【正文】 武漢理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）基于FPGA的OFDM仿真設(shè)計(jì)學(xué)院（系）： 信息工程學(xué)院 專(zhuān)業(yè)班級(jí)： 通信工程0502班學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師： 學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本論文不包括任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫(xiě)的成果作品。本人完全意識(shí)到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。作者簽名： 年 月 日學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書(shū)本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保障、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留并向有關(guān)學(xué)位論文管理部門(mén)或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)省級(jí)優(yōu)秀學(xué)士論文評(píng)選機(jī)構(gòu)將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。本學(xué)位論文屬于保密囗，在 年解密后適用本授權(quán)書(shū)不保密囗 。（請(qǐng)?jiān)谝陨舷鄳?yīng)方框內(nèi)打“√”）作者簽名： 年 月 日導(dǎo)師簽名： 年 月 日畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)任務(wù)書(shū)學(xué)生姓名： 專(zhuān)業(yè)班級(jí)： 通信0502 指導(dǎo)教師： 工作單位：信息工程學(xué)院 設(shè)計(jì)(論文)題目: 基于FPGA的OFDM仿真設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)（論文）主要內(nèi)容：正交頻分復(fù)用（OFDM）是寬帶無(wú)線(xiàn)通信中的關(guān)鍵技術(shù)。隨著用戶(hù)對(duì)實(shí)習(xí)多媒體業(yè)務(wù)和高速移動(dòng)業(yè)務(wù)需求的迅速增加，OFDM技術(shù)以其頻譜效率高，抗多徑衰落能力強(qiáng)，抗窄帶干擾性能好的特點(diǎn)，得到了廣泛的應(yīng)用：近幾年來(lái)， OFDM技術(shù)已經(jīng)取代單載波擴(kuò)頻技術(shù)（如CDMA），成為主流的基本發(fā)送技術(shù)。較早采用OFDM技術(shù)的包括DAB（數(shù)字廣播）和DVB（數(shù)字電視）。隨后，寬帶無(wú)線(xiàn)接入系統(tǒng)IEEE 、。另外，標(biāo)準(zhǔn)化的3GPP LTE（長(zhǎng)期演進(jìn)）和3GPP2 AIE（空中接口演進(jìn)）技術(shù)也選用OFDM及其改進(jìn)型（下行OFDM、上行DFTSOFDM）作為基本多址技術(shù)。連近距離通信UWB技術(shù)的兩個(gè)備選方案之一也采用了MB（多載波）OFDM。此外，未來(lái)的B3G（Beyong 3G）和4G技術(shù)估計(jì)也都將以O(shè)FDM為核心?？傊壳盁o(wú)線(xiàn)通信領(lǐng)域所有的新興技術(shù)幾乎都以O(shè)FDM為核心。FPGA(現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門(mén)陣列)是一種可編程邏輯器件，它具有設(shè)計(jì)時(shí)間短、投資少、風(fēng)險(xiǎn)小的特點(diǎn), 而且可以反復(fù)修改, 反復(fù)編程, 直到完全滿(mǎn)足需要,具有其他方式無(wú)可比擬的方便性和靈活性。這些特性使得FPGA可以高性能地實(shí)現(xiàn)OFDM通信系統(tǒng)的收發(fā)模塊功能。ISE是集成綜合環(huán)境的簡(jiǎn)稱(chēng)，它是Xilinx FPGA的綜合性集成設(shè)計(jì)平臺(tái)，該平臺(tái)集成了從設(shè)計(jì)輸入、仿真、邏輯綜合、布局布線(xiàn)與實(shí)現(xiàn)、時(shí)序分析、芯片下載與配置、功率分析等幾乎所有設(shè)計(jì)流程所需工具。利用ISE集成的工具可以完成上述整個(gè)FPGA的開(kāi)發(fā)過(guò)程。通過(guò)ISE硬件開(kāi)發(fā)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)基于FPGA的OFDM系統(tǒng)的仿真設(shè)計(jì)。要求完成的主要任務(wù):1．查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料15篇以上（其中英文文獻(xiàn)不少于2篇），完成不低于5000漢字（20000英文印刷符）的教師指定的相關(guān)文獻(xiàn)的英譯漢翻譯。2．完成開(kāi)題報(bào)告。3．