【正文】 本科畢業(yè)設計 題目 ： 基于 LTE 接收機無線通信基帶的 FPGA 實現(xiàn) 學 院： 物理與光電信息科技學院 專 業(yè)： 電子信息工程 年 級： 2021 級 學 號： 106032021113 姓 名： 張藝祥 指導教師： 吳進營 2021 年 3 月 20 號 基于 LTE 接收機無線通信基帶的 FPGA 實現(xiàn) 物理與光電信息科技學院 電子信息工程專業(yè) 106032021113 黃波 指導教師 吳進營 【摘要】 隨 著移 動 通 信在全 球范 圍 的迅 速 發(fā) 展， 從第 二代 GSM到 第三代 3G技 術 的 不斷推 進 ，在 滿 足了 語 音， 電 子 郵 件， 圖 片， 音 樂 的移 動 通信服 務 的同 時 ， 對 于 大量數(shù) 據(jù)信息 的 傳輸 接收 ， 例 如 視頻 的無 線 移 動傳 輸 等多 媒體 技 術 ，成 為 了 未來 用 戶 所 希望 通 過 移 動終 端隨 時 隨地進 行通 信的 選擇 。 LTE 作 為 3G 技 術 的演 進 ，改 進 和增 強 了 3G 的空 中接口 技 術 ，采 用正交 頻 分復 用 (O FDM， O rt hogonal Fre que nc y D iv is ion M ult iple xing)和多 輸 入多 輸 出( M I M O,Mult i I nput M ulti Out put)作 為 無 線 網(wǎng) 絡 演 進 的 唯一 標 準，提 高數(shù) 據(jù) 傳 送 速率 ，改善小區(qū) 邊緣 用 戶 性 能和提 高小 區(qū)容量 ，降 低系 統(tǒng) 延 遲 等 ；本 設計 介 紹 了 LTE 的 物理 層幀結(jié) 構 及核 心 技 術 OFDM，使 用 FPGA 平臺 實現(xiàn) LTE 接收機 通信 基 帶 的 仿真 驗 證實 現(xiàn) 的工 作情 況 。 【關鍵詞】 LTE 長期演進 ； FPGA； OFDM 正交頻分復用 目錄 1 引言 ............................................................................. 1 2 LTE技術 ......................................................................... 1 LTE關鍵技術 ................................................................. 1 LTE實現(xiàn)方式 ................................................................. 6 LTE物理層主要性能指標 ........................................................ 6 3 系統(tǒng)概述 ......................................................................... 8 系統(tǒng)框圖 ..................................................................... 9 模塊解析 ..................................................................... 9 開發(fā)、測試與硬件環(huán)境 ........................................................ 18 4 軟件設計 ........................................................................ 19 .................................................................... 19 .................................................................... 20 5 系統(tǒng)調(diào)試 ........................................................................ 26 Matlab仿真 ................................................................. 26 硬件測試 (Chipsope抓包數(shù)據(jù)處理 ) .............................................. 29 6 結(jié)束語 ...................................................................................................................................... 35 7 致謝 ......................................................................................................................................... 35 8 參考文獻 .................................................................................................................................. 35 1 1 引言 從 20 世紀 80年代中期開始，數(shù)字移動通信系統(tǒng)進入發(fā)展和成熟時期。模擬蜂窩網(wǎng)的容量已不能滿足日益增長的移動用戶的需求。 20 世紀 80 年代中期，歐洲首先推出了全球移動通信系統(tǒng) (GSM， Global System for Mobile).隨后美國和日本也相繼制定了各自的數(shù)字移動通信體制。 20 年代 80 年初， 美國Qualm 公司 推出 了窄帶碼分多址 (CDMA,CodeDivision Multiple Access)蜂窩移動通信系統(tǒng)，這是移動通信系統(tǒng)發(fā)展中的里程碑。