OFDM发射机设计与FPGA实现

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OFDM系统符号同步的FPGA设计与实现

OFDM系统符号同步的FPGA设计与实现OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）系统是一种常用的多载波调制技术，适用于高速数据传输和抗多径衰落的无线通信系统。

在OFDM系统中，符号同步是一项必要的关键技术，它能够将接收到的信号进行精确的时间对齐，以便进行正确定时、解调和解调的后续处理。

FPGA（Field Programmable Gate Array）是一种可编程逻辑器件，广泛应用于数字信号处理、通信、图像处理等领域。

利用FPGA对OFDM系统符号同步进行设计和实现能够提高系统性能，加快实时处理速度，降低功耗。

在OFDM系统中，符号同步的主要任务是估计接收到的OFDM符号开始的时间点，以便对其进行精确的采样和解调。

常用的符号同步方法有基于导频序列的方法和基于自相关函数的方法。

下面将介绍一种基于自相关函数的OFDM符号同步FPGA设计与实现。

首先，需要在FPGA中实现自相关函数的计算。

自相关函数计算的是接收到的信号与自身的延时版本之间的相似度。

可以通过乘法和加法操作来实现自相关函数的计算。

在FPGA中，可以使用乘法器和累加器来完成这些操作，以提高运算速度和效率。

其次，需要设计并实现一个符号同步算法，该算法可以通过计算自相关函数的峰值位置来估计OFDM符号开始的时间点。

常用的算法有互相关法、峰值检测法等。

选择合适的算法需要根据实际应用场景和系统需求进行优化。

接下来，需要设计和实现FPGA中的时钟同步电路。

由于OFDM系统对时钟精度要求较高，时钟同步电路可以通过PLL（Phase-Locked Loop）等方式实现，提供稳定的时钟信号给FPGA系统。

最后，需要进行仿真和验证。

通过在FPGA中对设计的符号同步模块进行仿真和验证，可以检查和调优设计的正确性和性能。

可以使用FPGA 开发套件提供的工具来完成仿真和验证工作。

在进行OFDM系统符号同步的FPGA设计与实现时1.时间与资源约束：考虑到OFDM系统的高速性和实时性要求，需要优化设计以满足时间和资源约束。

OFDM系统频偏估计补偿方案的FPGA设计与实现

OFDM系统频偏估计补偿方案的FPGA设计与实现OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）系统是一种常用的多载波调制技术，广泛应用于无线通信领域。

在OFDM系统中，由于各个子载波的频率相互正交，可以同时传输多个子载波信号，提高了频谱利用效率，提高了抗多径传播和频率选择性衰落的能力。

然而，在OFDM系统中，由于发送和接收端的本振源存在不一致导致频偏，这会导致接收端无法正确解调出信息，因此需要进行频偏估计和补偿。

基于导频的频偏估计补偿方案是OFDM系统中最常用的一种方案。

其原理是通过发送端在每个OFDM符号中插入导频信号，接收端通过获取导频信号并计算其相位差来估计频偏值。

然后通过将频偏值传回发送端，通过相位补偿使得接收端的导频相位和发送端一致，从而实现频偏补偿。

该方案设计实现上较为简单，但是需要占用部分载波资源来发送导频信号，降低了整体的频谱利用率。

基于BEP的频偏估计补偿方案是一种更为高效的方案。

其原理是通过接收端在每个OFDM符号中对接收到的数据进行解码，然后计算块奇偶校验码，通过比较实际解码后的块奇偶校验码和理想解码的块奇偶校验码来估计频偏值。

然后通过将频偏值传回发送端，通过改变时钟频率来实现频偏补偿。

该方案不需要发送导频信号，提高了频谱利用率，在实际应用中更为常用。

FPGA（Field Programmable Gate Array）作为一种硬件可编程器件，具有并行处理能力和灵活性，适合用于OFDM系统频偏估计补偿方案的设计与实现。

设计中，需要考虑如下几个关键步骤：1.子载波解调和导频提取：接收端需要进行OFDM符号的同步，然后对接收到的OFDM符号进行FFT变换得到频域符号，再提取导频信号进行相位计算。

