正交频分复用解调电路设计

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编号：

毕业设计说明书

题目：正交频分复用解调电路设计

院（系）：信息与通信学院

专业：电子信息工程

学生姓名：

学号：

指导教师：

职称：讲师

题目类型：

工程设计软件开发2010年 5 月 18日

摘要

社会的发展和信息化脚步的推进使人们对移动通信服务的期望值日渐提高,传统的无线语音服务已经不能够满足人们对移动通信的需求,无线网络提供的多媒体服务才是人们未来的主流需求。当前已在全球多数国家商用化的第三代移动通信技术,由于该技术自身的传输速率的限制,达到多媒体业务接入的目标还存在一定的距离。因此,OFDM 技术作为下一代移动通信技术的代表,目前受到了越来越多的人的关注,它的对抗多径衰落,高频带利用率等优点使其正发展为4G移动通信的主流技术。上个世纪70年代,韦斯坦(Weistein)和艾伯特(Ebert)等人应用离散傅里叶变换(DFT)和快速傅里叶方法(FFT)研制了一个完整的多载波传输系统,叫做正交频分复用(OFDM)系统。OFDM是正交频分复用的英文缩写。正交频分复用是一种特殊的多载波传输方案。OFDM应用离散傅里叶变换(DFT)和其逆变换(IDFT)方法解决了产生多个互相正交的子载波和从子载波中恢复原信号的问题。这就解决了多载波传输系统发送和传送的难题。应用快速傅里叶变换更使多载波传输系统的复杂度大大降低。从此OFDM技术开始走向实用。但是应用OFDM系统仍然需要大量繁杂的数字信号处理过程,而当时还缺乏数字处理功能强大的元器件,因此OFDM技术迟迟没有得到迅速发展。近些年来,集成数字电路和数字信号处理器件的迅猛发展,以及对无线通信高速率要求的日趋迫切,OFDM技术再次受到了重视。并行的数据传输和频分复用(FDM)的理论早在二十世纪60年代就已经提出。到二十世纪70年代,美国的一个专利提出了采用这种思路来减小对高速均衡的依赖,并且能够抵制多径失真、冲激噪声,提高带宽利用率。起初该技术只是在军事通信系统中得到应用。而后的很长的一段时期里,OFDM技术没有得到从理论迈向实际的机会。由于OFDM的子载波间严格遵循正交性,虽然采用快速傅立叶变换能够实现这种调制,但是实时FFT设备的复杂度、发射机、接收机振荡器的稳定性和射频功率放大器的线性要求等诸多因素都限制了OFDM技术在实际应用中的发展。20世纪80年代,大规模集成电路的应用,让FFT技术的实现成为可能,也相应的解决了以往研究中存在的困难, 0FDM技术也逐渐开始得到实际应用。OFDM技术从此走上了移动通信的舞台。OFDM技术的中文全称是正交频分复用,与传统通信技术不同,它将用户数据在多个相互正交的子载波上并行进行传输。OFDM技术虽然凭借自身的技术优势能够实现信息的高速传输、有效的对抗多径衰落,但是诸如频偏、峰均功率比等关键问题也需要我们进一步去研究解决。

关键词：下一代移动通信；正交频分复用；无线信道；离散傅立叶变换；快速傅立叶变换；

Abstract

With the social progress,the need for mobile communication is much higher than before,people are not only satisfied with the wireless pronunciation services,but also hope to obtain multimedia services wherever possible through the wireless network at any time and any places. The development of electronic technology,multimedia technology,mobile communication technology make it come true. At present, the third generation of mobile communication system(3G) that is moving towards commercialization has not formed an unified global standard,and its service sp eed can’t totally meet the need s of multimedia insert.OFDM which is on behalf of future mobile communication generation is becoming a hot subject of researches. At the same time, anti-multipath fading and high bandwidth efficiency make OFDM becomes one of the main technologies of 4G mobile communication.In 1970s, Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) system is a complete multicarrier tranceiver initiated by Weinstein, Elbert and others through DFT and Fast Fourier Transform (FFT).OFDM is an abbreviation of orthogonal frequency division multiplexing which is the special Multi-Carrier transmission scheme and mainly applied to DFT and IDFT. The application of Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) applied to DFT and IDFT worked out the answer to produce multi-Orthogonal subcarriers and recover the original signal from subcarriers. The complexity of multicarrier transceiver is greatly reduced by using the DFT technology. From then on, OFDM technology begin to head for actual applications. But it still needs lot of complex digital signal processing and the lack of powerful components which have digital signal processing function. Just under such condition, OFDM technology didn’t develop rapidly in a very long time. Recent years, with the rocketing development of integration circuits and digital signal processing components and much keener need for high effectively wireless communication, OFDM technology begin to get highly regard again.In 1960s, the researcher had already propounded the theory of using parallel data transfer and FDM. In 1970s, an American researcher invented and also pent for a patent. This patent mainly adopted the concept of making parallel data and subcarrier superimposed with each other. Under such condition, frequency division multiplexing could eliminate dependency on high-speed equalization. This technology could resist impulse noise and multipath distortion, and then broadband could be fully

utilized. All these characters made this technology mainly applied to military communication system at its beginning. But for a rather long time after that, the step of applying OFDM technology to practical utilization slowed down. Because every subcarriers is orthogonal to each other, we could use fast fourier transform to realize this modulation. But in practice, the complexity of Fast Fourier Transform (FFT) equipment, stability of transmitters and receivers oscillator, linear need of power amplifier and other elements lay restraints on the realization of OFDM technology. In 1980s, Multicarrier Modulation (MCM) made breakthrough progress. Large scale integrated circuit made the impenetrable barrier of realization of FFT technology exit no longer. Some other problems which are difficult to solve also got their own solutions. Hence, OPDM technology began to rise from the corner to the brilliant-lit stage of communication industry and step towards the territory of high-speed digital mobile communication. The full name of OFDM technology is orthogonal frequency division multiplexing which means to transfer user data by multi-orthogonal subcarrier. Although it can transfer data information at very high speed and effectively countermeasure multipath fading by the character of signal itself, it still exists many key problems waiting to be solved, such as frequency and

peak-to-average power ratio at the first part.

