殷嚴(yán)剛，王小華，何富運(yùn)

(廣西師范大學(xué)電子工程學(xué)院，廣西桂林541004)

基于FPGA技術(shù)實(shí)現(xiàn)的OFDM基帶調(diào)制系統(tǒng)*

殷嚴(yán)剛*，王小華，何富運(yùn)

(廣西師范大學(xué)電子工程學(xué)院，廣西桂林541004)

OFDM基帶調(diào)制的目的是將高速的串行數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換成并行的低速數(shù)據(jù)流，再調(diào)制到頻譜是正交重疊的子載波上進(jìn)行傳輸，以便于提高頻譜利用率。OFDM可以采用IFFT/FFT實(shí)現(xiàn)調(diào)制解調(diào)，在本設(shè)計(jì)中采用FPGA技術(shù)可以比較容易地實(shí)現(xiàn)OFDM通信系統(tǒng)的的調(diào)制器部分。整個(gè)系統(tǒng)包括RS編碼、交織、QAM星座映射，IFFT和插入CP等模塊，經(jīng)過仿真驗(yàn)證:提高了系統(tǒng)的處理速度，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

正交頻分復(fù)用;現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列;頻譜;QAM星座映射

OFDM是一種高速的無線傳輸技術(shù)，雖然OFDM的理論發(fā)展很早就已經(jīng)提出，并且已經(jīng)邁向成熟，但是又在相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)OFDM理論在邁向?qū)嵺`的進(jìn)程變得相當(dāng)緩慢。如果想直接產(chǎn)生OFDM信號(hào)，就需要用到載波發(fā)生器、濾波器和相干調(diào)制器，所以當(dāng)N很大時(shí)，可以看出實(shí)現(xiàn)OFDM的系統(tǒng)會(huì)是多么的復(fù)雜。因此OFDM的技術(shù)設(shè)備的復(fù)雜度成為了其主要制約因素。雖然在七十年代提出OFDM的調(diào)制解調(diào)可以利用IDFT/DFT快速實(shí)現(xiàn)，在很大程度上降低了系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度，但直到大規(guī)模集成電路的出現(xiàn)才使OFDM技術(shù)的得到了更廣泛的應(yīng)用。

目前的IFFT/FFT計(jì)算使得調(diào)制解調(diào)更為高速，而今基于IFFT/FFT的OFDM通信系統(tǒng)也是已經(jīng)比較成熟了。

1 OFDM調(diào)制器的整體結(jié)構(gòu)功能描述

該調(diào)制器是以 IFFT為核心的，主要是實(shí)現(xiàn)OFDM的調(diào)制，待處理的基帶信號(hào)經(jīng)過RS編碼、塊交織，添零、16QAM映射、IFFT，插入CP處理后，即完成了 OFDM的調(diào)制。系統(tǒng)模塊劃分如下圖1所示。

圖1 OFDM整體系統(tǒng)框圖

在該系統(tǒng)中，RS編碼器和塊交織器組成的信道編碼部分，以此提高系統(tǒng)的抗干擾能力，增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性。添零模塊和16QAM映射器是將傳輸數(shù)據(jù)調(diào)制成為合適進(jìn)行IFFT的數(shù)據(jù)?；贔PGA系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包括有Reed Solomon編碼器、數(shù)據(jù)緩存器、塊交織器、添零模塊、16QAM星座的映射和IFFT實(shí)現(xiàn)模塊。

2 OFDM基帶調(diào)制系統(tǒng)的FPGA實(shí)現(xiàn)

2.1 Reed Solomon編碼器實(shí)現(xiàn)

Reed Solomon編碼器，又簡(jiǎn)稱RS編碼器。RS編碼是在代數(shù)編碼理論的總體框架上實(shí)現(xiàn)編碼和解碼的過程，中心思想是將原始數(shù)據(jù)流映射到抽象的多項(xiàng)式上，在映射的過程進(jìn)行一系列的數(shù)學(xué)運(yùn)算。RS編碼具有很好的容錯(cuò)能力，它是一種線性塊編碼，表示為RS(N，K)。其意義是當(dāng)收到一列信息數(shù)據(jù)時(shí)，將其分為若干個(gè)長(zhǎng)度為K的數(shù)據(jù)塊，在經(jīng)過編碼成為長(zhǎng)度為N的數(shù)據(jù)塊。其糾錯(cuò)能力的計(jì)算表達(dá)式為N-K=2T，T表示最多可以糾正T個(gè)隨機(jī)錯(cuò)誤符號(hào)。在RS碼中的碼元符號(hào)不是二進(jìn)制而是多進(jìn)制符號(hào)，一般2M進(jìn)制的使用更為廣泛。