研究OFDM的基本原理，基于FPGA進(jìn)行OFDM系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)，要求查閱資料并選擇合適的硬件開(kāi)發(fā)平臺(tái)及描述語(yǔ)言系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析。4．完成不少于12000字的論文的撰寫(xiě)并完成答辯的相關(guān)工作。5．完成畢業(yè)設(shè)計(jì)周記。必讀參考資料：[1] 田耘，徐文波，張延偉等，無(wú)線(xiàn)通信FPGA設(shè)計(jì)，北京：電子工業(yè)出版社，.[2] 王文博，鄭侃，寬帶無(wú)線(xiàn)通信OFDM技術(shù)，北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.[3] 卞荔，朱琦，基于IEEE OFDM系統(tǒng)的FPGA設(shè)計(jì),南京郵電大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2008，28（4）：7581.[4] 仇潤(rùn)鶴, 劉錦高, 劉佳，基于FPGA 的OFDM 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與 實(shí)現(xiàn)，電子技術(shù)應(yīng)用，2007 年第6 期：9194.[5] Joaquin Garcia，Rene Cumplido，On the design of an FPGABased OFDM modulatorfor IEEE ,.[6] 薛小剛，葛毅敏，Xilinx ISE FPGA/CPLD設(shè)計(jì)指南，人民郵電出版社，2007.武漢理工大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開(kāi)題報(bào)告1 目的及意義隨著用戶(hù)對(duì)各種實(shí)時(shí)多媒體業(yè)務(wù)需求的增加和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅猛發(fā)展，在下一代的無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)中（4G）必須采用頻譜利用率更高、抗多徑干擾能力更強(qiáng)的新型傳輸技術(shù)。在當(dāng)前提供的高速率傳輸?shù)母鞣N無(wú)線(xiàn)解決方案中，正交頻分多址（OFDM，Othorgonal Frequency Division Mutiplexing）技術(shù)具有良好的抗多徑干擾能力和更高的頻譜利用率等有點(diǎn)，以其為代表的多載波調(diào)制技術(shù)被認(rèn)為是最有前途的方案之一。在實(shí)際的無(wú)線(xiàn)傳輸信道中，惡劣的無(wú)線(xiàn)環(huán)境會(huì)對(duì)傳輸數(shù)據(jù)帶來(lái)嚴(yán)重的影響。寬帶系統(tǒng)中存在的主要問(wèn)題是頻率選擇性衰落引起的符號(hào)間干擾（ISI）。傳統(tǒng)上克服ISI的方法有兩種：一是采用單載波調(diào)制加時(shí)域均衡的方法，另外一種是采用直接序列碼分多址（DSCDMA）加Rake接收技術(shù)。但是，對(duì)于高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)來(lái)說(shuō)，傳統(tǒng)的單載波時(shí)分多址接入（TDMA）系統(tǒng)和窄帶CDMA系統(tǒng)都很大的缺陷。由于無(wú)線(xiàn)信道存在時(shí)延擴(kuò)展，高速信息流的符號(hào)寬度又相對(duì)較窄，所以符號(hào)之間會(huì)存在較嚴(yán)重的符號(hào)間干擾，這對(duì)單載波系統(tǒng)中使用的均衡器提出了非常要求，即抽頭數(shù)量要足夠大，訓(xùn)練符號(hào)要足夠多，訓(xùn)練時(shí)間要足夠長(zhǎng)，從而均衡算法的復(fù)雜度也會(huì)大大增加。對(duì)于窄帶CDMA來(lái)說(shuō)，其主要問(wèn)題在于擴(kuò)頻增益與高速數(shù)據(jù)流之間的矛盾。在保證相同帶寬的前提下，所使用的擴(kuò)頻增益就不能太高，這樣就大大限制了CDMA系統(tǒng)抵抗噪聲的優(yōu)點(diǎn)，從而使得系統(tǒng)的軟容量受到一定的影響，如果保持原來(lái)的擴(kuò)頻增益，則必須要相應(yīng)地提高帶寬。CDMA系統(tǒng)一個(gè)非常重要的特點(diǎn)是采用閉環(huán)的功率控制，這在電路交換系統(tǒng)中比較容易實(shí)現(xiàn)，但對(duì)于分組業(yè)務(wù)來(lái)說(shuō)，對(duì)信道進(jìn)行預(yù)測(cè)，然后再返回功率控制，將導(dǎo)致較大的時(shí)延，因此對(duì)于高速的無(wú)線(xiàn)分組業(yè)務(wù)來(lái)說(shuō)，這種閉環(huán)的功率控制問(wèn)題也存在缺陷。此外，受到系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度的限制，CDMA系統(tǒng)中的Rake接收機(jī)的分支數(shù)量不能太多（目前為5左右），再高速寬帶系統(tǒng)中可分解的多徑數(shù)量較多，此時(shí)會(huì)有較大的能量損失。為了滿(mǎn)足人們對(duì)通信的要求，新一代無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)在技術(shù)上必須有所突破。