基于高速傳輸技術(shù)的OFDM系統(tǒng)設(shè)計

引言

軟件無線電（software radios）是一種新的無線電通信的體系結(jié)構(gòu)。具體來說，軟件無線電是以可編程的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，構(gòu)成通用的硬件平臺，并通過軟件加載來實現(xiàn)各種無線通信功能的開放式體系結(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，無線傳輸?shù)乃俾适芟抻谟布l件。要實現(xiàn)高速傳輸，就必須結(jié)合各種芯片的特點，使硬件平臺具有簡單、通用的特點，因此需要開發(fā)一個通用平臺。

dsp在控制和信號處理方面有優(yōu)勢，基帶信號的調(diào)制、解調(diào)及fft/ifft等運算可以由dsp實現(xiàn)，但是在實時處理方面受到現(xiàn)有dsp處理速度和能力的制約。對于信號突發(fā)檢測這種運算量大的處理，尤其是在高速傳輸時，通常要使用fpga。fpga特有的流水線設(shè)計結(jié)構(gòu)可以使前后級在時間上并發(fā)，達(dá)到高效、高速。為了減小dsp在信號處理上的壓力，同時滿足高速要求，采用專用數(shù)字變頻芯片來實現(xiàn)數(shù)字上下變頻。

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

1 ofdm原理和基帶信號模型

正交頻分復(fù)用[1]ofdm（orthogonal frequency division multiplex)是一種多載波調(diào)制方式，通過減小和消除碼間串?dāng)_的影響來克服信道的頻率選擇性衰落。它的基本原理是將信號分割為n個子信號，然后用n個子信號分別調(diào)制n個相互正交的子載波。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在無線通信領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

當(dāng)調(diào)制信號通過無線信道到達(dá)接收端時，由于信道多徑效應(yīng)帶來的碼間串?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)間隔大于最大時延擴(kuò)展，則所有時延小于保護(hù)間隔的多徑信號將不會延伸到下一個碼元期間，從而有效地消除了碼間串?dāng)_。當(dāng)采用單載波調(diào)制時，為減小isi的影響，需要采用多級均衡器，這會遇到收斂和復(fù)雜性高等問題。

圖1是ofdm基帶信號處理原理圖。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，首先對比特流進(jìn)行qam或qpsk調(diào)制，然后依次經(jīng)過串并變換和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“循環(huán)前綴”），形成ofdm碼元。在組幀時，須加入同步序列和信道估計序列，以便接收端進(jìn)行突發(fā)檢測、同步和信道估計，最后輸出正交的基帶信號。

當(dāng)接收機(jī)檢測到信號到達(dá)時，首先進(jìn)行同步和信道估計。當(dāng)完成時間同步、小數(shù)倍頻偏估計和糾正后，經(jīng)過fft變換，進(jìn)行整數(shù)倍頻偏估計和糾正，此時得到的數(shù)據(jù)是qam或qpsk的已調(diào)數(shù)據(jù)。對該數(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，所需的運算量大，尤其是當(dāng)系統(tǒng)選用的子載波個數(shù)多時，僅在發(fā)射端的ifft變換和接收端的fft變換所需的時間就很長。通常使用fpga和高速的dsp解決該問題。由于在接收端還要完成信號突發(fā)檢測、同步和頻偏校正等數(shù)字信號處理，所以接收端對實時性要求更高。在該系統(tǒng)中，使用fpga完成信號的突發(fā)檢測和定時，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提供時鐘信號，32.768 mhz高穩(wěn)定度晶振為ad9857和ad6654提供高質(zhì)量的時鐘信號。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個計算模塊，每個模塊都有1個alu、1個乘法器、1個移位寄存器和1個寄存器組；2個整型alu，用來提供尋址和指針操作；14個dma控制器；1149.1 ieee jtag口。對于ofdm基帶處理，該dsp最大的特點是： 進(jìn)行256點的復(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。每個通道可獨立配置。數(shù)字下變頻內(nèi)部集成了頻率變換器、可編程級聯(lián)梳狀濾波器（cic）、2個濾波器組和數(shù)字自動增益控制。其中： 頻率變換是通過32位數(shù)控振蕩器實現(xiàn)的；cic實現(xiàn)1~32倍的抽?。?個濾波器組包括fir濾波器和2倍抽取的半帶濾波器。輸入的中頻模擬信號經(jīng)過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。輸入中頻信號頻率最高可到200 mhz，此時，使用欠采樣技術(shù)。

3 參數(shù)設(shè)計及調(diào)制

信號波形作者采用pcb八層板設(shè)計，實現(xiàn)了該系統(tǒng)的硬件平臺，并在此平臺基礎(chǔ)上實現(xiàn)了高速ofdm傳輸和常規(guī)單載波調(diào)制解調(diào)，形成了一個通用寬帶高速調(diào)制解調(diào)平臺。設(shè)計的目的是要在該平臺上實現(xiàn)現(xiàn)有的全部物理層的算法，特別是實現(xiàn)實時ofdm傳輸系統(tǒng)。對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)計下的已調(diào)信號波形（見圖3（a））及其功率譜（見圖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）的時域波形（見圖4（a））及其功率譜（見圖4（b））。另外，數(shù)字調(diào)制方式的碼元頻率可達(dá)2 mhz（即對于四相調(diào)制，比特速率可達(dá)4 mbps；對于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：

① 基于雙dsp的結(jié)構(gòu)，可工作在雙工方式，同時完成信號的發(fā)射和接收；工作在tdma方式下或半雙工時，dsp可通過link口進(jìn)行高速通信，有利于并行處理，以提高傳輸速率。dsp利于基帶信號的實時處理，可以實現(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。采用dsp和變頻器的方案，不僅可以實現(xiàn)模擬調(diào)制解調(diào)，而且可以實現(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，實現(xiàn)突發(fā)信號的同步捕獲，可以分擔(dān)dsp的部分任務(wù)，從而提高系統(tǒng)的實時性。