这一部分可以通过FPGA实现。

2.频偏计算：根据导频相位差计算频偏值，可以使用相位差计算公式进行计算。

3.频偏补偿：将计算得到的频偏值通过数据接口传回发送端，发送端根据频偏值进行相位调整来实现频偏补偿。

浅谈基于FPGA的高速实时光OFDM发射机的设计与实现

浅谈基于FPGA的高速实时光OFDM发射机的设计与实现作者：李腾楠虞礼辉岳晓惠杜轶群吴维林来源：《科学与信息化》2020年第04期摘要正交频分复用（OFDM）技术，具有高灵活的调制格式、高频谱利用率和更好的抗多径干扰能力，已经广泛应用在无线通信领域。

但是，随着人们生活水平的提高，人们对通信带宽的需求不断增加，而现有的技术难以解决光纤通信高速率、大容量和長距离的发展方向。

因此，在这篇论文中将OFDM技术应用在接入网中，实现在标准单模光纤以3.5Gb/s速率实时传输光OFDM信号。

关键词 OFDM;接入网;单模光纤引言在无线通信中已广泛应用的正交频分复用（OFDM）技术，由于其频谱利用率高、抗干扰性强等优点，在光通信中也成为研究热点。

目前，对于实时光OFDM的研究已经有很多文章，但是都是基于IQ两路的方法和离线分析的方法。

因此，本文提出了一种更加先进的基于FPGA的高速实时光OFMD发射机系统，它有以下几方面的优势：1）利用埃尔米特矩阵（Hermitian Matrix）技术，使IFFT输出的时域信号为实数序列，从而取代I/Q调制，简化了系统的复杂性，降低了成本;2）采用FPGA实验板实现了高速OFDM信号的产生，并在标准单模光纤以3.5Gb/s速率实时传输光OFDM信号。

1 OFDM发射机FPGA实现1.1 OFDM发射机系统基于FPGA的OFDM发射机系统，主要包括16QAM调制、64点IFFT、组帧等模块。

发射机的通讯数据使用标准以太帧封装，首先经过“帧头提取”将其分组成OFDM帧所需的长度。

由于OFDM帧必须连续发送，即发送速率恒定，所以通讯数据要通过“流控”进行速率匹配，速率匹配通过数据缓存和插0来实现。

“数据分组”将数据按照符号映射时各子载波预设的调制方式进行分组。

“MAP”、“共轭”、“插入导频”三个模块实现了IFFT各子载波的调制。

“循环前缀”和“组帧模块”将数据封装成OFDM帧，加入训练序列[1]。

OFDM调制解调及FPGA实现

OFDM(正交频分复用)是一种高效的多载波调制技术，其最大的特点是传输速率高，具有很强的抗码间干扰和信道选择性衰落能力。

OFDM最初用于高速MODEM、数字移动通信和无线调频信道上的宽带数据传输，随着IEEE802.11a协议、BRAN(Broadband Radio Access Network）和多媒体的发展，数字音频广播（DAB）、地面数字视频广播(（DVB-T）和高清晰度电视（（HDTV）都应用了OFDM 技术.OFDM利用离散傅立叶反变换/离散傅立叶变换（IDFT/DFT)代替多载波调制和解调，调制解调的核心是快速傅立叶运算单元，在进行蝴蝶运算时，不可避免的要进行大量的乘法运算。

由于FPGA具有强大的并行处理和计算能力,以及丰富的存储资源和逻辑运算资源,因此在FPGA器件上实现OFDM调制解调结构，具有很好的通用性和灵活性。

OFDM与系统框图OFDM的多个载波相互正交，一个信号内包含整数个载波周期，每个载波的频点和相邻载波零点重叠，这种载波间的部分重叠提高了频带利用率.OFDM每个子信道的频谱均为sinx/x形，各子信道频谱相互交叠，但在每个子信道载频的位置来自其他子信道的干扰为零，如图1所示。

OFDM系统如图2所示，OFDM系统的调制和解调分别由IFFT和FFT完成。

首先将串行输入数据d0，d1。

，d(N—1)变换成并行数据，接下来进行编码和星座图映射，得到频域数据。

经过IFFT后相当于调制到正交的N个f0，f1，。

，fN-1子载波,完成正交频分复用.接下来加入循环前缀，进行并/串转换,数/模转换，再调制到高频载波上发送。

如果是基带传输，则不需要进行载波调制。

在接收端进行相反的操作,使用N个相同的子载波进行N路解调，再将这N路解调信号并串输出，复现发送的原始信号。

经过FFT变换后的数据相当于将时域数据再转换成频域数据，即完成了OFDM信号的解调。

OFDM调制原理虽然是用N个正交的载波分别调制N路子信道码元序列,但实际中很难独立产生N个正交的载波。

OFDM调制解调及FPGA实现

OFDM调制解调及FPGA实现OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）是一种常用的调制解调技术，也是现代通信系统中主要的多载波调制技术之一、OFDM技术通过将带宽分成多个子载波，并将信息传输到各个子载波上，实现高效率的数据传输。

