基于PYNQ-z2的OFDM调制解调

PYNQ-z2实现OFDM

最近学校开设了实践课，提供了PYNQ-z2开发板并要求实现一些功能。由于我们组是做语音和通信的，我们选择了实现OFDM调制解调作为选题。当然这块板子也很适合图像识别神经网络搭建，具体案例也可在指导手册中找到。

OFDM系统

关于OFDM的原理在此处就不具体介绍了，可以参考一下博文，介绍地非常详细：
链接: https://blog.csdn.net/madongchunqiu/article/details/18614233.

我们基于802.11a的OFDM标准，要求IFFT/FFT均为64点，802.11a标准的介绍：
链接: https://blog.csdn.net/rs_network/article/details/49162455.

OFDM调制、解调的过程如下图所示，其中只有IFFT/FFT是需要设计IP核的。

IFFT/FFT的IP核设计

IFFT/FFT的IP核建立完全一样，区别只在于代码，接下来详细介绍一下FFT的IP核创建。

1. 写完FFT的C++程序后，使用vivado HLS工具生成IP核。首先是添加c程序，Top function就是主要实现的函数，我们fft函数的的名字叫做kfft64。
   
   TestBench就是测试文件，也提前导入。
   
   HLS内没有PYNQ-z2的板子信息，因此只能选择芯片，输入xc7z020clg400-1，如图所示
   
   完成之后分别点击Run C Synthesis、Run C Simulation、Export RTL，完成IP核测试和生成。
   
   在TestBench内采用相同一段比特流2PSK调制后作为输入，拿IP核输出结果对比matlab输出结果（左为IP核，右为matlab）：
   
   在HLS左侧区域找到IP核调用地址，例如INR代表输入的实部，其为整型，存储在从0x100开始，以4个字节为存储空间的内存中。这里讲一下为什么采用整型变量来进行存储的原因：按照理论，输入输出应该为浮点型，但是我在调用IP核的过程中总是出现浮点型数据写入、读取困难的问题。由于问题一直没有解决，最后选择在数据输入IP核前先进行放大，将数据放大为10万倍后强制转成整型，然后在输出端再除以10万倍。整型的写入、读取没有遇到过困难，由补码到原码的转换也比较顺利。由于采用了16QAM的调制方式，数据的大小最大为3，乘上10万倍相对于采用32位存储的整型来说也完全没有问题。如果有人解决了浮点数读取这个问题，希望能告诉一下我方法，非常感谢。
   
   2.IP核创建完成后，使用vivado连接到AXI总线上，这里比较简单，推荐一个博客，照做就行：
   链接: https://blog.csdn.net/weixin_38438451/article/details/84778938.

在vivado里新建工程是可以找到板子信息的，如果找不到的话，需要去下载并存放在vivado安装目录下。

基于overlay的测试

调用板子内的jupyter，并写代码测试:

调用IP核的程序

from pynq import Overlay
overlay =Overlay('/home/xilinx/pynq/overlays/base/kfft.bit')
overlay?
kfft = overlay.kfft64_0

测试的例子不是很形象（可以不看）。为了比较性能，在使用IP核解调的同时也调用python内的fft函数来进行解调。下图中左边的是用ip核解调后的实部，右边的是用python的fft函数解调后的复数，只看实部的话，二者的差距还是比较小的。

基于PYNQ-z2的OFDM调制解调的测试

为了测试IP核性能，实验采用PYNQ开发板进行OFDM调制，matlab设计算法进行解调。

采用16QAM的调制方法，星座图如图：





如果有意见、建议或者需要代码，可以联系[email protected]，祝大家新年快乐。