基于高速傳輸技術(shù)的OFDM系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要 結(jié)合軟件無(wú)線電的思想，提出了一種基于高速傳輸技術(shù)的OFDM系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，包括硬件構(gòu)成和系統(tǒng)設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)；構(gòu)建了一個(gè)通用硬件平臺(tái)，在該平臺(tái)上可實(shí)現(xiàn)高速多載波和常規(guī)單載波調(diào)制解調(diào)。
關(guān)鍵詞 正交頻分復(fù)用(OFDM) DSP FPGA DDS DDC

引言

    軟件無(wú)線電（Software Radios）是一種新的無(wú)線電通信的體系結(jié)構(gòu)。具體來(lái)說(shuō)，軟件無(wú)線電是以可編程的DSP或CPU為中心，將模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化的硬件單元用總線方式連接起來(lái)，構(gòu)成通用的硬件平臺(tái)，并通過(guò)軟件加載來(lái)實(shí)現(xiàn)各種無(wú)線通信功能的開(kāi)放式體系結(jié)構(gòu)。

    隨著通信的發(fā)展，高速傳輸技術(shù)引起廣泛的研究和注意。到目前為止，無(wú)線傳輸?shù)乃俾适芟抻谟布l件。要實(shí)現(xiàn)高速傳輸，就必須結(jié)合各種芯片的特點(diǎn)，使硬件平臺(tái)具有簡(jiǎn)單、通用的特點(diǎn)，因此需要開(kāi)發(fā)一個(gè)通用平臺(tái)。

    DSP在控制和信號(hào)處理方面有優(yōu)勢(shì)，基帶信號(hào)的調(diào)制、解調(diào)及FFT/IFFT等運(yùn)算可以由DSP實(shí)現(xiàn)，但是在實(shí)時(shí)處理方面受到現(xiàn)有DSP處理速度和能力的制約。對(duì)于信號(hào)突發(fā)檢測(cè)這種運(yùn)算量大的處理，尤其是在高速傳輸時(shí)，通常要使用FPGA。FPGA特有的流水線設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)可以使前后級(jí)在時(shí)間上并發(fā)，達(dá)到高效、高速。為了減小DSP在信號(hào)處理上的壓力，同時(shí)滿足高速要求，采用專用數(shù)字變頻芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)字上下變頻。

    為了和軟件無(wú)線電的思想統(tǒng)一，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)考慮兼容單載波調(diào)制解調(diào)方式，采用DSP、FPGA、上下變頻器的方案，不使用專用調(diào)制解調(diào)芯片。

1 OFDM原理和基帶信號(hào)模型

    正交頻分復(fù)用[1]OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplex)是一種多載波調(diào)制方式，通過(guò)減小和消除碼間串?dāng)_的影響來(lái)克服信道的頻率選擇性衰落。它的基本原理是將信號(hào)分割為N個(gè)子信號(hào)，然后用N個(gè)子信號(hào)分別調(diào)制N個(gè)相互正交的子載波。由于子載波的頻譜相互重疊，因而可以得到較高的頻譜效率。近幾年OFDM在無(wú)線通信領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

    當(dāng)調(diào)制信號(hào)通過(guò)無(wú)線信道到達(dá)接收端時(shí)，由于信道多徑效應(yīng)帶來(lái)的碼間串?dāng)_的作用，子載波之間不再保持良好的正交狀態(tài)，因而發(fā)送前需要在碼元間插入保護(hù)間隔。如果保護(hù)間隔大于最大時(shí)延擴(kuò)展，則所有時(shí)延小于保護(hù)間隔的多徑信號(hào)將不會(huì)延伸到下一個(gè)碼元期間，從而有效地消除了碼間串?dāng)_。當(dāng)采用單載波調(diào)制時(shí)，為減小ISI的影響，需要采用多級(jí)均衡器，這會(huì)遇到收斂和復(fù)雜性高等問(wèn)題。

