（通信与信息系统专业论文）cmmb系统中ofdm解调模块的仿真及fpga实现.pdf

北京邮l u 人学硕l ：研究生论文 c m m b 系统中o f d m 解调模块的仿真及f p g a 实现 摘要 随着人们对数字视频信息的需求越来越大，手机电视技术在中 国发展迅速，中国移动多媒体广播c m m b 标准也于2 0 0 6 年1 0 月 2 4 日正式出台，主要面向小屏幕手持式终端设备提供数字广播电视 节目、综合信息和紧急广播服务，实现了卫星传输与地面网络相结 合的无缝协同覆盖。 c m m b 手机终端在北京奥运会期间得到了广泛应用，提供的手 机电视服务广受好评。随着3 g 牌照的正式发放，手机电视与3 g 手 机终端的融合具有巨大的实用价值和广阔的市场前景，c m m b 标准 的仿真与实现就显得尤为重要。 在c m m b 系统中，o f d m 调制就是把给定的频带分成多个子频 带，各个子频带用相互正交的载波传输数据，调制后的信号为各个 子载波信号叠加，其时域采样结构满足i f f r 关系式。经i f f t 后， 发送的数据在频域被充分随机化，可以认为是独立同分布的随机变 量的线性组合，因此由中心极限定理可知o f d m 调制后的信号服从 复高斯分布。此外，为消除多径衰落在o f d m 符号间加入循环前缀 作为保护间隔，有效地避免符号间干扰。 本文首先分析了c m m b 标准中o f d m 技术的作用与相关原理， 然后依照标准要求仿真了o f d m 解调模块的定点性能，最后在 q u a r t u si i6 0 仿真环境下用a l t e r a 公司的s t r a t i xi i 系列 e p 2 s 1 8 0 f 1 0 2 0 c 3 芯片完成方案的硬件实现。 o f d m 解调的核心f f t 变换子模块采用了基4 2 蝶形算法。该 算法实现方法简单有效，计算速度快，占用硬件资源空间少，提高 了性能。目前本文的设计方案在f p g a 芯片上功能实现正常、工作 稳定，达到了预先设定实验目的。 关键字：中国移动多媒体广播( c m m b ) o f d m 调制解调f 丌l f f r 基4 2 蝶形运算f p g a 北京t 1 1 1 i , b 人学顾l ：研究生论文 s i m u l a t i o na n df p g a - b a s e di m p l e m e n t a t i o no fo f d md e m o d u l a t i o n i nc h i n am o b i l em u l t i m e d i ab r o a d c a s t i n gs t a n d a r d w i t ht h eg r o w i n gn e e d so fp e o p l ef o rd i g i t a lv i d e oi n f o r m a t i o n ，c e l l p h o n e t e l e v i s i o nb r o a d c a s t i n gi sd e v e l o p i n gr a p i d l yi nc h i n aa n dc h i n am o b i l em u l t i m e d i a b r o a d c a s t i n g ( c m m b ) s t a n d a r d sw a sf o r m a l l yt a b l e do no c t o b e r2 4 t l l ，2 0 0 6 i t r e a l i z e st h ec o o r d i n a t e ds e a m l e s s c o v e r a g eb e t w e e ns a t e l l i t e t r a n s m i s s i o na n d t e r r e s t r i a ln e t w o r kb ym a i n l yp r o v i d i n gd i g i t a lb r o a d c a s t i n gt e l e v i s i o np r o g r a m m e s ， i n t e g r a t e di n f o r m a t i o na n du r g e n tb r o a d c a s t i n gs e r v i c et op o r t a b l et e r m i n a l sw h i c h h a v es m a l ls c r e e n s c m m b c e l l p h o n eh a sb e e nw i d e l yu s e dd u r i n gt h eb e i j i n go l y m p i cg a m e sa n d r e c e i v e dg o o dr e p u t a t i o n sf r o mi t su s e r s a sc h i n e s e3 gm o b i l et e l e p h o n el i c e n c e s h a v e b e e ni s