基于FPGA的OFDM调制器设计

今天介绍的是使用FPGA做OFDM的调制。

首先是OFDM调制的原理图，输入数据在输入系统后首先会经过扰码环节，在数字通信中数据中长连的“0”或“1”序列会对接收机的位同步产生重要影响，通过对要发送的数据进行扰码操作，可以解决其对接收机同步的影响。扰码器的实质是一个反馈的移位寄存器，输出结果是一个m序列，将输出的m序列域输入的数据进行异或运算，从而将输入的数据搅乱。

扰码模块根据使用的生成多项式完成对输入数据的扰码操作。这里使用的扰码器是通过一个7位的反馈移位寄存器来实现的，使用的扰码器生成多项式为：

上图为扰码器的硬件实现结构图，该扰码器输出序列的周期为127，首先将扰码器的初始值设置为1011101，每来一个时钟周期将扰码器的值右移一位，同时将第七位和第四位进行异或运算，将异或的结果作为最低位的值。同时也将得到的结果和输入的数据分别进行异或运算，从而实现对输入数据的扰码操作。

扰码器程序如下所示：

s_start为启动信号，s_coder为7位移位寄存器，s_yz为第七位和第四位异或后的结果，当时在程序中因为顺序问题我写的是s_coder[0]和s_coder[3]。s_out为移位寄存器s_coder[0]的输出，data_in为输入数据，data_out为输入数据data_in与移位寄存器输出s_out异或运算的结果，即为扰码后的输出。

这里因为我没做解调所以省去了信道编码部分，在需要添加冗余的部分我才用补零来进行补充。

对于64QAM调制，如下图所示为64QAM调制原理图

这里的2到8电平转换即为星座映射（8电平为-1，-3，-5，-7,1,3,5,7）。

对于64QAM的星座图，星座图中每一个点都由6bit数据表示，所以在程序中每6bit数据映射一次，下图为verilog仿真图。

s_start为起始信号，data_in为扰码之后的输入64QAM调制的信号data_index为存储输入的6bit数据，cnt为计数器，data_index每输入一个数据cnt自加一次；index为计算6bit数据后对应的映射状态，data_i和data_q为根据(index)的映射结果I/Q信号。这里我是根据状态机来写的，index为6bit信号的计算结果，然后根据index的大小来描写状态机进行映射。最后将data_i和data_q的结果存储到fifo中，即图中的data_fifo_in。

在FPGA上已经完成了星座映射后将I、Q信号送入fifo中存储，然后通过RAM地址进行加冗余以及添加导频，从而将一个OFDM符号中星座映射后的48个数据增加至128个数据，数据都写入RAM，然后通过地址读取RAM中的数据送入IFFT变换的输入端口，以及正常输出，在FPGA上实现频域至时域的转换。

下图中data_i和data_q为星座映射后得到I、Q数据，data_fifo_in为写入fifo的数据，由图二可以看出，data_fifo_in的前八位为data_i，data_fifo_in的后八位为data_q。

下图便是将数据写入RAM，并通过地址读写增加冗余以及插入导频。rd_en为读取fifo数据使能，data_fifo_out为读取的fifo数据。ram_en为RAM使能，ram_wea为高电平时向RAM中写入数据，ram_wea为低电平时向RAM中读取数据，ram_addr为写入/读取数据的地址。data_ram_in为写入ram中的数据，增加的冗余为前38个写入的数据为0以及后37个写入数据为0。中间插入四个导频。

在前38个写入数据0后便开始写入fifo中的数据，在地址为37时（0~37）打开fifo的读使能(rd_en)，此时将fifo输出端(data_fifo_out)数据赋值给RAM写入端(data_ram_in)。图中的ram_addr为43时写入的数据为导频符号，在这里导频符号我是通过类似于m序列的扰码器来进行产生的。

导频的产生：

需要插入的4个导频符号分别为1,1,1，-1。OFDM数据中插入的导频符号并不都是一样的，需要根据公式对插入的导频符号的极性进行改变，这里我用的改变导频符号极性的公式为s(x)=x7+x4+1。

公式的实质是一个扰码器，首先将扰码器的初始状态设置为1111111，根据扰码器的输出结果对导频符号的极性进行修改，若扰码器的输出结果为0，则导频符号的极性不变，若扰码器的输出结果为1，则对导频符号的极性进行修改，修改规则为1 -> -1,-1 -> 1。

图七为导频产生数据波形图，其中data_m为扰码器序列，初始状态为1111111，每当需要插入导频时m_start便会使能置1，根据m_start可以看出图中一个OFDM符号中共插入四个导频。p寄存器中便是存放的四个原始导频数据，01表示导频1，11表示导频-1。data_m_out便是最终插入OFDM符号的导频数据，即写入ram中的导频数据。

ifft变换：

在数据都在RAM中存好之后便是将ram中的数据送入IFFT变换的输入端口，此时将ram的ena使能端置为高电平ram的wea置为低电平，开始读取ram中的数据。如下图所示，ram的ena为高，ram的wea为低，ram数据输出端为douta开始输出数据。

这里OFDM一次传输128个数据，在星座映射后为48个数据，插入四个导频后为52个数据，这里选择通过补零来添加冗余，如下图所示。

在上图中，ifft_s_data_tdata为ifft变换的输入端口，ifft_s_data_tvalid为输入使能，ifft_s_data_tvalid为高时输入ifft_s_data_tdata的数据才有效。