首先，OFDM技术将宽带信号分成多个窄带子载波，将传统的高速串行数据转换为多个低速并行数据进行传输。

这样做的好处是可以对每个子载波进行较简单的调制和解调，大大降低了硬件的复杂度。

此外，由于子载波之间是正交的（相互垂直），对于频率选择性衰落信道，可以大大减少码间干扰的影响。

OFDM技术包括两个关键步骤，调制和解调。

调制阶段将输入数据进行调制，并将调制后的信号经过IFFT（Inverse Fast Fourier Transform）变换得到时域信号。

在解调阶段，接收端需要将接收到的信号经过FFT（Fast Fourier Transform）变换得到频域信号，并进行解调得到原始数据。

在FPGA实现OFDM调制和解调时，常用的方法是使用硬件描述语言（如Verilog或VHDL）来设计各个模块，并通过FPGA开发工具进行综合、布局和布线。

设计中的主要模块包括FFT/IFFT模块、调制模块和解调模块。

1.FFT/IFFT模块：在OFDM系统中，FFT/IFFT模块是非常重要的组成部分，用于相互转换时域和频域信号。

由于FFT的计算复杂度较高，需要使用专门的算法和硬件实现。

在FPGA中可以使用基于蝶式结构的FFT/IFFT算法进行实现。

2. 调制模块：调制模块将输入的数字数据进行调制，将其映射到不同的子载波上。

常见的调制方式包括QPSK、16QAM和64QAM等。

调制模块还需要实现保护间隔（Guard Interval）的插入，用于对抗多径传播引起的码间干扰。

3.解调模块：解调模块接收来自信道的OFDM信号，并进行FFT变换得到频域信号。

基于FPGA的宽带OFDM系统的设计与实现

关键词：正交频分复用；ＦＰＧＡ；同步；ＦＦＴ
中图分类号：ＴＮ７６
文献标识码：Ａ
Ｏ引言近年来，在数字音频广播（ＤＡＢ）系统、数字视频
广播（ＤＶＢ）系统、高清晰度电视（ＨＤＴＶ）以及无线局域网（ｗＩ，ＡＮ）中都采用了正交频分复用（０ｒｔｈｏｇｏｎａｌＦｒｅｑｕｅｎｃｙＤｉｖｉｓｉｏｎＭｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ，０ＦＤＭ）调制技术作为信道的传输手段。在第四代移动通信中，０ＦＤＭ技术也已成为其开发的核心技术。本文介绍了一种使用ＦＰＧＡ来实现宽带ｏＦＤＭ系统的设计方法，并重点讨论了０ＦＤＭ系统中数字基带处理和信号的接收发送部分的关键技术，最后利用ｘｉｌｉｎｘ公司的Ｓｐａｒｔａｎ一３系列ＦＰＧＡ实现了整个方案。１宽带ＯＦＤＭ系统的设计方案１．１总体设计方案
在ＦＰＧＡ中，按照具体的参数要求实现ＯＦＤＭ系统中的调制功能，其工作流程为：数据发生器发送数据和信号，串并转换后存储在ＦＰＧＡ中的ＲＡＭｌ中。当接收够一帧数据所需要的信息量后，从ＲＡＭｌ中读取之前存入的数据，然后再对数据进行编码、交织及ＱＡＭ映射和ＢＰＳＫ（ＢｉｎａｒｙＰｈａｓｅＳｈｉｆｔＫｅｙｉｎｇ，二相相移键控）映射，在过采样点添零后插入导频模块；当处理完数据包的数据后，开始进行０ＦＤＭ的１ＦＦＴ调制，经１ＦＦＴ模块计算后的数据存入另一个ＲＡＭ２；控制模块通过发出使能信号，控制数据从存入数据的ＲＡＭ２中进行插入循环前缀操作；当ＩＦＦＴ计算的数据全部完成后，控制模块把ＲＡＭ２轮转为进行数据帧的存储、ＲＡＭｌ轮转为进行ＩＦＦＴ计算数据的存储，轮转的时候需要先从数据输出模块中读取同步头发送，再从ＲＡＭ２中读取循环前缀；当ＩＦＦＴ模块计算完的数据全部送出后，控制模块判断开始处理下一包数据，这样直到数据帧处理完毕。３ｏＦＤＭ解调器的设计实现。

