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1、2006年第3期通信与广播电视1OFDM系统数字中频的FPGA设计******万福周文伟吕一希摘要本文主要讨论了OFDM系统中使用数字中频的优点,在发射机和接收机中的实现方案,重点叙述了数字中频中两个关键模块)))数控振荡器和成型滤波器在FPGA中的设计,并分析了数字量化误差。关键词:OFDMFPGA数字中频DesignofDigitalIFBasedonFPGAinOFDMSystemWanFuZhouWenweiLuYixiAbstractThispaperdescribestheadvantageofdigitalIFinOFDMsystemandthesc
2、hemeofreal-izingthetransmitterandreceiver.Itemphasizesthedesignoftwocriticalmodules,numer-icalcontroloscillatorandmodelingfilterinFPGA.Thedigitalquantizationisalsogiven.Keywords:OFDM)orthogonalfrequencydivisionmultiplexFPGAdigitalIF一、引言正交频分复用(OFDM,OrthogonalFrequencyDivisionMultiplex)
3、技术最早出现于上世纪五十年代的军用无线通信中,该技术将串行传送的数据分成若干个数据流,分别调制到一组相互正交的子载波上,进行并行传输。但是早期的OFDM系统的每一个子载波都需要本振和调制器,实现起来成本昂贵。随着使用IFFT实现多载波技术的提出和DSP技术及VLSI技术的飞速发展,对OFDM技术的研究开始升温,并在卫星通信、地面无线数据通信和数字广播等领域都得到了实际应用。使用OFDM系统有很多优点:一是无需线性均衡,从而避免了噪声的增强,而且由于它的符号间隔很长,对多径效应、脉冲噪声和快速衰落有较强的抵抗能力;二是由于子载波是相互正交的,所以频谱可以交叠使用,频
4、谱利用率比普通的多载波系统要高得多。当然,实现OFDM系统存在技术上的难点,比如系统对同步的要求很高,因为要保持各个子载波*作者系南京海军指挥学院信息系讲师**作者系熊猫军用通信产业集团二部工程师***作者系熊猫军用通信产业集团二部助理工程师2通信与广播电视2006年第3期间的正交性,所以它对定时误差和频率误差要比单载波技术敏感得多。其次,FFT和IFFT算法依赖于信道的线性,对I/Q路信号的非线性失真和不平衡指标有较高的要求。在OFDM系统中一般将基带信号在中频部分通过I/Q调制混合生成两个分量相互正交的复信号传送出去,接收端通过I/Q解调将复信号分解成I和Q两
5、路基带信号,通过这样一个过程可以轻易地实现复信号的传输。由于FFT和IFFT算法依赖于信道的线性,而用模拟电路实现中频I/Q调制很难保证两路信号的正交性,而且可能引入非线性噪声,所以对于OFDM这样一个敏感的系统,应该使用数字中频来实现I/Q调制和解调,尽量减少电路层给系统带来的损伤。本文首先介绍了数字中频的优点,以及使用FPGA实现的好处,然后提出了设计方案,并重点叙述了数字中频中两个关键模块数控振荡器和成型滤波器的设计,分析了数字量化误差。二、实现方法使用数字中频对信号进行I/Q调制可以精确地做到Q路的90b相移,在IQ两路调制时没有幅度上的失真,所以在很大程
6、度上克服了模拟I/Q调制的幅度和相位不平衡性。由于使用数字电路,克服了模拟混频电路非线性的影响,减少了非线性交调产生的谐波干扰。使用数字电路设计混频器、滤波器简化了硬件电路设计。由于FPGA的可编程性,使用FPGA实现数字中频,可以提高系统的可编程性。在FPGA中OFDM的数字中频在发射部分使用平方根升余弦滤波器对基带信号滤波,以消除符号间干扰,滤波后的IQ两路信号通过乘法器与NCO中的正弦和余弦中频载波相乘完成IQ调制,最后两路信号相加通过DA转换送入射频部分。接收部分将射频信号通过与NCO的两路正交载频相乘分解出IQ两路信号送至基带。发射和接收部分实现框图见图
7、1和图2。图1发射部分图2接收部分2006年第3期通信与广播电视3三、关键技术的实现11数控振荡器(NCO)的设计数控振荡器在数字中频中相对来说是比较复杂的,也是决定数字中频性能的主要因素之一,NCO的目标是产生一个理想的正弦波或余弦波,如式(1):fLOS(n)=cos(2P##n)(n=0,1,2,,,)(1)fS式中,fLO为本地振荡频率;fS为输入信号的采样频率。正弦波样本可以用实时计算的方法产生,但这只适用于信号采样频率很低的情况。在超高速的信号采样频率的情况下,NCO实时计算的方法是不可能实现的,此时,NCO产生正弦波样本的最有效、最简便的方法就是查表
8、法,即事先
