【文章內(nèi)容簡介】 n brief introduction of verilog HDL is given,mainly about the characteristics and advantages. The third chapter, the article makes an introduction of the software and hardware development platform involved in the design. In the fourth chapter, detailed description of how to use ISE tools to plete the integration of an FPGAbased OFDM system is given together with the related data. Finally in chapter five,we have the conclusions and outlooks for the design. Key Words： OFDM,FPGA,verilog HDL,FFT/IFFT,ISE 武漢理工大學(xué)學(xué)士 學(xué)位論文 1 1 緒論 研究背景及意義 進(jìn)入新的世紀(jì)，通信技術(shù)有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，伴隨著人們對寬帶和多媒體務(wù)需求的增加，第三代移動(dòng)通信成為了當(dāng)今研究的重點(diǎn)。雖然第三代移動(dòng)通信比現(xiàn)有的傳輸速率快上千倍，但其數(shù)據(jù)傳輸速率也僅有 2Mbit/s，第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)計(jì)劃已經(jīng)開始研究。第四代移動(dòng)通信以正交頻分復(fù)用 (Orthogonal Frequeney Division Mutiplexing， OFDM)為核心技術(shù)。較之第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)，采用多種新技術(shù)的 ODFM 具有更高的頻譜利用率和良好的抗多徑干擾能力，它不僅僅可以增加系統(tǒng)容量，更重要的是它能更好地滿足多媒體通信要求，將包括語音、數(shù)據(jù)、影像等大量信息的多媒體業(yè)務(wù)通過寬頻信道高品質(zhì)地傳送出去。對于 OFDM 技術(shù)的研究可以使我們能夠更好的掌控未來通信技術(shù)的發(fā)展方向，為通信提供更有效的解決方案。 隨著中國聯(lián)通正式宣布 WCDMA 試商用，中國移動(dòng)的 TDSCDMA 標(biāo)準(zhǔn)則在去年 4 月份開始試商用，目前在全國 36個(gè)城市已可以用上 TD 服務(wù)，而電信本月也開通 了在全國 120個(gè)城市的 CDMA2022的商用，我國電信業(yè)正式進(jìn)入了 3G時(shí)代。目前用戶對移動(dòng)通信系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾屎唾|(zhì)量要求越來越高，同時(shí)隨著 DSP 技術(shù)，自適應(yīng)技術(shù)，均衡技術(shù) ,軟件無線電技術(shù)， FFT技術(shù)，軟判決技術(shù)的不斷完善發(fā)展， OFDM作為一種有效對抗多徑傳輸和載波間干擾的技術(shù)，得到了越來越廣泛的應(yīng)用。 近幾年來，在新一代寬帶無線通信系統(tǒng)中， OFDM（正交頻分復(fù)用）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 無線接入系統(tǒng) IEEE 、 、 （標(biāo)準(zhǔn)正在制定當(dāng)中）也以 OFDM/OFDMA 技術(shù)為基礎(chǔ)。另外，目前正在標(biāo)準(zhǔn)化的 3GPP LTE（長期演進(jìn)）和 3GPP2 AIE（空中接口演進(jìn)）技術(shù)也很可能選用 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。 OFDM 應(yīng)用于 B3G 技術(shù)中，并被預(yù)計(jì)為 4G 的核心技術(shù)。總之，目前無線通信領(lǐng)域所有的新興技術(shù)幾乎都以 OFDM為核心。 FPGA是 20世紀(jì) 90 年代發(fā)展起來的大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷?，隨著 EDA 技術(shù)和微電子技術(shù)的進(jìn)步， FPGA 的時(shí)鐘延遲可達(dá)到 ns 級，結(jié)合其并行工作方式，在超高速、實(shí)時(shí)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(gè)設(shè)計(jì)系統(tǒng)下載于同一芯片中，實(shí)現(xiàn)所謂片上系統(tǒng)，從而大大縮小其體積，因此以 FPGA 為代表的可編程邏輯器件受到了世界范圍內(nèi)廣大電子設(shè)計(jì)工程師的普遍歡迎，應(yīng)用日益廣泛 [5]。 本文的研究課題，是使用 FPGA將實(shí)現(xiàn) OFDM 調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)基本模塊，搭建系統(tǒng)模型，以實(shí)現(xiàn)片上系統(tǒng)（ SOC）設(shè)計(jì)，從而 大大簡化系統(tǒng)的復(fù)雜度，提高系統(tǒng)的性能，方便系統(tǒng)的升級，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。同時(shí)有助于驗(yàn)證使用現(xiàn)有可編程實(shí)現(xiàn)軟件無線電思想的可行性。 武漢理工大學(xué)學(xué)士 學(xué)位論文 2 OFDM 技術(shù) MCM 概述 多徑衰落是影響移動(dòng)通信系統(tǒng)的主要問題。由于多徑傳播，會造成信道的時(shí)間彌散性效應(yīng)。在無線電波傳輸過程中，由于時(shí)延擴(kuò)展，接收信號中的某些符號的波形會擴(kuò)展到其它符號中，造成了符號間干擾 (Inter Symbol Interference,ISI)。在單載波系統(tǒng)中，如果數(shù)據(jù)傳輸速率較低，多徑效應(yīng)造成的 符號間干擾 (ISI)不是特別嚴(yán)重，可以利用合理的均衡技術(shù)使系統(tǒng)正常工作。但對高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)而言，時(shí)延擴(kuò)展造成的 ISI 很大，這樣就會對均衡器提出非常高的要求，特別是均衡器實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜性及收斂速度，導(dǎo)致均衡器難以實(shí)現(xiàn)或?qū)崿F(xiàn)的成本過高。 OFDM，即正交頻分復(fù)用，是多載波調(diào)制 (MCM)技術(shù)的一種 [6]。 MCM的基本思想是把一路高速串行數(shù)據(jù)流經(jīng)串并轉(zhuǎn)換為 N路低速并行的子數(shù)據(jù)流，用它們分別去調(diào)制 N路子載波后進(jìn)行并行傳輸。由于子數(shù)據(jù)流的速率是原來的 1/N，即符號周期擴(kuò)大為原來的 N 倍，遠(yuǎn)大于信道的最大延遲擴(kuò)展，這樣 MCM就把 一個(gè)寬帶頻率選擇性信道劃分成了 N個(gè)窄帶平坦衰落信道 (均衡簡單 )，從而先天具有很強(qiáng)的抗無線信道多徑衰落和抗脈沖干擾的能力，特別適合于高速無線數(shù)據(jù)傳輸。 OFDM是一種子載波頻譜相互混疊的 MCM，因此它除了具有上述 MCM 的優(yōu)勢外，還具有更高的頻譜利用率。 OFDM 選擇時(shí)域相互正交的子載波集，它們雖然在頻域相互混疊，卻仍能夠在接收端被分離出來。 OFDM 的優(yōu)缺點(diǎn) OFDM具有頻譜利用率高，抗多徑衰落能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，是一項(xiàng)非常有潛力的高速數(shù)據(jù)通信技術(shù)。 OFDM技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)主要?dú)w結(jié)為以下幾個(gè)方面 : ①頻譜利用率 高。 在 OFDM 系統(tǒng)中，各個(gè)子載波之間相互正交，頻譜互相重疊，提高了系統(tǒng)的頻譜利用率。當(dāng)子載波個(gè)數(shù)很大時(shí)，頻譜利用率趨于 2Baud/Hz。這一優(yōu)點(diǎn)在頻譜資源日益緊張的無線通信應(yīng)用中尤為重要。 ②有效克服符號間干擾。 OFDM 系統(tǒng)中，把高速串行的數(shù)據(jù)流通過串 /并轉(zhuǎn)換器變?yōu)椴⑿械退俚淖訑?shù)據(jù)流，使得每個(gè)子載波上數(shù)據(jù)符號的持續(xù)周期相對增加，從而有效地減小無線信道時(shí)間彌散所帶來的ISI。同時(shí)，在數(shù)據(jù)間插入的循環(huán)前綴也有效地減低了 ICI。 ③使用 IFFT用 FFT 方法來實(shí)現(xiàn) OFDM調(diào)制和解調(diào)。 大規(guī)模集成電路技術(shù)和數(shù)字信 號處理技術(shù)的飛速發(fā)展，使 IFFT/FFT 的實(shí)現(xiàn)變得極為容易，也為 OFDM技術(shù)實(shí)用化掃除了障礙。 ④對抗頻率選擇性衰落或窄帶干擾。 