Key words：Next generation Mobile Communication；Orthogonal Frequency Division Multiplexing；Wireless channel；Discreting flourier transform (DFT)；fast flourier transform (FFT)；

目录

引言 (1)

1 系统设计内容与要求 (2)

1.1 设计内容 (2)

1.2 设计要求 (2)

2 OFDM系统基本介绍 (3)

2.1 OFDM技术介绍 (3)

2.2 OFDM技术的发展 (4)

2.3 OFDM系统的优缺点 (5)

2.4 OFDM关键技术 (6)

3 FPGA设计流程 (7)

3.1 EDA简介 (7)

3.2 EDA设计流程 (7)

3.3 Quartus II简介 (8)

3.4 EP2C8Q208芯片介绍 (8)

3.5 本章小结 (9)

4 系统总体方案设计 (9)

4.1 OFDM原理简介 (9)

4.2组成模块主要功能 (10)

4.2.1移除CP循环前缀模块 (10)

4.2.2 FFT模块 (12)

4.2.3 移除导频模块 (13)

4.2.4 解4-QAM模块 (13)

4.2.5 FIFO模块 (14)

4.3 OFDM调制各模块实现说明 (15)

4.3.1de_add_cp移除循环前缀模块 (15)

4.3.2FFT模块 (15)

4.3.3移除导频模块 (15)

4.3.4解4QAM星座映射模块 (16)

4.3.5demod_be解调后端模块 (16)

4.3.6算法总体结构 (16)

4.3.7实数FFT优化处理器工作流程 (17)

4.3.8输入数据位宽和输出数据位宽选择 (17)

4.3.9运算数据地址产生算法 (17)

4.3.10旋转因子地址产生算法 (17)

4.3.11用MATLAB生成FFT旋转因子 (18)

4.3.12旋转因子的计算 (18)

4.3.13两组RAM的切换 (20)

4.3.14蝶形运算单元设计 (20)

4.3.15突发FFT模块设计 (21)

4.3.16加入CP循环前缀和加窗模块 (21)

4.3.17速度计算 (21)

5 综合调试结果 (22)

6 结论 (24)

谢辞 (26)

参考文献 (27)

附录 (28)

引言

现代移动通信是一门复杂的高新技术，不但集中了无线通信和有线通信的最新技术成就，而且集中了网络接收和计算机技术的许多成果。目前，移动通信已从模拟通信发展到了数字移动通信阶段，并且正朝着个人通信这一更高级阶段发展。未来移动通信的目标是，能在任何时间、任何地点、向任何人提供快速可靠的通信服务。1978年底，美国贝尔实验室研制成功先进移动电话系统（AMPS），建成了蜂窝状模拟移动通信网，大大提高了系统容量。与此同时，其它发达国家也相继开发出蜂窝式公共移动通信网。这一阶段的特点是蜂窝移动通信网成为实用系统，并在世界各地迅速发展,这个系统一般被当作是第一代移动通信系统。

从20世纪80年代中期开始，数字移动通信系统进入发展和成熟时期。蜂窝模拟网的容量已不能满足日益增长的移动用户的需求。80年代中期，欧洲首先推出了全球移动通信系统（GSM：Global System for Mobile）。随后美国和日本也相继指定了各自的数字移动通信体制。20世纪90年代初，美国Qualcomm公司推出了窄带码分多址（CDMA：Code-Division Multiple Access）蜂窝移动通信系统，这是移动通信系统中具有重要意义的事件。从此，码分多址这种新的无线接入技术在移动通信领域占有了越来越重要的地位。这些目前正在广泛使用的数字移动通信系统是第二代移动通信系统。

第二代移动通信系统主要是为支持话音和低速率的数据业务而设计的。但随着人们对通信业务范围和业务速率要求的不断提高，已有的第二代移动通信网将很难满足新的业务需求。为了适应新的市场需求，人们正在制定第三代（3G）移动通信系统。但是由于3G系统的核心网还没有完全脱离第二代移动通信系统的核心网结构，所以普遍认为第三代系统仅仅是一个从窄带向未来移动通信系统过渡的阶段。目前，人们已经把目光越来越多得投向超三代（beyong 3G）的移动通信系统中，使其可以容纳市场庞大的用户数、改善现有通信品质不良，以及达到高速数据传输的要求。若从技术层面来看，第三代移动通信系统主要是以CDMA为核心技术，三代以后的移动通信系统则以正交频分复用OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）最受瞩目，特别是有不少专家学者针对OFDM技术在无线通信技术上的应用，提供了相关的理论基础，例如无线区域环路（WLL：Wireless Local Loop）、数字音讯广播（DAB: Digital Audio Broadcasting）等，都将在未来采用OFDM技术。

