【正文】 武漢理工大學(xué)學(xué)士 學(xué)位論文 1 畢業(yè)設(shè)計（論文） 基于 FPGA 的 OFDM 仿真設(shè)計 學(xué)院（系）： 信息工程學(xué)院 專業(yè)班級： 通信工程 0502 班 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師： 武漢理工大學(xué)學(xué)士 學(xué)位論文 2 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)下獨立進行研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標注引用的內(nèi)容外，本論文不包括任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。本人完全意識到本聲明的法律后果由本人承擔。 作者簽名： 年 月 日 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 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)位論文管理部門或機構(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)省級優(yōu)秀學(xué)士論文評選機構(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 不保密囗 。 （請在以上相應(yīng)方框內(nèi)打“ √”） 作者簽名： 年 月 日 導(dǎo)師簽名： 年 月 日武漢理工大學(xué)學(xué)士 學(xué)位論文 3 畢業(yè)設(shè)計 (論文 )任務(wù)書 學(xué)生姓名： 專業(yè)班級： 通信 0502 指導(dǎo)教師： 工作單位： 信息工程學(xué)院 設(shè)計 (論文 )題目 : 基于 FPGA 的 OFDM仿真設(shè)計 設(shè)計（論文）主要內(nèi)容： 正交頻分復(fù)用（ OFDM）是寬帶無線通信中的關(guān)鍵技術(shù)。隨著用戶對實習(xí)多媒體業(yè)務(wù)和高速移動業(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，抗窄帶干擾性能好的特點，得到了廣泛的 應(yīng)用：近幾年來， OFDM 技術(shù)已經(jīng)取代單載波擴頻技術(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，寬帶無線接入系統(tǒng) IEEE 、 、 也以 OFDM/OFDMA 技術(shù)為基礎(chǔ)。另外，標準化的 3GPP LTE（長期演進）和 3GPP2 AIE（空中接口演進）技術(shù)也選用 OFDM 及其改進型（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)的兩個備選方案之一也采用了 MB（多載波）OFDM。此外，未來的 B3G（ Beyong 3G）和 4G 技術(shù)估計也都將以 OFDM 為核心?？傊壳盁o線通信領(lǐng)域所有的新興技術(shù)幾乎都以 OFDM 為核心。 FPGA(現(xiàn)場可編程邏輯門陣列 )是一種可編程邏輯器件，它具有設(shè)計時間短、投資少、風險小的特點 , 而且可以反復(fù)修改 , 反復(fù)編程 , 直到完全滿足需要 ,具有其他方式無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)境的簡稱，它是 Xilinx FPGA 的綜合性集成設(shè)計平臺，該平臺集成了從設(shè)計輸入、仿真、邏輯綜 合、布局布線與實現(xiàn)、時序分析、芯片下載與配置、功率分析等幾乎所有設(shè)計流程所需工具。利用 ISE 集成的工具可以完成上述整個 FPGA 的開發(fā)過程。通過 ISE 硬件開發(fā)平臺實現(xiàn)基于 FPGA 的 OFDM 系統(tǒng)的仿真設(shè)計。 要求完成的主要任務(wù) : 1．查閱相關(guān)文獻資料 15 篇以上（其中英文文獻不少于 2 篇），完成不低于 5000 漢字（ 20220英文印刷符）的教師指定的相關(guān)文獻的英譯漢翻譯。 2．完成開題報告。 3．研究 OFDM 的基本原理，基于 FPGA 進行 OFDM 系統(tǒng)仿真設(shè)計，要求查閱資料并選擇合適的硬件開發(fā)平臺及描述語言系統(tǒng)的設(shè)計，并 對仿真結(jié)果進行分析。 4．完成不少于 12022 字的論文的撰寫并完成答辯的相關(guān)工作。 武漢理工大學(xué)學(xué)士 學(xué)位論文 4 5．完成畢業(yè)設(shè)計周記。 