應(yīng)用DSP的自適應(yīng)OFDM系統(tǒng)

都一明

(中國人民解放軍重慶通信學(xué)院，重慶 400035)

正交頻分復(fù)用(orthogonal frequency division multiplexing，OFDM)是一種頻譜部分重疊的多載波調(diào)制技術(shù)［1－11］，從20世紀(jì)50年代末開始在軍隊(duì)中用于無線通信。OFDM不但頻帶利用率高，而且能有效對(duì)抗信號(hào)在多徑傳輸(或頻率選擇性衰落信道)中的波形干擾［1］。20世紀(jì)90年代后，隨著數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)的飛速發(fā)展和大規(guī)模集成電路的應(yīng)用，以及由于使用FFT技術(shù)可實(shí)現(xiàn)有效的調(diào)制，OFDM技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用更加成熟，在消費(fèi)類電子產(chǎn)品中的應(yīng)用也更為廣泛。在帶寬和功率受限的條件下，OFDM具有更高的頻譜利用率和良好的抗多徑干擾能力，因此在衛(wèi)星通信、數(shù)字音頻廣播(DAB)、數(shù)字視頻廣播(DVB)和第三代移動(dòng)通信中得到了廣泛的應(yīng)用。作為第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)的核心技術(shù)，OFDM不僅可以大幅提升系統(tǒng)容量，更重要的是它更容易滿足多媒體通信的技術(shù)要求［2］。本文通過研究基于DSP芯片的OPDM系統(tǒng)，應(yīng)用自適應(yīng)算法對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行進(jìn)行優(yōu)化，使其性能得到明顯的提升。

1 OFDM基本原理

OFDM的主要思想是使用并行數(shù)據(jù)及頻分多路(FDM)的方式來克服噪聲及多徑干擾，從而避免使用高速復(fù)雜的均衡器，達(dá)到最大限度地利用可用頻帶、獲得高頻譜利用率的目的［2］。在OFDM中，使用大量具有均勻頻率間隔的副載波代替通常用于一個(gè)節(jié)目的單個(gè)載波，并組合成為一種正交系統(tǒng)，所有副載波頻率均滿足為基本振蕩頻率的整數(shù)倍的條件。其中，正交信號(hào)相互可以被精確地分離，當(dāng)各正交信號(hào)的頻譜產(chǎn)生重疊時(shí)也應(yīng)滿足該條件，從而能充分、有效地利用頻譜。若傳輸信道中的某一頻段出現(xiàn)深衰落現(xiàn)象，則系統(tǒng)中只有該調(diào)制載波所對(duì)應(yīng)頻段中的信號(hào)才會(huì)受影響，而對(duì)于在其他載波中調(diào)制的信號(hào)則不會(huì)產(chǎn)生影響［2］。

1.1 OFDM多載波信號(hào)的調(diào)制

在OFDM系統(tǒng)的發(fā)射端，數(shù)據(jù)通過常規(guī)QAM方法進(jìn)行調(diào)制后變換為基帶信號(hào)，其速率為R(其中:基帶調(diào)制信號(hào)碼元周期是ts;帶寬是B;信道的最大遲延擴(kuò)展時(shí)間為Δm)。OFDM系統(tǒng)將原信號(hào)分割為M個(gè)子信號(hào)，然后分別調(diào)制為M個(gè)彼此正交的子信號(hào)?？梢运愠?，分割后系統(tǒng)的碼元速率為R/M，周期Ts=Mts。發(fā)射端信號(hào)調(diào)制過程如圖1所示。該過程等價(jià)于將碼元速率為Mfs(fs=l/Ts)b/s的輸入數(shù)據(jù)流分解成單個(gè)的數(shù)據(jù)塊(block)，若每個(gè)子信道每次分配1比特，則每個(gè)block包含M個(gè)比特。對(duì)于OFDM系統(tǒng)來說，一個(gè)數(shù)據(jù)塊等價(jià)于一個(gè)碼元，其傳輸速率為fs［4］。

圖1 發(fā)射端信號(hào)調(diào)制過程

該碼元波形受時(shí)間限制，且數(shù)據(jù)以block的形式進(jìn)行處理，并對(duì)最終調(diào)制好的各個(gè)子信道的信號(hào)進(jìn)行融合，形成OFDM發(fā)射信號(hào)。實(shí)際輸出的信號(hào)可以表示為:

其中:d(n)為第n個(gè)調(diào)制碼元;T為子信道的碼元周期(Ts)加上保護(hù)時(shí)間，即T=Ts+δ。各個(gè)子載波的頻率為

其中f0為最低子載波頻率。

1.2 OFDM多載波信號(hào)的解調(diào)

OFDM系統(tǒng)信號(hào)的解調(diào)首先需要在接收端將各子信道信號(hào)進(jìn)行分離，然后才能對(duì)接收端信號(hào)進(jìn)行解調(diào)。由于各個(gè)子載波的頻譜彼此正交，因此可采用混頻和積分電路對(duì)各子信道進(jìn)行有效分離(如圖2所示)。