基于FPGA的OFDM宽带数字通信发射机设计

一
ｌｅｅｌｖ１处理和符号级（ｍｏ—ｅｅｓｂｌｌｖ１理两部分。ｙ）处在下行链路中，数据经过绕码ｆ机化）Ｓ随、Ｒ编
码、卷积编码、交织、星座映射、Ｉｆ变换、加ＦＴｒ
入循环前缀ｆｃｃｐｅｘ、基带成型滤波等一系ｃｌ — ｒｆ）ｙｉｉ
ｎ。编码形式可用ｆ，ｋｎ）表示，因此，当ｎ８，＝时
２０年ｌ月０８０
基于ＦＧ的ＯＤＰＡＦＭ宽带数字通信发射机设计
李奇，陈福深
（电子科技大学通信与信息工程学院，四川成都６０５）１０４
摘要：ＯＤ￣交频分复用是第四代移动通信的核心技术。文章在ＩＥ８２１ａ０．ｄＦＭ－ＥＥ０．ｌ和８２１协６
机序列进行逐比特异或运算，然后再进行后续处
计的ＯＤＦＭ基带信号处理发射机分为比特级ｆｉｂｔ一
基带
理并通过信道传送。在接收端则把经过解调的数
．—— ． — 基带成型滤卜＿波－１并串变卜插入循环前缀Ｉ．换
ＶＩｏ０ｏ１Ｎ．．１０
０ｃ．２ｏｔ０９
Ｒ码是一种线性分组循环码，它以长度为ｎＳ
１５ｌ，５，
ｌ５２，ｌ，
的一租符号（ｍｂｌｓｏｓｙ）为单位来进行处理（常通ｎ８ｉ＝ｔｂ，称为编码字），组中的ｎ符号是由Ｋ个个欲传输的信息符号按一定关联关系生成的。由于ｎ符号中还应包含误码保护信息，所以要求ｋ个＜

