用于OFDM調制解調模塊的設計與實(shí)現

0 引言

　　隨著(zhù)技術(shù)和器件水平的發(fā)展以及對高速和可靠傳輸的要求，OFDM技術(shù)應用越來(lái)越廣泛，由于其具有高速數據傳輸能力、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通信系統中，為實(shí)現高效信息的傳輸，可以采用多進(jìn)制數字調制方式來(lái)傳輸數據符號。本文設計了一個(gè)用于OFDM通信系統的通用調制解詞模塊，采用了BPSK、QPSK、16QAM和64QAM四種調制方法，利掰共用ROM、共廂減法器等器件的方法，減少了電路規模和硬件資源消耗。此電路具有能夠通過(guò)消息反饋機制來(lái)自動(dòng)調整調制方法的能力。

1 調制／解調子模塊結構

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

　　在通用調制解調模塊中，最主要的模塊就是調制子模塊和解調子模塊。下面介紹這兩個(gè)子模塊的設計和實(shí)現。

2設計分析

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

2.1調制方式分析

　　如圖2所示，BPSK在實(shí)際實(shí)現時(shí)，將0映射為1，將1映射為-1，來(lái)完成映射。解調時(shí)，將數據進(jìn)行一下逆轉換即可。而QPSK具有4個(gè)星座位置，QPSK的映射為：00對應-1-li；01對應-1+li；10對應1-li；11對應1+li；并乘以歸一化因子。解調時(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)現數據的解調恢復。

　　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)。根據星座圖實(shí)現時(shí)，將00映射為-1，01映射為-1／3，10映射為1，11映射為1／3；解調時(shí)，采用的是硬判決的方法，根據星座點(diǎn)的位置將空間劃分為16個(gè)區域，每個(gè)區域以星座點(diǎn)為中心，在判定時(shí)，落人某個(gè)區域的數就認為是相應星座。64QAM調制方式與16QAM相似，不過(guò)星座點(diǎn)更多，效率也更高，實(shí)現中的映射表也更大，同樣，解調時(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存儲映射表，而QPSK由于采用4進(jìn)制PSK調制，每種相位信號可表示兩位二進(jìn)制信息，其編碼效率提高一倍，64QAM由于星座點(diǎn)較多，進(jìn)行判決的次數也相應較多。

2.2電路優(yōu)化策略

　　一般調制解調模塊設計中，分別設計和實(shí)現各種調制方式，然后用一個(gè)選擇器來(lái)進(jìn)行選擇。但在各種調制方式的設計實(shí)現中，電路中許多器件都可以共用，將四種調制方式進(jìn)行整合，達到電路優(yōu)化設計是重點(diǎn)考慮的內容。具體優(yōu)化設計策略如下：

(1)整合ROM

　　在調制子模塊中，根據四種調制方式調制的映射表分析，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)對映射表進(jìn)行適當安排，合理的選擇機制，可以實(shí)現一個(gè)ROM的調制子模塊，改變以往需要四個(gè)ROM分別實(shí)現四種調制的方式。

(2)整合寄存器、減法器和選擇器

　　BPSK和QPSK的解調較簡(jiǎn)單，星座點(diǎn)較少，因此判決最后可以轉換成映射關(guān)系。而16QAM和64QAM星座點(diǎn)較多，硬判決的區域判決需要一系列計算得出。實(shí)際判斷時(shí)，將數據分為實(shí)部和虛部，分別進(jìn)行判決。將實(shí)部(虛部)數據取模，然后和某星座點(diǎn)模值相減，將相減結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解調制時(shí)，可考慮共用進(jìn)行數據運算所需的寄存器、數據選擇器、減法器等器件。

3模塊設計

　　由電路優(yōu)化設計思想，調制子模塊采用一個(gè)ROM來(lái)實(shí)現。調制子模塊主要組成部分是存儲映射表的ROM以及對ROM進(jìn)行操作的控制器，其中控制器根據選擇的調制方式和輸入的數據對ROM進(jìn)行操作。

