基于IEEE80211a的OFDM基带系统的FPGA设计.docx

摘要
伴随着无线数据通信与多媒体应用的不断发展，无线传输系统对传输速率与QoS保证等方面的要求也相应地不断提高。正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）作为一种新型的物理层传输技术正越来越受人们的重视，并被视为下一代移动通信（4G）中的关键技术。OFDM继承了传统MCM中多载波并行调制、符号周期相应增长的特点，在OFDM的重叠多载波技术的利用下比传统的非重叠多载波技术节省将近50%的带宽，在循环前缀的辅助下可以实现准确的符号同步，有效地将原本频率选择性衰落的信道转化为多个并行平衰落信道使用，从而OFDM技术具有频谱利用率高、抗干扰能力强等优势，大大提高了传输效率，因此该技术在新一代的通信中备受关注。
IEEE802.11a无线局域网（WLAN）标准作为典型的以OFDM为物理层接入方式的应用系统，是OFDM技术的一个典型应用，本文正是以IEEE802.11a无线局域网标准为基础，对OFDM基带处理器的算法，架构进行介绍和分析的基础上，将整个系统的FPGA设计和实现分为多个基本通信模块，并给出每个模块的具体实现。采用自顶向下的FPGA设计方法，在Altera的Quartus II8.1开发环境下，采用Verilog硬件描述语言进行了长短训练序列、扰码、多速率卷积码、交织、16QAM映射、导频插入、IFFT调制循环前缀与加窗以及主控单元等系统模块的设计;采用Modelsim SE6.5f和Matlab7.0仿真工具对设计系统进行了单元模块仿真和系统仿真,并将设计的OFDM通信发送系统下载到Altera公司的Cyclone II系列EP2C8Q208C8 开发板上进行了系统测试和验证，并依据系统软件仿真和硬件测试的结果进行了分析，其中重点研究分析了加窗与循环前缀对OFDM系统性能的影响。
仿真和测试结果表明:基于IEEE802.11a无线局域网标准的OFDM通信发送系统符合该标准各参数要求并能够正确实现长短训练序列、扰码、多速率卷积码、交织、16QAM映射、导频插入、IFFT调制、循环前缀与加窗以及主控单元等各个模块,各个子模块系统软件仿真和整体OFDM通信发送系统测试正确, 下载测试结果正确。

关键词：OFDM，FPGA，IEEE 802.11a，IFFT，循环前缀

Abstract
With wireless data communication and multimedia application development, the requirements of transfer rate and QOS guarantee need to improve accordingly in the wireless transmission system. OFDM as a kind of new type of the physical layer transmission technology is more and more get the attention of people, and be treated as the key technology of next generation mobile communications (4 G). OFDM inherited the characteristics of multi-carrier parallel modulation Symbols cycle growth of the traditional MCM. Compared with traditional non-overlapping multi-carrier technology, the use of overlapping multi-carrier OFDM technology can save nearly 50% of the bandwidth. using circulation prefix can realize accurate symbol synchronization, change originally frequency selective decline channel into multiple concurrent flat fading channel effectively. so it has a good resistance multipath fading and high spectral utilization efficiency, greatly improving the transmission efficiency. so this technology is the hot research topic in a new generation of communication.
IEEE802.11 wireless local area network (WLAN) standard as a typical application system of OFDM physical layer access mode, is a typical technology OFDM application. the paper research and analyse the OFDM baseband processor algorithm and architecture to make the whole system FPGA design and implementation divided into a number of basic communication module, and give each module of the specific implementation basis on wireless LAN IEEE802.11 standard. Using the top-down design method of FPGA, in the Quartus II8.1 of Altera development environment, the Verilog hardware description language (Verilog HDL) has been accomplished to training sequence, scrambler, multi-rate convolution code, interweave, 16QAM mapping, pilot insertion, IFFT modulation, cyclic prefix and windowed and main control unit design of system module. ModelSim SE 6.5f and Matlab7.0 simulation tools have been used to make system design and simulation, and accomplished the designed OFDM communication transmission system to download to the FPGA hardware platform of Cyclone II of Altera and finished the system test. Besides according to the result of system software simulation and hardware test made the analysis, Which focuses on the analysis of widowed and cyclic for the system performance influence of OFDM.
The simulation and test results show that: OFDM communication send system meets the standard requirement of the wireless local area network IEEE802.11 standard. Such as raining sequence, scrambler, multi-rate convolution code, interweave, 16QAM mapping, pilot insertion, IFFT modulation, cyclic prefix and windowed and main control unit, each child module system software simulation and the overall OFDM communication send system test right, download test results are correct.

