，能够根据设计者需 要进行所需功能的丌发，广泛用于理论算法的实现和系统架构的验证。通常在 进行o f d m 系统的硬件实现时，要么是选择性能高、资源多的高端f p g a 芯片， 要么是选用d s p 和f p g a 芯片分别实现算法和时序控制功能，实现成本较高，实 现难度也比较大。本文中的设计将发射机与包含符号同步模块的接收机分别在 单个中低端f p g a 芯片中进行了实现，降低了实现的成本与难度。 本文首先进行了系统方案的设计，选定了要实现系统的结构组成和系统参 数，根据方案进行分析确定了f p g a 芯片和a d 、d a 芯片的选型，进行了外围电 路的设计，对制作出来的p c b 电路板进行了芯片和接口的调试；之后使用x i l i n x 公司的i s e 综合开发工具进行了系统中各个功能模块的设计，特别是符号同步模 块和采样频率同步模块进行了结构设计和硬件实现时的简化，并在m o d e l s i m 中 进行了波形仿真；最后，使用p c b 电路板进行了数据调制解调的实现，将解调后 的数据通过u a r t 模块串行传输给上位机进行了收发数据的对比分析，结果比较 满意。 关键词：设计与实现；o f d m ；基带：f p g a 郑州人学硕i ：论文 a b s t r a c t 2 0 1 0 年5 月 a b s t r a c t o f d m t e c h n o l o g yh a sb e e ns e l e c t e da st h ep h y s i c a ll a y e ra c c e s st e c h n o l o g yo f i e e e 8 0 2 11 aw l a ns t a n d a r d o f d ms y s t e mi s o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o n m u l t i p l e x i n gs y s t e m ，i ti sas p e c i a lm u l t i c a r r i e rm o d u l a t i o na n dd e m o d u l a t i o ns y s t e m i t sp a r t i c u l a r i t yi sr e f l e c t e di ni t sv a r i o u ss u b c a r r i e rs p e c t r u mi so v e r l a p p i n gb u t s t r i c t l yo r t h o g o n a l ，i t ss p e c t r a le f f i c i e n c yi sh i g h e rt h a nc o n v e n t i o n a lm u l t i c a r r i e r s y s t e m s ，a n do r t h o g o n a l i t yo fe a c hs u b - c a r r i e ri sg u a r a n t e e dt oc o r r e c t l yd e m o d u l a t e o f d ms y s t e mc a na g a i n s tm u l t i p a t hf a d i n g , r e s i s t a n c et on a r r o w b a n dn o i s e b u ti t s s p e c i a ls t r u c t u r eh a sm a d ee n o r m o u sd e m a n d so f t h es y n c h r o n i z a t i o np e r f o r m a n c eo f t h es y s t e m t h i sp a p e rb u i l tah a r d w a r ep l a t f o r mo fo f d mb a s e b a n da n a l o gt r a n s m i s s i o n b a s e do nf p g a ，i nw h i c ht h eb a s i co f d md a t am o d u l a t i o na n dd e m o d u l a t i o na n d s y m b o ls y n c h r o n i z a t i o nc a nb ea c