OFDM基带处理器芯片设计与FPGA实现

OFDM基带处理器芯片设计与FPGA实现
正交频分复用（OFDM）是一种多载波宽带数字调制技术，作为当前非常热门的一种高速率的数字通信技术，它可以被看做是一种调制技术，也可以被当做一种复用技术。

由于OFDM在频谱利用率方面的优异表现，同时具有抗多径干扰和抗频率选择性衰落等优点，使得OFDM技术被4G和5G采用为核心技术，代表了未来无线通信的发展方向。

IEEE802.11a标准组也选用OFDM技术作为工作于5GHz频段的无线局域网（WLAN）的物理层接入方案。

现场可编程逻辑门阵列(FPGA)是一类拥有高集成度的可编程逻辑器件，由于其内部拥有丰富的功能模块和逻辑模块资源，所以可以由用户编程来实现所需逻辑功能的数字集成电路。

FPGA在实现OFDM接收系统时存在集成度高、稳定性高、体积小、功耗低和处理精度高的优点。

本文主要是通过对OFDM技术的了解，特别是对OFDM系统中FFT MegaCore的使用，从而达到对OFDM芯片设计有一定了解的目的，然后通过软件进行仿真验证，达到对OFDM技术及其实现有比较系统的认识，同时也学会通过Quartus及Synplify等软件完成对一个复杂硬件系统的设计及仿真验证，特别是掌握ip核的应用及复杂系统的设计思想。

1.1 移动通信的发展
无线通信是指利用电磁波信号可以在自由空间中传播的特性进行信息交换的通信方式。

在信息通信领域中，应用最广、发展最快的是无线通信技术，在移动中进行无线电通信的实现被统称为移动通信，将它们放在一起称为无线移动通信。

如今是信息时代的通信技术的飞速发展，随着数字通信技术的融合和计算机技术和通信网络和计算机网络，信息科学与技术的飞速发展，已成为21世纪的经济和社会快速发展的强大动力。

通过广泛的交流和传播信息，来发挥其巨大的价值，推动社会成员之间的合作，以促进社会生产力的发展，创造了巨大的经济效益。

可以说移动通信技术从无线电通信发明的时候就产生了。

1897年，M·G·马可尼就是在固定站与一艘拖船之间来进行并且完成无线通信试验的。

现代的移动通信技术的发展开始于上世纪20年代，大致经历了五个发展阶段。

几十年前，谁也无法想象有一天每个人身上都有一部电话，被连接到这个世界。

如今，人们可以通过手机进行通讯，智能手机更如同一款可以随身携带的小型计算机，通过移
动通讯网络实现无线网络接入后，可以方便的实现个人信息管理及查阅新闻、天气、交通、商品的信息、音乐图片下载、应用程序下载等。

在信息通信领域中，无线通信技术是发展最快且广泛应用的技术，其中蜂窝通信技术已在世界范围内广泛使用，其发展速度及业务需求远远超过了初始预测。

未来的无线通信技术将会向高速、超宽带、泛在化的方向发展，低速、窄带的网络会逐渐被宽带网络所取代，用户可以在任何时间、任何地点实现网络连接，同时数据的传输速率会越来越高，无论下载还是上传，用户都不需要过多的等待，就可以尽情享受无所不在的网络资源。

蜂窝移动通信从20世纪80年代出现以来，就获得了快速的发展，如图1 移动通信发展趋势。

其他代表性的还有卫星通信、宽带无线接入以及手机视频技术等，下面对这五代技术做简要介绍。

图1.1 移动通信发展趋势
（1）第一代移动通信（1G）。

最早的移动通信电话采用的是模拟蜂窝通信技术和频分多址技术（FDMA），是最初模拟通信、仅限语音功能的蜂窝电话标准。

1G的一系列特点使得蜂窝状移动通信网成为了很实用的系统，并且在世界的各个区域得到了迅速发展。

然而，由于传输带宽是有限的，不能长距离漫游移
动通信，是一个区域的移动通信系统。

最主要的问题是它的容量已经不能再满足移动用户日益增长的需求了。

（2）第二代移动通信（2G）。

2G的一般性定义是以数字语音传输技术为核心，不能直接传送如软件、电子邮件等信息，只有通话和一些通信技术规范的传送，如日期、时间；然而短消息（SMS）在某些2G的规范中可以被执行。

