基于XILINX FPGA的OFDM通信系统基带设计

基于XILINX FPGA的OFDM通信系统基带设计内容提要本书以无线局域网物理层标准IEEE802.11a为实例,研究如何在FPGA上实现一个OFDM通信系统的基带收发机。本书在系统地给出了收发机模块划分的基础上,对每个模块的算法和FPGA实现进行详细探讨,内容涵盖一个完整无线通信系统的绝大部分模块,包括扰码、编码、交织、OFDM调制/解调、帧同步、频偏校正、符号同步、采样时钟同步、信道均衡Viterbi解码等。本书所有模块均在Xix公司大学计划 Spartan3 E Starter Kit开发板上验证通过,随书光盘附所有ISE工程文件和 Verilog源码。本书适用于电子与通信行业的高校学生和公司研究人员,既可以作为高年级本科生和研究生的教学教材,也可以作为通信行业技术人员的参考书和培训教材。图书在版编目(CIP)数据基于ⅹ linx FPga的OFDM通信系统基带设计/史治国,洪少华,陈抗生编著.一杭州:浙江大学出版社,2009.3ISBN978-7-308-06647-1I.基…Ⅱ.①史…②洪…③陈…Ⅲ.①可编程序逻辑器件一系统设计②通信系统一系统设计ⅣTP332.1TN914中国版本图书馆CIP数据核字(2009)第034524号基于 Xilinx FPGA的OFDM通信系统基带设计史治国洪少华陈抗生编著资任编辑樊晓燕文字编辑王元新封面设计刘依群出版发行浙江大学出版社(杭州天目山路148号邮政编码310028)(网址http://www.zjupress.com排版杭州中大图文设计有限公司印刷临安市曙光印务有限公司开本787mm×1092mm1/16印张18.5字数474千版印次2009年3月第1版2009年3月第1次印刷印数0001-2500书号ISBN978-7-308-06647-1定价38.00元(含光盘)版权所有翻印必究印装差错负责调换浙江大学出版社发行部邮购电话(0571)88925591前言伴随着无线数据通信与多媒体应用的不断发展,无线传输系统对传输速率与QoS保证等方面的要求也相应地不断提高。正交频分复用( Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)作为一种新型的物理层传输技术正越来越受到人们的重视,并被视为下一代移动通信(4G)中的关键技术。OFDM继承了传统MCM中多载波并行调制、符号周期相应增长的特点,在循环前缀的辅助下可以实现准确的符号同步,有效地将原本频率选择性衰落的信道转化为多个并行平衰落信道使用,从而大大提高了传输效率。现场可编程门阵列(FPGA)因其设计的灵活性、可重用性以及开发速度快、周期短的特点,在数字专用集成电路设计中得到了广泛应用。能够使用FPGA进行应用系统的设计已渐渐成为电子信息类专业学生必须掌握的基本技能之一。Kinx公司是全球最大的可编程逻辑器件制造商,在芯片设计领域和FPGA设计工具方面一直引导最新潮流。如果学生能够深入理解OFDM技术的基本原理,并熟练掌握这一技术在主流FPGA上的实现方法,毋庸置疑这对于提高学生的专业技能以及综合竞争力是大有裨益的。众所周知,学习一门新知识最好的方法就是在具体应用中学习。IEEE802.11a无线局域网(WLAN)标准作为典型的以OFDM为物理层接入方式的应用系统,是学习OFDM技术的个典型应用。本书正是以这一标准为基础,对OFDM基带处理器的算法、架构进行介绍和分析的基础上,将整个系统的FPGA设计和实现分为多个基本通信模块,并给出每个模块的具体实现。出版本书的目的,不仅希望读者能掌握OFDM技术及其在FPGA上的实现,对整个无线通信系统有一个更为深入透彻的理解,更希望读者能够掌握如何根据一个全新的通信标准和参考文献来进行系统设计的能力。本书包含7章内容和1个附录。与以往多数教材中独立讲述通信系统中各个模块的FPGA实现不同的是,本书第1至第3章以IEEE802.11a为范例,从整个系统的设计与实现出发,在对OFDM基本原理和802.11a协议进行讲解的基础上,给出使用FPGA进行基带发射机和接收机实现的模块划分,使读者可以从系统的高度理解如何对一个无线通信系统进行设计与实现。