（通信与信息系统专业论文）基于dsp和fpga硬件平台的ofdm通信系统调试及实现.pdf

摘要 正交频分复用( o f d m ) 技术具有很强的抗符号间干扰、抗多径衰落和时延的 能力。并且保持较高的传输速率。随着人们对通信数字化、宽带化、个人化、移 动化的要求，o f d m 正在成为移动通信中的研究热点。预计o f d m 将会得到显著 应用在b 3 g 仍至4 g 通信系统中。 本文在参照i e e e 8 0 2 1 1 a 协议物理层标准的基础上了完成了一个可以自适应 调制解调的o f d m 系统。系统的硬件结构采用“d s p + f p g a + d u c d d c 的软件 无线电架构，使a d d a 靠近中频，减少模拟信号处理环节。本文首先介绍了o f d m 系统硬件平台，包括系统构成，功能划分，参数及帧结构，随后着重讨论硬件平 台的器件调试。在此基础上，讨论了如何在系统平台上编写d s p 和f p g a 的程序 以完成自适应调制解调的o f d m 系统功能。最后测试了系统的性能，主要有系统 自适应解调的测试，频谱的测量以及解调性能的测试。对于频谱测量，符合 i e e e 8 0 2 1 1 a 发送功率门限要求。解调性能上b p s k ，q p s k ，8 p s k ，1 6 q a m 四种 调制方式星座图状况良好，系统可以自适应传输。 关键词：正交频分复用自适应调制解调 i e e e 8 0 2 1 l a a b s t r a c t o r t h o g o n a lf r e q u n e n c yd i v i s i o nm u h i p l e x i n g ( o f d m ) i ss u i t a b l ef o rh i 曲r a t e d a t at r a n s m i s s i o ni nw i r e l e s sc h a n n e l sb e c a m ei tc a nc o m b a ti n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c e a n dm u l t i p a t hf a d i n ge f f i c i e n t l y w i t hu r g e dd e m a n do nt h ed i g i t a l ，w i d e b a n d ，p e r s o n a l a n dm o b i l ec o m m u n i c a t i o n ，o f d mh a sb e c o m eo n eo ft h eh o t t e s tt o p i c si nt h i sf i e l d s o i tc a nb ee s t i m a t e dt h a to f d mw i l lb ea p p l i c a t e ds i g n i f i c a n t l yi nb 3 go r4 gs y s t e m s r e f e r e n c e do nt h es t a n d a r di e e e 8 0 2 1lap h y s p e c i f i c a t i o n s ，t h i sp a p e rf o c u s e so n t h e a c c o m p l i s h m e n t o fa n a d a p t i v e m o d u l a t i o na n dd e m o d u l a t i o no f d m c o m m u n i c a t i o n s y s t e m t h e h a r d w a r es t r u c t u r ei s b a s e do nt h e “d s p + f p g a + d u c d d c ”a r c h i t e c t u r eo fs o f t w a r ed e f i n e dr a d i o ，w h i c hm a k e st h e a d d ac l o s et ot h ei n t e r m e d i a t ef r e q u e n c ya n dr e d u c e st h ea n a l o gp r o c e s s i n g i nt h i s p a p e r , w ef i r s ti n t r o d u c et h eo f d ms y s t e ma r c h i t e c t u r e ，f u n c t i o n a lp a r t i t i o n i n g ，f r a m e s t r u c t u r ea n dp a r a m e t e r s f o l l o w i n gt h i s ，w ef o c u so nt h ed e b u g g i n go ft h ec h i p so nt h e b o a r d t h e n ，w es t u d yh o wt op r o g r a mi nt h ed s pp l u sf p g ap l a t f o r mt oa c h i e v et h e a d a p t i v e m o d u l a t i o na n dd e m o d u l a t i o no f d ms y s t e m i nt h e e n d ，t h es y s t e m p e r f o r m a n c ei st e s t e d ，i n c l u d i n gt h et e s to fa d a p t i v em o d u l a t i o na n dd e m o d u l a t i o n ，t h e m e a s u r e m e n to ft h es p e c t r u mo ft h eo f d ms i g n a l ，w h i c hi su n d e rt h ei e e