h i e v e d b a s e do nt h i so f d ms y s t e mc a nv e r i f yt h e r e l a t e da l g o r i t h ma n df a c i l i t a t et h ef u r t h e rr e s e a r c ho fl a b o r a t o r y b e c a u s ef p g ah a sa l a r g en u m b e ro ff u n c t i o n a lm o d u l e sa n dl o g i c a lr e s o u r c e s ， c o u l dc a r r yo u tt h en e c e s s a r yf u n c t i o n so fd e v e l o p m e n ta c c o r d i n gt ot h ed e s i g n e r s n e e d i tu s e di nt h ei m p l e m e n t a t i o no ft h e o r ya l g o r i t h m sa n dv e r i f i c a t i o no fs y s t e m a r c h i t e c t u r e n o r m a l l yd u r i n gt h eo f d ms y s t e mh a r d w a r e ，t h ec h o i c ei s e i t h e r h i g h p e r f o r m a n c ef p g ac h i p e i t h e rd s pa n df p g ac h i p sw e r eu s e dt oa c h i e v e a l g o r i t h ma n dt i m i n gc o n t r 0 1 b u tc o s ti sh i g ha n dd i f f i c u l tt oa c h i e v e t h ed e s i g ni n t h i sa r t i c l ew i l lr e a l i z et h et r a n s m i t t e ra n dt h er e c e i v e rw i t hs y m b o ls y n c h r o n i z a t i o n m o d u l ei nas i n g l el o w - c o s tf p g a c h i p ，r e d u c i n gt h ec o s ta n dd i f f i c u l t y i nt h i sp a p e ras y s t e m a t i cp r o g r a mi sd e s i g n e d ，s e l e c t e dt h es y s t e m ss t r u c t u r a l c o m p o s i t i o na n ds y s t e mp a r a m e t e r s ，b a s e do np r o g r a ma n a l y s i st od e t e r m i n et h e f p g ac h i pa n da d ，d ac h i ps e l e c t i o n ，d e s i g u e dt h ep e r i p h e r a lc i r c u i t ，p r o d u c e dt h e p c bc i r c u i tb o a r d sa n dd e b u g g e di n t e r f a c e c h i p a f t e r t h a tu s e dx i l i n x si s e i n t e g r a t e dd e v e l o p m e n tt o o l si nt h es y s t e md e s i g no fv a r i o u sf u n c t i o n a lm o d u l e s ，i n p a r t i c u l a r t h e s y m b o ls y n c h r o n i z a t i o n s y n c h r o n i z a t i o nm o d u l e ss t r u c t u r ed e s i g n m o d u l