第四代移動通信（4G 或稱為Beyond 3G）中將提供高達100Mbit/s 甚至更高的數(shù)據(jù)傳輸速率，能夠滿足人們從語音擴展到數(shù)據(jù)、圖像、視頻等大量信息的高質(zhì)量的多媒體業(yè)務(wù)。隨著無線通信業(yè)務(wù)的飛速發(fā)展，為了在可用頻帶日趨緊張的情況下提高頻帶利用率，正交頻分復(fù)用OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）技術(shù)已成為第四代移動通信系統(tǒng)的技術(shù)。

　　實際上OFDM是MCM Multi-CarrierModulation，多載波調(diào)制的一種。其主要思想是：將信道分成若干正交子信道，將高速數(shù)據(jù)信號轉(zhuǎn)換成并行的低速子數(shù)據(jù)流，調(diào)制到在每個子信道上進行傳輸。正交信號可以通過在接收端采用相關(guān)技術(shù)來分開，這樣可以減少子信道之間的相互干擾 ICI 。每個子信道上的信號帶寬小于信道的相關(guān)帶寬，因此每個子信道上的可以看成平坦性衰落，從而可以消除符號間干擾。而且由于每個子信道的帶寬僅僅是原信道帶寬的一小部分，信道均衡變得相對容易。本文基于802.16a協(xié)議的原理架構(gòu)，建立了一個基于FPGA的可實現(xiàn)流水化運行的OFDM系統(tǒng)的硬件平臺，包括模擬前端及OFDM調(diào)制器及OFDM 解調(diào)器，用來實現(xiàn)OFDM的遠距離無線傳輸系統(tǒng)。

　　1 模擬前端

　　模擬前端主要包括發(fā)送端DA模塊、接收端AD模塊和射頻模塊。

　　發(fā)送端DA模塊主要由XILINX公司的FPGA－XC2V1000芯片和數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片AD9765、濾波器和放大器構(gòu)成，基帶處理調(diào)制后數(shù)據(jù)在控制時鐘同步下送入FPGA進行降峰均比等算法的處理，然后經(jīng)過交織將其送入AD9765進行數(shù)模轉(zhuǎn)換并上變頻到70MHz，輸出的模擬信號再經(jīng)聲表濾波器后放大進入下射頻模塊。發(fā)送端DA模塊硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

　　接收端AD模塊主要由增益放大器、帶通濾波、采樣芯片AD9238和數(shù)字下變頻器GC1012構(gòu)成。AD模塊的主要功能是完成中頻信號的采樣和數(shù)字下變頻，在FPGA XC2V1000中完成符號同步算法，其輸出送OFDM解調(diào)器。接收端AD模塊硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

　　射頻模塊工作在70MHz中頻上，射頻模塊的功能是將完成調(diào)制的中頻信號搬移到射頻波段上，或者將空中的接收信號下變頻到模擬前端所需的中頻波段上。

　　2 OFDM 調(diào)制器實現(xiàn)架構(gòu)

　　在OFDM系統(tǒng)中，OFDM調(diào)制器主要完成OFDM數(shù)據(jù)的調(diào)制。圖3為OFDM調(diào)制器的結(jié)構(gòu)框圖。OFDM的調(diào)制器采用N=120個數(shù)據(jù)子信道，8個導(dǎo)頻信道。120個數(shù)據(jù)子信道都采用 QPSK的信道調(diào)制，8個導(dǎo)頻信道采用BPSK的信道調(diào)制。為了使用基帶傳輸，進行添零處理（添加128個0），使頻帶擴展1倍。經(jīng)過逆序處理后，采用256點的IFFT進行 OFDM調(diào)制。系統(tǒng)時鐘為80MHz，用 FPGA 完成數(shù)據(jù)的編碼和調(diào)制，以讀時鐘為500kHz的速率送往 D/A。

　　在FPGA中，按照具體的參數(shù)要求實現(xiàn)了OFDM系統(tǒng)中的調(diào)制功能，其工作流程為：數(shù)據(jù)發(fā)生器（M序列產(chǎn)生器）發(fā)送數(shù)據(jù)，串并轉(zhuǎn)換后存儲在 256×2位的RAM_in中，當(dāng)接收夠一幀數(shù)據(jù)所需要的信息量后，從RAM_in中讀取數(shù)據(jù)進行QPSK映射、過采樣添零，隨后插入導(dǎo)頻模塊，先從數(shù)據(jù)輸出模塊中讀取同步頭發(fā)送，同步頭發(fā)送完成后，再從RAM_ou1或者RAM_ou2中讀取循環(huán)前綴和數(shù)據(jù)塊；當(dāng) IFFT 模塊計算完的數(shù)據(jù)全部送出后，控制模塊判斷開始處理下一包數(shù)據(jù)，處理到第10包數(shù)據(jù)，則通知外部控制器一幀數(shù)據(jù)處理完成。

