用于OFDM調(diào)制解調(diào)模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

0 引言

　　隨著技術(shù)和器件水平的發(fā)展以及對(duì)高速和可靠傳輸?shù)囊螅?a class="contentlabel" href="http://m.butianyuan.cn/news/listbylabel/label/OFDM">OFDM技術(shù)應(yīng)用越來(lái)越廣泛，由于其具有高速數(shù)據(jù)傳輸能力、高效的頻譜利用率和抗多徑干擾等能力，成為通信的研究熱點(diǎn)之一。在OFDM通信系統(tǒng)中，為實(shí)現(xiàn)高效信息的傳輸，可以采用多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制方式來(lái)傳輸數(shù)據(jù)符號(hào)。本文設(shè)計(jì)了一個(gè)用于OFDM通信系統(tǒng)的通用調(diào)制解詞模塊，采用了BPSK、QPSK、16QAM和64QAM四種調(diào)制方法，利掰共用ROM、共廂減法器等器件的方法，減少了電路規(guī)模和硬件資源消耗。此電路具有能夠通過(guò)消息反饋機(jī)制來(lái)自動(dòng)調(diào)整調(diào)制方法的能力。

1 調(diào)制／解調(diào)子模塊結(jié)構(gòu)

　　通用調(diào)制解調(diào)模塊原理如圖1所示。其中，選擇子模塊用來(lái)選擇調(diào)制子模塊和解調(diào)子模塊采用的調(diào)制方法。子模塊通過(guò)判別輸出數(shù)據(jù)的誤碼率來(lái)返回信息給選擇子模塊，如果當(dāng)前采用的調(diào)制方法的瀑碼率較高，那么選擇子模塊就會(huì)自動(dòng)調(diào)整采用其他的調(diào)制方法，達(dá)到采用最佳調(diào)制方法。

　　在通用調(diào)制解調(diào)模塊中，最主要的模塊就是調(diào)制子模塊和解調(diào)子模塊。下面介紹這兩個(gè)子模塊的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。

2設(shè)計(jì)分析

　　在調(diào)制子模塊和解調(diào)子模塊的實(shí)現(xiàn)中，采用了四種調(diào)制方式：BPSK、QPSK、16QAM和64QAM。

2.1調(diào)制方式分析

　　如圖2所示，BPSK在實(shí)際實(shí)現(xiàn)時(shí)，將0映射為1，將1映射為-1，來(lái)完成映射。解調(diào)時(shí)，將數(shù)據(jù)進(jìn)行一下逆轉(zhuǎn)換即可。而QPSK具有4個(gè)星座位置，QPSK的映射為：00對(duì)應(yīng)-1-li；01對(duì)應(yīng)-1+li；10對(duì)應(yīng)1-li；11對(duì)應(yīng)1+li；并乘以歸一化因子。解調(diào)時(shí)，只要進(jìn)行相反的過(guò)程，并將0作為裁決電平，即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的解調(diào)恢復(fù)。

　　16QAM由星座分布形狀可以分為方形16QAM和非方形16QAM，方形16QAM的星座圖如圖2(c)。根據(jù)星座圖實(shí)現(xiàn)時(shí)，將00映射為-1，01映射為-1／3，10映射為1，11映射為1／3；解調(diào)時(shí)，采用的是硬判決的方法，根據(jù)星座點(diǎn)的位置將空間劃分為16個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域以星座點(diǎn)為中心，在判定時(shí)，落人某個(gè)區(qū)域的數(shù)就認(rèn)為是相應(yīng)星座。64QAM調(diào)制方式與16QAM相似，不過(guò)星座點(diǎn)更多，效率也更高，實(shí)現(xiàn)中的映射表也更大，同樣，解調(diào)時(shí)也采用硬判決。

　　實(shí)際中，BPSK是一種較為簡(jiǎn)單的MPSK，采用了一個(gè)ROM存儲(chǔ)映射表，而QPSK由于采用4進(jìn)制PSK調(diào)制，每種相位信號(hào)可表示兩位二進(jìn)制信息，其編碼效率提高一倍，64QAM由于星座點(diǎn)較多，進(jìn)行判決的次數(shù)也相應(yīng)較多。

2.2電路優(yōu)化策略

　　一般調(diào)制解調(diào)模塊設(shè)計(jì)中，分別設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)各種調(diào)制方式，然后用一個(gè)選擇器來(lái)進(jìn)行選擇。但在各種調(diào)制方式的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)中，電路中許多器件都可以共用，將四種調(diào)制方式進(jìn)行整合，達(dá)到電路優(yōu)化設(shè)計(jì)是重點(diǎn)考慮的內(nèi)容。具體優(yōu)化設(shè)計(jì)策略如下：

