基于FPGA的正交频分复用系统设计及实现

论文摘要

正交频分复用（OFDM，Orthogonal Frequency Division Multiplexing）技术是一种多载波数字调制技术，它利用相互正交的多个子载波传输信息，具有较高的频谱利用率、具有有效对抗多径和成本低等特点。通信领域已广泛应用。为得到OFDM系统无线通信的最佳性能，设计高性能专用芯片，需以FPGA为开发验证平台，进行OFDM系统的前端功能设计，为实际应用提供基础。本论文设计了一个基于FPGA的基带OFDM系统，并进行了仿真和分析。全文完成发送端和接收端设计，涉及到OFDM系统模型分析、信道编码、QAM调制、信道解码、QAM调制。并针对OFDM系统的同步误差，信道衰落，相位偏差敏感的缺点，提出同步、信道均衡、相位跟踪设计方案。主要工作有以下几点：1、基于OFDM基带仿真系统模型，研究限幅和滤波、均衡技术、剩余相位跟踪对传输信号的影响等，为硬件设计提供方案指导。并用Matlab仿真软件搭建OFDM基带仿真系统模型。分别测试了限幅和滤波、均衡技术对OFDM信号的功率谱密度影响、剩余相位跟踪对传输数据的影响，并对相应仿真比较，为硬件的实现提供指导。2、针对无线通信的多径及干扰特点，分别提出改变统计特性、卷积码算法、交织、循环前缀保护数据传输方案，并对基于硬件的实现作相应研究。在接收端，对数据的正确接收分别提出解调、解交织、解扰硬件实现方案，以确保数据的正确恢复。并进行相应的OFDM模块硬件电路设计及仿真。3、针对OFDM系统中的关键技术——同步提出基于短训练符号的载波同步和基于训练符号的符号同步设计方案，它对时间、频率偏移进行有效的估计和补偿，提高了系统的性能。并进行相应的OFDM模块硬件电路设计及仿真。4、针对无线通信受到无线信道制约和多径信道引起的码间干扰导致的慢衰落信道，提出基于长训符号的频域信道均衡设计方案，它有效得对接收到的数据进行校正和恢复。并进行硬件电路设计及仿真。5、以OFDM基带仿真系统模型中剩余相位跟踪仿真为指导，提出剩余相位跟踪算法的硬件实现方案，它对载波同步后数据的偏差进行进一步的相位调整。本论文在对算法作理论研究的基础之上，以IEEE802.11a为标准，提出FPGA硬件设计OFDM系统方案，包括整体方案设定、软件仿真、硬件设计、硬件仿真和验证，通过Verilog HDL编程及调用Xilinx公司提供的IP Core、ISE软件平台、Isim及Modelsim SE仿真工具加以实现及验证。最后通过用不同的算法使RTL最优化、仿真验证了提出的各方案的可行性、可靠性。为目前对OFDM专用芯片ASIC的设计打下了前端设计基础。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.1.1 论文研究的背景
• 1.1.2 可编程逻辑器件的发展
• 1.2 OFDM 系统发展历史及展望
• 1.2.1 OFDM 系统发展历史
• 1.2.2 OFDM 的展望
• 1.3 本论文研究的主要内容及意义
• 1.4 论文各章的安排
• 第二章 OFDM 系统原理分析
• 2.1 OFDM 系统的基本原理
• 2.1.1 OFDM 特点及关键技术
• 2.1.2 OFDM 系统的数学模型
• 2.1.3 OFDM 系统框图
• 2.2 基于 IEEE802.11a 的 OFDM 系统具体参数设定
• 2.3 基于 Simulink 的 OFDM 系统的仿真及分析
• 2.4 本章小结
• 第三章 基于 FPGA 的 OFDM 系统发送端方案设计
• 3.1 基于 OFDM 系统训练序列符号的研究
• 3.2 基于 OFDM 系统数据传输的 FPGA 实现
• 3.2.1 改变统计特性来减少串扰的技术方案研究
• 3.2.2 基于卷积码算法的信道编码 FPGA 实现方案
• 3.2.3 基于 OFDM 系统数据交织的 FPGA 实现方案
• 3.2.4 基于 FFT 的多载波系统的原理分析
• 3.2.5 基于 OFDM 系统循环前缀保护间隔 FPGA 设计
• 3.3 OFDM 系统发射端整体 FPGA 实现分析
• 3.4 本章小结
• 第四章 基于 FPGA 的 OFDM 系统接收端的研究
• 4.1 基于 PFGA 的 OFDM 系统同步算法研究方案
• 4.1.1 基于短训符号的载波同步 FPGA 实现方案
• 4.1.2 基于训练的 OFDM 系统符号同步的 FPGA 实现方案研究
• 4.2 基于剩余相位跟踪算法的相位调整方案
• 4.3 基于 OFDM 系统频域信道均衡的 FPGA 方案的研究
• 4.4 基于 OFDM 系统数据恢复的 FPGA 设计
• 4.4.1 基于 OFDM 解调的 FPGA 实现方案
• 4.4.2 基于 OFDM 系统的解交织的 FPGA 的研究方案
• 4.4.3 基于 Viterbi 算法的卷积解码器方案的设计
• 4.4.4 基于 OFDM 系统解扰码的 FPGA 实现
• 4.5 本章小结
• 第五章 OFDM 系统结果分析
• 1、OFDM 中频系统中收发两端数字载波测试
• 2、星座映射仿真信号仿真图测试
• 3、时域载波同步频偏估计补偿的 OFDM 系统仿真图测试
• 4、剩余相位跟踪，相位补偿模块测试
• 5、信道估计与均衡模块测试
• 6、解扰码计设电路测试
• 第六章 结论与展望
• 6.1 工作总结
• 6.2 末来工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历、在校期间发表的学术论文