　　3 OFDM 解調(diào)器實現(xiàn)架構(gòu)

　　在OFDM系統(tǒng)中，解調(diào)器主要是對接收 A/D 采樣來的數(shù)據(jù)進行解調(diào)。圖4為OFDM解調(diào)器的結(jié)構(gòu)框圖。

　　在FPGA中，按照參數(shù)要求實現(xiàn)：將從A/D以500kHz的速率采樣來的數(shù)據(jù)存入 RAM 當(dāng)中，當(dāng)接收到第64個幀頭數(shù)據(jù)時，開始計算局部自相關(guān)函數(shù)；每接收到一個幀頭數(shù)據(jù)，取出8位，計算x（i）*x（i+j），并存儲、判斷，是否有相關(guān)值，如果有，則判斷計數(shù)器加1，在一個幀頭短前導(dǎo)字部分中，共有10個短前導(dǎo)字片，每一片為64個采樣點；當(dāng)接收到第640個數(shù)據(jù)后，判斷累加器是否超過了門限值640×3，如果累加門限值達到1920，則認(rèn)為有幀到達，表示粗同步結(jié)束，準(zhǔn)備接受長前導(dǎo)字，進行細同步和頻偏估計計算，然后去除循環(huán)前綴，去除添加的零和導(dǎo)頻信息；經(jīng)過QPSK的反映射和并串轉(zhuǎn)換后，還原成原始數(shù)據(jù)讀出，并等下一幀數(shù)據(jù)的接收。

　　4 系統(tǒng)調(diào)試與性能分析

　　采用OFDM技術(shù)的無線城域網(wǎng)通信系統(tǒng)是一個比較復(fù)雜的系統(tǒng)。利用Matlab仿真完成系統(tǒng)可行性論證后，需要考慮如何利用FPGA完成這個算法流程，這需要考慮采用特定FPGA進行運算時有限字長以及浮點運算的特點和系統(tǒng)所占用的FPGA資源，以保證系統(tǒng)的規(guī)模不至于過大而超過特定FPGA計算的存儲能力。經(jīng)過在硬件設(shè)備上的調(diào)試，終完成采用OFDM技術(shù)的城域網(wǎng)無線通信系統(tǒng)。

　　4.1 IFFT模塊

　　發(fā)送端系統(tǒng)的主時鐘頻率設(shè)計為80MHz，整體采用同步時序邏輯。發(fā)送端M序列的產(chǎn)生速率設(shè)定為80Mbps。送往D/A的數(shù)據(jù)速率設(shè)定為500kHz。IFFT 模塊采用流水線結(jié)構(gòu)的算法，計算256點 IFFT需要128×8個蝶型單元，合計需要40 960個時鐘，加上輸入輸出所占用的時間，總共約需要41 216個時鐘周期。在數(shù)據(jù)輸出模塊，其輸入是 IFFT 模塊的輸出，它的輸出速率由 D/A控制。在FPGA中，OFDM調(diào)制器的邏輯單元的使用情況見表1，OFDM解調(diào)器的邏輯單元的使用情況見表2， IFFT的運算結(jié)果見圖5。

　　在表1和表2中，調(diào)制器和解調(diào)器中所含有的引腳數(shù)過多，主要原因是在這些引腳中還含有很多用于調(diào)試和測量的引腳，在整個系統(tǒng)調(diào)試時，可以將調(diào)試和測量用的引腳去掉，只留有數(shù)據(jù)、地址和控制引腳。

　　在開發(fā)工程中，主要用到的開發(fā)工具由 Altera 公司的QuartusII 及Mathworks 公司的 Matlab。

　　驗證過程如下：

　　·Matlab隨機生成一組128個復(fù)數(shù)，然后按照 OFDM 幀格式插入0得到256復(fù)數(shù)點的一個符號，并寫入文件（如 datain.dat）；

　　在UltraEdit中打開ifftt.tbl、datain.dat,用datain.dat 中的隨機數(shù)代替ifft.tbl 中的 I&Q 數(shù)據(jù)，保存ifft.tbl；

