4 系統(tǒng)調(diào)試與性能分析

　　采用OFDM技術(shù)的無(wú)線城域網(wǎng)通信系統(tǒng)是一個(gè)比較復(fù)雜的系統(tǒng)。利用Matlab仿真完成系統(tǒng)可行性論證后，需要考慮如何利用FPGA完成這個(gè)算法流程，這需要考慮采用特定FPGA進(jìn)行運(yùn)算時(shí)有限字長(zhǎng)以及浮點(diǎn)運(yùn)算的特點(diǎn)和系統(tǒng)所占用的FPGA資源，以保證系統(tǒng)的規(guī)模不至于過(guò)大而超過(guò)特定FPGA計(jì)算的存儲(chǔ)能力。經(jīng)過(guò)在硬件設(shè)備上的調(diào)試，最終完成采用OFDM技術(shù)的城域網(wǎng)無(wú)線通信系統(tǒng)。

　　通過(guò)仿真完成可行性論證后，在以Altera公司的EP1C6Q240C8芯片為基礎(chǔ)的FPGA硬件平臺(tái)上，實(shí)現(xiàn)了以QPSK為調(diào)制形式，以FFT/IFFT變換為主的OFDM技術(shù)的城域網(wǎng)無(wú)線通信系統(tǒng)。

　　4.1 IFFT模塊

　　發(fā)送端系統(tǒng)的主時(shí)鐘頻率設(shè)計(jì)為80MHz，整體采用同步時(shí)序邏輯。發(fā)送端M序列的產(chǎn)生速率設(shè)定為80Mbps。送往D/A的數(shù)據(jù)速率設(shè)定為500kHz。在數(shù)據(jù)接收模塊，數(shù)據(jù)收到后立刻存儲(chǔ)，占用時(shí)間即為PC發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)間。在QPSK、添零、導(dǎo)頻插入模塊，由于沒(méi)有中間存儲(chǔ)器，從RAM讀出數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)映射后就直接輸出，整個(gè)模塊需要256個(gè)時(shí)鐘周期。IFFT 模塊采用流水線結(jié)構(gòu)的算法，計(jì)算256點(diǎn) IFFT需要128×8個(gè)蝶型單元，合計(jì)需要40 960個(gè)時(shí)鐘，加上輸入輸出所占用的時(shí)間，總共約需要41 216個(gè)時(shí)鐘周期（中間有一些狀態(tài)的跳轉(zhuǎn)，合計(jì)512μs）。在數(shù)據(jù)輸出模塊，其輸入是 IFFT 模塊的輸出，它的輸出速率由 D/A控制。在FPGA中，OFDM調(diào)制器的邏輯單元的使用情況見(jiàn)表1，OFDM解調(diào)器的邏輯單元的使用情況見(jiàn)表2， IFFT的運(yùn)算結(jié)果見(jiàn)圖5。

　　在表1和表2中，調(diào)制器和解調(diào)器中所含有的引腳數(shù)過(guò)多，主要原因是在這些引腳中還含有很多用于調(diào)試和測(cè)量的引腳，在整個(gè)系統(tǒng)調(diào)試時(shí)，可以將調(diào)試和測(cè)量用的引腳去掉，只留有數(shù)據(jù)、地址和控制引腳。

　　在解調(diào)器中需要用到大量的存儲(chǔ)單元，但考慮到Cyclone系列的存儲(chǔ)單元有限，而邏輯單元豐富的情況，故在解調(diào)器中，在幾乎耗盡EAB單元時(shí)，用邏輯單元來(lái)構(gòu)造所需的存儲(chǔ)器，可以實(shí)現(xiàn)正常的存儲(chǔ)功能。［next］

　　在開(kāi)發(fā)工程中，主要用到的開(kāi)發(fā)工具由 Altera 公司的QuartusII 及Mathworks 公司的 Matlab。

　　驗(yàn)證過(guò)程如下：

　　·Matlab隨機(jī)生成一組128個(gè)復(fù)數(shù)，然后按照 OFDM 幀格式插入0得到256復(fù)數(shù)點(diǎn)的一個(gè)符號(hào)，并寫(xiě)入文件（如 datain.dat）；

　　在QuartusII中生成 IFFT 的仿真波形文件（ifft.vwf），另存為 ifft.tbl，并刪除其余信號(hào)，僅保留 I&Q（輸入數(shù)據(jù)，24bit）；

　　在UltraEdit中打開(kāi)ifftt.tbl、datain.dat，用datain.dat 中的隨機(jī)數(shù)代替ifft.tbl 中的 I&Q 數(shù)據(jù)，保存ifft.tbl；

　　在QuartusII中打開(kāi) ifft.tbl，將I&Q復(fù)制到 ifft.vwf 中，開(kāi)始運(yùn)行仿真；

　　·將仿真結(jié)果另存為dataout.tbl，用Matlab讀取與原數(shù)據(jù)在Matlab下的IFFT變換結(jié)果進(jìn)行比較分析。

