2022年FPGAOFDM系统设计方案与实现.docx

《2022年FPGAOFDM系统设计方案与实现.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《2022年FPGAOFDM系统设计方案与实现.docx（11页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、精品学习资源封面欢迎下载精品学习资源作者： PanHongliang仅供个人学习基于 FPGA的 OFDM系统设计与实现欢迎下载精品学习资源建立了一个基于 FPGA的可实现流水化运行的 OFDM 系统的硬件平台，包括模拟前端、基于FPGA的 OFDM 调制器和 OFDM解调器；重点给出了 OFDM调制解调 器的实现构架，对 FPGA实现方法进行了详细的描述，介绍了系统调试方法，并对系统进行了性能评判；近年来,随着数字信号处理 DSP 和超大规模集成电路 VLSI技术的进展,正交频分复用 OFDMOrthogonal Frequency Division Multiplexing技术的应用有了长

2、足的进步和宽敞的进展前景；IEEE802.11a 中就将正交频分复用作为物理层的传输技术；欧盟在数字音频广播DAB、地面数字视频广播DVB2T、高清晰度电视 HDTV以及 2003 年 4 月公布的无线城域网WMAN802.16a等争论中都使用了正交频分复用技术作为信道的传输手段；在 正交频分复用技术逐步成熟的今日 ,如何降低通信系统的成本 ,使之更广泛地应用于数传系统中 ,已成为正交频分复用争论的热点；本文基于802.16a 协议的原理架构，本着小成本、高效率的设计思想，建立了一个基于FPGA的可实现流水化运行的 OFDM系统的硬件平台，包括模拟前端及OFDM调制器及 OFDM解调器，用来实

3、现 OFDM的远距离无线传输系统；1 模拟前端模拟前端主要包括发送端 DA模块、接收端 AD模块和射频模块；发送端 DA模块主要由 XILINX 公司的 FPGA XC2V1000芯片和数模转换芯片 AD9765、滤波器和放大器构成，基带处理调制后数据在把握时钟同步下送入 FPGA进行降峰均比等算法的处理，然后经过交叉将其送入AD9765进行数模转换并上变频到 70MHz，输出的模拟信号再经声表滤波器后放大进入下一级射频模块；发送端 DA模块硬件结构框图如图1 所示；接收端 AD模块主要由增益放大器、带通滤波、采样芯片AD9238和数字下变频器 GC1012构成； AD模块的主要功能是完成中频

4、信号的采样和数字下变频，在 FPGA XC2V100中0 完成符号同步算法，其输出送OFDM解调器；接收端AD模块硬件结构框图如图2 所示；射频模块工作在 70MHz中频上，射频模块的功能是将完成调制的中频信号搬移到射频波段上，或者将空中的接收信号下变频到模拟前端所需的中频波段上；欢迎下载精品学习资源2 OFDM调制器实现架构在 OFDM系统中， OFDM调制器主要完成 OFDM数据的调制；图 3 为 OFDM调制器的结构框图； OFDM的调制器接受 N=120个数据子信道， 8 个导 频信道； 120 个数据子信道都接受 QPSK的信道调制， 8 个导频信道接受 BPSK的信道调制；为了使用

5、基带传输，进行添零处理 添加 128 个 0 ，使频带扩展 1 倍；经过逆序处理后，接受 256 点的 IFFT 进行 OFDM调制；系统时钟为 80MHz，用 FPGA完成数据的编码和调制，最终以读时钟为500kHz 的速率送往 D/A ；在 FPGA中，依据详细的参数要求实现了OFDM系统中的调制功能，其工作 流程为：数据发生器 M 序列产生器 发送数据，串并转换后储备在2562位的RAM_in中，当接收够一帧数据所需要的信息量后，从RAM_in中读取数据进行QPSK映射、过采样添零，随后插入导频模块；与此同时， IFFT 模块接收 QPSK 映射、过采样添零和插入导频模块发送出的数据；当

6、QPSK、添零、共轭模块处理完 1 个数据包的数据后， IFFT 模块开头运算，进行 OFDM的 IFFT 调制，经IFFT 模块运算后的数据轮换存入 RAM_ou1或者 RAM_ou；2 把握模块发出访能信号，先从数据输出模块中读取同步头发送，同步头发送完成后，再从RAM_ou1 或者 RAM_ou2中读取循环前缀和数据块；当 IFFT模块运算完的数据全部送出 后，把握模块判定开头处理下一包数据，处理到第10 包数据，就通知外部把握器一帧数据处理完成；3 OFDM解调器实现架构在 OFDM系统中，解调器主要是对接收 A/D采样来的数据进行解调；图 4 为OFDM解调器的结构框图；在 FPGA

