吳國(guó)鋮，郭 慶，嚴(yán)云祥

（1.桂林電子科技大學(xué) 電子工程學(xué)院，廣西 桂林 541004；2.南京郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，江蘇 南京 210003）

1 引言

OFDM（正交頻分復(fù)用）是多載波傳輸方案的實(shí)現(xiàn)方式之一[1]。COFDM是由信道編碼和OFDM結(jié)合起來(lái)的一種數(shù)字調(diào)制方式，提供了強(qiáng)大的編碼糾錯(cuò)能力，在數(shù)字音視頻廣播和高速無(wú)線局域網(wǎng)等多個(gè)領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。歐洲廣播機(jī)構(gòu)為DVB-T（地面數(shù)字視頻廣播標(biāo)準(zhǔn)）選擇了COFDM為調(diào)制方式。

本文以DVB-T標(biāo)準(zhǔn)為背景，選用FPGA為硬件平臺(tái)研究并仿真了COFDM各編碼調(diào)制模塊。

2 FPGA實(shí)現(xiàn)OFDM的基本思想

OFDM是一種對(duì)多載波調(diào)制技術(shù)改進(jìn)后的傳輸方案。在傳統(tǒng)頻分復(fù)用系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，其基本思想是將高速數(shù)據(jù)流經(jīng)串并轉(zhuǎn)換，分配到給定頻域內(nèi)的若干正交子信道上，各子信道載波之間雖有重疊，但子載波頻率是互相正交的，每個(gè)載波頻譜最大值都和相鄰載波的零點(diǎn)重疊。因此OFDM的信道利用率高于傳統(tǒng)的頻分復(fù)用系統(tǒng)。同時(shí)使信道衰落引起的突發(fā)誤碼分散到不相關(guān)的子信道上，變?yōu)殡S機(jī)誤碼，有效地減少了碼間干擾。

實(shí)現(xiàn)OFDM調(diào)制需要使用離散傅立葉反變換（IDFT），在OFDM系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用中，可以采用方便快捷的IFFT來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)制模塊。

對(duì)于DVB-T的核心模塊FFT計(jì)算，隨著應(yīng)用需求的增加，算法復(fù)雜度也提高了[1-2]。系統(tǒng)需要較高的工作速率及復(fù)雜的計(jì)算處理能力。FPGA作為并行處理系統(tǒng)，可采用并行計(jì)算完成復(fù)雜的設(shè)計(jì)。對(duì)多點(diǎn)的FFT計(jì)算來(lái)說(shuō)，集成了DSP核的FPGA方案整體性能和計(jì)算速度均優(yōu)于基于指令系統(tǒng)的DSP。

筆者選用Xilinx Virtex-5 SX50T FPGA作為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，時(shí)鐘高達(dá)550 MHz，同時(shí)有288個(gè)DSP48E硬件資源和4 752 Kbyte的BlockRAM資源[3]，可滿足DVB-T基帶處理系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的硬件要求。

3 DVB-T COFDM系統(tǒng)及實(shí)現(xiàn)

歐洲地面數(shù)字標(biāo)準(zhǔn)DVB-T[4]主要規(guī)范了發(fā)送端的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和編碼調(diào)制方式。一般的發(fā)送端功能結(jié)構(gòu)由信道編碼、OFDM調(diào)制、上變頻等部分組成。圖1為DVB-T標(biāo)準(zhǔn)V1.6.1中給出的發(fā)送端結(jié)構(gòu)框圖。

輸入端采用MPEG-2壓縮的音視頻作為資源（TS碼流）。每個(gè)TS包由188 byte組成，在最終形成射頻信號(hào)發(fā)送到信道中之前，將主要經(jīng)過(guò)以下過(guò)程：

圖1 DVB-T標(biāo)準(zhǔn)V1.6.1發(fā)送端結(jié)構(gòu)框圖

1）能量擴(kuò)散：在實(shí)際應(yīng)用中，常用一組偽隨機(jī)序列對(duì)經(jīng)信源編碼的一組TS碼流按比特異或進(jìn)行隨機(jī)化處理，用以保證在任何時(shí)刻進(jìn)入傳輸系統(tǒng)的“0”與“1”的概率基本相等，提高輸入數(shù)據(jù)碼流的統(tǒng)計(jì)特性，拓展了數(shù)字信號(hào)的功率譜。

2）兩層糾錯(cuò)編碼

（1）RS碼。DVB-T中規(guī)定外碼糾錯(cuò)部分采用RS（208，188，t=8）編碼。 在傳輸流 188 byte 之中，加入 16 byte的冗余糾錯(cuò)碼，生成一個(gè)誤碼保護(hù)包。這種編碼可以糾正 8 byte 的突發(fā)錯(cuò)誤。 碼生成多項(xiàng)式 g（x）=（x+λ0）（x+λ1）（x+λ2）…（x+λ15），其中 λ=02HEX。編碼電路定義 clk 為輸入字節(jié)時(shí)鐘。編碼電路主要由有限域乘法器、有限域加法器、選擇器、線性反饋移位寄存器等組成。