目前世界范围内存在有多种数字无线通信系统，然而基于支持话音业务的电路交换模式的第二代移动通信系统不能满足多媒体业务的需要,但是对于高速数据业务来说，单载波TDMA（Time Division Multiple Access）系统和窄带CDMA系统中都存在很大的缺陷。由于无线信道存在时延扩展，而且高速信息流的符号宽度又相对较窄，所以符号之间会存在较严重的符号间干扰（ISI：Inter-Symbol Interference），因此对单载波TDMA系统中使用的均衡器提出非常高的要求，即抽头数量要足够大，训练符号要足够多，

训练时间要足够长，而均衡算法的复杂度也会大大增加。对于窄带CDMA来说，其主要问题在于扩频增益与高速数据流之间的矛盾。保证相同带宽的前提下，高速数据流所使用的扩频增益就不能太高，这样就大大限制了CDMA系统噪声平均的优点，从而使得系统的软容量受到一定的影响，如果保持原来的扩频增益，则必须要相应的提高带宽。此外，CDMA系统内的一个非常重要的特点是采用闭环的功率控制，这在电路交换系统中比较容易实现，但对于分组业务来说，对信道进行探测，然后再返回功率控制命令会导致较大的时延，因此对于高速的无线分组业务来说，这种闭环的功率控制问题也存在缺陷。

因此，人们开始关注正交频分复用（OFDM）系统，希望通过这种方法来解决高速信息流在无线信道中的传输问题，从而可以满足带宽要求更高的多种多媒体业务和更快的网络浏览速度。

正交频分复用(OFDM：Orthogonal Frequency Division Multiplexing)的提出已有近40年的历史，第一个OFDM技术的实际应用是军用的无线高频通信链路。但这种多载波传输技术在双向无线数据方面的应用却是近十年来的新趋势。经过多年的发展，该技术在广播式的音频和视频领域已得到广泛的应用。近年来，由于DSP（digital signal processing）技术的飞速发展，OFDM作为一种可以有效对抗ISI的高速传输技术，引起了广泛关注。OFDM技术已经成功地应用于数字音频广播（DAB）、高清晰度电视HDTV （High-definition Television）、无线局域网WLAN（Wireless Local Area Network），它在移动通信中的运用也是大势所趋。1999年IEEE802．11a通过了一个5GHz的无线局域网标准，其中OFDM调制技术被采用并作为它的物理层标准。

1 系统设计内容与要求

1.1 设计内容

采用单芯片（FPGA）完成一个正交频分复用解调电路设计。采用64点FFT，完成31个子载波传输，每个子载波使用4-QAM星座图。每个子载波对应不同的频率，互相之间保持正交，避免了信道间干扰。

正交频分复用（OFDM）技术是多载波解调中的一种，在高速无线通信中有广泛的应用。OFDM适合无线通信场景，采用多载波方式，可以把数据流分成多个分支，这样可以把噪声当作加性高斯白噪声，简化了系统。借助EDA设计软件，在FPGA上实现OFDM通信系统中的解调功能。

1.2 设计要求

1、使用QUARTUS II 软件，设计硬件电路，编写HDL程序，对电路进行功能和时序仿真分析。

2、实现OFDM解调，在FPGA上实现解调电路，并进行性能测试。

3、采用31个子载波，64点快速傅立叶变换，能够实现12.5 Mbps 数据传输速率。

4、可以通过计算机的串口进行数据接收演示。

2 OFDM系统基本介绍

2.1 OFDM技术介绍

正交频分复用（OFDM）技术与已经普遍熟知应用的频分复用（FDM：Frequency Division Multiplexing）技术十分相似，与FDM基本原理相同，OFDM把高速的数据流通过串并变换，分配到速率相对较低的若干个频率子信道中进行传输，不同的地方是，OFDM技术利用了更好的控制方法，使频谱利用率有所提高。OFDM与FDM的主要差别为以下几方面：

第一：在常规的广播系统中，每一个无线站在不同的频率上发送若干个信号，有效的运用FDM来保证每个站点的分隔，广播系统中的每一个站点没有任何的同位或同步；但使用OFDM传播技术，譬如DAB，从多个无线站来的信息信号被组合成一个单独的复用数据流，这些数据是由多个子载波密集打包组成，然后将在OFDM体系中传输，在OFDM 信号内的所有子载波都是在时间和频率上同步，使子载波之间的干扰被严格控制。这些复用的子载波在频域中交错重叠，但因为调制的正交性且采用循环前缀作为保护间隔，所以不会发生载波间干扰ICI（Inter-Carrier Interference）。

第二：对传统的频分复用（FDM）系统而言，传播的信号需要在两个信道之间存在较大的频率间隔即保护带宽来防止干扰，这降低了全部的频谱利用率；然而应用OFDM 的子载波正交复用技术大大减少了保护带宽，提高了频谱利用率。如图2-1。在早期时候，正交频分复用（OFDM）系统中，各子载波采用正交滤波器将信道分成多个子信道，但要用很多的滤波器，尤其是当路数增多的时候。1971年，Weinstein及Ebert等将DFT 应用于多载波传输系统中，从而很方便地实现了多路信号的复合和分解。OFDM系统的一个重要优点就是可以利用快速傅立叶变换实现调制和解调，从而大大简化系统实现的复杂程度。

