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OFDM系统同步与均衡方法的FPGA设计与实现

李国彬  
【摘要】:正交频分复用(OFDM)技术自发明以来,凭借其天然的强抗多径效应能力以及较高的频带利用率,已经被广泛应用于通信的各个领域中。但是OFDM系统自身对频率偏移的低容忍度,限制了其优势的发挥。无线信道的衰落特性也为系统带来了严峻考验。突发通信数据的到达具有随机性,那么数据帧的精确定位也成为问题。从实际的实现角度考虑,对于实现复杂算法的资源消耗的控制也十分重要。因此,对于OFDM同步技术、均衡技术以及硬件上的实现技术的研究,具有很大的意义。本文首先在理论上分析了 OFDM系统中同步技术的重要性。给出一种参数可变的易于硬件实现的系统数据帧格式,给出基于本文帧格式的系统参数计算方法,并举实例进行了说明。接下来本文分析适合OFDM系统且易于硬件实现的同步、信道估计与均衡算法。文中给出OFDM通信演示验证平台的全数字化实现方案,从硬件实现的角度构建系统,实现系统接收机中的重要组成部分。介绍包括分组检测模块、频偏估计补偿模块、符号同步模块、信道估计与均衡模块及剩余频偏校正模块在内的实现方案。并详细介绍各个模块的主要功能和细节,及其二级模块、三级模块的具体实现方法。在具体的硬件实现过程中,运用很多简化方法,如利用速度与面积互换原则,以牺牲时间为代价,降低了乘法操作的资源消耗;通过算法优化并巧用逆映射模块门限值可变而实现了除法操作的规避等等。这使得系统结构更加清晰,且复杂度更低,具有很高的实践价值。本文以Xilinx公司出品的Virtex-5系列的XC5VSX95T作为核心处理器,以ISE14.3作为软件集成编译开发环境,以硬件描述语言Verilog HDL作为主要编程语言,进行FPGA全数字化通信系统的设计。在对包括上述5个工作模块在内的系统搭建成功后进行调试。运用Modelsim 10.1c软件完成时序仿真,从比特级的层面将其与Matlab仿真结果进行对比验证,最后在开发板中正确运行,用ChipScope Pro在线测试证明本文所述系统方案的有效性。与同类文献比较,文中化简方法大大降低了各模块复杂度。


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