7、中, 依据参数要求实现：将从A/D 以 500kHz 的速率采样来的数据存入 RAM 当中，当接收到第 64 个帧头数据时，开头运算局部自相关函数；每接收到一个帧头数据，取出 8 位 最高位无效，剩余 7 位为巴克码 ，运算一次xi*xi+j，并储备、判定，是否有相关最大值，假如有，就判定计数器加1，在一个帧头短前导字部分中，共有10 个短前导字片，每一片为 64 个采样点；当接收到第 640 个数据后，判定累加器是否超过了门限值6403， 假如累加门限值达到 1920，就认为有帧到达，整体把握模块产生使能信号，表示粗同步终止，预备接受长前导字，进行细同步和频偏估量运算，否就，将累加计数器清零

8、，重新开头接受帧头；帧到达检测和帧同步过程完成后，再将接收到的数据存入到解帧模块的数据 RAM中；当数据 RAM中存满 256 点的数据后，整体 把握模块发出读使能信号、解帧使能信号和FFT的 START信号，从 RAM中读取数据，送往 FFT 进行 OFDM的解调；然后去除循环前缀，去除添加的零和导频信息；最终经过 QPSK的反映射和并串转换后，仍原成原始数据读出，并等下一帧数据的接收；欢迎下载精品学习资源4 系统调试与性能分析接受 OFDM技术的无线城域网通信系统是一个比较复杂的系统；利用 Matlab 仿真完成系统可行性论证后，需要考虑如何利用FPGA完成这个算法流程， 这需要考虑接受特

9、定 FPGA进行运算时有限字长以及浮点运算的特点和系统所占用的 FPGA资源，以保证系统的规模不至于过大而超过特定FPGA运算的储备 才能；经过在硬件设备上的调试，最终完成接受OFDM技术的城域网无线通信系统；通过仿真完成可行性论证后，在以Altera公司的 EP1C6Q240C芯8 片为基础的FPGA硬件平台上，实现了以 QPSK为调制形式，以 FFT/IFFT 变换为主的 OFDM 技术的城域网无线通信系统；4.1 IFFT模块发送端系统的主时钟频率设计为 80MHz，整体接受同步时序规律；发送端 M序列的产生速率设定为 80Mbps；送往 D/A 的数据速率设定为 500kHz；在数据接

10、收模块，数据收到后立刻储备，占用时间即为PC发送数据的时间；在QPSK、添零、导频插入模块，由于没有中间储备器，从 RAM读 出数据，经过映射后就直接输出，整个模块需要 256 个时钟周期； IFFT 模块接受流水线结构的算法，运算 256 点 IFFT 需要 1288个蝶型单元，合计需要 40 960 个时钟，加上输入输出所占用的时间，总共约需要41 216 个时钟周期 中间有一些状态的跳转，合计 512 s ；在数据输出模块，其输入是 IFFT模块的输出，它的输出速率由 D/A 把握；在 FPGA中， OFDM调制器的规律单元的使用情形见表 1，OFDM解调器的规律单元的使用情形见表2，

11、IFFT 的运算结果见图 5；在表 1 和表 2 中，调制器和解调器中所含有的引脚数过多，主要缘由是在这些引脚中仍含有很多用于调试和测量的引脚，在整个系统调试时，可以将调试和测量用的引脚去掉，只留有数据、地址和把握引脚；在解调器中需要用到大量的储备单元，但考虑到 Cyclone 系列的储备单元有限，而规律单元丰富的情形，故在解调器中，在几乎耗尽 EAB单元时，用规律单元来构造所需的储备器，可以实现正常的储备功能；在开发工程中，主要用到的开发工具由 Altera 公司的 QuartusII 及Mathworks 公司的 Matlab ；验证过程如下 :Matlab 随机生成一组 128 个复数，

12、然后依据 OFDM帧格式插入 0 得到256 复数点的一个符号，并写入文件 如 datain.dat ；欢迎下载精品学习资源在 QuartusII中生成 IFFT的仿真波形文件 ifft.vwf,另存为ifft.tbl，并删除其余信号，仅保留 I&Q 输入数据， 24bit；在 UltraEdit中打开 ifftt.tbl、datain.dat,用 datain.dat中的随机数代替 ifft.tbl中的 I&Q 数据，储存 ifft.tbl；在 QuartusII中打开 ifft.tbl，将 I&Q 复制到 ifft.vwf中，开头运行仿真；将仿真结果另存为 dataout.tbl,用 Ma

