基于Xinlinx FPGA的IEEE802.11a物理层的OFDM系统实现
基于Xinlinx FPGA的IEEE802.11a物理层
的OFDM系统实现
王金如/泰兴职业教育中心校社会教育部
[摘要] 本文介绍了一种基于OFDM技术的IEEE802.11a物理层原型设计以及传输系统的FPGA实现。首先介绍了OFDM的基本原理和IEEE802.11a实现的物理层标准，然后讨论了OFDM调制解调设计和仿真，最后在Xinlinx FPGA上实现整个系统。
[关键词] 正交频分复用（OFDM） 现场可编程逻辑门阵列（FPGA）
物理层标准 实现
1.绪论
正交频分复用(OFDM,Orthogonal Frequency Division Multiplexing)就是将串行的数据流分成若干个并行数据流，分别调制在正交的子载波上进行传输。OFDM系统不需要线性均衡，从而避免了噪声的增加，而且由于它的符号间隔相对变长，对多径效应、脉冲噪声和快速衰落有较强的抵抗能力；另外由于子载波之间的正交性，其频谱允许重叠，使得它的频谱利用率比单载波系统提高很多。
随着无线局域网的应用发展，数字信号处理和超大规模集成电路的技术进步使得OFDM的最初障碍，如大量复数计算和高速存储等问题不复存在，栅格编码技术、信道自适应技术、减少均衡计算等成熟技术的引人，大大扩展了OFDM的功能，增强OFDM的性能。OFDM已经在数字音频广播(DAB)，数字视频广播(DVB)、数字用户总线(DSL)基于IEEE802.11标准的无线本地局域网(RAN)以及有线电话网上基于现有铜双绞线的非对称高比特率数字用户线技术(例如ADSL)中得到了应用。
2.802.11a的标准物理层结构
IEEE802.11a工作在5GHZ-6GHZ频段，支持多种业务和多种数据速率，包括：6,9,12,18,24,32,48,54Mbps，并支持多种调制方式，包括：BPSK,QPSK,16QAM,64QAM。最重要的是802.11a以OFDM技术作为核心物理层技术。OFDM技术目前已经被欧洲的数字电视标准DVB-T和数字音频广播标准采用，也是WLAN和宽带无线接入(802.16)的核心技术。在移动通信领域，OFDM技术也被看作是第四代移动通信系统拟将采用的主流技术。
IEEE的802.11a标准是无线局域网标准系列中的一个物理层规范，它是第一个基于OFDM的分组域标准，工作在5GHz频段上，根据选用的信道编码速率和调制方式的不同组合，信息数据传输速度可达6Mbit/s-54Mbit/s。
从图2-1可以看到PPDU的结构包括OFDM PLCP前导序列，OFDMPLCP头，PSDU尾比特(tail bit)和补零位。
PLCP Header
Coded/OFDM
(BPSK,r=1/2)
图2-1 IEEE 802.11aPLCP帧结构
第一部分是前导序列，持续16us。包括10个短，一个长的符号序列。两种不同符号之间有1.6us的保护时间，如图2-2所示。
图2-2 IEEE802.11a帧结构
保护时间保证了长训练符合不会多径衰减。PLCP前导序列一般用于同步。1到10的符号各含有16个样本。他们由12个子层组成。短训练符合在接收机中用于帧检测、粗频偏估计及大规模时间同步。长训练符号用于精频偏估计，始终获取以及改善信道估计精度。
IEEE802.11a PLCP帧前导字结构十个短训练序列的第一个符号是其他九个的周期扩展，即相当于这十短训练符号构成的短训练序列的保护间隔，在OFDM的接收端，这九个短训练符合除了有载波频率偏差产生的复指数分量外是完全一样的(由于多径效应产生的码间干扰的影响，十个短训练序列符号中的第一个在接收端必须丢弃，不做任何用途)。同样，长训练序列中的两个长训练符号除了上述差别外也是完全相同的。
3.OFDM原理与调制技术
OFDM系统的基本原理是将需要传输的串行高速数据流分成N个并行的低速子数据流，每个子数据流调制到不同的子载波上同时传输。通过设定子载波的频率间隔，使子载波之间相互正交，这样就允许各个子载波的频谱重叠，更有效地利用频率资源。同时，在时域的每个OFDM符号持续时间相对于同速率下的单载系统的要长得多，于是抗多径衰落性能也比单载波系统提高很多。另外，OFDM符号中还引入的保护间隔能有效地克服多径信道的延时扩展，消除码间干扰，因此消除了采用复杂均衡器的必要。
