OFDM基带处理器芯片设计与FPGA实现正交频分复用（OFDM）是一种多载波宽带数字调制技术，作为当前非常热门的一种高速率的数字通信技术，它可以被看做是一种调制技术，也可以被当做一种复用技术。

由于OFDM在频谱利用率方面的优异表现，同时具有抗多径干扰和抗频率选择性衰落等优点，使得OFDM技术被4G和5G采用为核心技术，代表了未来无线通信的发展方向。

IEEE802.11a标准组也选用OFDM技术作为工作于5GHz频段的无线局域网（WLAN）的物理层接入方案。

现场可编程逻辑门阵列(FPGA)是一类拥有高集成度的可编程逻辑器件，由于其内部拥有丰富的功能模块和逻辑模块资源，所以可以由用户编程来实现所需逻辑功能的数字集成电路。

FPGA在实现OFDM接收系统时存在集成度高、稳定性高、体积小、功耗低和处理精度高的优点。

本文主要是通过对OFDM技术的了解，特别是对OFDM系统中FFT MegaCore的使用，从而达到对OFDM芯片设计有一定了解的目的，然后通过软件进行仿真验证，达到对OFDM技术及其实现有比较系统的认识，同时也学会通过Quartus及Synplify等软件完成对一个复杂硬件系统的设计及仿真验证，特别是掌握ip核的应用及复杂系统的设计思想。

1.1 移动通信的发展无线通信是指利用电磁波信号可以在自由空间中传播的特性进行信息交换的通信方式。

在信息通信领域中，应用最广、发展最快的是无线通信技术，在移动中进行无线电通信的实现被统称为移动通信，将它们放在一起称为无线移动通信。

如今是信息时代的通信技术的飞速发展，随着数字通信技术的融合和计算机技术和通信网络和计算机网络，信息科学与技术的飞速发展，已成为21世纪的经济和社会快速发展的强大动力。

通过广泛的交流和传播信息，来发挥其巨大的价值，推动社会成员之间的合作，以促进社会生产力的发展，创造了巨大的经济效益。

可以说移动通信技术从无线电通信发明的时候就产生了。

1897年，M·G·马可尼就是在固定站与一艘拖船之间来进行并且完成无线通信试验的。

现代的移动通信技术的发展开始于上世纪20年代，大致经历了五个发展阶段。

几十年前，谁也无法想象有一天每个人身上都有一部电话，被连接到这个世界。

如今，人们可以通过手机进行通讯，智能手机更如同一款可以随身携带的小型计算机，通过移动通讯网络实现无线网络接入后，可以方便的实现个人信息管理及查阅新闻、天气、交通、商品的信息、音乐图片下载、应用程序下载等。

在信息通信领域中，无线通信技术是发展最快且广泛应用的技术，其中蜂窝通信技术已在世界范围内广泛使用，其发展速度及业务需求远远超过了初始预测。

未来的无线通信技术将会向高速、超宽带、泛在化的方向发展，低速、窄带的网络会逐渐被宽带网络所取代，用户可以在任何时间、任何地点实现网络连接，同时数据的传输速率会越来越高，无论下载还是上传，用户都不需要过多的等待，就可以尽情享受无所不在的网络资源。

蜂窝移动通信从20世纪80年代出现以来，就获得了快速的发展，如图1 移动通信发展趋势。

其他代表性的还有卫星通信、宽带无线接入以及手机视频技术等，下面对这五代技术做简要介绍。

图1.1 移动通信发展趋势（1）第一代移动通信（1G）。

最早的移动通信电话采用的是模拟蜂窝通信技术和频分多址技术（FDMA），是最初模拟通信、仅限语音功能的蜂窝电话标准。

1G的一系列特点使得蜂窝状移动通信网成为了很实用的系统，并且在世界的各个区域得到了迅速发展。

然而，由于传输带宽是有限的，不能长距离漫游移动通信，是一个区域的移动通信系统。

最主要的问题是它的容量已经不能再满足移动用户日益增长的需求了。

（2）第二代移动通信（2G）。

2G的一般性定义是以数字语音传输技术为核心，不能直接传送如软件、电子邮件等信息，只有通话和一些通信技术规范的传送，如日期、时间；然而短消息（SMS）在某些2G的规范中可以被执行。

