基于FPGA的空域復(fù)用MIMO MC一CDMA系統(tǒng)設(shè)計

FPGA MC-CDMA 基帶系統(tǒng) 移動通信

　　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)的基帶信號處理平臺的設(shè)計與實現(xiàn)的任務(wù)[1]。本文采用硬件仿真模型模擬MIMO信道的方法，實現(xiàn)了對系統(tǒng)的聯(lián)合調(diào)試與功能驗證，與軟件仿真結(jié)果進(jìn)行比較，性能良好。

　　1 MC-COMA調(diào)制解調(diào)的硬件實現(xiàn)

　　1.1 方案設(shè)計

　　根據(jù)MC-CDMA調(diào)制解調(diào)的基本原理，在本方案設(shè)計中將其調(diào)制過程劃分為符號復(fù)制、頻域擴(kuò)頻、載波調(diào)制三個功能模塊，解調(diào)過程劃分為載波解調(diào)、解擴(kuò)和頻域合并三個功能模塊?？紤]到代碼的整齊和運算速度的要求，在設(shè)計中采用了流水線操作方式。

　　根據(jù)需求，本文設(shè)計方案的子載波數(shù)為32，擴(kuò)頻碼由長度為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)。各個模塊之間的時序關(guān)系通過ens等控制信號實現(xiàn)，前端模塊運算完成才觸發(fā)后端模塊，從而實現(xiàn)流水線操作。欲了解更多信息請登錄電子發(fā)燒友網(wǎng)(http://www.elecfans.com)

　　MC-CDMA調(diào)制所有程序模塊之間的關(guān)系和信號流程。其中MC-CDMA模塊為頂層模塊，第二行的三個函數(shù)為一級子模塊，第三行的函數(shù)為二級模塊。進(jìn)入MC-CDMA調(diào)制器的數(shù)據(jù)符號首先經(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現(xiàn)多載波調(diào)制中的符號復(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)由長度為32的OVsF碼序列進(jìn)行擴(kuò)頻處理后送入IFFT32運算模塊實現(xiàn)頻域到時域的變換，完成MC- CDMA調(diào)制。

　　1.2 頻域擴(kuò)頻的實現(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。在接收端，為了恢復(fù)原始信號，使用與發(fā)射端一樣的同步擴(kuò)頻序列與收到的信號進(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實現(xiàn)

　　本文中FFT/IFFT設(shè)計參考Altera公司FFTIP 核的數(shù)據(jù)手冊[2]，通過對IP核進(jìn)行實際測試可知，有效數(shù)據(jù)要延遲于START信號4個時鐘周期輸入。而在本系統(tǒng)中，來自前端模塊的控制信號和有效數(shù)據(jù)是同步輸入FFT/IFFT變換模塊的，所以需要對輸入數(shù)據(jù)寄存4個周期。輸入數(shù)據(jù)緩沖模塊用來對輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行寄存。時序控制單元用于保證模塊中的時序?qū)R。FFT/IFFT運算單元是基于Altera公司的Altera Megacore IP核實現(xiàn)的。FFT/IFFT IP核的各個主要參數(shù)設(shè)置如表1所示。變換長度為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FFTIFFT模塊的資源消耗情況，從綜合報告中可知，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)計方法，分別實現(xiàn)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的RTL代碼編寫工作并進(jìn)行功能驗證之后，將發(fā)射機(jī)與接收機(jī)進(jìn)行了聯(lián)合凋試，驗證了本文設(shè)計實現(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個發(fā)射端的信號xl，x2與信道矩陣相作用之后加入高斯白噪聲，得到3個數(shù)據(jù)：r1、r2、r3，送往接收機(jī)的3個接收天線端。接收機(jī)檢測算法是在假設(shè)2發(fā)3收MIMO信道矩陣的6個參數(shù)h11～h33己經(jīng)被正確估計出來的基礎(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載波上的參數(shù)，此時的信道參數(shù)為復(fù)數(shù)浮點數(shù)據(jù);之后在MATLAB環(huán)境中編寫一個將任意復(fù)數(shù)轉(zhuǎn)化為可設(shè)定點結(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編碼能夠識別的十六進(jìn)制數(shù)，本文實現(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)時鐘管理單元設(shè)計實現(xiàn)

　　為了滿足同步時序設(shè)計的要求，一般在FPGA設(shè)計中采用全局時鐘資源馭動設(shè)計的主時鐘，以達(dá)到最低的時鐘抖動和延遲，本文中時鐘管理單元的實現(xiàn)亦遵從這一原則。本文設(shè)計的系統(tǒng)時鐘產(chǎn)生結(jié)構(gòu)模塊共使用3個Altera公司的OCMIP核來產(chǎn)生品振時鐘的6種分頻，輸入時鐘在第一個DCMIP核模塊中經(jīng)過一個IBIJFG后用來驅(qū)動第二個和第三個OCMIP核模塊。

　　2.3 系統(tǒng)驗證結(jié)果

　　仿真條件設(shè)定為：單位比特信噪比EbNo=4，系統(tǒng)帶寬B=20 MHz，OVSF擴(kuò)頻碼字號K=31，采用ch=2時的信道參數(shù)組模擬信道，長信源隨機(jī)信號的長度為L=T×len=2 000×15=30 000，單用戶，AWGN信道。其中ErrorN為接收機(jī)統(tǒng)計所得的誤碼個數(shù)。圖1是采用QPsK調(diào)制方式時系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)試的功能仿真結(jié)果，信宿模塊統(tǒng)計得到的誤碼比特數(shù)ErrorN為602，BER==602/30 000=0.020 067，接近EbNo=4時的仿真結(jié)果0.020 05。

　　隨著調(diào)制階數(shù)的增加，系統(tǒng)的性能會有所下降，高階調(diào)制對系統(tǒng)硬件的要求會更高。圖2為使用Altera Quartus II 6.0仿真平臺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。因為對運算過程中涉及的乘法和復(fù)乘運算進(jìn)行了簡化，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信道模塊來實現(xiàn)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的連接，設(shè)計了跨6個時鐘域的系統(tǒng)時鐘管理單元來實現(xiàn)各個模塊之間的時鐘同步，并詳細(xì)介紹了時鐘管理單元的設(shè)計實現(xiàn)方法與功能仿真結(jié)果。對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，驗證了發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的功能，并將整個基帶系統(tǒng)的RTL代碼成功下載到DE2開發(fā)板的芯片上，調(diào)試成功。