（2）卷積碼。內(nèi)碼采用Viterbi卷積碼。采用移位器實(shí)現(xiàn)的主卷積碼率為1/2。然后可以進(jìn)行收縮刪余，產(chǎn)生2/3，3/4，5/6，7/8等多種卷積碼率。圖 2為卷積編碼的具體結(jié)構(gòu)。對(duì)于多時(shí)鐘，可采用FPGA內(nèi)部的鎖相環(huán)資源。刪余模塊通過(guò)不同狀態(tài)控制標(biāo)志來(lái)實(shí)現(xiàn)不同碼率。

圖2 卷積編碼結(jié)構(gòu)示意圖

3）交織。交織是一種時(shí)間/頻率擴(kuò)展技術(shù)，使信道錯(cuò)誤的相關(guān)度減小，在交織度足夠大時(shí)，把突發(fā)錯(cuò)誤離散成隨機(jī)錯(cuò)誤。DVB-T系統(tǒng)中為避免RS產(chǎn)生誤碼，在兩層糾錯(cuò)碼之間加入了數(shù)據(jù)交織環(huán)節(jié)。對(duì)誤碼保護(hù)包采用交織深度I=204/17=12 byte，M=17的卷積交織，將連續(xù)的錯(cuò)誤打散，以提高外碼的糾錯(cuò)效率。針對(duì)FPGA內(nèi)嵌RAM，外交織采用開(kāi)一雙口RAM的方式來(lái)代替各個(gè)支路的FIFO移位寄存器。通過(guò)控制讀寫地址來(lái)實(shí)現(xiàn)卷積交織，數(shù)據(jù)操作在與輸入輸出是嚴(yán)格同步的。在DVB-T系統(tǒng)中還有一層內(nèi)交織。內(nèi)交織包括比特交織及符號(hào)交織兩部分。

4）幀形成。經(jīng)幅度相位映射后的有效子載波數(shù)據(jù)和連續(xù)導(dǎo)頻、分散導(dǎo)頻、TPS（傳輸參數(shù)信令）信號(hào)等組成OFDM符號(hào)。其中，TPS描述了DVB-T系統(tǒng)的主要參數(shù)。導(dǎo)頻信號(hào)的插入是為了方便接收機(jī)對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行估算，提高接收質(zhì)量。圖3為插入導(dǎo)頻的結(jié)構(gòu)圖。在具體實(shí)現(xiàn)中，通過(guò)編寫RAM的初始化文件，在RAM的固定位置插入固定值來(lái)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)頻插入。

圖3 插入導(dǎo)頻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

5）信道OFDM調(diào)制的實(shí)現(xiàn)。

頻域中的OFDM符號(hào)，通常采用IFFT來(lái)代替OFDM調(diào)制中的多子載波調(diào)制，得到時(shí)域OFDM符號(hào)。

Xilinx公司提供了 Pipelined，Streaming I/O、Radix-4，Burst I/O和Radix-2，Minimum Resources等 3種結(jié)構(gòu)的FFT/IFFT核。直接調(diào)用可以合理利用Xilinx FPGA的結(jié)構(gòu)，優(yōu)化排局布線，縮短設(shè)計(jì)的周期。筆者綜合考慮了所需資源和處理延時(shí)，采用了基于基四算法，將1幀數(shù)據(jù)存起來(lái)，然后進(jìn)行計(jì)算，最后輸出數(shù)據(jù)的第二種結(jié)構(gòu)：Radix-4，Burst I/O。

實(shí)現(xiàn)時(shí)，Radix-4，Burst I/O有數(shù)據(jù)裝載與輸出、數(shù)據(jù)計(jì)算這兩個(gè)過(guò)程，兩個(gè)過(guò)程不能同時(shí)進(jìn)行。當(dāng)IFFT開(kāi)始時(shí)，數(shù)據(jù)裝載，當(dāng)一幀數(shù)據(jù)裝載完畢，IP核開(kāi)始計(jì)算，計(jì)算完畢后進(jìn)行數(shù)據(jù)的輸出。

4 系統(tǒng)仿真及結(jié)論

4.1 系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)方案

本系統(tǒng)基于DVB-T的2K模式進(jìn)行設(shè)計(jì)。COFDM參數(shù)如下：帶寬為8 MHz；符號(hào)有序持續(xù)時(shí)間為224 μs；保護(hù)間隔 Tg=56 μs；載波數(shù)為 1 705。

