無(wú)線(xiàn)通訊OFDM調制的實(shí)現

OFDM是現代寬帶無(wú)線(xiàn)通信系統應用的技術(shù)。為了減少高數據率OFDM系統中各信道間影響帶來(lái)的失真，引入循環(huán)前綴(CP)來(lái)消除碼間干擾(ISI)。它將一個(gè)IFFT包的最后部分復制到OFDM符號序列的前端。注意，CP的長(cháng)度必須長(cháng)于色散信道的長(cháng)度以徹底消除ISI。在發(fā)射器中，OFDM調制包括快速傅立葉逆變換(IFFT)運算和CP的插入。而在OFDM接收器中，CP在數據包送往FFT解調前被移除。新一代的無(wú)線(xiàn)系統以高動(dòng)態(tài)配置為標志，其中CP的長(cháng)度隨著(zhù)傳輸模式，幀結構(見(jiàn)圖1、2)以及更高級的協(xié)議而改變。例如，3GPP LTE中的CP配置每一個(gè)時(shí)隙。

圖1：3GPP LTE下的幀結構1，可用于TDD、FDD系統。

圖2：3GPP LTE下的幀結構2，可用于TDD系統。

OFDM調制的實(shí)現

下面將討論如何實(shí)現OFDM調制及解調中循環(huán)前綴的插入與消除。

　　FFT與FFT反變換：在OFDM調制中最關(guān)鍵的運算就是IFFT，相類(lèi)似，OFDM解調的核心為FFT。寬帶系統中的高FFT吞吐率是至關(guān)重要的，尤其是在FFT被多路數據通道共享時(shí)。

　　在WiMAX以及3GPP LTE這類(lèi)現代可擴展無(wú)線(xiàn)系統中，在運行中可重新配置的能力同樣成為系統要求的一個(gè)重要指標?？勺兞髂Ｊ较碌腇FT MegaCore函數瞄準的是可重新配置的無(wú)線(xiàn)通訊，是設計OFDM系統時(shí)的一個(gè)很好選擇。

　　FFT的MegaCore函數被設定為可變流模式，它允許FFT的大小和方向逐包改變。它還采用了存儲效率模式——這是FFT核的唯一模式，直接從FFT的蝶形引擎中輸出位反轉符號?？梢栽贔FT核之外結合帶有循環(huán)前綴插入的位反轉。這樣，整個(gè)OFDM調制可以節省出一個(gè)單緩沖器。

　　FFT模塊復用：為了減少邏輯門(mén)數，FFT模塊通常采用比其他基帶模塊更快的時(shí)鐘頻率并復用。FFT模塊可以被不同的源共享，譬如，多路天線(xiàn)、時(shí)分雙工(TDD)復用中的發(fā)射與接收，以及頻分雙工(FDD)系統。FFT模塊也可以與其他功能模塊共享，如振幅因數減小或信道估計模塊。不過(guò)，這些復用取決于用戶(hù)特定的算法，而非通用設計。這篇文章將集中討論最常見(jiàn)的無(wú)線(xiàn)通訊系統應用：如MIMO技術(shù)、TDD和FDD通信。

　　TDD操作：在TDD基站中，發(fā)送和接收發(fā)生在不重疊的時(shí)隙中。FFT模塊可以很容易地在采用合適的信號多路復用技術(shù)的發(fā)射機和接收機之間共享。圖3顯示一個(gè)典型的單一天線(xiàn)TDD OFDM調制器。

圖3：?jiǎn)翁炀€(xiàn)TDD系統中OFDM調制解調的共享。

在發(fā)射數據通道中，基帶數據被直接送入IFFT模塊。為在IFFT運算后插入CP并進(jìn)行位反轉操作，可以采用很多種不同的結構。圖4為一個(gè)使用Altera Avalon Streaming接口(Avalon-ST)的高效實(shí)現方案。IFFT輸出的位反轉信號按次序被寫(xiě)入一個(gè)單緩沖器，在那里，來(lái)自上一個(gè)OFDM符號的自然順序的樣本通過(guò)雙端口RAM同時(shí)被讀出。產(chǎn)生循環(huán)前綴時(shí)，通過(guò)Avalon-ST背壓流量控制使FFT核停轉。附加了循環(huán)前綴的連續OFDM符號再被送到數字上變頻器(DUC)來(lái)傳輸。

圖4：帶背壓的循環(huán)前綴插入的高效存儲實(shí)現方案。

而在接收通道中，經(jīng)過(guò)數字下變頻器(DDC)后，循環(huán)前綴從OFDM符號中被移除。如圖3示，循環(huán)移除模塊找到OFDM符號序列的正確起始位置然后把數據送向FFT解調。FFT模塊后的單緩沖器只能作為接收通道中的位反轉緩沖器而沒(méi)有背壓流量控制。為了重復利用控制單元，圖3中CP的插入和移除模塊能夠區分數據包是否用來(lái)發(fā)射還是接收，并采取相應操作。在這種存儲器高效率執行中，FFT核工作頻率為符號速率。一個(gè)單緩沖器足以完成循環(huán)前綴的插入和位反轉。

　　FDD操作：在FDD中，發(fā)送和接收是同時(shí)進(jìn)行的。FFT核的共享要求其工作頻率不低于基帶符號傳輸速率的兩倍。發(fā)射和接收數據通道各需要一個(gè)專(zhuān)用數據緩存。

　　圖5描述的是FDD系統下FFT復用的一種可能配置。數據發(fā)送和接收通道的操作類(lèi)似于TDD系統，其區別在于這些操作是同時(shí)進(jìn)行的。因此，pre-FFT數據必須被緩存且把頻率提高到快時(shí)鐘頻率。用一個(gè)單緩沖器就足以改變速率，因為緩沖器的寫(xiě)時(shí)鐘頻率總是低于或等于讀時(shí)鐘頻率。

圖5：?jiǎn)翁炀€(xiàn)中OFDM調制解調的FFT核共享。