s u e d ，t h ec o o r d i n a t i o no fc e l l p h o n et e l e v i s i o na n d3 gm o b i l et e r m i n a l s i so ft r e m e n d o u sp r a c t i c a lv a l u ea n db r o a dm a r k e tp r o s p e c t s ，w h i c hm e a n st h e s i m u l a t i o na n di m p l e m e n t a t i o nf o rc m m bs y s t e m ss h o u l db ep a i dm u c ha t t e n t i o n t o i no f d mm o d u l a t i o nm o d u l eo fc m m bs t a n d a r d ，t h e f r e q u e n c yb a n di s d i v i d e di n t os e v e r a ls u b - b a n d sa n do r t h o g o n a ls u b - c a r r i e r sa r eu s e dt ot r a n s m i td a t a b ys u p e r i m p o s i n gt h e s es i g n a l so ns u b - c a r d e r s ，t h em o d u l a t e ds y m b o lw h i c hi s s a m p l e di nt i m ed o m a i ni st h er e s u l to fi f f rt r a n s f o r m a f t e ri f f t , t h et r a n s m i t t e d d a t ah a sb e e nf u l l yr a n d o m i z e di nf r e q u e n c yd o m a i na n dc a nb ec o n s i d e r e da sa l i n e a rc o m b i n a t i o no fas e r i e so fi n d e p e n d e n ti d e n t i c a l l yd e s t r i b u t e dv a r i b l e sw h i c h m e a n si ts u b j e c t st og a u s s i a nd e s t r i b u t i o n i no r d e rt od e a lw i t hm u l t i - p a t hf a d i n g , c y c l i c p r e f i x s h o u l d b ea d d e db e t w e e no f d ms y m b o l s ，w h i c hc a na v o i d i n t e r - s y m b o l i n t e r f e r e n c ee f f e c t i v e l y t h i sp a p e rf i r s t l ya n a l y z e st h er o l ea n dr e l a t e dp r i n c i p l eo fo f d m t e c h n o l o g y i nc m m bs y s t e m ，a n dt h e ns i m u l a t e st h ef i x p o i n tp e r f o r m a n c eo fo f d m d e m o d u l a t i o nm o d u l ei na c c o r d a n c ew i t hc m m bs t a n d a r dt e c h n i c a lr e q u i r e m e n t s a tl a s t ，t h er e a l i z a t i o ns c h e m eo fo f d md e m o d u l a t i o nm o d u l ei sd e m o n s t r a t e di n t h i sp a p e r , w h i c hu s e sa l t e r a ss t r a t i xi is e r i e se p 2 s18 0 f 10 2 0 c 3c h i ph a r d w a r e i m p l e m e n t a t i o ni no u a r t u si i6 0s i m u l a t i o ne n v i r o n m e n t a st h ek e yp a r to fo f d md e m o d u l a t i o n ，f 丌s u b m o d u l ea d o p t sr a d i x 4 2 2 北京邮f u 人学硕f ：研究生论文 b u t t e r f l ya l g o