基于FPGA的OFDM系统的FFT设计与实现

发布时间：2017-09-26 08:17

  本文关键词：基于FPGA的OFDM系统的FFT设计与实现

  更多相关文章： 正交频分复用 多路径延迟交叉结构 基2~2 快速傅里叶变换 旋转因子

【摘要】：随着通信标准的不断演进,LTE/LTE-A已经被采纳为新一代无线基带通信的标准。而OFDM技术作为LTE/LTE-A系统的核心技术之一,因其高频谱利用率的优点成为高速数据在无线信道中传输的首选方案。FFT/IFFT运算作为OFDM系统中数据处理的核心单元,是OFDM系统正确调制和解调的关键,其运算结果直接决定着OFDM系统的性能。因此,对FFT算子的研究对LTE/LTE-A系统的设计和优化具有重要意义。本文通过对FFT算法的分析以及现有硬件实现架构的研究,以实现可扩展、吞吐率高、机制控制简单为目的,基于算法原理及其访存特征分析设计了本文的流水线型FFT架构。其中,设计采用基2和基2z按频率抽取(DIF) FFT算法,架构采用多路径延迟交叉结构(MDC),输入采用乒乓操作模式,完成数据的无缝缓冲与处理。由于此种架构存在旋转因子存储量过多以及顺序读取旋转因子与计算不匹配的问题,本文通过优化旋转因子存储大大降低了运算复杂度,提升了架构的整体运算性能。并且通过分析其访存特性,设计了基于旋转因子ROM的线性步长可变的数据访存机制,使之正确提取到旋转因子。此外,本文的流水线无缝连接实现要求使得每级运算结束后能够正确调整数据使之适应下级蝶形运算,为此设计了面向下级运算的数据整合方案来控制保证实现过程中的时序正确。最终,数据通过位反序输出模块调整数据顺序输出。实验以XILINX公司的Spartan-3E系列的XC3S1200E-4FG320芯片为硬件平台,以Modelsim、ISE、 Synplify Pro、Matlab为软件平台,对设计进行了综合测试,结果显示本文所设计的MDC-FFT架构最高工作频率为150MHz,可实现点数可变(128/256/512/1024/2048/4096点)的FFT运算,硬件开销适中,最高点数运算符号时长为40.635μs,在充分满足LTE-A指标要求的同时,与其他同类架构相比,性能提高了5%-46.8%,并具有运算点数可扩展的显著优势。
【关键词】：正交频分复用 多路径延迟交叉结构 基2~2 快速傅里叶变换 旋转因子
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN929.53
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-9
• 第一章 绪论9-17
• 1.1 研究背景与意义9-11
• 1.2 国内外研究现状11-13
• 1.3 研究内容与设计指标13-14
• 1.4 论文组织14-17
• 第二章 OFDM系统及其核心算子分析17-27
• 2.1 OFDM系统结构和原理17-20
• 2.1.1 OFDM系统结构模型17-18
• 2.1.2 OFDM系统的FFT实现18-20
• 2.2 FFT算法分析与评估20-26
• 2.2.1 FFT运算形式选择20-21
• 2.2.2 基r-FFT算法分析及运算复杂度对比21-23
• 2.2.3 基2~2-FFT算法分析23-26
• 2.3 本章小结26-27
• 第三章 FFT算法硬件实现架构评估与优化27-39
• 3.1 FFT实现架构分析与比较27-29
• 3.2 流水线型FFT实现方案与评估29-31
• 3.2.1 流水线型FFT实现方案29-30
• 3.2.2 实现方案评估30-31
• 3.3 可扩展流水线FFT架构优化31-37
• 3.3.1 可扩展MDC-FFT架构优化31-33
• 3.3.2 基于旋转因子ROM的线性步长可变数据访存机制33-37
• 3.4 本章小结37-39
• 第四章 MDC-FFT架构的FPGA设计与实现39-49
• 4.1 系统架构实现方案39-42
• 4.1.1 数据运算形式方案选择39-40
• 4.1.2 硬件架构实现流程40-42
• 4.2 输入缓存模块设计与实现42-43
• 4.3 蝶形运算模块设计与实现43-46
• 4.4 面向下级运算的数据整合方案设计与实现46-47
• 4.5 本章小结47-49
• 第五章 测试结果与分析49-59
• 5.1 功能仿真49-52
• 5.1.1 整体架构功能仿真49-50
• 5.1.2 子模块功能仿真50-52
• 5.2 FPGA测试52-55
• 5.2.1 测试方法及步骤52-53
• 5.2.2 测试结果分析53-55
• 5.3 性能对比分析55-57
• 5.4 本章小结57-59
• 第六章 总结与展望59-61
• 6.1 总结59
• 6.2 展望59-61
• 致谢61-63
• 参考文献63-67
• 作者简介67

【参考文献】

中国博士学位论文全文数据库 前1条

1 杨玉庆;3GPP LTE下行接收系统的数字信号处理与VLSI实现研究[D];复旦大学;2011年

中国硕士学位论文全文数据库 前2条

1 常静;可配置FFT及LDPC编码器的FPGA实现[D];西安电子科技大学;2014年

2 张丽;应用于MIMO-OFDM系统的FFT处理器的研究与设计[D];华中科技大学;2011年

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本文编号：922451