Key Words: OFDM，FPGA，IEEE 802.11a，IFFT，Circulation prefix

目 录
第1章绪论…………………………………………………………………………….1
1.1移动通信系统的发展概况.....................................................................................1
1.2 IEEE 802.11a标准概述…………………………………………………………..1
1.2.1 IEEE 802.11a物理层协议的参数……………………………………………...2
1.2.2 IEEE 802.11a物理层协议帧结构.......................................................................4
第2章 IEEE 802.11a物理层的OFDM技术.................................................................7
2.1 OFDM系统的发展状况及特点..............................................................................7
2.2 OFDM系统的工作原理......................................................................................9
2.2.1 OFDM系统的基本模型......................................................................................9
2.2.2 FFT在OFDM系统中的应用...............................................................................11

2.3 信道编码技术.......................................................................................................12
2.3.1 扰码原理............................................................................................................12
2.3.2 卷积码编码.................................................13
2.3.3 交织编码............................................................................................................16
2.4 OFDM映射与调制技术.......................................................................................19
2.4.1映射调制....19
2.4.2 IFFT实现OFDM调制.......................................................................................22
2.5 循环前缀与加窗技术.....................................................................24
2.5.1 循环前缀............................................................................................................24
2.5.2 加窗....................................................................................................................26
2.6 OFDM的同步信号..........27
2.6.1符号同步简介.....................................................................................................27
2.6.2 导频插入........................................................................................28
2.6.3训练序列的生成.................................................................................................29
第3章 基于IEEE 802.11a的OFDM基带系统的FPGA设计..............................32
3.1 IEEE 802.11a基带处理器的发射端总体方案设计.............................................33
3.2基带处理器的工作时钟..35
3.2.1 工作时钟分析....................................................................................................35
3.2.2 工作时钟生成模块的实现.............................................................................36
3.3基带数据处理单元设计........................................................................................37
3.3.1 扰码器模块的实现............................................................................................37
3.3.2 多码速卷积码硬件结构与实现...........................................................39
3.3.3 802.11a中的交织器的实现................................................................................44
3.4 OFDM前导序列设计............................................................................................49
3.4.1 训练序列生成模块的实现...................................................49
3.5 映射与OFDM子载波调制.................................................................................55
3.5.1 16QAM映射模块的实现...................................................................................55
3.5.2 子载波（IFFT）调制模块..........................................57
3.5.3 导频插入模块的实现........................................................................................61
3.6循环前缀与加窗模块的实现................................................................................65
3.7主控模块设计...........................................67
第4章 系统测试与结果仿真.....................................................................................71
4.1系统时钟单元测试................................................................................................71
4.2基带数据处理单元仿真测试.......71
4.2.1并串转换模块测试.............................................................................................71
4.2.2 扰码模块的测试................................................................................................72
4.2.3 多码率卷积编码模块测试................................................................................72
4.2.4 交织模块测试....................................................................................................72
4.3前导序列单元仿真测试......................................................................73
4.3.1短训练序列模块测试.........................................................................................73
4.3.2长训练序列模块测试.........................................................................................73
4.4映射与调制单元仿真测试..................................................74
4.4.1 16QAM映射模块测试.......................................................................................74
4.4.2 导频插入模块测试............................................................................................75
4.4.3 IFFT调制模块测试............................77
4.5 循环前缀仿真测试...............................................................................................77
4.6 主控模块测试.......................................................................................................78
4.7 OFPM发送系统整体仿真测试............................................................................78
结论…………………………………………………………………………………..80
参考文献……………………………………………………………………….…….81
附录…………………………………………………………………………………..82
致谢…………………………………………………………………………………..83

