湖南文理学院OFDM调制解调的FPGA实现

1、湖南文理学院课程设计报告课程名称：通信系统课程设计院部：电气与信息工程学院专业班级：通信工程07101班学生姓名：刘凝指导教师：侯青莲完成时刻：2020年12月30日报告成绩：评阅意见:日期评阅教师摘要OFDM(OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing)即正交频分复用，是一种特殊的多载波调制技术。OFDM称为正交频分复用(OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing)，是一种新型的高效的多载波调制技术，它能够有效地对抗多径传播，使受到干扰的信号能够靠得住地接收。通过几十年的开发以后，OFDM/COFDM但被普遍地应用于高速

2、数字通信中，而且已扩展到其他领域。同时现代数字信号处置技术和超大规模专用集成电路(VLSI)的进展也使得快速傅立叶变换的实现变的加倍容易，使该技术的实现费用更趋实际，为以后OFDMg遍应用于通信领域开辟了道路。、本设计要紧讨论了OFDM!FPG麒现，在高速无线通信系统中实现调制/解调的重要方案；重点表达了OFD解调实现方式，及在FPG冲的设计实现。关键词：OFDMFPGA调制/解调AbstractOFDM(OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing)isaspecialmulti-carriermodulationtechnique.OFDMisshorto

3、fOrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing.Itisanewtypeofhighlyefficientmulti-carriermodulationtechnique,itcaneffectivelyfightagainstmulti-pathspreadandmakethesignalinterferencereliablyreceive.Afterseveraldecadesofdevelopment,OFDM/COFDMhasbeenwidelyusedinhigh-speeddigitalcommunications,andhasspreadtoo

4、therfields.Atthesametime,moderndigitalsignalprocessingtechnologyandultra-large-scaleapplicationspecificintegratedcircuits(VLSI)alsomakethedevelopmentoffastFouriertransformmoreeasilyandthecostofthetechnologymorepractically,andopenthemarketforOFDMwidelyusedinthefieldofcommunicationinthefuture.Thisdesi

5、gnmainlydiscussestheFPGArealizationforOFDM.Animportantproposaltorealizedemoinhighspeedwirelesscommunication.EmphasisisplacedontherealizationofOFDMdemoandthedesignofFPGAKeywords:OFDMFPGADEMO1 .设计目的52 .设计要求53 .设计内容5系统的大体原理52.OFDM的要紧技术6信道分派62.2分组信道72.3自适应跳频72.4多天线72.5调制方式8正交调制解调系统原理方框图9的FPG顺实现111.OFDMM

6、制解调器电路13波形仿真13四.设计心得体会14五参考文献15OFD耐制解调的FPGA实现1 .巩固加深对通信大体知识分析和OFDMK理的把握，提高综合运用通信知识的能力;2 .培育查阅参考文献，独立试探，设计，钻研电子技术相关问题的能力；3 .把握仿真软件对系统进行仿真分析；4 .把握相关电子线路工程技术标准和常规电子元器件的性能技术指标；5 .了解电气图国家标准和电气制图国家标准，并利用电子CA/正确绘制电路图；6 .培育严肃认真的工作作风与科学态度，成立严谨的工程技术观念；7 .培育工程实践能力，创新能力和综合设计能力。1、画出OFD段现的原理框图，说明系统中各要紧组成部份的功能2、依照

7、选用的软件编好用于系统仿真的测试文件。3、给出仿真结果及进行分析。4、写出详细的设计报告（很多于5000字）1.OFDM系统的大体原理多载波传输是把数据流分解为假设干个独立的子比特流，如此每一个子数据流具有低得多的比特速度，用此比特率形成低速度多状态符号再去调制相应的子载波。从而组成多个低速度符号并行发送的传输系统。OFDM是一种特殊的多载波传送方案，利用逆快速傅立叶变换（IFFT）和快速傅立叶变换（FFT）别离实现调制解调，是实现复杂度最低、应用最广的一种多载波传输方案。它将单个用户的信息流被用/并变换为多个低速度码流，每一个码流都用一条载波发送。OFDM弃用传统的用带通滤波器来分隔子载波频

8、谱的方式，改用跳频方式选用那些即便频谱混叠也能够维持正交的波形，因此咱们说，OFDM既能够看成调制技术，也能够看成复用技术。OFDM增强了抗频率选择性衰落和抗窄带干扰的能力。单载波系统中，单个衰落或干扰可能致使整条链路不可用，但在多载波系统中，只会有一小部份载波受阻碍。纠错码的应用能够帮忙其恢复一些易错载波上的信息。在传统的并行通信系统中，整个系统频带被划分为N个互不混叠的子信道，每一个子信道被一个独立的信源符号调制，即N个子信道被频分复用。这种做法，尽管能够幸免不同信道相互干扰但却以捐躯频带利用率为代价，这在频带资源如此紧张的今天尤其不能忍受。上个世纪中期，人们又提出了频带混叠的子信道方案，

