使用萊迪思iFFT和FIR IP的5G OFDM調制用例

摘要

本文介紹了一種在FPGA中實(shí)現的增強型正交頻分復用（OFDM）調制器設計，它使用了逆FFT模式的萊迪思快速傅立葉變換（FFT）Compiler IP核和萊迪思有限脈沖響應（FIR）濾波器IP核。該設計解決了在沒(méi)有主控制器的情況下生成復雜測試模式的常見(jiàn)難題，大大提高了無(wú)線(xiàn)鏈路測試的效率。

通過(guò)直接測試模擬前端的JESD204B鏈路，OFDM調制器擺脫了對主機控制器的依賴(lài)，簡(jiǎn)化了初始調試過(guò)程。該設計可直接在萊迪思FPGA核中實(shí)現，從而節省成本并縮短開(kāi)發(fā)周期。

該調制器的有效性驗證中使用了Avant-X70 Versa評估板，通過(guò)萊迪思JESD204B IP接口鏈路，與亞德諾半導體（ADI）的5G射頻前端評估板ADRV9029進(jìn)行了互操作性測試。

總之，本文介紹了一種集成了萊迪思FIR和iFFT IP核的新型OFDM調制器設計，簡(jiǎn)化了無(wú)線(xiàn)鏈路驗證，降低了成本，縮短了開(kāi)發(fā)時(shí)間。

1、引言

正交頻分復用（OFDM）是許多無(wú)線(xiàn)和有線(xiàn)通信系統，特別是5G和Wi-Fi 4/5/6/7標準中使用的一項關(guān)鍵技術(shù)。OFDM以其頻譜效率高、抗信道衰落的穩健性和靈活性而著(zhù)稱(chēng)。

本文介紹了一種增強型解決方案來(lái)解決這些系統中遇到的一個(gè)常見(jiàn)問(wèn)題：對復雜測試模式的需求，而這些模式在沒(méi)有主控制器的情況下很難生成。本文介紹了OFDM調制器的設計和實(shí)現。這種功能對無(wú)線(xiàn)鏈路測試特別有用。?該設計通過(guò)集成萊迪思FPGA優(yōu)化的快速傅里葉變換（FFT）Compiler IP核（逆FFT模式）和有限脈沖響應（FIR）濾波器IP核實(shí)現開(kāi)發(fā)。這一方案替代了此前采用HDL Coder生成FIR濾波器和逆FFT模塊的方法，但后者仍不失為一種有效且可靠的解決方案。

萊迪思FFT Compiler IP核提供正向和逆向FFT模式，可配置FFT點(diǎn)數及實(shí)現模式，確保信號處理的靈活性和效率。在本設計中，使用了逆向模式FFT Compiler IP核（iFFT）。萊迪思FIR濾波器IP核使用萊迪思器件中的高性能數字信號處理（DSP）模塊來(lái)實(shí)現。它提供可配置的輸入數據、系數和輸出數據寬度，支持各類(lèi)廣泛的應用。

本文還討論了在無(wú)線(xiàn)鏈路初始啟動(dòng)過(guò)程中遇到的一個(gè)常見(jiàn)問(wèn)題：缺少主控制器而無(wú)法將OFDM模式輸入FPGA。如果要使用主機提供OFDM模式，就必須在FPGA和主機之間建立匹配的接口，如PCIe，并在無(wú)線(xiàn)鏈路測試開(kāi)始前提供執行測試所需的主機軟件。這一過(guò)程不僅耗時(shí)長(cháng)、效率低，而且在出現問(wèn)題時(shí)調試難度大。

為了進(jìn)一步強化測試過(guò)程，本文使用萊迪思AvantTM-X70 Versa板通過(guò)JESD204B IP鏈路，展示了與ADI 5G射頻前端ADRV9029評估板的互操作性。ADRV9029是專(zhuān)為5G應用設計的四通道寬帶射頻收發(fā)器。該設置展示了調制器生成OFDM模式和驗證無(wú)線(xiàn)鏈路的能力，無(wú)需依賴(lài)主機，顯著(zhù)提高了測試的效率。