第1章绪论
1.1移动通信系统的发展概况
移动通信越来越广泛地渗透到人们的日常生活和经济生活中, 并成为世界各国最主要的高新技术支柱产业之一同时人们对移动通信的各种需求与日俱增, 也推动了移动通信的飞速发展。
从20 世纪80 年代中期第一代移动通信以模拟调频、频分多址为主体技术，包括以蜂窝网系统为代表的公用移动通信系统、以集群系统为代表的专用移动通信系统以及无线电话，主要向用户提供模拟话音业务。
90 年代初第二代移动通信系统（2G）以数字传输、时分多址或码分多址为主体技术，简称数字移动通信，包括数字蜂窝系统、数字无线电话系统和数字集群系统等，主要向用户提供数字话音业务和低速数据业务，支持电路交换，其应用范围遍及世界。
90 年代末的第2.5 代移动通信系统(2.5G) , 主要以通用分组无线业务(GPRS) 、高速电路交换数据业务(HSCSD) 及增强数据速率的全球演进技术(EDGE) 为代表, 提高了无线数据传输率和网络容量。
直至今天第三代移动通信系统（3G）以CDMA为主要技术，向用户提供2Mb/S到10Mb/s的多媒体业务，步行环境下支持384 kbit/s的速率、车载环境下支持144 kbit/s的速率，带宽可达5MHz以上。
2010年10月国际电信联盟最终确定为4G的国际标准，推动了第四代移动通信的研究和开发，4G标准采用OFDM和多天线等新技术，以移动数据为主，面向移动因特网的高速移动通信网络，传输速率比现在高50倍，将向用户提供100Mb/s甚至1Gb/s的数据速率，发射功率比现在降低10到100倍，能解决电磁干扰问题; 支持手机互助功能,采用可穿戴无线电; 支持更丰富的移动业务, 包括高清晰度图像业务、会议电视、虚拟现实业务等, 使用户在任何地方都可以获得任何所需的信息服务，具有良好的发展前景。
相信在未来的几十年内无线通信仍是通信发展的前沿。随着蜂窝电话的快速增长，可以预计无线通信的未来是光明的。
1.2 IEEE 802.11a标准概述
1
1999年9月，IEEE工作组批准了IEEE 802.11a标准，它的工作频率是5GHz频段，该标准的物理层采用OFDM技术作为其调制方式，提供6~54Mb/s的数据速率。在5GHz频段内，美国联邦通信委员会(Federal Communications Commission, FCC)分配了3个100MHz的带宽作为免授权国家信息基础设施(Unlicensed National Information Infrastructure, U-NII)频段使用，以提供快速开通的高速无线数据通信，且每一个工作区域的最大输出功率不同。工作在5GHz频段的IEEE 802.11a标准与工作在2.4GHz频段的IEEE 802.11标准相比，不会受到采用2.4GHz频段的蓝牙、微波以及工业设备的干扰，因此在IEEE802.11a协议下能够可靠的传输数据，IEEE 802.11a最高支持54Mb/s的数据传输率。
IEEE 802.11a的介质访问控制(MAC)层包含中心控制(Point Coordination Function, PCF)和分布控制(Distribution Coordination Function, DCF)两种工作方式，前者支持无竞争型实时业务和竞争型非实时业务，而后者只支持竞争型非实时业务。两种工作模式共享带宽形成超帧结构，IEEE 802.11a MAC 使用超帧实现PCF和DCF两种工作方式的共存。PCF工作在无竞争期，DCF工作在竞争期。在超帧开始时，如果信道空闲，PCF通过帧优先权机制和信标帧发布网络分配矢量NAV获得信道访问权，否则PCF延迟到检测信道空闲时间大于PIFS(PCF Inter Frame Sapces)才能获得信道访问权。因此，超帧中CFD的起始点是可变的，这时DCF业务自动延迟到PCF之后的信道。IEEE 802.11a标准使用的介质访问控制机制(MAC)与IEEE 802.11一样，但该标准的设备不能与工作在2.4GHz频段的IEEE 802.11标准设备进行无线通信。
