基于高速傳輸技術(shù)的OFDM系統(tǒng)設(shè)計(jì)

引言

軟件無(wú)線電（software radios）是一種新的無(wú)線電通信的體系結(jié)構(gòu)。具體來(lái)說(shuō)，軟件無(wú)線電是以可編程的dsp或cpu為中心，將模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化的硬件單元用總線方式連接起來(lái)，構(gòu)成通用的硬件平臺(tái)，并通過(guò)軟件加載來(lái)實(shí)現(xiàn)各種無(wú)線通信功能的開(kāi)放式體系結(jié)構(gòu)。

隨著通信的發(fā)展，高速傳輸技術(shù)引起廣泛的研究和注意。到目前為止，無(wú)線傳輸?shù)乃俾适芟抻谟布l件。要實(shí)現(xiàn)高速傳輸，就必須結(jié)合各種芯片的特點(diǎn)，使硬件平臺(tái)具有簡(jiǎn)單、通用的特點(diǎn)，因此需要開(kāi)發(fā)一個(gè)通用平臺(tái)。

dsp在控制和信號(hào)處理方面有優(yōu)勢(shì)，基帶信號(hào)的調(diào)制、解調(diào)及fft/ifft等運(yùn)算可以由dsp實(shí)現(xiàn)，但是在實(shí)時(shí)處理方面受到現(xiàn)有dsp處理速度和能力的制約。對(duì)于信號(hào)突發(fā)檢測(cè)這種運(yùn)算量大的處理，尤其是在高速傳輸時(shí)，通常要使用fpga。fpga特有的流水線設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)可以使前后級(jí)在時(shí)間上并發(fā)，達(dá)到高效、高速。為了減小dsp在信號(hào)處理上的壓力，同時(shí)滿足高速要求，采用專(zhuān)用數(shù)字變頻芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)字上下變頻。

為了和軟件無(wú)線電的思想統(tǒng)一，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)考慮兼容單載波調(diào)制解調(diào)方式，采用dsp、fpga、上下變頻器的方案，不使用專(zhuān)用調(diào)制解調(diào)芯片。

1 ofdm原理和基帶信號(hào)模型

正交頻分復(fù)用[1]ofdm（orthogonal frequency division multiplex)是一種多載波調(diào)制方式，通過(guò)減小和消除碼間串?dāng)_的影響來(lái)克服信道的頻率選擇性衰落。它的基本原理是將信號(hào)分割為n個(gè)子信號(hào)，然后用n個(gè)子信號(hào)分別調(diào)制n個(gè)相互正交的子載波。由于子載波的頻譜相互重疊，因而可以得到較高的頻譜效率。近幾年ofdm在無(wú)線通信領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

當(dāng)調(diào)制信號(hào)通過(guò)無(wú)線信道到達(dá)接收端時(shí)，由于信道多徑效應(yīng)帶來(lái)的碼間串?dāng)_的作用，子載波之間不再保持良好的正交狀態(tài)，因而發(fā)送前需要在碼元間插入保護(hù)間隔。如果保護(hù)間隔大于最大時(shí)延擴(kuò)展，則所有時(shí)延小于保護(hù)間隔的多徑信號(hào)將不會(huì)延伸到下一個(gè)碼元期間，從而有效地消除了碼間串?dāng)_。當(dāng)采用單載波調(diào)制時(shí)，為減小isi的影響，需要采用多級(jí)均衡器，這會(huì)遇到收斂和復(fù)雜性高等問(wèn)題。

圖1是ofdm基帶信號(hào)處理原理圖。其中，圖1（a）是發(fā)射機(jī)工作原理，圖1（b）是接收機(jī)工作原理。

在發(fā)射端，首先對(duì)比特流進(jìn)行qam或qpsk調(diào)制，然后依次經(jīng)過(guò)串并變換和ifft變換，再將并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為串行數(shù)據(jù)，加上保護(hù)間隔（又稱(chēng)“循環(huán)前綴”），形成ofdm碼元。在組幀時(shí)，須加入同步序列和信道估計(jì)序列，以便接收端進(jìn)行突發(fā)檢測(cè)、同步和信道估計(jì)，最后輸出正交的基帶信號(hào)。

當(dāng)接收機(jī)檢測(cè)到信號(hào)到達(dá)時(shí)，首先進(jìn)行同步和信道估計(jì)。當(dāng)完成時(shí)間同步、小數(shù)倍頻偏估計(jì)和糾正后，經(jīng)過(guò)fft變換，進(jìn)行整數(shù)倍頻偏估計(jì)和糾正，此時(shí)得到的數(shù)據(jù)是qam或qpsk的已調(diào)數(shù)據(jù)。對(duì)該數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的解調(diào)，就可得到比特流。

這里僅討論軟件功能模塊，具體算法不在此涉及。

2 硬件結(jié)構(gòu)

ofdm調(diào)制解調(diào)與常規(guī)調(diào)制解調(diào)相比，所需的運(yùn)算量大，尤其是當(dāng)系統(tǒng)選用的子載波個(gè)數(shù)多時(shí)，僅在發(fā)射端的ifft變換和接收端的fft變換所需的時(shí)間就很長(zhǎng)。通常使用fpga和高速的dsp解決該問(wèn)題。由于在接收端還要完成信號(hào)突發(fā)檢測(cè)、同步和頻偏校正等數(shù)字信號(hào)處理，所以接收端對(duì)實(shí)時(shí)性要求更高。在該系統(tǒng)中，使用fpga完成信號(hào)的突發(fā)檢測(cè)和定時(shí)，dsp完成fft/ifft變換和qam/qpsk調(diào)制解調(diào)。