r i t h mw h i c hi ss i m p l ea n de f f e c t i v e ，s p e e d y ，a n do c c u p i e sl i t t l e h a r d w a r er e s o u r c e ss p a c ea n di m p r o v e st h ep e r f o r m a n c eo fn 呵a tp r e s e n t ，t h e d e s i g nh a sa c h i e v e dt h ep r e d e t e r m i n e de x p e r i m e n to b j e c t i v ea n di tw o r k ss t a b l ya n d r e a l i z e st h em o d u l ef u n c t i o ni nf p g a k e yw o r d s ：c h i n am o b i l em u l t i m e d i ab r o a d c a s t i n go f d mm o d d e m o d f f r i f f tr a d i x 4 2b u t t e r f l yc a l c u l a t i o nf p g a 独创性( 或创新性) 声明 本人卢明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我 所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他教育机构的学位或证二传而使用 过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 中请学位论文与资料若有不实之处， 本人签名： 本人承担一切相关责任。 日期：缉：主= _ 上一 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电人学有关保留和使心学位论文的规定，即：研究生在 校攻读学位期间论文j i ：作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保留并向国家有关部 门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文 的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。( 保密 的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权j f 5 。1 卜保密论文注释： 本学 髟 ，古锰一， 权- f 5 。 日期：理= 圣：! 醐纱严 北京邮i 乜人学硕+ i ：研究生论文 第一章绪论 本章主要对中国移动多媒体广播( c m m b ) 系统的形成背景、发展概况以 及技术特点进行了总结，并对c m m b 系统结构进行了讨论，指出了o f d m 技 术在c m m b 系统中所处的环节和作用；另外还简单介绍了f p g a 技术的发展 历史和设计思想；最后，对自己在论文完成的过程中所做的主要工作做了介绍。 1 1 中国移动多媒体广播标准简述 c m m b 是英文c h i n am o b i l em u l t i m e d i ab r o a d c a s t i n g 的缩略语简称，意为 中国移动多媒体广播电视，是中国国家广电总局在2 0 0 6 年1 0 月2 4 同正式提出 的手机电视的标准，主要面向手机、p d a 等小屏幕便携手持终端以及车载电视 等终端提供广播电视服务。在此之前，国际上没有统一的移动多媒体广播电视 手机电视标准，美国以高通公司为代表推出了m e d i a f l o 技术，欧洲以诺基亚 为代表推出了d v b h 技术，韩国以三星公司为代表在欧洲d a b 技术基础上推 出了t - d m b 技术，我国经过多年的研发成功推出了c m m b 标准，该标准目前 已成为行业标准，相比其他标准有以下优势： 一、c m m b 借助卫星通信，能极好地解决移动终端( 手机电视) 信号流畅 的问题； 二、c m m b 由国家广电总局管理，其负责的电影、电视、广播载体具有丰 富的电视内容资源。此外，c m m b 也是2 0 0 8 年奥运会新媒体的直播载体； 三、收费低廉，c m m b 兼顾国家媒体信息发布功能。 c m m b 也是数字电视技术的一种，采用先进的编码、压缩、调制等数字技 术专为7 寸以下小尺寸屏幕便携接收终端提供广播电视服务节目服务，具有移 动接收、高效省电等传统数字电视所不具备的技术特点： 一、可提供数字广播电视节目、综合信息和紧急广播服务，实现卫星传输 与地面网络结合的无缝协同覆盖，支持公共服务； 二、支持手机、p d a 、m p 3 、m p 4 、数码相机、笔记本电脑以及汽车、火 车、轮船、飞机上的小型接收终端，接收视频、音频、数据等多媒体业务； 三、采用具有自主知识产权的移动多媒体广播电视技术，系统可运营、可 维护、可管理、具备广播式、双向式服务功能，可根据运营要求逐步扩展； 四、支持中央和地方相结合的运营体系，具备加密授权控制管理体系，支 持统一标准和统一运营，支持用户全国漫游； 五、系统安全可靠，具有安全防范能力，具有良好的可扩展性，能够适应 北京岬l u 上学顿1 日f 究生论女 移动多媒体广播电视技术和业务的发展要求。 