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基于FPGA的自适应MIMO-OFDM无线基带传输系统的研究

 基于FPGA的自适应MIMO-OFDM无线基带传输系统的研究

作者:谭 凯1,彭 端2,2017年电子技术应用第10期

摘 要: 针对自适应MIMO-OFDM无线基带传输系统,提出了一种并行复用的基4-FFT/IFFT算法的FPGA实现方法,并对其中的自适应数字调制、STBC编码和FFT/IFFT模块进行了FPGA实现研究和仿真。仿真结果表明,该方法实现了模块的功能,且性能良好,具有一定的应用价值。

0 引言

OFDM(Orthogonal Frequency-Division Multiplexing)技术由于其频谱利用率高和抗频率选择性衰落的优点,已经成为无线通信系统中最受欢迎的调制技术。多输入多输出(Multi Input Multi Output,MIMO)技术采用多根天线实现信号在空域和时域的多重复用,在不增加带宽和天线发送功率的情况下,可以成倍地提高频谱利用率,还能在一定程度上对抗多径衰落。基于以上这些优点,MIMO技术已成为进一步提升OFDM系统性能的关键技术。目前,MIMO-OFDM技术已广泛运用到高速无线通信系统中,比如:LTE、WLAN、WiMAX、微波通信以及未来的5G通信等[1]。

自适应调制技术利用无线链路的反馈息,动态地对发射功率、编码方式、调制阶数、载波分配等进行调整,使系统在适应时变信道的同时,尽可能地优化吞吐量、误比特率和发射功率[2]。将自适应调制技术应用于MIMO-OFDM系统中,可以优化系统的资源分配,进一步提升系统的性能,具有很好的应用前景[3]。

FPGA具有开发周期短、可并行处理、设计灵活、低成本等优点,用FPGA来验证和实现,是一种很好的开发无线通信系统的方法。

本文设计了一个自适应MIMO-OFDM无线基带传输系统,介绍了系统的关键技术,并对其中的自适应数字调制、STBC编码和FFT/IFFT模块进行了FPGA设计和仿真,分析了仿真结果。

1 系统模型

一个基本的自适应MIMO-OFDM无线基带传输系统如图1所示。信源经过信道编码和交织后被送入数字调制模块,此模块根据接收端反馈回的信道信息选择合适的调制方案。被调制的信号送入STBC编码模块,经过Alamouti空时编码后生成两路正交的码流,再经过串并转换后进入IFFT模块进行OFDM调制。解调端的处理是调制的逆过程,需要注意的是在解调端需要引入信道估计模块,用于采集信道信息以实现系统的同步和发射端的自适应调制。

 基于FPGA的自适应MIMO-OFDM无线基带传输系统的研究

2 FPGA设计

2.1 自适应数字调制模块

本文采用信噪比参数来衡量信道信息,不同的信噪比取值对应于不同的调制方式。利用信噪比作为参数来配置自适应调制的关键在于确定好每种调制编码模式的判决门限。这就需要通过大量的实验测量在不同信噪比条件下,选择何种调制编码模式能使系统的性能达到最优,以找到不同的参数与调制编码模式的映射关系。信噪比与调制方式的映射关系如表1所示。

 基于FPGA的自适应MIMO-OFDM无线基带传输系统的研究

自适应调制顶层模块接收到对应的SNR参数后,根据表1的映射规则,选择对应的调制子模块,使其使能端有效以启动此模块。随后,将子模块的数据输入端口连接到顶层模块的信号输入接口,以使外部信源数据输入到子模块,实现对应的调制处理。其实现框图如图2所示。

 基于FPGA的自适应MIMO-OFDM无线基带传输系统的研究

2.2 STBC编码模块

STBC编码模块接收到来自上一个模块的数据,将数据两个一组保存下来。Alamouti编码模块经过相应的逻辑处理生成两个数据的共轭形式,再将原数据和其共轭形式一起保存到下一级寄存器,最后分成两路数据输出。其设计原理如图3所示。

 基于FPGA的自适应MIMO-OFDM无线基带传输系统的研究

2.3 FFT/IFFT模块

本文采用基4-FFT/IFFT算法来实现64点OFDM调制解调。常见的的FFT实现方法有流水线和并行阵列方法。此两种方法各自有其优缺点。流水线以牺牲时间来换取逻辑资源花费的减少,这种方法占用的逻辑资源少,但是延时很高。并行阵列方法每一级之间也是采用流水线的设计思想,只不过每一级采用多个蝶形并行运算,只消耗一个蝶形运算时间,这样就极大地节省了运算时间,减少了延时,但是会消耗大量的逻辑资源。本文采用这两种方法折中的方法——并行复用法。64点基4-FFT以4点蝶形运算为基本单元,如图4所示。

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(责任编辑:ioter)

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