基于IEEE802.11a的OFDM发射机系统的FPGA设计
摘要
无线局域网是计算机网络技术和无线通信技术相结合的产物,是利用无续媒介传输信息的计算机网络。在无线通信信道中,由于多径时延不可避免地存在符号间干扰,正交频分复用(OFDM)作为一种可以有效对抗符号间干扰(ISI)和提高频谱利用率的高速传输技术,引起了广泛关注。在无线局域网(WLAN)系统中,OFDM调制技术已经被采用作为其物理层标准,并且公认为是下一代无线通信系统中的核心技术。基于IEEE802.11a的无线局域网标准的物理层采用了OFDM技术,能有效的对抗多径信道衰落,达到54Mbps的速度,而未来而的IEEE802.11n将达到100Mbps的高速。因此,研发以OFDM为核心的原型机研究非常有必要。
本课题在深入理解OFDM技术的同时,结合相应的EDA工具对系统进行建模并基于IEEE802.11a物理层标准给出了一种OFDM基带发射机系统的FPGA实现方案。整个设计采用目前主流的自顶向下的设计方法,由总体设计至详细设计逐步细化。
在系统功能模块的FPGA实现过程中,针对Xilinx一款160万门的Spartan-3E XCS1600E芯片,依照IEEE802.11a帧格式,对发射机系统各个模块进行了详细设计和仿真:
(1)训练序列生成模块,包括长,短训练序列;
(2)信令模块,包括卷积编码,交织,BPSK调制映射;
(3)数据模块,包括加扰,卷积编码,删余,交织,BPSK/QPSK/16QAM/64QAM调制映射;
(4)OFDM处理部分,包括导频插入,加循环前缀,IFFT处理;
(5)对整个发射处理部分联调,并给出仿真结果
另外,还完成了接收机部分模块的FPGA设计,并给出了相应的顶层结构与仿真波形。最后提出了改进和进一步开发的方向。
Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) has been widely regarded as an effective technique for increased spectral efficiency and for combating the detrimental effects of Inter-symbol interference (ISI) that inevitably occurs due to multipath propagation in wireless communication channels. OFDM has been applied to worldwide standards of WLAN and has been considered to be a promising technique for high data-rate wireless transmission in next-generation mobile communications. In this case, how to realize efficient OFDM system has been a very important issue.
This thesis aims to explore the implementation of an OFDM baesband process targeted on its application in IEEE802.11a systems. A design and hardware implementation of the transmitter processor has been accomplished on Xilinx Sparten-3E field programmable gate array(FPGA) . The whole design is accompanied with the top-down strategy.
The detailed design and simulation of the transmit functional models are as follows:
(1) Training sequence generator module , including both long and short training sequence;
(2) Signal symbol generator module , as well as convolutioner, interleaver, BPSK mapper;
(3) Data symbol generator module,which contain scrambler, convolutioner, interleaver, BPSK/ QPSK/ 16QAM/ 64QAM mapper;
(4) OFDM modulate module , including pilot insert module, cycle prefix added modlue and IFFT/FFT module;
(5) Complete the joint-debug of transmitter module successfully;
In addition, part of receiver modules have also been designed based on FPGA.
本课题在深入理解OFDM技术的同时,结合相应的EDA工具对系统进行建模并基于IEEE802.11a物理层标准给出了一种OFDM基带发射机系统的FPGA实现方案。整个设计采用目前主流的自顶向下的设计方法,由总体设计至详细设计逐步细化。
在系统功能模块的FPGA实现过程中,针对Xilinx一款160万门的Spartan-3E XCS1600E芯片,依照IEEE802.11a帧格式,对发射机系统各个模块进行了详细设计和仿真:
(1)训练序列生成模块,包括长,短训练序列;
(2)信令模块,包括卷积编码,交织,BPSK调制映射;
(3)数据模块,包括加扰,卷积编码,删余,交织,BPSK/QPSK/16QAM/64QAM调制映射;
(4)OFDM处理部分,包括导频插入,加循环前缀,IFFT处理;
(5)对整个发射处理部分联调,并给出仿真结果
另外,还完成了接收机部分模块的FPGA设计,并给出了相应的顶层结构与仿真波形。最后提出了改进和进一步开发的方向。
Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) has been widely regarded as an effective technique for increased spectral efficiency and for combating the detrimental effects of Inter-symbol interference (ISI) that inevitably occurs due to multipath propagation in wireless communication channels. OFDM has been applied to worldwide standards of WLAN and has been considered to be a promising technique for high data-rate wireless transmission in next-generation mobile communications. In this case, how to realize efficient OFDM system has been a very important issue.