基于FPGA的OFDM系统设计及实现

基于FPGA的OFDM系统设计及实现OFDM（正交频分复用）是一种多载波调制技术，广泛应用于现代无线通信系统中。

在OFDM系统中，将高速输入数据分成多个低速子载波，并使这些子载波之间正交，从而提高系统的抗干扰能力和频谱利用率。

FPGA （现场可编程门阵列）是一种可编程逻辑器件，可以实现硬件电路设计的灵活性和可重构性，因此非常适合用于OFDM系统的设计和实现。

1.子载波分配方案：根据系统要求和频谱利用率要求，需要设计一个有效的子载波分配方案，以使每个子载波之间的干扰最小化。

可使用数学优化算法，如动态规划法或遗传算法来实现。

2.调制与解调：OFDM系统中，每个子载波都需要进行调制和解调的操作。

常用的调制方式有QAM（多进制振幅调制）和QPSK（四相移调制）。

在FPGA中，可以使用复杂数乘法器和数模转换器来实现这些操作。

3.加载信号生成和消除：OFDM系统中，载波频率和相位可能会发生漂移，因此需要设计一个加载信号生成和消除器来解决这个问题。

这可以通过在发送端和接收端分别设计相位锁定环（PLL）来实现。

4.同步和信道估计：OFDM系统的关键任务之一是对信号进行同步和信道估计。

同步包括频偏估计和符号定时同步。

信道估计包括对信道衰落和多径干扰的估计。

在FPGA中，可以使用FFT（快速傅里叶变换）和差分器进行这些操作。

5. 编码和解码：对于OFDM系统，往往需要使用一些前向纠错编码算法来提高系统的可靠性和抗干扰能力。

常用的编码算法有卷积码和LDPC 码。

在FPGA中，可以使用Viterbi解码器和硬判决器来实现。

6.多用户接入：OFDM系统可以实现多用户接入，即多个用户同时使用同一个信道进行通信。

在FPGA中，可以设计多个调制解调器和载波分配器来实现这个功能。

7.FFT和IFFT运算：OFDM系统中，需要频域和时域之间的相互转换，这可以通过使用FFT和IFFT来实现。

在FPGA中，可以使用特殊的FFT和IFFT硬件核来实现高效并行计算。

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ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ。ｔｈｅｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｒＯＦＤＭｄｅｓｉｇｎｉＳｉｍｐｌｅｍｅｎｔｅｄ．ＳｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｉｎｔｈｅＭｏｄｅｌｓｉｍｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｉｎｄｉｃａｔｅｔｈａｔｔｈｉｓｄｅ —
Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＦｏｒｔｈｅｐｒａｃｔｉｃａｌａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｏｆｔｈｅＯＦＤＭｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｉｎｂｒｏａｄｂａｎｄｗｉｒｅｌｅｓｓｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，ａｎ０ＦＤＭｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｒｄｅｓｉｇｎｓｃｈｅｍｅｂａｓｅｄｏｎＩＥＥＥ８０２．１ｌａｐｒｏｔｏｃｏｌａｎｄｔｈｅｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎｏｆｉｔｓｋｅｙｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓａｒｅｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｉｎｔｈｅｄｅｓｉｇｎ．ｔｈｅｔｏｐ－ｄｏｗｎｄｅｓｉｇｎｉｄｅａｉｓａｄｏｐｔｅｄａｎｄｂｙｕｓｉｎｇｔｈｅｄｉｇｉｔａｌＰｈａｓｅＬｏｃｋｅｄＬｏｏｐ（ＰＩＬ）ａｎｄｐｉｎｇ－ｐｏｎｇＲＡＭ．ｔｈｅｓｙｓｔｅｍｏｐｅｒａｔｉｏｎ —
关键词：正交频分复用；数字锁相环；知识产权核中图分类号：ＴＰ３Ｏ２．１文献标志码：Ａ
文章编号：１００５ — ８７８８（２０１３）Ｏ１ — ００４２ — ０４
ＤｅｓｉｇｎｏｆＯＦＤＭｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｒａｎｄｉｔｓＦＰＧＡｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ
Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ４０００６５，Ｃｈｉｎａ；２．ＣｈｏｎｇｑｉｎｇＫｅｙＬａｂｏｆＭｏｂｉｌｅＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ４０００６５，Ｃｈｉｎａ）
ａｌｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙｉＳｉｍｐｒｏｖｅｄ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｂｖｕｓｉｎｇｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆＡｌｔｅｒａＣｙｃｌｏｎｅＩＶＥｓｅｒｉｅｓＦＰＧＡｄｅｖｉｃｅｓａｎｄｆｌｅｘｉｂｌｅＩＰＣｏｒｅ
周瑜，邵凯，蒋漓。庄陵。。王光宇。
（１．重庆邮电大学通信与信息工程学院，重庆４０００６５；２．移动通信技术重庆市重点实验室，重庆４０００６５）
摘要：为使ＯＦＤＭ（正交频分复用）技术在宽带无线通信中得到实际运用，提出了基于ＩＥＥＥ８０２．１ｌａ协议的ＯＦＤＭ发射机的设计方案及关键技术的实现方法。在设计中采用自顶向下的设计思想，通过数字锁相环、乒乓ＲＡＭ（随机存储器）等方式提高系统运行的可靠性。并利用Ａｌｔｅｒａ公司的ＣｙｃｌｏｎｅＩＶＥ系列ＦＰＧＡ（现场可编程门阵列）器件的特点和灵活的ＩＰＣｏｒｅ（知识产权核）功能，实现了ＯＦＤＭ发射机的设计。在Ｍｏｄｅｌｓｉｍ环境下的仿真结果证明了该设计的有效性，且占用的资源少。
ＺｈｏｕＹｕ，ＳｈａｏＫａｉ，ＪｉａｎｇＬｉ，ＺｈｕａｎｇＬｉｎｇ，ＷａｎｇＧｕａｎｇｙｕ ’
（１．ＳｃｈｏｏｌｏｆＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓａｎｄＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＣｈｏｎｇｑｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＰｏｓｔｓａｎｄＴｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，
２０１３年第１期总第１７５期
光通信研究
ＳＴＵＤＹ０ＮＯＰＴＩＣＡＬＣ０ＭＭＵＮＩＣＡＴＩ１７５）
ＯＦＤＭ发射机设计与ＦＰＧＡ实现无线通信技术