基于高速傳輸技術(shù)的0FDM系統設計

引 言
軟件無(wú)線(xiàn)電(Software Radios)是一種新的無(wú)線(xiàn)電通信的體系結構。具體來(lái)說(shuō)，軟件無(wú)線(xiàn)電是以町編程的DSP或CPU為中心，將模塊化、標準化的硬件單元用總線(xiàn)方式連接起來(lái)，構成通用的硬件平臺，并通過(guò)軟件加載來(lái)實(shí)現各種無(wú)線(xiàn)通信功能的開(kāi)放式體系結構。

隨著(zhù)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(xiàn)傳輸的速率受限于硬件條件。要實(shí)現高速傳輸，就必須結合各種芯片的特點(diǎn)，使硬件平臺具有簡(jiǎn)單、通用的特點(diǎn)，因此需要開(kāi)發(fā)一個(gè)通用平臺。

DSP在控制和信號處理方面有優(yōu)勢，基帶信號的調制、解調及FFT／IFFT等運算可以由DSP實(shí)現，但是在實(shí)時(shí)處理方面受到現有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(shí)，通常要使用FPGA。FPGA特有的流水線(xiàn)設計結構可以使前后級在時(shí)間上并發(fā)，達到高效、高速。為了減小DSP在信號處理上的壓力．同時(shí)滿(mǎn)足高速要求，采用專(zhuān)用數字變頻芯片來(lái)實(shí)現數字上下變頻。

為了和軟件無(wú)線(xiàn)電的思想統一，在系統設計時(shí)考慮兼容單載波調制解調方式，采用DSP、FPGA、上下變頻器的方案，不使用專(zhuān)用調制解調芯片。

1 OFDM原理和基帶信號模型
正交頻分復用OFDM(Orthogonal Frequency Divi-sion Multiplex)是一種多載波調制方式，通過(guò)減小和消除碼間串擾的影響來(lái)克服信道的頻率選擇性衰落。它的基本原理是將信號分割為N個(gè)子信號，然后用N個(gè)子信號分別調制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(xiàn)通信領(lǐng)域得到了廣泛的應用。

當調制信號通過(guò)無(wú)線(xiàn)信道到達接收端時(shí)，由于信道多徑效應帶來(lái)的碼問(wèn)串擾的作用，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間隔。如果保護間隔大于最大時(shí)延擴展，則所有時(shí)延小于保護間隔的多徑信號將不會(huì )延伸到下一個(gè)碼元期間，從而有效地消除了碼間串擾。當采用單載波調制時(shí)，為減小ISI的影響，需要采用多級均衡器，這會(huì )遇到收斂和復雜性高等問(wèn)題。

圖1是OFDM基帶信號處理原理圖。其中，圖1(a)是發(fā)射機工作原理，圖l(b)是接收機工作原理。

在發(fā)射端，首先對比特流進(jìn)行QAM或QPSK調制，然后依次經(jīng)過(guò)串并變換和IFFT變換，再將并行數據轉化為串行數據，加上保護間隔(又稱(chēng)“循環(huán)前綴”)，形成0FDM碼元。在組幀時(shí)，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)榆測、同步和信道估計，最后輸出正交的基帶信號。

當接收機檢測到信號到達時(shí)，首先進(jìn)行同步和信道估計。當完成時(shí)問(wèn)同步、小數倍頻偏估計和糾正后，經(jīng)過(guò)FFT變換，進(jìn)行整數倍頻偏估計和糾正，此時(shí)得到的數據是QAM或QPSK的已調數據。對該數據進(jìn)行相應的解調，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 硬件結構
OFDM調制解調與常規調制解調相比，所需的運算量大，尤其是當系統選用的子載波個(gè)數多時(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(cháng)。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突發(fā)檢測、同步和頻偏校正等數字信號處理，所以接收端對實(shí)時(shí)性要求更高。在該系統中，使用FPGA完成信號的突發(fā)檢測和定時(shí)，DSP完成FFT/IFFT變換和QAM/QPSK調制解調。