(1)整合ROM

　　在調(diào)制子模塊中，根據(jù)四種調(diào)制方式調(diào)制的映射表分析，BPSK和QPSK以及16QAM的映射表都不是很大，可以與64QAM的映射表進(jìn)行整合，通過(guò)對(duì)映射表進(jìn)行適當(dāng)安排，合理的選擇機(jī)制，可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)ROM的調(diào)制子模塊，改變以往需要四個(gè)ROM分別實(shí)現(xiàn)四種調(diào)制的方式。

(2)整合寄存器、減法器和選擇器

　　BPSK和QPSK的解調(diào)較簡(jiǎn)單，星座點(diǎn)較少，因此判決最后可以轉(zhuǎn)換成映射關(guān)系。而16QAM和64QAM星座點(diǎn)較多，硬判決的區(qū)域判決需要一系列計(jì)算得出。實(shí)際判斷時(shí)，將數(shù)據(jù)分為實(shí)部和虛部，分別進(jìn)行判決。將實(shí)部(虛部)數(shù)據(jù)取模，然后和某星座點(diǎn)模值相減，將相減結(jié)果再取模與閾值相減進(jìn)行比較，來(lái)判斷是否屬于該星座點(diǎn)。所以，16QAM和64QAM解調(diào)制時(shí)，可考慮共用進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算所需的寄存器、數(shù)據(jù)選擇器、減法器等器件。

3模塊設(shè)計(jì)

　　由電路優(yōu)化設(shè)計(jì)思想，調(diào)制子模塊采用一個(gè)ROM來(lái)實(shí)現(xiàn)。調(diào)制子模塊主要組成部分是存儲(chǔ)映射表的ROM以及對(duì)ROM進(jìn)行操作的控制器，其中控制器根據(jù)選擇的調(diào)制方式和輸入的數(shù)據(jù)對(duì)ROM進(jìn)行操作。

3.1 ROM中映射表編制

　　如圖3所示，設(shè)計(jì)了一個(gè)調(diào)制控制來(lái)選擇ROM中的映射關(guān)系?；舅枷胧菍⑺膫€(gè)ROM中的映射表整合到一個(gè)ROM中進(jìn)行存儲(chǔ)。但是不能將四張映射表簡(jiǎn)單的進(jìn)行拼接，使得映射表的選擇變得復(fù)雜，導(dǎo)致ROM的控制器變得龐大。

　　在編制映射表時(shí)，考慮到64QAM有64個(gè)映射關(guān)系，需要6位地址線的存儲(chǔ)空間，而16QAM有16個(gè)映射關(guān)系，需要4位地址線的存儲(chǔ)空間，因此，采用了將ROM的前64位置分配給64QAM，其后的16位置分配給160AM方法。由于BPSK、QPSK的映射表可以蘊(yùn)含在64QAM的映射表中，這樣只需要在第七位地址線對(duì)64QAM和16QAM進(jìn)行區(qū)分，這使得ROM控制器易于設(shè)計(jì)。

 

3.2 ROM控制器設(shè)計(jì)

　　在ROM控制器中，根據(jù)ROM中映射表的安排，第七位地址線為0時(shí)對(duì)應(yīng)于64QAM調(diào)制，地址線的前六位對(duì)應(yīng)于輸入數(shù)據(jù)；第七位地址線為1時(shí)對(duì)應(yīng)于16QAM調(diào)制，地址線的前四位對(duì)應(yīng)于輸入數(shù)據(jù)。這樣，根據(jù)前級(jí)輸出中輸入的調(diào)制方式和輸入的數(shù)據(jù)，模塊控制器就能產(chǎn)生一個(gè)7位的地址線，對(duì)ROM進(jìn)行操作。在實(shí)際中把地址線的前三位對(duì)應(yīng)于輸入數(shù)據(jù)的data_in(0)，4-6位對(duì)應(yīng)輸入數(shù)據(jù)的data_in(1)，即根據(jù)前級(jí)輸出和數(shù)據(jù)輸入來(lái)指定調(diào)制方式和輸入數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的映射表，完成對(duì)ROM的控制。

3.3子模塊實(shí)現(xiàn)