主要采用的是数码的时分多址(TDMA)技术和码分多址(CDMA)技术，与之对应的是全球主要有GSM和CDMA两种体制。

还有2.5G是从2G迈向3G的衔接性技术，WAP、EPOCH、SCSD、EDGE、蓝牙（Bluetooth）等技术都是2.5G技术。

2.5G 功能通常与GPRS技术有关，GPRS技术是在GSM的基础上的一种过渡技术。

GPRS的推出标志着人们在GSM的发展史上迈出了很重要的一步，GPRS为数据网络和移动用户之间提供一种连接，还给移动用户提供X.25分组数据接入服务和高速无线IP。

2.5G无线技术较于2G服务，可以提供更高的速率和更多的功能。

第二代移动通信采用了数字化，自此无线通信步入纯数字时代。

数字通信具有的优势是：频谱利用率高、保密性强、标准化程度高并且能提供丰富的业务，这使得数字通信得到了非比寻常的发展，跃升至领先地位。

（3）第三代移动通信（3G）。

3G是指支持高速数据传输的蜂窝通信技术。

与以模拟技术为代表的第一代和第二代移动通信技术相比，3G的带宽更宽，它的传输速度最低是384K，最高是2M，带宽可达5MHz以上。

不仅可以传输语音，还可以进行数据传输，来提供方便快速例如无线接入Internet的无线应用。

第三代移动通信的另一个重要的特征是能够实现宽带多媒体服务和进行高速数据的传输。

目前3G存在四种标准：CDMA2000，WCDMA，TD-SCDMA，WiMax。

3G 可以把基于互联网协议的服务和高速移动接入联合起来，使无线频率的利用效率得到提高。

它提供包含卫星的全球覆盖，并且还构建了无线和有线及不同无线网络间的连接。

第三代移动通信满足了多媒体业务的要求，从而为用户提供将无线通信与国际互联网等多媒体通信结合的新一代移动通信系统。

（4）第四代移动通信（4G）。

4G（4th Generation）是第四代移动通信标准，是集3G和WLAN于一体，能进行高质量视频图像的传输并且图像传输质量能和高清晰度电视相媲美的技术产品。

4G系统下载速度能够达到100Mbps，比拨号上网快了2000倍，上传速度也可达到20Mbps，3G手机50倍的速度，并能满足对无线服务大多数用户的需求。

除此之外，4G可以部署在没有DSL和电缆调制解调器覆盖的地方，再布置到其他区域。

显然，4G有其它的不可比拟的优势。

并能够传输高质量视频图像以及图像传输质量与高清晰度电视不相上下的技术产品。

4G系统的下载速度能够达到100Mbps，比拨号上网要快2000倍，也能以20Mbps的速度上传，是3G移动电话速率的50倍，并能够满足大多数用户对于无
线网络的要求。

4G的主要标准有LTE-Advanced和TD-LTE-Advanced：LTE-Advanced也是最强大的4G移动通讯主导技术，它把3G的空中接入技术进行改进和增强，无线网络演进的标准是OFDM和MIMO，主要特点是可以提供较快的下行、上行峰值速率，使小区的容量得到了大大地提高，同时大大降低了网络延迟，也极大地提升了网络浏览速度。