9、信息速度为a,而且每一个信道之间距离也为azH，如此能够幸免利用高速均衡和抗突发噪声过失，同时能够充分利用信道带宽，节省了50%。为了减少各个子信道间的干扰，咱们希望各个载波间正交。这种“正交”表示的是载波的频率间精准的数学关系。传统的频分复用的载波频率之间有必然的爱惜距离，通过滤波器接收所需信息。在如此的接收机下，爱惜频带分隔不同载波频率，如此就使频谱的利用率低。OFDM不存在那个缺点，它许诺各载波间频率相互混叠，采纳了基于载波频率正交的FFT调制，由于各个载波的中心频点处没有其他载波的频谱分量，因此能够实现各个载波的正交。尽管仍是频分复用，但已与过去的FDMA有了专门大的不同:再也不是通过

10、很多带通滤波器来实现，而是直接在基带处置，这也是OFDM有别于其他系统的优势之一。OFDM的接收机事实上是一组解调器，它将不同载波搬移至零频，然后在一个码元周期内积分，其他载波由于与所积分的信号正交，因此可不能对那个积分结果产生阻碍。OFDM的高数据速度与子载波的数量有关，增加子载波数量就能够提高数据的传送速度。OFDM每一个频带的调制方式能够不同，这增加了系统的灵活性，大多数通信系统都能提供两种以上的业务来支持多个用户，OFDM适用于多用户的高灵活度、高利用率的通信系统。2.OFDM的要紧技术OFDMJ要紧技术有信道分派、分组信道、自适应跳频、多天线、调制方式等1.1 信道分派OFDM能够有

11、很多种方式为用户分派信道最要紧的是分组信道分派、自适信道分派这两种分派方式。1.2 分组信道显然，最简单的方式是将信道分组分派给每一个用户，如此能够使由于失真、各信道能量的不均衡和频偏所造成的用户间的干扰减到最小。可是载波分组会使信号容易衰落，于是咱们用载波跳频来解决那个问题。分组随机跳频空闲时刻较短，约n个字符时刻。利历时刻交织和前向纠错能够恢复丢失的数据，可是会降低系统容量而且会增加信号时延。2. 3自适应跳频这是一种新的基于信道性能的跳频技术，信道用来传递对它来讲具有最正确信噪比的信号。因为每一个用户的位置不同，因此信号的衰落模式也不相同，因此每一个用户收到的最强信号都不同于其他用户，从

12、而彼此之间可不能发生冲突。研究说明，在频率选择性信道采纳自适应跳频能够大幅提高信号接收功率，能够达到520dB,这是一个超级好的结果。事实上，自适应跳频排除频率选择性衰落。多径信道中，速度为1Gbit/s的信号的频响特性每15cm就会发生专门大的转变，因此信号的频率刷新速度要比15cm的移动速度快很多，一样情形下终端每移动5cm刷新一次就足够了。比如终端以每小时60km的速度移动，刷新速度确实是大约330次/秒。跳频的开销比特数量与用户速度、用户数量和系统是全双工仍是半双工有关。全双工系统的接收机和发射机的工作频率的距离至少应大于40MHz，信道数量是用户数的两倍，发射的参考码字的数量比用户数

13、多1个，也确实是说除每一个用户需要发送一个参考码字外，基站的前向信道也必需发送一个。采纳并行通信能够减少参考码字，20个用户能够共用一个参考码字。关于一个10Mbit/s带宽全双工系统，有10个速度为50kbit/s的用户，调制方式是QPSK,其开销比特将占整个数据的30%50%,而时分半双工系统能够减少开销比特，只有10%15%。当信道转变太快，跳频速度跟不上时，用随机跳频代替自适应跳频。由于这种转换超级快，因此衰落时刻很短暂，采历时刻交织和前向纠错能够补偿这种衰落。时刻交织要求尽可能短，不然就会增加时延。3. 4多天线ODFM由于码率低和加入了时刻爱惜距离，因此具有极强的抗多径干扰能力。由

14、于多径时延小于爱惜距离，因此系统不受码间干扰的困扰，这就许诺单频网络(SFN)能够用于宽带OFDM系统，依托多天线来实现，即采纳由大量低功率发射机组成的发射机阵列排除阴影效应，来实现完全覆盖。多天线系统超级适用于无线局域网。一样的局域网由于阴影效应，信号无法完全覆盖，需要利用中继器。关于传统系统来讲，中继器可能会带来多径干扰，但OFDM不存在那个问题，它的中继器能够加在任何需要的地址，不仅能够完全覆盖网络，而且能够排除多径干扰。4. 5调制方式OFDM系统的各个载波能够依照信道的条件来利用不同的调制，比如BPSK、QPSK、8PSK、16QAM、64QAM等等，以频谱利用率和误码率之间的最正确