本系統(tǒng)主要由4部分組成： dsp、fpga、正交數(shù)字上變頻器（quadrature digital upconverter）、正交數(shù)字下變頻器（quadrature digital downconverter）。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖中，d表示數(shù)據(jù)總線，a表示地址總線，c表示控制總線， l表示鏈路口數(shù)據(jù)線， 字母后面的數(shù)字表示總線的位數(shù)。50 mhz晶振為兩片dsp及fpga提供時(shí)鐘信號(hào)，32.768 mhz高穩(wěn)定度晶振為ad9857和ad6654提供高質(zhì)量的時(shí)鐘信號(hào)。復(fù)位芯片max6708控制dsp、fpga、ad9857、ad6654和st16c550的復(fù)位。

dsp完成qam或qpsk的調(diào)制解調(diào)和fft/ifft變換。系統(tǒng)所使用的dsp[2]是adi公司的tiger sharc ts101。該dsp具有以下特性： 最高工作頻率為300 mhz，3.3 ns指令周期；6 mb片內(nèi)sram；2個(gè)計(jì)算模塊，每個(gè)模塊都有1個(gè)alu、1個(gè)乘法器、1個(gè)移位寄存器和1個(gè)寄存器組；2個(gè)整型alu，用來(lái)提供尋址和指針操作；14個(gè)dma控制器；1149.1 ieee jtag口。對(duì)于ofdm基帶處理，該dsp最大的特點(diǎn)是： 進(jìn)行256點(diǎn)的復(fù)數(shù)fft變換，僅需3.67 μs。

正交數(shù)字上變頻器采用adi公司的ad9857。ad9857[34]最高工作頻率為200 mhz,輸出中頻頻率范圍為0~80 mhz；內(nèi)部集成半帶濾波器、cic(cascaded integrator comb)濾波器， 反sinc濾波器和高速的14位數(shù)/模轉(zhuǎn)換器，其核心是一個(gè)相位連續(xù)的直接數(shù)字頻率合成器dds (direct digital synthesizer)。在該方案中，ad9857工作在正交調(diào)制模式，其32位頻率控制字使輸出頻率的最高精確度為：sysclk(系統(tǒng)時(shí)鐘)除以232。

正交數(shù)字下變頻器采用adi公司的ad6654。ad6654[5]內(nèi)部集成了一個(gè)14位、92.16 msps的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器和4/6通道的數(shù)字下變頻器。每個(gè)通道可獨(dú)立配置。數(shù)字下變頻內(nèi)部集成了頻率變換器、可編程級(jí)聯(lián)梳狀濾波器（cic）、2個(gè)濾波器組和數(shù)字自動(dòng)增益控制。其中： 頻率變換是通過(guò)32位數(shù)控振蕩器實(shí)現(xiàn)的；cic實(shí)現(xiàn)1~32倍的抽?。?個(gè)濾波器組包括fir濾波器和2倍抽取的半帶濾波器。輸入的中頻模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)adc和頻率變換后，使用濾波器組進(jìn)行濾波和抽取，最后并行輸出正交基帶數(shù)字信號(hào)。輸入中頻信號(hào)頻率最高可到200 mhz，此時(shí)，使用欠采樣技術(shù)。

3 參數(shù)設(shè)計(jì)及調(diào)制

信號(hào)波形作者采用pcb八層板設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了該系統(tǒng)的硬件平臺(tái)，并在此平臺(tái)基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了高速ofdm傳輸和常規(guī)單載波調(diào)制解調(diào)，形成了一個(gè)通用寬帶高速調(diào)制解調(diào)平臺(tái)。設(shè)計(jì)的目的是要在該平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有的全部物理層的算法，特別是實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)ofdm傳輸系統(tǒng)。對(duì)ofdm系統(tǒng)提出的指標(biāo)要求如表1所列。

圖3給出了32路子載波ofdm在上述參數(shù)設(shè)計(jì)下的已調(diào)信號(hào)波形（見(jiàn)圖3（a））及其功率譜（見(jiàn)圖3（b））。圖中子載波調(diào)制方式為qpsk，碼元頻率為中頻頻率36.864 mhz，帶寬是2.048 mhz。圖4給出了一種單載波調(diào)制制式（以π/4qpsk為例）的時(shí)域波形（見(jiàn)圖4（a））及其功率譜（見(jiàn)圖4（b））。另外，數(shù)字調(diào)制方式的碼元頻率可達(dá)2 mhz（即對(duì)于四相調(diào)制，比特速率可達(dá)4 mbps；對(duì)于32qam調(diào)制，比特速率可達(dá)10 mbps），且子載波調(diào)制方式、比特（或碼元）速率、輸出中頻均可調(diào)。

4 結(jié)論

本文所提出的方案有以下特點(diǎn)：

① 基于雙dsp的結(jié)構(gòu)，可工作在雙工方式，同時(shí)完成信號(hào)的發(fā)射和接收；工作在tdma方式下或半雙工時(shí)，dsp可通過(guò)link口進(jìn)行高速通信，有利于并行處理，以提高傳輸速率。dsp利于基帶信號(hào)的實(shí)時(shí)處理，可以實(shí)現(xiàn)高速調(diào)制解調(diào)。

② 變頻器具有頻率分辨率高、頻率變化速度快、相位連續(xù)、易于數(shù)字控制等特點(diǎn)。采用dsp和變頻器的方案，不僅可以實(shí)現(xiàn)模擬調(diào)制解調(diào)，而且可以實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字調(diào)制解調(diào)，兼容傳統(tǒng)調(diào)制解調(diào)和新型調(diào)制解調(diào)方式。

③ 在dsp和變頻器之間使用fpga，實(shí)現(xiàn)突發(fā)信號(hào)的同步捕獲，可以分擔(dān)dsp的部分任務(wù)，從而提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。