基于高速传输技术的OFDM系统设计

摘要 结合软件无线电的思想，提出了一种基于高速传输技术的OFDM系统设计方案，包括硬件构成和系统设计的实现；构建了一个通用硬件平台，在该平台上可实现高速多载波和常规单载波调制解调。
关键词 正交频分复用(OFDM) DSP FPGA DDS DDC

引言

    软件无线电（Software Radios）是一种新的无线电通信的体系结构。具体来说，软件无线电是以可编程的DSP或CPU为中心，将模块化、标准化的硬件单元用总线方式连接起来，构成通用的硬件平台，并通过软件加载来实现各种无线通信功能的开放式体系结构。

    随着通信的发展，高速传输技术引起广泛的研究和注意。到目前为止，无线传输的速率受限于硬件条件。要实现高速传输，就必须结合各种芯片的特点，使硬件平台具有简单、通用的特点，因此需要开发一个通用平台。

    DSP在控制和信号处理方面有优势，基带信号的调制、解调及FFT/IFFT等运算可以由DSP实现，但是在实时处理方面受到现有DSP处理速度和能力的制约。对于信号突发检测这种运算量大的处理，尤其是在高速传输时，通常要使用FPGA。FPGA特有的流水线设计结构可以使前后级在时间上并发，达到高效、高速。为了减小DSP在信号处理上的压力，同时满足高速要求，采用专用数字变频芯片来实现数字上下变频。

    为了和软件无线电的思想统一，在系统设计时考虑兼容单载波调制解调方式，采用DSP、FPGA、上下变频器的方案，不使用专用调制解调芯片。

1 OFDM原理和基带信号模型

    正交频分复用[1]OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplex)是一种多载波调制方式，通过减小和消除码间串扰的影响来克服信道的频率选择性衰落。它的基本原理是将信号分割为N个子信号，然后用N个子信号分别调制N个相互正交的子载波。由于子载波的频谱相互重叠，因而可以得到较高的频谱效率。近几年OFDM在无线通信领域得到了广泛的应用。

    当调制信号通过无线信道到达接收端时，由于信道多径效应带来的码间串扰的作用，子载波之间不再保持良好的正交状态，因而发送前需要在码元间插入保护间隔。如果保护间隔大于最大时延扩展，则所有时延小于保护间隔的多径信号将不会延伸到下一个码元期间，从而有效地消除了码间串扰。当采用单载波调制时，为减小ISI的影响，需要采用多级均衡器，这会遇到收敛和复杂性高等问题。

    图1是OFDM基带信号处理原理图。其中，图1（a）是发射机工作原理，图1（b）是接收机工作原理。

图1 OFDM基带信号处理原理图

    在发射端，首先对比特流进行QAM或QPSK调制，然后依次经过串并变换和IFFT变换，再将并行数据转化为串行数据，加上保护间隔（又称“循环前缀”），形成OFDM码元。在组帧时，须加入同步序列和信道估计序列，以便接收端进行突发检测、同步和信道估计，最后输出正交的基带信号。

    当接收机检测到信号到达时，首先进行同步和信道估计。当完成时间同步、小数倍频偏估计和纠正后，经过FFT变换，进行整数倍频偏估计和纠正，此时得到的数据是QAM或QPSK的已调数据。对该数据进行相应的解调，就可得到比特流。

    这里仅讨论软件功能模块，具体算法不在此涉及。

2 硬件结构

    OFDM调制解调与常规调制解调相比，所需的运算量大，尤其是当系统选用的子载波个数多时，仅在发射端的IFFT变换和接收端的FFT变换所需的时间就很长。通常使用FPGA和高速的DSP解决该问题。由于在接收端还要完成信号突发检测、同步和频偏校正等数字信号处理，所以接收端对实时性要求更高。在该系统中，使用FPGA完成信号的突发检测和定时，DSP完成FFT/IFFT变换和QAM/QPSK调制解调。

    本系统主要由4部分组成： DSP、FPGA、正交数字上变频器（Quadrature Digital Upconverter）、正交数字下变频器（Quadrature Digital Downconverter）。系统硬件结构如图2所示。图中，D表示数据总线，A表示地址总线，C表示控制总线， L表示链路口数据线， 字母后面的数字表示总线的位数。50 MHz晶振为两片DSP及FPGA提供时钟信号，32.768 MHz高稳定度晶振为AD9857和AD6654提供高质量的时钟信号。复位芯片MAX6708控制DSP、FPGA、AD9857、AD6654和ST16C550的复位。