由以上參數(shù)可以得到：1）符號(hào)總的持續(xù)時(shí)間為280 μs；2）符號(hào)速率 fs=3.57×103字符/秒。

系統(tǒng)采用Xilinx公司的Virtex-5 SX50T FPGA，開(kāi)發(fā)環(huán)境 ISE10.1，Modelsim SE6.2b，程序語(yǔ)言采用 Verilog HDL，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了各編碼調(diào)制子模塊，完成對(duì)標(biāo)準(zhǔn)中2K模式的XST綜合后的Modelsim仿真。圖4所示為系統(tǒng)流程圖。

圖4 COFDM編碼調(diào)制端仿真流程圖

4.2 時(shí)序仿真結(jié)果分析

圖5是插入導(dǎo)頻的時(shí)序圖。Dual_RAM_out_I_2和Dual_RAM_out_Q_2是前端經(jīng)QPSK映射之后的數(shù)據(jù)，Polit_ROM_out是導(dǎo)頻數(shù)據(jù)。按照DVB-T標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行插入導(dǎo)頻。符號(hào)0的導(dǎo)頻位置為0號(hào)子載波，12號(hào)子載波，24號(hào)子載波……導(dǎo)頻的功率與數(shù)據(jù)的功率比為16∶9。所以數(shù)據(jù)的幅值為64，導(dǎo)頻的幅值為121。由圖5可以看出，在輸入數(shù)據(jù)中成功地插入了導(dǎo)頻信息。

圖5 插入導(dǎo)頻時(shí)序圖

圖6所示為IFFT仿真時(shí)序圖。fwd_inv為低表明進(jìn)行IFFT運(yùn)算；rfd信號(hào)為高時(shí)表明此時(shí)正在裝載數(shù)據(jù)；busy信號(hào)為高時(shí)表明正在進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算；dv信號(hào)為高時(shí)表明數(shù)據(jù)輸出有效。xn_re，xn_im是輸入IFFT模塊中的數(shù)據(jù)信號(hào)，xk_re，xk_im是IFFT模塊數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)的輸出信號(hào)。從仿真圖中可以看出，1次完整的IFFT計(jì)算所用的時(shí)間比1個(gè)COFDM符號(hào)持續(xù)時(shí)間（280 μs）要小，所以IFFT模塊的設(shè)計(jì)是滿足時(shí)序要求的。

圖6 IFFT仿真時(shí)序圖

4.3 COFDM基帶信號(hào)頻譜圖

將COFDM基帶調(diào)制程序在Virtex-5 SX50T芯片上調(diào)試，通過(guò)ChipScope軟件將調(diào)試數(shù)據(jù)截取下來(lái)，然后導(dǎo)入Matlab觀察調(diào)制信號(hào)的頻譜圖，如圖7所示。由圖可以看出，調(diào)制信號(hào)的實(shí)際帶寬為7.61 MHz，符合DVB-T標(biāo)準(zhǔn)。

圖7 調(diào)制信號(hào)的頻譜圖

5 基于FPGA的COFDM在地面數(shù)字視頻廣播開(kāi)發(fā)中的優(yōu)勢(shì)

COFDM和FPGA在地面數(shù)字視頻廣播中的優(yōu)勢(shì)有：

1）COFDM采用有效的信道編碼解決了由部分信道受損嚴(yán)重帶來(lái)的失真問(wèn)題，提高了系統(tǒng)的糾錯(cuò)能力。同時(shí)采用多載波的調(diào)制技術(shù)，提高了頻譜利用率和抗碼間干擾能力。在無(wú)線傳播中，地面信道具有自身的特性，DVB-T標(biāo)準(zhǔn)選擇COFDM作為地面數(shù)字視頻廣播的物理層標(biāo)準(zhǔn)，適用于解決地面信道中常見(jiàn)的多徑失真和移動(dòng)接收因多普勒頻移引起的衰落現(xiàn)象，也利于單頻網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)。

2）系統(tǒng)選用FPGA作為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，功耗低，速率高，成本低，突出了集成DSP核的FPGA在處理高速數(shù)字信號(hào)處理上并行計(jì)算的優(yōu)勢(shì)，以及FPGA開(kāi)發(fā)周期短、半定制的特點(diǎn)。隨著無(wú)線通信包括數(shù)字電視傳輸技術(shù)和大規(guī)模集成電路的發(fā)展，F(xiàn)PGA將成為未來(lái)技術(shù)開(kāi)發(fā)的趨勢(shì)。

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[4]王闖.DVB-T編碼調(diào)制的仿真和FPGA實(shí)現(xiàn)[D].南京：南京理工大學(xué)，2008.