    圖1是OFDM基帶信號(hào)處理原理圖。其中，圖1（a）是發(fā)射機(jī)工作原理，圖1（b）是接收機(jī)工作原理。

圖1 OFDM基帶信號(hào)處理原理圖

    在發(fā)射端，首先對(duì)比特流進(jìn)行QAM或QPSK調(diào)制，然后依次經(jīng)過(guò)串并變換和IFFT變換，再將并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為串行數(shù)據(jù)，加上保護(hù)間隔（又稱“循環(huán)前綴”），形成OFDM碼元。在組幀時(shí)，須加入同步序列和信道估計(jì)序列，以便接收端進(jìn)行突發(fā)檢測(cè)、同步和信道估計(jì)，最后輸出正交的基帶信號(hào)。

    當(dāng)接收機(jī)檢測(cè)到信號(hào)到達(dá)時(shí)，首先進(jìn)行同步和信道估計(jì)。當(dāng)完成時(shí)間同步、小數(shù)倍頻偏估計(jì)和糾正后，經(jīng)過(guò)FFT變換，進(jìn)行整數(shù)倍頻偏估計(jì)和糾正，此時(shí)得到的數(shù)據(jù)是QAM或QPSK的已調(diào)數(shù)據(jù)。對(duì)該數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的解調(diào)，就可得到比特流。

    這里僅討論軟件功能模塊，具體算法不在此涉及。

2 硬件結(jié)構(gòu)

    OFDM調(diào)制解調(diào)與常規(guī)調(diào)制解調(diào)相比，所需的運(yùn)算量大，尤其是當(dāng)系統(tǒng)選用的子載波個(gè)數(shù)多時(shí)，僅在發(fā)射端的IFFT變換和接收端的FFT變換所需的時(shí)間就很長(zhǎng)。通常使用FPGA和高速的DSP解決該問(wèn)題。由于在接收端還要完成信號(hào)突發(fā)檢測(cè)、同步和頻偏校正等數(shù)字信號(hào)處理，所以接收端對(duì)實(shí)時(shí)性要求更高。在該系統(tǒng)中，使用FPGA完成信號(hào)的突發(fā)檢測(cè)和定時(shí)，DSP完成FFT/IFFT變換和QAM/QPSK調(diào)制解調(diào)。

    本系統(tǒng)主要由4部分組成： DSP、FPGA、正交數(shù)字上變頻器（Quadrature Digital Upconverter）、正交數(shù)字下變頻器（Quadrature Digital Downconverter）。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖中，D表示數(shù)據(jù)總線，A表示地址總線，C表示控制總線， L表示鏈路口數(shù)據(jù)線， 字母后面的數(shù)字表示總線的位數(shù)。50 MHz晶振為兩片DSP及FPGA提供時(shí)鐘信號(hào)，32.768 MHz高穩(wěn)定度晶振為AD9857和AD6654提供高質(zhì)量的時(shí)鐘信號(hào)。復(fù)位芯片MAX6708控制DSP、FPGA、AD9857、AD6654和ST16C550的復(fù)位。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

    DSP完成QAM或QPSK的調(diào)制解調(diào)和FFT/IFFT變換。系統(tǒng)所使用的DSP[2]是ADI公司的Tiger sharc TS101。該DSP具有以下特性： 最高工作頻率為300 MHz，3.3 ns指令周期；6 MB片內(nèi)SRAM；2個(gè)計(jì)算模塊，每個(gè)模塊都有1個(gè)ALU、1個(gè)乘法器、1個(gè)移位寄存器和1個(gè)寄存器組；2個(gè)整型ALU，用來(lái)提供尋址和指針操作；14個(gè)DMA控制器；1149.1 IEEE JTAG口。對(duì)于OFDM基帶處理，該DSP最大的特點(diǎn)是： 進(jìn)行256點(diǎn)的復(fù)數(shù)FFT變換，僅需3.67 μs。

    正交數(shù)字上變頻器采用ADI公司的AD9857。AD9857[34]最高工作頻率為200 MHz,輸出中頻頻率范圍為0~80 MHz；內(nèi)部集成半帶濾波器、CIC(Cascaded Integrator Comb)濾波器， 反SINC濾波器和高速的14位數(shù)/模轉(zhuǎn)換器，其核心是一個(gè)相位連續(xù)的直接數(shù)字頻率合成器DDS (Direct Digital Synthesizer)。在該方案中，AD9857工作在正交調(diào)制模式，其32位頻率控制字使輸出頻率的最高精確度為：SYSCLK(系統(tǒng)時(shí)鐘)除以232。

