譚美玲，周勝源

(桂林電子科技大學(xué) 信息與通信學(xué)院，廣西 桂林541004)

軟件無(wú)線電的基本思想是以一個(gè)通用的、標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的硬件平臺(tái)為依托，通過(guò)軟件編程來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)線電臺(tái)的各種功能，從基于硬件、面向用途的電臺(tái)設(shè)計(jì)方法中解放出來(lái)［1］。軟件無(wú)線電強(qiáng)調(diào)體系結(jié)構(gòu)的開(kāi)放性和全面可編程性，通過(guò)軟件更新改變硬件配置結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)新的功能。

OFDM技術(shù)作為一種高效的信道接入方式，能夠有效地對(duì)抗由于多徑效應(yīng)造成的頻率選擇性衰落，同時(shí)通過(guò)串/并變換把頻率選擇性信道轉(zhuǎn)換成并行的正交子信道，提供了較高的頻譜利用率，成為廣大學(xué)者的研究熱點(diǎn)［2-5］。目前OFDM技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于廣播式的音頻、視頻領(lǐng)域和民用通信系統(tǒng)，比如非對(duì)稱的數(shù)字用戶環(huán)路(ADSL)、ETSI標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字音頻廣播(DAB)、數(shù)字視頻廣播(DVB)、高清晰度電視(HDTV)、無(wú)線局域網(wǎng)(WLAN)等。

結(jié)合軟件無(wú)線電的思想，采用Xilinx公司的System Generator這一高性能DSP系統(tǒng)的快速建模和實(shí)現(xiàn)工具，在MATLAB/Simulink環(huán)境下，對(duì)OFDM解調(diào)的部分模塊進(jìn)行系統(tǒng)建模仿真［6］。

1 軟件無(wú)線電中OFDM的調(diào)制解調(diào)原理及系統(tǒng)框圖

1.1 IEEE802.11a中OFDM的調(diào)制解調(diào)原理

OFDM的基本原理就是把一個(gè)高速的數(shù)據(jù)流分配到并行的速率較低的相互正交的若干子信道中傳輸，通過(guò)各子載波進(jìn)行調(diào)制，然后在獨(dú)立的子信道上進(jìn)行傳輸。由于每個(gè)子信道的頻率特性可以近似看作是平坦的，每個(gè)信道就可以認(rèn)為是無(wú)符號(hào)間干擾的理想信道，接收端可以可靠地解調(diào)信號(hào)。同時(shí)在OFDM符號(hào)中插入保護(hù)間隔保證了子信道的正交性，消除了OFDM符號(hào)間的干擾。

對(duì)于含有N個(gè)子載波的OFDM系統(tǒng)，在一個(gè)符號(hào)持續(xù)時(shí)間T內(nèi)，從t=ts開(kāi)始采用復(fù)等效基帶信號(hào)表示OFDM為

式中:rect()為矩形函數(shù);Sk表示第k個(gè)子載波上傳輸?shù)慕?jīng)過(guò)調(diào)制后的信號(hào)。

對(duì)于一個(gè)周期內(nèi)的基帶信號(hào)，令式(1)中ts=0，忽略矩形函數(shù)，并對(duì)信號(hào)x(t)以T/N的速率進(jìn)行采樣，即令t=kT/N，(k=0，1，…，N-1)，可得

式(2)與IDFT運(yùn)算的表達(dá)式一致，說(shuō)明OFDM復(fù)等效基帶信號(hào)可以用離散傅里葉反變換(IDFT)的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。

同樣，在接收端，恢復(fù)原始數(shù)據(jù)符號(hào)Sk的處理就可以通過(guò)對(duì)sk進(jìn)行反變換，即DFT，得到

OFDM的調(diào)制和解調(diào)可以通過(guò)IDFT和DFT來(lái)代替，F(xiàn)FT/IFFT是實(shí)現(xiàn)DFT/IDFT的快速算法。在OFDM系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)中，通常采用更加快捷方便的快速傅里葉變換(FFT/IFFT)來(lái)降低運(yùn)算復(fù)雜度。

1.2 OFDM的系統(tǒng)框圖

基于軟件無(wú)線電架構(gòu)的OFDM系統(tǒng)模型如圖1所示，可分為發(fā)射端和接收端。

圖1 軟件無(wú)線電架構(gòu)的OFDM系統(tǒng)

在發(fā)送端，首先將串行輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行16QAM星座圖映射，再根據(jù)系統(tǒng)的傳輸幀格式進(jìn)行導(dǎo)頻插入、補(bǔ)零成幀等處理過(guò)程，得到了數(shù)域數(shù)據(jù)。然后通過(guò)64點(diǎn)的IFFT變換，完成多載波調(diào)制，使得信號(hào)能夠在子載波上并行傳輸。變換后的信號(hào)經(jīng)串并轉(zhuǎn)換，加入循環(huán)前綴，構(gòu)成一個(gè)完整的OFDM數(shù)據(jù)幀，經(jīng)過(guò)上變頻發(fā)射到信道中傳輸。