近年來(lái)受到人們廣泛關(guān)注的一項(xiàng)寬帶傳輸新技術(shù)是以O(shè)FDM為代表的多載波傳輸技術(shù)。OFDM技術(shù)具有如下優(yōu)點(diǎn)：，有效減少由于無(wú)線(xiàn)信道時(shí)間彌散所帶來(lái)的ISI，這樣就減小了接收機(jī)內(nèi)均衡的復(fù)雜度，或者僅采用插入循環(huán)前綴的方法就可以消除ISI的不利影響。，對(duì)于給定的時(shí)延擴(kuò)展，其實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度遠(yuǎn)小于具有均衡器的單載波系統(tǒng)。，可以根據(jù)特定載波的信噪比動(dòng)態(tài)地分配每個(gè)子載波的數(shù)據(jù)速率，從而顯著地提高系統(tǒng)容量。，使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，計(jì)算簡(jiǎn)便。，及下行鏈路中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量要大于上行鏈路中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，這就要求物理層支持非對(duì)稱(chēng)高速數(shù)據(jù)傳輸，OFDM系統(tǒng)可以通過(guò)使用不同數(shù)量的子信道來(lái)實(shí)現(xiàn)上行和下行鏈路中不同的傳輸速率。隨著隨著DSP(數(shù)字信號(hào)處理),ASIC（專(zhuān)用集成電路）及FPGA的發(fā)展,傅里葉變換/反變換、高速M(fèi)odem采用的64/128/256QAM技術(shù)、網(wǎng)格編碼技術(shù)、軟判決技術(shù)、信道自適應(yīng)技術(shù)、插入保護(hù)時(shí)段、減少均衡計(jì)算量等成熟技術(shù)的逐步引入，OFDM的應(yīng)用更為廣泛，同時(shí)其發(fā)展前景也更為廣闊。目前OFDM技術(shù)已經(jīng)在眾多高速數(shù)據(jù)傳輸領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用，如歐洲的數(shù)字音頻和視頻廣播（DAB/DVB），北美和歐洲的高速無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)系統(tǒng)（Hiperlan/2和IEEE ）及高比特率的數(shù)字用戶(hù)線(xiàn)（xDSL）,還有基于IEEE （PAN）[1]以及未來(lái)的B3G無(wú)線(xiàn)蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)中都使用了OFDM技術(shù)。我們甚至可以預(yù)計(jì)OFDM技術(shù)將成為4G的核心技術(shù)。FPGA是20世紀(jì)90年代發(fā)展起來(lái)的大規(guī)模可編程邏輯器件，隨著EDA技術(shù)和微電子技術(shù)的進(jìn)步，F(xiàn)PGA的時(shí)鐘延遲可達(dá)到ns級(jí)，結(jié)合其并行工作方式，在超高速、實(shí)時(shí)測(cè)控方面有非常廣闊的應(yīng)用前景。并且FPGA具有高集成度、高可靠性，幾乎可以將整個(gè)設(shè)計(jì)系統(tǒng)下載于同一芯片中，從而大大縮小其體積，利用FPGA將OFDM調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)的各個(gè)組成模塊集成到一個(gè)FPGA芯片上，以實(shí)現(xiàn)片上系統(tǒng)（SOC）設(shè)計(jì)，將大大簡(jiǎn)化系統(tǒng)的復(fù)雜度，提高系統(tǒng)的性能，完成OFDM系統(tǒng)設(shè)計(jì)和仿真，有助于實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)的驗(yàn)證與構(gòu)建[2]。2基本內(nèi)容和技術(shù)方案①基本內(nèi)容本設(shè)計(jì)主要完成OFDM系統(tǒng)的關(guān)鍵FFT/IFFT模塊的實(shí)現(xiàn)，如圖1所示。圖1 OFDM系統(tǒng)基本模型OFDM符號(hào)結(jié)構(gòu)：256點(diǎn)FFT/IFFT（考慮添加1/4保護(hù)間隔）。對(duì)于OFDM系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，采用并行的IFFT/FFT碟形算法是更合適的[3]， OFDM系統(tǒng)的參數(shù)，為256點(diǎn)FFT[4]。因此選用一種何時(shí)的并行FFT算法成了一個(gè)關(guān)鍵。通過(guò)比較基4FFT和基2FFT的運(yùn)算量，本設(shè)計(jì)確定選用基4FFT。圖2為按時(shí)間抽取的基4FFT算法原理：圖2 基4FFT碟形結(jié)構(gòu)單元同時(shí)為了消除由于多徑所造成的ICI，OFDM符號(hào)需要在其保護(hù)間隔內(nèi)填入循環(huán)前綴信號(hào)，如圖3所示。