周 鵬，石 蓉 ，，黃秋元，陳 慧 ，，龔瑩瑩

（1.武漢理工大學(xué) 信息學(xué)院，湖北 武漢 430070；2.上海明波通信技術(shù)有限公司，上海 201203）

0 引言

OFDM調(diào)制也稱正交頻分復(fù)用調(diào)制，將經(jīng)過QAM調(diào)制映射得到的基帶信號在頻域映射到多個相互正交的子載波上，然后通過反向傅里葉變換變換到時域，再經(jīng)過低通濾波和上變頻等處理從天線發(fā)射[1]。為了克服反射波的干擾以及來自多個發(fā)射機的多波效應(yīng)，將每一個OFDM符號的最后一段數(shù)據(jù)復(fù)制到符號的前面形成循環(huán)前綴，以防止由于多徑反射等造成第N-1個符號與第N個符號之間符號間干擾（Inter-Symbol Interference，ISI），即形成保護間隔（GI）。

由于GI是每個OFDM符號最后L個采樣的拷貝，所以每個OFDM符號的最后L個采樣和GI有相同的幅度和相位偏移，而OFDM符號的其他部分都是相互獨立的，GI和OFDM符號最后L長的部分的相關(guān)具有一個很強的峰值。本文即基于OFDM符號的結(jié)構(gòu)特性提出了一種基于下采樣的模式和GI長度檢測算法，降低了硬件復(fù)雜度，便于FPGA實現(xiàn)。

1 模式檢測原理

1.1 OFDM符號結(jié)構(gòu)

DVB-T標(biāo)準(zhǔn)中，一個OFDM符號由有效數(shù)據(jù)和保護間隔兩部分組成[1]，如圖1所示。

傳輸模式：2K和8K。

保護間隔：1/4，1/8，1/16，1/32。

N：與傳輸模式有關(guān)，2K模式下為2 048，8K模式下為8 192。

Q：與保護間隔有關(guān)，4種GI下的Q分別為4，8，16，32。

模式檢測即是對傳輸模式和GI的檢測，根據(jù)不同的傳輸模式和GI，共有8種組合，如表1所示。

1.2 模式檢測基本算法

GI和OFDM有效數(shù)據(jù)中的對應(yīng)部分有極強的相關(guān)性，因此可以對表1中所示的8種組合分別計算相關(guān)值，8種結(jié)果Y0，Y1，…，Y7中最大值所對應(yīng)的組合即為檢測結(jié)果。

接收到的數(shù)據(jù)中GI的位置是不確定的，所以對于每種模式組合，必須把所有的（N+L）個可能位置都考慮進去，每個位置需要L個相關(guān)值的累加，（N+L）個累加相關(guān)值中的最大值除以L歸一化[2]后即為該模式下的檢測結(jié)果。其檢測公式如下，其中，r(k)×r*(k+N)表示相隔N的兩個數(shù)據(jù)的相關(guān)值。所以，2 K/GI32模式的檢測公式為

表1 傳輸模式和GI組合列表

其余7種模式依此類推。顯然，此公式的硬件復(fù)雜度高，必須對其加以改進。

1.3 下采樣模式檢測算法

由式（1）知，累加的相關(guān)值要進行歸一化處理，即GI長度歸一化，此過程可以通過下采樣來近似實現(xiàn)。對于不同模式組合，都從中平均抽取相同個數(shù)的相關(guān)值累加[3]，再進行比較。此即為下采樣檢測算法的基本思想。

設(shè)從每個GI中抽取a個相關(guān)值，即對整個數(shù)據(jù)作L/a倍的下采樣，相應(yīng)的GI的位置也要減少[4]。因此，式（1）可修改為

其余7種模式的相關(guān)檢測值依此類推。

2 硬件電路實現(xiàn)

2.1 硬件實現(xiàn)框圖

根據(jù)算法原理，8種組合的相關(guān)值檢測可以并行執(zhí)行，也可以串行執(zhí)行。本設(shè)計中采用并行執(zhí)行方式，即對輸入的OFDM符號數(shù)據(jù)一次計算出8種組合的相關(guān)峰值，然后進行比較，最大相關(guān)峰值對應(yīng)的組合即為檢測結(jié)果。

實現(xiàn)框圖如圖2所示，以a=16為例，即每個GI位置抽取16個相關(guān)值進行累加，按2 K/GI32模式計算，即對輸入數(shù)據(jù)進行4倍下采樣。

2.2 具體實現(xiàn)步驟

根據(jù)上述所選的方案，具體實現(xiàn)步驟如下：

1）4倍下采樣

以2 K傳輸模式下4種GI為例，當(dāng)a=16時，分別要對數(shù)據(jù)進行4倍、8倍、16倍、32倍下采樣，因此以最小間隔為準(zhǔn)，即對輸入數(shù)據(jù)作4倍下采樣，得到所有參與運算的相關(guān)值。