　　給出一組隨機(jī)數(shù)據(jù)輸入，經(jīng)過(guò)FPGA中的IFFT模塊變換得到時(shí)域幅度如圖6（實(shí)部）、圖7（虛部）所示。

　　而將同樣的隨機(jī)數(shù)經(jīng)過(guò)MATLAB變換，得到的時(shí)域幅度如圖8（實(shí)部）、圖9（虛部）所示。

　　實(shí)際測(cè)量與仿真計(jì)算的方差分析如圖10（實(shí)部）、圖11（虛部）所示。兩者結(jié)果基本一致。

　　4.2 幀到達(dá)檢測(cè)同步模塊

　　對(duì)于幀到達(dá)檢測(cè)同步系統(tǒng)，要求盡可能在較短的時(shí)間內(nèi)建立同步，并且在幀同步建立后應(yīng)有較強(qiáng)的抗干擾能力。通常用漏同步概率P1、假同步概率P2和同步平均建立時(shí)間ts三個(gè)性能指標(biāo)來(lái)表示同步性能的優(yōu)劣。在本文的幀同步信號(hào)提取電路的建模與設(shè)計(jì)中，是以7位巴克碼識(shí)別器作為幀同步碼組的。在同步系統(tǒng)處于捕獲階段時(shí)，設(shè)置自動(dòng)判決門(mén)限為7；在幀同步建立以后，則把判決門(mén)限降為6，這樣做的目的一方面是減少假同步的概率，另一方面是為了減少漏同步的概率。

　　漏同步概率P1：

　　假設(shè)系統(tǒng)的誤碼率為P，7位碼全部正確的概率是（1-P）7，因此判決門(mén)限電平為7時(shí)的漏同步概率為P1=1-（1-P）7。若將判決門(mén)限改為6，此時(shí)允許有一位錯(cuò)碼，出現(xiàn)一位錯(cuò)碼的概率為C71P1（1-P）6。漏同步概率為P1=1-［（1-P）7+C71P1（1-P）6］。一般地，設(shè)幀同步碼組數(shù)目為n，判決器容幀同步碼組中最大的錯(cuò)碼數(shù)為m，則漏同步概率為：

　　從前面的幀同步系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可以了解到，識(shí)別器只能被動(dòng)地識(shí)別與幀同步碼組相同的碼組，如果在信息碼組中也出現(xiàn)了與幀同步碼組相同的碼組，這時(shí)識(shí)別器會(huì)把它誤認(rèn)為幀同步碼組而出現(xiàn)假同步。

　　比較式（1）和式（2）可以看出，當(dāng)m增大時(shí)，P1減小，P2增大，兩者是矛盾的，另外還可以看出，當(dāng)n增大時(shí)，P1增大，而P2減小，兩者也是矛盾的。因此m和n的選擇要兼顧P1和P2的要求。

　　平均同步建立時(shí)間ts：

　　假設(shè)漏同步和假同步都不發(fā)生，即P1＝0，P2＝0。在最壞的情況下，實(shí)現(xiàn)幀同步最多需要一幀的時(shí)間。若一幀的碼元為N，碼元寬度為T(mén)b，則最長(zhǎng)的幀時(shí)間為NTb。如果同時(shí)出現(xiàn)漏同步和假同步，需要額外的同步建立時(shí)間，由此得到幀同步平均建立時(shí)間為：

　　ts＝（1＋P1＋P2）×NTb

　　4.3 數(shù)據(jù)傳輸速率評(píng)價(jià)

　　經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)試，針對(duì)256點(diǎn)結(jié)合QPSK調(diào)制，每解調(diào)出一個(gè)符號(hào)平均所需要的指令周期為41 216個(gè)時(shí)鐘周期，即512μs。對(duì)此實(shí)際調(diào)試情況，分析其實(shí)測(cè)參數(shù)數(shù)據(jù)如下：

　　一個(gè)OFDM符號(hào)內(nèi)包含的比特?cái)?shù)為：1/2（卷積碼）×2bit（QPSK）×120（用戶子載波）+2bit（BPSK）×8（導(dǎo)頻子載波數(shù)）=136bit，則除去導(dǎo)頻開(kāi)銷(xiāo)，能夠用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)目罩袛?shù)據(jù)率為。

　　由此可見(jiàn)，實(shí)際測(cè)試的數(shù)據(jù)傳輸速率達(dá)到本系統(tǒng)要求（150kbps），表明此OFDM基帶處理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸性能充分滿足所制定的標(biāo)準(zhǔn)。

　　本文建立的基于FPGA的可實(shí)現(xiàn)流水化運(yùn)行的OFDM系統(tǒng)的硬件平臺(tái)，經(jīng)系統(tǒng)調(diào)試和性能評(píng)價(jià)，符合設(shè)計(jì)要求，該硬件平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)使得低成本高速OFDM調(diào)制設(shè)備的實(shí)現(xiàn)成為可能。