13、tlab 读取与原数据在 Matlab 下的IFFT 变换结果进行比较分析；给出一组随机数据输入，经过 FPGA中的 IFFT 模块变换得到时域幅度如图6 实部 、图 7 虚部 所示；而将同样的随机数经过 MATLAB变换，得到的时域幅度如图 8 实部 、图 9 虚部 所示；实际测量与仿真运算的方差分析如图10 实部 、图 11 虚部 所示；两者结果基本一样；OFDM中的 FFT模块设计及其 FPGA实现2021-02-28嵌入式在线保藏 |打印正交频分复用 OFDM是 一种多载波调制技术，可以有效地对抗频率选择性衰落和窄带干扰，并且有较高的频谱利用率；OFDM技术已经成功地应用于非对称数字用

14、户环路ADSL、数字音频广播 DAB、高清晰度电视 HDTV、电力线载波通信 PLC 、无线局域 网WLAN等系统中；典型的 OFDM基带收发机如图 1 所示，其中的多载波调制 / 解调由 IFFT/FFT 来实现；对于 FFT处理器的实现， 目前通用的方法是接受 DSP、专用 FFT处理芯片和 FPGA；用 DSP实现 FFT的处理速度较慢，不能中意某些高速信号实欢迎下载精品学习资源时处理的要求；专用的FFT处理 芯片虽然速度较快，但外围电路相对复杂，不易扩展，且价格昂贵；新一代 FPGA资源丰富，易于组织流水和并行的结构，用其实现 FFT，不仅可以提高处理速 度，而且具有灵敏性高，开发费用

15、低的特点；1 设计与实现本设计为 128 点 FFT，接受简洁有用的基 2 时间抽取 DIT 算 法；该模块的 FFT处理共需 3 个过程，即外部数据倒序输入过程， FFT中间运算过程 128 点的 FFT运算可分解成 7 级运算，每级 64 个基 2 蝶形运算 和运算结果正序输出过程；整个 FFT模块内部结构简图如图 2 所示；该 FFT模块主要包 括蝶形运算单元、把握单元和储备单元 ROM和双口 RAM；1.1 蝶形运算单元基 2 时间抽取蝶形运算信号流图如图3 所示；由上述公式可以看出，一个基 2 蝶形运算要进行 1 次复乘、 2 次复加；如在一个时钟周期内完成复乘，就需要4 个实数乘法

16、器和 2 个实数加法器；由于一个蝶形运算需要取两个输入数据，而只存在1 次复乘，所以可以用2 个时钟周期来完成 1 次复乘，即可以对实数乘法器进行复用，从而削减乘法器的数目同时不降低处理速度；改进后的基 2 蝶形运算单元充分利用了 FPGA片内的寄存器， 接受流水和并行的结构将复乘所需的4 个实数乘法器削减到 2 个，其规律结构如图 4；从中可以看 出，蝶形运算单元主要由寄存器、选择器、乘法器和加法器构成；左边 3 个选择器用来选择做乘法的数据，右边2 个选择器用来选择加法器的加减功能；该蝶形运算单元中的复乘运算是 2 个 8 比特的复数相乘得到 15比特的复数；由于输入数据和旋转因子的8 比

17、特数据实际上表征的是模值不大于“ 1”的复小数，所 以复乘运算的输出结果用 15 比特表示并不会产生溢出；2 个 15 比特的数据进行复加运算得到 16 比特的结果；为便于下一级运算，将复加运算输出的 16 比特数 据截掉低 8 位 接受定点四舍五人的方法以减小误差 ；128 点 FFT的 7 级运算中每一级的数据都相当于先左移了7 位 旋转因子欢迎下载精品学习资源的模值为 128 ，而后又截 掉了低 8 位，所以每一级都相当于做了除2 运算， 故此 128 点 FFT输出结果是理论值的 1/27 ；1.2 把握单元把握单元是整个 FFT模块的核心；主要有以下两个功能：1) 供应各个模块的运算

18、使能；当检测到输入口的 FFT_start信号后，立刻开头接收数据，并反 序储备到 RAM中；在 128 个时钟周期之后，启动各级的蝶形运算，并同时产生RAM的 读写使能信号；在第 7 级运算终止时，供应数据输出的标志FFT_done， 并把握 RAM同步正序输出数据；2) 产生各级运算所需的地址产生 FFT输入的倒序地址和输出的正序地址 正序和倒序均用同步计数器实现，正序为当前计数器的输出，倒序为当前计数器的高位与低位的对应位全部对调后的 输出 ；各级运算的地址 依据计数器的输出，依据各级蝶形运算的规律产生；先产生蝶形运算第一个数据的RAM地址，再产生其次个数据的 RAM地址；在产生 以上两

