LDPC—RCM—OFDM通信系統(tǒng)平臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘 要 隨著無線通信技術(shù)發(fā)展，通信系統(tǒng)硬件平臺(tái)不僅要求具有極強(qiáng)的處理能力以滿足實(shí)時(shí)快速的算法實(shí)現(xiàn)要求，同時(shí)也需支持多種無線環(huán)境的應(yīng)用。因此，如何快速而靈活的實(shí)現(xiàn)實(shí)際無線通信系統(tǒng)具有重要的意義。本文提出一種基于FPGA為核心的無線通信硬件平臺(tái)，該平臺(tái)能夠方便完成數(shù)字基帶信號處理、通信信號處理算法的硬件實(shí)現(xiàn)以及DA/AD控制和射頻模塊配置等工作。我們還設(shè)計(jì)了高速的DA/AD子板，用以連接FPGA和寬帶射頻子板，從而實(shí)現(xiàn)快速無線通信系統(tǒng)的搭建。最后，通過軟硬件模塊化設(shè)計(jì)和調(diào)試，完成了基于LDPC-RCM-OFDM通信系統(tǒng)驗(yàn)證。結(jié)果表明該硬件平臺(tái)具有較強(qiáng)的信號處理能力和快速而靈活的通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)能力。

【關(guān)鍵詞】速率兼容調(diào)制 正交頻分復(fù)用技術(shù) 硬件平臺(tái)

1 引言

正交頻分復(fù)用技術(shù)（OFDM）作為當(dāng)前和未來移動(dòng)通信的關(guān)鍵技術(shù)之一，已廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代數(shù)字通信系統(tǒng)中。OFDM具有允許各子載波分別使用不同調(diào)制模式的優(yōu)越性、較高的頻帶利用率、較強(qiáng)的抗衰落和符號間干擾能力?；谒俾始嫒菡{(diào)制（RCM）自適應(yīng)傳輸技術(shù)能夠有效提高頻率效率，且能在較寬的信道范圍內(nèi)獲得光滑的速率調(diào)整[1]。因此，將OFDM與基于RCM的自適應(yīng)調(diào)制相結(jié)合具有良好的應(yīng)用前景。同時(shí)，實(shí)際無線時(shí)變信道往往會(huì)遭遇突發(fā)干擾和深衰落，從而導(dǎo)致很高的誤碼率，為建立起高速可靠的通信鏈路，還需利用信道編碼以克服信道的噪聲、衰落和突發(fā)干擾。而低密度奇偶校驗(yàn)碼（LDPC）被證明有著優(yōu)異的糾錯(cuò)性能，并且LDPC碼在性能分析、解碼運(yùn)算復(fù)雜度、構(gòu)造方法以及硬件實(shí)現(xiàn)上具有諸多優(yōu)勢[2]。

因此，基于LDPC-RCM-OFDM的通信系統(tǒng)將能夠充分利用各自優(yōu)勢，在有效提高頻譜效率的同時(shí)具有較強(qiáng)抗突發(fā)干擾和衰落的能力。為對該系統(tǒng)性能進(jìn)行快速驗(yàn)證，本文設(shè)計(jì)了一種LDPC-RCM-OFDM硬件驗(yàn)證平臺(tái)，該平臺(tái)以ML605 FPGA開發(fā)板為核心，完成數(shù)字基帶信號處理、RCM解調(diào)和LDPC解碼，實(shí)現(xiàn)對高速AD＼DA子板的控制，并采用通用軟件無線電[3]（USRP）的寬帶射頻子板WBX構(gòu)建實(shí)際無線通信鏈路。由于采用高性能的FPGA和模塊化的硬件結(jié)構(gòu)，本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)具有較強(qiáng)的信號處理能力和快速靈活搭建實(shí)際無線通信系統(tǒng)特點(diǎn)。該硬件平臺(tái)還可以為其他無線通信系統(tǒng)提供基于軟件無線電方式的快速實(shí)現(xiàn)和驗(yàn)證。

