OFDM系統(tǒng)數(shù)字中頻的FPGA設(shè)計(jì).pdf

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1、2006年第3期通信與廣播電視1OFDM系統(tǒng)數(shù)字中頻的FPGA設(shè)計(jì)******萬(wàn)福周文偉呂一希摘要本文主要討論了OFDM系統(tǒng)中使用數(shù)字中頻的優(yōu)點(diǎn),在發(fā)射機(jī)和接收機(jī)中的實(shí)現(xiàn)方案,重點(diǎn)敘述了數(shù)字中頻中兩個(gè)關(guān)鍵模塊)))數(shù)控振蕩器和成型濾波器在FPGA中的設(shè)計(jì),并分析了數(shù)字量化誤差。關(guān)鍵詞:OFDMFPGA數(shù)字中頻DesignofDigitalIFBasedonFPGAinOFDMSystemWanFuZhouWenweiLuYixiAbstractThispaperdescribestheadvantageofdigitalIFinOFDMsystemandthesc

2、hemeofreal-izingthetransmitterandreceiver.Itemphasizesthedesignoftwocriticalmodules,numer-icalcontroloscillatorandmodelingfilterinFPGA.Thedigitalquantizationisalsogiven.Keywords:OFDM)orthogonalfrequencydivisionmultiplexFPGAdigitalIF一、引言正交頻分復(fù)用(OFDM,OrthogonalFrequencyDivisionMultiplex)

3、技術(shù)最早出現(xiàn)于上世紀(jì)五十年代的軍用無(wú)線(xiàn)通信中,該技術(shù)將串行傳送的數(shù)據(jù)分成若干個(gè)數(shù)據(jù)流,分別調(diào)制到一組相互正交的子載波上,進(jìn)行并行傳輸。但是早期的OFDM系統(tǒng)的每一個(gè)子載波都需要本振和調(diào)制器,實(shí)現(xiàn)起來(lái)成本昂貴。隨著使用IFFT實(shí)現(xiàn)多載波技術(shù)的提出和DSP技術(shù)及VLSI技術(shù)的飛速發(fā)展,對(duì)OFDM技術(shù)的研究開(kāi)始升溫,并在衛(wèi)星通信、地面無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)通信和數(shù)字廣播等領(lǐng)域都得到了實(shí)際應(yīng)用。使用OFDM系統(tǒng)有很多優(yōu)點(diǎn):一是無(wú)需線(xiàn)性均衡,從而避免了噪聲的增強(qiáng),而且由于它的符號(hào)間隔很長(zhǎng),對(duì)多徑效應(yīng)、脈沖噪聲和快速衰落有較強(qiáng)的抵抗能力;二是由于子載波是相互正交的,所以頻譜可以交疊使用,頻

4、譜利用率比普通的多載波系統(tǒng)要高得多。當(dāng)然,實(shí)現(xiàn)OFDM系統(tǒng)存在技術(shù)上的難點(diǎn),比如系統(tǒng)對(duì)同步的要求很高,因?yàn)橐３指鱾€(gè)子載波*作者系南京海軍指揮學(xué)院信息系講師**作者系熊貓軍用通信產(chǎn)業(yè)集團(tuán)二部工程師***作者系熊貓軍用通信產(chǎn)業(yè)集團(tuán)二部助理工程師2通信與廣播電視2006年第3期間的正交性,所以它對(duì)定時(shí)誤差和頻率誤差要比單載波技術(shù)敏感得多。其次,FFT和IFFT算法依賴(lài)于信道的線(xiàn)性,對(duì)I/Q路信號(hào)的非線(xiàn)性失真和不平衡指標(biāo)有較高的要求。在OFDM系統(tǒng)中一般將基帶信號(hào)在中頻部分通過(guò)I/Q調(diào)制混合生成兩個(gè)分量相互正交的復(fù)信號(hào)傳送出去,接收端通過(guò)I/Q解調(diào)將復(fù)信號(hào)分解成I和Q兩