必讀參考資料： [1] 田耘，徐文波，張延偉等，無線通信 FPGA 設(shè)計， 北京： 電子工業(yè)出版社， . [2] 王文博，鄭侃，寬帶無線通信 OFDM技術(shù)， 北京： 機械工業(yè)出版社， 2022. [3] 卞荔，朱琦，基于 IEEE OFDM 系統(tǒng)的 FPGA設(shè)計 ,南京郵電大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）， 2022， 28（ 4）： 7581. [4] 仇潤鶴 , 劉錦高 , 劉佳，基于 FPGA 的 OFDM 系統(tǒng)設(shè)計 與 實現(xiàn)， 電子技術(shù)應(yīng)用 ， 2022 年第 6 期： 9194. [5] Joaquin Garcia， Rene Cumplido， On the design of an FPGABased OFDM modulator for IEEE ,. [6] 薛小剛，葛毅敏， Xilinx ISE FPGA/CPLD 設(shè)計指南，人民郵電出版社， 2022. 武漢理工大學(xué)學(xué)士 學(xué)位論文 5 武漢理工大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）開題報告 1 目的及意義 隨著用戶對各種實時多媒體業(yè)務(wù)需求的增 加和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅猛發(fā)展，在下一代的無線通信系統(tǒng)中（ 4G）必須采用頻譜利用率更高、抗多徑干擾能力更強的新型傳輸技術(shù)。在當前提供的高速率傳輸?shù)母鞣N無線解決方案中，正交頻分多址（ OFDM， Othonal 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，以其為代表的多載波調(diào)制技術(shù)被認為是最有前途的方案之一。 在實際的無線傳輸信道中，惡劣的無線環(huán)境會對傳輸數(shù)據(jù)帶來嚴重的影響。寬帶系統(tǒng)中存在的主要問題是頻率選擇性衰落引起的符號間干擾（ 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，對于高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)來說，傳統(tǒng)的單載波時分多址接入（ TDMA）系統(tǒng)和窄帶 CDMA系統(tǒng)都很大的缺陷。由于無線信道存在時延擴展，高速信息流的符號寬度又相對較窄，所以符號之間會存在較嚴重的符號間干擾，這對單載波系統(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)練符號要足夠多，訓(xùn)練時間要足夠長，從而均衡算法的復(fù)雜度也會大大增加。對于窄帶 CDMA來說，其主要問題在于擴頻增益與高 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，從而使得系統(tǒng)的軟容量受到一定的影響，如果保持原來的擴頻增益，則必須要相應(yīng)地提高帶寬。 CDMA 系統(tǒng)一個非常重要的特點是采用閉環(huán)的功率控制，這在電路交換系統(tǒng)中比較容易實現(xiàn)，但對于分組業(yè)務(wù)來說，對信道進行預(yù)測，然后再返回功率控制，將導(dǎo)致較大的時延，因此對于高速的無線分組業(yè)務(wù)來說，這種閉環(huán)的功率控制問題也存在缺陷。此外，受到系統(tǒng)實現(xiàn)復(fù)雜度的限制， CDMA系統(tǒng)中的 Rake接收機的分支數(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，此時會有較大的能量損失。 為了滿足人們對通信的要求，新一代無線通信系統(tǒng)在技術(shù)上必須有所突破。近年來受到人們廣泛關(guān)注的一項寬帶傳輸新技術(shù)是以 OFDM為代表的多載波傳輸技術(shù)。 OFDM技術(shù)具有如下優(yōu)點： ，有效減少由于無線信道時間彌散所武漢理工大學(xué)學(xué)士 學(xué)位論文 6 帶來的 ISI，這樣就減小了接收機內(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。 ，對于給定的時延擴展，其實現(xiàn)復(fù)雜度遠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態(tài)地分配每個子載波的數(shù)據(jù)速率，從而顯著地提高系統(tǒng)容量。 FFT/IFFT 技術(shù)來實現(xiàn)調(diào)制和解調(diào)功能，使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡化，計算簡便。 ，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稱高速數(shù)據(jù)傳輸， OFDM系統(tǒng)可以通過使用不同數(shù)量的子信道來實現(xiàn)上行和下行鏈路中不同的傳輸速率。 