在接收端，把接收到的信號(hào)先進(jìn)行下變頻及OFDM解調(diào)。OFDM解調(diào)即把信號(hào)送到同步/定時(shí)模塊，經(jīng)過(guò)同步算法，估計(jì)出幀時(shí)點(diǎn)和頻率偏移，并刪去循環(huán)前綴。然后經(jīng)64點(diǎn)FFT變換后，利用信號(hào)中的插入導(dǎo)頻進(jìn)行信道估計(jì)。最后，F(xiàn)FT的輸出包括了64個(gè)映射值，所有這些值被逆映射為二進(jìn)制數(shù)據(jù)輸出。

2 仿真模型設(shè)計(jì)

使用System Generator來(lái)設(shè)計(jì)OFDM的調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)，能夠加快DSP系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)進(jìn)度，縮短整個(gè)設(shè)計(jì)周期，具體如圖2所示。

圖2 OFDM調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)(系統(tǒng)截圖)

1)幅度歸一化模塊

在System Generator中，由于FFT解調(diào)模塊中使用的FFT v3_2模塊要求的輸入數(shù)據(jù)格式為Fix_n_n-1，比如Fix_8_7、FIX_24_23，所以需要在FFT解調(diào)模塊前做一個(gè)歸一化模塊，使輸入數(shù)據(jù)符合FFT v3_2 1的要求。

2)FFT解調(diào)模塊

FFT解調(diào)主要使用System Generator提供的FFT v3_2模塊，該模塊支持的器件有Virtex-4，Virtex-2，Virtex-2 Pro和Spartan-3，它為離散傅里葉變換(DFT)提供了一種有效的算法。當(dāng)fwd_inv端口輸入為1時(shí)，F(xiàn)FT v3_2進(jìn)行離散傅里葉變換，當(dāng)fwd_inv端口輸入為0時(shí)，F(xiàn)FT v3_2則進(jìn)行離散傅里葉反變換。信號(hào)fwd_inv必須是布爾型數(shù)據(jù)。OFDM解調(diào)模塊如圖3所示。

圖3 FFT解調(diào)模塊(系統(tǒng)截圖)

對(duì)OFDM調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖4所示。在16QAM映射、IFFT調(diào)制、FFT解調(diào)模塊后面加上星座圖模塊進(jìn)行觀察，由仿真結(jié)果可以看出，F(xiàn)FT解調(diào)模塊把看起來(lái)雜亂無(wú)章的OFDM載波星座圖恢復(fù)成基本有序的16QAM星座圖，與發(fā)射端的16QAM映射星座圖基本一致。

圖4 仿真結(jié)果

3)16QAM逆映射模塊

發(fā)射端的16QAM調(diào)制方式采用格雷碼方式的調(diào)制星座圖如圖5所示，其映射規(guī)則如表1所示。

圖5 16QAM映射星座圖

16QAM解調(diào)分為I路和Q路，采用電平判決方式解調(diào)。設(shè)輸入信號(hào)為a1a2b1b2，I路為a1a2，Q路為b1b2。I支路電平判決流程如圖6所示:當(dāng)輸入信號(hào)等于0時(shí)，a1a2判為0。若不為0，判斷輸入信號(hào)是否大于0，若是則判a1為0，否則為1。當(dāng)輸入信號(hào)大于0時(shí)，判斷其是否大于2，是則判a2為0，否則為1。當(dāng)輸入信號(hào)小于0時(shí)，再判斷其是否小于-2，是則判a2為0，否則為1。b1b2的判決規(guī)則等同于a1a2。

表1 16QAM映射規(guī)則

對(duì)16QAM逆映射模塊進(jìn)行仿真驗(yàn)證，得到波形圖如圖7所示，從圖7中可以看出，解調(diào)出的信號(hào)波形與原始信號(hào)波形一致，驗(yàn)證了16QAM逆映射模塊設(shè)計(jì)的可行性。

圖7 16QAM解調(diào)結(jié)果(系統(tǒng)截圖)

4)誤比特率測(cè)試

為驗(yàn)證系統(tǒng)的可靠性，在系統(tǒng)中設(shè)置了誤比特率測(cè)試模塊，如圖8所示。系統(tǒng)碼源速率為24 Mbit/s，系統(tǒng)抽樣率為24 Mbit/s，仿真時(shí)長(zhǎng)為0.001 s，測(cè)得誤比特率約為0.000 3。由此看出，本文采用System Generator設(shè)計(jì)的OFDM解調(diào)模塊具有較高的可靠性。

圖8 誤比特率測(cè)試模塊

3 小結(jié)

基于軟件無(wú)線電的思想，使用System Generator對(duì)OFDM調(diào)制解調(diào)模塊進(jìn)行了設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。設(shè)計(jì)OFDM的調(diào)制解調(diào)包括OFDM歸一化、FFT解調(diào)、16QAM解調(diào)等模塊，通過(guò)仿真驗(yàn)證了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的結(jié)果與理論一致。本文采用System Generator圖形化的設(shè)計(jì)環(huán)境，使得修改設(shè)計(jì)變得簡(jiǎn)單方便，避開(kāi)了HDL的復(fù)雜編程，提高了效率，縮短了開(kāi)發(fā)周期，具有很好的實(shí)用價(jià)值。

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