在單載波系統(tǒng)中，單個(gè)衰落或干擾能夠?qū)е抡麄€(gè)通信鏈路失敗，但是在多載波系統(tǒng)中，武漢理工大學(xué)學(xué)士 學(xué)位論文 3 窄帶干擾只會影響到一個(gè)或有限的幾個(gè)子信道。對于這些子信道，可以通過降低受干擾子載波的數(shù)據(jù)率或放棄受千擾的子載波，來降低窄帶干擾對整個(gè) OFDM系統(tǒng)性能的影響。 ⑤具有頻率分集能力。 由于 OFDM 系統(tǒng)的頻帶內(nèi)存在零點(diǎn)，所以，數(shù)據(jù)被并行分配在互不相關(guān)的子頻帶上發(fā)送時(shí)，可將時(shí)間分集與頻率分集結(jié)合起來，提高系統(tǒng)傳輸 的可靠性。 任何一種技術(shù)都不可能是十全十美的， OFDM 技術(shù)也不例外。 OFDM 信號是由多個(gè)子信道信號疊加而成的，因此與單載波系統(tǒng)相比，存在以下兩大缺點(diǎn) : ①高峰均功率比 (PeakToAveragePowerRatio， PAPR)。 高峰均功率比對發(fā)射機(jī)內(nèi)功率放大器的線性范圍提出了很高的要求，且會引起信號頻譜的變化，破壞子載波間的正交性。因此，如何降低 PAPR就成為有效應(yīng)用 OFDM 技術(shù)中的一個(gè)難點(diǎn)。 ②對頻偏和相位噪聲比較敏感。 OFDM系統(tǒng)中，各個(gè)子載波必須嚴(yán)格滿足頻率正交性。無線信號的頻率偏移，或者發(fā)射機(jī)載波頻率與接收機(jī)本地振蕩器之間的頻率偏移，都會破壞子載波間的正交性，產(chǎn)生子載波間串?dāng)_，導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)性能嚴(yán)重下降。 OFDM 的應(yīng)用與發(fā)展 OFDM在蜂窩移動(dòng)通信中的應(yīng)用始于 20世紀(jì) 80年代中期，從 1993年開始興起了 OFDM與 CDMA 相結(jié)合的研究 :歐洲已把 OFDM 作為發(fā)展地面數(shù)字電視的基礎(chǔ)舊本也將它用于發(fā)展便攜式電視和安裝在旅游車、出租車上的車載電視 。OFDM 也應(yīng)用于有線環(huán)境的各種高速PSTN接入以抗脈沖干擾、防止串話，如 ADSL， RDSL， VDSL等，當(dāng) OFDM 應(yīng)用于有線時(shí)，通常被稱為 DMT， 即離散多音頻 。OFDM技術(shù)還應(yīng)用于 HFC及 HDTV傳輸系統(tǒng)。 目前， OFDM己被多種數(shù)字無線通信標(biāo)準(zhǔn)所采納，如歐洲的數(shù)字音頻廣播 DAB、數(shù)字視頻廣播 DVBT，以及無線局域網(wǎng) HIPERLANZ。最快的 WiFi 標(biāo)準(zhǔn)使用的都是 OFDM 技術(shù)。寬帶無線標(biāo)準(zhǔn) WiMAX()也采用了 OFDM 技術(shù)。 3GPP 未來的 LTE 4G 移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)也是基于 OFDM 技術(shù)的。最普通的短距離超寬帶 (UWB)聯(lián)網(wǎng)技術(shù) WiMedia也是基于 OFDM 的。廣播 HDRadio使用的是 OFDM。所有用于手機(jī)的移動(dòng)電視技術(shù) (MediaFLO、 DVBH 等 )都是基于編碼 OFDM 技術(shù)的。可見， OFDM技術(shù)在無線領(lǐng)域獲得了極為廣泛的應(yīng)用。 OFDM技術(shù)有非常廣闊的發(fā)展前景，已成為第四代移動(dòng)通信的核心技術(shù)。 IEEE 標(biāo)準(zhǔn)為了支持高速數(shù)據(jù)傳輸都采用了 OFDM 調(diào)制技術(shù)。目前， OFDM 結(jié)合時(shí)空編碼、分集、干擾 (包括符號間干擾 ISI 和鄰道干擾 ICI)抑制以及智能天線技術(shù)，最大程度的提高物理層的可靠性。如再結(jié)合自適應(yīng)調(diào)制、自適應(yīng)編碼以及動(dòng)態(tài)子載波分配、動(dòng)態(tài)比特分配算法等技術(shù)， 可以使其性能進(jìn)一步優(yōu)化。 其中值得注意的是 OFDM技術(shù)和 MIMO技術(shù)相結(jié)合。 MIMO技術(shù)是具有極高頻譜利用率的技術(shù)，在 VBLAST 算法下，理想情況下可以達(dá)到 20~40bit/s/Hz，這是目前任何一種技術(shù)武漢理工大學(xué)學(xué)士 學(xué)位論文 4 所達(dá)不到的。另外在各類無線通信系統(tǒng)中， ISI(符號間干擾 )一直是影響通信質(zhì)量的重要因素。 OFDM技術(shù)能夠有效對抗 ISI，同時(shí)具有頻譜利用率高，抗多徑衰落性能好，成本偏低等優(yōu)點(diǎn)，因此這二者的結(jié)合是一種必然的趨勢 ,也必將成為下一代移動(dòng)通信系統(tǒng)的核心技術(shù)之一。 