图 2-1 FDM与OFDM带宽利用率的比较

正交频分复用（OFDM）系统是一种特殊的多载波传输方案，它可以被看作是一种调制技术，也可以被当作一种复用的技术。多载波传输把数据流分解成若干个子比特流，这样每个子数据流将具有低得多的比特速率，用这样的低比特率形成的低速率多状态符号再去调制相应的子载波，就构成多个低速率符号并行发送的传输系统。正交频分复用是对多载波调制（MCM：Multi-Carrier Modulation）的一种改进。它的特点是各子载波相互正交的，所以扩频调制后的频谱可以相互重叠，不但减小了子载波间的相互干扰，还大大提高了频谱利用率。选择OFDM的一个主要原因在于该系统能够很好地对抗频率选择性衰落和窄带干扰。在单载波系统中，一次衰落或者干扰可以导致整个链路失效，但是在多载波系统中，某一时刻只会有少部分的子信道会受到深衰落的影响。

2.2 OFDM技术的发展

OFDM(Orthogona1FrequencyDivisionMultiplexing)即正交频分复用，是一种多载波数字调制技术，于20世纪60年代就己提出，该技术的特点是易于实现信道的均衡，降低了均衡器的复杂性，但由于OFDM技术要求大量的复杂计算和高速存储设备，当时的技术条件还达不到，所以仅在一些军用系统中有过应用。第一个OFDM技术的实际应用是军用的无线高频通信链路，由于较早期的OFDM系统结构非常复杂，需要使用多个调制解调器，从而限制了它的应用和发展。1971 年，Weinstein和Ebert提出了采用离散傅立叶变换来等效多个调制解调器的功能，简化了系统结构，使得OFDM技术更趋于实用化。近年来，由于数字信号处理技术和大规模集成电路技术(VLSI) 的发展，制约OFDM技术发展的障碍已不存在。同时，80年代中后期以来由于无线通信技术，特别是无线多媒体技术的飞速发展，要求的数据传输速率越来越高。随着传输速率的提高，信道干扰更加严重，采用传统的单载波调制方式，其信道均衡的难度也随之增加，而采用OFDM调制技术可有效地处理信道干扰，提高系统的传输速率，因此倍受大家瞩目。1995年欧洲电信标准委员会(ETSI)将OFDM作为数字音频广播(DAB)的调制方式，这是第一个以OFDM作为传输技术的标准。欧洲数字视频广播联盟也在1997年采用OFDM作为其地面广播(DVB-T)调制标准。1999年IEEE将OFDM作为其无线局域网标准IEEE802.lla的物理层的调制标准。OFDM和CDMA的结合也被用于宽带CDMA中。目前OFDM技术己经被广泛应用于广播式的音频和视频领域和民用通信系统中，主要的应用有：非对称的数字用户环路(ADSL)、ETSI 标准的数字音频广播(DAB)、数字视频广播(DVB)、高清晰度电视(HDTV)、无线局域网(WLAN)等。

正交频分复用技术(OFDM)是一种无线环境下高速传输技术。无线信道的频率响应大多是非平坦的，而OFDM技术的主要思想就是在频域内将所给信道分成许多正交子信道，在每个子信道上使用一个子载波进行调制，并且各子载波并行传输，这样，尽管总的信道是非平坦的，也就是具有频率选择性，但是每个子信道是相对平坦的，并且在每个子信道上是窄带传输，信号带宽小于信道的相应带宽，可以大大消除信号波形之间的干扰，

又由于各子信道的载波间相互正交，于是它们的频谱都是相互重叠的，这样既减小了子载波间的相互干扰，同时又提高了频谱利用率。OFDM技术具有较强的抗信道频率选择性衰落的性能，是抗信道多径的有效方法。

随着DSP芯片技术的发展，傅立叶变换/逆变换、高速Modem采用的64/128/256QAM 技术、栅格编码技术、信道自适应技术以及插入保护时段等成熟技术的逐步引入，人们开始集中越来越多的精力开发OFDM技术在移动通信领域的应用。OFDM技术由于使用正交重叠的频谱，频谱效率较高，另外还具有抗多径时延、硬件实现简单等优点，目前已基本被公认为Beyond3G的核心技术，尤其是OFDM、多载波作为一项核心技术以及其他先进的发送和接收技术的结合，更是今后研究的热点。

2.3 OFDM系统的优缺点

近年来，OFDM技术已经备受关注，其原因在于OFDM技术有以下优点：

1、把高速率数据流通过串并转换，使得每个子载波上的数据符号的持续长度相对增加，从而有效的减少无线信道的时间弥散所带来的ISI，这样就减小了接收机内均衡的复杂度，有时甚至可以不采用均衡器，而且仅仅通过采用插入循环前缀的方法消除ISI 的不利影响。

2、传统的频分多路传输方法，将频带分为若干个不相交的子频带来传输并行数据流，子信道之间要保留足够的保护频带。而OFDM系统由于各个子载波之间存在正交性，允许子信道的频谱相互重叠，因此与常规的频分复用系统相比，OFDM系统可以最大限度的利用频谱的资源。当子载波个数很大时,系统的频谱利用率趋于2波特/Hz。

3、各个子信道中的正交调制和解调可以通过采用IDFT和DFT的方法来实现。对于N很大的系统中，可以通过采用快速傅立叶(FFT)来实现。而随着大规模集成电路技术与DSP技术的发展，IFFT与FFT都是非常容易实现的。

4、无线数据业务有时存在非对称性，即下行链路中传输的数据量要大于上行链路中的数据传输量，这就要求物理层支持非对称高速率数据传输，OFDM系统可以通过使用不同数量的子信道来实现上行和下行链路中不同的传输速率。