ea n dt h e s a m p l i n gf r e q u e n c y a n ds i m p l i f i e dh a r d w a r ei m p l e m e n t a t i o n a n dc a r r i e do u tw a v es i m u l a t i o ni nt h em o d e l s i m f i n a l l y , r e a l i z et h ed a t am o d u l a t i o n a n dd e m o d u l a t i o no np c bc i r c u i tb o a r d ，t h ed a t aa f t e rt h ed e m o d u l a t i o nm o d u l e s e r i a lt r a n s m i s s i o nt ot h eh o s tc o m p u t e rt h r o u g hu a r tf o rc o m p a r a t i v ea n a l y s i s ， a c h i e v e ds a t i s f a c t o r yr e s u l t s k e y w o r d s ：d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o n ；o f d m ；b a s e b a n d ；f p g a m 郑州人学硕，i ：论文日录 2 0 1 0 年5 月 目录 摘要i a b s t r a c t i i 目录i v 1绪论l 1 1 研究的目的与意义1 1 2o f d m 系统的基本原理3 1 2 1o f d m 系统的数学模型。3 1 2 2o f d m 的f f r 实现5 1 2 3o f d m 系统的架构6 1 3f p g a 设计的基本流程7 1 4 作者的主要工作和本文的内容结构8 2 硬件平台设计1 0 2 1f p g a 最小系统设计1 1 2 1 1f p g a 芯片介绍。1 l 2 1 2f p g a 芯片的配置方式1 3 2 2 模拟前端1 4 2 2 1 发送部分设计1 5 2 2 2 接收部分设计。1 7 2 3u a r t 通信接口1 8 2 4 本章小结。1 9 3o f d m 基带发射机的设计2 1 3 1 工作时钟生成模块2 2 3 2 训练序列生成模块2 3 3 2 1 训练序列的生成方法2 3 3 2 2 训练序列生成模块的仿真结果2 4 3 3s i g n a l 符号生成2 5 i v 麓二。i i 誓”。”| i 一，二”一。7 童 。，一。i7 r 。一，一，；， 善 。一， 。一? h 一。： 。 郑州大学硕+ i ：论文目录2 0 1 0 年5 月 3 4 卷积编码模块2 6 3 5b p s k 调制模块2 6 3 6 导频插入模块2 7 3 6 1 导频插入的位置与极性2 7 3 6 2 导频插入模块的硬件结构2 8 3 7i f f l y f f t 处理模块2 9 3 8 循环前缀添加模块3 4 3 9 发射机控制单元3 5 3 1 0 本章小结3 6 4o f d m 基带接收器的设计3 7 4 1 帧检测与符号同步3 8 4 1 1 帧检测与符号同步的原理3 8 4 1 2 帧检测与符号同步算法的简化3 9 4 1 3 帧检测与符号同步的f p g a 实现4 0 4 2 采样频率同步模块4 1 4 2 1 采样频率同步算法的原理4 2 4 2 2 采样频率同步算法的硬件实现4 3 4 3 数据收发结果5 3 4 4 本章小结5 4 5 总结与展望。5 5 参考文献5 6 个人简历5 7 在学期间发表的学术论文与研究成果。5 7 致谢。5 8 v 郑州人学颂十论文1 绪论2 0 1 0 年5 月 1绪论 在信息时代的今天，通信技术作为各种信息技术的支撑性技术受到了广泛关 注。人们的同常生活也对通信提出了越来越高的要求，期望能够无障碍的进行 相互沟通和更加快捷方便的获取信息。为此，世界各地的研究人员都在致力于 新型通信技术的研究与丌发和下一代通信网的建设。其中，无线通信技术因其 独特的便捷性得到了前所未有的发展和应用。尤其是最近的一二十年间，随着 射频技术、数字信号处理器和大规模集成电路的发展，无线设备终端迅速向着 更便携、更高效的方向持续发展i 。在我国，随着各种3 g 标准的大规模商用、 物联网等新的应用概念的提出，丰富多彩的多媒体应用和互联网所提供的各种 信息服务彻底颠覆了了人们的生活。 