OFDM-MIMO系统发射机关键技术研究与FPGA实现

论文摘要

OFDM （Orthogonal Frequency Division Multiplex）系统因其频谱利用率高、抗频率选择性衰落、抗码间干扰能力强等众多优点,已被广泛应用于宽带高速数据传输系统中,而OFDM与MIMO（Multi-Input Multi-Output）技术的结合也被广泛认为是未来无线通信的关键技术之一。OFDM的基本原理是将频域中的一个宽带信道划分成多个重叠的子信道并行地进行窄带传输,每个子信道上用一个子载波承载数据。在接收端,只要各子信道上子载波正交,就可以将各信道上的数据正确分离,由于具有多个载波,频带利用率将会大大提高。同时,OFDM可以采用FFT（Fast Fourier Transform）算法来进行调制和解调,十分便于硬件实现。但是OFDM也有功率峰值功率比过大以及对频偏敏感等缺点,在应用的时候需要采用各种方法来克服。针对大容量通信机项目,电子科技大学抗干扰实验室研究并设计了一种基于OFDM-MIMO链路的通信系统方案,根据无线信道的复杂性和系统数据量要求,设计了适合的帧结构,实现上拟采用FPGA+DSP的硬件架构,实现了大容量通信机收发链路的基本功能。本文作为大容量通信机项目的重要组成部分之一,重点负责OFDM-MIMO通信机发射端关键技术的算法研究和FPGA实现,主要包括OFDM调制与组帧、数字上变频以及与此相关的USB接口、DSP接口的FPGA实现。本设计的FPGA芯片采用Xilinx公司Virtex-II Pro系列产品——XC2VP70,设计平台采用Xilinx公司的ISE系列软件。本论文在前期的OFDM系统算法基础上,设计加入了抑制带外辐射的OFDM加窗模块以及缓解高PAPR（Peak to Average Power Ratio）问题的功率峰均比抑制模块,经过编程实现、仿真测试和电路验证,最终实现系统发射端的功能,使性能符合设计要求。同时,针对放大器的非线性失真问题,本文讨论了一种基于自适应预失真算法的高效的FPGA实现方案,为预失真器在OFDM通信系统中的应用提供了一种有效可行的硬件实现方法,具有实用价值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 引言
• 1.1 移动通信系统发展概述
• 1.2 相关技术发展动态
• 1.2.1 OFDM 和MIMO 技术
• 1.2.2 可编程逻辑器件
• 1.3 本文主要研究内容
• 1.3.1 研究任务
• 1.3.2 论文结构及主要内容
• 第二章 OFDM-MIMO 通信系统方案分析
• 2.1 OFDM 基本原理
• 2.1.1 OFDM 系统基本模型
• 2.1.2 保护间隔和循环前缀
• 2.1.3 OFDM 系统的优缺点
• 2.2 系统发射机相关技术及原理
• 2.2.1 子载波映射与升采样
• 2.2.2 加窗
• 2.2.3 峰均比抑制
• 2.2.4 预失真技术
• 2.2.5 数字上变频技术
• 2.3 OFDM-MIMO 通信系统方案介绍
• 2.3.1 OFDM-MIMO 通信系统结构
• 2.3.2 系统参数与帧结构
• 第三章 OFDM-MIMO 通信系统发射机关键技术实现
• 3.1 电路板系统结构设计
• 3.2 开发环境
• 3.2.1 硬件开发平台
• 3.2.2 软件开发平台
• 3.3 FPGA 总体设计与实现
• 3.4 OFDM 调制及组帧的设计与实现
• 3.4.1 OFDM 调制与组帧的设计与实现
• 3.4.2 峰均比抑制的设计与实现
• 3.4.3 同步码发生器的设计与实现
• 3.4.4 组帧控制模块的设计与实现
• 3.5 预失真模块的设计与实现
• 3.6 数字上变频的设计与实现
• 3.6.1 插值滤波的设计与实现
• 3.6.2 IQ 调制
• 3.7 短波系统中整体接口实现
• 3.7.1 FPGA 与PC 机通信接口的设计与实现
• 3.7.2 FPGA 与DSP 通信接口的设计与实现
• 3.7.3 数模转换器接口的设计与实现
• 第四章 设计验证与性能分析
• 4.1 设计验证
• 4.1.1 验证流程
• 4.1.2 模块验证结果
• 4.2 性能分析
• 4.2.1 资源占用
• 4.2.2 运行速度
• 第五章 总结
• 5.1 主要工作和贡献
• 5.2 下一步研究工作
• 致谢
• 参考文献
• 硕士研究生期间的研究成果
• 个人简历