FFT/IFFT模块 - 无线系统中自适应数字调制、STBC编码和FFT/IFFT模块的FPGA实现方法

 

2.3 FFT/IFFT模块

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，但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。

输入数据按二进制倒位序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。因此以上蝶形单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，每一级需要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只需要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，可以将所有会用到的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。每一组数据输入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。直到最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。模块每一级的运算重复利用这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。

 

3 仿真测试

本次设计采用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。仿真工具采用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。

 

图中的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。

3.2 STBC编码

图9展示了16QAM调制信号经STBC编码后的仿真结果。

 

图中RE_OUT0、IM_OUT0和RE_OUT1、IM_OUT1分别表示经过STBC编码后的两路相互正交的信号，STBC_ORDER表示数据序号。

3.3 FFT/IFFT

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于图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模块正确地实现了调制和解调。

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。

 

4 结语

本文针对自适应MIMO-OFDM无线基带传输系统的关键技术，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，在延时和逻辑资源占有上折中，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编码实现了信号的分集，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。