基于FPGA的OFDM系统研究

　　第四代移动通信（4G 或称为Beyond 3G）中将提供高达100Mbit/s 甚至更高的数据传输速率，能够满足人们从语音扩展到数据、图像、视频等大量信息的高质量的多媒体业务。随着无线通信业务的飞速发展，为了在可用频带日趋紧张的情况下提高频带利用率，正交频分复用OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）技术已成为第四代移动通信系统的技术。

　　实际上OFDM是MCM Multi-CarrierModulation，多载波调制的一种。其主要思想是：将信道分成若干正交子信道，将高速数据信号转换成并行的低速子数据流，调制到在每个子信道上进行传输。正交信号可以通过在接收端采用相关技术来分开，这样可以减少子信道之间的相互干扰 ICI 。每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽，因此每个子信道上的可以看成平坦性衰落，从而可以消除符号间干扰。而且由于每个子信道的带宽仅仅是原信道带宽的一小部分，信道均衡变得相对容易。本文基于802.16a协议的原理架构，建立了一个基于FPGA的可实现流水化运行的OFDM系统的硬件平台，包括模拟前端及OFDM调制器及OFDM 解调器，用来实现OFDM的远距离无线传输系统。

　　1 模拟前端

　　模拟前端主要包括发送端DA模块、接收端AD模块和射频模块。

　　发送端DA模块主要由XILINX公司的FPGA－XC2V1000芯片和数模转换芯片AD9765、滤波器和放大器构成，基带处理调制后数据在控制时钟同步下送入FPGA进行降峰均比等算法的处理，然后经过交织将其送入AD9765进行数模转换并上变频到70MHz，输出的模拟信号再经声表滤波器后放大进入下射频模块。发送端DA模块硬件结构框图如图1所示。

　　接收端AD模块主要由增益放大器、带通滤波、采样芯片AD9238和数字下变频器GC1012构成。AD模块的主要功能是完成中频信号的采样和数字下变频，在FPGA XC2V1000中完成符号同步算法，其输出送OFDM解调器。接收端AD模块硬件结构框图如图2所示。

　　射频模块工作在70MHz中频上，射频模块的功能是将完成调制的中频信号搬移到射频波段上，或者将空中的接收信号下变频到模拟前端所需的中频波段上。

　　2 OFDM 调制器实现架构

　　在OFDM系统中，OFDM调制器主要完成OFDM数据的调制。图3为OFDM调制器的结构框图。OFDM的调制器采用N=120个数据子信道，8个导频信道。120个数据子信道都采用 QPSK的信道调制，8个导频信道采用BPSK的信道调制。为了使用基带传输，进行添零处理（添加128个0），使频带扩展1倍。经过逆序处理后，采用256点的IFFT进行 OFDM调制。系统时钟为80MHz，用 FPGA 完成数据的编码和调制，以读时钟为500kHz的速率送往 D/A。

　　在FPGA中，按照具体的参数要求实现了OFDM系统中的调制功能，其工作流程为：数据发生器（M序列产生器）发送数据，串并转换后存储在 256×2位的RAM_in中，当接收够一帧数据所需要的信息量后，从RAM_in中读取数据进行QPSK映射、过采样添零，随后插入导频模块，先从数据输出模块中读取同步头发送，同步头发送完成后，再从RAM_ou1或者RAM_ou2中读取循环前缀和数据块；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，处理到第10包数据，则通知外部控制器一帧数据处理完成。

　　3 OFDM 解调器实现架构

　　在OFDM系统中，解调器主要是对接收 A/D 采样来的数据进行解调。图4为OFDM解调器的结构框图。

　　在FPGA中，按照参数要求实现：将从A/D以500kHz的速率采样来的数据存入 RAM 当中，当接收到第64个帧头数据时，开始计算局部自相关函数；每接收到一个帧头数据，取出8位，计算x（i）*x（i+j），并存储、判断，是否有相关值，如果有，则判断计数器加1，在一个帧头短前导字部分中，共有10个短前导字片，每一片为64个采样点；当接收到第640个数据后，判断累加器是否超过了门限值640×3，如果累加门限值达到1920，则认为有帧到达，表示粗同步结束，准备接受长前导字，进行细同步和频偏估计计算，然后去除循环前缀，去除添加的零和导频信息；经过QPSK的反映射和并串转换后，还原成原始数据读出，并等下一帧数据的接收。

　　4 系统调试与性能分析

　　采用OFDM技术的无线城域网通信系统是一个比较复杂的系统。利用Matlab仿真完成系统可行性论证后，需要考虑如何利用FPGA完成这个算法流程，这需要考虑采用特定FPGA进行运算时有限字长以及浮点运算的特点和系统所占用的FPGA资源，以保证系统的规模不至于过大而超过特定FPGA计算的存储能力。经过在硬件设备上的调试，终完成采用OFDM技术的城域网无线通信系统。

