基于FPGA技术实现的OFDM基带调制系统*

殷严刚，王小华，何富运

(广西师范大学电子工程学院，广西桂林541004)

基于FPGA技术实现的OFDM基带调制系统*

殷严刚*，王小华，何富运

(广西师范大学电子工程学院，广西桂林541004)

OFDM基带调制的目的是将高速的串行数据流转换成并行的低速数据流，再调制到频谱是正交重叠的子载波上进行传输，以便于提高频谱利用率。OFDM可以采用IFFT/FFT实现调制解调，在本设计中采用FPGA技术可以比较容易地实现OFDM通信系统的的调制器部分。整个系统包括RS编码、交织、QAM星座映射，IFFT和插入CP等模块，经过仿真验证:提高了系统的处理速度，具有较高的应用价值。

正交频分复用;现场可编程门阵列;频谱;QAM星座映射

OFDM是一种高速的无线传输技术，虽然OFDM的理论发展很早就已经提出，并且已经迈向成熟，但是又在相当长的一段时间内OFDM理论在迈向实践的进程变得相当缓慢。如果想直接产生OFDM信号，就需要用到载波发生器、滤波器和相干调制器，所以当N很大时，可以看出实现OFDM的系统会是多么的复杂。因此OFDM的技术设备的复杂度成为了其主要制约因素。虽然在七十年代提出OFDM的调制解调可以利用IDFT/DFT快速实现，在很大程度上降低了系统的实现复杂度，但直到大规模集成电路的出现才使OFDM技术的得到了更广泛的应用。

目前的IFFT/FFT计算使得调制解调更为高速，而今基于IFFT/FFT的OFDM通信系统也是已经比较成熟了。

1 OFDM调制器的整体结构功能描述

该调制器是以 IFFT为核心的，主要是实现OFDM的调制，待处理的基带信号经过RS编码、块交织，添零、16QAM映射、IFFT，插入CP处理后，即完成了 OFDM的调制。系统模块划分如下图1所示。

图1 OFDM整体系统框图

在该系统中，RS编码器和块交织器组成的信道编码部分，以此提高系统的抗干扰能力，增强系统的可靠性。添零模块和16QAM映射器是将传输数据调制成为合适进行IFFT的数据。基于FPGA系统设计主要包括有Reed Solomon编码器、数据缓存器、块交织器、添零模块、16QAM星座的映射和IFFT实现模块。

2 OFDM基带调制系统的FPGA实现

2.1 Reed Solomon编码器实现

Reed Solomon编码器，又简称RS编码器。RS编码是在代数编码理论的总体框架上实现编码和解码的过程，中心思想是将原始数据流映射到抽象的多项式上，在映射的过程进行一系列的数学运算。RS编码具有很好的容错能力，它是一种线性块编码，表示为RS(N，K)。其意义是当收到一列信息数据时，将其分为若干个长度为K的数据块，在经过编码成为长度为N的数据块。其纠错能力的计算表达式为N-K=2T，T表示最多可以纠正T个随机错误符号。在RS码中的码元符号不是二进制而是多进制符号，一般2M进制的使用更为广泛。

在OFDM系统中的信道编码使用的RS编码器是用Altera的MegaCore实现。使用的版本为Reed Solomon Complier V9.0。参数设置为编码后每个数据包6个Codeword，每个Symbol为4个bit，其中4个Symbol为被编码的数据，2个是用来纠错的冗余数据。由公式N-K=2T可知，只要错误在两个数据之内，都是可以纠正过来的。

在这个模块中，引脚rsin［4..1］是数据输入端，rsout［4..1］数据输出端，数据位宽设置为4 bit。

通过基于QuartusⅡ9.0仿真，其中数据包的长度为:9;3，4，5，6，7为送入编码器编码的5个数据。5，2，0，7为用来纠错的4个冗余数据。

因为考虑到这个OFDM系统更多的是示意性的系统，另外，要修改RSMegaCore的参数也是很方便的。所以这里RS编码器的参数设置也就不用考虑到其他更多的问题。

2.2 数据缓存器

数据缓存器是要收集36个从经过RS编码器编码的数据，然后作为一个数据包送到块交织器处理。该模块用容量为4bit×64word的FIFO缓存数据，用计数器控制36个数据的收集及发送。

2.3 块交织器

数字通信中一般采取的交织有块交织和卷积交织两种，在本中采用的是块交织，块交织也叫做矩阵行列转置法，它是类似使用一个二维的矩阵序列存储器。交织工程是先按行写入数据，然后在按列读出数据。