总之，4G的优势有：通信速度快、网络频谱宽、通信灵活、智能性能高、兼容性好、通信质量高。

4G移动系统网络结构可以分成三层：物理网络层、中间环境层、应用网络层。

其中，物理网络层是提供接入和路由选择功能，这是由核心网和无线的格式组合完成的。

中间环境层的功能有QoS映像、完全性管理和地址变换等。

物理网络层、中间环境层及其应用环境间的接口是开放的，它使提供和发展新的服务及应用变得更加容易，提供无缝高数据速率的无线服务，并且运行于多个频带。

这种服务能自适应多模终端能力及多个无线标准，跨越多个服务和运营者，提供广泛的服务。

移动通信系统主要是以正交频分复用（OFDM）为技术核心。

OFDM 技术的特点是具有良好的抗多信道干扰能力和抗噪声性能，网络结构高度可扩展，能够提供比目前无线数据技术速率更高、时延更小的服务和更高的性能价格比。

我将在后面的章节中详细地介绍OFDM。

4G移动通信可以为加速增长的广带无线连接提供技术上的响应，对室内和室外的、专用的多种无线网络和系统保证给予服务。

移动通信将向高速化、宽带化、资料化、高频段化方向发展，移动IP、移动资料会成为以后移动网的主流。

（5）第五代移动通信（5G）。

5G应该是一个继第4代移动通信技术（4G）之后、面向2020年以后人类信息社会需求的新一代移动通信系统，它是一个通过技术演进和创新，能满足未来各种业务快速发展的需求，综合集成多技术多业务的融合网络，极大地提升用户体验而正在研发的新一代移动通信技术。

相对于传统的移动通信网络，面向2020年的5G应具有如下的基本特征：①全球移动数据流量将达到2010年的1000倍，5G的忙时吞吐量能力也要求提升1000倍，至少达到100Gb/s/km2以上；②未来的5G网络单位覆盖面积内支持的设备数目将大大增加，相对于目前的4G网络将增长100倍；③相对于4G网络的峰值速率，其峰值速率需要提升10 倍，即达到10Gb/s；④在绝大多数的条件下，用户可获得速率要达到10Mb/s，特殊用户需求达到100Mb/s；⑤要求进一步降低用户时延和控制时延，相对4G网络要缩短5～10倍；⑥要通过演进及频率倍增或压缩等创新技术的应用，来提升频率利用率，相对于4G网络需要5～10倍的提升；⑦要利用端到端的节能设计，使网络综合能耗效率提高1000倍。

总之，5G是面向2020年的新一代移动通信系统，学术界和产业界正在对其进行广泛探讨，尽管还没有形成统一
的标准，但随着信息和网络技术的发展，5G的关键技术将获得实质性的突破，具有广阔的应用前景，会全面提升全球信息化程度和经济发展。

1.2 OFDM的发展与应用
正交多频分工技术的概念早在1960年代中期就被提出来了，主要的观念是采用数个平行的资料传输串列，资料传输串列之间则采用分频多工（Frequency Division Multiplexing, FDM）将其多工起来，当时正交多频分工技术已经被采用于军方的无线高频通信系统。

1971年，Weinstein与Ebert首先采用离散傅里叶转换(DFT)作为调制和解调过程的一部分来应用于并行数据传输系统。

在上世纪80年代，OFDM开始被探讨应用在高速数位调制/解调行为通信与高密度资料存储技术，例如：采用格状码（COFDM），采用导航讯号增加载波与频率控制的稳定。

1980年,Hirosaki提出均衡算法来抑制由于信道脉冲响应或着是定时和频率误差所造成的码间和载波间的干扰，同时他还介绍了使用离散傅里叶为基础的方法来实O-QAM OFDM 系统。

到了上世纪90年代后期，很多通信应用中都能够见到OFDM。

目前OFDM 作为一种高效传输技术己被多种有线和无线接入标准采纳，包括IEEE802.lla、HIPERLAN/2、LTE(4G)、IEEE802.16系列标准等，且已经被广泛使用于现今各式无线通信系统，主要的应用包括: 非对称的数字用户环路(ADSL)、无线本地环路(WLL)、ETSI标准的音频广播(DAB)、数字视频广播(DVB)、高清晰度数字电视(HDTV)和无线局域网(WLAN)等。