OFDM技术把所传的高速数据流分流成若干个子比特流，每个子比特流具有低得多的传输速率，并且用这些低速数据流调制若干个子载波。假设一个周期内传送的码元序列为(d0,d1,……dN-1)，它们通过串/并转换器分别调制在N个子载波(fO,f1,……fN-1)上，这些子载波满足正交特性，其频谱相互重叠。只要子载波之间满足特定的正交约束条件，采用变频和积分的手段就可以有效地分离出各个子信道信号。
图3-1 OFDM信号与FDM信号频谱
如图3－1所示，正交意味着每个子载波的峰值严格出现在其他子载波零值时。这就意味着如果数据使用正交子载波，更多的子载波可以在相同的带宽下传输出去。这增加了OFDM技术的带宽利用率。
当传输信息中出现多径传输时，在接收副载波间的正交性将被破坏，使得每个副载波上的前后传输符号间发生相互干扰。为解决这个问题，就在每个OFDM传输信号前插入一保护间隔，它是由OFDM信号进行周期扩展而来。只要多径时延不超时保护间隔，副载波间的正交性就不会被破坏。
循环前缀是OFDM一个重要特征，它是用来抗符号干扰(ISI)和载波间干扰（ICI）的。这是由于在无线信道中多径效应会引起信号的扩散。循环前缀的基本思想是复制OFDM时域波形后面一部分到前面去，从而形成保护间隔。
OFDM实际上是一种频分复用方式，由一系列在频率上等间隔的子载波构成，每个载波可以用复数表示为：
Sc(t) 的实部就是真实的信号。Ac(t)和0(t)是载波的幅度和相位，会随符号不同而变化，但是在一个符号间隔中保持不变。
因为OFDM包含多个载波，所以复数信号可以表示为：
这里，n=0+n
这是一个连续的信号，如果我们考虑信号的参数在一个符号间隔内不变，那么变量Ac(t)和0(t)为恒值，而仅仅与载波的频率有关，所以可以写成：
n(t)=> n
An(t)=>An
如果信号以采样频率1/T采样，那么得到的信号可以表示为：
如果我们在一个符号间隔内采样，那么一定存在以下关系：=NT这样我们就可以简化上式，设0=0时，可以得到信号表达式：
就可以与IDFT一般式比较：
Anejn是在采样频率的信号的定义，而s(KT)是时域表达式，那么当下式成立，两式相相等。
也是保持正交性的条件，因此，一系列保持正交性的OFDM信号可以用傅立叶变换定义。
一个OFDM信号由一系列数字调制(如PSK或QAM)子载波组成，当传输信与数为 n，如果信号从 开始，一个OFDM符号可以表示为：
4.OFDM调1调与解调的IFFT/FFT设计实现
图4-1 OFDM系统简化模型
OFDM信号发送器的原理是：用户信号以串行的方式输入发送器，速率为R码字/秒。这些码字先被送入一个串行-并行变换器中，使串行输入的信号以并行的方式输出到M条线路上。这M条线路上的任何一条上的数据传输速率则为R/M码字/秒。
该OFDM码随后被送入一个进行快速傅立叶逆变换的模块，进行快速傅立叶逆变换。快速傅立叶逆变换可以把频域离散的数据转化为时域离散的数据。由此，用户的原始输入数据就被OFDM按照频域数据进行了处理。计算出快速傅立叶逆变换样值之后，通过一个并行-串行转换器模块，然后一个循环前缀被加到样值前，形成一个循环拓展的OFDM信息码字。
接收器完成与发送器相反的操作。接收器收到的信号是时域信号。由于无线信道的影响发生了一定的变化，接收到的信号经A/D变换之后需进行同步处理，这之后首先把循环前缀清除掉。清除循环前缀并没有删掉任何信息。循环前缀中的信息是冗余的。使用循环前缀是为了保证前面提到的卷积特性的成立。
可以看出，FFT/IFFT是OFDM系统实现中的主要模块。假设一个序列由有限个样本{gk},k=0，1,……，N-1 组成，傅立叶变换定义为：
式中Tc是采样周期，f=m/(NTc),上式变为：
所以，式子写为：
直接计算N点傅立叶变换需要N(N-1)次复数加法和N2次复数乘法。然而，快速傅立叶变换算法使整个计算过程简化了。例如基2-FFT算法需要Nlog2 N次复数加法和N/2 （log2N）次复数乘法，而采用基4-FFT需要3Nlog4N复数加法和3Nlog4 N次复数乘法，运算量降低很多。所以对于大型系统来说，基4—FFT可以有效地实现。
图4-2基2与基4-FFT算法图
设计好FFT模块后，为了节省资源，可以让IFFT也使得FFT模块，分析FFT和IFFT表达式后可以看出，只要用输入信号的共轭输入FFT模块，最后将运算结果取一次共轭，再除以FFT点数N，就可以得到输入序列的FFT结果。
5.基于802.11a协议的OFDM传输系统的FPGA实现