c m m b 针对我国幅员辽阔、传输环境复杂、东部地区城市密集、西部地区 人口稀疏的特点，以及用户众多和业务需求多样化的情况，立足我国国情，通 过吸纳成熟的先进技术设计的“天地一体化”的技术体系，即利用大功率s 波 段卫星覆盖全国1 0 0 的国土、利用地面覆盖网络进行城市人口密集区域有效覆 盖、利用双向回传通道实现交互、形成单向广播和双向互动相结合、中央和地 方相结合的无缝覆盖的系统。c m m b 的总体构成如图1 - 1 所示。 斛_ 触躲勰黼成碧霞。 慧 图11 c m m b 系统台堆构成 在c m m b 的系统构成中，c m m b 信号主要由s 波段卫星覆盖刚络和u 波 段地面覆盖网络实现信号覆盖。s 波段卫罩网络广播信道用于直接接收k u 波 段上行，s 波段下行：分发信道用于地面增补转发接收，k u 波段上行，k u 波 段下行，由地面增补网络转发器转为s 波段发送到c m m b 终端。为宴现城市 人口密集区域移动多媒体广播电视信号的有效覆盖，采用u 波段地面无线发射 构建城市u 波段地面覆盖网络。c m m b 拥有低成本、可快速实现移动多媒体广 描信号全国覆盖的优点从而- 叮以促进东两部“数字鸿沟”的弥合。c m m b 系 统采用的s t i m i 传输技术充分考虑了在我国开展移动多媒体广播业务的需求和 特点是一项具有先进性、实用性和经济性的自丰技术。 1 2o f d m 发展简述 下交频分复用( o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ，o f d m ) 是一 种多载波调制( m c m ) 技术。2 0 世纪6 0 年代的一些文献已经提出了o f d m 的 。国南 北京邮i u 人学硕 二研究生论文 基本原理，1 9 7 1 年，w e i n s t e i n 和e b e r t 又提出用离散傅里叶变换来等效多个调 制解调器的功能，简化了系统结构，使得o f d m 技术更趋于实用化。由于o f d m 的各个子载波间相互正交，采用f f r 实现这种调制，在当时的实际运用中，实 时傅里叶变换的复杂度、发射机和接收机振荡器的稳定性以及射频功率放大器 的线性要求等因素都成为o f d m 技术实现的制约条件。近年来，数字信号处理 技术和超大规模集成电路技术( v l s l ) 的发展才使制约o f d m 技术发展的障碍 不复存在。从此，o f d m 登上了通信的舞台，逐步迈入高速m o d e m 和数字移 动通信的领域，1 9 9 5 年欧洲电信标准委员会( e t s i ) 将o f d m 作为数字音频 广播( d v b ) 的调制方式，这也是第一个以o f d m 作为传输技术的标准。欧洲 数字视频广播联盟也在1 9 9 7 年采用o f d m 作为其地面广播( d v b t ) 的调制 标准。1 9 9 9 年，o f d m 作为无线本地局域网的传输技术被h i p e r l a n i i 标准 和5 g h z 的i e e e 8 0 2 1 1 扩展标准选用。o f d m 和c d m a 的结合也被用于宽带 c d m a 中。目前，o f d m 技术已经被广泛应用于广播式的音频视频领域和民用 通信系统中，主要包括：非对称数字用户环路( a d s l ) 、e t s i 标准的数字音频 广播( d a b ) 、数字视频广播( d v b ) 、高清晰度电视( h ) 、无线局域网 ( w l a n ) 等。随着d s p 芯片技术的发展，栅格编码技术、软判决技术、信道 自适应技术等成熟技术的引入，人们开始集中更多的精力研究o f d m 技术在移 动通信领域的应用。o f d m 技术由于使用正交重叠的频谱，效率较高，是频谱 利用率最高的一种频分复用方式。此外，o f d m 技术因为具有抗时延扩散，抗 多径衰弱和简单结构的易实现性优点而成为新一代无线接入方式中的佼佼者， 目前已经被推荐为无线宽带接入网和第四代移动通信系统的候选技术，其实现 和完善指同可待。 1 3f p g a 知识简述 1 3 1i c 设计发展概述 集成电路( 1 c ) 技术是信息产业和高新技术的核心，也是目前世界上发展 最为迅速的产业之一。2 0 世纪6 0 年代以来，集成电路( i n t e g r a t ec i r c u i t ，即i c ) 技术的迅猛发展彻底改变了人类的生活。数字集成电路已经经历了从小规模 ( s s i ) 、中规模( m s i ) 、大规模( l s l ) 、超大规模( v l s i ) 、特大规模( u l s i ) ， 直到现在的s o c ( s y s t e mo nc h i p ，系统芯片) 的发展过程。大规模集成电路( l s i ) 问世后，微电子技术得到迅猛发展，这极大的促进了电子设计自动化( e d a ) 技术的进步。