《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于FPGA的MC-CDMA基帶系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)
來源:電子技術(shù)應(yīng)用2010年第9期
葛立揚(yáng)，王 曌
南京郵電大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，江蘇 南京210046
摘要： MIMO技術(shù)、多載波技術(shù)與鏈路自適應(yīng)技術(shù)是未來移動(dòng)通信系統(tǒng)最值得關(guān)注的幾種物理層技術(shù)。MIMO技術(shù)在提高系統(tǒng)頻譜利用率方面性能卓越，多載波CDMA技術(shù)則能有效地對(duì)抗頻率選擇性衰落，將MIMO技術(shù)與MC-CDMA方案相結(jié)合，構(gòu)成空域復(fù)用MC-CDMA系統(tǒng)，將在很大程度上提高系統(tǒng)的性能和容量,更有效地提高信息傳輸速率,完成基于FPGA的空域復(fù)用 MIMO MC一CDMA系統(tǒng)的基帶信號(hào)處理平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的任務(wù)[1]。本文采用硬件仿真模型模擬MIMO信道的方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)系統(tǒng)的聯(lián)合調(diào)試與功能驗(yàn)證，與軟件仿真結(jié)果進(jìn)行比較，性能良好。
關(guān)鍵詞： FPGA MIMO MC-CDMA 基帶系統(tǒng)
中圖分類號(hào)： TN929.533
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
文章編號(hào)： 0258-7998(2010)09-0019-02
FPGA implementation of MC-CDMA base-band system
GE Li Yang，WANG Zhao
Nanjing University of Posts and Telecommunications，College of Automation，Nanjing 210046，China
Abstract： MIMO,multicatrier and linkadaptive Inodulation techniques are a few key kinds of physical layer techniqucs infuture wireless communication mission system.MIMO technique have a excellent performance in promoting spectral efficiencies, multicatrier and CDMA tcchniquc can alleviate the frcqucncy-sclective fading effect effectively. Combinating MIMO technique and MC-CDMA scheme into MIMO MC-CDMA system will improve the performance and capacity of a mobile communications system.Introducing the adaptive modulation technique into MIMO MC-CDMA system can take full advantage of wireless channcl capacity,and improve data rates more effectively. At last achieved the final structure of the digital base-band transceiver for a airspace multiplexing MI MOMC-CDMAsystem.This Paper use a hardware’s emulation model for MIMO channel to achieve the Joint debugging and functional verification，and compared with the software simulation results obtained a good Performance.
Key words : MIMO；MC-CDMA；base-band system；FPGA


1 MC-COMA調(diào)制解調(diào)的硬件實(shí)現(xiàn)
1.1 方案設(shè)計(jì)
    根據(jù)MC-CDMA調(diào)制解調(diào)的基本原理，在本方案設(shè)計(jì)中將其調(diào)制過程劃分為符號(hào)復(fù)制、頻域擴(kuò)頻、載波調(diào)制三個(gè)功能模塊，解調(diào)過程劃分為載波解調(diào)、解擴(kuò)和頻域合并三個(gè)功能模塊?？紤]到代碼的整齊和運(yùn)算速度的要求，在設(shè)計(jì)中采用了流水線操作方式。