图2 系统硬件结构

    DSP完成QAM或QPSK的调制解调和FFT/IFFT变换。系统所使用的DSP[2]是ADI公司的Tiger sharc TS101。该DSP具有以下特性： 最高工作频率为300 MHz，3.3 ns指令周期；6 MB片内SRAM；2个计算模块，每个模块都有1个ALU、1个乘法器、1个移位寄存器和1个寄存器组；2个整型ALU，用来提供寻址和指针操作；14个DMA控制器；1149.1 IEEE JTAG口。对于OFDM基带处理，该DSP最大的特点是： 进行256点的复数FFT变换，仅需3.67 μs。

    正交数字上变频器采用ADI公司的AD9857。AD9857[34]最高工作频率为200 MHz,输出中频频率范围为0~80 MHz；内部集成半带滤波器、CIC(Cascaded Integrator Comb)滤波器， 反SINC滤波器和高速的14位数/模转换器，其核心是一个相位连续的直接数字频率合成器DDS (Direct Digital Synthesizer)。在该方案中，AD9857工作在正交调制模式，其32位频率控制字使输出频率的最高精确度为：SYSCLK(系统时钟)除以232。

    正交数字下变频器采用ADI公司的AD6654。AD6654[5]内部集成了一个14位、92.16 Msps的模/数转换器和4/6通道的数字下变频器。每个通道可独立配置。数字下变频内部集成了频率变换器、可编程级联梳状滤波器（CIC）、2个滤波器组和数字自动增益控制。其中： 频率变换是通过32位数控振荡器实现的；CIC实现1~32倍的抽取；2个滤波器组包括FIR滤波器和2倍抽取的半带滤波器。输入的中频模拟信号经过ADC和频率变换后，使用滤波器组进行滤波和抽取，最后并行输出正交基带数字信号。输入中频信号频率最高可到200 MHz，此时，使用欠采样技术。

3 参数设计及调制

    信号波形作者采用PCB八层板设计，实现了该系统的硬件平台，并在此平台基础上实现了高速OFDM传输和常规单载波调制解调，形成了一个通用宽带高速调制解调平台。设计的目的是要在该平台上实现现有的全部物理层的算法，特别是实现实时OFDM传输系统。对OFDM系统提出的指标要求如表1所列。

    表1 OFDM系统指标要求

    图3给出了32路子载波OFDM在上述参数设计下的已调信号波形（见图3（a））及其功率谱（见图3（b））。图中子载波调制方式为QPSK，码元频率为中频频率36.864 MHz，带宽是2.048 MHz。图4给出了一种单载波调制制式（以π/4QPSK为例）的时域波形（见图4（a））及其功率谱（见图4（b））。另外，数字调制方式的码元频率可达2 MHz（即对于四相调制，比特速率可达4 Mbps；对于32QAM调制，比特速率可达10 Mbps），且子载波调制方式、比特（或码元）速率、输出中频均可调。

图3 实测OFDM波形

图4 实测π/4-QPSK波形

4 结论

    本文所提出的方案有以下特点：

    ① 基于双DSP的结构，可工作在双工方式，同时完成信号的发射和接收；工作在TDMA方式下或半双工时，DSP可通过Link口进行高速通信，有利于并行处理，以提高传输速率。DSP利于基带信号的实时处理，可以实现高速调制解调。

    ② 变频器具有频率分辨率高、频率变化速度快、相位连续、易于数字控制等特点。采用DSP和变频器的方案，不仅可以实现模拟调制解调，而且可以实现各种数字调制解调，兼容传统调制解调和新型调制解调方式。
③ 在DSP和变频器之间使用FPGA，实现突发信号的同步捕获，可以分担DSP的部分任务，从而提高系统的实时性。

参考文献

［1］ 佟学俭，罗涛. OFDM移动通信技术原理与应用. 北京：人民邮电出版社，2003.
［2］ Analog Devices, Inc. Tigersharc Embeded Processor ADSPTS101. 2003.
［3］ Analog Devices, Inc.COMS 200 MSPS 14Bit Quadrature Digital Upconverter. 2000.
［4］ 赵林靖. 基于软件无线电的多制式信号发生器的设计与实现. 电子技术应用，2003，29(3)：6061.
［5］ Analog Devices, Inc.14Bit,92.16MSPS,4&6Channel Wideband IF to Base Band Receiver AD6654. 2003.
［6］ 李建东，杨家玮. 个人通信. 北京：人民邮电出版社， 1998.

刘鹏（硕士）、赵林靖（博士）： 主要研究方向为宽带无线通信、软件无线电。