FPGA是现场可编程逻辑阵列，利用硬件描述语言的设计方法将系统分为三个层次设计：行为描述、RTL方式描述和逻辑综合。最后转化为用逻辑基本单元表示的文件，进一步得到逻辑原理图。利用FPGA实现系统可以方便的调试更改，对每一步进行仿真检查，可以缩短开发周期。本系统是建立在Xilinx Virtrex系列平台上。
本系统实现的基本思想是尽量在时域对各种信道影响进行补偿和调招，尤其是载波频偏，因为其一旦经过FFT，就会产生ICI,所以尽量在FFT之前能将剩余频偏控制在尽量小的范围内；而在频域部分通过导频提取定时偏差和剩余频偏误差信息来控制各自的环路，并在频域部分对各自的影响进行补偿。
因FFT是为时序电路而设计的，因此，控制信号要包括时序的控制信号及存储器的读写地址，并产生各种辅助的指示信号。同时在计算模块的内部，为保证高速，所有乘法器都须始终保持较高的利用率。这意味着在每一个时钟来临时都要向这些单元输入新的操作数，而这一切都需要控制信号的紧密配合。为了实现FFT的流形运算，在运算的同时，存储器也要接收数据。这可以采用乒乓RAM的方法进行完成。这种方式决定了实现FFT运算的最大时间。对于4k操作，其接收时间为4096个数据周期，这样，FFT的最大运算时间就是4096个数据周期。另外，由于输入数据是以一定的时钟为周期依次输入的，故在进行内部运算时，可以用较高的内部时钟进行运算，然后再存入RAM依次输出。为节省资源，可对存储数据RAM采用原址读出原址写入的方法，即在进行下一级变换的同时，首先应将结果回写到读出数据的RAM存贮器中；而对于ROM，则应采用与运算的数据相对应的方法。
图5-1 OFDM收发机实现结构图
OFDM系统的接收机包括了数字下变频器、删除循环前缀，OFDM解调(即FFT模块)，定时同步、信道估计、解交织、信道校正、Viterbi译码、解扰器等模块。
数字下变频器结合了数控振荡器NCO完成由数字中频信号到数字基带信号的变换，基带信号根据定时同步信号确定的载波同步和符号同步信号输入缓存，注意这里的复信号已经变为了I，Q两路。这里，缓存里的数据相当于20MHz采样率，缓存的输出频率由系统的工作频率设定，目的在于提高后级的工作速度。之后的删除循环前缀、串并转换用于给OFDM解调模块即FFT模块送输入信号。FFT模块实现OFDM的解调，得到了64路输出信号，分别包括I，Q两路。该输出信号进入判决反馈信道估计模块中缓存，用于后续符号的信道估计。信道校正模块用于校正信道对不同子载波产生的畸变，它将FFT模块的输出除以对应子载波上的信道估计值。在这里，由于IEEE802.11a用12路虚载波作为保护频带和直流分量置0，所以，我们仅仅需要对FFT输出结果的52路作除法即可，这52路输出结果中的48路数据信号送至子载波解调器作逆映射处理，另有4路被IEEE802.11a用作传送导频信息，导频子载波信道校正的结果送至相位跟踪模块，目的是对另外48路数据信号的子载波进行相位校正，保证逆映射更加准确。
6.结束语
本文论述了基于802.11a标准协议的OFDM技术原理与应用，建立了FPGA硬件传输平台。调制解调系统包括了发送接收和同步电路。并将发送接收机分为四个主要模块：QAM调制、IFFT、循环扩展和控制模块。整个系统在Xilinx公司的VirterⅡ系列平台下实现，并使ISE6开发软件和ModelSim仿真软件实现综合仿真。本文中并没有涉及OFDM设计中的其他问题，如：OFDM信号幅度限制、信道编码、子载波上的调制解调等，因此还有很多工作有待进一步完善。
本人简历：王金如 男 1963年1月生。北京科技大学计算机应用专业（本科）毕业，1984年开始从事教育教学工作，1996年取得中学一级职称，2006年取得计算机系统操作工技师。1988－2000年负责学生就业工作，2000年以来一直负责继续教育、各类培训工作。
联系电话：0523－87703358、13775786256
邮箱：wjr2008sun@sina.com" wjr2008sun@sina.com wjr2008sun@126.com" wjr2008sun@126.com wjr20088384@sina.com" wjr20088384@sina.com
QQ: 329288449 757384420
地址 ：江苏省泰兴职业教育中心校电子信息系 邮编：225400
基于Xinlinx FPGA的IEEE802.11a物理层的OFDM系统实现.doc
