崔麗珍，王慧琴，馬 勇

（內(nèi)蒙古科技大學(xué)信息工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010）

基于FPGA的OFDM調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

崔麗珍，王慧琴，馬 勇

（內(nèi)蒙古科技大學(xué)信息工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010）

正交頻分復(fù)用（OFDM）是第四代移動(dòng)通信的核心技術(shù)，該技術(shù)在高速數(shù)據(jù)傳輸中得到了廣泛的應(yīng)用。文章給出了正交頻分復(fù)用系統(tǒng)的基本模型和該系統(tǒng)所采用的調(diào)制與解調(diào)方法；根據(jù)OFMD的特點(diǎn)，本設(shè)計(jì)提出了一種基于IFFT/FFT的OFDM調(diào)制解調(diào)器的低成本FPGA的實(shí)現(xiàn)方法。在ISE環(huán)境下完成對(duì)OFDM無線通信系統(tǒng)中快速傅里葉變換算法的仿真, 仿真結(jié)果表明快速傅里葉變換在OFDM技術(shù)中具有一定的使用價(jià)值。實(shí)踐證明，該方法具有設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、快速、高效和實(shí)時(shí)性等特點(diǎn)。

OFDM；調(diào)制；解調(diào)；FFT；IFFT

1 引言

為解決無線通信系統(tǒng)中多徑衰落和加性噪聲等問題，采用以正交頻分復(fù)用為核心技術(shù)的OFDM無線通信系統(tǒng)。OFDM無線通信系統(tǒng)是一種多載波并行傳輸系統(tǒng)，通過延長(zhǎng)傳輸符號(hào)的周期，可增強(qiáng)其抵抗回波的能力。與傳統(tǒng)的均衡器比較，它最大的特點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉，是一種有潛力的技術(shù)。本文將主要闡述快速傅里葉變換在OFDM系統(tǒng)調(diào)制解調(diào)方面的可能應(yīng)用。

OFDM技術(shù)是一種高頻帶利用率的多載波調(diào)制技術(shù)，它在提高頻帶利用率的同時(shí)也能有效地抵抗字符間干擾。目前OFDM技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于廣播式的音頻、視頻領(lǐng)域和民用通信系統(tǒng)。在OFDM系統(tǒng)中引入了正交的子載波，使得它的頻帶利用率比以前任何一種調(diào)制技術(shù)都要高。

此外，OFDM還易于結(jié)合編碼、分集、干擾抑制及智能天線等新技術(shù)，提高物理層信息傳輸?shù)目煽啃?。如果再結(jié)合自適應(yīng)調(diào)制、自適應(yīng)編碼以及動(dòng)態(tài)子載波分配等技術(shù)，可以進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)性能。

2 IFFT/FFT在OFMD中的應(yīng)用

快速傅里葉變換是一個(gè)相對(duì)成熟和完善的算法，該算法因其方便、快捷和有效性在很多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。傅里葉變換獨(dú)特的蝶型運(yùn)算不僅在現(xiàn)有的通信與信號(hào)處理方面具有很強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，在OFDM系統(tǒng)中同樣也能起到一定的作用。

OFDM的基帶系統(tǒng)框圖如圖1所示， OFDM系統(tǒng)的調(diào)制和解調(diào)分別由IFFT和FFT完成。

本設(shè)計(jì)采用Xilinx的IP核FFT V5.0實(shí)現(xiàn)IFFT功能。FFT核提供四種不同的結(jié)構(gòu)：“Pipelined，Steaming I/O”項(xiàng)對(duì)應(yīng)著流水線連續(xù)I/O模式，“Radix-4，Burst I/O”對(duì)應(yīng)著基4的突發(fā)I/O算法，“Radix-2，Burst I/O”和 “Radix-2Lite，Burst I/O”對(duì)應(yīng)著基2算法。我們?cè)O(shè)計(jì)采用64點(diǎn)Pipelined，Streaming I/O項(xiàng)。

FTT核的模塊框圖如圖2所示，根據(jù)使用要求，對(duì)FFT核的參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)設(shè)置。由于FFT核進(jìn)行傅里葉變換的方向、點(diǎn)數(shù)和蝶形運(yùn)算的縮放比例因子都是實(shí)時(shí)可配置的，在每次發(fā)送數(shù)據(jù)開始前進(jìn)行整個(gè)處理器的全局復(fù)位時(shí)對(duì)這3個(gè)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。本設(shè)計(jì)FFT核所有參數(shù)設(shè)置如表1所示。