15、平稳为原那么。选择知足必然误码率的最正确调制方式能够取得最大频谱效率。多径信道的频率选择性衰落会致使接收信号功率大幅下降，达到30dB之多，信噪比也大幅下降。利用与信噪比相匹配的调制方式能够提高频谱利用率。依照信息论的观点，靠得住性和有效性是通信系统运行是不是良好的重要考核指标。例如系统通常选择BPSK或QPSK调制，如此靠得住性取得了保障，但这两种调制的频谱效率太低。若是利用自适应调制，那么在信道好的时候终端就能够够利用较高的调制，一样在终端靠近基站时，调制能够由BPSK转化成16QAM、64QAM，整个系统的频谱利用率取得大幅度的改善，自适应调制能够使系统容量翻番。但任何事物都有其两面性，

16、自适应调制也不例外。它要求信号必需包括必然的开销比特，以告知接收端发射信号所采纳的调制方式，而且，终端需要按期更新调制信息，这又必将会增加更多的开销比特。OFDM技术将那个矛盾迎刃而解，通过采纳功率操纵和自适应调制和谐工作的技术。信道好的时候，发射功率不变，能够增强调制方式（如64QAM），或在低调制（如QPSK）时降低发射功率。功率操纵与自适应调制要取得平稳，也确实是说关于一个远端发射台，它有良好的信道，假设发送功率维持不变，可利用较高的调制方案如64QAM;假设功率能够减小，调制方案也相应降低，可利用QPSK。失真、频偏也是在选择调制时必需考虑的因素。传输的非线性会造成互调失真IMD），现

17、在信号具有较高的噪声电平，信噪比一样可不能太高;失步和多普勒平移所造成的频率偏移使信道间失去正交特性，仅仅1%的频偏就会造成信噪比下降3OdB。信噪比限制了最大频谱利用率只能接近57bit/s/Hz。自适应调制要求对信道的性能有充分的了解，若是在差的信道上利用较强的调制方式，那么就会产生很高的误码率，阻碍系统的靠得住性。多用户OFDM系统的导频信道或参考码字能够用来测试信道的好坏。发送一个己知数据的码字，在知足通信极限的情形下测量出每条信道的信噪比，依照那个信噪比来确信最适合的调制方式。3.OFDM正交调制解调系统原理方框图s(t)基于OFDM系统的调制和解调原理方框图第一码元速度为T,比特速

18、度是Ts,因为串并变换的关系，因此T=NTs。在上图中，正交关系就表此刻调制信号pi(t)和解调信号qi(t)的关系上。必需如下式如此正确的选择pi(t)和qi(t),才能知足正交调制的条件。Ts0 Pm(t)qn(t)dt C mn0, mC, m(2.1)咱们在OFDM系统，为了做到子载波之间的正交性，往往选择R和q)为正余弦信号：Pm(t)ej2fmt和qn(t)ej2fnt。如此pi(t)和qi明显能够知足公式(2.1)：j2 fmttej2 fntdt0,mT ,m(2.2)但fn必需知足关系：fn f0n/Tf0 n/NTs,0sm, n N 1那么发送信号s(t)能够表示为:s(

19、t)d(n)ej20fnt,其中d(n)dn(t)*g(t)。接收端解调后各子载波信号为:1NTsN 1j2 ftd(m) 0d(n)ej2 fntNTs n 0e j2 fmtdt1 I, J NL (n)nNTs j2e0n mt NTss dtd(m) (2.3)d(m),而关于从式子2.3能够看到，第m个子载波解调后能够正确的会付出期望的符号其它子载波来讲，由于在积分距离内，频率误差是1/'NTs的整数倍，因此积分结果为00利用快速傅立叶变换调制解调N1s(t)d(n)ej2fnt(2.4)n0咱们能够把那个式子变换个形式：N1j2(f0)tN1j2tNTsNTsj2f0ts(

20、t)d(n)ed(n)ee(2.5)n0n0咱们把S(t)称为等效基带信号。对那个基带信号进行采样，取得基带信号Si(k)：mdnN1j2ts(k)d(n)eNTstkTSn0n1j2nkd(n)eN,0n,kN1(2.6)n0关于子sl(k)是d(n)的离散傅立叶逆变换IDFTo假设不考虑噪声和干扰的阻碍，且假设知足正交条件，那么在接收端采纳类似的方式就能够够取得接收信号。N1j2空d(n)s(k)eN,0n,kN1,显然，d(n)是序列sl(k)的离散傅立叶变换。k0在OFDM系统的实际应用中，能够采纳加倍方便加倍速速的快速傅立叶变换(FFT/IFFT)4。N点DFT和IDFT运算需要实施