并且OFDM技术被4G和5G采用为核心技术，代表了未来无线通信的发展方向。

除此之外，OFDM还可以和分集、干扰抑制、智能天线以及时空编码等技术相结合，最大程度地使物理层信息传输的可靠信得到提高。

假如再和动态比特分配算法、动态子载波分配、自适应调制及自适应编码等技术结合，它的性能可以进一步地优化。

1.3 OFDM技术的特点
OFDM技术之所以备受关注，是因为和其它技术相比，它具有以下几个优点：
(1) 其最大优点是能够对抗窄带干扰和频率选择性衰落。

在单载波系统中，单个干扰或衰落都会引起通信链路的错误，而在多载波系统中，只有很小的载波会受
到影响，可以使用纠错码来对这些子信道纠错。

(2) 适用于衰落信道中和多径环境的高速数据传输，可以很好地对抗信号波形间的干扰。

当信道中由于多径传输出现频率选择性衰落的时候，只有落在频带凹陷处的子载波和它所携带的信息会受到影响，而其他的子载波不会受到影响，所以总的系统误码率性能要好很多。

(3) 在窄带带宽下可以发送大量的数据。

OFDM技术能够同时分离至少1000个数字信号，并且在干扰信号的环境下可以安全地进行。

(4) OFDM技术可以连续地监视发生在通信媒体的传输特性的突然变化，因为随着时间的推移，路径传送数据的能力会变化，因此OFDM是动态的和它合适的，并且打开和关闭相应的载波，以确保通信成功持续地进行;
(5) 该技术可以自动检测一个特定载波在其下有一个高的信号衰减或干扰脉冲的传输介质，然后采取适当的措施，使载波能在特定频率下成功通信；
(6)在单载波系统中，最复杂部分位于均衡器；而在OFDM系统中，你可以选择基于IFFT/ FFT的OFDM的实现，其复杂性来自于FFT，此时OFDM系统不需要做均衡。

(7)信道利用率很高，这一点在频谱资源有限的无线环境中非常为重要，当子载波个数很大时，系统的频谱利用率趋于2Baud/Hz。

如图所示
图1.2 OFDM频谱利用率的优势
OFDM的信号在传输过程中也存在着一些不足：
(1)对相位噪声、频率偏移以及系统定时的误差十分敏感。

这是OFDM技术很关键的问题，OFDM系统对各子载波之间的正交性要求十分严格，很小的一点频率偏移就会影响子载波间的正交性由此引起ICI。

相位噪声和定时偏差会导致码元星座点的旋转或扩散，形成ICI（信道间干扰）。

而对于单载波系统，相位噪声和载波频偏仅仅是降低了信噪比SNR，不会引起相互间的干扰。

(2)峰值平均功率比(PAPR)较高。

OFDM信号是由多个子载波信号组成，这些子载波信号是独立调制的。

OFDM调制的峰值因子很高。

由于OFDM信号是很多个子载波小信号的总和，它们可能同相，叠加在一起后的幅度就会产生很大的瞬时峰值幅度。

由此会造成信号畸变，使得信号的频谱发生变化，子载波之间的正交性受到破坏，产生干扰。

(3)所需线性范围更宽。

由于OFDM系统峰值平均功率比(PAPR)较大，对非线性放大更加敏感，OFDM系统对放大器的线性范围的要求比单载波系统更高。

通过以上比较我们可以看出OFDM相对于其它技术所具有的优势使得它的提出是必然的，频谱利用率作为OFDM系统的代表性特点和优势，奠定了今后OFDM技术在移动互联网领域不可动摇的地位。

虽然OFDM也有一些不利之处，但是随着我们对于它的更加深刻地认识，相信可以提出相应的解决方法并且不断地改善这些方法。

第二章 OFDM技术结构和原理
2.1 OFDM基本原理
正交频分复用OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplex)是一种多载波调制方式，它是通过减小和消除ISI的影响用以克服信道的频率选择性衰落的。

它的基本原理是把一股高速的信息数据流分裂成为许多低速数据流，再并行传输。

主要思想是在频域内把所给的信道分为很多相互正交的子信道，每个子信道的波特率是1/T，子信道的间隔也为1/T。

采用一个子载波在每一个子信道上对其调制，各个子载波是并行传输的。

那么，即使总的信道不是平坦的，也就是说可以频率选择，但每一个子信道相对平坦，而且每个子信道上执行的是窄带传输，信号的带宽明显小于信道相关的带宽，因而就可以很好地消除符号间干扰。

由于子载波的频谱是彼此重叠的，因此能够得到较高的频谱效率。

近几年OFDM在无线通信领域得到了广泛的应用。

图2.1 OFDM调制基本原理
从图中可得OFDM的信号表达式:
e t
f j
N
k
k
X
t sπ2
1
k
)(∑-
=
=
（1）2.2 OFDM系统结构模型
图2.2 OFDM系统结构图
其中，（a）是发射机工作原理，（b）是接收机工作原理。