第4章详细讨论基带发射机的设计与实现,内容涉及扰码、多码率卷积编码、交织、星座图映射、导频插入、FFT以及循环前缀和加窗处理。第5章详细讨论接收机中的同步问题及其FPGA实现,主要包括帧同步、符号同步、载波同步、采样频率同步以及剩余相位跟踪。第6章讨论基带接收机中的其他模块的设计,如信道均衡、Ⅴ Viterbi解码、解调等。为方便读者快速掌握 Xilinx Ise软件的使用以把更多精力集中到课程主要内容的学习上,第7章给出了使用ISE进行一个小设计的 Step by step的详细流程。所有代码均在 Xilinx公司大学计划Spartan-3 E Starter Kit开发板上验证通过,本书附录给出了该开发板的主要资源和使用介绍。为深入理解FPGA内部资源及其使用方法,在本书第3至第6章中分别有侧重的介绍Spartan-3 E FPGA内部资源(如频率综合器、专用乘法器、FT/IFFT、 CORDIC以及内部ROM/RAM等)的工作原理以及在ISE中使用 IP CORE实现各个资源功能的方法本书是浙江大学电子信息技术与系统研究所OFDM课题组基于近几年对OFDM技术的基于 Xilinx FPga的OFDM通信系统基带设计研究而编著的。在陈抗生教授的带领下,参加OFDM课题研究的有史治国博士、李钰博士、顾宇杰博士、任王博士、洪少华博士、李力博土、张婧婧博士以及曲亮硕土、吴远硕士、张晶硕士、臧玮硕士、杜诗川硕土、陈俊丰硕士,还有李黎、穆明凯、刘欣、刘小光、刘畅、金梦珺、鲍迎等同学。两年前,课题组成员根据各自熟悉的内容编写了浙江大学研究生公开课“OFDM通信系统实验研究”讲义。在该讲义的基础上,去年开始应Ⅹ linx大学计划部中国区经理谢凯年博士邀请,我们开始了本书的编写。本书第1、2、3章由史治国、洪少华编写,第4章由曲亮、臧玮、金梦珺编写,第5章由洪少华、陈俊丰编写,第6章由李钰、杜诗川、陈俊丰编写,第7章由洪少华编写,附录由任王编写。本书最终由史治国博士和陈抗生教授进行了审定。本书在筹划和写作过程中,得到 Xilinx大学计划部中国区经理谢凯年博土在软硬件方面的诸多支持,并最终促成本书的编写。浙江大学信息学院副院长章献民教授、浙江大学研究生院常务副院长杨树锋教授一直对本书的出版非常关心。本书的出版还得到浙江大学研究生院培养处、浙江大学本科生院、浙江大学电子信息技术与系统研究所、浙江大学出版社的大力支持。在此一并表示最衷心的感谢限于编著者学术水平,书中难免会有不足、疏漏,甚至错误,欢迎使用者批评指正编著者2008年11月目录第1章正交频分复用系统的基本原理…11.1无线通信系统……2OFDM系统发展历史与现状……………………………………………31.2.1发展历史1.2.2应用现状…1.3OFDM系统的基本原理………………………………………………41.3.1OFDM系统的数学模型…1.3.2FFT在OFDM系统中的应用1.3.3保护间隔与循环前缀……1.3.4OFDM系统架构1.4OFDM系统的主要特点…………………………10DM技术的一个典型协议—IEEE802.11a协议………132.1无线局域网标准概述……………………………………………………………132.2IEEE802.11无线局域网的介质访问控制(MAC)152.3IEEE802.11a物理层协议………162.3.1主要参数162.3.2物理层协议数据单元(PPDU)帧结构182.3.3信道构成……25第3章OFDM基带处理器总体架构……2831IEEE802.11a基带处理器的发射端总体结构…283.2IEEE802.11a基带处理器接收部分总体架构·303.3基带处理器的工作时钟313.3.1工作时钟分析…3.3.2 Spartan-3EDCM模块结构323.3.3工作时钟生成模块的实现333.4数据格式…鲁,………··……·…·:··········…:··“·····35第4章OFDM发射机设计与实现…………………364.1训练序列的生成374.1.1短训练序列结构……374.1.2长训练序列结构384.1.3训练序列的生成方法392基于 XHinx fPga的OFDM通信系统基带设计4.1.4训练序列生成模块的实现424.2发射机 