OFDM基帶處理系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

李溫娜，李 環(huán)

(沈陽理工大學信息科學與工程學院，遼寧沈陽110159)

正交頻分復用(OFDM，Orthogonal Frequency Division Multiplexing)技術是對多載波調制(MCM)的一種改進，其特點為各子載波相互正交，擴頻調制后的頻譜相互重疊，不但減小了子載波間的相互干擾，還大大提高了頻譜利用率。特別是該系統(tǒng)能很好地對抗頻率選擇性衰落和窄帶干擾，因此OFDM已成為實現(xiàn)未來高速無線通信中最核心的技術之一。與此同時，隨著半導體技術、數(shù)字信號處理技術的發(fā)展，利用FPGA實現(xiàn)基帶信號的處理成為近年來開發(fā)的熱點。人們也逐步嘗試利用 FPGA實現(xiàn)調制解調模塊［1］，OFDM系統(tǒng)的FPGA實現(xiàn)自然而然成了關注的焦點。現(xiàn)在很多基于FPGA的OFDM系統(tǒng)只是實現(xiàn)基本的調制解調模塊，傳輸性能較差，而本設計從系統(tǒng)級上劃分各個功能子模塊并加入了新的功能處理模塊，在優(yōu)化系統(tǒng)傳輸性能的同時也降低了系統(tǒng)的復雜度。

1 OFDM基本原理

一個OFDM符號之內包含多個經過相移鍵控(PSK)或者正交幅度調制(QAM)的子載波。一般地，OFDM的等效低通信號可以表示為一組并行傳輸?shù)恼{制載波信號，若retc(t)=1，|t|≤T/2，則從t=ts開始的OFDM符號可以表示為

式中:N為子載波的個數(shù);T為OFDM符號的持續(xù)時間(周期);di(i=0，1，2…，N-1)為分配給每個子信道的數(shù)據符號;fi為第i個子載波的載波頻率。

一旦將要傳輸?shù)谋忍胤峙涞礁鱾€子載波上，某一種調制模式就將它們映射為子載波的幅度和相位，通常采用等效基帶信號來描述OFDM的輸出信號，見式(2)

式中，S(t)的實部和虛部分別對應與OFDM符號的同相(In-phase)和正交(Quadrature-phase)分量，實際中可以分別與相應子載波的余弦分量和正弦分量相乘，構成最終的子信道和合成的OFDM符號，OFDM系統(tǒng)數(shù)學模型的框圖如圖1所示。在接收端，將同相和正交矢量映射回數(shù)據信息，完成子載波解調［2］。

從上述表達式及框圖可見，要實現(xiàn)一個OFDM傳輸系統(tǒng)，需要一組振蕩器產生N個子載波，接收端也需要對N個子載波進行同步，顯然，當N非常大時，系統(tǒng)的硬件構成將非常龐大而且不經濟。1971年，Weinstein和Ebert將DFT技術引入OFDM 系統(tǒng)，使OFDM 變得經濟實用［3］。

圖1 OFDM系統(tǒng)基本模型框圖

假定式(2)中ts=0，且忽略矩形函數(shù)，對信號s(t)以T/N的速率進行采樣，即令t=kT/N(k=0，1，…，N-1)，可得

接收端的解調過程可以用FFT來實現(xiàn)，

采用簡單實用的IFFT、FFT模塊實現(xiàn)了多載波的調制解調過程，大大簡化了OFDM硬件結構的復雜度。

理想的OFDM系統(tǒng)采用多進制、多載頻、并行傳輸使傳輸碼元的持續(xù)時間大為增加，從而提高信號的抗多經傳輸能力，在符號中加入保護間隔和循環(huán)前綴消除由多徑時延擴展引起的符號間干擾(ISI)，但是在具體的OFDM系統(tǒng)中，還應該考慮具體系統(tǒng)的實際問題，本設計在理想OFDM系統(tǒng)的基礎上添加相應的功能模塊，從而進一步優(yōu)化系統(tǒng)性能。

2 OFDM基帶系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

2.1 OFDM系統(tǒng)的基本結構

針對OFDM系統(tǒng)所要工作的信道特點以及系統(tǒng)的具體實際問題，給出了優(yōu)化后的OFDM無線通信系統(tǒng)的整體設計架構。

圖2為一個比較完整的OFDM通信系統(tǒng)框圖，上半部分為發(fā)送部分，下半部分為接收部分，該部分的處理流程與發(fā)送端是個相反的過程，首先通過信道中獲取信號，然后經過一個與發(fā)送部分相反的處理過程，最后得到解調輸出的結果。圖中擾碼模塊可以避免如經常出現(xiàn)長的“0”或“1”這種數(shù)據對于接收機定時的不利影響［4］，同時可以實現(xiàn)PAPR抑制。信道編碼是為了保證通信系統(tǒng)的傳輸可靠性，克服信道中的噪聲和干擾而專門設計的一類抗干擾技術和方法，導頻的插入可以使接收機對信道及參考相位進行不斷追蹤，然后進行相位補償，同步對于任何數(shù)字通信系統(tǒng)來說都是根本的任務，沒有精確的同步算法就不能對傳送的數(shù)據進行可靠的接收，本設計中的同步模塊采用基于Van de Beek等人提出的基于循環(huán)前綴的聯(lián)合同步算法［5］較好地實現(xiàn)了接收信號的同步處理［6］，信道估計采用基于導頻的方式實現(xiàn)［7］。