論文的研究內(nèi)容與結(jié)構(gòu)安排 正交頻分復(fù)用擁有 諸多優(yōu)點(diǎn)，這也正是其成為未來寬帶無線通信關(guān)鍵技術(shù)的原因，本論文是旨在借助 FPGA 軟件開發(fā)平臺，研究 OFDM 系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并對其關(guān)鍵模塊 FFT/IFFT 進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，并驗(yàn)證系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。論文主要結(jié)構(gòu)安排如下： ①從 EDA技術(shù)出發(fā)，介紹了電子技術(shù)發(fā)展與 FPGA的概述，并對硬件描述語言（ Verilog HDL）進(jìn)行簡要介紹； ② FPGA軟硬件開發(fā)平臺介紹； ③ OFDM系統(tǒng)描述及仿真設(shè)計(jì)，論述從 FPGA 實(shí)現(xiàn) OFDM的可行性及方法； ④本次設(shè)計(jì)的結(jié)論和展望。 武漢理工大學(xué)學(xué)士 學(xué)位論文 5 2 FPGA 描述與 HDL 語言 引言 在近年來，隨著微電 子學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)的迅速發(fā)展，給 EDA（從電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化 )行業(yè)帶來了巨大的變化。特別是進(jìn)入 20世紀(jì) 90年代后，電子系統(tǒng)己經(jīng)從電路板級系統(tǒng)集成發(fā)展成為包括 ASIC、 FPGA 和嵌入系統(tǒng)的多種模式?？梢哉f EDA 產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成為電子信息類產(chǎn)品的支柱產(chǎn)業(yè)。 EDA能蓬勃發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一就是采用了硬件描述語言 (HDL)描述電路系統(tǒng)，這也是計(jì)算機(jī)應(yīng)用的一次重大突破，硬件描述語言的出現(xiàn)使電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可以象編C程序一樣簡單易學(xué)，從而讓軟件工程人員很容易了解硬件的設(shè)計(jì)。 對于 FPGA 開發(fā)而言，比較流行的 HDL 主要有 Verilog HDL、 VHDL、 ABEL— HDL 和 AHDL等，其中 VHDL和 Verilog HDL 因適合標(biāo)準(zhǔn)化的發(fā)展方向而最終成為 IEEE 標(biāo)準(zhǔn)。但與 VHDL相比 Verliog HDL 有個(gè)最大的優(yōu)點(diǎn)是 :它是一種非常容易掌握的硬件描述語言，只要有 C語言的編程基礎(chǔ)，一般經(jīng)過 2到 3個(gè)月的認(rèn)真學(xué)習(xí)和實(shí)際操作就能掌握這種設(shè)計(jì)技術(shù)。并且完成同一功能它的程序條數(shù)一般僅為 VHDL的 1/3。 當(dāng)今社會是數(shù)字化的社會，是數(shù)字集成電路廣泛應(yīng)用的社會。數(shù)字集成電路本身在不斷地進(jìn)行更新?lián)Q代。它由早期的電子管、晶體管、小中規(guī)模集成電路、發(fā)展到超大規(guī)模 集成電路 (VLSIC，幾萬門以上 )以及許多具有特定功能的專用集成電路。但是，隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，設(shè)計(jì)與制造集成電路的任務(wù)已不完全由半導(dǎo)體廠商來獨(dú)立承擔(dān)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)師們更愿意自己設(shè)計(jì)專用集成電路 (ASIC)芯片，而且希望 ASIC 的設(shè)計(jì)周期盡可能短，最好是在實(shí)驗(yàn)室里就能設(shè)計(jì)出合適的 ASIC 芯片，并且立即投入實(shí)際應(yīng)用之中，因而出現(xiàn)了現(xiàn)場可編程邏輯器件 (FPLD)，其中應(yīng)用最廣泛的當(dāng)屬現(xiàn)場可編程門陣列 (FPGA)和復(fù)雜可編程邏輯器件 (CPLD)。 自 1985 年 Xilinx 公司推出第一片現(xiàn)場可編程邏輯器件 (FPGA)至今， FPGA 已經(jīng)歷了十幾年的發(fā)展歷史。在這十幾年的發(fā)展過程中，以 FPGA 為代表的數(shù)字系統(tǒng)現(xiàn)