Symbol生成过程………………………………………………………454.2.1发射机的信号处理流程454.2.2- Signal符号生成过程464.2.3 Data Symbol生成过程………………………………………………474.3扰码模块………………………………………………………………………………484.3.1扰码原理及设计方法484.3.2扰码模块的实现………………………………494.4信道编码…514.4.1线性分组码4.4.2循环码·,,,,,·、514.4,3BCH码……………………524.4.1卷积码……………………………………………………………………524.4.5删余534.4.6多码速卷积编码544.4.8多码速卷积码硬件结构与实现………………………………………………544.5交织·,·,,,,,,·,,·,,、,,,,,,,..,.,·,,..,,,,,4,,·,、,·,,,,,·,,604.5.1分组交织器原理604.5.2卷积交织器原理…………………………………………………………………604.5.3802.11a中的交织614.6Data符号调制—16QAM…………664.6.1OFDM中的调制……………………………………………………………664.6.2QAM(正交幅度调制)…664.6.316QAM674.6.4模块实现684.7导频插入…………………………………………………………………………………704.7.1导频的位置和极性…704.7,2导频插入模块的硬件结构…714.7.3导频插入模块的实现…………………………………………………………724.8IFFT/FFT………………………………………………………………………………754.8.1IFFT/FFT原理…………………754.8.2基22 DIF FFT的硬件结构……804.8.3运用 IP Core实现IFFT/FFT814.9循环前缀与加窗处理………………………………………………884.9.1循环前缀…884.9.2加窗904.9.3模块实现……………………………………………………………………914.10发射机主控单元……………………………………………………………………944.10.1主控单元的工作任务944.10.2主控单元的状态机设计………………………………………………………9目录第5章OFDM接收机同步………………1005.1引言…1005.2IEEE802.11a中的同步10053分组检测…………………1015.3.1分组检测常用算法…1015.3.2延时相关加长度保持算法的硬件结构1065.3.3分组检测的实现………………………………………………………………1155.4载波同步1175.4.1载波同步的时域和频域方法1175.4.2载波同步时域算法的硬件结构……1195.4.5载波同步的实现…n00B0n00n000 001305.5符号同步·,普1325.5.1符号同步的原理……………………………………………………………1335.5.2符号同步算法的简化……………1335.5.3符号同步偏移的影响1345.5.4符号同步的硬件结构………………………………………………………1355.5.3符号同步的实现……………………………………………………………1435.6采样频率同步1455.6.1采样频率同步的原理1455.6.2采样频率同步的硬件实现……………………………………………………1495.6.3采样频率同步的实现…………………………………………………………1625.7剩余相位跟踪…1645.7.1剩余相位跟踪的原理……………………………………………………………1655.7.2剩余相位跟踪的硬件实现…1665.7.3剩余相位跟踪的实现……172第6章OFDM接收机均衡、解调与解码1766.1信道估计与均衡……、,,,.,,,、,,·,,,…………………1766.1.1信道估计方法……………-1776.1.2频域上信道估计与均衡设计方法……………………………………………1786.1.3频域信道估计与均衡的硬件实现结构………………………………1796.1.4频域信道均衡的实现1846.2解调…………1866.2.1解调原理……………………………………………1866.2.216QAM解调的设计方法,,,,,,..,,,,....,,.,,,,,,,,,.,,,1876.2.3动态星座图调整1886.2.416QAM解调的硬件实现……1896.2.516QAM解调的实现,,·,.,,,,,,,,·,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,·,,·,,,·1926.3解交织194基于 