圖2 系統(tǒng)整體設計架構

2.2 OFDM基帶系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

從另一個角度來看，整個系統(tǒng)也可以被分為基帶處理部分和射頻部分，前者對數(shù)據進行一系列必要處理，使其更加適合信道的傳輸，后者用來完成基帶信號和高頻載波之間的轉換，本設計主要完成基于FPGA的OFDM系統(tǒng)基帶信號處理。用FPGA實現(xiàn)的OFDM基帶收發(fā)模塊是一個相當復雜的系統(tǒng)，需要使用單片含有數(shù)十萬乃至數(shù)百萬個門的大規(guī)模FPGA芯片，龐大的系統(tǒng)需要科學的設計方法才能減少出錯，本文采用自頂向下的設計概念［8］?；鶐FDM系統(tǒng)的自頂向下的設計如圖3所示。

圖3 OFDM基帶處理系統(tǒng)自頂向下設計圖

在這個設計圖中，節(jié)點對應著該層次上基本單元的行為描述，在不同的層次都可以進行仿真以對設計思想進行驗證。在FPGA上實現(xiàn)的OFDM基帶系統(tǒng)分為發(fā)送和接收兩個子系統(tǒng)。

發(fā)送端由一個整體控制模塊協(xié)調控制各個子模塊的工作，主時鐘頻率設計為40MHz，整體采用同步時序邏輯，對各個模塊進行綜合、布局，最終由加CP模塊端口輸出的數(shù)據波形仿真圖如圖4所示。

圖4 發(fā)送端數(shù)據輸出波形

添加循環(huán)前綴使得每個Symbol的后16個數(shù)據與前16個數(shù)據相同，圖中為四個Symbol的仿真結果，輸入每個 Symbol為64個數(shù)據，每兩個Symbol之間間隔16個時鐘，輸出為每個Symbol為80個數(shù)據，并且連續(xù)輸出，每次連續(xù)輸出數(shù)據位80位，構成一個完整的OFDM信號。

接收端同樣由一個整體控制模塊協(xié)調控制各個子模塊的工作，在整個系統(tǒng)的設計主頻率為40MHz，A/D的采樣速率設定為1M，對各個模塊進行綜合、布局、布線后輸出信號見圖5。

圖5 接收端數(shù)據輸出波形

其中inSymCount為當前傳輸?shù)膕ymbol的序號，用于分辨不同的幀，從圖中看出，當Symbol序號為3時不進行解擾操作，而當Symbol序號為4的數(shù)據到達時，解擾模塊開始為數(shù)據進行解擾處理，解擾后輸出數(shù)據，每個時鐘并行輸出8位，由輸出數(shù)據分析可知該系統(tǒng)設計是完全切實可行的，并且很好的實現(xiàn)了信號的同步處理。

3 結束語

OFDM采用FFT/IFFT實現(xiàn)調制解調，可以采用FPGA實現(xiàn)。采用添加循環(huán)前綴的技術，能有效降低 ICI(信道間干擾)和 ISI(碼間干擾)。本文對早期模型進行了改進，添加了同步、加擾、導頻插入等功能模塊建立了新的系統(tǒng)模型，采用自頂向下的概念設計一個基帶OFDM系統(tǒng)，使用Quartus II9.0完成了整個OFDM基帶處理系統(tǒng)的設計、仿真和實現(xiàn)，很好地實現(xiàn)了信號的同步處理及傳輸。

［1］劉佳.基于FPGA的OFDM調制解調器的設計與實現(xiàn)［D］.上海:東華大學，2007.

［2］彭木根，王文博.下一代無線通信系統(tǒng) OFDM與WIMAX［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2008.1.

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［4］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.

［5］JAN-JAAP VAN DE BEEK，MAGNUS SANDELL，PER OLA BORJESSON.ML Estimation of Time and Frequency Offset in OFDM Systems［J］.IEEE Trans.on Signal Processing，1997(45):1800-1805.

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［7］尹長川，羅濤，樂光新.多載波寬帶無線通信技術［M］.北京:北京郵電大學出版社，2004.

［8］周潤景，圖雅，張麗敏.基于 Quartus II的 FPGA/CPLD數(shù)字系統(tǒng)設計實例［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2007.