目前，随着人们通过互联网进行的视频、语音和数据通信流量的迅猛增长， 用户更加迫切的希望移动通信系统能够提供更加高速的多媒体业务接入。要支 持更高的数据速率，需要通信系统具有良好的抗噪声性能以弥补无线信道的损 耗，因此问题的关键在于选择合适的调制方式。目前美国的i e e e 8 0 2 1 1 、欧洲电 信标准协会的宽带无线电接入网( b r a n ，b r o a d b a n dr a d i oa c c e s sn e t w o r k ) 矛i 同 本的多媒体移动接入通信系统( m m a c ，m u l t i m e d i am o b i l e a c c e s s c o m m u n i c a t i o n ) 均采用了正交频分复用( o f d m ，o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ) 技术作为它们物理层的调制方式方案1 2 j 。可见，o f d m 技术显然已 经成为了无线信道中高速数据传输问题的首选解决方案。 作为未来宽带无线接入系统的基本实现技术之一的o f d m 调制解调技术，非 常有可能是下一代蜂窝移动通信网络的无线接入方式，其重要性毋庸置疑。 1 1研究的目的与意义 既然o f d m 通信系统的重要性日益显露，那么如何让它在硬件中实现就成了摆 在工程技术人员面前一个重要的问题。因为o f d m 算法中涉及到许多的并行数据 处理过程，而且对数据的处理速度的实时性上有较高的要求，这就要求我们必 须选则一种合适的实现方式来实现o f d m 系统的处理过程。采用现场可编程的逻 辑门阵列即f p g a 来进行实现是一个不错的选择。首先，目前市场上所使用的 郑州人学顾： ：论文1 绪论 2 0 1 0 年5 月 f p g a 芯片都是基于查找表结构来实现可编程特性的，其芯片内部包含有大量的 逻辑功能单元，这便于进行复杂的并行计算；其次，因为o f d m 系统的特殊结构 特点，即它的各个子载波之间是互相重叠、相互正交的，这样必然导致o f d m 系 统对时间时钟的定时准确性和稳定性提出了很高的要求，而大多数的f p g a 芯片 内部都嵌入有高性能的数字时钟管理单元，利用其内部的数字锁相环和频率合 成器来提供稳定和精确地全局时钟信号，像x i l i n x 公司的全系列f p g a 全部内置 了高性能的d c m ( 数字时钟管理) 模块。另外在进行o f d m 系统调制解调的过 程中，需要生成大量的中间数据，而这些中间数据的存储关系到最终处理结果 的准确性，如果选用d s p 芯片进行类似的处理需要外接专门的大容量r a m 芯片 才能满足系统运行要求，并且d s p 也不便于进行并行数据处理，而在f p g a q b 则具 有大量的分布式r a m 和块状的r a m ，完全能够满足系统运行的需要。综合以上 几点原因，高运行速率、高集成度的f p g a j 确实是实现o f d m 通信系统的不二选 择，o f d m 基带通信系统的丌发也成为f p g a 开发的一个热点。 但是利用f p g a 来进行o f d m 基带系统的开发也不是十全十美的，因为 o f d m 系统的调制解调过程确实需要进行大量的并行计算，而用f p g a 来进行这 些数据处理是十分得心应手的，但这需要大量的片内硬件资源来实现，而且还 要保证系统运行在较高的速率上，这些要求都必须在较为高端的芯片中才能实 现，在中低端芯片中实现较为困难。另外o f d m 基带系统除了调制解调过程的并 行处理，还必须实现基本的o f d m 符号同步和采样频率同步，没有同步信号或者 同步性能很差会使得o f d m 系统的性能严重下降甚至完全无法通信。在通常的设 计中，会选用f p g a 芯片来进行o f d m 系统的调制解调处理，另外使用一片d s p 芯片进行同步算法的实现，为f p g a 中的数据处理提供同步信号。这样的设计虽 然保证了o f d m 系统的性能，但是成本依然较高，而且硬件电路板的设计也比单 独使用f p g a 芯片要复杂得多。 基于以上的分析，如果能够在低成本的中低端f p g a 芯片中实现o f d m 基带 系统，同时保证o f d m 系统的传输性能，也不使用另外的处理芯片，将大大降低 硬件实现的难度和生产成本。