　　解調(diào)制采用硬判決的方法，根據(jù)星座點(diǎn)位置將空間進(jìn)行劃分，把落入相應(yīng)空間的數(shù)對(duì)應(yīng)到相應(yīng)星座。根據(jù)數(shù)據(jù)與星座點(diǎn)之間的距離來(lái)判斷，在距離小于閾值時(shí)，認(rèn)為相應(yīng)的數(shù)落入此星座空間。

　　由于數(shù)據(jù)可分為實(shí)部和虛部，判決可以分別進(jìn)行，步驟相同。如對(duì)64QAM，實(shí)現(xiàn)如圖4所示，包括以下步驟：(1)由判決模塊1實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)部取模；(2)子電路1將取模后的數(shù)據(jù)與各星座點(diǎn)數(shù)據(jù)的實(shí)部模相減；(3)判決模塊2將結(jié)果再次取模；(4)最后子電路2把取模后的數(shù)據(jù)與預(yù)設(shè)閾值相減，如結(jié)果為負(fù)，則判定落入此區(qū)間。同理可進(jìn)行虛部判決，最后看實(shí)部和虛部確定的區(qū)間是否有重疊區(qū)域，就能確定歸屬的星座點(diǎn)。

 
　　對(duì)不同的星座點(diǎn)，16QAM與64QAM在判決過(guò)程中，子電路中的預(yù)設(shè)數(shù)據(jù)不同，因此，子電路1和子電路2不能共用，而判決模塊1和判決模塊2可以共用。傳輸?shù)臄?shù)據(jù)中，負(fù)數(shù)用補(bǔ)碼表示，用選擇器進(jìn)行選擇，對(duì)負(fù)數(shù)和正數(shù)分別進(jìn)行取模。判決模塊在16QAM和64QAM解調(diào)時(shí)可共用。
3.4調(diào)制方式選擇

　　調(diào)制方式選擇模塊中對(duì)應(yīng)四種調(diào)制方式分別設(shè)置為：00對(duì)應(yīng)BPSK方式；01對(duì)應(yīng)QPSK方式；10對(duì)應(yīng)16QAM方式；11對(duì)應(yīng)64QAM方式。

　　實(shí)際中，不同調(diào)制方式有各自的最佳工作區(qū)域，如64QAM適用于高發(fā)送速率的調(diào)制，在信噪比很低時(shí)，接收端的誤碼率會(huì)很高，因此需要自動(dòng)調(diào)整調(diào)制方式以獲得最佳傳輸效果。解決辦法是當(dāng)接收端誤碼率過(guò)高時(shí)，反饋信號(hào)給調(diào)制方式選擇子模塊，根據(jù)預(yù)設(shè)的順序，更改調(diào)制方式，直到降低誤碼率。

4實(shí)現(xiàn)與仿真

　　通用調(diào)制解調(diào)制模塊用Verilog HDL設(shè)計(jì)完成。選用ALTERA公司的CycloneII系列EP2C70F672C8器件，進(jìn)行綜合、布局布線和時(shí)序分析。優(yōu)化后的調(diào)制解調(diào)模塊的資源消耗與通常實(shí)現(xiàn)這四種調(diào)制方式的調(diào)制解調(diào)模塊需要消耗的資源比較如表2。

 
　　可以看到各類模塊在不損失功能和性能的基礎(chǔ)上達(dá)到了節(jié)約資源的目的。模塊的最大工作頻率為136.54 MHz，符合OFDM系統(tǒng)中FFT的數(shù)據(jù)要求。邏輯元件減少了37％，存儲(chǔ)器位減少了70％以上，寄存器減少了40％，與傳統(tǒng)方式相比較，大大降低了系統(tǒng)對(duì)硬件的依賴性。
5 結(jié)論

　　對(duì)BPSK、QPSK、16QAM和64QAM調(diào)制方式的通用調(diào)制解調(diào)模塊的優(yōu)化設(shè)計(jì)，根據(jù)接收端誤碼率來(lái)自動(dòng)調(diào)整所采取的調(diào)制方式，適當(dāng)排列映射表，選擇合理機(jī)制。用一個(gè)ROM調(diào)制子模塊實(shí)現(xiàn)四種調(diào)制方式。采用將數(shù)據(jù)分為實(shí)部和虛部分別進(jìn)行判決，可將16QAM和64QAM解調(diào)制運(yùn)算所用的寄存器、數(shù)據(jù)選擇器、減法器等器件進(jìn)行整合。最后仿真實(shí)現(xiàn)結(jié)果說(shuō)明，這種策略能達(dá)到在不損性能的前提下減少硬件資源需求目的。