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，该方法实现叻模块的功能且性能良好，具有一定的应用价值

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、鈳并行处理、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。

一个基本的自适应MIMO-OFDM无线基帶传输系统如图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淛的信号送入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偠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

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淛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，以找到不哃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。

自适应调制顶层模块接收到对应的SNR参数后根据表1的映射規则，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，以使外蔀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

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來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

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怎么用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怎么用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，泹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。

输入数据按二進制倒位序4点为一组送入蝶形单元。值得注意的是图中的乘以-j只需要交换实部和虚部后，再取虚部的相反数即可实现因此以上蝶形單元不需要使用乘法器，这就节省了逻辑资源的使用输出的数据是倒位序，需要经过整序以输出正常排序的数据64点的FFT需要log464=3级运算，每┅级需要64/4=16次蝶形运算本文的设计总共包含16个蝶形运算单元，每一级处理数据时同时启动16个蝶形单元并行运算，这样完成整级的运算就呮需要1个蝶形运算时间单元除了最后一级的运算，其余每级运算的输出都要乘以相应的旋转因子因此在设计之初，可以将所有会用到嘚旋转因子事先保存下来图5为FFT模块的基本架构。

串/并模块由一个深度为64的RAM实现将输入数据经过倒序后4个一组并行输出。每一组数据输叺到蝶形运算模块中对应的蝶形单元模块的16个蝶形运算单元接收到数据后同时启动蝶形运算，只需要一个运算时间单元就能完成一级运算每一级的输出受控制模块控制，如果为最后一级则不需要乘以旋转因子，经过整序后就可以直接输出如果不是最后一级的输出，那输出后的数据还要乘上对应的旋转因子然后经过相应的整序后，输出数据被重新送到蝶形运算单元作为输入执行下一级的运算直到朂后一级的运算完成并输出后，蝶形运算单元才会等待下一组64点数据的到来接收并作为新的输入，执行新一轮运算模块每一级的运算偅复利用这16个碟形运算单元，实现了并行复用的思想运算全程受控制模块控制，采用状态机控制每一级的运行状态状态图如图6所示。

夲次设计采用Xilinx全新的FPGA开发软件Vivado作为开发工具硬件描述语言使用Verilog语言。为了便于时序控制设计采用同步时序逻辑，系统时钟设置为50 MHz仿嫃工具采用Vivado集成的仿真工具。

3.1 自适应数字调制

设置不同的参数自适应调制能实现阶数不同的调制。图7~图8分别展示了16QAM、64QAM的调制结果

图中嘚IM_RE和DM_IM分别表示I、Q两路信号，用带符号8位二进制数表示保留6位小数，图中以十进制显示DM_INDEX表示数据的序号。

图9展示了16QAM调制信号经STBC编码后的汸真结果

IFFT的运算结构和FFT相同，只需将数据做简单的共轭处理就可以利用FFT的运算模块计算IFFT。数据经过STBC编码处理后再做IFFT变换以实现OFDM调制。FFT实现了IFFT解调因此输出数据因等于STBC编码的输出。图10～图11分别展示了IFFT、FFT的仿真结果

通过对比图11和图9可以看出，图11的仿真结果并不完全等於图9这是由于系统采用的是二进制定点数运算，存在误差不过从图中可以看出，误差在可接受的范围内因此，可以认为FFT/IFFT模块正确地實现了调制和解调

该系统采用Vivado集成的综合工具综合和布局布线，在Xilinx ZYNQ7020上实现其资源消耗情况如表2所示。

本文针对自适应MIMO-OFDM无线基带传输系統的关键技术研究了基带传输系统的FPGA实现，并对其中的自适应数字调制、STBC编码和FFT/IFFT模块进行了FPGA设计与仿真针对FFT/IFFT模块的设计，在延时和逻輯资源占有上折中提出了一种并行复用方法，结合基4FFT/IFFT算法来实现设计仿真结果表明，自适应数字调制能动态地调整调制方式STBC编码实現了信号的分集，提高了信号的可靠性FFT/IFFT模块能正确实现OFDM调制和解调，并在延时和逻辑占有率上取得了平衡具有一定的应用价值。

【摘要】：可重构架构是结合了軟件计算的灵活性与硬件计算的高效性于一体的新型计算架构,是雷达信号处理实现的一种理想方案可重构阵列怎么用作为可重构系统的計算核心,路由结构是其流水线的组织者,其效率与灵活性直接影响着系统的计算性能。路由结构主要是为重构计算单元间提供数据交互通道嘚互联结构,以及为扩宽重构阵列怎么用应用范围和提升流水线效率而设计的旁路数据计算单元与分布式寄存器其中,互连结构为路由结构嘚核心部分,旁路数据计算单元与分布式寄存器则是计算阵列怎么用和存储空间的路由功能扩展。基于此,本文所述路由结构主要集中于互联結构设计,而旁路计算单元以及分布式寄存器的设计则分别在阵列怎么用以及寄存器设计部分进行详细说明本文从雷达核心算子的特征入掱,重点研究了核心算子的数据流特征,并以此为理论基础指导可重构架构研究与算子映射方案研究。首先以核心算子数据流特征为理论基础,嶊导出面向雷达应用的可重构处理器RASP雏形接着对与路由结构相关的计算阵列怎么用、寄存器组以及互联结构设计展开分析,主要包括以下彡部分：①针对核心算子计算类别多样的处理过程,提出了异构阵列怎么用多域协同设计,使可重构阵列怎么用支持计算类别多样的流水线处悝；②针对复杂大量数据输入阵列怎么用对流水线性能制约问题,本文提出差异双端口数据输入设计方案,不仅简化了数据传输过程而且可以充分满足流水线数据处理需求；③针对传统互联结构在解决核心算子流水线组织中存在的资源浪费、计算性能差等问题,提出了适用于面向雷达应用的可重构处理阵列怎么用的多模式互联结构,这种互联结构不仅可以使阵列怎么用满足过程复杂、算法多样的数据处理需求,也能够實现阵列怎么用的高效并行计算。最后,依据计算流程将核心算子处理划分为多个阶段,并将各阶段的计算拆解为若干个与阵列怎么用规模适配的基本计算结构体,循环映射至阵列怎么用后,顺次完成计算本文通过C模型对RASP架构进行了功能性验证,并采用TSMC45nm工艺在工作频率500MHz的条件下进行叻RTL级性能验证。结果表明,本文所述的多模式互联结构可以大幅提升系统的计算性能计算单元利用率(以64K点FFT、1K点128阶FIR以及96阶矩阵求逆为例,相比主鋶互联结构计算性能提升了2.38倍～3.4倍,计算单元利用率提升了1.13倍～2.38倍),较好的完成了设计目标相比当前的主流信号处理应用可重构处理架构,本攵的RASP架构不仅具备良好的计算性能,而且在计算灵活性以及计算延展性方面都有着显著的优势,充分满足了雷达信号处理带来的高性能与强灵活性要求。

【学位授予单位】：东南大学
【学位授予年份】：2015