本文的设计选用x i l i n x 公司的s p a r t a n 3 系列低成本 的芯片进行了o f d m 基带通信系统的实现，将发射机与包含符号同步模块的接收 机分别在单个中低端f p g a 芯片中进行了实现，降低了实现的成本与难度。 这个o f d m 系统的硬件平台中实现的是最为基本的o f d m 基带处理系统，只 进行了符号同步的运算，通过进行数据的收发实验，也验证了整个数字处理过 2 郑州人学硕l 论文1 绪论2 0 1 0 年5 月 程的正确性，可以作为一个基础性的研究平台，可以在它上面进行例如降峰均 比算法、其他同步算法的实现或者是作为n c 一0 f d m 等类似系统的验证平台。 1 2o f d m 系统的基本原理 o f d m 即正交频分复用系统，再频域上它的子载波之间是互相重叠并且互相 正交的，在提高了频谱利用率的情况下，由于子载波之间的j 下交性，仍然能够 提取出各个子载波上的信息而不受相邻子载波的影响，另外o f d m 的调制与f 兀 运算结构一致，可以采用f f t 来进行各个子载波的处理。 1 2 1 o f d m 系统的数学模型 o f d m 系统从它的本质上来说就是种频分复用方式，每个o f d m 符号包括 多个经过经过调制的子载波中的符号。假设用n 来表示子载波的个数，用t 表示 一个o f d m 符号的持续时间，d ；o = 0 ，1 ，n 一1 ) 为分配到每个子载波上的数据符 号，正为第零号子载波的载波频率，窗函数r e c t ( t ) = 1 ，hst 2 ，则从t ；t ，时间丌 始的一个o f d m 符号可以表示为【3 1 ： 5 0 ，。j r e 萋；d i r e c t ( t - t , - 三，e x p 【j 2 a ：( l + 手，c r 一， ) t , ! ；t s t s + t 。1 1 ， 10 其他 进行算法分析时，通常采用复基带等效的办法来描述o f d m 的输出信号，见 式( 1 2 ) 。其中实部和虚部分别代表t o f d m 符号的同相分量i 和正交分量0 ，在实 际系统中将它们分别与相应子载波的正弦分量和余弦分量相乘，构成了各个的 子载波信号并最终合成为o f d m 信号。 s o ，；i 萎d i 。r e c t ( t - t , - 吾，e x p ，2 万；o 一， 以s r s 气+ 丁。1 2 ， 1 0其他 图1 1 所示为一个包含4 个子载波的o f d m 符号的时域波形，图中所画出的子 载波没有经过调制具有原始的的幅值和相位。在实际应用中，随着数据符号的 调制方式不同，每个子载波的幅值和相位都应该是不同的。 3 甲= ：z - ，z = 可气= _ = z - - _ _ _ = f _ 可_ 了_ r _ j t j 一 、 ，、，j 一+ ，“ ”一+ + 一r ”。u，川呐w ”一 一7”6 ” “e ”?。一”f w 一 “。，。 “ l 一 郑州大学硕 ：论文1 绪论 2 0 1 0 年5 月 图1 1 包含4 个子载波的o f d m 符号 从图1 1 可以看出，每个子载波在一个o f d m 符号周期内都包含整数个周期， 并且各个相邻子载波之间的周期数都相差1 个周期，所以： 1r仃，咒= 咒 瓤e x p ( 碱f ) e x p 渺2 恼埘刀 ( 1 3 ) 这就表示各个子载波之间是相互正交的，如果对第j 个子载波进行相关解调可以 恢复出期望符号d ；，而其他子载波的积分结果为零。 图1 2o f d m 符号的频谱 如图1 2 所示为一个图1 1 中o f d m 符号的频域波形图。显然可以看到，在 每一个子载波频率谱的最大值处，所有其他子载波的频谱幅值恰好为零【4 1 。 由于在对o f d m 符号进行解调时要得到的就是每个子载波频谱的最大值，这 4 郑州大学硕十论文 l 绪论2 0 1 0 年5 月 就可以看出在进行解调时可以从符号的频谱中提取出每个子信道的符号而 不受其他子信道的干扰，这样也就避免了来自信道间的干扰( i c i ) 。 1 2 2o f d m 的f f t 实现 旦廿 f l q a m4信一萨p p ss p+ 道 e x p j 石( n 一矽r 一分辨钵 图1 3o f d m 系统基带原理示意图 对o f d m 符号的调制解调过程如图1 3 所示，如果想解调出第j 个子载波上的 数据，需要先用对应频率载波与接收信号相乘，然后进行积分，积分的时间等 于o f d m 持续时间z ，如式1 4 所示，这样就能解调出每个子载波上的数据。 