基于FPGA的OFDM同步系统实现

论文摘要

现场可编程门阵列（Field Programmable Gate Array, FPGA）由于其自身体系结构完善，集成度高、逻辑单元丰富以及可根据不同应用的需求进行配置等诸多优点，被广泛应用于算法实现以及产品原型验证之中。而正交频分复用（OrthogonalFrequency Division Multiplexing, OFDM）技术已经发展了很多年，成为了移动通信中最为关键的技术之一。它能够有效地抑制无线信道中的符号间干扰（Inter-SymbolInterference, ISI）和频率选择性多径干扰，所以其将成为未来的主要通信标准。由于同步技术会直接影响到通信质量的好坏，因此它是通信领域的核心技术之一，也是通信中必须攻克的难关之一。与传统的单载波通信相比，OFDM多载波通信对于同步有着更高的精度要求，同步的实现方式也有所不同。所以，研究基于FPGA的OFDM同步系统具有重要现实意义。本文主要内容分为如下几部分：1)概括介绍了无线移动信道的基本特性，并对无线信道中的各种衰落进行了分类讲解。2)概述了OFDM技术的基本概念并给出了全数字OFDM中频通信系统的模型。3)针对全数字OFDM中频通信系统中主要存在的符号定时同步偏差与载波偏差进行了详细的介绍，并分析了各种情况下的同步偏差对全数字OFDM中频通信系统的影响。4)介绍了OFDM系统中的经典同步算法：基于训练符号的符号定时同步算法、时域小数倍数载波频偏同步算法以及符号定时偏差及载波初始相位偏差的联合同步算法。这些同步算法同样也是后面硬件设计中所使用的算法。5)在OFDM技术理论研究的基础上给出了全数字OFDM中频通信系统中QPSK调制/解调模块、IFFT/FFT模块、插入循环前缀模块、数字上下变频模块、符号定时同步与小数倍数载波频偏同步模块、符号定时偏差与载波初始相位偏差联合同步模块等电路模块的FPGA硬件实现方案。整个硬件实现方案是采用Quartus II9.0软件进行VHDL编程以及调用Altera公司提供的IP Core实现的。6)对各个FPGA硬件电路模块以及整个全数字OFDM中频通信系统分别进行了基于Quartus II9.0时序分析工具的后仿真，分析仿真结果，验证传输和同步功能的有效性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 研究背景与意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 本文内容安排
• 2 无线通信信道
• 2.1 无线通信信道的传播特性
• 2.2 无线通信信道的衰落类型
• 2.2.1 大尺度衰落特性
• 2.2.2 阴影衰落
• 2.2.3 小尺度衰落特性
• 2.3 本章小结
• 3 OFDM 系统的基本原理
• 3.1 OFDM 基本原理
• 3.1.1 OFDM 信号的产生
• 3.1.2 用 IFFT/FFT 实现 OFDM
• 3.1.3 保护间隔与循环前缀
• 3.2 全数字 OFDM 中频通信系统
• 3.3 本章小结
• 4 OFDM 系统中的同步原理与经典算法
• 4.1 OFDM 同步技术
• 4.1.1 定时同步对 OFDM 系统的影响
• 4.1.2 载波同步对 OFDM 系统的影响
• 4.2 OFDM 系统中的同步算法
• 4.2.1 基于循环前缀的同步算法
• 4.2.2 基于训练符号的同步算法
• 4.3 本章总结
• 5 全数字 OFDM 中频通信系统的 FPGA 实现
• 5.1 OFDM 发射机设计
• 5.1.1 QPSK 调制
• 5.1.2 插入训练符号
• 5.1.3 IFFT 模块
• 5.1.4 插入循环前缀
• 5.1.5 数字上变频模块
• 5.2 OFDM 接收机设计
• 5.2.1 数字下变频模块
• 5.2.2 符号定时同步与小数倍数载波频偏同步模块
• 5.2.3 FFT 模块
• 5.2.4 符号定时偏差与载波初始相位偏差联合同步模块
• 5.2.5 QPSK 解调
• 5.3 本章总结
• 6 总结与展望
• 致谢
• 参考文献