一种基于FPGA的可扩展轻量化OFDM系统设计方法技术方案

针对高速环境现有的基于FPGA的通信系统几乎都是功能完备的复杂通信或商用系统，不能快速的实现硬件仿真，从而无法达到高效的二次开发的问题，本发明专利技术提出了一种基于FPGA的可扩展轻量化OFDM系统设计方法。本发明专利技术设计分为发射机和接收机两部分。发射机部分，要发送的数据流依次经过QPSK调制、导频插入、IFFT、发射四个模块发出，然后在接收机进行同步、CP移除、FFT、接口、信道估计均衡、剩余相位跟踪、解调七个模块的处理，最后接收机输出数据。运用仿真软件对该系统进行仿真测试。仿真结果表明，该设计达到了预期要求，完成了数据的正确发送与接收，可为高速移动通信系统的基带信号处理算法的硬件仿真提供参考。

【技术实现步骤摘要】
一种基于FPGA的可扩展轻量化OFDM系统设计方法
本专利技术涉及OFDM系统设计以及FPGA仿真，特别是一种基于FPGA的可扩展轻量化OFDM系统设计方法。
技术介绍
：无线通信在高速移动和复杂多变的环境下的挑战在于其产生的多径效应与多普勒效应，使信道响应呈现出时频域选择性衰落，限制了传统的低速通信协议性能。为此，国际组织提出了很多应用于高速环境下的通信标准以适应各类高速环境下的通信需求，典型的有下一代的高铁通信系统LTE-R协议、应用于车联网上的IEEE802.11p协议等。对应于这些不同的物理层协议，出现了大量的基带信号处理算法。为了测试不同的通信协议中基带信号处理算法在高速环境下的传输速率、误码率等性能指标，设计人员需要进行MATLAB软件仿真和FPGA硬件仿真验证，而现有的基于FPGA(现场可编程门阵列)的通信系统几乎都是功能完备的复杂通信系统或商用系统，开发难度较高，且所需的时间和人力成本过高，从而无法达到高效、快速的二次开发。为此，本专利技术设计了一种面向高速场景的基于FPGA的可扩展的轻量化OFDM收发机系统，具有节约开发时间，降低开发难度，提高算法性能验证效率，节约成本等优点，对提高高速铁路、车联网等通信系统在高速环境下的性能表现及其算法的发展升级都有重要的应用价值。
技术实现思路
：专利技术目的：设计了一种面向高速场景的可扩展的轻量化OFDM收发机系统，以节约开发时间，降低开发难度，提高算法性能验证效率，节约成本。本专利技术的技术方案：本专利技术采用自顶向下的设计流程，先构造了OFDM通信系统的整体框架，将OFDM通信系统分为发射机和接收机两大部分，其中发射机的设计包含了调制、导频插入、快速傅里叶逆变换(IFFT)、发射四个模块，接收机的设计包括同步、循环前缀(CP)移除、快速傅里叶变换(FFT)、信道估计均衡、剩余相位跟踪、解调六个模块。再对每个模块进行细化的代码设计，从下向上逐步验证仿真结果。该OFDM系统的整体框架如图1所示，具体如下：步骤1：开始；步骤2：原始数据比特流输入调制模块，进行正交相移键控(QPSK)调制，输出为16bit的实部值和16bit的虚部值；步骤3：信号进入导频插入模块，在每个OFDM模块的指定位置处插入导频后输出；步骤4：信号进入IFFT模块，通过IFFT运算加入循环前缀CP并实现OFDM子载波映射后输出；步骤5：信号进入发射模块，在发送数据前先发送存储器中的训练序列，并完成信号发射；步骤6：信号经过加性高斯白噪声(AWGN)信道，进入接收机；步骤7：信号进入同步模块，进行子载波的频偏校正和符号定时同步后输出；步骤8：信号进入相位跟踪模块，进行子载波的相位跟踪和相位补偿后输出；步骤9：信号进入循环前缀移除模块，移除每个OFDM符号前加的循环前缀(CP)后输出；步骤10：信号进入FFT模块，通过FFT运算实现OFDM解调后输出；步骤11：信号进入信道均衡模块，对信道的频率响应特性进行估计并补偿后输出；步骤12：信号进入解调模块，进行QPSK解调，得到原始的比特流；步骤13：结束。其中，QPSK调制模块的信号处理流程如图2所示，具体如下：步骤a1：开始；步骤a2：条件判断，当高电平有效的复位信号RST_I为低电平，发送许可标志CYC_I为高，启动许可标志STB_I，WE_I为高时，执行下一步；步骤a3：将输入信号DAT_I2bit一组，存入寄存器idat中；步骤a4：对idat中的数据进行QPSK映射，映射结果存入寄存器odat中；步骤a5：将odat中的结果作为输出信号DAT_O；步骤a6：结束。导频插入模块的信号处理流程图如图3所示，具体如下：步骤b1：开始；步骤b2：读取事先生成的导频符号存入寄存器pil中；步骤b3：条件判断，当高电平有效的复位信号RST_I为低电平，发送许可标志CYC_I为高，启动许可标志STB_I，WE_I为高时，执行下一步；步骤b4：定义变量dat_cnt对时钟CLK_I计数；步骤b5：根据dat_cnt的值，决定DAT_O的值：dat_cnt为6、20、42、56时，DAT_O为pil中的导频符号；dat_cnt为0，27～37时，DAT_O为0即空符号；dat_cnt为其他值时，DAT_O等于DAT_I；步骤b6：结束。