1.2.1 IEEE 802.11a物理层协议的参数
表1.1所示为IEEE 802.11a物理层OFDM技术标准的主要参数，其中一个重要的参数是长度为800ns的保护间隔。根据编码效率和调制方式，这一保护间隔可以容忍几百ns的均方根（RMS）时延扩展，这就意味着这一选择方案可以用于任何室内环境，而且可通过采用定向天线降低延时扩展，还可以用于室外环境，以满足无线局域网的使用要求。
表1.1 IEEE 802.11a WLAN PHY层标准主要参数
参数
数值
数据速率
（Mb/s）6、9、12、18、24、36、48、54
调制方式
BPSK、QPSK、16QAM、64QAM
编码效率
1/2、2/3、3/4
子载波数量
52
导频数量
4
OFDM符号长度（μs）
2
4
保护间隔（μs）
800
子载波间隔kHz）
312.5
信号带宽（MHz）
16.66
信道间隔（MHz）
20
其他参数以保护间隔长度为基础进行定义。为了把保护间隔所占用的功率减小到1dB，OFDM符号长度定为4μs，除去保护间隔（GI）外有效数据部分的长度为3.2μs，进而可得子载波间隔为1/3.2μs =312.5kHz，信号带宽为312.5kHz × 52 = 16.66MHz，信道间隔为312.5MHz × 64 =20MHz。IEEE 802.11a标准采用48个并行子载波进行数据传输。除了这48个传输数据的子载波外，每个OFDM符号还包括4个导频子载波，可用于接收机处理器在初始频率校正之后跟踪剩余的载波频率偏差，也可用于信道估计和采样频率偏差估计。
为了兼顾传输效率与可靠性的要求，系统可以根据信道的状况采用不同效率的纠错编码，在各个子载波间进行信道编码，再配合不同的调制方式即可获得6~54Mb/s的编码数据速率如：采用48个并行子载波进行数据传输，当调制方式为BPSK或16QAM，编码效率都3/4时，提供的编码速率分别为48×1×x= 9Mb/s和48×4××= 36Mb/s。其中基本的编码方式的约束长度为7、编码效率为1/2的卷积编码（Convolutional Encoding）,再通过对1/2编码方式进行删余（Puncturing）操作，可以获得码率为2/3和3/4的卷积编码。1/2码率的编码与BPSK、QPSK、16QAM调制分别可以提供6、12、24Mb/s的数据传输速率；2/3码率的编码与64QAM一起可以提供48Mb/s的数据传输速率；此外，3/4码率的编码与BPSK、QPSK、16QAM和64QAM调制方式分别可以提供9、18、36和54Mb/s传输速率。表1.2所示为调制方式、编码方式与数据速率的对应关系。
表1.2 调制方式、编码方式与数据速率的对应关系
数据速率
（Mb/s）
调制方式
编码效率
编码比特
/子载波
编码比特
/OFMD符号
数据比特
/OFMD符号
6
BPSK
1/2
1
48
24
9
BPSK
3/4
1
48
36
12
QPSK
1/2
2
96
48
18
QPSK
3/4
2
96
3
72
24
16QAM
1/2
4
192
96
36
16QAM
3/4
4
192
144
48
64QAM
2/3
6
288
192
54
64QAM
3/4
6
288
216
IEEE 802.11a中使用了52个子载波（实际上应为53个，其中k=0处的直流子载波上不传输符号），由于IFFT算法基于2N点，故采用64点的IFFT。53个子载波在频率分配时分别在编号低端和高端留有6个和5个空符号，即k=-32,…,-27,27,…,31,这样就可以保证系统的子载波频谱集中，从而使得系统占用的频谱带宽尽可能窄，以节约频谱资源，减少信道间干扰。所以，52个非零子信道映射到64点输入的IFFT当中应按照图1.1所指定的方式，把子信道1~26映射到相同标号的IFFT输入端口；而子信道-26~-1被映射到38~63的IFFT输入端口；其余的IFFT输入口，即27~37输入空值。采用64点IFFT意味着系统的采样间隔为3.2us÷64 = 0.05μs，这样采样频率至少应该是20Msamples/s。