弘扩唧卜批气) 屠p ( - ，纫争气 t ；p r e x p ( 歹h 孚卜) 产 n q = d ， 如果按照上面将的方法来实现o f d m 系统的调制解调，必须要有高精度的载 波信号生成设备，硬件电路相当的复杂。没过多久，多位学者1 5 】共同提出可以利 用离散傅立叶变换( i d f t , i n v e r s ed i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o r m ) 实现子载波发射机的 并行信号传输，而在接收机可以用离散傅立叶变换( d f t , d i s c r e t ef o u r i e r t r a n s f o r m ) ，实现信号分离。下面的推导是用离散傅立叶变换进行调制解调的简单 步骤。 为了叙述过程更加清晰明了，令式( 1 4 ) 中的t s 一0 ，对信号s ( f ) 以r 间隔 进行抽样，即令t = n t n ( na 0 1 ，n 一1 ) ，可以得到： 5 l 一j1 ：，t | 。：?。17 。，一。：。，一i ， _ 一。一。”。：“，：j n t -?。 郑州大学顾：f ：论文i 绪论2 0 1 0 年5 月 渊( n r 小n 磊- 1 咖x p ( j 警) 邝忍s ( 1 5 ) 可以看出s n 完全可以看做对矾进行i d f t j 垂算。同样，在接收端，如果想要恢复 出原始的数据符号d k ，也就是对进行d f t ，即 以一n 磊- 1 叫一，等) ，o k s n - 1 m 6 ， 根据以上分析的内容可以看出，o f d m 系统的调制和解调运算可以分别由 i d f t 和d f t 来代替。目前，已经有了很多种成熟的快速傅里叶变换算法 ( i f f t f f t ) ，为了能够更加有效的降低运算的复杂度，可以采用快速傅里叶变换 算法来代替i d f t d f t ，这使得o f d m 系统进行硬件实现的成本和复杂度都大大 简化了。 1 2 3o f d m 系统的架构 图1 4o f d m 收发信机结构框图 o f d m 系统收发机的结构框图如图1 4 所示。发射机对串行的数字信号进行 卷积编码、数据交织和加扰、子载波调制之后，对经过串并转换并加入导频信 号的并行数据做i f f t ，将数据从频域变换到时域上，加入循环前缀之后再变回 6 - 一二r r _ ：一、。5=。? “。一 7 i 一 ?。，? “ 。n 一，“、。 。，j j i ? 。 。 j。一 一- 一一一， “。 “?。+? 。? 。 郑州大学硕一i - 论文1 绪论2 0 1 0 年5 月 到串行数据送入信道中进行传输。接收端在符号定时同步和频率同步之后进行 各种逆向处理操作，最终恢复出原始的信号，完成整个o f d m 通信过程。 1 3f p g a 设计的基本流程 f p g a 的设计流程就是利用e d a 丌发工具和编程工具对f p g a 芯片进行 开发的过程。开发流程包括电路功能设计、设计输入、功能仿真、综合后仿 真、实现、布线后仿真、板级仿真以及芯片编程与调试等几个步骤【们。f p g a 的开发流程如图2 9 所示。 图1 5f p g a 开发的一般流程 功能仿真指的是在通过v h d l 或v e r i l o g 等硬件设计语言或者是使用原理 图方式进行电路功能设计的输入之后进行的仿真，它只能验证代码设计的正 确性。综合过程指的是将输入的设计与f p g a 芯片中的硬件逻辑基本单元对 应起来，将设计转化为逻辑单元的组合。而在进行了布局布线之后，就确定 了实现该设计所用到的逻辑资源以及这些逻辑资源之间是通过怎样的走线 进行连接的，布局布线的不同会直接导致各个信号时延的不同，所以要在布 7 郑州大学硕：i ：论文 1 绪论 2 0 1 0 年5 月 局布线之后进行设计的时序仿真，检查各个信号的时序是否仍然满足系统运 行的要求，如果不满足就必须要返回来进行时序的调整和限制，进行了反复 多次的仿真与修改之后才能最终完成设计。 在进行功能仿真、综合后仿真、时序仿真和板级仿真等步骤中发现的问 题需要反馈到设计输入部分重新进行调整，进行反复多次的调试和验证，最 终完成系统设计。在系统设计过程中，经常会遇到系统运行速度和硬件资源 占用之间的矛盾，这两者是此消彼长的关系。很多时候，设计者需要根据实 际应用的场合对两方面做出取舍。评价一个f p g a 系统设计的好坏，除了看 系统功能是否达到了预期的目标之外，芯片硬件资源的占用和系统运行速度 之间是否达到平衡也是一个重要的指标。 