当调制信号经过无线信道到达接收端的时候，由于信道多径效应引起的码间串扰的影响，子载波间不再是之前的正交状态，发送前需要在码元间插入保护间隔。

倘若保护间隔是大于最大延迟扩展的，那么所有的延迟就小于保护间隔的多径信号，也就不会伸展到下一个码元周期，从而有效地消除了ISI。

当使用单载
波调制的时候，为了减少码间串扰的影响，要使用多级均衡器，它会遇到较高的收敛性和复杂性的问题。

在发射机中，先要进行比特流的QAM或QPSK调制，接着通过并行变换和IFFT变换，然后把并行数据转换成串行数据，再加上保护间隔（循环前缀），以形成OFDM码元。

在组帧时，需要加入的同步序列和信道估计序列会使得接收端突发检测、同步和信道估计，所需的正交基带信号最终输出。

当接收器检测的信号到达时，先要进行同步和信道估计。

当完成时间同步和小数频率估计和校正，通过FFT变换，整数频率偏移估计和校正，此时获得的数据就是QAM或QPSK调制的数据。

相应的解调该数据，比特流可以被获得。

第三章 OFDM关键技术
3.1 OFDM的基带数据传输部分
图3.1 OFDM基带数据传输部分
OFDM的基带数据传输部分包括有信道编码、交织、串并转换/并串转换、星座调制、IFFT变换/FFT变换、插入循环前缀等。

因为OFDM的基带数据传输部分是本设计的重点，我们需要了解一下，其中FFT变换会在下一节中详细介绍。

（1）信道编码和交织
常常采用信道编码和交织，来使数字通信系统性能得到提高。

可以采用信道编码来应对衰落信道中的随机错误，来使接收端口的误码率降低并且系统的可靠性提高。

OFDM系统的结构给子载波之间的编码提供了机会，形成COFDM方式。

编码可以采用分组码、卷积码等各种码，其中卷积码的效果更好。

对发生在衰落信道中的突发错误，常采用交织技术。

交织处理技术能够防止由于突发性的错误而引起连续的数据出现错误，没有办法对其纠错。

为了使整个系统的性能得到进一步提高，通常同时采用信道编码和交织。

（2）串并转换/并串转换
在串行数据流中，符号是连续传输的，每个数据符号的频谱会占据整个带宽，而在传输并行数据时，很多符号被同时传输，减少了很多问题。

所以为了便于做傅立叶变换要进行串并变换，将输入串行数据转换成为可以传输的符号，串并变换分配给每个子载波的长度是不一样的，在接收端进行相反的过程，出来的数据被转换到原来的串行数据。

其实串并变换和并串变换都是为FFT服务的。

假如把它们看作一个整体，那么输入和输出都是串行的数据。

（3）星座调制
星座映射是指先对输入的串行数据做一次调制，再由FFT分散到各个子信道上。

调制的方式可以有很多，如BPSK、QPSK、QAM等。

QAM（Quadrature Amplitude Modulation）是一个幅度和相移的共同键控，是把两个信号收敛到一个信道的调制方法。

对于相互正交的两个同频率载波要用两个独立的基带信号进行调幅，使用相同带宽内的正交性，以达到两路并行数字信息的传输。

信号的幅度和相位作为两个独立的参数被同时调制，在相当大程度上降低了误码率。

可以说星座映射是个数值代换的过程。

它就是给原先的串行数据引入了虚部，使其变成了由实部和虚部组成的两串数即复数，提高了信道的频谱利用率。

这样不仅可以进行复数的FFT变换，并且为原来的数据引入了冗余度以牺牲效率的方式来降低误码率。

（4）插入循环前缀
为了尽可能地消除符号间的干扰（ISI），则需要在每个OFDM符号之间加入保护间隔（GI），并且保护间隔的长度要大于信道的最大实验扩展，才能对抗由于多径效率产生的影响。

因为OFDM系统的频率使用率高，需要在时域上插入保护间隔。

在每个符号的开始插入循环前缀是一种循环复制，每个子载波符号的数据有整数倍的循环，其实就是把每一个OFDM符号的最后一部分复制并补充到到符号前，使得整个符号时间的长度加长即可。

3.2 基于FFT 的OFDM 实现
3.2.1 FFT 的介绍
其实OFDM 的思想并不复杂，但是由于技术上的限制，主要是不能准确地使用多个载波调制及解调，所以在之前的很长时间以来OFDM 一直停留在理论上。