    根據(jù)需求，本文設(shè)計(jì)方案的子載波數(shù)為32，擴(kuò)頻碼由長(zhǎng)度為32的OVSF碼發(fā)生器產(chǎn)生，通過設(shè)置OVSF碼發(fā)生器的參數(shù)，可以選擇32種不同的碼字中的一種進(jìn)行擴(kuò)頻來區(qū)分不同用戶的數(shù)據(jù)。各個(gè)模塊之間的時(shí)序關(guān)系通過ens等控制信號(hào)實(shí)現(xiàn)，前端模塊運(yùn)算完成才觸發(fā)后端模塊，從而實(shí)現(xiàn)流水線操作。
    MC-CDMA調(diào)制所有程序模塊之間的關(guān)系和信號(hào)流程。其中MC-CDMA模塊為頂層模塊，第二行的三個(gè)函數(shù)為一級(jí)子模塊，第三行的函數(shù)為二級(jí)模塊。進(jìn)入MC-CDMA調(diào)制器的數(shù)據(jù)符號(hào)首先經(jīng)過N次復(fù)制，本文系統(tǒng)中N=32，Copy32子程序模塊即用于實(shí)現(xiàn)多載波調(diào)制中的符號(hào)復(fù)制功能。復(fù)制之后的數(shù)據(jù)送入頻域擴(kuò)頻模塊sPreading，經(jīng)由長(zhǎng)度為32的OVsF碼序列進(jìn)行擴(kuò)頻處理后送入IFFT32運(yùn)算模塊實(shí)現(xiàn)頻域到時(shí)域的變換，完成MC-CDMA調(diào)制。
1.2 頻域擴(kuò)頻的實(shí)現(xiàn)
    在擴(kuò)頻通信系統(tǒng)中，其原理都是使用擴(kuò)頻序列來擴(kuò)展用戶的原始信號(hào)。在接收端，為了恢復(fù)原始信號(hào)，使用與發(fā)射端一樣的同步擴(kuò)頻序列與收到的信號(hào)進(jìn)行相關(guān)。MC-CDMA就是利用擴(kuò)頻序列的互相關(guān)性進(jìn)行多用戶通信的，擴(kuò)頻序列在MC-CDMA系統(tǒng)中起著重要的作用。
1.3 FFT/IFFT的FPGA實(shí)現(xiàn)
    本文中FFT/IFFT設(shè)計(jì)參考Altera公司FFTIP核的數(shù)據(jù)手冊(cè)[2]，通過對(duì)IP核進(jìn)行實(shí)際測(cè)試可知，有效數(shù)據(jù)要延遲于START信號(hào)4個(gè)時(shí)鐘周期輸入。而在本系統(tǒng)中，來自前端模塊的控制信號(hào)和有效數(shù)據(jù)是同步輸入FFT/IFFT變換模塊的，所以需要對(duì)輸入數(shù)據(jù)寄存4個(gè)周期。輸入數(shù)據(jù)緩沖模塊用來對(duì)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行寄存。時(shí)序控制單元用于保證模塊中的時(shí)序?qū)R。FFT/IFFT運(yùn)算單元是基于Altera公司的Altera Megacore IP核實(shí)現(xiàn)的。FFT/IFFT IP核的各個(gè)主要參數(shù)設(shè)置如表1所示。變換長(zhǎng)度為32，采用并行流水線FO結(jié)構(gòu)，為了節(jié)省slices資源的消耗，最大限度地選擇使用片內(nèi)的塊RAM資源。表1給出了綜合得到的FFT&IFFT模塊的資源消耗情況，從綜合報(bào)告中可知，其最大執(zhí)行速度可以達(dá)到268 MHz。

2 系統(tǒng)綜述
2.1 系統(tǒng)驗(yàn)證方案
    基于以上所提出的2發(fā)3收MIMOMC-CDMA基帶系統(tǒng)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的設(shè)計(jì)方法，分別實(shí)現(xiàn)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的RTL代碼編寫工作并進(jìn)行功能驗(yàn)證之后，將發(fā)射機(jī)與接收機(jī)進(jìn)行了聯(lián)合凋試，驗(yàn)證了本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的2發(fā)3收MIMOMC-CDMA基帶系統(tǒng)的基本功能。
    2發(fā)3收MIMO系統(tǒng)的信道處理過程類似于硬件仿真MIMO信道模塊，來自發(fā)射機(jī)2個(gè)發(fā)射端的信號(hào)xl，x2與信道矩陣相作用之后加入高斯白噪聲，得到3個(gè)數(shù)據(jù)：r1、r2、r3，送往接收機(jī)的3個(gè)接收天線端。