基于FPGA的OFDM基带发送系统设计与实现

崔丽珍，樊晓冬，刘乃君，赵晓燕

(内蒙古科技大学信息工程学院，内蒙古 包头 014010)

近年来，由于现代科学和信息技术的飞速发展，可编程逻辑器件尤其是现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array，FPGA)得到了广泛应用，并使得单片系统(System On Chip，SOC)成为可能。作为下一代通信系统核心技术之一的正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)技术[1－3]，以其独特的抗衰落、抗载波间干扰(Inter Carrier Interference，ICI)、抗符号间干扰(Inter Symbol Interference，ISI)以及频谱利用率高等优点成为当今无线通信技术研究的热点。

本文基于IEEE 802.11a无线局域网协议架构，设计了OFDM基带发送系统，利用Xilinx Simulator仿真工具进行了软件仿真，并利用Xilinx Chipscope Pro在线逻辑分析软件在Xilinx Virtex－5高性能FPGA开发平台上进行了板级调试，OFDM基带发送系统在FPGA平台上得到了正确的实现。

1 系统架构与参数分析

整个OFDM基带发送系统采用自顶向下的模块化设计思想，将其划分为各个功能独立的子模块来实现系统构建，其架构如图1所示。

图1 OFDM系统架构

扰码后的数据经过编码、交织，进行16QAM映射，得到频域数据。经过插入导频和快速傅立叶变换处理后将数据的频谱变换到时域上。变换后的数据再经并串变换、循环前缀处理后得到一个完整的数据帧，接着再经D/A变换为模拟信号后送入信道传输。

根据IEEE 802.11a协议规定，OFDM基带发送系统的主要参数如表1所示。由于保护间隔为800 ns，数据速率为36 Mbit/s，选择OFDM符号周期长度为5倍的保护间隔，即4 μs，那么子载波间隔为 1/[(4 － 0.8)μs]=312.5 kHz，1个OFDM符号需要传送的比特数是144 bit。如果数据速率要达到36 Mbit/s，同时采用16QAM调制方式和3/4的码率，所以每个子载波需要携带3 bit信息，则子载波数为144 bit/3 bit=48个。

表1 IEEE 802.11a WLAN PHY层标准主要参数

2 系统设计与实现

2.1 时钟单元设计

时钟源部分采用Xilinx公司提供的数字时钟管理单元(Digital Clock Management，DCM)产生所需要的各种时钟源信号。利用Xilinx Virtex－5 FPGA硬件平台的100 MHz的板上时钟提供时钟输入信号，经过DCM的分频、倍频产生20 MHz，40 MHz，60 MHz，80 MHz的时钟。

2.2 控制单元设计

控制单元是整个基带发送系统的大脑，主要提供各个处理模块所需的各种数据和请求复位以及启动信号，数据在控制单元的控制下，由时钟驱动，进入基带发送系统。

2.3 训练序列设计

根据IEEE 802.11a协议规定，短、长训练序列构成了一帧数据的帧头。其中，短训练序列包含了10个周期重复的短训练符合，共8 μs;而长训练序列包含了2个有效OFDM 符号长度，共6.4 μs，再加上1 个 1.6 μs 的长型保护间隔，共 8 μs。

由于训练序列是接收机已知的确定性数据，经过IFFT变换后依然是确定性数据，所以，在设计的具体实现过程中利用MATLAB将短训练序列的频域数据送入IFFT处理，然后得到时域数据，再经过量化处理生成字节位宽的二进制有符号数据。其原理如图2所示。

图2 训练序列原理图

对于短训练序列而言，采用的时钟是20 MHz，每个短训练符号是0.8 μs，所以每个短训练符号包含16个数据，计数器模设定为16;对于长训练序列，同样采用20 MHz时钟，每个长训练符号是3.2 μs，所以每个长训练符号包含64个数据，计数器模设定为64。

2.4 纠错编码设计

根据IEEE 802.11a协议的规定，卷积编码使用的生成多项式为(1338，1718)，信号域字段码率为1/2，数据域字段在进行删余后，码率为3/4。卷积码原理如图3所示。

图3 卷积编码原理图

对于信号域字段，信号在20 MHz的时钟驱动下，数据按位依次存入移位寄存器中，并在每个时钟上升沿依次向右移1位，并通过模2加法器的不同连接进行输出，输出的2位总线型数据以40 MHz的输出时钟，通过并串转换，转换成非总线型数据形成最终的输出。数据域和信号域最大的区别是，它的输入时钟为60 MHz，在进行3/4码率的删余处理后以80 MHz时钟将数据输出。

2.5 交织设计

对数据进行交织处理的目的是使突发错误在时间上分散为随机错误，以便在接收端利用前向纠错技术纠正误码，恢复原消息。

硬件实现时，利用Xilinx FPGA内集成的Dual Port RAM作为整个模块的核心处理部分。这里采用乒乓操作的方法，对于信号域数据设置其交织深度为92，数据域设置为384，这样就实现了对数据流的连续处理。对于RAM，采用乱序写入，顺序读出，即比特流按照交织后的顺序写入到RAM中，而后再依次读出。交织模块原理图如图4所示。