從此碼分多址這種新的無線接入技術在移動通信領域占據(jù)了越來越重要的地位 。第二代移動通信系統(tǒng)主要是為了支持話音和低速率的數(shù)據(jù)業(yè)務而設計。但隨著人們對通信業(yè)務范圍和業(yè)務速率要求的不待提高，第三代 (3G)移動通信系統(tǒng)應運而生。但是由于 3G系統(tǒng)的核心網(wǎng)還沒有完全脫離第二代移動通信系統(tǒng)的核心 網(wǎng)結(jié)構，普遍認為 3G系統(tǒng)僅僅是一個向未來移動通信系統(tǒng)過渡的階段。 目前，已經(jīng)把更多的方向投向超 3G(Beyond 3G)的移動通信系統(tǒng)。 長期演進 (Long Tern Evolution,LTE)是第一個從一開始就強調(diào)支持分組交換數(shù)據(jù)業(yè)務的蜂窩移動通信系統(tǒng)，分組通信只是其中的一部分。而 該系統(tǒng)可以容納龐大的 用戶數(shù)量 ，改善現(xiàn)有的通信質(zhì)量，達到高速數(shù)據(jù)從傳輸?shù)囊?。LTE 作為未來的通信標準，能夠更好地利用頻譜，以更低的成本提供更好的覆蓋和信道容量 。 2 LTE技術 LTE(Long Term Evolution)作為未來移動通信的標準，采用 OFDMMIMO 技術，速率可以達到50100Mbit/s,上行速率也可以達到 3050Mbit/s。 LTE 關鍵技術 OFDM(正交頻分復用 ) OFDM, (Orthogonal Frequency Division Multiplexing， 正交頻分復用 )，與已經(jīng)普遍應用的頻分復用(FDM， Frequency Division Multiplexing)技術 類似 。 OFDM將 高速的數(shù)據(jù)流通過串并變換分配到 低 速率 的若干 頻率子信道中傳輸，不同的是 OFDM技術更好地提高了 頻譜利用率。 圖 21 OFDM系統(tǒng)與傳統(tǒng)多載波調(diào)制的頻譜效率比較 [1] 如圖 21 所示， FDM 中， 各個用戶所占的頻帶之間一般要求有保護帶寬，以免相互干擾。 相比 OFDM， 各個用戶所占的頻帶之間不但沒有保護帶寬，還有重疊，所以所占的帶寬比 FDM要窄。 OFDM作為 一種多載波傳輸方案，可以看做是一種調(diào)制技術，或者復用技術。多載波傳輸把數(shù)據(jù)流分解成若干子比特流， 將這些低比特速率的數(shù)據(jù)流 調(diào)制相應的子載波，就構成了 多個低速率符號并行發(fā)送的傳輸系統(tǒng)。正交頻分復用是多載波調(diào)制 (MCM， Multicarrier Modulation)的一種改進。特點是各子載波相互正交，所以擴頻調(diào)制后的頻譜相互重疊， 不進 減小了子載波間的相互干擾，還大大提高了頻譜利用率 。 OFDM 系統(tǒng)的數(shù)學模型 OFDM[2]中 ，一個 OFDM 符號包括多個經(jīng)過調(diào)制的子載波。假設 N 表示子載波 的 個數(shù)， T 表示 OFDM符號的 周期 ， ????(i=0、 … 、 N1)為 分配給每個子載波的數(shù)據(jù)符號， ????為第 0 號子載波的載波頻率，矩形函數(shù) rect(t)=1,|??| ≤ T/2,則從 t=????開始的一個 OFDM符號表示 如 (21)： s(t)={????2∑ ????????????.?? ????? ???2/??????0??2??.???? +????/(?? ?????)1???1??=0 3 ???? ≤ t ≤ ????+ ??0 其他 (21) 通常采用復等效基帶信號來描述 OFDM的輸出信號， 如 (22) 2 s(t)={∑ ????????????.?? ????? ???2/??????0??2?????? (???????)1 ???? ≤ t ≤ ???? +?????1??=00 其他 (22) 其中實部和虛部分別對應 OFDM 符號的同相分量 (Inphase,I)和正交分量 (Quadraturephase,Q),在實際系統(tǒng)中 把 它們分別與子載波 cos 和 sin 分量相乘，構成最終的子載波信號合成的 OFDM信號 ,如 圖 22 所示 。 串 并 變 換XX+信 道+并 串 變 換XX 圖 22 OFDM系統(tǒng)數(shù)學模型框圖 圖 23 包含 4 個子載波的 OFDM符號 如圖 23，該 OFDM 符號 包含 4 個子載波，假定子載波 都 具有相同的幅值和相位，實際應用中隨著數(shù)據(jù)符號的調(diào)制方式不同，每個子載波的幅值和相位也不全相同，每個子載波在一個 OFDM 符號周期內(nèi)都包含整數(shù)個周期 ，而且各個相鄰子載波之間都相差一個周期 ，如 (23) 1??∫ ??????(??2????????)????????0 (???2????????)????=21 ?? = ??0 ?? ≠ ?? (23) 對第 j個子載波進行相關解調(diào)， 在時間長度 T內(nèi)進行積分 ，如 (24)， 可得 ?????=1??∫ ??????(???2?? ????(?? ?????))∑ ?????????????1??=0????+??????(??2?? ???? (??? ????))????=∑ ????∫ ??????(??2????????? (?? ?????))????+?????????1??=0 ????=???? (24) 即對第 j個子載波進行相關解調(diào)可 恢復出期望符號 ????。對于其他子載波，由于積分間隔內(nèi)頻率差 ??????? 產(chǎn)生整數(shù)倍個周期，故積分為 0； 以上討論的是時域上 OFDM系統(tǒng)子載波的正交性， 對于 頻域上理解 OFDM 系統(tǒng)子載波的正交性 如下： 3 圖 24 OFDM系統(tǒng)子載波的頻譜特性 [3] 由于每個 OFDM符號在周期 T內(nèi)都包含多個非零的子載波，故其頻譜可以看做是周期為 T的矩形脈沖的頻譜與一組位于各個子載波頻譜上的 δ函數(shù)的卷積。矩形脈沖的 頻譜幅值為 sinc(fT)函數(shù)，該函數(shù)在頻譜為1/T的整數(shù)倍處均為零點。 如圖 24 所示為相互覆蓋的各個子信道內(nèi)經(jīng)過矩形波形成型得到的符號 的 sinc 函數(shù)頻譜。在每一個 子載波 頻譜 的 最大值處 ，所有其他子載波的頻