基于FPGA的OFDM調制器設計

今天介紹的是使用FPGA做OFDM的調制。

首先是OFDM調制的原理圖，輸入數(shù)據(jù)在輸入系統(tǒng)后首先會經(jīng)過擾碼環(huán)節(jié)，在數(shù)字通信中數(shù)據(jù)中長連的“0”或“1”序列會對接收機的位同步產(chǎn)生重要影響，通過對要發(fā)送的數(shù)據(jù)進行擾碼操作，可以解決其對接收機同步的影響。擾碼器的實質是一個反饋的移位寄存器，輸出結果是一個m序列，將輸出的m序列域輸入的數(shù)據(jù)進行異或運算，從而將輸入的數(shù)據(jù)攪亂。

擾碼模塊根據(jù)使用的生成多項式完成對輸入數(shù)據(jù)的擾碼操作。這里使用的擾碼器是通過一個7位的反饋移位寄存器來實現(xiàn)的，使用的擾碼器生成多項式為：

上圖為擾碼器的硬件實現(xiàn)結構圖，該擾碼器輸出序列的周期為127，首先將擾碼器的初始值設置為1011101，每來一個時鐘周期將擾碼器的值右移一位，同時將第七位和第四位進行異或運算，將異或的結果作為最低位的值。同時也將得到的結果和輸入的數(shù)據(jù)分別進行異或運算，從而實現(xiàn)對輸入數(shù)據(jù)的擾碼操作。

擾碼器程序如下所示：

s_start為啟動信號，s_coder為7位移位寄存器，s_yz為第七位和第四位異或后的結果，當時在程序中因為順序問題我寫的是s_coder[0]和s_coder[3]。s_out為移位寄存器s_coder[0]的輸出，data_in為輸入數(shù)據(jù)，data_out為輸入數(shù)據(jù)data_in與移位寄存器輸出s_out異或運算的結果，即為擾碼后的輸出。

這里因為我沒做解調所以省去了信道編碼部分，在需要添加冗余的部分我才用補零來進行補充。

對于64QAM調制，如下圖所示為64QAM調制原理圖

這里的2到8電平轉換即為星座映射（8電平為-1，-3，-5，-7,1,3,5,7）。

對于64QAM的星座圖，星座圖中每一個點都由6bit數(shù)據(jù)表示，所以在程序中每6bit數(shù)據(jù)映射一次，下圖為verilog仿真圖。

s_start為起始信號，data_in為擾碼之后的輸入64QAM調制的信號data_index為存儲輸入的6bit數(shù)據(jù)，cnt為計數(shù)器，data_index每輸入一個數(shù)據(jù)cnt自加一次；index為計算6bit數(shù)據(jù)后對應的映射狀態(tài)，data_i和data_q為根據(jù)(index)的映射結果I/Q信號。這里我是根據(jù)狀態(tài)機來寫的，index為6bit信號的計算結果，然后根據(jù)index的大小來描寫狀態(tài)機進行映射。最后將data_i和data_q的結果存儲到fifo中，即圖中的data_fifo_in。

在FPGA上已經(jīng)完成了星座映射后將I、Q信號送入fifo中存儲，然后通過RAM地址進行加冗余以及添加導頻，從而將一個OFDM符號中星座映射后的48個數(shù)據(jù)增加至128個數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)都寫入RAM，然后通過地址讀取RAM中的數(shù)據(jù)送入IFFT變換的輸入端口，以及正常輸出，在FPGA上實現(xiàn)頻域至時域的轉換。

下圖中data_i和data_q為星座映射后得到I、Q數(shù)據(jù)，data_fifo_in為寫入fifo的數(shù)據(jù)，由圖二可以看出，data_fifo_in的前八位為data_i，data_fifo_in的后八位為data_q。

下圖便是將數(shù)據(jù)寫入RAM，并通過地址讀寫增加冗余以及插入導頻。rd_en為讀取fifo數(shù)據(jù)使能，data_fifo_out為讀取的fifo數(shù)據(jù)。ram_en為RAM使能，ram_wea為高電平時向RAM中寫入數(shù)據(jù)，ram_wea為低電平時向RAM中讀取數(shù)據(jù)，ram_addr為寫入/讀取數(shù)據(jù)的地址。data_ram_in為寫入ram中的數(shù)據(jù)，增加的冗余為前38個寫入的數(shù)據(jù)為0以及后37個寫入數(shù)據(jù)為0。中間插入四個導頻。

在前38個寫入數(shù)據(jù)0后便開始寫入fifo中的數(shù)據(jù)，在地址為37時（0~37）打開fifo的讀使能(rd_en)，此時將fifo輸出端(data_fifo_out)數(shù)據(jù)賦值給RAM寫入端(data_ram_in)。圖中的ram_addr為43時寫入的數(shù)據(jù)為導頻符號，在這里導頻符號我是通過類似于m序列的擾碼器來進行產(chǎn)生的。

導頻的產(chǎn)生：

需要插入的4個導頻符號分別為1,1,1，-1。OFDM數(shù)據(jù)中插入的導頻符號并不都是一樣的，需要根據(jù)公式對插入的導頻符號的極性進行改變，這里我用的改變導頻符號極性的公式為s(x)=x7+x4+1。

公式的實質是一個擾碼器，首先將擾碼器的初始狀態(tài)設置為1111111，根據(jù)擾碼器的輸出結果對導頻符號的極性進行修改，若擾碼器的輸出結果為0，則導頻符號的極性不變，若擾碼器的輸出結果為1，則對導頻符號的極性進行修改，修改規(guī)則為1 -> -1,-1 -> 1。

圖七為導頻產(chǎn)生數(shù)據(jù)波形圖，其中data_m為擾碼器序列，初始狀態(tài)為1111111，每當需要插入導頻時m_start便會使能置1，根據(jù)m_start可以看出圖中一個OFDM符號中共插入四個導頻。p寄存器中便是存放的四個原始導頻數(shù)據(jù)，01表示導頻1，11表示導頻-1。data_m_out便是最終插入OFDM符號的導頻數(shù)據(jù)，即寫入ram中的導頻數(shù)據(jù)。

ifft變換：

在數(shù)據(jù)都在RAM中存好之后便是將ram中的數(shù)據(jù)送入IFFT變換的輸入端口，此時將ram的ena使能端置為高電平ram的wea置為低電平，開始讀取ram中的數(shù)據(jù)。如下圖所示，ram的ena為高，ram的wea為低，ram數(shù)據(jù)輸出端為douta開始輸出數(shù)據(jù)。

這里OFDM一次傳輸128個數(shù)據(jù)，在星座映射后為48個數(shù)據(jù)，插入四個導頻后為52個數(shù)據(jù)，這里選擇通過補零來添加冗余，如下圖所示。

在上圖中，ifft_s_data_tdata為ifft變換的輸入端口，ifft_s_data_tvalid為輸入使能，ifft_s_data_tvalid為高時輸入ifft_s_data_tdata的數(shù)據(jù)才有效。