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