圖2 接收端信號(hào)解調(diào)原理

當(dāng)調(diào)制信號(hào)由陸地?zé)o線信道傳輸?shù)浇邮斩藭r(shí)，系統(tǒng)會(huì)因?yàn)樾诺赖亩鄰叫?yīng)出現(xiàn)碼間干擾現(xiàn)象，導(dǎo)致子載波之間無法保持良好的正交狀態(tài)，所以必須在碼元之間插人保護(hù)時(shí)間消除碼間干擾。插入的保護(hù)時(shí)間間隔δ一般需要大于最大時(shí)延擴(kuò)展Δm，從而確保所有的多徑信號(hào)在時(shí)延小于δ的情況下無法延伸至下一碼元造成碼間干擾。

對(duì)于δ比信道沖激響應(yīng)大的情況，接收信號(hào)經(jīng)過抽樣后(速率為1/ts)可以表示為

其中hn表示子載波頻率fn時(shí)的信道沖激響應(yīng)，

輸入信號(hào)在系統(tǒng)的輸入端分割為M個(gè)支路，經(jīng)過各子載波混頻和積分處理形成子信號(hào)后，利用并/串變換及常規(guī)QAM的處理，就能解調(diào)出初始數(shù)據(jù)，如式(5)所示。解調(diào)后的信號(hào)頻譜見圖3。

圖3 解調(diào)后的信號(hào)頻譜

2 基于DSP的OFDM系統(tǒng)及實(shí)現(xiàn)

圖4為OFDM系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。系統(tǒng)的調(diào)制和解調(diào)分別由IFFT和FFT完成。串行數(shù)據(jù)輸入后變換為并行數(shù)據(jù)，然后通過糾錯(cuò)編碼、交織、差分編碼等方式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼和編碼映射。完成編碼映射的數(shù)據(jù)按系統(tǒng)設(shè)置參數(shù)構(gòu)成幀，從而得到系統(tǒng)的頻域數(shù)據(jù)。經(jīng)過IFFT變換后，系統(tǒng)完成由頻域數(shù)據(jù)向時(shí)域數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，從而實(shí)現(xiàn)了信號(hào)在各個(gè)正交子載波上的調(diào)制。下一步加入循環(huán)前綴(保護(hù)間隔)進(jìn)行并/串轉(zhuǎn)換和數(shù)/模轉(zhuǎn)換，再將信號(hào)調(diào)制到高頻載波上進(jìn)行發(fā)射。如果系統(tǒng)采用基帶傳輸，則信號(hào)無需進(jìn)行載波調(diào)制［5］。

圖4 OFDM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

在系統(tǒng)的信號(hào)接收端，進(jìn)行的操作與上述相反。數(shù)據(jù)從信道接收后先進(jìn)行載波解調(diào)，恢復(fù)為基帶數(shù)據(jù)，然后再進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換處理，去除循環(huán)前綴(保護(hù)間隔)，進(jìn)行串/并轉(zhuǎn)換和FFT變換。通過FFT變換將數(shù)據(jù)由時(shí)域模式轉(zhuǎn)換為頻域模式，即實(shí)現(xiàn)了OFDM信號(hào)的解調(diào)。接下來系統(tǒng)進(jìn)行頻域均衡、譯碼判決和并/串轉(zhuǎn)換等處理。值得注意的是，需要對(duì)發(fā)送的訓(xùn)練序列進(jìn)行信道和載波頻偏估計(jì)(CFO)、系統(tǒng)同步等處理。

DSP芯片采用 TI公司推出的200 MHz的TMS320C6000系列;IFO 采用 IDT公司的IDT72255，其技術(shù)參數(shù)為 50 MHz、8 192 word*18 bit;ROM采用WSI公司的 WS57C010F－45C，其技術(shù)參數(shù)為64 K、word*8 bit;RAM采用NEC公司的 LPD431632LGF－A7，其技術(shù)參數(shù)為 100 MHz、32 K、word*32bit。系統(tǒng)時(shí)序控制信號(hào)的周期為1個(gè)符號(hào)的時(shí)長:前一半為高電平，后一半為低電平。發(fā)射端的時(shí)序控制信號(hào)來自D/A板，接收端的時(shí)序控制信號(hào)來自A/D板。當(dāng)時(shí)序控制信號(hào)為高電平時(shí)，DSP輸出前一個(gè)符號(hào)的數(shù)據(jù)到存儲(chǔ)器;當(dāng)時(shí)序控制信號(hào)為低電平時(shí)，DSP從存儲(chǔ)器輸入后一個(gè)符號(hào)的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)的輸出、輸入通過后臺(tái)的DMA完成，同時(shí)CPU在前臺(tái)處理當(dāng)前符號(hào)數(shù)據(jù)，因此數(shù)據(jù)按符號(hào)的奇偶性分別存儲(chǔ)在2個(gè)存儲(chǔ)地址中，以避免DMA和CPU對(duì)數(shù)據(jù)空間的訪問沖突［6］。