2 硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)總體概述

本文提出的LDPC-RCM-OFDM通信系統(tǒng)驗(yàn)證平臺(tái)框圖如圖1所示，該平臺(tái)主要包含基帶處理模塊、DA/AD轉(zhuǎn)換模塊、射頻模塊三部分。其中Xilinx公司的ML605 FPGA開發(fā)平臺(tái)主要進(jìn)行基帶處理和通信信號算法實(shí)現(xiàn)；射頻前端模塊完成無線信號的收發(fā)；高速DA/AD子板將FPGA和寬帶射頻子板連接以快速搭建完整的實(shí)際無線通信系統(tǒng)；計(jì)算機(jī)完成數(shù)據(jù)產(chǎn)生、接收、誤碼檢測和內(nèi)存分配，PC機(jī)通過PCIe接口與FPGA板進(jìn)行通信。

2.2 基帶處理模塊

硬件平臺(tái)以ML605FPGA開發(fā)板為核心，該平臺(tái)具有高性能的邏輯和數(shù)字信號處理能力、可外擴(kuò)2GB容量DDR3 SODIMM存儲(chǔ)器、支持X8通道PCIe總線接口、可外掛程序和數(shù)據(jù)固化功能的32MB FLASH、千兆以太網(wǎng)接口、支持FMC連接器擴(kuò)展接口。FPGA芯片為XC6VSX240T，富含豐富硬件乘法資源、邏輯資源和高速串行接口和總線，非常適合進(jìn)行高性能的無線通信產(chǎn)品開發(fā)。

FPGA主要完成數(shù)字基帶信號處理、通信信號處理算法的硬件實(shí)現(xiàn)。發(fā)送信息經(jīng)分組、編碼、交織、映射調(diào)制、串/并轉(zhuǎn)換、IFFT、插入循環(huán)前綴CP，最后經(jīng)DA數(shù)模轉(zhuǎn)換后通過射頻板發(fā)射。接收信號的數(shù)據(jù)處理為發(fā)射過程的逆過程，將接收到的信息解調(diào)譯碼，得到基帶信號，這里不再詳細(xì)論述。

2.3 DA/AD處理模塊

發(fā)送端需要對數(shù)字基帶信號進(jìn)行DA轉(zhuǎn)換，得到I/Q兩路模擬信號，然后通過射頻前段上變頻和濾波處理并發(fā)射。DA輸出控制采用AD公司生產(chǎn)的16bit/160M數(shù)模轉(zhuǎn)換器AD9777，其在通信、數(shù)字調(diào)制、3G、寬帶無線等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，芯片主要包括I/Q通道數(shù)據(jù)接口模塊、數(shù)字調(diào)制模塊、鎖相環(huán)時(shí)鐘模塊、內(nèi)插濾波器模塊和SPI數(shù)據(jù)控制接口。圖2為AD9777電路詳細(xì)設(shè)計(jì)方案。

FPGA通過SPI接口對AD9777控制寄存器進(jìn)行配置，片選CSB拉低以后開始通信，在時(shí)鐘SCLK的上升沿，芯片通過SDIO寫入數(shù)據(jù)到SPI控制器，SCLK的下降沿，芯片通過SDIO讀取寄存器數(shù)據(jù)，CSB上升沿結(jié)束通信并將數(shù)據(jù)寫入相應(yīng)的寄存器實(shí)現(xiàn)芯片功能的配置。輸入數(shù)據(jù)在參考時(shí)鐘CLK+/-的上升沿寫入數(shù)據(jù)端口P1和P2，實(shí)現(xiàn)模擬電壓輸出。我們通過Verilog HDL語言完成AD9777的控制邏輯設(shè)計(jì)，并通過仿真以驗(yàn)證程序是否滿足AD9777控制時(shí)序，仿真結(jié)果如圖3所示。

從圖3的可以看出，仿真結(jié)果完全滿足SPI的控制時(shí)序。隨后我們還在FPGA上進(jìn)行硬件測試，硬件測試結(jié)果表明，完全可以實(shí)現(xiàn)對AD9777的準(zhǔn)確控制。