圖3 OFDM在保護(hù)間隔內(nèi)插入循環(huán)前綴②技術(shù)方案本設(shè)計(jì)選用Xinlix公司ISE ，結(jié)合ISE自帶仿真工具ISE Simulator進(jìn)行仿真，并采用硬件描述語(yǔ)言verilog HDL進(jìn)行電路設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)中可以直接調(diào)用ISE的IP Core FFT ，節(jié)省時(shí)間，同時(shí)保證質(zhì)量和效率。并最終通過(guò)ChipScope工具的在線(xiàn)調(diào)試實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)驗(yàn)證。本文還將重點(diǎn)探索FPGA的應(yīng)用，作為參考設(shè)計(jì)，選用Xilinx System Generator在Matlab/Simulink環(huán)境下對(duì)OFDM系統(tǒng)進(jìn)行建模，并生成相應(yīng)的工程，再調(diào)用ISE相應(yīng)的組件進(jìn)行仿真、綜合、實(shí)現(xiàn)，并完成芯片的配置。圖4可反應(yīng)System Generator的作用。SystemGeneratorISE圖4 System Generator的作用3 進(jìn)度安排： 第12周（2月16日—3月1日）查資料最后確定論文題目。第34周（3月2日—3月15日）完成開(kāi)題報(bào)告。第56周（3月16日—3月29日）完成論文提綱。第710周（3月30日—4月26日）完成論文初稿。第1112周（4月27日—5月10日）完成論文翻譯部分。第1315周（5月10日—5月31日）論文修改。第16周（6月1日—6月7日）申請(qǐng)答辯。第17周（6月8日—6月14日）論文答辯。 開(kāi)題人：陳亞迷 指導(dǎo)教師評(píng)語(yǔ)： 指導(dǎo)老師簽名： 2009 年3 月 16 日目 錄34摘 要 IAbstract II1 緒論 1 研究背景及意義 1 OFDM技術(shù) 2 MCM概述 2 OFDM的優(yōu)缺點(diǎn) 2 OFDM的應(yīng)用與發(fā)展 3 論文的研究?jī)?nèi)容與結(jié)構(gòu)安排 42 FPGA描述與HDL語(yǔ)言 5 引言 5 FPGA的結(jié)構(gòu)特征 6 可編程邏輯塊CLB 6 輸入/輸出模塊IOB 8 可編程互連資源PI 9 FPGA開(kāi)發(fā)流程 9 Verilog HDL語(yǔ)言簡(jiǎn)介 10 HDL語(yǔ)言概述 10 Verilog HDL語(yǔ)言的特點(diǎn) 10 Verilog HDL設(shè)計(jì)法的優(yōu)點(diǎn) 113 軟硬件開(kāi)發(fā)平臺(tái)介紹 12 12 ISE簡(jiǎn)介 12 ChipScope Pro概述 13 Xilinx System Generator簡(jiǎn)介 15 硬件平臺(tái)Xilinx Virtex II介紹 164 OFDM系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真實(shí)現(xiàn) 17 OFDM調(diào)制解調(diào)原理 17 ISE中IP Core實(shí)現(xiàn)FFT/IFFT變換 20 FFT IP Core介紹 20 FFT Core的調(diào)用 21 FFT Core調(diào)用仿真 21 FPGA設(shè)計(jì)的綜合 22 FPGA設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn) 23 配置FPGA器件 24 24 使用ChipScope Pro進(jìn)行在系統(tǒng)調(diào)試 25 25 信號(hào)分析 25 System Generator與Simulink的仿真建模 28 28 搭建系統(tǒng)模型 285 總結(jié)與展望 31 31 31參考文獻(xiàn) 32致謝 33摘 要正交頻分復(fù)用（OFDM）是寬帶無(wú)線(xiàn)通信中的關(guān)鍵技術(shù)。隨著用戶(hù)對(duì)實(shí)時(shí)多媒體業(yè)務(wù)和高速移動(dòng)業(yè)務(wù)需求的迅速增加，OFDM技術(shù)以其頻譜效率高，抗多徑衰落能力強(qiáng)，抗窄帶干擾性能好的特點(diǎn)，得到了廣泛的應(yīng)用。如今第三代移動(dòng)通信牌照已在我國(guó)發(fā)放，并正式投入商用，而第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)的研究己經(jīng)如火如茶的展開(kāi)。作為第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù),OFDM更是受到了前所未有的關(guān)注。FPGA(現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門(mén)陣列)是一種可編程邏輯器件，它具有設(shè)計(jì)時(shí)間短、投資少、風(fēng)險(xiǎn)小的特點(diǎn), 而且可以反復(fù)修改, 反復(fù)編程, 直到完全滿(mǎn)足需要,具有其他方式無(wú)可比擬的方便性和靈活性。這些特性使得FPGA可以高性能地實(shí)現(xiàn)OFDM通信系統(tǒng)的收發(fā)模塊功能。本文重點(diǎn)驗(yàn)證OFDM調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)在FPGA上的仿真實(shí)現(xiàn)。第一章緒論首先