Xilinx FPga的OFDM通信系统基带设计6.3.1解交织的原理1946.3.2解交织的设计……1956.4 Viterbi译码器的设计2026.4.1 Viterbi译码算法的理论分析………2026.4.2802.1la中的Ⅴ iterbi译码器设计2056.4.3 Viterbi译码的实现,,,.,..a+·.,,……………2226.5解扰码2246.5.Ⅰ解扰原理………2246.5.2解扰模块的硬件设计…………………………2256.5.3解扰模块的实现……227第7章集成开发环境ISE的使用……………2307.1创建一个新工程……………………………………2307.2创建源代码文件…2357.3利用计数器模板向导生成设计·,,,,,.,。,2377.4综合实现2397.4.1综合,·2397.4.2约束……2407.4.3实现………2447.5仿真…………………………2457.5.1创建 Test bench波形源文件…………………………2457.5.2调用 Modelsim进行仿真…2487.6下载与配置2517.7片内逻辑分析仪 ChipScope Pro简介………………………………2557.8 ChipScope Pro Core Inserter………···,,··,,,、2567.9 ChipScope Pro Analyzer262附录 Spartan-3 E FPGA系统开发板简介…271第正交频分复用系统的基本原理在信息时代的今天,通信技术在各种信息技术中起着支撑作用。人类社会对通信的需求越来越高,希望能够更加方便快捷地获取信息和进行沟通。因此,世界各国都在致力于现代通信技术的研究与开发和现代通信网的建设。而无线通信以其独特的便利性更是得到了人们的格外青睐。特别是在过去的十余年时间里,在数字信号处理、射频电路制造技术和半导体技术的推动下,无线通信获得了巨大的发展,便携移动设备变得更小、更便宜、更可靠。毫无疑问,这一趋势在今后会更加持续高速地发展下去。新的系统和标准不断涌现使得人们在办公室、家里甚至在“移动”中也可以实现宽带无线通信。目前,人们利用手机、PDA这样的便携设备就可以享受到互联网所提供的各种信息服务,甚至是丰富多彩的多媒体娱乐服务。1.1无线通信系统目前,世界范围内成熟应用的数字无线通信系统主要是第二代移动通信系统,包括全球移动通信系统( Global System for Mobile Communications,GSM)、IS-136时分多址复用系统( Time Division Multiple Address,TDMA)以及IS95码分多址复用系统( Code Division Multiple Access,CDMA)1。其中GSM系统可以提供2.4~9.6kb/s以及14.4kb/s的电路交换语音业务,还可以通过通用分组无线业务( General Packet Radio Service,GPRS)和增强型数据速率GSM演进技术( Enhanced data rate for gsm evolution,EDGE)分别提供144kb/s和384kb/s的分组交换数据业务;IS-136系统可以提供9.6kb/s的电路交换语音与传真业务,其最高数据传输速率可达40~60kb/s。IS95系统能够提供可变速率接入,其峰值速率可分别达到96kb/s和14.4kb/s,还可以使用蜂窝数字分组数据( Cellular Digital Packet Data,CDPD)网络来提供19.2kb/s的数据业务。近年来,随着第三代无线通信系统(3G)网络技术的不断成熟,全球3G商用网络持续增加,3G业务日趋丰富,3G用户规模稳步扩大,3G市场已经从起步期进入到发展期。到2006