基于軟件無線電的OFDM解調模塊的設計與實現(xiàn)

譚美玲，周勝源

(桂林電子科技大學 信息與通信學院，廣西 桂林541004)

軟件無線電的基本思想是以一個通用的、標準化、模塊化的硬件平臺為依托，通過軟件編程來實現(xiàn)無線電臺的各種功能，從基于硬件、面向用途的電臺設計方法中解放出來［1］。軟件無線電強調體系結構的開放性和全面可編程性，通過軟件更新改變硬件配置結構，實現(xiàn)新的功能。

OFDM技術作為一種高效的信道接入方式，能夠有效地對抗由于多徑效應造成的頻率選擇性衰落，同時通過串/并變換把頻率選擇性信道轉換成并行的正交子信道，提供了較高的頻譜利用率，成為廣大學者的研究熱點［2-5］。目前OFDM技術已經(jīng)被廣泛應用于廣播式的音頻、視頻領域和民用通信系統(tǒng)，比如非對稱的數(shù)字用戶環(huán)路(ADSL)、ETSI標準的數(shù)字音頻廣播(DAB)、數(shù)字視頻廣播(DVB)、高清晰度電視(HDTV)、無線局域網(wǎng)(WLAN)等。

結合軟件無線電的思想，采用Xilinx公司的System Generator這一高性能DSP系統(tǒng)的快速建模和實現(xiàn)工具，在MATLAB/Simulink環(huán)境下，對OFDM解調的部分模塊進行系統(tǒng)建模仿真［6］。

1 軟件無線電中OFDM的調制解調原理及系統(tǒng)框圖

1.1 IEEE802.11a中OFDM的調制解調原理

OFDM的基本原理就是把一個高速的數(shù)據(jù)流分配到并行的速率較低的相互正交的若干子信道中傳輸，通過各子載波進行調制，然后在獨立的子信道上進行傳輸。由于每個子信道的頻率特性可以近似看作是平坦的，每個信道就可以認為是無符號間干擾的理想信道，接收端可以可靠地解調信號。同時在OFDM符號中插入保護間隔保證了子信道的正交性，消除了OFDM符號間的干擾。

對于含有N個子載波的OFDM系統(tǒng)，在一個符號持續(xù)時間T內，從t=ts開始采用復等效基帶信號表示OFDM為

式中:rect()為矩形函數(shù);Sk表示第k個子載波上傳輸?shù)慕?jīng)過調制后的信號。

對于一個周期內的基帶信號，令式(1)中ts=0，忽略矩形函數(shù)，并對信號x(t)以T/N的速率進行采樣，即令t=kT/N，(k=0，1，…，N-1)，可得

式(2)與IDFT運算的表達式一致，說明OFDM復等效基帶信號可以用離散傅里葉反變換(IDFT)的方法來實現(xiàn)。

同樣，在接收端，恢復原始數(shù)據(jù)符號Sk的處理就可以通過對sk進行反變換，即DFT，得到

OFDM的調制和解調可以通過IDFT和DFT來代替，F(xiàn)FT/IFFT是實現(xiàn)DFT/IDFT的快速算法。在OFDM系統(tǒng)的具體實現(xiàn)中，通常采用更加快捷方便的快速傅里葉變換(FFT/IFFT)來降低運算復雜度。

1.2 OFDM的系統(tǒng)框圖

基于軟件無線電架構的OFDM系統(tǒng)模型如圖1所示，可分為發(fā)射端和接收端。

圖1 軟件無線電架構的OFDM系統(tǒng)

在發(fā)送端，首先將串行輸入的數(shù)據(jù)進行16QAM星座圖映射，再根據(jù)系統(tǒng)的傳輸幀格式進行導頻插入、補零成幀等處理過程，得到了數(shù)域數(shù)據(jù)。然后通過64點的IFFT變換，完成多載波調制，使得信號能夠在子載波上并行傳輸。變換后的信號經(jīng)串并轉換，加入循環(huán)前綴，構成一個完整的OFDM數(shù)據(jù)幀，經(jīng)過上變頻發(fā)射到信道中傳輸。

在接收端，把接收到的信號先進行下變頻及OFDM解調。OFDM解調即把信號送到同步/定時模塊，經(jīng)過同步算法，估計出幀時點和頻率偏移，并刪去循環(huán)前綴。然后經(jīng)64點FFT變換后，利用信號中的插入導頻進行信道估計。最后，F(xiàn)FT的輸出包括了64個映射值，所有這些值被逆映射為二進制數(shù)據(jù)輸出。

2 仿真模型設計

使用System Generator來設計OFDM的調制解調系統(tǒng)，能夠加快DSP系統(tǒng)的開發(fā)進度，縮短整個設計周期，具體如圖2所示。