在新的e d a 工具出现以后，设计者可以直接用编程的方式来设计 特定功能的电路了。 北京邮i 乜人学硕i j 研究生论文 世界电子技术发展主要经历以下几个阶段： 1 手工设计阶段 传统手工设计方法是根据所设计的电子系统的实际要求，先进行功能划分， 画出真值表，再用卡诺图进行逻辑简化，写出布尔表达式，画出相应的逻辑线 路图，进而选择元器件，最后制造线路板等一系列复杂手工操作。 2 c a d ( c o m p u t e ra i d e dd e s i g n ) 设计阶段 计算机出现后，可借助计算机进行辅助设计，完成图形输入与编辑工作， 并为设计过程提供各个阶段的模拟仿真手段。c a d 技术的出现使电子设计向前 迈出了一大步。 3 c a e ( c o m p u t e r a i d e de n g i n e e r i n g ) 设计阶段 这个阶段在集成电路与电子系统设计方法学以及设计工具集成化方面取得 许多成果。各种设计工具以及各种单元库均已齐全。由于采用统一数据管理技 术，可将各个工具集成为c a e 系统。 4 e d a ( e l e c t r o n i cd e s i g na u t o m a t i o n ) 设计阶段 微电子技术发展极大地促进了电子设计自动化技术的发展，出现了高级语 言描述、系统仿真和综合技术为特征的e d a 技术。e d a 技术就是以计算机为 工具，设计者在e d a 软件平台上，用硬件描述语言h d l 完成设计文件，然后 由计算机自动地完成逻辑编译、化简、分割、综合、优化、布局、布线和仿真， 直至对于特定目标芯片的适配编译、逻辑映射和编程下载等工作。 要想了解f p g a ，首先要了解a s i c 的概念。a s i c ( a p p l i c a t i o ns p e c i f i c i n t e g r a t e dc i r c u i t s ) 即专用集成电路，是指应特定用户要求和特定电子系统的需 要而设计、制造的集成电路。目前进行a s i c 设计是最为流行的方式有c p l d ( 复杂可编程逻辑器件) 和f p g a ( 现场可编程逻辑阵列) 两种。它们的共性 是都具有用户现场可编程特性，都支持边界扫描技术，但两者在集成度、速度 以及编程方式上具有各自的特点。 f p g a ( 现场可编程门阵列) 是专用集成电路( a s i c ) 中集成度最高的一 种，用户可对f p g a 内部的逻辑模块和i o 模块重新配置，以实现用户的逻辑， 因而也被用于对c p u 的模拟。用户对f p g a 的编程数据放在f l a s h 芯片中，通 过上电加载到f p g a 中，对其进行初始化。也可在线对其编程，实现系统在线 重构，这一特性可以构建一个根据计算任务不同而实时定制的c p u ，这是当今 研究的热门领域。 f p g a 采用了逻辑单元阵列l c a ( l o g i cc e l la r r a y ) 的概念，内部包括可 北京邮电人学硕，l ：研究生论文 配置逻辑模块c l b ( c o n f i g u r a b l el o g i cb l o c k ) 、输出输入模块1 0 b ( i n p u to u t p u t b l o c k ) 和内部连线( i n t e r c o n n e c t ) 三个部分。f p g a 的基本特点主要有： 一、采用f p g a 设计a s i c 电路，用户不需要投片生产，就能得到合用的芯 片； 二、f p g a 可做其它全定制或半定制a s i c 电路的中试样片； 三、f p g a 内部有丰富的触发器和i 0 引脚； 四、f p g a 是a s i c 电路中设计周期最短、开发费用最低、风险最小的器件 之一： 五、f p g a 采用高速c h m o s 工艺，功耗低，可以与c m o s 、1 【 l 电平兼 容。 f p g a 是由存放在片内r a m 中的程序来设置其工作状态的，因此，工作时 需要对片内的r a m 进行编程。用户可以根据不同的配置模式，采用不同的编 程方式。加电时，f p g a 芯片将e p r o m 中数据读入片内编程r a m 中，配置完 成后，f p g a 进入工作状态。掉电后，f p g a 恢复成白片，内部逻辑关系消失， 因此，f p g a 能够反复使用。f p g a 的编程无须专用的f p g a 编程器，只须用 通用的e p r o m 、p r o m 编程器即可。当需要修改f p g a 功能时，只需换一片 e p r o m 即可。这样，同一片f p g a ，不同的编程数据，可以产生不同的电路功 能。因此，f p g a 的使用非常灵活。 f p g a 有多种配置模式：并行主模式为一片f p g a 加一片e p r o m 的方式； 主从模式可以支持一片p r o m 编程多片f p g a ：串行模式可以采用串行p r o m 编程f p g a ；外设模式可以将f p g a 作为微处理器的外设，由微处理器对其编 程。 目前f p g a 的品种很多，有x i l i n x 公司的v i r t e x 系列、t i 公司的t p c 系 列、a l t e r a 公司的s t r a t i x 系列等。