一种OFDM调制解调器的FPGA实现

正交频分复用(OFDM)技术由于可以在提高数据传输速率的同时有效地对抗符号间干扰(ISI)，被广泛认为是高速数字传输的首选调制技术。目前OFDM已是欧洲数字音频／视频广播(DAB／DVB)、IEEE802．1la无线局域网(WLAN)的核心调制技术，而且有望成为3Gbeyond / 4G的关键技术。

在OFDM逐渐成熟的今天，如何降低通信系统的成本，使之能广泛的应用于数据传输系统当中，也成为OFDM研究的热点。近年来由于VLSI和DSP技术的发展，解决了OFDM实现的硬件条件，从而使OFDM技术得到了更大的发展。

本文在阐述OFDM原理的基础上，根据OFDM的特点，提出一种基于IFFT／FFT的OFDM调制解调器的低成本FPGA实现方法。该方法具有设计简单、快速、高效和实时性好等特点。

1 OFDM的基本原理
OFDM的基本思想是把高速率的信源信息流通过串并变换，变换成低速率的N路并行数据流，然后将这N路数据流分别调到N个相互正交的子载波上，再将N路调制后的信号相加即得发射信号。

从频谱上看，OFDM技术将所给信道分成N个正交的子信道，在每个子信道上使用一个子载波进行调制，并且这N个正交的子载波并行传输，即整个信道划为多个窄的正交子带，并且在每个信道上进行窄带传输，子信道信号带宽小于信道相关带宽，这样OFDM技术便可以克服信道的频率选择性衰落。

从时域上看，OFDM采用并行方式传输多个符号可以相应的增加码的持续时间，这样就可以减少瑞利衰落环境带来的符号间干扰(IsI)的影响。

设一个OFDM符号之内包含N经过相移键控(PSK)或者正交幅度调制(QAM)的子载波。其中，N表示子载波的个数， T表示OFDM符号的持续时间(周期)，则OFDM的基带信号为：

 

 

根据以上分析可以看到，OFDM系统的调制和解调可以分别由IDFI和DFI来代替。图1为OFDM基带系统原理框图。

 

 

 

 

根据上面的方程得到的l6点FFT基4算法的蝶形运算流如图2所示。

 

在OFDM调制解调器中，只要把FFr的输入数据和输出结果取共轭，即可利用FFT实现IFFT。即FFT既可用作发送部分的调制器，又可用作接收部分的解调器。这样可以提高模块的重用性，减少设计量和便于模块调试。

3．FDM调制解调器的FPGA实现
3．1 OFDM调制解调器的结构框图
OFDM调制解调器的结构框图如图3所示。该调制解调器主要由存储模块、运算模块以及控制和地址生成模块组成。存储模块由输入DRAM、计算DRAM、输出DRA M和RAM组成；其中输入DRAM是用来存放输入数据，计算DRAM是用来存放各级运算的中间结果，输出DRAM是来存放输出数据，ROM是用来存放各级运算所需的旋转因子。DRAM和ROM均采用Xilinx芯片的片内存储器，其读取速度非常快，DRAM是双口RAM，可以对两个端口同时读写，这样比单口RAM节省一半的存储容量。运算模块主要是由基4蝶形运算单元组成，其核心是一个乘法器，采用Xilinx公司FPGA芯片内嵌的硬件乘法器实现。控制和地址生成模块是设计的关键，产生各级运算所需的地址信号和存储器的使能信号以及其他各种控制信号。

在该系统中，把输入DRAM和计算DRAM分开，主要是为了使输入输出数据为clock，而内部处理时钟采用5倍的clock时钟进行时分复用，这样虽然增加了控制模块的复杂性，但是可以节省较多的硬件资源就可以实现对连续数据流的处理，获得很好的实时性。另外，我们把因子1／N均匀地分散到各级运算中，可以提高运算的精度。图3中，当inverse=1时实现调制；inverse=0时实现解调，使用同一个内核实现调制解调。

 

3．2 OFDM调制解调器的FPGA实现
本OFDM调制解调器使用VHDL硬件描述语言进行设计输入，采用一片Xilinx公司的VirtexⅡ系列的xc2v500芯片实现了图3所示的OFDM调制解调器，并使用Xilinx公司的ISE开发软件和Mentor公司的Modelsim仿真软件实现了综合后仿真以及布局布线后仿真。

图4给出了FPGA上的l6点FFr运算单元的计算结果图；横坐标K代表时间轴，纵坐标X(K)为FPGA16位定点运算的结果。由于只读取了一帧信号，因此横坐标上只有16个点。该FPGA16位定点运算的结果与利用Matlab仿真的结果相同，从而验证了硬件设计的正确性。

 

4 结束语
OFDM技术由于其独特的优点，所以在无线接入和移动高速传输中的应用前景非常广泛，下一代的移动通信已经将其作为全面提高性能的核心技术。调制解调技术是OFDM系统中的关键技术之，是OFDM研究的热点，本文提出了一种适合在FPGA器件上实现的OFDM调制解调的实用电路，仿真结果表明该方法具有设计简单、快速、高效和实时性好等优点，具有一定的通用性和灵活性。