图4 交织模块原理图

2.6 映射设计

对于信号域数据而言，它采用BPSK的调制方式。BPSK映射是二进制相位键控的矢量调制方式，它将输入比特映射到一个复平面上，形成复数调制符号。BPSK映射在复平面中共有两个样点，共表示两种矢量状态。

数据域采用了更为高效的16QAM映射[4]调制方式，能得到更高的频谱效率，且具有抗噪声能力强等优点，因此得到了广泛的应用。

2.7 导频设计

在通过训练序列对信道进行补偿后，仍然会存在一定的频率偏移，这将直接导致子载波的相位发生偏转，严重影响系统性能。OFDM符号利用4个子载波传递导频信息，以保证在存在相位噪声和频率漂移的情况下进行可靠的相干检测处理，这4个子载波由二进制伪随机码序列经过BPSK调制而来，序号分别是 －21，－7，7，21。把经过BPSK和16QAM调制后的复数数据流每48个分为一组，对应一个OFDM符号，再把这些符号映射到序号为－26～26(除了 －21，－7，7，21)的子载波上。

导频插入模块的硬件原理图如图5所示。其中dpi_in为输入数据端口，dpi_rdy为输出有效指示，dpi_out为输出数据端口，index为输入数据标号，它通过查找表模块进行变换生成RAM的写地址，输入计数从0～47进行映射，中间插入4个导频符号，为52个子载波。由于导频插入模块的输出为IFFT模块的输入，因此需要一个模为64的计数器以生成输出地址。

图5 导频插入原理图

2.8 IFFT 设计

IFFT是一种高效的数字调制技术，它可以产生相互正交的子载波，把基带发送数据加载上去。和传统的频分复用(Frequency Division Multiplexing，FDM)相比，IFFT 调制技术占用的频带更窄，节约了宝贵的频谱资源。

在OFDM基带发送处理器的设计中，利用Xilinx FFT硬核实现数据调制，有效降低了硬件实现的复杂度，大大缩短了设计的周期。

2.9 循环前缀和加窗设计

循环前缀是OFDM系统的一个重要特色。众所周知，OFDM技术对抗多径时延扩展的能力很强。一般情况下，在相邻的OFDM符号之间插入一段保护间隔可以有效地消除符号间干扰[5－6]，前提是时延扩展长度小于插入的保护间隔长度，这样多径时延扩展就不会对下一个OFDM符号造成干扰。在这段时间里可以不传输任何信号，但OFDM各个子载波之间的正交性会遭到严重破坏，导致载波间的相互干扰。为了使OFDM符号在带外的功率谱密度下降得更快，往往还需要对数据进行加窗处理。

具体实现时，使用2个地址空间为64的RAM来存储数据，地址信号由上一级模块的输出数据标号提供。加循环前缀的方法是将上一级模块输出的64个复数数据中的后16个数据加到样值前，形成80个数据。加窗处理要求每个OFDM符号最后多输出一个数据，该数据依然满足周期性要求。

2.10 系统总体实现

在对各个子模块构建以后，需要对整个OFDM基带发送系统进行构建，其框图如图6所示。具体方法是在顶层模块中对各个底层子模块进行例化，并进行联合仿真测试。

图6 系统框图

经过Xilinx XST综合器综合后，得到RTL级结构图，如图7所示。利用Xilinx Simulator对工程进行仿真，结果如图8所示。

图7 系统RTL级结构(截图)

图8 系统仿真(截图)

对工程文件进行综合，利用PlanAhead对信号进行管脚约束，并实现、生成比特流文件，将其下载至Virtex－5 FPGA开发板中，利用在线逻辑分析仪Chipscope Pro对输出信号监视，其硬件仿真波形如图9所示。

图9 硬件仿真波形(截图)

从硬件仿真图中可以看出，各输出信号的硬件测试结果与图9的时序仿真的输出值一致，基于FPGA的OFDM基带发送系统在FPGA上得到了正确实现。

3 结束语

由于OFDM技术自身的独特优势，它在宽带无线接入、B3G、UWB、无线WiMAX城域网、无线WiFi局域网等众多领域得到了广泛的应用。总之，OFDM作为无线接入系统的基本实现技术，已经成为人们未来解决高速数据在无线信道中传输问题的重要方案。本文结合了IEEE 802.11a无线局域网协议，利用当今数字电路设计中最为流行的SOPC设计技术，以Xilinx高端系列FPGA为硬件载体，在单个可编程FPGA芯片上实现了基于FPGA的OFDM基带发送系统。并经软件仿真和硬件测试，验证了设计的正确性，为进一步提高OFDM系统性能提供了优良的设计和实现方法。

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