其中，a l t e r a 是最大的可编程逻辑器件供应 商之一。本文所涉及的项目研究工作就是在q u a r t u si i6 0 仿真环境下用a l t e r a 公司的s t r a t i xi i 系列e p 2 s 9 0 f 1 0 2 0 c 5 芯片完成的。 随着百万门级的p l d 芯片的推出，芯片系统成为可能。a l t e r a 提出s o p c ( s y s t e mo nap r o g r a m m a b l ec h i p ) 的概念，即可编程芯片系统，将一个完整的 系统集成再一个可编程逻辑器件内。为了支持s o p c 的实现，还提供了众多性 能优良的宏功能模块、i p 核以及系统集成等完整的解决方案，且都经过了严格 的测试，使用这些模块将大大减少设计的风险，缩短丌发周期。 l p 核则是一段具有特定电路功能的硬件描述语言程序，程序与集成电路工 艺无关，可以移植到不同的半导体工艺中去生产集成电路芯片。利用i p 核设计 电子系统，引用方便，修改基本元件的功能容易。具有复杂功能和商业价值的 北京邮i 乜人学顾l ：研究生论文 i p 核一般具有知识产权，尽管i p 核的市场活动还不规范，但是仍有许多集成电 路设计公司从事i p 核的设计、开发和营销工作。i p 核有两种，与工艺无关的 h d l 程序称为软核；具有特定电路功能的集成电路版图称为硬核。硬核一般不 允许更改，利用硬核进行集成电路设计难度大，但是容易成功流片。 1 , 3 3q 瑚r t u s 编程环境与f p g a 设计流提 a l t e r a 的q u a r t u si i 软件是第一个支持基于知识产权( i p ) 系统设计的软件， 它包括完整、自动的系统定义和实施，不需要底层的硬件描述语言( h d l ) 或 原理图。设计人员可以利用这种特性在几分钟内将他们的构想变成j 下常运行的 系统。q u a r t u si i 包括下面列出的系统设计工具： 一、s o p cb u i l d e r ：该系统开发工具自动加入参数化并连接i p 核，如嵌入式 处理器、协处理器、外设存储器和用户定义的逻辑，无需底层的h d l 或原理图： 二、d s pb u i l d e r ：t h ed s pb u i l d e r 工具在友好算法开发环境中，帮助设计 人员生成d s p 设计的硬件表征，缩短了数字信号处理( d s p ) 设计周期； 三、现成的i p 核：极高地提高了设计效率，减轻了设计员的工作量。 利用q u a r t u si i 进行v e r i l o gh d l 硬件描述性语言设计流程如下 7 1 ： 一、设计输入：包括使用硬件描述语言h d l 、状态图与原理图输入三种方 式； 二、设计综合：针对给定的电路实现功能和实现此电路的约束条件，如速 度、功耗。成本及电路类型等，通过计算机进行优化处理，获得一个能满足上 诉要求的电路设计方案； 三、前仿真：仅对逻辑功能进行测试模拟，以了解其实现的功能是否满足 设计要求。仿真过程没有加入时序信息，不涉及具体器件的硬件特性( 如延迟 特性) ； 四、综合：把设计翻译成原始目标工艺，并使其最优化，达到面积要求和 性能要求； 五、布局和布线：将映射设计到目标工艺里指定位置，并保证指定的布线 资源被使用； 六、后仿真：在布局向线后，提取有关的器件延迟、连线延时等时序参数， 并在此基础上进行的仿真，是接近真实器件运行的仿真； 七、时序分析：在布局布线后，要对实际布局布线的功能块延时和实际布 线延时进行静念时序分析： 八、下载验证：验证是否合乎性能规范，若不满足性能规范，则回到第一 步： 北京邮电人学硕i ：研究生论文 九、版图设计：验证版图设计，在板编程和测试器件。 具体设计流程见图1 2 ： j h d l 设计文件 j l 有目篡 h d l 功能仿真i i l 三碡兰： 赢厂 。与物理器件有关 ：的布线约束等工f = = = 岩：优化，布局布线 l 兰兰三竺j l 一j i = z = - ? _ = _ = = ：= = 一= ：，：u 有闯题 图1 - 2h d l 设计流程 在仿真过程中，为了更好的观察各个环节的波形情况，常使用专门的仿真 工具来模拟波形并将其快速便捷的显示出来。m e n t o rg r a p h i c s 公司的m o d e l s i m 就是业界较好的一款仿真工具，其仿真功能强大，图形化界面友好，而且具有 结构、信号、波形、进程、数据流等窗口。将f p g a 设计( 以h d l 方式) 输入 后进行编译即可进行前仿真。在本系统的仿真所用版本为m o d e l s i m 6 0 版，该 版本支持v h d l 与v e r i l o gh d l 混合仿真。在仿真时可以编写h d l 激励文件 或执行组模式方式。组模式方式类似批处理方式，可以连续执行事先在文件中 写好的多个执行命令，这对重新仿真或重复执行多个命令特别有效。在仿真过 程中可以执行性能分析与代码覆盖分析。性能分析在程序代码执行过程中可以 分析出各部分代码执行时占用整个执行时问的百分率。在此信息下，设计者可 以找到设计的瓶颈并通过优化代码减少仿真时间。