本系統豐要由4部分組成：DSP、FPGA、正交數字上變頻器(Quadrature Digital Upconverter)、正交數字下變頻器(Quadrature Digital Downconverter)。系統硬件結構如圖2所示。圖中，D表示數據總線(xiàn)，A表示地址總線(xiàn)，C表示控制總線(xiàn)，L表示鏈路口數據線(xiàn)，字母后面的數字表示總線(xiàn)的位數。50 MHz晶振為兩片DSP及FPGA提供時(shí)鐘信號，32．768 MHz高穩定度品振為AD9857和AD6654提供高質(zhì)最的時(shí)鐘信號。復位芯片MAX6708控制DSP、FPGA、AD9857、AD6654和STl6C550的復位。

DSP完成QAM或QPSK的調制解調和FFT／IFFT變換。系統所使用的DSP是ADI公司的Tiger sharcTSlOl。該DSP具有以下特性：最高工作頻率為300MHz，3．3ns指令周期；6MB片內SRAM；2個(gè)計算模塊，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。對于0FDM基帶處理，該DSP最大的特點(diǎn)是：進(jìn)行256點(diǎn)的復數FFT變換，僅需3．67μs。

正交數字上變頻器采用ADI公司的AD9857。AD9857最高工作頻率為200 MHz，輸出中頻頻率范圍為0～80 MHz；內部集成半帶濾波器、CIC(CascadedIntegrator Cornb)濾波器，反SINC濾波器和高速的14位數／模轉換器，其核心是一個(gè)相位連續的直接數字頻率合成器DDS(Direct Digital Synthesizcr)。在該方案中，AD9857工作在正交調制模式，其32位頻率控制字使輸出頻率的最高精確度為：SYSCLK(系統時(shí)鐘)除以2。

正交數字下變頻器采用ADI公司的AD6654。AD6654內部集成了一個(gè)14位、92．1 6Msps的模／數轉換器和4/6通道的數字下變頻器。每個(gè)通道可獨立配置。數字下變頻內部集成了頻率變換器、可編程級聯(lián)梳狀濾波器(CIC)、2個(gè)濾波器組和數字自動(dòng)增益控制。其中：頻率變換是通過(guò)32位數控振蕩器實(shí)現的；CIC實(shí)現1～32倍的抽??；2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字信號，輸入中頻信號頻率最高可到200MHz，此時(shí)，使用欠采樣技術(shù)。

3 參數設計及調制信號波形
作者采用PCB八層板設計，實(shí)現了該系統的硬件平臺，并在此平臺基礎上實(shí)現了高速OFDM傳輸和常規單載波調制解調，形成了一個(gè)通用寬帶高速調制解調平臺。設計的目的是要在該平臺上實(shí)現現有的全部物理層的算法，特別是實(shí)現實(shí)時(shí)OFDM傳輸系統。對OFDM系統提出的指標要求如表l所列。

圖3給出了32路子載波OFDM在上述參數設計下的已調信號波形(見(jiàn)圖3(a))及其功率譜(見(jiàn)圖3(b))。圖中子載波調制方式為QPSK，碼兀頻率為中頻頻率36．864另外，數字調制方式的碼元頻率可達2MHz(即對于四相調制，比特速率可達4Mbp；對于32QAM調制，比特速率可達10 Mbps)，且子載波調制方式、比特(或碼元)速率、輸出中頻均可調。

4 結 論
本文所提出的方案有以下特點(diǎn)：
①基于雙DSP的結構．可工作在雙工方式，同時(shí)完成信號的發(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利于基帶信號的實(shí)時(shí)處理，可以實(shí)現高速調制解調。
②變頻器具有頻率分辨率高、頻率變化速度快、相位連續、易于數字控制等特點(diǎn)。采用DSP和變頻器的方案，不僅可以實(shí)現模擬調制解調，而且可以實(shí)現各種數字調制解調，兼容傳統調制解調和新型調制解調方式。MHz，帶寬是2．048 MHz。圖4給出了一種單載波調制制式(以π／4-QPSK為例)的時(shí)域波形(見(jiàn)圖4(a))及其功率譜(見(jiàn)圖4(b))。
③在DSP和變頻器之間使用FPGA，實(shí)現突發(fā)信號的同步捕獲，可以分擔DSP的部分任務(wù)，從而提高系統的實(shí)時(shí)性。