憑借集成了萊迪思FIR和iFFT IP核的OFDM調制器，我們現在可以更有效、更高效地驗證FPGA無(wú)線(xiàn)鏈路。

2、使用FIR和iFFT IP的OFDM調制器設計

2.1.  設計細節

OFDM調制器設計利用了各種設計技術(shù)、工具和萊迪思IP核，包括MATLAB?、iFFT、FIR和手動(dòng)編碼RTL。圖1顯示了OFDM調制器設計數據路徑的高層級框圖。采用FIR的OFDM調制器發(fā)送鏈彰顯了該調制方案在5G通信系統中的優(yōu)勢。

圖1.調制器設計框圖

圖1中不同的顏色區分了不同的實(shí)現方法：

深灰色 ：MATLAB生成的符號輸入FPGA ROM

黃色 ：使用萊迪思IP核實(shí)現的模塊

淺灰色 ：使用手動(dòng)編碼的Verilog實(shí)現的模塊

藍色 ：使用頻譜分析儀繪制頻譜圖以進(jìn)行驗證

2.2.   OFDM模式生成

OFDM模式發(fā)生器不斷重復并輸出相同的OFDM符號及其循環(huán)前綴。一組隨機調制符號在MATLAB中預先生成、處理并存儲在FPGA ROM中。ROM內容被讀入后續模塊，包括iFFT IP、循環(huán)前綴模塊和FIR IP，形成OFDM模式，并生成IQ數據饋送至射頻前端。下表顯示了設計中使用的OFDM模式系統參數。

表1. OFDM模式系統參數

2.3.  獨特功能和優(yōu)勢

• 集成式設計：用戶(hù)可以直接在FPGA核中實(shí)現這一設計，無(wú)需借助外部設備。

• 成本和時(shí)間效率：這種設計減少了購買(mǎi)或借用外部設備以及建立復雜測試系統所需的成本和時(shí)間。

• 全面驗證：開(kāi)發(fā)者可通過(guò)FPGA中的JESD204B IP核建立連接，并在開(kāi)發(fā)套件上完成從功能仿真到硬件驗證的全流程測試。

2.4.   設計過(guò)程

本節討論OFDM調制器的設計過(guò)程，從MATLAB模型的實(shí)現到萊迪思FPGA的實(shí)現。

2.4.1.  開(kāi)發(fā)流程

基于萊迪思FPGA的OFDM調制器設計流程，始于在MATLAB中實(shí)現初始模型。此階段需根據需求參數完成調制器建模。并通過(guò)功率譜密度（PSD）圖驗證調制器輸出。生成的調制符號與sinc濾波器系數隨后被移植至萊迪思Avant? FPGA平臺。選擇Avant FPGA的關(guān)鍵在于其硬核DSP模塊與嵌入式存儲器的理想組合，能夠平衡處理能力與存儲容量。這些組件被集成至ROM IP核與FIR IP核中，確保無(wú)縫數據處理。此外，其他關(guān)鍵FPGA IP（如iFFT模塊）需根據調制符號生成時(shí)所用的FFT點(diǎn)數進(jìn)行配置。

隨后，這些IP核將與手寫(xiě)RTL模塊（包括循環(huán)前綴模塊）整合，構建完整設計。為確保設計的功能正確，需在QuestaSim?萊迪思版中進(jìn)行RTL級仿真，并將仿真結果與MATLAB仿真數據細致比對以驗證其準確性。

最終階段需將設計部署至萊迪思FPGA開(kāi)發(fā)套件。在此環(huán)節，硬件輸出結果需與RTL仿真數據嚴格比對。若驗證過(guò)程中發(fā)現偏差，需啟動(dòng)全面調試并回溯前期階段實(shí)施修正，從而確保OFDM調制器設計達到穩健可靠的目標（參見(jiàn)圖2）。

