基于FPGA的DVB-T COFDM調(diào)制模塊的設(shè)計

吳國鋮，郭 慶，嚴(yán)云祥

（1.桂林電子科技大學(xué) 電子工程學(xué)院，廣西 桂林 541004；2.南京郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，江蘇 南京 210003）

1 引言

OFDM（正交頻分復(fù)用）是多載波傳輸方案的實現(xiàn)方式之一[1]。COFDM是由信道編碼和OFDM結(jié)合起來的一種數(shù)字調(diào)制方式，提供了強大的編碼糾錯能力，在數(shù)字音視頻廣播和高速無線局域網(wǎng)等多個領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。歐洲廣播機構(gòu)為DVB-T（地面數(shù)字視頻廣播標(biāo)準(zhǔn)）選擇了COFDM為調(diào)制方式。

本文以DVB-T標(biāo)準(zhǔn)為背景，選用FPGA為硬件平臺研究并仿真了COFDM各編碼調(diào)制模塊。

2 FPGA實現(xiàn)OFDM的基本思想

OFDM是一種對多載波調(diào)制技術(shù)改進后的傳輸方案。在傳統(tǒng)頻分復(fù)用系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，其基本思想是將高速數(shù)據(jù)流經(jīng)串并轉(zhuǎn)換，分配到給定頻域內(nèi)的若干正交子信道上，各子信道載波之間雖有重疊，但子載波頻率是互相正交的，每個載波頻譜最大值都和相鄰載波的零點重疊。因此OFDM的信道利用率高于傳統(tǒng)的頻分復(fù)用系統(tǒng)。同時使信道衰落引起的突發(fā)誤碼分散到不相關(guān)的子信道上，變?yōu)殡S機誤碼，有效地減少了碼間干擾。

實現(xiàn)OFDM調(diào)制需要使用離散傅立葉反變換（IDFT），在OFDM系統(tǒng)的實際應(yīng)用中，可以采用方便快捷的IFFT來實現(xiàn)調(diào)制模塊。

對于DVB-T的核心模塊FFT計算，隨著應(yīng)用需求的增加，算法復(fù)雜度也提高了[1-2]。系統(tǒng)需要較高的工作速率及復(fù)雜的計算處理能力。FPGA作為并行處理系統(tǒng)，可采用并行計算完成復(fù)雜的設(shè)計。對多點的FFT計算來說，集成了DSP核的FPGA方案整體性能和計算速度均優(yōu)于基于指令系統(tǒng)的DSP。

筆者選用Xilinx Virtex-5 SX50T FPGA作為開發(fā)平臺，時鐘高達550 MHz，同時有288個DSP48E硬件資源和4 752 Kbyte的BlockRAM資源[3]，可滿足DVB-T基帶處理系統(tǒng)開發(fā)的硬件要求。

3 DVB-T COFDM系統(tǒng)及實現(xiàn)

歐洲地面數(shù)字標(biāo)準(zhǔn)DVB-T[4]主要規(guī)范了發(fā)送端的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和編碼調(diào)制方式。一般的發(fā)送端功能結(jié)構(gòu)由信道編碼、OFDM調(diào)制、上變頻等部分組成。圖1為DVB-T標(biāo)準(zhǔn)V1.6.1中給出的發(fā)送端結(jié)構(gòu)框圖。

輸入端采用MPEG-2壓縮的音視頻作為資源（TS碼流）。每個TS包由188 byte組成，在最終形成射頻信號發(fā)送到信道中之前，將主要經(jīng)過以下過程：

圖1 DVB-T標(biāo)準(zhǔn)V1.6.1發(fā)送端結(jié)構(gòu)框圖

1）能量擴散：在實際應(yīng)用中，常用一組偽隨機序列對經(jīng)信源編碼的一組TS碼流按比特異或進行隨機化處理，用以保證在任何時刻進入傳輸系統(tǒng)的“0”與“1”的概率基本相等，提高輸入數(shù)據(jù)碼流的統(tǒng)計特性，拓展了數(shù)字信號的功率譜。

2）兩層糾錯編碼

（1）RS碼。DVB-T中規(guī)定外碼糾錯部分采用RS（208，188，t=8）編碼。 在傳輸流 188 byte 之中，加入 16 byte的冗余糾錯碼，生成一個誤碼保護包。這種編碼可以糾正 8 byte 的突發(fā)錯誤。 碼生成多項式 g（x）=（x+λ0）（x+λ1）（x+λ2）…（x+λ15），其中 λ=02HEX。編碼電路定義 clk 為輸入字節(jié)時鐘。編碼電路主要由有限域乘法器、有限域加法器、選擇器、線性反饋移位寄存器等組成。