图1.1子载波与IFFT序号的映射关系
1.2.2 IEEE 802.11a物理层协议帧结构
4
图1.2所示为IEEE 802.11a标准所规定的物理层协议数据单元（Physical Protocol Data Unit, PPDU）帧结构，也是基带发射处理器所要生成的数据结构。图1.3所示为更加细致的描述，从中可以看到，接收机的定时同步、载波频偏估计以及信道估计等都是由前置的两个训练符号来完成的。训练符号包括10个周期重复的短训练符号（Short Training Symbol, STS）t1~t10（每个符号的间隔为正常OFDM符号间隔的1/4即800ns）和2个周期重复的长训练序列（Long Training Symbol, LST）T1~T2（符号间隔与正常OFDM符号相同）两个部分。

图1.2 PPDU帧结构
总的训练序列时间长度为16μs。训练序列符号后面为“Signal”域，长度为一个正常OFDM符号长度即4μs其中包含后续数据的调制类型、编码速率、和数据长度这样对接收机而言非常重要的信息。以上这些部分一起构成了帧头（PLCP Head）部分，接收机在对数据符号进行译码之前要利用它们完成训练任务。下面对它们分别加以详细说明。
图1.3 PPUD帧结构详解
1 短训练序列符号
5
短训练序列的主要用途是进行信号检测、自动增益控制(AGC)、符号定时和粗频率偏差估计。为了实现这些功能，短训练序列经过了精心设计。它在帧头最前面，包括10个重复的符号，每个符号的长度800ns。短训练序列只用OFDM符号的52个非零子载波中的12载波个来传输信息符号，这样能保证OFDM符号的功率稳定。短训练序列选择这种形式有两点优点：首先，可以在较大的范围内实现粗频偏估计。通常对于周期为T的重复符号而言，最大可估计的频率偏差为800ns的短训练符号间的相位差，可以估计的频率偏差可达625kHz。通过计算连续两个训练符号的相关，并且检验相关值是否超出某一门限值，就可以检测到是否有分组数据包的到达。在每两个短训练符号周期之后，可以调整接收机增益，然后继续进行检测和信号增益的测量。由于短训练序列符号持续时间短、重复周期多，所以更加容易在训练期间做出各种测量并进行调整。所以在进行载波同步时，可以先通过短训练符号粗略估计频率变差，然后采用估算修正长训练符号，完成频率补偿，从而保证系统的可靠性。
2 长训练序列符号
长训练序列在短训练序列之后，其长度为8μs，其中包括两个有效OFDM符号的长度（3.2μs）和一个长型保护间隔的长度（1.6μs），可以估计到的频率偏差有156kHz。长训练序列主要用于精确的频率偏差估计和信道估计。由于长训练符号持续时间较长，所以在长训练符号周期内可以完成精确的频率估计，这是通过测量长训练符号内相隔为3.2μs的样值之间的相位偏转来实现的。此外，通过对长训练符号中的相同两个部分进行平均，所获得数据的噪声功率要比数