2）RAM存儲

根據(jù)相關(guān)值定義，r(k)×r*(k+N)為相隔N（2 K模式為2 048，8 K模式為8 192）的兩個數(shù)據(jù)作共軛復(fù)數(shù)運算。因此RAM將第一個OFDM數(shù)據(jù)進行存儲，下一個OFDM符號到來時與從RAM中讀出的相應(yīng)數(shù)據(jù)作相關(guān)運算。然后各種模式從步驟（1）得到的下采樣數(shù)據(jù)中選擇各自所需要的相關(guān)值進行累加，同時比較所有GI位置的相關(guān)累加值，最后得到的最大值即為該模式下的結(jié)果值，即mode0，mode1，…，mode7值。

3）相關(guān)峰值比較

8個檢測值計算出來后，可以先比較2 K傳輸模式下4種GI對應(yīng)的值，最大值所對的GI即為2 K模式下的GI檢測值；同理得到8 K模式下的最大值及GI檢測值；然后將2 K和8 K的最大值比較，判斷傳輸模式，取對應(yīng)的GI即可。

2.3 整體時序

MD模塊整體時序設(shè)計圖如圖3所示。

從數(shù)據(jù)輸入到檢測結(jié)果輸出，需要經(jīng)過2（8 192+8 192/4)個有效數(shù)據(jù)。MD_END為檢測結(jié)果標(biāo)志，表示此處得到有效的MD_TRANS_MODE和MD_GI檢測結(jié)果。

2.4 改進方案

針對計算精度和硬件復(fù)雜度，考慮有如下改進方案：

1）上述實現(xiàn)方式只進行了兩個OFDM符號的下采樣相關(guān)運算，運算精度與初始算法相比會有所下降，因此，可以做多個OFDM符號的相關(guān)值累加后再做最大值比較運算。

2）本設(shè)計中采用全并行實現(xiàn)方式，所占硬件資源比較大，可以采用半并行方式，進行資源和時間的折中處理，即先進行2 K模式的4種GI相關(guān)累加值的計算，然后進行8 K模式4種GI相關(guān)累加值的計算，得到各自模式下的最大相關(guān)值及其對應(yīng)的GI，最后將這兩個相關(guān)值進行最大值比較。在半并行方式下，兩個階段（2K和8K）只有下采樣的倍率不同，相關(guān)值的選取及累加過程可以資源共享。

2.5 仿真驗證

本設(shè)計采用Verilog HDL語言描述，為了配合RTL的測試，用C編寫了對應(yīng)的MD算法的驗證程序，然后利用NC Verilog及Debussy分別進行仿真和波形觀測，仿真結(jié)果表明，MD模塊模式檢測功能正確。

本設(shè)計的所有模塊都是在Synplify Premier 8.8，ISE9.2及Xilinx FPGA XC5VLX220芯片上實現(xiàn)的。

3 結(jié)束語

本文提出一種下采樣算法來近似相關(guān)峰值檢測中GI長度相關(guān)值累加及歸一化處理，其FPGA實現(xiàn)在DVB-T系統(tǒng)中進行仿真驗證并集成，仿真結(jié)果表明下采樣算法檢測結(jié)果正確，減少了硬件復(fù)雜度，節(jié)約了資源，并且FPGA實現(xiàn)滿足時序、面積要求。

本文研究是在上海明波通信技術(shù)有限公司中完成的，非常感謝公司以及各位同事所給予的大力支持和幫助。

[1] 黃秋芳.DVB-T標(biāo)準(zhǔn)與DVB-T標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)分析的廣播電視信息，2009（8）：67-69.

[2]TSUE Yih-Ming，Hsinchu.Mode detection for ofdm signals：USA，US2004/0240379 A1[P].2003-05-29.

[3] 解玉芳，郭里婷.DVB-T與地面數(shù)字電視國標(biāo)信道估計算法分析[J].電視技術(shù)，2010，34（7）：20-22.

[4] 方紹，謝顯中.基于DVB-T的OFDM頻偏估計算法及DSP實現(xiàn)[J].電視技術(shù)，2011，35（3）：5-8.

周 鵬（1961-），博士，通信系統(tǒng)理論與通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究；

石 蓉（1985-），碩士，主要從事DVBT數(shù)字電視解調(diào)器FEC的ASIC實現(xiàn)；

黃秋元（1963-），博士，通信系統(tǒng)理論與通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究；

陳 慧（1985-），碩士，主要從事DVBT數(shù)字電視解調(diào)器信道均衡的ASIC實現(xiàn)；

龔瑩瑩（1983-），碩士，從事數(shù)字電視解調(diào)器的ASIC實現(xiàn)。