接收端通過射頻前段下變頻和濾波處理后，需要對接收到的模擬信號進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，得到數(shù)字信號，再進(jìn)行基帶處理和解調(diào)解碼。本設(shè)計(jì)中ADC芯片選用TI公司的14bit/125M模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADS62P45，其主要應(yīng)用于無線通信、軟件無線電、Wimax等領(lǐng)域。該芯片控制電路簡單，僅需通過檢測SCLK、SEN、CTRL[1：3]引腳電壓確定ADC工作模式，如外部/內(nèi)部參考、DDR LVDS/CMOS輸出、數(shù)據(jù)格式以及掉電模式等。

參考芯片手冊，本文采用并行模式、CMOS電平、二進(jìn)制補(bǔ)碼輸出，該模式下，SCLK和SEN引腳接AVDD，SDATA引腳下拉，RESET引腳則上拉，輸入差分時(shí)鐘CLKP/M，ADC芯片即可實(shí)現(xiàn)模擬信號數(shù)字化。ADS62P45詳細(xì)設(shè)計(jì)電路如圖4所示。

2.4 射頻模塊

射頻前端模塊主要實(shí)現(xiàn)模擬低頻信號上變頻到適合傳輸?shù)纳漕l信號，或者把從空間接收到的射頻信號下變頻到數(shù)字中頻信號。為了避免了射頻單元的設(shè)計(jì)，系統(tǒng)借用了USRP里的射頻子板WBX，該子板只需通過FPGA將配置參數(shù)寫入射頻模塊，實(shí)現(xiàn)射頻模塊的工作方式、衰減系數(shù)和中心頻率等參數(shù)控制，就能快速構(gòu)建實(shí)際無線通信鏈路。其中WBX射頻板卡頻率范圍：50MHz～2.2GHz，包括公共安全、廣播電視、未來陸地移動(dòng)通信、低功耗unlicensed設(shè)備、WSN、手機(jī)，以及五個(gè)業(yè)余無線電波段。由于采用寬帶WBX射頻板，使得本硬件平臺(tái)能夠滿足多種通信系統(tǒng)。通過FPGA配置，可以快速靈活的構(gòu)建不同實(shí)際通信系統(tǒng)。

3 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的基于Xilinx公司的ML605 FPGA為核心的無線通信硬件驗(yàn)證平臺(tái)實(shí)物如圖5所示。硬件和軟件調(diào)試結(jié)果表明，該通信實(shí)驗(yàn)平臺(tái)不僅能夠滿足LDPC-RCM-OFDM通信系統(tǒng)驗(yàn)證要求，還可以通過FPGA編程控制射頻和AD＼DA，快速而靈活的搭建其他高速無線通信系統(tǒng)。

參考文獻(xiàn)

[1]Wengui Rao，F(xiàn)ang Lu，Shaoping Chen，Yan Dong，Shu Wang，Low-Complexity Rate Compatible Modulation via Variable Weight Sets，IEEE Global Communications Conference （Globecom 2014），Austin，USA，pp.3633-3638，Dec.2014.

[2]Liangbin Li，Ramesh Annavajjala，Toshiaki Koike-Akino，and Philip Orlik，Robust Receiver Algorithms to Mitigate Partial-Band and Partial-Time Interference in LDPC-coded OFDM Systems，Military Communications Conference （MILCOM 2012），pp：1-6，2012.

[3]北京海曼無限信息技術(shù)有限公司.USRP系列產(chǎn)品白皮書[Z].北京海曼無限信息技術(shù)有限公司，2009.

作者簡介

周陽忠（1989-），男，土家族，湖北省利川市人。碩士研究生。研究方向?yàn)闊o線通信。

榮宇航（1995-），男，湖北省仙桃市人。本科生。研究方向?yàn)闊o線通信。

作者單位

中南民族大學(xué)電子信息工程學(xué)院 湖北省武漢市 430074