圖2 OFDM調制解調系統(tǒng)(系統(tǒng)截圖)

1)幅度歸一化模塊

在System Generator中，由于FFT解調模塊中使用的FFT v3_2模塊要求的輸入數(shù)據(jù)格式為Fix_n_n-1，比如Fix_8_7、FIX_24_23，所以需要在FFT解調模塊前做一個歸一化模塊，使輸入數(shù)據(jù)符合FFT v3_2 1的要求。

2)FFT解調模塊

FFT解調主要使用System Generator提供的FFT v3_2模塊，該模塊支持的器件有Virtex-4，Virtex-2，Virtex-2 Pro和Spartan-3，它為離散傅里葉變換(DFT)提供了一種有效的算法。當fwd_inv端口輸入為1時，F(xiàn)FT v3_2進行離散傅里葉變換，當fwd_inv端口輸入為0時，F(xiàn)FT v3_2則進行離散傅里葉反變換。信號fwd_inv必須是布爾型數(shù)據(jù)。OFDM解調模塊如圖3所示。

圖3 FFT解調模塊(系統(tǒng)截圖)

對OFDM調制解調系統(tǒng)進行仿真，仿真結果如圖4所示。在16QAM映射、IFFT調制、FFT解調模塊后面加上星座圖模塊進行觀察，由仿真結果可以看出，F(xiàn)FT解調模塊把看起來雜亂無章的OFDM載波星座圖恢復成基本有序的16QAM星座圖，與發(fā)射端的16QAM映射星座圖基本一致。

圖4 仿真結果

3)16QAM逆映射模塊

發(fā)射端的16QAM調制方式采用格雷碼方式的調制星座圖如圖5所示，其映射規(guī)則如表1所示。

圖5 16QAM映射星座圖

16QAM解調分為I路和Q路，采用電平判決方式解調。設輸入信號為a1a2b1b2，I路為a1a2，Q路為b1b2。I支路電平判決流程如圖6所示:當輸入信號等于0時，a1a2判為0。若不為0，判斷輸入信號是否大于0，若是則判a1為0，否則為1。當輸入信號大于0時，判斷其是否大于2，是則判a2為0，否則為1。當輸入信號小于0時，再判斷其是否小于-2，是則判a2為0，否則為1。b1b2的判決規(guī)則等同于a1a2。

表1 16QAM映射規(guī)則

對16QAM逆映射模塊進行仿真驗證，得到波形圖如圖7所示，從圖7中可以看出，解調出的信號波形與原始信號波形一致，驗證了16QAM逆映射模塊設計的可行性。

圖7 16QAM解調結果(系統(tǒng)截圖)

4)誤比特率測試

為驗證系統(tǒng)的可靠性，在系統(tǒng)中設置了誤比特率測試模塊，如圖8所示。系統(tǒng)碼源速率為24 Mbit/s，系統(tǒng)抽樣率為24 Mbit/s，仿真時長為0.001 s，測得誤比特率約為0.000 3。由此看出，本文采用System Generator設計的OFDM解調模塊具有較高的可靠性。

圖8 誤比特率測試模塊

3 小結

基于軟件無線電的思想，使用System Generator對OFDM調制解調模塊進行了設計與實現(xiàn)。設計OFDM的調制解調包括OFDM歸一化、FFT解調、16QAM解調等模塊，通過仿真驗證了系統(tǒng)設計的結果與理論一致。本文采用System Generator圖形化的設計環(huán)境，使得修改設計變得簡單方便，避開了HDL的復雜編程，提高了效率，縮短了開發(fā)周期，具有很好的實用價值。

［1］張健.軟件無線電的基本理論構架［D］.成都:電子科技大學，2000.

［2］郭繼經(jīng)，李曉飛，國棟.IEEE802.11a的OFDM基帶調制的FPGA實現(xiàn)［J］.電視技術，2010，34(S1):90-93.

［3］GARCIA J，CUMBLIDO R.On the design of an FPGA-Based OFDM modulator for IEEE 802.16-2004［C］//Proc.International Conference on Reconfigurable Computing and FPGA.［S.l.］:IEEE Press，2005:28-30.

［4］王文博，鄭侃.寬帶無線通信OFDM技術［M］.北京:人民郵電出版社，2003.

［5］肖永江.基于軟件無線電的寬帶OFDM數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的設計和研究［D］.成都:成都理工大學，2005.

［6］史治國，洪少華，陳抗生.基于XILINX FPGA的OFDM通信系統(tǒng)基帶設計［M］.浙江:浙江大學出版社，2009.