如今随着电子技术的发展，特别是快速傅立叶变换（FFT ）的发展，使得能够采用FPGA 或者高速的DSP 芯片来实现OFDM 成为了可能。

OFDM 的调制过程刚好和离散傅立叶变换（DFT ）公式的形式是一致的，所以OFDM 的调制可以通过FFT/IFFT 来实现。

FFT 就是用输入的数据来调制相互正交的子载波。

输入和输出的都是串行数据，不过对于输入的数据来说，它们之间没有关系。

而经过了FFT 变换后，输出的数据之间就有了一定的联系。

因为这些数据之间有了一定的联系，在传输过程中如果有一个数据错误的话，就会影响到其它的数据。

换言之，FFT 就是将一串数据变成另一串与之有联系的数据。

3.2.2 FFT 的实现原理
反离散傅立叶转换（IDFT ）和离散傅立叶转换（DFT ）的公式
IDFT: e kn N j N k X N n x π210
k )(1)(∑-== (2) DFT: e kn N j N n n x X π21
0)()k (--=∑= (3)
反快速傅立叶转换（IFFT ）和快速傅立叶转换（F FT ）是反离散傅立叶转换（IDFT ）和离散傅立叶转换（DFT ）的快速算法实现。

现在，考虑一组资料序列D=(D 0,D 1,…D n ,…D N-2,D N-1)
而且，D k =a k +jb k ,其中 k=0,1,…,N -1 e D e D t f N N n d n
k j N k k N kn j N k k ππ210)/2(1011)(∑∑-=-=== （4）
N=0,1,2,…,N -1
其中 f k =k/T ，t n =nT/N,且T 为一个任意选择之串列资料D k 的符号区间。

我们通过研究理论可以发现，OFDM 的调制过程刚好和离散傅立叶变换（DFT ）公式的形式是一致的，并且FFT 就是DFT 的快速算法。

所以OFDM 的调制可以通过FFT/IFFT 来实现, 而且通过FFT 产生各个子载波是绝对同步和正交的, 因此能够大大降低设备的复杂度。

3.3 OFDM其他技术的简介
（1）信号解调
为了准确恢复由于载波频率偏移、定时偏差而被破坏的信号，接收端存在两种信号检测方法：差分解调和相干解调。

差分解调只需要用两个相邻信号的相位和幅度的差值，可以在时域和频域内分别进行。

相干解调利用信号的参考值来检测信号，其重点是以不引入过多训练序列为前提来获得所需检测的参考值。

在完善信道估计、误码率相同的前提下，差分解调所需要的信噪比较低，差分解调适合于传输速率较低的OFDM系统，相干解调则更合适于传输速率和频谱效率高的系统。

（2）信道估计
信道估计的设计主要在于：a 导频信息的选择，因为无线信道是衰落的，导频信息要持续地传送以进行接收机的信道跟踪；b 良好的导频跟踪能力；c 较低的复杂性。

对于不同的信道状况，要采用不同的信道估计算法，要基于训练序列来研究算法。

（3）同步技术
OFDM对相位噪声、频率偏移以及系统定时的误差十分敏感，所以OFDM 技术很关键的问题是时域与频域的同步技术，分为捕获和跟踪。

在下行链路时，是由基站向各个移动终端广播来发送同步信号，因此下行链路的同步简单、容易实现。

在上行链路中，为了保证子载波间的正交性，来自不同移动终端的信号要同步到达基站，基站再根据各移动终端发来的子载波所携带的信息来提取时域和频域同步信息，然后由基站发回到移动终端，让移动终端进行同步。

（4）均衡
均衡的实质是补偿多径信道所引起的码间干扰，一般情况下，OFDM系统具有分集信道的能力，不需要做均衡。

但是，对于子载波个数较小的系统，在高度散射情况下，信道记忆长度较长，循环前缀（CP）长度过长的话会导致能量的损失，所以要加均衡器使得循环前缀长度减小。

（5）解决峰均比问题
OFDM信号是很多个子载波小信号的总和，它们可能同相，叠加在一起后的幅度会产生很大的瞬时峰值幅度。

由此会造成信号畸变，使得信号的频谱发生变化，子载波之间的正交性受到破坏，使得OFDM的性能降低。

现在已提出基于信号空间扩展、信号扰码技术、基于信号畸变技术等方法来解决峰均比问题。