21、N*N次的复数乘法；而FFT和IFFT能够显著的降低运算复杂度。关于经常使用的基2-FFT和IFFT运算来讲，复数乘法的次数仅仅为Nlog2N，举个简单的例子，假设N=16,DFT和FFT所需要的复数乘法数量别离是2256次和32次。而且随着N的增大，这种差距会愈来愈大，FFT的优势会加倍明显。关于子载波数量超级大的OFDM系统来讲，能够进一步采纳基4的FFT算法。在基4的FFT运算中，只存在于1,-1,j,-j的相乘运算，因此不需要采纳完整的乘法器来实施这种乘法，只需要通过简单地加、减和互换实部和虚部的运算(当与-j,j相乘时)来实现这种乘法。在基4-FFT算法中，FFT变换能够被分为多个4

22、点的FFT变换，如此就只需要在两个级别之间执行完整的乘法操作。因此，N点的基4FFT运算中只需要执行(3/8)N(Log2N-2)次复数乘法或相位选转，和Nlog2N次复数加法。例如在64点的FFT中，需要计算96次复数乘法和384次复数加法，换句话说，计算每一个样值所需要的乘法和加法次数别离为1.5和6次。4.OFDM的FPGA勺实现利用Verilog实现系统的调制解调模块,假设数据位宽度为16比特。IEEE802.16a协议中规定载波数量为256个,在实现时调用256点FFT模块的IPCore来实现，将工作频率设置为数据速度的2倍，使FFT/IFFT来复用一个模块，以节省资源。从时延的角度

23、动身,且考虑到256为4的幂次方,配置基4的模式。moduleofdm_modem(clk,reset,x_send,x_rec,y_out,mdm,y_index);inputclk;inputreset;/声明了32比特，高16比特是虚部，低16比特是实部input31:0x_send;input31:0x_rec;output31:0y_out;output7:0y_index;/输出数据的下标outputmdm;/标志输出是调制信号仍是解调信号,/1表示调制信号，0表示解调信号wireinv_we=1;wire31:0xn;wire49:0xk;reg7:0cnt;regflag;wi

24、refwd_inv;/产生调制、解调操作的操纵信号always(posedgeclk)beginif(!reset)begincnt<=0;flag<=0;endcnt<=cnt+1;if(cnt=0)flag<=!flag;elseflag<=flag;endassignfwd_inv=reset?flag:0;/在标志为1时做FFT,完成OFDM信号的调制assignxn15:0=flag?x_send15:0:x_rec15:0;assignxn31:16=flag?x_send31:16:x_rec31:16;/由于计算FFT需要加载数据和完成蝶形运算两个

25、N点的周期，/因此输出类型和输入类型是相反的assignmdm=!flag;assigny_out15:0=xk24:9;assigny_out31:16=xk49:34;/挪用IPcoreofdm_fftofdm_fft(.fwd_inv_we(inv_we),.start(reset),.fwd_inv(fwd_inv),.clk(clk),.xn_re(xn15:0),.xn_im(xn31:16),.xk_re(xk24:0),.xk_im(xk49:25),.xk_index(y_index);endmoduleFFT上述程序通过SynpligyPro综合后取得RTL结构图。调制和解

26、调共用一个模块，以速度换取面积asj_fft_sglstream_fft_90:asj_fft_sglstream_fft_90_instOFDMB制/解调器RTM构图2.OFDMK形仿真上面已经大体完成OFD源统的FPG故现，下面对照仿真截图进行仿真分析。1.OFD悯制解调器电路cLkFit11岫_科，SinZ_ir <j_gI E5_E_峥 5 12_± QP 口pqtSD 口七皿jFT靛*£国iutpiLt_rFT_Iriii回flijtpMLt_DjeCcinsowctwiiaUSlfHf 巾 p回HITTti out pm匚1力. S 制v*_Kn；Ti4i

27、 国| utpm_rF7T_R*中s产町b._EFFTf*图一系统总仿真图为了便于观看，来发送一组数据7、3、4、五、6TJOLTjjuirjiiALnLJirjnnj川川jrwnjnuvjTjjuviiwLunr.mr.TLivjrjLrmiiniuiijninirruuwnU ：JL!：_二！：_:J 口- L-，一 J 二？XLB> XT tin>-学0 1T|*1_7oot. r.：n_ h, , _, ：!厂 一 一 nr_tl%*图二发送信号仿真图通过仿真截图能够观看到发送信号通过OFDM（统后，又还原为原先信号，说明那个系统是正确的。图三接收信号的仿真图四.设计心得体会在这次课程设计中，在收成知识的同时，还收成了阅历，收成了成熟，在此进程中，咱们通过查找大量资