word版本hslogicOFDM的matlab仿真FPGA实现.docx
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word版本hslogicOFDM的matlab仿真FPGA实现
4.2利用MATLAB实现OFDM系统及仿真分析
通过上面几节内容，我们基本了解的OFDM的系统特点，下面我们利用MATLAB来实现OFDM系统的基本工作，并对每个模块做简单的分析。
4.2.1信源产生模块
每个系统都有信号源，这里我们为了体现系统的系能，就利用随机的0，1信号做为系统的信号源。
message=randsrc（1,N）>0.5;
在这里，我们为了方便观察，取N为32，即产生32个随机数，当其大于0.5则产生信号1否则产生信号0。
其仿真结果如图4-1所示。
图4-1发送信号
通过上面的图，可以看到其产生的信号为1101-1001-1101-1010-0111-1011-1110-1010。
当然由于我们是利用随机函数来完成信源的产生的，所以实际操作时产生的信号不一定就是上面我们给出的信号。
4.2.2QPSK调制
下面我们将产生的信号通过QPSK进行调制，四相相移键控信号简称“QPSK”。
它分为绝对相移和相对相移两种。
由于绝对移相方式存在相位模糊问题，所以在实际中主要采用相对移相方式QDPSK。
它具有一系列独特的优点，目前已经广泛应用于无线通信中，成为现代通信中一种十分重要的调制解调方式。
是目前最常用的一种卫星数字信号调制方式,它具有较高的频谱利用率、较强的抗干扰性、在电路上实现也较为简单。
message_PSK=QPSK（message）;
这里QPSK是我们自定义的一个函数，通过这个函数，可以完成信号的QPSK调制，其仿真结果如下所示：
图4-2QPSK调制信号
为了对比OFDM的系统性能，利用系统的星座图进行性能分析是一种比较好的方法，这里我们利用MATLAB内部的一个函数来分析系统的星座图，scatterplot（message_PSK），我们可以得到如下的仿真结果：
图4-3系统星座图
4.2.3IFFT变换模块
IFFT是OFDM系统中的重要环节，通过IFFT变化，将信号的频率变换到时域上来，这里IFFT函数是自定义的函数。
message_IFFT=myIFFT（message_PSK,N/2）;
其仿真结果如下图所示：
图4-4IFFT变换仿真图
4.2.4发送端低通滤波器模块
为了使得到的信号尽可能的保持质量，我们必须保证发送出去的信号是接近理想的信号，即发送出去的信号没有毛刺，边带的平滑的，而且在信号的频域上没有高频分量。
所以我们必须将信号通过一个低通滤波器。
filter=rcosine（Fd,Fs,'sqrt',R,3）;
message_cos1_real=rcosflt（real（message_upsmp）,Fd,Fs,'filter/Fs',filter,1,3）;
message_cos1_imag=rcosflt（imag（message_upsmp）,Fd,Fs,'filter/Fs',filter,1,3）;
message_cos1=message_cos1_real+message_cos1_imag*j;
通过上面的代码我们将信号通过一个根升余弦滤波器。
从而完成信号的滤波，最后将信号发送出去。
图4-5通过发送端低通滤波器的信号
4.2.5接收端滤波器模块
在实际系统中，无论发送出去的信号多么完美，都会受到信道中噪声的影响，应此在OFDM系统的接收端，我们必须再加上一个低通滤波器，使接收到的信号更加的平滑。
filter=rcosine（Fd,Fs,'sqrt',R,3）;
message_cos2_real=rcosflt（real（message_awgn）,Fd,Fs,'filter/Fs',filter,1,3）;
message_cos2_imag=rcosflt（imag（message_awgn）,Fd,Fs,'filter/Fs',filter,1,3）;
message_cos2=message_cos2_real+message_cos2_imag*j;
这里代码的具体实现和发送端的低通滤波器相同，在这里就不做介绍了其仿真如下所示：
图4-6通过接收端低通滤波器的信号
4.2.6FFT变换模块
OFDM系统接收部分最重要的就是FFT变化了，即将信号的时域变回到信号的频域。
这里我们利用自定义的FFT函数对接收的信号进行FFT变化。
message_FFT=myFFT（message_downsmp,N/2）;
其仿真结论如下所示：
图4-7FFT变化仿真图
4.2.7QPSK解调和信号还原
最后对FFT变换后的信号进行QPSK解调，还原得到原始的发送信号。
这里QPSK解调的函数是自定义函数。
message_real=D_QPSK（message_FFT）;
scatterplot（message_FFT）;
其仿真结果如下所示：
图4-8QPSK解调后的信号以及信号眼图
其接收到的信号为1101-1001-1101-1010-0111-1011-1110-1010，说明信号的正确性。
4.3总结
本章，我们利用MATLAB在前面理论知识的指导下，基本实现了OFDM系统的基本过程，通过MATLAB的系统性能仿真，验证了我们系统总体方案的正确性。
为一步使用FPGA来实现OFDM系统奠定了基础。
第五章OFDM的FPGA实现
5.1FPGA简介
FPGA是近几年出现的新型可编程逻辑器件，它不仅具有很高的速度和可靠性，而且具有用户重复定义的逻辑功能，即具有可编程的特点。
它的出现不仅使数字电路系统的设计非常灵活，而且大大缩短了系统研制周期，缩小了数字电路系统的体积和所用芯片的种类。
当今社会是数字化的社会，是数字集成电路广泛应用的社会。
