[发明专利]一种基于FPGA的可扩展轻量化OFDM系统设计方法

说明书

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。

技术领域

本发明涉及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。

背景技术：

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IEEE 802.11p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，本发明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。

发明内容：

发明目的：

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。

本发明的技术方案：

本发明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；