基于FPGA的空域复用MIMO MC一CDMA系统设计

FPGA MC-CDMA 基带系统 移动通信

摘 要： MIMO技术、多载波技术与链路自适应技术是未来移动通信系统最值得关注的几种物理层技术。MIMO技术在提高系统频谱利用率方面性能卓越，多载波CDMA技术则能有效地对抗频率选择性衰落，将MIMO技术与MC-CDMA方案相结合，构成空域复用MC-CDMA系统，将在很大程度上提高系统的性能和容量,更有效地提高信息传输速率,完成基于FPGA的空域复用 MIMO MC一CDMA系统的基带信号处理平台的设计与实现的任务[1]。本文采用硬件仿真模型模拟MIMO信道的方法，实现了对系统的联合调试与功能验证，与软件仿真结果进行比较，性能良好。

　　1 MC-COMA调制解调的硬件实现

1.1 方案设计

根据MC-CDMA调制解调的基本原理，在本方案设计中将其调制过程划分为符号复制、频域扩频、载波调制三个功能模块，解调过程划分为载波解调、解扩和频域合并三个功能模块。考虑到代码的整齐和运算速度的要求，在设计中采用了流水线操作方式。

根据需求，本文设计方案的子载波数为32，扩频码由长度为32的OVSF码发生器产生，通过设置OVSF码发生器的参数，可以选择32种不同的码字中的一种进行扩频来区分不同用户的数据。各个模块之间的时序关系通过ens等控制信号实现，前端模块运算完成才触发后端模块，从而实现流水线操作。欲了解更多信息请登录电子发烧友网(http://www.elecfans.com)

MC-CDMA调制所有程序模块之间的关系和信号流程。其中MC-CDMA模块为顶层模块，第二行的三个函数为一级子模块，第三行的函数为二级模块。进入MC-CDMA调制器的数据符号首先经过N次复制，本文系统中N=32，Copy32子程序模块即用于实现多载波调制中的符号复制功能。复制之后的数据送入频域扩频模块sPreading，经由长度为32的OVsF码序列进行扩频处理后送入IFFT32运算模块实现频域到时域的变换，完成MC- CDMA调制。

1.2 频域扩频的实现

在扩频通信系统中，其原理都是使用扩频序列来扩展用户的原始信号。在接收端，为了恢复原始信号，使用与发射端一样的同步扩频序列与收到的信号进行相关。MC-CDMA就是利用扩频序列的互相关性进行多用户通信的，扩频序列在MC-CDMA系统中起着重要的作用。

1.3 FFT/IFFT的FPGA实现

本文中FFT/IFFT设计参考Altera公司FFTIP 核的数据手册[2]，通过对IP核进行实际测试可知，有效数据要延迟于START信号4个时钟周期输入。而在本系统中，来自前端模块的控制信号和有效数据是同步输入FFT/IFFT变换模块的，所以需要对输入数据寄存4个周期。输入数据缓冲模块用来对输入数据进行寄存。时序控制单元用于保证模块中的时序对齐。FFT/IFFT运算单元是基于Altera公司的Altera Megacore IP核实现的。FFT/IFFT IP核的各个主要参数设置如表1所示。变换长度为32，采用并行流水线FO结构，为了节省slices资源的消耗，最大限度地选择使用片内的块RAM资源。表1给出了综合得到的FFTIFFT模块的资源消耗情况，从综合报告中可知，其最大执行速度可以达到268 MHz。

2 系统综述

2.1 系统验证方案

基于以上所提出的2发3收MIMOMC-CDMA基带系统发射机和接收机的设计方法，分别实现发射机和接收机的RTL代码编写工作并进行功能验证之后，将发射机与接收机进行了联合凋试，验证了本文设计实现的2发3收MIMOMC-CDMA基带系统的基本功能。

2发3收MIMO系统的信道处理过程类似于硬件仿真MIMO信道模块，来自发射机2个发射端的信号xl，x2与信道矩阵相作用之后加入高斯白噪声，得到3个数据：r1、r2、r3，送往接收机的3个接收天线端。接收机检测算法是在假设2发3收MIMO信道矩阵的6个参数h11～h33己经被正确估计出来的基础上进行的。系统联合调试中的信道参数来自32个子载波的2发3收MIMOMC-CDMA的MATLAB仿真系统，首先得到仿真信道在每个载波上的参数，此时的信道参数为复数浮点数据;之后在MATLAB环境中编写一个将任意复数转化为可设定点结构与位宽的十六进制数据的程序，将这些复数信道参数转化为Verilog编码能够识别的十六进制数，本文实现中将这些信道参数转化为位宽为16的十六进制数，其中实部、虚部分别以高8位和低8位表示。在这8位中，1位为符号位，另外7位为预设的信道参数的值，其中2位为整数位，5位为小数位。

2.2 系统时钟管理单元设计实现

为了满足同步时序设计的要求，一般在FPGA设计中采用全局时钟资源驭动设计的主时钟，以达到最低的时钟抖动和延迟，本文中时钟管理单元的实现亦遵从这一原则。本文设计的系统时钟产生结构模块共使用3个Altera公司的OCMIP核来产生品振时钟的6种分频，输入时钟在第一个DCMIP核模块中经