数字集成电路本身在不断地进行更新换代。
它由早期的电子管、晶体管、小中规模集成电路、发展到超大规模集成电路（VLSIC，几万门以上）以及许多具有特定功能的专用集成电路。
但是，随着微电子技术的发展，设计与制造集成电路的任务已不完全由半导体厂商来独立承担。
系统设计师们更愿意自己设计专用集成电路（ASIC）芯片，而且希望ASIC的设计周期尽可能短，最好是在实验室里就能设计出合适的ASIC芯片，并且立即投入实际应用之中，因而出现了现场可编程逻辑器件（FPLD），其中应用最广泛的当属现场可编程门阵列（FPGA）和复杂可编程逻辑器件（CPLD）。
早期的可编程逻辑器件只有可编程只读存贮器（PROM）、紫外线可删除只读存贮器（EPROM）和电可擦除只读存贮器（EEPROM）三种。
由于结构的限制，它们只能完成简单的数字逻辑功能。
其后，出现了一类结构上稍复杂的可编程芯片，即可编程逻辑器件（PLD），它能够完成各种数字逻辑功能。
典型的PLD由一个“与”门和一个“或”门阵列组成，而任意一个组合逻辑都可以用“与-或”表达式来描述，所以，PLD能以乘积、和的形式完成大量的组合逻辑功能。
这一阶段的产品主要有PAL（可编程阵列逻辑）和GAL（通用阵列逻辑）。
PAL由一个可编程的“与”平面和一个固定的“或”平面构成，或门的输出可以通过触发器有选择地被置为寄存状态。
PAL器件是现场可编程的，它的实现工艺有反熔丝技术、EPROM技术和EEPROM技术。
还有一类结构更为灵活的逻辑器件是可编程逻辑阵列（PLA），它也由一个“与”平面和一个“或”平面构成，但是这两个平面的连接关系是可编程的。
PLA器件既有现场可编程的，也有掩膜可编程的。
20世纪80年代中期。
Altera和Xilinx分别推出了类似于PAL结构的扩展型CPLD（ComplexProgrammab1eLogicDvice）和与标准门阵列类似的FPGA，它们都具有体系结构和逻辑单元灵活、集成度高以及适用范围宽等特点。
这两种器件兼容了PLD和通用门阵列的优点，可实现较大规模的电路，编程也很灵活。
与门阵列等其它ASIC（ApplicationSpecificIC）相比，它们又具有设计开发周期短、设计制造成本低、开发工具先进、标准产品无需测试、质量稳定以及可实时在线检验等优点，因此被广泛应用于产品的原型设计和产品生产（一般在10,000件以下）之中。
几乎所有应用门阵列、PLD和中小规模通用数字集成电路的场合均可应用FPGA和CPLD器件。
FPGA与CPLD都是可编程逻辑器件，它们是在PAL、GAL等逻辑器件的基础之上发展起来的。
同以往的PAL、GAL等相比较，FPGA/CPLD的规模比较大，它可以替代几十甚至几千块通用IC芯片。
表5-1：
各大FPGA产品
排名
公司
销售额（亿美金）
市场占有率
1
Altera
5.96
30.1
2
Xilinx
5.74
29.0
3
Vantis
2.20
11.1
4
Lattice
2.18
11.0
5
Actel
1.39
7.0
6
Luccent
0.85
4.3
7
Cypress
0.44
2.2
8
Atmel
0.42
2.1
9
Philips
0.28
1.4
10
Quicklogic
0.24
1.2
经过了十几年的发展，许多公司都开发出了多种可编程逻辑器件。
比较典型的就是Xilinx公司的FPGA器件系列和Altera公司的CPLD器件系列，它们开发较早，占用了较大的PLD市场。
通常来说，在欧洲用Xilinx的人多，在日本和亚太地区用ALTERA的人多，在美国则是平分秋色。
全球PLD/FPGA产品60%以上是由Altera和Xilinx提供的。
可以讲Altera和Xilinx共同决定了PLD技术的发展方向。
当然还有许多其它类型器件，如：
Lattice，Vantis，Actel，Quicklogic，Lucent等。
Altera公司生产的FLEX10K系列的FPGA，具有规模覆盖范围广、布线资源丰富、时间可预测性好的优点，在数字通信系统设计中得到了广泛的应用。
由于在信道编码中，没有过多存储器的要求，它只是需要很多的D触发器和一些常用的门电路，而FLEX10K芯片有一定的片内EAB资源，另外实现信道编码的时序控制逻辑不太复杂，大概需要2万门左右的资源就够了，再加上系统其它功能块也不过几万门。
考虑到方案的性价比以及将来的功能的增加，本方案的FPGA选用Cyclone芯片，实现了系统的单片设计，从而大大减小电路的复杂度和体积。
此外Altera公司的Cyclone系列的FPGA在通信行业具有广泛的应用，这是一款低成本的FPGA产品。
MaxPlusII是ALTERA公司较早的一款软件，它的界面非常的简单，是初学者比较容易接受的一款软件，但是Altera公司已经停止了对其的升级，所以MaxPlusII所支持的器件比较少，而且对于一些大型项目开发就不太适用了[21，22，23，24，25]。
图5-1MaxPlusII界面
QuartusII是ALTERA公司的新一代开发软件，它拥有两种界面，一种是QuartusII的界面，另一种是用有QuartusII全部功能的MaxPlusII界面，从而使原有的MaxplusII的用户更快的适应新的开发环境。
目前QuartusII最高版本好似QuartusII7.2。
相对于MaxPlusII，QuartusII支持更多的器件，而且也支持Altera最新的一些器件如Straix、StraixGX系列。
在本课题中，我们采用QuartusII开发软件，在功能上比MAXplusII更加强大，在本课题，我使用的是QuartusII7.2。
图5-2QUARTUSII7.2界面
文中，对于一些
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