This thesis aims to explore the implementation of an OFDM baesband process targeted on its application in IEEE802.11a systems. A design and hardware implementation of the transmitter processor has been accomplished on Xilinx Sparten-3E field programmable gate array(FPGA) . The whole design is accompanied with the top-down strategy.
The detailed design and simulation of the transmit functional models are as follows:
(1) Training sequence generator module , including both long and short training sequence;
(2) Signal symbol generator module , as well as convolutioner, interleaver, BPSK mapper;
(3) Data symbol generator module,which contain scrambler, convolutioner, interleaver, BPSK/ QPSK/ 16QAM/ 64QAM mapper;
(4) OFDM modulate module , including pilot insert module, cycle prefix added modlue and IFFT/FFT module;
(5) Complete the joint-debug of transmitter module successfully;
In addition, part of receiver modules have also been designed based on FPGA.
引文
[1]樊昌信,张甫栩,徐炳享,吴成柯.通信原理.国防工业出版社,2003
[2]吴伟陵,牛凯.移动通信原理.电子工业出版社,2005
[3]蔡涛,李旭,杜振名译,宋俊德审校.无线通信原理与应用.电子工业出版社,1999.6
[4]杨晓春,何建吾等译,Juha HeiskMa著.OFDM无线局域网.电子工业出版社,2004.9
[5]谭会生,张昌凡.EDA技术及应用.西安电子科技大学出版社,2002.9
[6]候伯亨,顾新.VHDL硬件描述语言与数字逻辑电路设计.西安电子科技大学出版社,199.6
[7]张亦华,延明.数字电路EDA入门--VHDL程序实例集.北京邮电大学出版社,2005.6
[8]潘松,王国栋编著.VHDL实用教程(第二版).成都:电子科技大学出版社,2001年7月.
[9]Kevin Skahill编著,朱明程,孙普译.可编程逻辑系统的VHDL设计技术.东南大学出版社,2004.35-69
[10]黄建文,艾西加等.VHDL语言及其应用.中国铁道出版社,2003.47-50
[11]王诚,吴继华,范丽珍,薛宁,薛小刚.Mtera fpga/cpld设计(基础片).北京:人民邮电出版社,2005.
[12]杨恒,卢飞成.FPGA/VHDL快速工程实践入门与提高.北京航天航空大学出版社,2002.60-62
[13]蔡广平,熊光泽.正交频分复用系统及其同步技术研究:[硕士毕业论文].南京:东南大学.2007
[14]Leonard J,La padula.Rule-Set Modeling of a Trusted Computer System.URL:http://www.acsa-admin.org/secshelf/book001/
[15]Alan Burns.Scheduling Hard Real-time Systems.A Reviewer SoftwareEngineering Journal,1991.(3):116-128
[16]张汝红,曹秀英.无线局域网的OFDM同步系统的研究与实现:[硕士毕业论文].南京:东南大学.2005
[17]张天放,胡爱群.基于IEEE802.11a的OFDM基带传输系统的研究及其部分模块的FPGA实现:[硕士毕业论文].南京:东南大学.2005
[18]Jayaram著,刘雷波等译.VHDL教程.北京:机械工业出版社,2005.50-103
[19]黄任.VHDL入门-解惑-经典实例-经验总结.北京:北京航空航天大学出版社,2004.21-33
[20]王莎莎,李兵兵.OFDM无线局域网同步算法的研究和实现:[硕士毕业论文].陕西西安:西安电子科技大学.2005
[21]张天放,胡爱群.基于IEEE802.11a的OFDM基带传输系统的研究及其部分模块的FPGA实现:[硕士毕业论文].上海:东南大学.2005
[22]Kevin Skahill著,朱明程,孙普译。可编程逻辑系统的VHDL设计技术.南京:东南大学出版社,1998年9月.