IFFT模块的信号处理流程如图4所示，具体如下：步骤c1：开始；步骤c2：对ifftIP核做初始化设置，IP核的参数设置引脚s_axis_config_tdata置为h3610，代表添加的CP长度为16,IFFT位数64位；步骤c3：条件判断，当高电平有效的复位信号RST_I为低电平，发送许可标志CYC_I为高，启动许可标志STB_I，WE_I为高时，执行下一步；步骤c4：DAT_I进入IP核进行ifft运算，运算完成后，IP核的输出引脚m_dat_val，m_dat_rdy置为高电平，表示可以输出结果；步骤c5：当m_dat_val，m_dat_rdy均为高电平时，IP核的运算结果输出到DAT_O；步骤c6：将m_dat_val，m_dat_rdy置为低电平，以便进行下一次IFFT运算；步骤c7：结束。发射模块的信号处理流程如图5所示，具体如下：步骤d1：开始；步骤d2：读取事先生成的训练符号并存入存储器Pre中，定义训练符号启动变量pre_ena和训练符号计数变量pre_cnt来控制训练符号的发送定义数据符号biaozhi标量dat_sym_ena；步骤d3：条件判断，当高电平有效的复位信号RST_I为低电平，发送许可标志CYC_I为高，启动许可标志STB_I，WE_I为高时，执行下一步；步骤d4：pre_ena置高电平，pre_cnt对CLK_I计数并作为地址读取Pre中的训练符号，由DAT_O发送；步骤d5：当pre_cnt计数到320时，表示训练序列发送完成，将dat_sym_ena作为置一，表示DAT_O等于DAT_I，同时将pre_ena和pre_cnt置0；步骤d5：结束。同步模块的信号处理流程如图6所示，具体如下：步骤e1：开始；步骤e2：条件判断，当高电平有效的复位信号RST_I为低电平，发送许可标志CYC_I为高，启动许可标志STB_I，WE_I为高时，执行下一步；步骤e3：对DAT_I进行判决，若连续16个能量取样信号都满足判决式，则判断分组起始出现，将帧检测信号frm_dec置高，否则frm_dec为低电平。当frm_dec为高电平时，执行一下步；步骤e4：对DAT_I输入数据进行64级和32级延时，根据延时前后的数据计算出一个相位偏差P_diff；步骤e5：根据P_diff和相位偏差累加值P_diff_acc的大小关系输出一个使能信号Freoff_Est_Comp_ena，若Freoff_Est_Comp_ena为高电平，执行下面的步骤；步骤e6：对输入的相位进行量化移位得到phase_in_rd，它右移6位后即得到相位平均值phase_in_lat，phase_in_lat加上初始的相位偏移phase_rot得到相位偏移累加和phase_rot_acc；步骤e7：判断phase_rot_acc的值。若phase_rot_acc<-pi，则累加和加上2pi作为新的相位偏移ph本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.本专利技术提出一种基于FPGA的可扩展轻量化OFDM系统设计方法，其特征在于，具体为：包含了发射机和接收机两大部分；发射机部分由分为调制模块、导频插入模块、IFFT模块和发射模块组成；接收机部分由相位跟踪模块、同步模块、循环前缀去除模块、FFT模块、信道估计与均衡模块和解调模块组成。

【技术特征摘要】
1.本发明提出一种基于FPGA的可扩展轻量化OFDM系统设计方法，其特征在于，具体为：包含了发射机和接收机两大部分；发射机部分由分为调制模块、导频插入模块、IFFT模块和发射模块组成；接收机部分由相位跟踪模块、同步模块、循环前缀去除模块、FFT模块、信道估计与均衡模块和解调模块组成。2.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的可扩展轻量化OFDM系统设计方法，其特征在于，一种基于FPGA的可扩展轻量化OFDM系统设计方法的信号处理流程，包括：步骤1：开始；步骤2：原始数据比特流输入调制模块，进行QPSK调制，输出为16bit的实部值和16bit的虚部值；步骤3：信号进入导频插入模块，在每个OFDM模块的指定位置处插入导频后输出；步骤4：信号进入IFFT模块，通过IFFT运算加入循环前缀CP并实现OFDM子载波映射后输出；步骤5：信号进入发射模块，在发送数据前先发送存储器中的训练序列，并完成信号发射；步骤6：信号经过AWGN信道，进入接收机；步骤7：信号进入同步模块，进行子载波的频偏校正和符号定时同步后输出；步骤8：信号进入相位跟踪模块，进行子载波的相位跟踪和相位补偿后输出；步骤9：信号进入循环前缀去除模块，除去每个OFDM符号前加的循环前缀(CP)后输出；步骤10：信号进入FFT模块，通过FFT运算实现OFDM解调后输出；步骤11：信号进入信道均衡模块，对信道的频率响应特性进行估计并补偿后输出；步骤12：信号进入解调模块，进行QPSK解调，得到原始的比特流；步骤13：结束。