2.4 添零模块

因为后面要进行64点的IFFT，而从交织器出来的数据包只有36个word，所以要为每个数据包插入28个0，将数据包扩展到64点。

2.5 16QAM星座的映射

OFDM作为一种多载波调制方式，其每个子载波所使用的调制可以不同，各个子载波根据信道状况的不同选择不同的调制方式，如BPSK、QPSK、8PSK、16QAM、64QAM等。

这里选择使用16QAM的映射，一是它的效率要比 QPSK、8PSK的调制效率要高，二是它比64QAM的实现要简单。主要作用是使数据流引入复数数据流以便进行IFFT的处理。

2.6 IFFT实现

IFFT是整个OFDM系统的核心，它实现了多载波正交的调制。前面我们也提到过这个调制系统的系统正是基于FFT/IFFT的。借助Altera公司提供的IFFT/FFT的IPCore可以快速地完成设计任务。本设计中采用的是FFT MegaCore V2.2.1版本，这里调用的是64点的IFFT，数据位长设置为10。

其中data_real_in［9..0］、data_imag_in［9..0］是数据实部和虚部数据的输入端;data_real_out［9.. 0］、data_imag_in［9..0］分别是IFFT后数据实部和虚部数据的输出端。inv_i是IFFT/FFT模式选择引脚，当inv_i置为高电平输入时为IFFT，置为低电平时为FFT。

3 OFDM调制系统总体设计及仿真

系统数据流是从左往右被发送处理，但整个系统搭建完毕之后，显得非常之长，为了方便截图，将其布局为两个梯层。从16QAM星座映射出来后的复数数据流和实数数据流都引出了输出端口，方便查看数据流的变化。

整个系统的仿真用的是100 M的时钟，从上图3可以看出数据流经过16QAM星座映射、IFFT、插入CP都有一定的输出延时，这是由于程序结构和FPGA内部结构所决定的。这里使用的是QuartusⅡ的功能仿真，因为是一个示意性的系统，所以也没有多大必要使用时序仿真。

仿真所选用的器件是 Altera的 Cyclone系列EP2C35U484C6器件。这个OFDM调制系统占用3487个逻辑单元和3032个寄存器，使用了81个I/O脚。

图2 OFDM调制系统总体设计图

图3 OFDM调制系统仿真波形

4 总结

本设计采用FPGA技术，在QuartusⅡ软件开发平台上，利用Verilog HDL硬件描述语言，再结合Altera公司的 MegaCore IP技术，在软件上实现了OFAM信号调制器的仿真。其中的RS编码器和IFFT模块通过调用Altera公司的IP core来实现，整个设计通过测试，稳定性高，消耗资源少，便宜移植。

［1］汪裕民.OFDM关键技术与应用［M］.北京:机械工业出版社，2007:1.

［2］田耕，徐文波，张延伟，等.无线通信PGGA设计［M］.北京:电子工业出版社，2008:2.

［3］李广军，孟宪远.可编程ASIC设计及应用［M］.成都:电子科技大学出版社，2000:10.

［4］胡锐.OFDM基带调制系统在FPGA上的实现［D］.南京:东南大学，2004.

Based on FPGA Achieve OFDM Baseband M odulation System*

YIN YanGang*，WANG XiaoHua，HE FuYun
(Eelectronic Eengineering of College，Guangxi Normal University，Guilin Guangxi541004，China)

The target of OFDM is high-speed serial data stream into low-speed parallel data streams，and modulation spectrum is to transmit the orthogonal subcarriers overlap，so the spectrum utilization rate is advanced.And OFDM can be used to achieve IFFT/FFTmodulation and demodulation，realized easily by FPGA technology.The design is based on FPGA technology to realize themodulator part of OFDM communication system，which includes RS coding，interleaving，constellation mapping，QAM，IFFT and inserted into the CPmodule.The speed of system can be improved and it has higher application value by the simulation.

orthogonal frequency division multiplexing;field programmable gate array;frequency spectrum;QAM

10.3969/j.issn.1005-9490.2014.01.022

TN76 文献标识码:A 文章编号:1005-9490(2014)01-0089-03

项目来源:科技人员服务企业行动项目(2009GJE10006)

2013-04-23修改日期:2013-06-10

EEACC:1250;6120

殷严刚(1981-)，男，讲师，汉族，湖南邵东，讲师，广西第四批科技特派员，主要研究领域为信息处理与测控技术;

王小华(1980-)，男，苗族，湖南隆回人，广西师范大学讲师，主要研究领域为FPGA系统设计与开发。