[23]冯利民,葛建华.基于OFDM无线局域网中的时域定时同步技术:[硕士毕业论文].陕西西安:西安电子科技大学.2007
[24]王勇,吴晓非.OFDM同步技术的研究:[硕士毕业论文].北京:北京邮电大学.2007
[25]M.Moeneclaey T.Pollet,P.Spruyt.The ber performance of ofdm systems using non-synchronized sampling.In IEEE Global Telecommunications Conference,pages pp.253-257,2001
[26]Juha Heiskala,John Terry著,杨晓春,何建吾等译.OFDM无线局域网.北京:电子工业出版社,2003年3月.
[27]Donald E.Thomas,Philips R.Moordy著,刘明业,蒋敬旗译.硬件描述语言Verilog(第四版).北京:清华大学出版社,2001年8月.
[28]J.Bhasker.Verilog-HDL综合实用教程.北京:清华大学出版社,2004年1月
[29]John G.Proakis著,张力军,张宗橙,郑宝玉译.数字通信(第五版).北京:电子工业出版社,fourth edition,2003年1月.
[30]EDA先锋工作室编著.FPGA/CPLD设计工具--XilinxlSE5.x使用详解.北京:人民邮电出版社,2003年6月.
[31]IEEE Std.802.11a 1999 Edition(R2003),"Wireless Medium Access Control(MAC)and physical Layer(PHY)Specifications:High-speed Physical Layer Extension in the 5-GHZ Band",IEEE,2003.
[32]IEEE Std.802.11 1999 Edition(R2003),"Wireless Medium Access Control(MAC)and Physical Layer(PHY)Specifications",IEEE,2003.
[33]Demonstration Models,IEEE 802.11a WLAN Physical Layer,Communication Blockset,The Mathsworks,Inc.
[34]张有方,曾孝平.基于IEEE802.11a标准的OFDM系统同步算法研究:[硕士毕业论文].重庆大学.2007
[35]白玉,萧保憬.IEEE802.11系列标准中的OFDM技术的分析与研究:[硕士毕业论文].陕西西安:西安电子科技大学.2006
[36]蔡峰,李维英.基于OFDM无线通信系统的同步算法研究:[硕士毕业论文].重庆大学.2007
[37]Steven J.Vaughan-Nichols,OFDM:Old Technology for New Markets,Tutorial of Wi-Fi Planet,http://www.wi-fiplanet.com,November 14,2002.
[38]王文博,郑侃编著,《宽带无线通信OFDM技术》,人民邮电出版社,2003年11月
[39]John G.Proakis,Masoud Salehi,Gerhard Bauch,Conyemporary Communication Systems Using MATLAB and Simulink,Second Edition,刘树裳译,电子工业出版社,2005
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[41]Gordon L.Stuber,Principles of Mobile Communication,Second Edition,聂敏,岳安军译,电子工业出版社,2004[
42]Shinsuke Hara and Ramjee Prased.MUTICARRIER TECHNIQUES for 4G Mobile COMMNUICATIONS.MA:Artech House,2003.
[43]刘会红.高速Viterbi译码器的研究与实现:[硕士毕业论文].哈尔滨:哈尔滨工程大学,2004
[44]孙晓岩,付永庆.幸存路径存储及输出的一种新方法.电子技术,2002(6):63-64
[45]阮铭,徐友云,宋文涛.基于FPGA的高速Viterbi译码器设计的实现.电视技术,2001(1):96-99页
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[48]佟学俭,罗涛编著.OFDM移动通信技术原理与应用.人民邮电出版社,2003年6月
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