主要采用的是数码的时分多址(TDMA)技术和码分多址(CDMA)技术，与之对应的是全球主要有GSM和CDMA两种体制。

还有2.5G是从2G迈向3G的衔接性技术，WAP、EPOCH、SCSD、EDGE、蓝牙（Bluetooth）等技术都是2.5G技术。

2.5G 功能通常与GPRS技术有关，GPRS技术是在GSM的基础上的一种过渡技术。

GPRS的推出标志着人们在GSM的发展史上迈出了很重要的一步，GPRS为数据网络和移动用户之间提供一种连接，还给移动用户提供X.25分组数据接入服务和高速无线IP。

2.5G无线技术较于2G服务，可以提供更高的速率和更多的功能。

第二代移动通信采用了数字化，自此无线通信步入纯数字时代。

数字通信具有的优势是：频谱利用率高、保密性强、标准化程度高并且能提供丰富的业务，这使得数字通信得到了非比寻常的发展，跃升至领先地位。

（3）第三代移动通信（3G）。

3G是指支持高速数据传输的蜂窝通信技术。

与以模拟技术为代表的第一代和第二代移动通信技术相比，3G的带宽更宽，它的传输速度最低是384K，最高是2M，带宽可达5MHz以上。

不仅可以传输语音，还可以进行数据传输，来提供方便快速例如无线接入Internet的无线应用。

第三代移动通信的另一个重要的特征是能够实现宽带多媒体服务和进行高速数据的传输。

目前3G存在四种标准：CDMA2000，WCDMA，TD-SCDMA，WiMax。

3G 可以把基于互联网协议的服务和高速移动接入联合起来，使无线频率的利用效率得到提高。

它提供包含卫星的全球覆盖，并且还构建了无线和有线及不同无线网络间的连接。

第三代移动通信满足了多媒体业务的要求，从而为用户提供将无线通信与国际互联网等多媒体通信结合的新一代移动通信系统。

（4）第四代移动通信（4G）。

4G（4th Generation）是第四代移动通信标准，是集3G和WLAN于一体，能进行高质量视频图像的传输并且图像传输质量能和高清晰度电视相媲美的技术产品。

4G系统下载速度能够达到100Mbps，比拨号上网快了2000倍，上传速度也可达到20Mbps，3G手机50倍的速度，并能满足对无线服务大多数用户的需求。

除此之外，4G可以部署在没有DSL和电缆调制解调器覆盖的地方，再布置到其他区域。

显然，4G有其它的不可比拟的优势。

并能够传输高质量视频图像以及图像传输质量与高清晰度电视不相上下的技术产品。

4G系统的下载速度能够达到100Mbps，比拨号上网要快2000倍，也能以20Mbps的速度上传，是3G移动电话速率的50倍，并能够满足大多数用户对于无线网络的要求。

4G的主要标准有LTE-Advanced和TD-LTE-Advanced：LTE-Advanced也是最强大的4G移动通讯主导技术，它把3G的空中接入技术进行改进和增强，无线网络演进的标准是OFDM和MIMO，主要特点是可以提供较快的下行、上行峰值速率，使小区的容量得到了大大地提高，同时大大降低了网络延迟，也极大地提升了网络浏览速度。

