OFDM基带系统关键技术及其FPGA设计与实现

论文摘要

正交频分复用（OFDM）技术是一种多载波调制技术,它具有频谱利用率高、抗多径干扰能力强等优点,已经被数字音频广播系统（DAB）、地面数字视频广播系统（DVB-T）、无线局域网（IEEE802.11）、无线城域网（IEEE802.16）、3GPP LTE等国际标准采用。OFDM技术容易与分集技术、智能天线技术以及空时编码技术等相结合,以进一步提高信息传输的可靠性,OFDM技术已被公认为下一代无线移动通信系统的关键技术之一OFDM系统优势明显,但面临的问题也很突出,同步、高峰均功率比和信道估计是严重限制OFDM系统应用的关键问题,高峰均功率比抑制一般在数字中频部分实现,而同步和信道估计等关键技术都在数字基带部分实现。本文主要研究OFDM基带系统关键技术及其基于System Generator的FPGA设计与实现。论文的主要工作包括以下几个方面：首先,建立了适合于高层综合的OFDM系统框架模型,用于关键技术的理论仿真研究和FPGA的设计与实现研究。其次,对基于循环前缀的最大似然时频联合估计算法、基于训练序列的时频同步算法进行了同步性能分析和仿真研究,结果表明基于训练序列的时频同步算法更适合于突发OFDM系统；对最小平方（LS）和最小均方误差（MMSE）信道估计算法性能进行了比较分析和仿真研究,实验结果表明MMSE算法较LS算法性能更好,但算法实现复杂度较高。然后,建立了基于System Generator的OFDM基带发射机高层综合模型,该模型采用支持BPSK、QPSK、16QAM和64QAM等多种映射模式的数字调制方案,并提供外部配置接口以满足下一代无线移动通信系统对多工作模式的需求。建立了基于System Generator的OFDM基带接收机高层综合模型,采用了改进的基于训练序列定时同步算法设计方案,在不影响定时同步精度的情况下能较大程度地减小硬件实现的复杂度。最后,基于OFDM基带系统的高层综合模型,对OFDM基带发射机和接收机的整体性能进行了仿真分析,并针对Xilinx公司的Virtex2pro系列FPGA进行了系统级的设计与实现研究,给出了相应的FPGA布局布线结果和硬件资源占用情况等数据。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 插图索引
• 附表索引
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的研究背景
• 1.1.1 OFDM的发展历史
• 1.1.2 OFDM技术的应用
• 1.1.3 OFDM技术的优缺点
• 1.2 课题研究的现状与意义
• 1.3 论文的主要研究内容
• 1.4 论文的组织结构
• 第2章 OFDM基带系统高层综合框架模型
• 2.1 引言
• 2.2 OFDM系统的基本原理
• 2.2.1 OFDM系统的数学模型
• 2.2.2 FFT在OFDM系统中的应用
• 2.2.3 保护间隔与循环前缀
• 2.3 OFDM基带系统高层综合框架模型
• 2.3.1 基于System Generator的数字信号处理系统建模
• 2.3.2 OFDM基带系统高层综合框架模型设计
• 2.3.3 基带系统设计中的关键技术
• 2.4 小结
• 第3章 OFDM基带系统同步与信道估计关键技术
• 3.1 引言
• 3.2 同步算法研究
• 3.2.1 基于循环前缀的最大似然时频联合同步算法
• 3.2.2 自相关定时同步算法
• 3.2.3 互相关定时同步算法及改进
• 3.2.4 基于训练序列的载波频率同步时域方法
• 3.3 信道估计算法研究
• 3.3.1 最小平方（LS）信道估计
• 3.3.2 最小均方误差（MMSE）信道估计
• 3.3.3 算法性能比较
• 3.4 小结
• 第4章 OFDM基带收发信机的FPGA设计
• 4.1 引言
• 4.2 配置参数设计
• 4.3 OFDM基带系统发射机FPGA设计
• 4.3.1 OFDM基带发射机系统顶层设计
• 4.3.2 数字映射模块设计
• 4.3.3 导频插入模块设计
• 4.3.4 IFFT模块实现
• 4.3.5 循环前缀加入模块设计
• 4.3.6 前导序列加入模块设计
• 4.4 OFDM基带系统接收机FPGA设计
• 4.4.1 接收机系统整体顶层设计
• 4.4.2 分组检测模块设计
• 4.4.3 载波频率同步模块设计
• 4.4.4 符号同步模块设计
• 4.4.5 去除循环前缀与FFT模块设计
• 4.4.6 信道估计与均衡模块设计
• 4.4.7 数字解调模块设计
• 4.5 小结
• 第5章 系统仿真与实现
• 5.1 引言
• 5.2 发射机系统整体仿真与实现
• 5.2.1 Simulink环境下的仿真结果及分析
• 5.2.2 ISE工程下的仿真与实现
• 5.2.3 仿真结果比较
• 5.3 接收机系统整体仿真与实现
• 5.3.1 Simulink环境下的仿真结果及分析
• 5.3.2 ISE工程下的仿真与实现
• 5.3.3 仿真结果比较
• 5.4 小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 附录A 攻读学位期间所发表的学术论文及参加的科研项目