    正交數(shù)字下變頻器采用ADI公司的AD6654。AD6654[5]內(nèi)部集成了一個(gè)14位、92.16 Msps的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器和4/6通道的數(shù)字下變頻器。每個(gè)通道可獨(dú)立配置。數(shù)字下變頻內(nèi)部集成了頻率變換器、可編程級(jí)聯(lián)梳狀濾波器（CIC）、2個(gè)濾波器組和數(shù)字自動(dòng)增益控制。其中： 頻率變換是通過(guò)32位數(shù)控振蕩器實(shí)現(xiàn)的；CIC實(shí)現(xiàn)1~32倍的抽取；2個(gè)濾波器組包括FIR濾波器和2倍抽取的半帶濾波器。輸入的中頻模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)ADC和頻率變換后，使用濾波器組進(jìn)行濾波和抽取，最后并行輸出正交基帶數(shù)字信號(hào)。輸入中頻信號(hào)頻率最高可到200 MHz，此時(shí)，使用欠采樣技術(shù)。

3 參數(shù)設(shè)計(jì)及調(diào)制

    信號(hào)波形作者采用PCB八層板設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了該系統(tǒng)的硬件平臺(tái)，并在此平臺(tái)基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了高速OFDM傳輸和常規(guī)單載波調(diào)制解調(diào)，形成了一個(gè)通用寬帶高速調(diào)制解調(diào)平臺(tái)。設(shè)計(jì)的目的是要在該平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有的全部物理層的算法，特別是實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)OFDM傳輸系統(tǒng)。對(duì)OFDM系統(tǒng)提出的指標(biāo)要求如表1所列。

    表1 OFDM系統(tǒng)指標(biāo)要求

    圖3給出了32路子載波OFDM在上述參數(shù)設(shè)計(jì)下的已調(diào)信號(hào)波形（見(jiàn)圖3（a））及其功率譜（見(jiàn)圖3（b））。圖中子載波調(diào)制方式為QPSK，碼元頻率為中頻頻率36.864 MHz，帶寬是2.048 MHz。圖4給出了一種單載波調(diào)制制式（以π/4QPSK為例）的時(shí)域波形（見(jiàn)圖4（a））及其功率譜（見(jiàn)圖4（b））。另外，數(shù)字調(diào)制方式的碼元頻率可達(dá)2 MHz（即對(duì)于四相調(diào)制，比特速率可達(dá)4 Mbps；對(duì)于32QAM調(diào)制，比特速率可達(dá)10 Mbps），且子載波調(diào)制方式、比特（或碼元）速率、輸出中頻均可調(diào)。

圖3 實(shí)測(cè)OFDM波形

圖4 實(shí)測(cè)π/4-QPSK波形

4 結(jié)論

    本文所提出的方案有以下特點(diǎn)：

    ① 基于雙DSP的結(jié)構(gòu)，可工作在雙工方式，同時(shí)完成信號(hào)的發(fā)射和接收；工作在TDMA方式下或半雙工時(shí)，DSP可通過(guò)Link口進(jìn)行高速通信，有利于并行處理，以提高傳輸速率。DSP利于基帶信號(hào)的實(shí)時(shí)處理，可以實(shí)現(xiàn)高速調(diào)制解調(diào)。

    ② 變頻器具有頻率分辨率高、頻率變化速度快、相位連續(xù)、易于數(shù)字控制等特點(diǎn)。采用DSP和變頻器的方案，不僅可以實(shí)現(xiàn)模擬調(diào)制解調(diào)，而且可以實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字調(diào)制解調(diào)，兼容傳統(tǒng)調(diào)制解調(diào)和新型調(diào)制解調(diào)方式。
③ 在DSP和變頻器之間使用FPGA，實(shí)現(xiàn)突發(fā)信號(hào)的同步捕獲，可以分擔(dān)DSP的部分任務(wù)，從而提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。

參考文獻(xiàn)

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劉鵬（碩士）、趙林靖（博士）： 主要研究方向?yàn)閷拵o(wú)線通信、軟件無(wú)線電。