OFDM发射接收模块的设计

摘要：论文提出了一种适合宽带无线通信系统的OFDM 发射接收模块设计，并介绍了Turbo 编码与IFFT 电路，这在宽带移动通信中至关重要。

关键词：正交频分复用；发射；接收；设计

引言

正交频分复用(OFDM)的基本原理就是把高速的数据流通过串并变换分解成若干子比特流，分配到传输速率相对较低的若干个子信道中进行传输。由于每个子信道中的符号周期会相对增加，因此可以减轻由无线信道的多径时延扩展所产生的时间弥散性对系统造成的影响。并且还可以在OFDM符号之间插入保护间隔，令间隔大于无线信道的最大时延扩展，这样就可以最大限度地消除由于多径而带来的符号间干扰。而且，一般采用循环前缀作为保护间隔，从而可以避免由多径带来的信道间干扰。同时OFDM 将发送的信息埋藏在载波系数中，其载波具有正交性，载波之间的频谱可以相互交迭，提高了频谱利用率。

方案设计

用FPGA实现OFDM基带收发模块是一个相当复杂的系统，需要使用单片含有数十万个门的大规模FPGA芯片。庞大的系统没有科学的设计方法很难保证不出错，本方案采用了自顶向下(Top-Down)的设计概念以及流水线设计技术。该技术是一种结构化、层次化的设计方法，从系统级开始，把系统划分为若干基本单元，然后再把每个基本单元划为下一层次的基本单元，一直这样分下去，直到可以用EDA 元件库中的元件来实现为止。最底层的设计只管底层，上层的设计负责对其下层设计所完成的模块功能的验证以及下层相互间的协调。

图1 为基带OFDM系统的自顶向下的设计树。

每一个单元用VHDL硬件描述语言编写其行为，在不同的层次都可以用QUARTUSⅡ4.1软件进行仿真以对设计思想进行验证，然后再把这些模块用元件例化语句组装起来，生成一定功能的器件。该方案可以很方便地查看某一层次某模块的源代码或图形以改正仿真时发现的错误。整个复杂的系统被分为多个子模块，降低了系统的复杂度，系统的可靠性也有一定的保障。

OFDM发射模块

OFDM发射模块主要包括：编码模块、调制模块、脉冲成型滤波模块、控制模块、数字调制模块。如图2 所示，将串行码元符号转换成并行码元符号，并行行数等于子载波数量，形成子载波符号序列；对每个子载波序列做编码；将每个子载波符号转化成复数的相位表现形式；将每个子载波符号序列调制在相应的IFFTBIN上，包括共轭部分的子载波序列；实施IFFF得到时域离散的OFDM信号采样点。实现OFDM调制的关键是子载波频率和符号率的关系，子载波频率以1/NT 的整数倍分割，每个子载波的符号率为1/NT(symbols/sec)。

图2 FPGA实现的OFDM发射模块

每个子载波调制的效果使其呈现sin(x)/x形状，sin(x)/x的0点落在频率横坐标的1/NT的各个整数倍上，每个子载波的频谱峰值正对横坐标的各个子载波频率点k/NT上，一个载波频率点正好落在其它子载波频率对应的频谱0点上，这意味着发送过程中尽管各个载波的频谱重叠，但互不干扰，子载波紧密相连使得带宽利用率很高。数据经过上述各模块的处理，转换成模拟信号后就可以进行上变频调制，发射主要核心技术。

采用Turbo编码
Turbo 码通过对子码的伪随机交织实现大约束长度的编码，具有接近随机编码的特性，能在差错率较小的情况下逼近Shannon极限。Turbo码相对以前的编码方式大大提高了功率的利用率，因此特别适用于性噪比受限的信道，同时Turbo码在衰落信道中也具有很好的编译码性能。因此，Turbo码与OFDM相结合从理论上能够大大增加系统的抗干扰、抗衰落特性，从而提高系统的通信质量和容量。编码与OFDM相结合的主要优势在于实现频域的分集作用，可以抗频率选择性衰落。

由于OFDM在频域里对信号进行了交织，结合Turbo在时域中的交织，则OFDM与Turbo码的结合可以很好地抗突发噪声和频率选择性衰落。高速无线通信是未来移动通信发展的必然方向，在有限的带宽下和恶劣的传输环境下实现高速无线通信是人们一直想达到的目标，Turbo码与OFDM相结合是一种比较理想的方案。Turbo码编码器方框图如图3所示。

图3 Turbo码编码器方框图

采用基4—FFT作为OFDM调制解调
在数字通信系统中，OFDM信号的调制和解调可以通过IDFT 和DFT 来实现，但是，实现DFT算法的运算量很大，这样DFT 和IDFT 转换将占用系统很大一部分硬件资源，因此，有必要研究算法以提高其计算效率，减少资源占用率。对于FPGA 设计，加减运算的资源占用小，速度快，运算的复杂度集中在乘除运算上，所以在复杂度比较上以乘除运算为基准，通常1个N点IDFT算法需要做N2个复数乘法运算。

而采用IFFT 算法仅需要做(N/2)*log₂N个复数乘法运算，因为1个N点的IFFT利用了DFT运算时存在的一些规律来简化计算，且随着N的增加，IDFT运算的复杂度呈二次方增长，而IFFT运算的复杂度仅比线性增长略高。因此，为提高系统的效率，本设计中采用流水线基4算法的FFT 变换，基于FFT 的算法可用来提取传输信道的特征，以便最有效地利用可用带宽资源。在OFDM调制解调器中，IFFT可用作发送部分的调制器，FFT可用作接收部分的解调器，这样在可编程器件上实现时能大大减少面积和功能，运算速度更快，能够满足OFDM技术的实时性要求。基4—FFT 硬件实现如图4 所示。

图4 FPGA 实现FFT 的结构图

OFDM 接收模块

接收模块如图5所示，主要分QAM解调、OFDM解调(基4—FFT)、译码和同步。下变频后的信号为QAM调制信号，经过A/D转换后，由QAM 数字解调模块分离出同相和反相两路信号，这两路信号分别作为同步模块和解调模块的输入数据。同步模块经过相关计算后产生的时间同步数据输入到解调模块。

OFDM解调模块根据时间同步信息调整FFT窗的位置，以纠正数据的频偏，并实现信道估计，从而对解调数据进行信道校正。解调后的数据由译码模块进行译码。控制模块用于对整个系统的控制。接收模块的运算量较大，一个OFDM符号的解调是一个长度为2048的复数FFT，采用基4—FFT时，实现乘法需要11264次，设一个OFDM符号周期为400us，因此每秒需进行约2500次FFT，运算量需2.8MIPS。



图5 FPGA 实现的OFDM接收模块

结束语

本文首先用自顶向下的设计方法确立各个模块，利用流水线设计仿真，在进行OFDM系统开发设计之前，系统的仿真是必要的，可以优化整个系统的参数和指标，缩短开发周期。然后结合Turbo编码技术和基4-FFT调制解调技术设计发射接收模块，Turbo编译码方案可以很大程度地提高系统的性能，采用基4—FFT作为调制解调技术，大大减少了运算量。