5、路基帶信號(hào),通過(guò)這樣一個(gè)過(guò)程可以輕易地實(shí)現(xiàn)復(fù)信號(hào)的傳輸。由于FFT和IFFT算法依賴(lài)于信道的線(xiàn)性,而用模擬電路實(shí)現(xiàn)中頻I/Q調(diào)制很難保證兩路信號(hào)的正交性,而且可能引入非線(xiàn)性噪聲,所以對(duì)于OFDM這樣一個(gè)敏感的系統(tǒng),應(yīng)該使用數(shù)字中頻來(lái)實(shí)現(xiàn)I/Q調(diào)制和解調(diào),盡量減少電路層給系統(tǒng)帶來(lái)的損傷。本文首先介紹了數(shù)字中頻的優(yōu)點(diǎn),以及使用FPGA實(shí)現(xiàn)的好處,然后提出了設(shè)計(jì)方案,并重點(diǎn)敘述了數(shù)字中頻中兩個(gè)關(guān)鍵模塊數(shù)控振蕩器和成型濾波器的設(shè)計(jì),分析了數(shù)字量化誤差。二、實(shí)現(xiàn)方法使用數(shù)字中頻對(duì)信號(hào)進(jìn)行I/Q調(diào)制可以精確地做到Q路的90b相移,在IQ兩路調(diào)制時(shí)沒(méi)有幅度上的失真,所以在很大程

6、度上克服了模擬I/Q調(diào)制的幅度和相位不平衡性。由于使用數(shù)字電路,克服了模擬混頻電路非線(xiàn)性的影響,減少了非線(xiàn)性交調(diào)產(chǎn)生的諧波干擾。使用數(shù)字電路設(shè)計(jì)混頻器、濾波器簡(jiǎn)化了硬件電路設(shè)計(jì)。由于FPGA的可編程性,使用FPGA實(shí)現(xiàn)數(shù)字中頻,可以提高系統(tǒng)的可編程性。在FPGA中OFDM的數(shù)字中頻在發(fā)射部分使用平方根升余弦濾波器對(duì)基帶信號(hào)濾波,以消除符號(hào)間干擾,濾波后的IQ兩路信號(hào)通過(guò)乘法器與NCO中的正弦和余弦中頻載波相乘完成IQ調(diào)制,最后兩路信號(hào)相加通過(guò)DA轉(zhuǎn)換送入射頻部分。接收部分將射頻信號(hào)通過(guò)與NCO的兩路正交載頻相乘分解出IQ兩路信號(hào)送至基帶。發(fā)射和接收部分實(shí)現(xiàn)框圖見(jiàn)圖

7、1和圖2。圖1發(fā)射部分圖2接收部分2006年第3期通信與廣播電視3三、關(guān)鍵技術(shù)的實(shí)現(xiàn)11數(shù)控振蕩器(NCO)的設(shè)計(jì)數(shù)控振蕩器在數(shù)字中頻中相對(duì)來(lái)說(shuō)是比較復(fù)雜的,也是決定數(shù)字中頻性能的主要因素之一,NCO的目標(biāo)是產(chǎn)生一個(gè)理想的正弦波或余弦波,如式(1):fLOS(n)=cos(2P##n)(n=0,1,2,,,)(1)fS式中,fLO為本地振蕩頻率;fS為輸入信號(hào)的采樣頻率。正弦波樣本可以用實(shí)時(shí)計(jì)算的方法產(chǎn)生,但這只適用于信號(hào)采樣頻率很低的情況。在超高速的信號(hào)采樣頻率的情況下,NCO實(shí)時(shí)計(jì)算的方法是不可能實(shí)現(xiàn)的,此時(shí),NCO產(chǎn)生正弦波樣本的最有效、最簡(jiǎn)便的方法就是查表

8、法,即事先