（2）卷積碼。內(nèi)碼采用Viterbi卷積碼。采用移位器實現(xiàn)的主卷積碼率為1/2。然后可以進行收縮刪余，產(chǎn)生2/3，3/4，5/6，7/8等多種卷積碼率。圖 2為卷積編碼的具體結(jié)構(gòu)。對于多時鐘，可采用FPGA內(nèi)部的鎖相環(huán)資源。刪余模塊通過不同狀態(tài)控制標(biāo)志來實現(xiàn)不同碼率。

圖2 卷積編碼結(jié)構(gòu)示意圖

3）交織。交織是一種時間/頻率擴展技術(shù)，使信道錯誤的相關(guān)度減小，在交織度足夠大時，把突發(fā)錯誤離散成隨機錯誤。DVB-T系統(tǒng)中為避免RS產(chǎn)生誤碼，在兩層糾錯碼之間加入了數(shù)據(jù)交織環(huán)節(jié)。對誤碼保護包采用交織深度I=204/17=12 byte，M=17的卷積交織，將連續(xù)的錯誤打散，以提高外碼的糾錯效率。針對FPGA內(nèi)嵌RAM，外交織采用開一雙口RAM的方式來代替各個支路的FIFO移位寄存器。通過控制讀寫地址來實現(xiàn)卷積交織，數(shù)據(jù)操作在與輸入輸出是嚴(yán)格同步的。在DVB-T系統(tǒng)中還有一層內(nèi)交織。內(nèi)交織包括比特交織及符號交織兩部分。

4）幀形成。經(jīng)幅度相位映射后的有效子載波數(shù)據(jù)和連續(xù)導(dǎo)頻、分散導(dǎo)頻、TPS（傳輸參數(shù)信令）信號等組成OFDM符號。其中，TPS描述了DVB-T系統(tǒng)的主要參數(shù)。導(dǎo)頻信號的插入是為了方便接收機對接收信號進行估算，提高接收質(zhì)量。圖3為插入導(dǎo)頻的結(jié)構(gòu)圖。在具體實現(xiàn)中，通過編寫RAM的初始化文件，在RAM的固定位置插入固定值來實現(xiàn)導(dǎo)頻插入。

圖3 插入導(dǎo)頻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

5）信道OFDM調(diào)制的實現(xiàn)。

頻域中的OFDM符號，通常采用IFFT來代替OFDM調(diào)制中的多子載波調(diào)制，得到時域OFDM符號。

Xilinx公司提供了 Pipelined，Streaming I/O、Radix-4，Burst I/O和Radix-2，Minimum Resources等 3種結(jié)構(gòu)的FFT/IFFT核。直接調(diào)用可以合理利用Xilinx FPGA的結(jié)構(gòu)，優(yōu)化排局布線，縮短設(shè)計的周期。筆者綜合考慮了所需資源和處理延時，采用了基于基四算法，將1幀數(shù)據(jù)存起來，然后進行計算，最后輸出數(shù)據(jù)的第二種結(jié)構(gòu)：Radix-4，Burst I/O。

實現(xiàn)時，Radix-4，Burst I/O有數(shù)據(jù)裝載與輸出、數(shù)據(jù)計算這兩個過程，兩個過程不能同時進行。當(dāng)IFFT開始時，數(shù)據(jù)裝載，當(dāng)一幀數(shù)據(jù)裝載完畢，IP核開始計算，計算完畢后進行數(shù)據(jù)的輸出。

4 系統(tǒng)仿真及結(jié)論

4.1 系統(tǒng)仿真設(shè)計方案

本系統(tǒng)基于DVB-T的2K模式進行設(shè)計。COFDM參數(shù)如下：帶寬為8 MHz；符號有序持續(xù)時間為224 μs；保護間隔 Tg=56 μs；載波數(shù)為 1 705。