在OFDM系統(tǒng)中的信道編碼使用的RS編碼器是用Altera的MegaCore實(shí)現(xiàn)。使用的版本為Reed Solomon Complier V9.0。參數(shù)設(shè)置為編碼后每個(gè)數(shù)據(jù)包6個(gè)Codeword，每個(gè)Symbol為4個(gè)bit，其中4個(gè)Symbol為被編碼的數(shù)據(jù)，2個(gè)是用來糾錯(cuò)的冗余數(shù)據(jù)。由公式N-K=2T可知，只要錯(cuò)誤在兩個(gè)數(shù)據(jù)之內(nèi)，都是可以糾正過來的。

在這個(gè)模塊中，引腳rsin［4..1］是數(shù)據(jù)輸入端，rsout［4..1］數(shù)據(jù)輸出端，數(shù)據(jù)位寬設(shè)置為4 bit。

通過基于QuartusⅡ9.0仿真，其中數(shù)據(jù)包的長(zhǎng)度為:9;3，4，5，6，7為送入編碼器編碼的5個(gè)數(shù)據(jù)。5，2，0，7為用來糾錯(cuò)的4個(gè)冗余數(shù)據(jù)。

因?yàn)榭紤]到這個(gè)OFDM系統(tǒng)更多的是示意性的系統(tǒng)，另外，要修改RSMegaCore的參數(shù)也是很方便的。所以這里RS編碼器的參數(shù)設(shè)置也就不用考慮到其他更多的問題。

2.2 數(shù)據(jù)緩存器

數(shù)據(jù)緩存器是要收集36個(gè)從經(jīng)過RS編碼器編碼的數(shù)據(jù)，然后作為一個(gè)數(shù)據(jù)包送到塊交織器處理。該模塊用容量為4bit×64word的FIFO緩存數(shù)據(jù)，用計(jì)數(shù)器控制36個(gè)數(shù)據(jù)的收集及發(fā)送。

2.3 塊交織器

數(shù)字通信中一般采取的交織有塊交織和卷積交織兩種，在本中采用的是塊交織，塊交織也叫做矩陣行列轉(zhuǎn)置法，它是類似使用一個(gè)二維的矩陣序列存儲(chǔ)器。交織工程是先按行寫入數(shù)據(jù)，然后在按列讀出數(shù)據(jù)。

2.4 添零模塊

因?yàn)楹竺嬉M(jìn)行64點(diǎn)的IFFT，而從交織器出來的數(shù)據(jù)包只有36個(gè)word，所以要為每個(gè)數(shù)據(jù)包插入28個(gè)0，將數(shù)據(jù)包擴(kuò)展到64點(diǎn)。

2.5 16QAM星座的映射

OFDM作為一種多載波調(diào)制方式，其每個(gè)子載波所使用的調(diào)制可以不同，各個(gè)子載波根據(jù)信道狀況的不同選擇不同的調(diào)制方式，如BPSK、QPSK、8PSK、16QAM、64QAM等。

這里選擇使用16QAM的映射，一是它的效率要比 QPSK、8PSK的調(diào)制效率要高，二是它比64QAM的實(shí)現(xiàn)要簡(jiǎn)單。主要作用是使數(shù)據(jù)流引入復(fù)數(shù)數(shù)據(jù)流以便進(jìn)行IFFT的處理。

2.6 IFFT實(shí)現(xiàn)

IFFT是整個(gè)OFDM系統(tǒng)的核心，它實(shí)現(xiàn)了多載波正交的調(diào)制。前面我們也提到過這個(gè)調(diào)制系統(tǒng)的系統(tǒng)正是基于FFT/IFFT的。借助Altera公司提供的IFFT/FFT的IPCore可以快速地完成設(shè)計(jì)任務(wù)。本設(shè)計(jì)中采用的是FFT MegaCore V2.2.1版本，這里調(diào)用的是64點(diǎn)的IFFT，數(shù)據(jù)位長(zhǎng)設(shè)置為10。