隨著隨著 DSP(數(shù)字信號處理 ),ASIC（專用集成電路）及 FPGA 的發(fā)展 ,傅里葉變換 /反變換、高速 Modem 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)、插入保護時段、減少均衡計算量等成熟技術(shù)的逐步引入， OFDM 的應(yīng)用更為廣泛，同時其發(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線局域網(wǎng)系統(tǒng)（ Hiperlan/2 和 IEEE ）及高比特率的數(shù)字用戶線（ xDSL） ,還有基于 IEEE 標準的個人信息網(wǎng)（ PAN）基于 標準的無線城域網(wǎng) [1]以及未來的 B3G 無線蜂窩移動通信系統(tǒng)中都使用了 OFDM技術(shù)。我們甚至可以預(yù)計 OFDM技術(shù)將成為 4G的核心技術(shù)。 FPGA是 20世紀 90 年代發(fā)展起來的大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷S著 EDA 技術(shù)和微電子技術(shù)的進步， FPGA 的時鐘延遲可達到 ns 級，結(jié)合其并行工作方式，在超高速、實時測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，幾乎可以將整個設(shè)計系統(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)的各個組成模塊集成到一個 FPGA 芯片上，以實現(xiàn)片上系統(tǒng)（ SOC）設(shè)計，將大大簡化系統(tǒng)的復(fù)雜度 ，提高系統(tǒng)的性能，完成 OFDM系統(tǒng)設(shè)計和仿真，有助于實際應(yīng)用系統(tǒng)的驗證與構(gòu)建 [2]。 武漢理工大學(xué)學(xué)士 學(xué)位論文 7 2 基本內(nèi)容和技術(shù)方案 ①基本內(nèi)容 本設(shè)計主要完成 OFDM 系統(tǒng)的關(guān)鍵 FFT/IFFT 模塊的實現(xiàn)，如圖 1所示。 圖 1 OFDM 系統(tǒng)基本模型 OFDM符號結(jié)構(gòu)： 256 點 FFT/IFFT（考慮添加 1/4保護間隔）。 對于 OFDM系統(tǒng)來說，采用并行的 IFFT/FFT 碟形算法是更合適的 [3]，有由于本設(shè)計選取的是 OFDM 系統(tǒng)的參數(shù)，為 256點 FFT[4]。因此選用一種何時的并行 FFT算法成了一個關(guān)鍵。通過 比較基 4FFT和基 2FFT 的運算量，本設(shè)計確定選用基 4FFT。 圖 2為按時間抽取的基 4FFT算法原理： 圖 2 基 4FFT 碟形結(jié)構(gòu)單元 同時為了消除由于多徑所造成的 ICI， OFDM 符號需要在其保護間隔內(nèi)填入循環(huán)前綴信號，如圖 3所示。 武漢理工大學(xué)學(xué)士 學(xué)位論文 8 圖 3 OFDM 在保護間隔內(nèi)插入循環(huán)前綴 ②技術(shù)方案 本設(shè)計選用 Xinlix 公司 ISE 作為硬件開發(fā)平臺，結(jié)合 ISE 自帶仿真工具 ISE Simulator 進行仿真，并采用硬件描述語言 verilog HDL 進行電路設(shè)計，在設(shè)計中可以直接調(diào)用 ISE的 IP Core FFT 進行設(shè)計，節(jié)省時間，同時保證質(zhì)量和效率。并最終通過 ChipScope工具的在線調(diào)試實現(xiàn)設(shè)計驗證。 本文還將重點探索 FPGA 的應(yīng)用，作為參考設(shè)計，選用 Xilinx System Generator在 Matlab/Simulink環(huán)境下對 OFDM系統(tǒng)進行建模，并生成相應(yīng)的工程，再調(diào)用 ISE相應(yīng)的組件進行仿真、綜合、實現(xiàn)，并完成芯片的配置。圖 4可反應(yīng) System Generator 的作用。 圖 4 System Generator 的作用 System Generator ISE 武漢理工大學(xué)學(xué)士 學(xué)位論文 9 3 進度安排 ： 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 開題報告 。 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）申請答辯。 第 17 周 （ 6月 8日 — 6月 14日）論文答辯。 開題人：陳亞迷 指導(dǎo)教師評語： 指導(dǎo)老師簽名： 2022 年 3 月 16 日 武漢理工大學(xué)學(xué)士 學(xué)位論文 10 目 錄 摘 要 ...........................