圖2. 調制器設計開(kāi)發(fā)流程

2.4.2.   FPGA設計模塊

本節將討論FPGA中用于實(shí)現OFDM調制器的模塊。

2.4.2.1.   ROM

MATLAB生成的OFDM調制符號在轉換為定點(diǎn)格式之前被分成實(shí)部和虛部。然后將這些定點(diǎn)值轉換為十六進(jìn)制（HEX）格式，并存儲在FPGA ROM中。在用戶(hù)模式下，ROM內容被輸入IFFT IP。圖3顯示了本設計中使用的萊迪思ROM IP配置示例。

圖3. 用于存儲調制符號實(shí)部的ROM IP配置

2.4.2.2.    IFFT

在使用OFDM作為多載波調制技術(shù)的發(fā)射機中，OFDM符號的構建過(guò)程如下：首先在頻域將輸入位映射到64QAM調制符號的I路和Q路分量上，隨后根據OFDM符號中子載波的數量，將這些調制符號按特定長(cháng)度（即iFFT點(diǎn)數）進(jìn)行排序。通過(guò)這種映射和排序操作，即可構建出OFDM符號的頻域分量。為了傳輸這些信號，必須將其轉換到時(shí)域進(jìn)行表示。這一轉換過(guò)程是通過(guò)快速傅里葉逆變換（iFFT）來(lái)實(shí)現的。

在該調制器設計中，每個(gè)64QAM符號被映射到一個(gè)頻率子載波，并使用萊迪思FFT Compiler IP在逆模式下轉換到時(shí)域。圖4顯示了本設計中使用的萊迪思FFT Compiler IP的配置示例。

圖4. 逆模式FFT Compiler的配置IP

2.4.3.   循環(huán)前綴

循環(huán)前綴是提高數據傳輸可靠性和效率的基本要素。在本設計中，OFDM符號的最后64個(gè)采樣在同一符號的開(kāi)始處重復。這種有助于減少信號傳輸過(guò)程中的符號間干擾（ISI）。iFFT的輸出進(jìn)入手寫(xiě)編碼的循環(huán)前綴塊。

2.4.4.    FIR Compiler IP

數據通路中的最后一個(gè)模塊是濾波器。該濾波器作用于時(shí)域OFDM符號，旨在抑制子帶信號的帶外輻射，同時(shí)保持OFDM符號的復域正交特性。為實(shí)現這一目標，FIR濾波器需滿(mǎn)足以下標準：

• ?在子帶內子載波上保持通帶平坦性

• ?陡峭的過(guò)渡帶設計以最小化保護帶需求?

• 具備充分的阻帶衰減性能

具有矩形頻率響應（即sinc脈沖響應）的濾波器可滿(mǎn)足上述標準。為實(shí)現因果性，需通過(guò)加窗方式實(shí)現該低通濾波器——具體而言，窗函數會(huì )對脈沖響應進(jìn)行有效截斷，并在其兩端提供平滑過(guò)渡至零的衰減特性。

圖5顯示了頻域中5個(gè)相鄰子載波的示例圖，幅度歸一化為1，頻率間隔為1。所示的子載波具有正交性。每個(gè)子載波在頻域中表示為sinc函數。

圖5. 相鄰和正交子載波示例圖

在采用FIR濾波器的OFDM系統中，子帶OFDM信號會(huì )通過(guò)設計好的FIR濾波器進(jìn)行處理。由于濾波器的通帶與信號帶寬相匹配，只有靠近頻帶邊緣的少量子載波會(huì )受到顯著(zhù)影響。一個(gè)關(guān)鍵設計要點(diǎn)是，允許濾波器長(cháng)度超過(guò)OFDM的循環(huán)前綴長(cháng)度。通過(guò)采用加窗技術(shù)（結合軟截斷）的FIR濾波器設計，產(chǎn)生的符號間干擾被降至最低水平。

本設計中，首先使用MATLAB生成具有513個(gè)抽頭系數的sinc函數，隨后將這些參數導入FIR Compiler IP核。圖6展示了本設計采用的萊迪思FIR Compiler IP核配置示例。