其中data_real_in［9..0］、data_imag_in［9..0］是數(shù)據(jù)實(shí)部和虛部數(shù)據(jù)的輸入端;data_real_out［9.. 0］、data_imag_in［9..0］分別是IFFT后數(shù)據(jù)實(shí)部和虛部數(shù)據(jù)的輸出端。inv_i是IFFT/FFT模式選擇引腳，當(dāng)inv_i置為高電平輸入時(shí)為IFFT，置為低電平時(shí)為FFT。

3 OFDM調(diào)制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)及仿真

系統(tǒng)數(shù)據(jù)流是從左往右被發(fā)送處理，但整個(gè)系統(tǒng)搭建完畢之后，顯得非常之長(zhǎng)，為了方便截圖，將其布局為兩個(gè)梯層。從16QAM星座映射出來后的復(fù)數(shù)數(shù)據(jù)流和實(shí)數(shù)數(shù)據(jù)流都引出了輸出端口，方便查看數(shù)據(jù)流的變化。

整個(gè)系統(tǒng)的仿真用的是100 M的時(shí)鐘，從上圖3可以看出數(shù)據(jù)流經(jīng)過16QAM星座映射、IFFT、插入CP都有一定的輸出延時(shí)，這是由于程序結(jié)構(gòu)和FPGA內(nèi)部結(jié)構(gòu)所決定的。這里使用的是QuartusⅡ的功能仿真，因?yàn)槭且粋€(gè)示意性的系統(tǒng)，所以也沒有多大必要使用時(shí)序仿真。

仿真所選用的器件是 Altera的 Cyclone系列EP2C35U484C6器件。這個(gè)OFDM調(diào)制系統(tǒng)占用3487個(gè)邏輯單元和3032個(gè)寄存器，使用了81個(gè)I/O腳。

圖2 OFDM調(diào)制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)圖

圖3 OFDM調(diào)制系統(tǒng)仿真波形

4 總結(jié)

本設(shè)計(jì)采用FPGA技術(shù)，在QuartusⅡ軟件開發(fā)平臺(tái)上，利用Verilog HDL硬件描述語言，再結(jié)合Altera公司的 MegaCore IP技術(shù)，在軟件上實(shí)現(xiàn)了OFAM信號(hào)調(diào)制器的仿真。其中的RS編碼器和IFFT模塊通過調(diào)用Altera公司的IP core來實(shí)現(xiàn)，整個(gè)設(shè)計(jì)通過測(cè)試，穩(wěn)定性高，消耗資源少，便宜移植。

［1］汪裕民.OFDM關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2007:1.

［2］田耕，徐文波，張延偉，等.無線通信PGGA設(shè)計(jì)［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2008:2.

［3］李廣軍，孟憲遠(yuǎn).可編程ASIC設(shè)計(jì)及應(yīng)用［M］.成都:電子科技大學(xué)出版社，2000:10.

［4］胡銳.OFDM基帶調(diào)制系統(tǒng)在FPGA上的實(shí)現(xiàn)［D］.南京:東南大學(xué)，2004.

Based on FPGA Achieve OFDM Baseband M odulation System*

YIN YanGang*，WANG XiaoHua，HE FuYun
(Eelectronic Eengineering of College，Guangxi Normal University，Guilin Guangxi541004，China)

The target of OFDM is high-speed serial data stream into low-speed parallel data streams，and modulation spectrum is to transmit the orthogonal subcarriers overlap，so the spectrum utilization rate is advanced.And OFDM can be used to achieve IFFT/FFTmodulation and demodulation，realized easily by FPGA technology.The design is based on FPGA technology to realize themodulator part of OFDM communication system，which includes RS coding，interleaving，constellation mapping，QAM，IFFT and inserted into the CPmodule.The speed of system can be improved and it has higher application value by the simulation.

orthogonal frequency division multiplexing;field programmable gate array;frequency spectrum;QAM

10.3969/j.issn.1005-9490.2014.01.022

TN76 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1005-9490(2014)01-0089-03

項(xiàng)目來源:科技人員服務(wù)企業(yè)行動(dòng)項(xiàng)目(2009GJE10006)

2013-04-23修改日期:2013-06-10

EEACC:1250;6120

殷嚴(yán)剛(1981-)，男，講師，漢族，湖南邵東，講師，廣西第四批科技特派員，主要研究領(lǐng)域?yàn)樾畔⑻幚砼c測(cè)控技術(shù);

王小華(1980-)，男，苗族，湖南隆回人，廣西師范大學(xué)講師，主要研究領(lǐng)域?yàn)镕PGA系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)。