OFDM基带数据传输系统及其FPGA设计与实现研究

论文摘要

正交频分复用(OFDM)技术作为一种多载波调制技术,具有较高的频带利用率和良好的抗多径干扰能力的特点,适用于在无线信道中传输高速数据业务,因而具有广泛的应用前景。当前,OFDM技术已经被采纳为多种通信标准的物理层技术,被普遍认为是下一代移动通信系统中的关键技术。目前,对于OFDM系统关键技术的理论研究及仿真性能已日趋成熟,而基于硬件的实现则是其获得实际应用的关键,本设计在分析了相关理论技术之后,侧重点在于设计并实现了一个基于现场可编程门阵列(FPGA)的OFDM基带数据信号处理硬件平台,可供OFDM技术理论研究和性能分析的使用。本文在介绍了移动通信技术的发展和实际应用的基础上,比较了多种硬件的实现方案的优缺点,详细讨论了OFDM系统的基本原理及性能,并对其中的关键技术之一,OFDM系统自适应调制技术加以研究,讨论了几种传统的自适应传输算法之后,着重研究一种最优的离散分配算法,并对该算法用Matlab工具进行仿真。通过对相关软件开发平台及802.11a协议深入了解,本设计将重点放在OFDM系统的数字基带部分的FPGA实现上,提出了一个基于FPGA的OFDM基带数据传输系统方案。设计并实现了OFDM系统发射端的核心模块,如信道编码、交织、星座映射、数据插入、IFFT/FFT变换、循环前缀、指数调整等模块及接收端的逆处理模块。并对算法原理、代码设计思路和FPGA实现进行了详细的阐述,同时提出一种基于IP核的Atlantic接口的简化接口模型用于独自设计的模块中,结合部分IP核的使用以提高系统的兼容性和稳定性,最终完成系统的软件仿真和硬件调试,证明了设计的可实现性。整个系统由超高速集成电路硬件描述语言(VHDL)进行代码设计,利用Altera公司的QuartusⅡ7.2软件开发环境,在以Cyclone系列EP1C12Q240C8型号FPGA芯片作为核心芯片的硬件平台上完成了一个OFDM基带数据信号处理系统的设计与实现。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 移动通信的发展
• 1.1.1 第一代模拟蜂窝通信系统（1G）
• 1.1.2 第二代数字蜂窝移动通信系统（2G）
• 1.1.3 第三代蜂窝移动通信系统（3G）
• 1.1.4 第四代移动通信（4G）
• 1.2 OFDM技术的发展及硬件实现
• 1.2.1 FPGA相比于DSP芯片的优势
• 1.2.2 FPGA相对于ASIC技术的优势
• 1.3 本文的研究的重点和主要工作
• 第2章 OFDM基本原理
• 2.1 OFDM基本原理
• 2.2 DFT实现OFDM
• 2.3 OFDM信号的频谱特性
• 2.4 系统结构
• 2.4.1 星座影射
• 2.4.2 FFT变换
• 2.4.3 循环前缀
• 2.5 无线信道特性
• 2.5.1 衰落
• 2.5.2 多径效应
• 2.5.3 多普勒频移
• 2.6 OFDM系统的优缺点
• 第3章 OFDM系统自适应调制技术
• 3.1 自适应技术的理论基础
• 3.2 采用自适应调制的OFDM系统数学模型
• 3.3 典型算法
• 3.3.1 Chow算法
• 3.3.2 最优离散分配算法
• 第4章 802.11a标准及Altera公司FPGA简介
• 4.1 802.11a标准介绍
• 4.1.1 WLAN和802.11
• 4.1.2 802.11a部分内容介绍
• 4.2 Altera和FPGA
• 4.2.1 可编程技术
• 4.2.2 FPGA的技术特点
• 4.2.3 Altera的软件开发环境
• 4.2.4 OpenCore Plus技术
• 第5章 VHDL硬件描述语言及FPGA开发环境
• 5.1 VHDL语言简介
• 5.2 VHDL的特点
• 5.3 VHDL程序基本结构
• 5.4 VHDL的设计流程
• 5.5 FPGA开发平台Altera QuartusⅡ
• 第6章 OFDM系统的FPGA实现
• 6.1 Atlantic接口
• 6.2 连续数据流系统的设计
• 6.3 各模块功能介绍
• 6.3.1 星座映射及解映射
• 6.3.2 交织器及解交织器
• 6.3.3 数据插入模块
• 6.3.4 IP核的使用
• 6.3.5 CP循环前缀
• 6.3.6 循环前缀删除模块
• 6.3.7 删除插入数据模块
• 6.3.8 指数调整模块
• 6.3.9 R-S编解码输出缓冲器及系统输出缓冲器
• 6.3.10 系统原理图顶层文件
• 6.4 系统仿真验证
• 6.4.1 系统编译
• 6.4.2 波形功能仿真
• 6.4.3 经典时序分析
• 第7章 FPGA硬件验证
• 7.1 芯片资源
• 7.2 硬件调试平台的设计
• 7.2.1 计数器激励源
• 7.2.2 数据输入
• 7.2.3 输出显示
• 7.2.4 硬件调试平台系统的顶层文件
• 7.3 引脚配置
• 7.4 芯片程序加载
• 7.5 硬件调试结果
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间公开发表论文
• 致谢
• 研究生履历