代码覆盖分析可以使设计者 一 真 一一 一 件 一 一 馘 三一 l 一 一 | l | l 敝 _ 牟f 北京邮i 乜人学颀i ：研究生论文 确切知道在测试台上j 下在进行的代码位置，以方便设计者调试。 由m o d e l s i m 进行仿真，需要导出v h d l 或v e r i l o gh d l 网表。此网表是 由针对特定f p g a 器件的基本单元组成的。这些基本单元在f p g a 厂家提供的 厂家库中含有其定义和特性，且厂家一般提供其功能的v h d l 或v e r i l o gv d l 库。因此，在m o d e l s i m 下进行仿真，需要设置厂家库信息。除网表外，还需要 布局布线输出的标准延时文件( s d f ) ，将s d f 文件加入仿真可以在窗口化界面 设置加入，或通过激励指定。 1 4 本文的主要工作 中国移动多媒体广播标准公布之后，必然要将其产业化，形成真f 可用于 手机电视广播的产品。因此，对c m m b 系统的仿真和硬件实现过程的研究是具 有极大技术价值和广阔的市场发展前景的。 本文所属项目是完成具有接收中国移动多媒体广播信号功能的芯片，围绕 该系统中的o f d m 解调技术在f p g a 实现中的问题，对于o f d m 原理、应用 以及硬件实现等进行了分析和研究： 第一章：简单介绍了移动多媒体广播的发展过程和本文的课题背景，以及 相关的硬件理论知识； 第二章：简单介绍了o f d m 技术的概念、作用、实现原理，以及o f d m 解调在c m m b 系统中的具体应用； 第三章：详细介绍了o f d m 解调模块的定点仿真过程，其中详细介绍了定 点仿真中采用的数据类型以及中间数据的处理方法，给出了仿真结果： 第四章：详细介绍了o f d m 解调模块的硬件实现方法，并将硬件仿真结果 与定点仿真结果进行比较，对结果进行了分析； 第五章：对全文做了总结，并展望手机电视未来的发展方向。 北京邮电人学硕。i ：研究生论文 第二章o f d m 原理 正交频分复用技术( o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ，o f d m ) 是一种多载波数字调制技术，它与传统的单载波技术相比在对抗频率选择性衰 落和窄带干扰方面有很大的优势，现在广泛应用于地面数字视频广播( t e r r e s t r i a l d i 酉t a lv i d e ob r o a d c a s t i n g ，d v b t ) 、无线局域网以及中国移动多媒体广播( c h i n a m o b i l em u l t i m e d i ab r o a d c a s t i n g ，c m m b ) 等系统中，f f t l f f r 证是实现o f d m 调制解调模块的关键模块。 2 1o f d m 概述 o f d m 是一种多载波传输方案，既可以被看作是一种调制技术，也可以被 当作一种复用技术。其基本思想是把高速率的信源信息流通过串并变换，变换 成低速率的n 路并行数据流，然后用n 个相互正交的载波进行调制，将n 路 调制后的信号相加即得发射信号。 如图2 1 所示，o f d m 的子载波彼此相互j 下交，调制后的频谱可以相互重 叠，大大提高了频谱利用率；而对传统的f d m 系统而言，传输的信号需要在 两个信道之间存在较大的频率间隔即保护带宽来防止干扰，这降低了频率利用 率。此外，o f d m 系统可以利用f f t i f f t 来实现调制和解调，从而大大简化 系统的复杂度。 q 凸q 一竺耋 传统的频分复用【f d m ) 多载波调制技术 位晒盈泣兰塾墅 图2 - 1f d m 与o f d m 带宽利用率的比较 o f d m 系统收发机的典型框图如图2 2 所示。 北京邮电人学硕 ：研究生论文 躺h 交织h 繇h 豁h 鬟 解码h 臀! - - 4 嫠翥h 蓑整h 耋襄_7 i - - - - - - i 棚* 定时 和频 率同 步 图2 2 0 f d m 收发机框图 发送端将被传输的数字信号转换成子载波幅度和相位的映射，并进行i f f i 将数据的频谱表达式变到时域上。图中上半部分对应于发射机链路，下半部分 对应于接收机链路，由于f f r 操作类似于i f f t ，因此发射机和接收机可使用同 一套硬件设备。此外，接收端进行相反的操作，将射频r f 信号与基带信号进 行混频处理，并用f f t 变换分解频域信号，子载波的幅度和相位被采集出来并 转换回数字信号。 综上，o f d m 技术有以下优点： 一、把高速率数据流通过串并转换，使得每个子载波上的数据符号持续长 度相对增加，从而有效地减少由于无线信道的时间弥散所带来的符号间干扰 ( i s i ) ，减小了接收机内均衡的复杂度，有时甚至可以不采用均衡器而仅仅通 过插入循环前缀的方法来消除i s i 的不利影响； 二、与常规的f d m 系统相比，o f d m 可以最大限度地利用频谱资源。