3 在ISE環(huán)境下的仿真結(jié)果

在ISE環(huán)境下，綜合完成之后，可以通過雙擊View RTL Schematics來查看RTL級(jí)結(jié)構(gòu)圖，ISE會(huì)自動(dòng)調(diào)用原理圖編輯器ECS來瀏覽RTL結(jié)構(gòu)。本設(shè)計(jì)所得到的RTL級(jí)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示，通過分析該結(jié)構(gòu)圖，我們發(fā)現(xiàn)綜合結(jié)果符合本設(shè)計(jì)的意圖。

對(duì)工程文件進(jìn)行綜合、布局布線后仿真，得到如圖4的仿真結(jié)果。從圖中我們可以看出由于rfd信號(hào)一直為高，說明FFT核一直通過xn_re、xn_im加載輸入，因此dv信號(hào)也一直為高，表明輸出有效。每隔16個(gè)周期，edone信號(hào)變高，且在下一個(gè)周期d o n e信號(hào)變高，符合核信號(hào)的時(shí)序特征。利用MATLAB對(duì)輸出結(jié)果分析，發(fā)現(xiàn)該仿真結(jié)果符合設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)束語

本文提出了基于FPGA的OFDM無線通信系統(tǒng)調(diào)制解調(diào)模塊的快速算法。在ISE環(huán)境下運(yùn)用IP核實(shí)現(xiàn)了該算法，并對(duì)OFDM無線通信系統(tǒng)中快速傅里葉變換算法進(jìn)行仿真，其仿真結(jié)果符合設(shè)計(jì)要求。

［1］佟學(xué)儉.OFDM移動(dòng)通信技術(shù)原理與應(yīng)用[M].北京：人民郵電出版社，2003.

［2］丁玉美，高西全，等.數(shù)字信號(hào)處理（第2版）[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2000.

［3］史治國(guó)，洪少華，等.基于XILINX FPCA的OFDM通信系統(tǒng)基帶設(shè)計(jì)[M].杭州：浙江大學(xué)出版社，2009.

［4］田耘，敘文波，等.Xilinx ISE Design Suite 10.x FPGA開發(fā)指南[M].北京：人民郵電出版社，2008.

［5］樊昌信，張甫翊，吳成柯，等.通信原理（第5版）[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2001.

［6］夏宇聞.Verilog數(shù)字設(shè)計(jì)教程[M]. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2003.

［7］李建.OFDM基帶調(diào)制系統(tǒng)在FPGA上的實(shí)現(xiàn)[D].東南大學(xué).2004.

［8］EDA先鋒工作室編著.FPGA/CPLD設(shè)計(jì)工具——Xilinx ISE 5.x使用詳解[M].北京：人民郵電出版社，2003.

［9］S He, M Torkelson. Designing pipeline FFT processor for OFDM (de)modulation[J].ISSSE, 1998.257-262.

Application of IFFT/FFT in OFDM Systems

CUI Li-zhen, WANG Hui-qin, MA Yong
（Information Engineering Institute,Inner Mongolia University of Technology,Baotou014010,China）

OFDM is the key technology of 4G in the mobile communication and the technology in high-speed data transmission has been widely used. This paper gives the basic model of orthogonal frequency division multiplexing system and the system used by the method of modulation and demodulation. According to the characteristics of OFDM, the design proposes a low-cost FPGA implementation way of OFDM modem based on IFFT/FFT. In the ISE environment, this paper simulates fast Fourier transform of OFDM wireless communication system. The simulation result shows the definite importance of IFFT/FFT to OFDM in practical application. The experiences show that the method is simple, fast, efficient and real time and so on.

OFDM; modulation; demodulation; FFT; IFFT

TN402

A

1681-1070（2010）09-0046-03

2010-04-17

崔麗珍（1968-），女，內(nèi)蒙古包頭市人，碩士，教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)镈SP、FPGA應(yīng)用和現(xiàn)代通信技術(shù)；

王慧琴（1984-），女，內(nèi)蒙古包頭市人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)楝F(xiàn)代通信技術(shù)和FPGA應(yīng)用；

馬 勇（1986-），男，山東菏澤人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)閿?shù)字信號(hào)處理和現(xiàn)代通信技術(shù)。