由于時(shí)延擴(kuò)展會(huì)造成符號(hào)間干擾，系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)可以通過將持續(xù)期為Tu的每個(gè)OFDM符號(hào)人為地延長一個(gè)持續(xù)期為TG的保護(hù)間隔。保護(hù)時(shí)間通常大于典型的信道時(shí)延擴(kuò)展，這樣才能保證各數(shù)據(jù)塊的處理能獨(dú)立進(jìn)行，從而有效消除干擾，實(shí)現(xiàn)OFDM系統(tǒng)的可靠高效運(yùn)行。

在無線傳輸環(huán)境下，信號(hào)經(jīng)由多條路徑傳輸至接收端。特別是在室內(nèi)環(huán)境下，由于反射、散射及折射的影響，上述現(xiàn)象更為明顯。采用OFDM技術(shù)雖能實(shí)現(xiàn)頻率選擇性信道向平坦衰落信道的轉(zhuǎn)化，但仍需采用分集技術(shù)進(jìn)一步改善系統(tǒng)的多徑衰落。在OFDM系統(tǒng)中結(jié)合MIMO技術(shù)構(gòu)成的MIMO-OFDM系統(tǒng)對(duì)改善多徑衰落、提升系統(tǒng)性能具有重要意義［7］。

3 OFDM系統(tǒng)的自適應(yīng)算法的改進(jìn)

在實(shí)際情況中，由于信道具有時(shí)變特征，系統(tǒng)在接收信號(hào)后，經(jīng)過FFT解復(fù)用會(huì)產(chǎn)生信道間串?dāng)_(ICI)，導(dǎo)致系統(tǒng)性能的下降。這種情況主要是由于子信道頻譜的Doppler擴(kuò)展引起子信道的正交性惡化而導(dǎo)致的。由于OFDM的性能在現(xiàn)實(shí)中無法達(dá)到理論分析的理想性能，因此有必要研究相應(yīng)的抗信道衰落技術(shù)以克服由ICI導(dǎo)致的系統(tǒng)性能降低。

常規(guī)的OFDM系統(tǒng)在信道容量及信號(hào)數(shù)據(jù)處理差錯(cuò)率方面仍有待進(jìn)一步改善，在對(duì)抗多徑干擾的性能方面也需進(jìn)一步優(yōu)化。本文通過采用不同的自適應(yīng)算法對(duì)OFDM系統(tǒng)性能進(jìn)行改善。

3.1 OFDM系統(tǒng)信道容量的改善

“注水原理”通過幾何方法獲取最優(yōu)的輸入功率，有助于OFDM系統(tǒng)獲取最優(yōu)信道容量。注水算法的原理可表達(dá)為［8］:

通過定性的分析，注水算法能使OFDM系統(tǒng)中大部分發(fā)射信號(hào)的功率處于信道衰減較小的頻帶范圍內(nèi)，即有助于更多的功率分配在信道特性較好或者噪聲功率較低的子信道上。通過信道容量數(shù)值計(jì)算可以推知:當(dāng)系統(tǒng)的平均信噪處于較高的水平時(shí)，采用均勻的功率分配方法相較于采用最優(yōu)的功率分配方法，其信道容量損失更小;當(dāng)系統(tǒng)平均信噪比處于較低水平時(shí)，注水算法會(huì)對(duì)信道容量產(chǎn)生很大的提升效果。

3.2 OFDM系統(tǒng)差錯(cuò)率的改善

在系統(tǒng)比特分配過程中，采用Fischer-Huber算法有助于系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理過程中差錯(cuò)率的降低。該算法基于差錯(cuò)率最小原則對(duì)比特進(jìn)行分配，算法的具體分配過程為:

步驟1 將系統(tǒng)中所有子載波初始化，比特分配置0。

步驟2 根據(jù)系統(tǒng)中信道的實(shí)時(shí)狀態(tài)，計(jì)算當(dāng)前信道狀態(tài)下，在每一個(gè)子載波上增加一個(gè)比特時(shí)采用的調(diào)制方式可能的誤碼率。

步驟3 根據(jù)步驟2，選取誤碼率最低的子載波，并在其上增加一個(gè)比特。

步驟4 根據(jù)上述2個(gè)步驟，逐步進(jìn)行比特分配，直到OFDM系統(tǒng)中所有比特全部分配完畢。

4 結(jié)束語

OFDM是一種高效的多載波調(diào)制方式。經(jīng)過多年的發(fā)展，OFDM技術(shù)不但被廣泛應(yīng)用于高速數(shù)字通信中，而且其應(yīng)用已擴(kuò)展到許多其他領(lǐng)域。隨著對(duì)OFDM研究的深入，該技術(shù)的未來應(yīng)用必將十分廣泛。同時(shí)，高速的 TMS320C6000系列DSP的出現(xiàn)，為OFDM的實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)提供了可能。本文研究了OFDM系統(tǒng)的理論，并結(jié)合DSP技術(shù)進(jìn)行了實(shí)現(xiàn)。通過采用自適應(yīng)算法對(duì)系統(tǒng)的不足進(jìn)行改進(jìn)，提升了OFDM系統(tǒng)的綜合性能。

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