基于FPGA的OFDM系统设计与实现

　　近年来， 随着数字信号处理（DSP） 和超大规模集成电路（VLSI） 技术的发展， 正交频分复用OFDM（Orthogonal Frequency Division MulTIplexing）技术的应用有了长足的进步和广阔的发展前景。IEEE802.11a中就将正交频分复用作为物理层的传输技术；欧盟在数字音频广播（DAB）、地面数字视频广播（DVB2T）、高清晰度电视（HDTV）以及2003年4月公布的无线城域网（WMAN）802.16a等研究中都使用了正交频分复用技术作为信道的传输手段。在正交频分复用技术逐渐成熟的今天， 如何降低通信系统的成本， 使之更广泛地应用于数传系统中， 已成为正交频分复用研究的热点。本文基于802.16a协议的原理架构，本着小成本、高效率的设计思想，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一级射频模块。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，最后以读时钟为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。与此同时，IFFT模块接收QPSK映射、过采样添零和插入导频模块发送出的数据；当 QPSK、添零、共轭模块处理完1个数据包的数据后，IFFT 模块开始计算，进行OFDM的IFFT调制，经IFFT 模块计算后的数据轮换存入RAM_ou1或者RAM_ou2；控制模块发出使能信号，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。［next］

　　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（最高位无效，剩余7位为巴克码），计算一次x（i）*x（i+j），并存储、判断，是否有相关最大值，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，整体控制模块产生使能信号，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，否则，将累加计数器清零，重新开始接受帧头；帧到达检测和帧同步过程完成后，再将接收到的数据存入到解帧模块的数据RAM中；当数据RAM中存满256点的数据后，整体控制模块发出读使能信号、解帧使能信号和FFT的START信号，从RAM中读取数据，送往FFT 进行OFDM的解调；然后去除循环前缀，去除添加的零和导频信息；最后经过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。