由以上參數(shù)可以得到：1）符號總的持續(xù)時間為280 μs；2）符號速率 fs=3.57×103字符/秒。

系統(tǒng)采用Xilinx公司的Virtex-5 SX50T FPGA，開發(fā)環(huán)境 ISE10.1，Modelsim SE6.2b，程序語言采用 Verilog HDL，系統(tǒng)實現(xiàn)了各編碼調(diào)制子模塊，完成對標(biāo)準(zhǔn)中2K模式的XST綜合后的Modelsim仿真。圖4所示為系統(tǒng)流程圖。

圖4 COFDM編碼調(diào)制端仿真流程圖

4.2 時序仿真結(jié)果分析

圖5是插入導(dǎo)頻的時序圖。Dual_RAM_out_I_2和Dual_RAM_out_Q_2是前端經(jīng)QPSK映射之后的數(shù)據(jù)，Polit_ROM_out是導(dǎo)頻數(shù)據(jù)。按照DVB-T標(biāo)準(zhǔn)，進行插入導(dǎo)頻。符號0的導(dǎo)頻位置為0號子載波，12號子載波，24號子載波……導(dǎo)頻的功率與數(shù)據(jù)的功率比為16∶9。所以數(shù)據(jù)的幅值為64，導(dǎo)頻的幅值為121。由圖5可以看出，在輸入數(shù)據(jù)中成功地插入了導(dǎo)頻信息。

圖5 插入導(dǎo)頻時序圖

圖6所示為IFFT仿真時序圖。fwd_inv為低表明進行IFFT運算；rfd信號為高時表明此時正在裝載數(shù)據(jù)；busy信號為高時表明正在進行數(shù)據(jù)計算；dv信號為高時表明數(shù)據(jù)輸出有效。xn_re，xn_im是輸入IFFT模塊中的數(shù)據(jù)信號，xk_re，xk_im是IFFT模塊數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)的輸出信號。從仿真圖中可以看出，1次完整的IFFT計算所用的時間比1個COFDM符號持續(xù)時間（280 μs）要小，所以IFFT模塊的設(shè)計是滿足時序要求的。

圖6 IFFT仿真時序圖

4.3 COFDM基帶信號頻譜圖

將COFDM基帶調(diào)制程序在Virtex-5 SX50T芯片上調(diào)試，通過ChipScope軟件將調(diào)試數(shù)據(jù)截取下來，然后導(dǎo)入Matlab觀察調(diào)制信號的頻譜圖，如圖7所示。由圖可以看出，調(diào)制信號的實際帶寬為7.61 MHz，符合DVB-T標(biāo)準(zhǔn)。

圖7 調(diào)制信號的頻譜圖

5 基于FPGA的COFDM在地面數(shù)字視頻廣播開發(fā)中的優(yōu)勢

COFDM和FPGA在地面數(shù)字視頻廣播中的優(yōu)勢有：

1）COFDM采用有效的信道編碼解決了由部分信道受損嚴(yán)重帶來的失真問題，提高了系統(tǒng)的糾錯能力。同時采用多載波的調(diào)制技術(shù)，提高了頻譜利用率和抗碼間干擾能力。在無線傳播中，地面信道具有自身的特性，DVB-T標(biāo)準(zhǔn)選擇COFDM作為地面數(shù)字視頻廣播的物理層標(biāo)準(zhǔn)，適用于解決地面信道中常見的多徑失真和移動接收因多普勒頻移引起的衰落現(xiàn)象，也利于單頻網(wǎng)絡(luò)的實現(xiàn)。

2）系統(tǒng)選用FPGA作為開發(fā)平臺，功耗低，速率高，成本低，突出了集成DSP核的FPGA在處理高速數(shù)字信號處理上并行計算的優(yōu)勢，以及FPGA開發(fā)周期短、半定制的特點。隨著無線通信包括數(shù)字電視傳輸技術(shù)和大規(guī)模集成電路的發(fā)展，F(xiàn)PGA將成為未來技術(shù)開發(fā)的趨勢。

[1]ATHAUDAGE C R N，ANGIRAS R R V.Sensitivity of FFT-equalised zero-padded OFDM systems to time and frequency synchronisation errors[J].IEEE Proceeding Communication，2005，152（6）：945-951.

[2]吳進，華濤.DVB-T系統(tǒng)中TCM調(diào)制解調(diào)器的設(shè)計與實現(xiàn)[J].電視技術(shù)，2009，33（2）：6-7.

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[4]王闖.DVB-T編碼調(diào)制的仿真和FPGA實現(xiàn)[D].南京：南京理工大學(xué)，2008.