3.1 ROM中映射表編制

　　如圖3所示，設計了一個(gè)調制控制來(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。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雜，導致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(xiàn)的存儲空間，而16QAM有16個(gè)映射關(guān)系，需要4位地址線(xiàn)的存儲空間，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的映射表可以蘊含在64QAM的映射表中，這樣只需要在第七位地址線(xiàn)對64QAM和16QAM進(jìn)行區分，這使得ROM控制器易于設計。

 

3.2 ROM控制器設計

　　在ROM控制器中，根據ROM中映射表的安排，第七位地址線(xiàn)為0時(shí)對應于64QAM調制，地址線(xiàn)的前六位對應于輸入數據；第七位地址線(xiàn)為1時(shí)對應于16QAM調制，地址線(xiàn)的前四位對應于輸入數據。這樣，根據前級輸出中輸入的調制方式和輸入的數據，模塊控制器就能產(chǎn)生一個(gè)7位的地址線(xiàn)，對ROM進(jìn)行操作。在實(shí)際中把地址線(xiàn)的前三位對應于輸入數據的data_in(0)，4-6位對應輸入數據的data_in(1)，即根據前級輸出和數據輸入來(lái)指定調制方式和輸入數據對應的映射表，完成對ROM的控制。

3.3子模塊實(shí)現

　　解調制采用硬判決的方法，根據星座點(diǎn)位置將空間進(jìn)行劃分，把落入相應空間的數對應到相應星座。根據數據與星座點(diǎn)之間的距離來(lái)判斷，在距離小于閾值時(shí)，認為相應的數落入此星座空間。

　　由于數據可分為實(shí)部和虛部，判決可以分別進(jìn)行，步驟相同。如對64QAM，實(shí)現如圖4所示，包括以下步驟：(1)由判決模塊1實(shí)現對實(shí)部取模；(2)子電路1將取模后的數據與各星座點(diǎn)數據的實(shí)部模相減；(3)判決模塊2將結果再次取模；(4)最后子電路2把取模后的數據與預設閾值相減，如結果為負，則判定落入此區間。同理可進(jìn)行虛部判決，最后看實(shí)部和虛部確定的區間是否有重疊區域，就能確定歸屬的星座點(diǎn)。

 
　　對不同的星座點(diǎn)，16QAM與64QAM在判決過(guò)程中，子電路中的預設數據不同，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。傳輸的數據中，負數用補碼表示，用選擇器進(jìn)行選擇，對負數和正數分別進(jìn)行取模。判決模塊在16QAM和64QAM解調時(shí)可共用。
3.4調制方式選擇

　　調制方式選擇模塊中對應四種調制方式分別設置為：00對應BPSK方式；01對應QPSK方式；10對應16QAM方式；11對應64QAM方式。

　　實(shí)際中，不同調制方式有各自的最佳工作區域，如64QAM適用于高發(fā)送速率的調制，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)調整調制方式以獲得最佳傳輸效果。解決辦法是當接收端誤碼率過(guò)高時(shí)，反饋信號給調制方式選擇子模塊，根據預設的順序，更改調制方式，直到降低誤碼率。

4實(shí)現與仿真

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

 
　　可以看到各類(lèi)模塊在不損失功能和性能的基礎上達到了節約資源的目的。模塊的最大工作頻率為136.54 MHz，符合OFDM系統中FFT的數據要求。邏輯元件減少了37％，存儲器位減少了70％以上，寄存器減少了40％，與傳統方式相比較，大大降低了系統對硬件的依賴(lài)性。
5 結論

　　對BPSK、QPSK、16QAM和64QAM調制方式的通用調制解調模塊的優(yōu)化設計，根據接收端誤碼率來(lái)自動(dòng)調整所采取的調制方式，適當排列映射表，選擇合理機制。用一個(gè)ROM調制子模塊實(shí)現四種調制方式。采用將數據分為實(shí)部和虛部分別進(jìn)行判決，可將16QAM和64QAM解調制運算所用的寄存器、數據選擇器、減法器等器件進(jìn)行整合。最后仿真實(shí)現結果說(shuō)明，這種策略能達到在不損性能的前提下減少硬件資源需求目的。