　　4.1 IFFT模块

　　发送端系统的主时钟频率设计为80MHz，整体采用同步时序逻辑。发送端M序列的产生速率设定为80Mbps。送往D/A的数据速率设定为500kHz。IFFT 模块采用流水线结构的算法，计算256点 IFFT需要128×8个蝶型单元，合计需要40 960个时钟，加上输入输出所占用的时间，总共约需要41 216个时钟周期。在数据输出模块，其输入是 IFFT 模块的输出，它的输出速率由 D/A控制。在FPGA中，OFDM调制器的逻辑单元的使用情况见表1，OFDM解调器的逻辑单元的使用情况见表2， IFFT的运算结果见图5。

　　在表1和表2中，调制器和解调器中所含有的引脚数过多，主要原因是在这些引脚中还含有很多用于调试和测量的引脚，在整个系统调试时，可以将调试和测量用的引脚去掉，只留有数据、地址和控制引脚。

　　在开发工程中，主要用到的开发工具由 Altera 公司的QuartusII 及Mathworks 公司的 Matlab。

　　验证过程如下：

　　·Matlab随机生成一组128个复数，然后按照 OFDM 帧格式插入0得到256复数点的一个符号，并写入文件（如 datain.dat）；

　　在UltraEdit中打开ifftt.tbl、datain.dat,用datain.dat 中的随机数代替ifft.tbl 中的 I&Q 数据，保存ifft.tbl；

　　在QuartusII中打开 ifft.tbl，将I&Q复制到 ifft.vwf 中，开始运行仿真；

　　·将仿真结果另存为dataout.tbl,用Matlab读取与原数据在Matlab下的IFFT变换结果进行比较分析。

　　给出一组随机数据输入，经过FPGA中的IFFT模块变换得到时域幅度如图6（实部）、图7（虚部）所示。

　　而将同样的随机数经过MATLAB变换，得到的时域幅度如图8（实部）、图9（虚部）所示。

　　实际测量与仿真计算的方差分析如图10（实部）、图11（虚部）所示。两者结果基本一致。

　　4.2 帧到达检测同步模块

　　对于帧到达检测同步系统，要求尽可能在较短的时间内建立同步，并且在帧同步建立后应有较强的抗干扰能力。通常用漏同步概率P1、假同步概率P2和同步平均建立时间ts三个性能指标来表示同步性能的优劣。在同步系统处于捕获阶段时，设置自动判决门限为7；在帧同步建立以后，则把判决门限降为6，这样做一方面减少了假同步的概率，另一方面减少了漏同步的概率。

　　漏同步概率P1：

　　假设系统的误码率为P，7位码全部正确的概率是（1-P）7，因此判决门限电平为7时的漏同步概率为P1=1-（1-P）7。若将判决门限改为6，此时允许有一位错码，出现一位错码的概率为C71P1（1-P）6。漏同步概率为P1=1-[（1-P）7+C71P1（1-P）6]。一般地，设帧同步码组数目为n，判决器容帧同步码组中的错码数为m，则漏同步概率为：

　　从前面的帧同步系统的设计可以了解到，识别器只能被动地识别与帧同步码组相同的码组，如果在信息码组中也出现了与帧同步码组相同的码组，这时识别器会把它误认为帧同步码组而出现假同步。

　　比较式（1）和式（2）可以看出，当m增大时，P1减小，P2增大，两者是矛盾的，另外还可以看出，当n增大时，P1增大，而P2减小，两者也是矛盾的。因此m和n的选择要兼顾P1和P2的要求。

　　平均同步建立时间ts：

　　假设漏同步和假同步都不发生，即P1＝0，P2＝0。在坏的情况下，实现帧同步多需要一帧的时间。若一帧的码元为N，码元宽度为Tb，则长的帧时间为NTb。如果同时出现漏同步和假同步，需要额外的同步建立时间，由此得到帧同步平均建立时间为：

　　ts＝（1＋P1＋P2）×NTb

　　4.3 数据传输速率评价

　　经过实际测试，针对256点结合QPSK调制，每解调出一个符号平均所需要的指令周期为41 216个时钟周期，即512μs。对此实际调试情况，分析其实测参数数据如下：

　　一个OFDM符号内包含的比特数为：1/2（卷积码）×2bit（QPSK）×120（用户子载波）+2bit（BPSK）×8（导频子载波数）=136bit，则除去导频开销，能够用于数据传输的空中数据率为：

　　由此可见，实际测试的数据传输速率达到本系统要求（150kbps），表明此OFDM基带处理系统的数据传输性能充分满足所制定的标准。

　　本文建立的基于FPGA的可实现流水化运行的OFDM系统的硬件平台，经系统调试和性能评价，符合设计要求，该硬件平台的实现使得低成本高速OFDM调制设备的实现成为可能。

  

参考文献:

[1]. 4G  datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/4G+_2235814.html.
[2]. XC2V1000 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/XC2V1000_726857.html.
[3]. AD9765 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/AD9765_965039.html.
[4]. AD9238 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/AD9238_965030.html.