5、OFDM可以非常容易的与其他多种接入方法结合使用，构成OFDMA系统，其中包括多载波码分多址MC-CDMA、跳频OFDM以及OFDM-TDMA等等，使得多个用户可以同时利用OFDM技术进行信息的传输。

但是OFDM系统内由于存在有多个正交的子载波，而且其输出信号是多个子信道的叠加，因此与单载波系统相比，存在如下一些缺点：

1、易受频率偏差的影响。由于子信道的频谱可以相互覆盖，这就对它们之间的正交性提出了严格的要求。由于无线信道的时变性，在传输过程中出现无线信号的频谱偏移，或发射机与接收机本地振荡器之间存在一定的频率偏差，都会使OFDM系统子载波之间的正交性遭到破坏，因此导致子信道的信号相互干扰（ICI）,这种对频率偏差的敏

感是OFDM系统的主要缺点之一。

2、存在着较高的峰值平均功率比。多载波系统的输出是多个子信道信号的叠加，因此如果多个信号的相位一致时，所得到的叠加信号的瞬时功率就会远远高于信号的平均功率，导致出现较大的峰值平均功率比（PAPR：Peak-to-Average power Ratio）。这就对发射机内放大器的线性提出了较高的要求，可能带来信号畸变，使信号的频谱发生变化，从而导致各个子信道间的正交性遭到破坏，产生干扰，使系统的性能恶化。

2.4 OFDM关键技术

与下一代移动通信系统有关的OFDM系统关键技术有以下几个方面：

1.时域和频域同步

OFDM系统对定时和频率偏移非常敏感，特别是在实际应用中与FDMA、TDMA和CDMA等多址方式结合使用时，时域和频率同步显得非常重要。与其它数字通信系统一样，同步分为捕获和跟踪两个阶段，比较容易实现。在上行链路中来自不同移动终端的信号必须同步到达基站，才能保证子载波间的正交性。基站根据各移动终端发来的子载波携带信息进行时域和频域同步信息相应的提取，再由基站发回移动终端，以便让移动终端进行同步。具体实现时，同步将分为时域同步和频域同步，也可以时域和频域同时进行同步。

2.信道估计

在OFDM系统中，信道估计器的设计主要有两个问题：一是导频信息的选取。由于无线信道常常是衰落信道，需要不断对信道进行跟踪，因此导频信息也需要不断地传送；二是复杂度较低和导频跟踪能力良好的信道估计器的设计。在实际设计中，导频信息的选择和最佳估计器的设计通常都是相互关联的，因为估计器的性能与导频信息的传输方式有关。

3.编码信道和交织

为了提高数字通信系统性能，信道编码和交织是普遍采用的方法。对于衰落信道中的随机错误，可以使用信道编码；对于衰落信道中的突发错误，可以使用交织技术。实际应用中，通常同时采用信道编码和交织，进一步加强整个系统的性能。在OFDM系统中，如果信道衰落不是太严重，均衡是无法再利用信道的分集特性来改善系统性能的，因为OFDM系统自身具有，利用信道分集特性的能力，一般的信道特性信息已被OFDM这种调制方式本身所利用了。但是OFDM系统的结构却在子载波间进行编码提供了机会，形成COFDM 方式。编码可以采用各种码，如:：分组码、卷积码等，其中卷积码的效果要比分组码好。

4.降低峰值的平均功率比

由于OFDM信道时域上表现为N个正交子载波信号的叠加，当这N个信号恰好均以峰值叠加时，OFDM信号也将产生最大峰值，该峰值功率是平均功率的N倍。尽管峰值功率出现的概率较低，但为了不知真地传输这些高PAPR的OFDM信号，发送端对高功率放大器

(HPA)的线性度要求也非常高。因此，高的PAPR使得OFDM系统的性能大大下降甚至直接影响实际应用。为了解决这个问题，人们提出了基于信号畸变技术、信号扰码技术和基于信号空间扩展等降低OFDM系统PAPR的方法。

5.均衡

在一般的衰落环境下，OFDM系统的均衡不是有效改善系统性能的方法。因为均衡是补偿多径信道传输引起的码间干扰，而OFDM技术本身已经利用了多径信道的分集特性，因此在一般情况下，OFDM系统就不必再做均衡了。在高度散射的信道中，信道记忆长度很长，循环前缀的长度必须很长，才能够使ISI尽量不出现。但是，CP长度过长必然导致能量大量损失，尤其对子载波个数不是很大的系统。这是，可以考虑加均衡器以使CP的长度适当减小，即通过增加系统的复杂性换取频带利用率的提高。

3 FPGA设计流程

本文是基于FPGA设计系统，在本章节中将介绍FPGA芯片、Quartus II软件及其设计流程。

3.1 EDA简介

EDA是电子设计自动化（Electronic Design Automation）的缩写，于20世纪60年代初期提出并发展。EDA是现代电子设计技术的核心。EDA技术以计算机为工具，设计者在EDA软件平台上，用硬件描述语言完成设计文件，然后由计算机自动地完成逻辑编译、化简、分割、综合、优化、布局、布线和仿真，直至对于特定目标芯片的适配编译、逻辑映射和编程下载等工作。EDA技术的出现，极大地提高了电路设计的效率和可操作性，减轻了设计者的劳动强度，使设计者从比较繁重的设计任务中解放出来，大大的提高劳动效率。