　　在QuartusII中打開 ifft.tbl，將I&Q復(fù)制到 ifft.vwf 中，開始運行仿真；

　　·將仿真結(jié)果另存為dataout.tbl,用Matlab讀取與原數(shù)據(jù)在Matlab下的IFFT變換結(jié)果進行比較分析。

　　給出一組隨機數(shù)據(jù)輸入，經(jīng)過FPGA中的IFFT模塊變換得到時域幅度如圖6（實部）、圖7（虛部）所示。

　　而將同樣的隨機數(shù)經(jīng)過MATLAB變換，得到的時域幅度如圖8（實部）、圖9（虛部）所示。

　　實際測量與仿真計算的方差分析如圖10（實部）、圖11（虛部）所示。兩者結(jié)果基本一致。

　　4.2 幀到達檢測同步模塊

　　對于幀到達檢測同步系統(tǒng)，要求盡可能在較短的時間內(nèi)建立同步，并且在幀同步建立后應(yīng)有較強的抗干擾能力。通常用漏同步概率P1、假同步概率P2和同步平均建立時間ts三個性能指標(biāo)來表示同步性能的優(yōu)劣。在同步系統(tǒng)處于捕獲階段時，設(shè)置自動判決門限為7；在幀同步建立以后，則把判決門限降為6，這樣做一方面減少了假同步的概率，另一方面減少了漏同步的概率。

　　漏同步概率P1：

　　假設(shè)系統(tǒng)的誤碼率為P，7位碼全部正確的概率是（1-P）7，因此判決門限電平為7時的漏同步概率為P1=1-（1-P）7。若將判決門限改為6，此時允許有一位錯碼，出現(xiàn)一位錯碼的概率為C71P1（1-P）6。漏同步概率為P1=1-[（1-P）7+C71P1（1-P）6]。一般地，設(shè)幀同步碼組數(shù)目為n，判決器容幀同步碼組中的錯碼數(shù)為m，則漏同步概率為：

　　從前面的幀同步系統(tǒng)的設(shè)計可以了解到，識別器只能被動地識別與幀同步碼組相同的碼組，如果在信息碼組中也出現(xiàn)了與幀同步碼組相同的碼組，這時識別器會把它誤認(rèn)為幀同步碼組而出現(xiàn)假同步。

　　比較式（1）和式（2）可以看出，當(dāng)m增大時，P1減小，P2增大，兩者是矛盾的，另外還可以看出，當(dāng)n增大時，P1增大，而P2減小，兩者也是矛盾的。因此m和n的選擇要兼顧P1和P2的要求。

　　平均同步建立時間ts：

　　假設(shè)漏同步和假同步都不發(fā)生，即P1＝0，P2＝0。在壞的情況下，實現(xiàn)幀同步多需要一幀的時間。若一幀的碼元為N，碼元寬度為Tb，則長的幀時間為NTb。如果同時出現(xiàn)漏同步和假同步，需要額外的同步建立時間，由此得到幀同步平均建立時間為：

　　ts＝（1＋P1＋P2）×NTb

　　4.3 數(shù)據(jù)傳輸速率評價

　　經(jīng)過實際測試，針對256點結(jié)合QPSK調(diào)制，每解調(diào)出一個符號平均所需要的指令周期為41 216個時鐘周期，即512μs。對此實際調(diào)試情況，分析其實測參數(shù)數(shù)據(jù)如下：

　　一個OFDM符號內(nèi)包含的比特數(shù)為：1/2（卷積碼）×2bit（QPSK）×120（用戶子載波）+2bit（BPSK）×8（導(dǎo)頻子載波數(shù)）=136bit，則除去導(dǎo)頻開銷，能夠用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)目罩袛?shù)據(jù)率為：

　　由此可見，實際測試的數(shù)據(jù)傳輸速率達到本系統(tǒng)要求（150kbps），表明此OFDM基帶處理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸性能充分滿足所制定的標(biāo)準(zhǔn)。

　　本文建立的基于FPGA的可實現(xiàn)流水化運行的OFDM系統(tǒng)的硬件平臺，經(jīng)系統(tǒng)調(diào)試和性能評價，符合設(shè)計要求，該硬件平臺的實現(xiàn)使得低成本高速OFDM調(diào)制設(shè)備的實現(xiàn)成為可能。

參考文獻:

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