ВВЕДЕНИЕ 3
ГЛАВА 1. OFDM-МОДУЛЯЦИЯ 5
1.1 ОРТОГОНАЛЬНЫЕ ФУНКЦИИ 6
1.2 МЕТОД OFDM-МОДУЛЯЦИИ 6
1.3 ПРЕИМУЩЕСТВА И НЕДОСТАТКИOFDM 8
1.4 МЕЖСИМВОЛЬНАЯ ИНТЕРФЕРЕНЦИЯ(181) 9
1.5. БЫСТРОЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ФУРЬЕ 10
1.6 ПРИНЦИП ПОСТРОЕНИЯ АЛГОРИТМОВ БПФ 10
1.7 АЛГОРИТМ БПФ С ПРОРЕЖИВАНИЕМ ПО ЧАСТОТЕ 12
1.8 ГРАФ АЛГОРИТМА БПФ С ПРОРЕЖИВАНИЕМ ПО ЧАСТОТЕ 15
1.9 ПОЛНЫЙ ГРАФ АЛГОРИТМА БПФ С ПРОРЕЖИВАНИЕМ ПО ЧАСТОТЕ .. 15
1.10 ПОЛНЫЙ ГРАФ АЛГОРИТМА БПФ С ПРОРЕЖИВАНИЕМ ПО ЧАСТОТЕ 18
ГЛАВА 2. АППАРАТНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ МОДЕМА 22
2.1 ВЫБОР АППАРАТНОЙ ПЛАТФОРМЫ ДЛЯ РЕАЛИЗАЦИИ МОДЕМА 22
2.2 ОТЛАДОЧНЫЙ КОМПЛЕКТDE0-CV 23
2.3 ХАРАКТЕРИСТИКИ ОТЛАДОЧНОЙ I Г1АГЫ1)Е0CV: 25
2.4 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА 26
2.5 ИНТЕРФЕЙСSPI 34
2.6 ПРИЁМОПЕРЕДАТЧИКUART 36
2.7 КАРОТАЖНЫЙ КАБЕЛЬ 37
2.8 ВЫВОДЫ 39
ГЛАВА 3. РЕАЛИЗАЦИЯ МОДЕМА НА ОСНОВЕ ПЛИС 40
3.1 СРЕДА РАЗРАБОТКИ QUARTUSII 40
3.2 ЛОГИЧЕСКИЙ АНАЛИЗАТОР SIGNAL TAPII 41
3.3 МЕГА-ФУНКЦИИ 42
3.4 СПЕЦИФИКАЦИЯ VERILOG HDL В СРЕДЕ РАЗРАБОТКЕ QUARTUSII ... 43
3.5 СИНТЕЗ СХЕМЫ МОДЕМА 44
3.6 ФОРМИРОВАНИЕ OFDM-СИГНАЛА 45
3.7 ПРИЕМНЫЙ БЛОК OFDM-СИГНАЛА 47
3.8 УПРАВЛЕНИЕ МИКРОСХЕМАМИ ЦАП И АЦП 51
3.9 ДЕКОДИРОВАНИЯ OFDM-СИГНАЛА 53
3.10 ПЕРЕДАЧА ДАННЫХ НА ПЕРСОНАЛЬНЫЙ КОМПЬЮТЕР 58
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 61
СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ 62
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 63
ПРИЛОЖЕНИЯ 66
ПРИЛОЖЕНИЕ А 66
ПРИЛОЖЕНИЕ Б 69
ПРИЛОЖЕНИЕ В 75
ПРИЛОЖЕНИЕ Г 82
OFDM (англ. Orthogonal Frequency-Demodulation Multiplexing) - это технология, использующая ортогональную частотную демодуляцию с мультиплексированием. Этот вид модуляции используется во многих современных высокоскоростных системах передачи информации, таких как LTE и WiMax.
Целью данной работы является разработка и реализация программируемого OFDM-модема для организации передачи данных в системах скважинного каротажа с возможностью адаптации к условиям работы.
Предполагается работа с узкополосными каналами связи, которые вносят значительные искажения в передаваемый OFDM-сигнал, поэтому в дальнейшем будет разработан алгоритм на основе результатов данной работы, для коррекции вносимых каналом связи потерь, то есть с легко подстраиваемыми параметрами модуляции, позволяющими подстраиваться под конкретную АЧХ выделенного канала связи.
Таким относительно узкополосным каналом в частности является каротажный кабель, используемый в работе скважинных приборов. Кроме того этот кабель является грузонесущим, и из-за большой длины и погонной емкости такой канал связи не обладает большой полосой пропускания.
Дополнительной мотивацией для данной работы является труднодоступность специализированных процессоров, выполняющих данный вид модуляции. Как правило, эти процессоры встроены в аппаратуру связи и отдельно в массовой продаже встречаются редко. Также эти процессоры работают с одной схемой распределения поднесущих, и количеством каналов определяемых конкретной задачей исходя из конкретных параметров среды распространения и выделенной полосы пропускания.
Для достижения поставленной цели требовалось решить следующие задачи:
• разработка и реализация макета OFDM-модема;
• реализация алгоритма БПФ на языке Verilog HDL;
• разработка программного генератора передаваемых сигналов;
• разработка и реализация протокола взаимодействия между приемником и передатчиком;
• опытная проверка работоспособности разработанного модема.
В ходе данной работы по реализации OFDM модема на ПЛИС были изучены основы разработки логических схем в ПЛИС, в частности, языка описания аппаратуры Verilog HDL, и решены следующие задачи:
• разработан и реализован макет модема для систем скважинного каротажа, выполняющий синтез, передачу, прием и обработку сигнала OFDM с пакетной структурой;
• на языке Verilog HDL реализовано БПФ с прореживанием по частоте на 16 точек, обеспечивающий высокое быстродействие (время выполнения менее 50нс);
• разработана схема синтеза OFDM-сигнала с ДФМ-модуляцией,
содержащего 8 поднесущих в диапазоне 7.4-29.6кГц, с длительностью кадра 135мкс;
• разработан и реализован алгоритм обнаружения сигнала с
использованием синхронизирующей стартовой последовательности, а также протокол физического уровня взаимодействия приемника и передатчика;
• продемонстрирована работоспособность разработанного модема,
путем тестовой передачи и декодирования OFDM-сигнала,
содержащего служебный пакет данных объемом 4 байта.
Данная работа послужит первым шагом в создании OFDM модема адаптирующегося к кабелю с недостаточной полосой пропускания на основе настраиваемого эквалайзинга для коррекции искажений сигнала вносимых каналом связи (позволяющего подстраиваться под конкретную АЧХ выделенного канала связи).
Список публикаций
1. А.С. Сафиуллин. Электрический драйвер цифрового сигнала. Сборник тезисов Итоговой научно-образовательной конференции студентов Казанского федерального университета (Казань, 2017 г.), Том 3, с. 231.
2. А.С. Сафиуллин. Реализация OFDM приемопередатчика для каротажного кабеля на основе ПЛИС. Сборник тезисов Итоговой научно-образовательной конференции студентов Казанского федерального университета (Казань, 2018 г.), в печати.
3. А.С. Сафиуллин. Реализация OFDM приемопередатчика для каротажного кабеля на основе ПЛИС. Сборник статей Итоговой научно-образовательной конференции студентов Казанского федерального университета (Казань, 2018 г.), в печати.