3.2 EDA设计流程

作为一种比较新颖或者比较先进的设计思想，EDA技术首选采用自顶向下的设计方法，自顶向下的设计方法依赖于EDA技术的快速发展以及强大的EDA工具。

了解和熟悉EDA的开发设计流程对于使用EDA软件、提高设计效率等十分有效。EDA 设计流程采用自顶向下的设计方法。

图3-1 EDA设计开发流程图

EDA设计开发流程可分为六个步骤：设计输入、综合、适配、时序仿真与功能仿真、编程下载、硬件测试。

1. 设计输入

设计者可以使用HDL文本编辑或者原理图方式。原理图输入方式类似于传统的电子设计方式，在图形编辑界面上将各种功能模块组合起来。这种方式比较直观，易于理解和排错；但是，当系统的设计规模很大时，原理图输入方式就会容易出错，难以理解。而采用HDL文本输入方式就可以避免使用原理图输入方式的一切问题。由于本文的设计系统规模不是很大，采用原理图和HDL文本输入方式结合起来，充分利用两者的优势，加快系统设计的速度。

2. 综合

综合是EDA设计流程最重要的一步，因为综合是将HDL描述与硬件结构连接起来。综合的结果就是根据设定的约束条件和硬件结构进行编译，优化、转换和综合，最终生成门级电路描述网表文件。

3. 适配

适配的功能是把网表文件配置于指定的目标器件中，生成下载文件。

4. 时序仿真和功能仿真

仿真在EDA设计过程中具有重要地位。通过仿真用于验证设计和排除错误。如果仿真结果不对则继续对HDL文件或者原理图文件进行修改，直至仿真结果对为止。在本文设计中对于时序要求不高；因此，没有进行相应的时序仿真，都是进行功能仿真。

5. 编程下载

通过仿真正确后，将适配后生成的下载或配置文件下载到FPGA芯片上进行硬件调试和验证。

6. 硬件测试

在电路板系统上运行设计工程验证电路板的运行结果是否正确。

3.3 Quartus II简介

在本文设计中使用Quartus II 9.0版本完成工程设计和仿真。在此简单对Quartus II 进行介绍。Quartus II 是Altera公司的综合性PLD开发软件，支持原理图、VHDL、VerilogHDL以及AHDL等多种设计输入形式，内嵌自有的综合器以及仿真器，可以完成从设计输入到硬件配置的完整PLD设计流程。Quartus II提供了完善的用户图形界面设计方式。具有运行速度快，界面统一，功能集中，易学易用等特点。Quartus II支持Altera的IP核，包含了LPM/MegaFunction宏功能模块库，使用户可以充分利用成熟的模块，简化了设计的复杂性、加快了设计速度。

3.4 EP2C8Q208芯片介绍

因为手中只有EP2C8Q208的FPGA芯片，因此本文选用这个型号的芯片作为核心。

Altera推出的Cyclone II FPGA是Cyclone系列低成本FPGA中的最新产品。Altera

于2002年推出的Cyclone器件系列永远地改变了整个FPGA行业，带给市场第一也是唯一的以最低成本为基础而设计的FPGA系列产品。 Altera采用相同的方法在尽可能小的裸片面积下构建了Cyclone II 系列。Cyclone II FPGA系列提供了与其上一代产品相同的优势——一套用户定义的功能、业界领先的性能、低功耗但具有更多的密度和功能，极大地降低了成本。Cyclone II 器件扩展了低成本FPGA的密度，最多达68，416个逻辑单元（LE）和1.1M比特的嵌入式存储器。

Cyclone II器件的制造基于300mm晶圆，采用台积电90nm、低K值电介质工艺，这种可靠工艺也曾被用于Altera的Stratix II器件。这种工艺技术确保了快速有效性和低成本。通过使硅片面积最小化，Cyclone II器件可以在单芯片上支持复杂的数字系统，而在成本上则可以和ASIC竞争。

EP2C8Q208属于Cyclone II系列，EP2C8Q208器件的特性如下表所列：

表3-1 EP2C8Q208器件特性

3.5 本章小结

在本章节中首先介绍了EDA设计思想和设计流程，然后，对Quartus II软件进行简单扼要的介绍。这些都将是本次毕业设计所需要掌握的知识，对本次设计都起着很关键的作用。

4 系统总体方案设计

4.1 OFDM原理简介

OFDM是一种特殊的多载波传送方案，单个用户的信息流被串并变换为多个低速率码流，每个码流都用一条载波发送。OFDM 弃用传统的用带通滤波器来分隔子载波频谱的方式，改用跳频方式选用那些即便频谱混叠也能够保持正交的波形，因此我们说，OFDM 既可以当作调制技术，也可以当作复用技术。OFDM增强了抗频率选择性衰落和抗窄带干扰的能力。在单载波系统中，单个衰落或者干扰可能导致整条链路不可用，但在多载波系统中，只会有一小部分载波受影响。纠错码的应用可以帮助其恢复一些易错载波上的信息。

在传统的并行通信系统中，整个系统频带被划分为N个互不混叠的子信道，每个子信道被一个独立的信源符号调制，即N个子信道被频分复用。这种做法，虽然可以避免不同信道互相干扰但却以牺牲频带利用率为代价，这在频带资源如此紧张的今天尤其不能忍受。上个世纪中期，人们又提出了频带混叠的子信道方案，信息速率为a，并且每

个信道之间距离也为aHz，这样可以避免使用高速均衡和抗突发噪声差错，同时可以充分利用信道带宽，节省了50%。为了减少各个子信道间的干扰，我们希望各个载波间正交。这种“正交”表示的是载波的频率间精确的数学关系。如前所述，传统的频分复用的载波频率之间有一定的保护间隔，通过滤波器接收所需信息。在这样的接收机下，保护频带分隔不同载波频率，这样就使频谱的利用率低。