3.根据权利要求2所述的一种基于FPGA的可扩展轻量化OFDM系统设计方法的信号处理流程，其特征在于，调制模块的信号处理流程，具体包括：步骤a1：开始；步骤a2：条件判断，当高电平有效的复位信号RST_I为低电平，发送许可标志CYC_I为高，启动许可标志STB_I，WE_I为高时，执行下一步；步骤a3：将输入信号DAT_I2bit一组，存入寄存器idat；步骤a4：对idat中的数据进行QPSK映射，映射结果存入寄存器odat；步骤a5：将odat中的结果作为输出信号DAT_O；步骤a6：结束。4.根据权利要求2所述的一种基于FPGA的可扩展轻量化OFDM系统设计方法的信号处理流程，其特征在于，导频插入模块的信号处理流程，具体包括：步骤b1：开始；步骤b2：读取事先生成的导频符号存入寄存器pil中；步骤b3：条件判断，当高电平有效的复位信号RST_I为低电平，发送许可标志CYC_I为高，启动许可标志STB_I，WE_I为高时，执行下一步；步骤b4：定义变量dat_cnt对时钟CLK_I计数；步骤b5：根据dat_cnt的值，决定DAT_O的值：dat_cnt为6、20、42、56时，DAT_O为pil中的导频符号；dat_cnt为0，27～37时，DAT_O为0即空符号；dat_cnt为其他值时，DAT_O等于DAT_I；步骤b6：结束。5.根据权利要求2所述的一一种基于FPGA的可扩展轻量化OFDM系统设计方法的信号处理流程，其特征在于，IFFT模块的信号处理流程，具体包括：步骤c1：开始；步骤c2：对ifftIP核做初始化设置，IP核的参数设置引脚s_axis_config_tdata置为h3610,代表添加的CP长度为16,IFFT位数64位；步骤c3：条件判断，当高电平有效的复位信号RST_I为低电平，发送许可标志CYC_I为高，启动许可标志STB_I，WE_I为高时，执行下一步；步骤c4：DAT_I进入IP核进行ifft运算，运算完成后，IP核的输出引脚m_dat_val，m_dat_rdy置为高电平，表示可以输出结果；步骤c5：当m_dat_val，m_dat_rdy均为高电平时，IP核的运算结果输出到DAT_O；步骤c6：将m_dat_val，m_dat_rdy置为低电平，以便进行下一次IFFT运算；步骤c7：结束。6.根据权利要求2所述的一种基于FPGA的可扩展轻量化OFDM系统设计方法的信号处理流程，其特征在于，发射模块的信号处理流程，具体包括：步骤d1：开始；步骤d2：读取事先生成的训练符号并存入存储器Pre中，定义训练符号启动变量pre_ena和训练符号计数变量pre_cnt来控制训练符号的发送定义数据符号biaozhi标量dat_sym_ena；步骤d3：条件判断，当高电平有效的复位信号RST_I为低电平，发送许可标志CYC_I为高，启动许可标志STB_I，WE_I为高时，执行下一步；步骤d4：pre_ena置高电平，pre_cnt对CLK_I计数并作为地址读取Pre中的训练符号，由DAT_O发送；步骤d5：当pre_cnt计数到320时，表示训练序列发送完成，将dat_sym_ena作为置一，表示DAT_O等于DAT_I，同时将pre_ena和pre_cnt置0.；步骤d5：结束。7.根据权利要求2所述的一种基于FPGA的可扩展轻量化OFDM系统设计方法的信号处理流程，其特征在于，同步模块的信号处理流程，具体包括：步骤e1：开始；步骤e2：条件判断，当高电平有效的复位信号RST_I为低电平，发送许可标志CYC_I为高，启动许可标志STB_I，WE_I为高时，执行下一步；步骤e3：对DAT_I进行判决，若连续16个能量取样信号都满足判决式，则判断分组起始出现，将帧检测信号frm_dec置高，否则frm_dec为低电平。当frm_dec为高电平时，执行一下步骤；步骤e4：对DAT_I输入数据进行64级和32级延时，延时前后的数据可计算出一个相位偏差P_diff；步骤e5：根据P_diff和相位偏差累加值P_diff_acc的大小关系输出一个使能信号Freoff_Est_Comp_ena，若Freoff_Est_Comp_ena为高电平，执行下面的步骤；步骤e6：对输...

【专利技术属性】
技术研发人员：廖勇，夏茂菡，李守智，王博，沈轩帆，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：重庆,50