圖6. FIR COMPILER IP配置

3、實(shí)現

OFDM調制器設計是使用Avant-X70 Versa板在A(yíng)vant-X70器件中實(shí)現。OFDM調制器與JESD204B鏈路層和物理層連接，向射頻前端ADRV9029發(fā)送數據?？偣灿?個(gè)JESD204B通道，每個(gè)通道的速度最高可達6.144Gbps。OFDM調制器和JESD204B IP在A(yíng)DRV9029評估板上生成的153.6 MHz時(shí)鐘上運行，見(jiàn)圖 7。

圖7. 互操作性測試設置框圖：AVANT JESD204B和ADRV9029

3.1.  使用的軟件和硬件

本設計使用的軟件和硬件如下：

軟件：

萊迪思Radiant?軟件

 tinySA?-App

MATLAB

硬件：

 萊迪思Avant-X70（LAV-AT-X70-2LFG1156C）

萊迪思Avant-X70 Versa開(kāi)發(fā)板

ADRV9029評估板

tinySA Ultra頻譜分析儀

圖8. AVANT-X70 VERSA開(kāi)發(fā)板正面

3.2.  設計驗證

Avant-X70 Versa板與ADRV9029評估板通過(guò)JESD204B連接，通過(guò)硬件上的互操作性測試，對該設計進(jìn)行了驗證。這一全面的驗證過(guò)程確保了設計實(shí)現的穩健性和可靠性。以下章節介紹了所使用的測試方法。

3.2.1.  互操作測試

Avant-X70 Versa開(kāi)發(fā)板通過(guò)板上的FMC連接到ADRV9029評估板。

使用SMA線(xiàn)將ADRV9029輸出的射頻信號連接到頻譜分析儀，以采集PSD圖。

將該圖的帶寬與理論值進(jìn)行比較，以確保正確實(shí)現。

4、結果和討論

4.1.  AVANT-X70 VERSA開(kāi)發(fā)板硬件測試

ADRV9029評估板輸出的射頻信號連接到頻譜分析儀，以采集PSD圖。PSD 的帶寬使用標記進(jìn)行測量。圖9顯示了其中一個(gè)射頻信號輸出的PSD圖。

圖9. 頻譜分析儀上的PSD頻譜圖

從硬件測試結果中得出的主要結論如下：

PSD圖呈矩形

測得的帶寬 = 1052MHz - 947MHz = 105MHz

4.2.    MATLAB仿真

MATLAB模型輸出的OFDM調制器PSD圖與頻譜分析儀捕獲的PSD頻譜進(jìn)行了比較。結果表明，MATLAB模型和硬件測試結果的PSD圖的形狀和帶寬都相匹配。

圖10. MATLAB模型輸出的OFDM PSD圖

4.3.   對結果的分析和解釋

在表1所述的OFDM模式系統參數下，頻譜分析儀捕捉到的PSD頻譜帶寬的預期理論計算如下：

OFDM帶寬= 數據子載波數 x 子載波間距 x 過(guò)采樣

= 700 X 15K x 10

= 105 MHz

PSD頻譜的預期帶寬為105 MHz，與MATLAB仿真和頻譜分析儀繪圖得出的帶寬值相符。

5、結論

5.1.  研究及結果概述

本文提出了一種基于萊迪思FFT Compiler IP核、FIR Filter IP核與手動(dòng)編寫(xiě)RTL代碼協(xié)同設計的OFDM調制器實(shí)現方案。Avant-X70 Versa開(kāi)發(fā)板及ADRV9029評估板通過(guò)JESD204B接口進(jìn)行互操作性測試，實(shí)測結果表明該設計具有高可靠性與穩定性?。此外理論值和頻譜分析儀采集的PSD頻譜帶寬結果相吻合，有效驗證了設計的功能完整性?。

5.2.   未來(lái)研究建議

今后的研究可側重于以下領(lǐng)域：

OFDM解調器的開(kāi)發(fā)：解調器將完成環(huán)回數據路徑，在此可恢復接收到的OFDM符號，并與發(fā)送的符號進(jìn)行核對。

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