当子 载波个数很大时，系统的频谱利用率趋于2 b a u d h z ； 三、各个子信道的正交调制和解调可以通过f f t l f f r 来实现，随着大规模 集成电路技术( v l s i ) 与d s p 技术的发展，唧f f r 都是非常容易实现的； 四、无线数掘业务一般存在非对称性，即下行链路中的数据传输量要大于 上行链路中的数据传输量，这就要求物理层支持非对称高速率数据传输，o f d m 系统可以通过使用不同数量的子信道来实现上行和下行链路中不同的传输速 率； 五、o f d m 易于与其他多种计入方法结合使用，构成o f d m a 系统，其中 包括多载波码分多址m c c d m a 、调频o f d m 以及o f d m - t d m a 等等，使得 多个用户可以同时利用o f d m 技术进行信息的传输。 但是o f d m 系统由于存在多个正交的子载波，而且其输出信号时多个子信 北京邮l 乜人学硕l ：研究生论文 道的叠加，因此与单载波系统相比，存在如下缺点： 一、易受频率偏差的影响。由于子信道的频谱相互覆盖，这就对它们之间 的正交性提出了严格的要求。由于无线信道的时变性，在传输过程中出现的无 线信道频谱偏移或发射机与接收机本地震荡器之间存在的频率偏差，都会使 o f d m 系统子载波之间的正交性遭到破坏，导致载波间干扰( i c i ) ，这种对频 率偏差的敏感性是o f d m 系统的主要缺点之一； 二、存在较高的峰值平均功率比。多载波系统的输出是多个子信道信号的 叠加，因此如果多个信号的相位一致时，所得到的叠加信号的瞬时功率就会远 远高于信号的平均功率，导致较大的峰值平均功率比( p a p r ) 。这就对发射机 内放大器的线性度提出了要求，因此可能带来信号畸变，使信号的频谱发生变 化，从而导致各个子信道间的正交性遭到破坏，产生干扰，使系统的性能恶化。 2 2o f d m 关键技术 2 2 1 串并变换 数据传输的典型形式是串行数据流，符号被连续传输，每一个数据符号的 频谱可占据整个可利用的带宽。但在并行数据传输系统中，许多符号被同时传 输，减少了那些在串行系统中出现的问题。 j 在o f d m 系统中，每个传输符号速率的大小大约在十几b i t s 到几十b i t s 之间，必须进行串并变换将输入串行比特流转换成为可以传输的o f d m 符号。 由于调制模式可以自适应调节，所以每个子载波的调制模式是可变化的，因而 每个子载波可传输的比特数也是可变化的，所以串并变换需要分配给每个子载 波数据段的长度也可以不一样。在接收端执行相反的过程，从各个子载波处来 的数据被转换回原始的串行数据。 表2 - 1 单载波与多载波对比 嘉苌 单载波多载波 符号时间 t s nt s 速率n 瓜1 爪 总频带带宽 2 n 门隐2 n 瓜+ n 宰0 5 ，1 r s ( 假设保护带宽为0 5 t s ) i s i 敏感度较敏感较不敏感 表2 - 1 列出了单载波和多载波传输方式在符号时间、速率、频带带宽和对 北京邮i u 人学硕i ：研究生论文 i s i 敏感度等几方面的比较，其中，n 为子载波个数，t s 为一个o f d m 符号的 持续时间。 2 2 2o f d m 子载波调制 一个o f d m 符号之内包含多个经过相移键控( p s k ) 或者多个正交幅度调 制( q a m ) 的子载波。其中，n 表示子载波的个数，t 表示o f d m 符号的持续 时间( 周期) ，d i ( i = 0 ，1 ，o do t ，n 1 ) 是分配给每个子载波的数据符号，f i 是第i 个子载波的载波频率，矩形函数r e c t ( t ) = l ，i t l = t 2 ，则o f d m 符号可以 表示为： r - 1、 s o ) 一陀 薹嚷r e c t ( t 一气一r 2 ) e x p j 2 ：r f t ( t o ) 】 ，气s fs + 丁 ( 2 1 ) l i uj 一旦将要传输的比特分配到各个子载波上，某一种调制模式则将它们映射 为子载波的幅度和相位，通常采用等效基带信号来描述o f d m 的输出信号： r - 1 1 s ( f ) 一e d , r e c t ( t 一气一t 2 ) e x p j 2 ：r 睾( t - t ，) 】，t ss fs t , + 丁 ( 2 2 ) 7 = d 1 其中s ( t ) 的实部和虚部分别对应于o f d m 符号的同相( i n p h a s e ) 和正交 ( q u a d r a t u r e - p h a s e ) 分量，在实际系统中可以分别与相应子载波的c o s 分量和 s i n 分量相乘，构成最终的子信道信号和合成的o f d m 符号。在图2 3 中给出 了o f d m 系统基本模型的框图，其中f i = f c + i r 。在接收端，将接收到的同相 和正交矢量映射回数据信息，完成子载波解调。 图2 3o f d m 系统基本模型框图 如图2 4 所示为在一个o f d m 符号内包含4 个子载波的实例。 北京邮i b 人学硕l ：研究生论文 o f d m 予载波 图2 - 4 0 f d m 符号内包括4 个子载波的情况 其中，所有的子载波都具有相同的幅值和相位，但在实际应用中，根据数 据符号的调制方式，每个子载波都有相同的幅值和相位是不可能的。从图2 4 中可以看出，每个子载波在一个o f d m 符号周期内都