1 4 作者的主要工作和本文的内容结构 本课题是为实验室搭建一个基带模拟传输的o f d m 通信系统的硬件收发平 台，参照i e e e 8 0 2 1 1 a 标准中的协议细节对o f d m 系统调制解调过程进行一个基 本的硬件实现，之后可以方便实验室其他同学在它上面进行相关算法的实现与 验证。 论文作者在研究生期间的主要工作如下： 首先进行了整体电路板的规划和各个重要芯片的选型，特别是f p g a 芯片、 模数转换器芯片和数模转换芯片的选择。然后使用p o w e r p c b 工具制作了 包含f p g a 最小系统部分和模拟前端部分的o f d m 基带通信系统的发送、接 收电路板，对电路板的相关芯片模块和通信接口进行了调试，电路板能够进 行正常工作。 之后就是进行在f p g a 中的开发了，在x i l i n xi s e 开发工具中，使用v e r i l o g h d l i 吾言采用硬件语言描述的输入方式完成了发射机、接收机和同步模块的 设计开发，并在m o d e l s i m 仿真工具中进行了功能和时序的仿真，最终达到了 较为满意的效果。 最后进行了分别在数据发送电路板和数据接收电路板上的o f d m 数据传输 系统设计的验证，传输预先生成的串行数据流，能够实现基本的o f d m 系统 调制解调过程，并且将解调出的串行数据通过f p g a 的u 舢汀模块串行输出到 上位机，通过现成的串口调试助手软件验证了接收数据的正确性。 8 郑州人学硕上论文1 绪论 2 0 1 0 年5 月 本文的内容结构： 首先讲了整个硬件平台的设计，包括f p g a 开发系统和模拟前端两部分，介 绍了f p g a 的外部配置电路和模拟前端中的a d 模块与d a 模块设计，最后简 单介绍了与上位机进行通信的u a r t 接口电路。 介绍发射机部分的各个功能子模块的硬件实现结构，并给出了部分模块在 m o d e l s i m 中的仿真波形，最后进行了整个发射机的联合仿真。 描述了接收机部分的功能模块划分情况，重点介绍了帧检测与符号同步模 块、采样频率同步模块的算法以及具体的硬件实现。最后进行了简单的数据 调制解调实验，验证了数字处理过程的j 下确性。 最后一章分析了在电路板使用以及o f d m 系统实现过程中不足，以及今后将 要进行的改进。 9 郑州大学硕+ f ：论文2 硬件、f 台设计2 0 1 0 年5 月 2 硬件平台设计 l 配置芯片 l x c f 0 4 s模拟前端 l f i f oa d 转换 电压 模拟输入 a d 9 2 2 4跟随器 x i l i n xf p g a s p a r t a n - 3 x c 3 s 1 0 0 0 u a r tf i f o d a 转换 - - i 转换 模拟输出 a d 9 7 6 2 放大电路 1r 图2 1 硬件平台的电路结构 如图2 1 所以，为o f d m 通信系统的硬件电路结构，硬件电路主要分为f p g a 最小系统和模拟前端两大部分。f p g a 最小系统部分由f p g a 芯片及相应的配置 芯片构成，f p g a 芯片使用的x i l i n x 公司的s p a r t a n 3 系列，配置芯片采用的是串 行配置方式的x c s 0 4 s 专用e p r o m 芯片。模拟前端又分为发送部分和接收部分， 发送部分由d a 转换器、实现电流电压转换及放大的运放电路构成；接收部分则 包括了起到隔离作用的电压跟随器和a d 转换芯片。本章节将主要介绍所选用的 f p g a 芯片及其配置方式、模拟前端的电路设计和通过u a r t 与计算机的通信。 图2 2 所示为o f d m 系统电路板的实物图，电路板最中央的是核心部分f p g a 芯片，f p g a 下方的是对应的串行配置芯片和配置电路；电路板左上角是m a x 2 3 2 驱动的u a r t 接口；电路板右上部是模拟前端中的接收部分，右下部是模拟前端 中的发送部分；左下角是设计的u s b 通信接口，因为精力有限，并没有对它进行 调试和使用。 因为电路板上的模拟前端将发送和接收部分集成在一起，因此电路板可单独 作为发射板卡或接收板卡使用，但由于受到f p g a 硬件资源的限制，不可能将调 制解调在单芯片中实现，所以此电路板不能同时进行收发。 1 0 郑州人学硕“j - 论文2 硬件、f 台设计2 0 1 0 年5 月 。 ，。磁貔缀磁缀锄缓燃毓缀缀貔缓籀瓣瓣燃缓燃黝缓夔缓褫 图2 2o f d m 基带系统电路板 2 1f p g a 最小系统设计 f p 懈小系统主要包括f p g a 芯片、电源部分、外部时钟源、存储配置数据 的配置芯片和复位电路等。