总之，4G的优势有：通信速度快、网络频谱宽、通信灵活、智能性能高、兼容性好、通信质量高。

4G移动系统网络结构可以分成三层：物理网络层、中间环境层、应用网络层。

其中，物理网络层是提供接入和路由选择功能，这是由核心网和无线的格式组合完成的。

中间环境层的功能有QoS映像、完全性管理和地址变换等。

物理网络层、中间环境层及其应用环境间的接口是开放的，它使提供和发展新的服务及应用变得更加容易，提供无缝高数据速率的无线服务，并且运行于多个频带。

这种服务能自适应多模终端能力及多个无线标准，跨越多个服务和运营者，提供广泛的服务。

移动通信系统主要是以正交频分复用（OFDM）为技术核心。

OFDM 技术的特点是具有良好的抗多信道干扰能力和抗噪声性能，网络结构高度可扩展，能够提供比目前无线数据技术速率更高、时延更小的服务和更高的性能价格比。

我将在后面的章节中详细地介绍OFDM。

4G移动通信可以为加速增长的广带无线连接提供技术上的响应，对室内和室外的、专用的多种无线网络和系统保证给予服务。

移动通信将向高速化、宽带化、资料化、高频段化方向发展，移动IP、移动资料会成为以后移动网的主流。

（5）第五代移动通信（5G）。

5G应该是一个继第4代移动通信技术（4G）之后、面向2020年以后人类信息社会需求的新一代移动通信系统，它是一个通过技术演进和创新，能满足未来各种业务快速发展的需求，综合集成多技术多业务的融合网络，极大地提升用户体验而正在研发的新一代移动通信技术。

相对于传统的移动通信网络，面向2020年的5G应具有如下的基本特征：①全球移动数据流量将达到2010年的1000倍，5G的忙时吞吐量能力也要求提升1000倍，至少达到100Gb/s/km2以上；②未来的5G网络单位覆盖面积内支持的设备数目将大大增加，相对于目前的4G网络将增长100倍；③相对于4G网络的峰值速率，其峰值速率需要提升10 倍，即达到10Gb/s；④在绝大多数的条件下，用户可获得速率要达到10Mb/s，特殊用户需求达到100Mb/s；⑤要求进一步降低用户时延和控制时延，相对4G网络要缩短5～10倍；⑥要通过演进及频率倍增或压缩等创新技术的应用，来提升频率利用率，相对于4G网络需要5～10倍的提升；⑦要利用端到端的节能设计，使网络综合能耗效率提高1000倍。

总之，5G是面向2020年的新一代移动通信系统，学术界和产业界正在对其进行广泛探讨，尽管还没有形成统一的标准，但随着信息和网络技术的发展，5G的关键技术将获得实质性的突破，具有广阔的应用前景，会全面提升全球信息化程度和经济发展。

1.2 OFDM的发展与应用正交多频分工技术的概念早在1960年代中期就被提出来了，主要的观念是采用数个平行的资料传输串列，资料传输串列之间则采用分频多工（Frequency Division Multiplexing, FDM）将其多工起来，当时正交多频分工技术已经被采用于军方的无线高频通信系统。

1971年，Weinstein与Ebert首先采用离散傅里叶转换(DFT)作为调制和解调过程的一部分来应用于并行数据传输系统。

在上世纪80年代，OFDM开始被探讨应用在高速数位调制/解调行为通信与高密度资料存储技术，例如：采用格状码（COFDM），采用导航讯号增加载波与频率控制的稳定。

1980年,Hirosaki提出均衡算法来抑制由于信道脉冲响应或着是定时和频率误差所造成的码间和载波间的干扰，同时他还介绍了使用离散傅里叶为基础的方法来实O-QAM OFDM 系统。

到了上世纪90年代后期，很多通信应用中都能够见到OFDM。

目前OFDM 作为一种高效传输技术己被多种有线和无线接入标准采纳，包括IEEE802.lla、HIPERLAN/2、LTE(4G)、IEEE802.16系列标准等，且已经被广泛使用于现今各式无线通信系统，主要的应用包括: 非对称的数字用户环路(ADSL)、无线本地环路(WLL)、ETSI标准的音频广播(DAB)、数字视频广播(DVB)、高清晰度数字电视(HDTV)和无线局域网(WLAN)等。