OFDM不存在这个缺点，它允许各载波间频率互相混叠，采用了基于载波频率正交的FFT调制，由于各个载波的中心频点处没有其他载波的频谱分量，所以能够实现各个载波的正交。尽管还是频分复用，但己与过去的FDMA有了很大的不同：不再是通过很多带通滤波器来实现，而是直接在基带处理，这也是OFDM有别于其他系统的优点之一。OFDM 的接收机实际上是一组解调器，它将不同载波搬移至零频，然后在一个码元周期内积分，其他载波由于与所积分的信号正交，因此不会对这个积分结果产生影响。OFDM 的高数据速率与子载波的数量有关，增加子载波数目就能提高数据的传送速率。OFDM每个频带的调制方法可以不同，这增加了系统的灵活性，大多数通信系统都能提供两种以上的业务来支持多个用户，OFDM适用于多用户的高灵活度、高利用率的通信系统。

本设计主要由移除CP循环前缀模块、64点FFT模块、移除导频模块、解4QAM模块、FIFO模块组成。调制好的数据信号传入移除CP模块，依次通过其他模块，保存在FIFO 中，最后传到串口输出，传给PC，在PC中显示得到的数据。

图4-1 OFDM解调流程图

4.2组成模块主要功能

4.2.1移除CP循环前缀模块

保护间隔：无线多径信道会使通过它的信号出现多径时延，这种多径时延如果扩展到下一个符号，就会造成符号问串扰，严重影响数字信号的传输质量。采用 OFDM技术的最主要原因之一是它可以有效地对抗多径时延扩展。通过把输入的数据流经过串／并

变换分配到N个并行的子信道上，使得每个用于去调制子载波的数据符号周期可以扩大为原始数据符号周期的N倍，因此时延扩展与符号周期的比值也同样可降低为1／N。在OFDM系统中，为了最大限度地消除符号间干扰，可以在每个OFDM符号之间插入保护间隔，而且该保护间隔的长度Tg一般要大于无线信道的最大时延扩展，这样一个符号的多径分量就不会对下一个符号造成干扰。

当多径时延小于保护间隔时，可以保证在FFT的运算时间长度内，不会发生信号相位的跳变。因此，OFDM接收机所看到的仅仅是存在某些相位偏移的、多个单纯连续正弦波形的叠加信号，而且这种叠加也不会破坏子载波之间的正交性。然而，如果多径时延超过了保护间隔，则在FFT运算时间长度内可能会出现信号相位的跳变，因此在第一路径信号与第二路径信号的叠加信号内就不再只包括单纯连续正弦波形信号，从而导致子载波之间的正交性有可能遭到破坏，就会产生信道间干扰(ICI)，使得各载波之间产生干扰。

由于每个OFDM 符号中都包括所有的非零子载波信号，而且也同时会出现该OFDM 符号的时延信号。这样的话，在FFT 的运算长度内第一个子载波与带有时延的第二个子载波之间的周期的个数之差不再是整数，所以在接收机解调第一个载波时，第二个子载波会对一个子载波造成干扰。同样，接收机对第二子载波进行解调时，也会存在来自第一子载波的干扰。

图4-2 多径情况下空闲保护间隔在子载波间造成的干扰图

为了消除由于多径所造成的信道间干扰，OFDM 符号需要在其保护间隔内填入循环前缀信号，如图2.5。这样就可以保证在FFT周期内，OFDM符号的延时副本内所包含的波形的周期数也是整数。这样时延小于循环前缀长度的时延信号就不会在解调过程中产生信道间干扰。换句话说，加入CP后，当CP的长度大于最大时延扩展，既可以消除码

间干扰，也可以消除信道干扰。我们最后得到的OFDM 系统框图如下图所示

图4-3 循环前缀图

因为OFDM 的调制器中插入了CP 循环前缀模块，所以需要去除循环前缀模块，恢复原来的数据形式。

4.2.2 FFT 模块

离散傅立叶变换(DFT)在数字信号处理中应用十分广泛，它建立了离散时域和离散频域之间的联系，FFT 算法是DFT 的快速算法，可大大减少计算次数，是计算量减少到只是直接用DFT 所需计算量的一小部分。我们在仿真中，直接利用FFT 函数对数据进行傅立叶（逆）变换。

傅立叶变换将时域与频域联系在一起，傅立叶变换的形式有几种，选择哪种形式的傅立叶变换由工作的具体环境决定。大多数信号处理使用离散傅立叶变换（DFT ）。DFT 是常规变换的一种变化形式，其中，信号在时域和频域上均被抽样。由DFT 的定义，时间上波形连续重复，因此导致频域上频谱的连续重复。快速傅立叶变换FFT 仅是DFT 计算应用的一种快速数学方法，由于其高效性，使OFDM 技术发展迅速。

对于N 比较大的系统来说，OFDM 复等效基带信号可以采用离散傅立叶逆变换（IDFT ）方法来实现。为了叙述的简洁，对于信号)(t s 以N T 的速率进行抽样，即令N kT t =)1,,1,0(-???=N k ，则得到:

(4-1)

可以看到k s 等效为对i d 进行IDFT 运算。同样在接收端，为了恢复出原始的数据符号i d ，可以对k s 进行逆变换 ，即DFT 得到：

(4-2)