因为f p g a 系统的结构比较固定，本节主要介绍下 f p g a 芯片的选择以及主动串行配置方式的配置电路。 2 1 1f p g a 芯片介绍 目前的f p g a 大多是基于s r a m 工艺的查找表结构，随着技术的发展，很多 f p g a 芯片整合了很多的硬核功能模块，如硬核乘法器、时钟管理模块和d s p 等。 虽然不同f p g a 芯片的性能和构造会有一些差别，但基本的结构都是相同的。如 图2 3 所示为x i l i n x 公司f p g a 芯片的内部结构示意图，f p g a 芯片主要由可编程的 输入输出单元、基本可编程逻辑单元、完善的时钟管理、嵌入式的块r a m 、丰 富的布线资源、内嵌的底层功能单元或硬核模块这6 大部分组成【_ 丌。 郑州人学硕 ：论文2 硬件、f 台设计2 0 l o 年5 月 图2 3f p g a 芯片的内部结构 s p a r t a n 3 系列f p g a 芯片是针对那些需要较高处理性能又对成本相对比较敏 感的电子应用开发者设计的。s p a r t a n 3 基于v i r t e xi if p g a 架构，采用t 9 0 n m 的 制造工艺，系统的门数从5 万门最高可达到5 0 0 力门，芯片内部嵌入了性能优越 的数字时钟管理模块和硬核乘法器，使该系列芯片能够具有更广泛的应用。 s p a r t a n - 3 系列芯片的主要技术特征如表2 1 所示： 表2 1s p a r t a n 一3 系列f p g a 主要技术特征 1 2 郑州大学硕，卜论文2 硬件，f 台设计2 0 1 0 年5 月 本文的设计选择i 艉s p a r t a n 一3 系列中的x c 3 s 1 0 0 0 芯片，封装形式为f r 2 5 6 ， 系统门数达到1 0 0 万门，具有1 2 0 k 的分布式r a m 和4 3 2 k 的块状r a m ，具有2 4 个 内嵌乘法器单元和4 个数字时钟管理模块，拥有1 7 3 个用户l o 口，该芯片的具体 管脚分布情况见图2 4 。 i 雠n k4 i 。，。 f t 2 5 6 封装的芯片管脚分布 2 1 2f p g a 芯片的配置方式 因为使用的f p g a 是基于s r a m i 艺的，它不具有非易失的特点，掉电以后 芯片将会丢失所有的内部逻辑配置。所以需要在芯片每次上电之后，从外部的 非易失存储器( e p r o m 、f l a s h 等) 中读取配置信息。 本文使用的是专用的配置芯片x c f 0 4 s ，f p g a 使用主动串行配置模式启动。 在此模式下，f p g a 通电以后，自己产生配置时钟输出到配置芯片，以串行比特 流的方式从配置芯片中读取配置数据到s 删中。f p g a 专用的配置引脚有：配 1 3 郑州人学硕士论文2 硬件f 台设汁 2 0 1 0 年5 月 置模式脚m 2 、m 1 、m 0 ；配置时钟c c l k ；配置逻辑异步复位p r o g ；启动控制 引脚d o n e 及边界扫面引脚t d i 、t d o 、t m s 、t c k 。f p g a 主动串行配置方式 的原理图如图2 5 所示。 f z 。z 。 图2 5f p g a 主动串行配置模式 0 p ，0 “缸 0 ； ，：。i 1 sh 暑；3 五l 1 一矗力鲁躇 f ：0 ，扣哩：_ i 图中j t a g 接口的t d i 、t d o 、t m s 、t c k 引脚与f p g a 和配置芯片的对应引 脚通过菊花链方式连接，这样j t a g 即可以访问f p g a 也可以访问配置芯片，可以 采用j t a g 配置和主动串行配置两种配置模式，配置方式的切换可以通过使用跳 线配置m 0 m 2 的值来实现。 2 2 模拟前端 模拟前端的作用是完成模拟数据部分的发送和接收，发送部分由功a 转换器、 实现电流电压转换及放大的运放电路构成；接收部分则包括了起到隔离作用的 电压跟随器和a d 转换芯片。 1 4 爱 一s 女- i 郑州人学硕： ：论文 2 硬件f 台设计2 0 1 0 年5 月 2 2 1 发送部分设计 发送部分的d a 转换器选用的是a d 公司的a d 9 7 6 2 芯片，该芯片是1 2 1 ：匕特精 度的数字到模拟转换芯片，其最高转换速率为1 2 5 m s p s ，它具有转换速率快、 精度高和功耗低的优点，使用+ 3 v 或+ 5 v 供电，片内有1 2 v 的参考电压可以使用。 a d 9 7 6 2 芯片的内部功能结构和外