接收機(jī)檢測(cè)算法是在假設(shè)2發(fā)3收MIMO信道矩陣的6個(gè)參數(shù)h11～h33己經(jīng)被正確估計(jì)出來的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)試中的信道參數(shù)來自32個(gè)子載波的2發(fā)3收MIMOMC-CDMA的MATLAB仿真系統(tǒng)，首先得到仿真信道在每個(gè)載波上的參數(shù)，此時(shí)的信道參數(shù)為復(fù)數(shù)浮點(diǎn)數(shù)據(jù)；之后在MATLAB環(huán)境中編寫一個(gè)將任意復(fù)數(shù)轉(zhuǎn)化為可設(shè)定點(diǎn)結(jié)構(gòu)與位寬的十六進(jìn)制數(shù)據(jù)的程序，將這些復(fù)數(shù)信道參數(shù)轉(zhuǎn)化為Verilog編碼能夠識(shí)別的十六進(jìn)制數(shù)，本文實(shí)現(xiàn)中將這些信道參數(shù)轉(zhuǎn)化為位寬為16的十六進(jìn)制數(shù)，其中實(shí)部、虛部分別以高8位和低8位表示。在這8位中，1位為符號(hào)位，另外7位為預(yù)設(shè)的信道參數(shù)的值，其中2位為整數(shù)位，5位為小數(shù)位。
2.2 系統(tǒng)時(shí)鐘管理單元設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)
    為了滿足同步時(shí)序設(shè)計(jì)的要求，一般在FPGA設(shè)計(jì)中采用全局時(shí)鐘資源馭動(dòng)設(shè)計(jì)的主時(shí)鐘，以達(dá)到最低的時(shí)鐘抖動(dòng)和延遲，本文中時(shí)鐘管理單元的實(shí)現(xiàn)亦遵從這一原則。本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)時(shí)鐘產(chǎn)生結(jié)構(gòu)模塊共使用3個(gè)Altera公司的OCMIP核來產(chǎn)生品振時(shí)鐘的6種分頻，輸入時(shí)鐘在第一個(gè)DCMIP核模塊中經(jīng)過一個(gè)IBIJFG后用來驅(qū)動(dòng)第二個(gè)和第三個(gè)OCMIP核模塊。
2.3 系統(tǒng)驗(yàn)證結(jié)果
    仿真條件設(shè)定為：?jiǎn)挝槐忍匦旁氡菶bNo=4，系統(tǒng)帶寬B=20 MHz，OVSF擴(kuò)頻碼字號(hào)K=31，采用ch=2時(shí)的信道參數(shù)組模擬信道，長(zhǎng)信源隨機(jī)信號(hào)的長(zhǎng)度為L(zhǎng)=T×len=2 000×15=30 000，單用戶，AWGN信道。其中ErrorN為接收機(jī)統(tǒng)計(jì)所得的誤碼個(gè)數(shù)。圖1是采用QPsK調(diào)制方式時(shí)系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)試的功能仿真結(jié)果，信宿模塊統(tǒng)計(jì)得到的誤碼比特?cái)?shù)ErrorN為602，BER==602/30 000=0.020 067，接近EbNo=4時(shí)的仿真結(jié)果0.020 05。
    隨著調(diào)制階數(shù)的增加，系統(tǒng)的性能會(huì)有所下降，高階調(diào)制對(duì)系統(tǒng)硬件的要求會(huì)更高。圖2為使用Altera Quartus II 6.0仿真平臺(tái)的綜合工具得到的系統(tǒng)所占用的芯片資源情況。仿真所用的芯片與DE2開發(fā)板上的芯片一致，均為Altera公司Altera CycloneII。因?yàn)閷?duì)運(yùn)算過程中涉及的乘法和復(fù)乘運(yùn)算進(jìn)行了簡(jiǎn)化，并盡可能有效利用片內(nèi)的定值模塊，極大地減少了資源消耗量。

    本文首先提出了2發(fā)3收MIMO MC-CDMA基帶系統(tǒng)的系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)試方案框架，使用硬件仿真MIMO信道模塊來實(shí)現(xiàn)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的連接，設(shè)計(jì)了跨6個(gè)時(shí)鐘域的系統(tǒng)時(shí)鐘管理單元來實(shí)現(xiàn)各個(gè)模塊之間的時(shí)鐘同步，并詳細(xì)介紹了時(shí)鐘管理單元的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方法與功能仿真結(jié)果。對(duì)FPGA基帶系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)合調(diào)試，并與MATLAB仿真結(jié)果相比較，驗(yàn)證了發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的功能，并將整個(gè)基帶系統(tǒng)的RTL代碼成功下載到DE2開發(fā)板的芯片上，調(diào)試成功。
參考文獻(xiàn)
[1] 劉寶琴.可編程邏輯器件及其應(yīng)用[B].北京：清華大學(xué)出版社，1995.
[2] Cyclone III device handbook：cyclone III device family overview.American.Altera Corp，2008.

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