根据以上分析可以看到，OFDM 系统的调制和解调可以分别由IDFT 和DFT 来代替。通过N 点的IDFT 运算，把频域数据符号i d 变换为时域数据符号k s ,经过射频载波调制之后，发送到无线信道中。其中每个IDFT 输出的数据符号k s 都是由所有子载波信号经过叠加而生成的，即对连续的多个经过调制的子载波的叠加信号进行抽样得到的。

在OFDM 系统的实际运用中，可以采用更加方便快捷的快速傅立叶变换（IFFT/FFT ）。N 点IDFT 运算需要实施2N 次的复数乘法，而IFFT 可以显著的降低运算的复杂度。对于常用的基-2 IFFT 算法来说，其复数乘法次数仅为()()N N 2log 2，但是随着子载波个数N 的增加，这种方法复杂度也会显著增加。对于子载波数量非常大的OFDM 系统来说，可以进一步采用基-4的IFFT 算法来实施傅立叶变换。

4.2.3 移除导频模块

在接收机中，虽然利用接收到的短训练序列、长训练序列可以进行信道均衡、频率偏差校正，但符号还会存在一定的剩余频率偏差，且偏差会随着时间的积累而积累，会造成所有子载波产生一定的相位偏差，因此，还需要不断地对参考相位进行跟踪。

所有在每个OFDM 符号内，去除调制端所加入的导频模块，让数据进一步靠近它的原来形式。

4.2.4 解4-QAM 模块

星座映射是指将输入的串行数据，先做一次调制，再经由FFT 分布到各个子信道上去。调制的方式可以有许多种，包括BPSK 、QPSK 、QAM 等。

OFDM 中的星座映射，其实只是一个数值代换的过程。比如输入为“00”，输出就是“-1+1i ”。它为原来单一的串行数据引入了虚部，使其变成了复数。这样一方面可以进行复数的FFT 变换，另外，进行星座映射后，为原来的数据引入了冗余度。因为从原来的一串数，现在变成了由实部和虚部组成的两串数。引入冗余度的意义在于以牺牲效率的方式降低误码率。通过牺牲效率来换取可靠性在通信上是一种非常经典的思想。

在QAM （正交幅度调制）中，数据信号由相互正交的两个载波的幅度变化表示。模拟信号的相位调制和数字信号的PSK （相移键控）可以被认为是幅度不变、仅有相位变化的特殊的正交幅度调制。因此，模拟信号频率调制和数字信号的FSK （频移键控）也可以被认为是QAM 的特例，因为它们本质上就是相位调制。这里主要讨论数字信号的QAM ，虽然模拟信号QAM 也有很多应用，例如NTSC 和PAL 制式的电视系统就利用正交的载波传输不同的颜色分量。

QAM 是一种矢量调制，将输入比特先映射（一般采用格雷码）到一个复平面（星座）上，形成复数调制符号，然后将符号的I 、Q 分量（对应复平面的实部和虚部，也就是水平

和垂直方向）采用幅度调制，分别对应调制在相互正交（时域正交）的两个载波（coswt 和sinwt）上。这样与幅度调制（AM）相比，其频谱利用率将提高1倍。QAM是幅度、相位联合调制的技术，它同时利用了载波的幅度和相位来传递信息比特，因此在最小距离相同的条件下可实现更高的频带利用率，QAM最高已达到1024-QAM（1024个样点）。样点数目越多，其传输效率越高。

QAM调制器的原理是发送数据在比特/符号编码器（也就是串–并转换器）内被分成两路，各为原来两路信号的1/2，然后分别与一对正交调制分量相乘，求和后输出。接收端完成相反过程，正交解调出两个相反码流，均衡器补偿由信道引起的失真，判决器识别复数信号并映射回原来的二进制信号。

理解了4-QAM的知识。简单的说解4-QAM模块，其实就是4-QAM的一个逆过程，就是将复数形式的数据，变回调制前的串行数据。

4.2.5 FIFO模块

FIFO模块是用来存储解调结束的数据，当FIFO存到一定数据时，就通过串口传输给PC机，在PC机中显示出来。

FIFO是英文First In First Out 的缩写，是一种先进先出的数据缓存器，他与普通存储器的区别是没有外部读写地址线，这样使用起来非常简单，但缺点就是只能顺序写入数据，顺序的读出数据，其数据地址由内部读写指针自动加1完成，不能像普通存储器那样可以由地址线决定读取或写入某个指定的地址。

FIFO的一些重要参数

FIFO的宽度：也就是英文资料里常看到的THE WIDTH，它指的是FIFO一次读写操作的数据位，就像MCU有8位和16位，ARM 32位等等。

FIFO的深度：THE DEEPTH，它指的是FIFO可以存储多少个N位的数据（如果宽度为N）。如一个8位的FIFO，若深度为8，它可以存储8个8位的数据，深度为12 ，就可以存储12个8位的数据。

满标志：FIFO已满或将要满时由FIFO的状态电路送出的一个信号，以阻止FIFO 的写操作继续向FIFO中写数据而造成溢出（overflow）。

空标志：FIFO已空或将要空时由FIFO的状态电路送出的一个信号，以阻止FIFO 的读操作继续从FIFO中读出数据而造成无效数据的读出（underflow）。

读指针：指向下一个读出地址。读完后自动加1。

写指针：指向下一个要写入的地址的，写完自动加1。

对于FIFO，读写指针都指向一个内存的初始位置，每进行一次读写操作，相应的指针就递增一次，指向下一个内存位置。当指针移动到了内存的最后一个位置时，它又重新跳回初始位置。在FIFO非满或非空的情况下，这个过程将随着读写控制信号的变化