19、个取数地址的同时，产生所对应的旋转因子的ROM取数地址 ；1.3 储备单元欢迎下载精品学习资源该 FFT模块中的储备单元 ROM和双口 RAM由的 CORE Generator工具依据 FPGA的型号生成；Xilinx ISE 6.2i欢迎下载精品学习资源本 FFT设计中有 2 个 ROM分别用来储备旋转因子，并以补码的形式将它们依据 *.mif格式文件输出；用工具例化 ROM，将*.mif文件写入各自的 ROM初始化文件中，完成对ROM的初始化；通常的 FFT设计接受的是有 2 块 按实、虚部分开算是 4 块RAM的“乒乓”式结构，而在处理速度要求不太高的情形下，可以接受1 块 按实、虚部分

20、开算是 2 块RAM来完成，进而节省 RAM资源，便于以后的 ASIC开发；在此 FFT模块的设计中，有 2 个分别用来储备数据实部和虚部的双口RAM端 口a 只 写，端口 b 只读 ；RAM的两端口可以在读写地址不同的情形下同时工作，即在通过端口 b 从 RAM中读取蝶形运算数据的同时，也在通过端口a 往 RAM中写入上几次蝶形运算的结果；欢迎下载精品学习资源2 仿真与分析接受 Verilog HDL对所设计的 FFT模块进行 RTL描述； FFT处理点数为 128，输入输出用 8 比特补码表示；接受 MoldSim SE 5.8a 对整个设计进行功能仿真，接受 Synplify Pro 7

21、.3.3进行综合；使用 Xilinx的 ISE 6.2i 工具配置比特流下载； FPGA选用 Xilinx Spartan II系列中的 xc2s200pq208- 5；用 MoldSim 进行仿真的局部时序如图 5 所示；将 MATLAB的运算结果与 FPGA的仿真结果进行对比，如图 6 所示；可见两组结果能较好地吻合，从而验证了所设计的FFT模块的正确性；整个 FFT模块在 Spartan II的 xc2s200pq208-5 上共用去规律单元LUTs393 ，占总资源的 8，这样就为 OFDM系统其他模块的设计节省了大 量资源；128 点 FFT需要完成蝶形运算 128/2 log212

22、8=448 次，每个蝶形运算需要 2 个时钟周期，蝶形运算需要 7 个时钟周期的延时，收发外部数据需要 1282=256 个时钟 周期，所以整个 FFT运算共需要时钟周期4482+7+256=1159个，在处理速度上达到了预期的目标；3 结论本文中设计的 FFT模块接受基 2 时间抽取算法，用 verilog HDL 对其进行了 RTL描述，用 MoldSim 和 Synplify工具进行了仿真和综合，并在Xilinx Spartan II FPGA中进行了验证；此外， FFT运算结果的精度与输入数据的位数及运算过程中的位数有关；在定点运算中，储备器数据的位数越大，运算精度越高，使用的储备 单

23、元和规律单元也越多；在 OFDM系统的实际应用中，可以依据实际情形折衷选择 FFT模块的精度和资源；本文所设计的 FFT模块的输入、输出和旋转因子为8 比特数据， 接受了 1 块 按实、虚部分开算是 2 块 双口 RAM和基 2 单蝶形流水运算的结构，达到了某些 OFDM系统对 FFT模块的精度和资源的要求，为 OFDM系统的 ASIC的开发供应了很好的依据；欢迎下载精品学习资源版权申明本文部分内容，包括文字、图片、以及设计等在网上搜集整理；版权为潘宏亮个人全部This article includes some parts, including text, pictures, and des

24、ign. Copyright is Pan Hongliangs personal ownership.用户可将本文的内容或服务用于个人学习、争论或观看，以及其他非商业性或非盈利性用途，但同时应遵守著作权法及其他相关法律的规定，不得侵害本网站及相关权益人的合法权益；除此以 外，将本文任何内容或服务用于其他用途时，须征得本人及相关权益人的书面许可，并支付酬劳；Users may use the contents or services of this article for personal study, research or appreciation, and other non-comme

25、rcial or non-profit purposes, but at the same time, they shall abide by the provisions of copyright law and other relevant laws, and shall not infringe upon the legitimate rights of this website and its relevant obligees. In addition, when any content or service of this article is used for other pur

26、poses, written permission and remuneration shall be obtained from the person concerned and the relevant obligee.欢迎下载精品学习资源转载或引用本文内容必需是以新闻性或资料性公共免费信息为使用目的的合理、善意引用，不得对本文内容原意进行曲解、修改，并自负版权等法律责任；Reproduction or quotation of the content of thisarticle must be reasonable and good-faith citation for theuse of news or informative public free information. Itshall not misinterpret or modify the original intention ofthe content of this article, and shall bear legal liabilitysuch as copyright.欢迎下载