e 8 0 2 1la e m i s s i o nm a s ka n dt h ed e m o d u l a t i o np e r f o r m a c e 甜lt h eb p s k ，q p s k ，8 p s ka n d16 a m d e m o d u l a t i o nc o n s t e l l a t i o np l o t sa r ei ng o o ds t a t u st h a to u rs y s t e mc a l lt r a n s m i td a t a a d a p t i v e l y k e y w o r d s ：o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g a d a p t i v em o d u l a t i o n a n dd e m o d u l a t i o ni e e e 8 0 2 1 l a 西安电子科技大学 学位论文独创性( 或创新性) 声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标 注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说 明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名：多磊丑一日期銎他6 ，l 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保 留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后 结合学位论文研究课题再攥写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 本人签名： 导师签名： 日期丕兰! ! ：曼：3 日期刊竺：6 15 第一章绪论 第一章绪论 近年来，随着社会的进步，经济和科技的发展，特别是计算机、程控技术、 数字通信的发展，移动通信系统以其显著的特点和优越的性能应用在社会的各个 方面。大体来说，移动通信技术的发展经历了三个主要发展阶段：第一代无线通 信系统以模拟技术为主，包括模拟蜂窝和无绳电话系统，主要提供语音业务；第 二代无线通信系统( 2 g ) 采用了数字技术，包括数字蜂窝系统、个人通信业务( p c s ) 系统和无线数据网络系统，在通信质量、传输效率和系统容量上有了很大的提高， 同时第二代系统除了提供传统的语音业务外，还为用户提供了数据业务；第三代 无线通信系统( 3 g ) 主要以c d m a 为核心技术，提供2 m b s 的峰值传输速率，这使 得它能够提供前两代通信系统无法提供的各种宽带信息业务，如高速数据、低速 图像和电视业务等。进入2 1 世纪以来，随着社会的发展，市场需求也在不断变化， 人们希望能在移动环境下稳定的观看视频、希望能随时随地的接入i n t e r n e t ，而这 些也正是下一代通信系统( b 3 g 4 g ) 的发展目标：提供高质量、高速率、高移动率、 低功耗的无线多媒体传输，实现在不同无线网络间的无缝漫游。 但是无线通信系统相对有线通信有着其自身的特点，其更容易收到外界环境 的干扰。在无线信道中，信号由于复杂地面环境的反射、折射和散射作用，往往 经过多条路径到达接收端。由于每条路径上的信号到达时间和相位都不同，不同 相位的多个信号在接收端叠加，接收信号幅度将急剧变化，产生衰落。传统的单 载波通信系统在传输速率不是很高、多径干扰不是特别严重时，接收端可以通过 使用合适的均衡算法使整个通信系统正常工作。但是当系统要求更高的传输速率 时，由于多径时延扩展，接收信号中的一个符号的波形会扩展到其他符号中，造 成了码间干扰( i n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c e ，i s i ) 。这就对均衡提出了更高的要求，需要 引入更加复杂的均衡算法，实现比较困难。另外，当信号的带宽超过和接近信道 的相干带宽时，信道还会引起频率选择性衰落。而多载波( m c m ) 系统采用多个载 波信号，它把高速数据流分割成若干路低速并行子数据流，然后每路低速数据采 用一个独立的载波调制并叠加在一起构成发送信号。所以在多载波调制信道中， 数据速率相对较低，码元周期加长，提高了抗码间干扰的能力。 正交频分复用( o f d m ) 技术作为一种多载波技术，由于其抗多径干扰能力强、 频谱利用率高、适合高速数据传输等性能，日益受到人们的关注，已经成为下一 代无线通信的首选方案。 1 1o f d m 技术的历史与应用现状 o f d m 技术作为特殊的频分复犀j ( f r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ，f d m ) 技术， 2 基于d s p 和f p g a 硬件平台的o f d m 通信系统调试及实现 是从传统的多载波技术逐渐演变而来的。上世纪五六十年代，为了提高传统多载 波系统的频谱利用率，出现了子带部分重叠，各子载波间正交的技术，形成o f d m 技术雏形。1 9 7 1 年，s w w e i n s t e i n 和p m e b e r t 提出了在o f d m 发展史上具有里 程碑意义的几个思想：1 ) 每个子载波的频谱在没经过滤波时，其频谱形状为s i n c 函数；2 ) 离散傅立叶变换( d i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o r m ，d f t ) 及其逆变换可以用来完成 多载波基带的调制与解调；3 ) 各符号间采用空白的时隙作为保护间隔来消除码间干 扰( i s i ) 。1 9 8 0 年，a p e l e d 和a r u i z 提出将空白时隙改为循环前缀以满足色散信 道时各子载波的正交性。至此，形成了较为完整的o f d m 理论。 o f d m 技术在发展的初期主要应用于军用系统，而且基于模拟系统，由于使 用模拟滤波器实现起来的系统复杂度较高，所以一直没有发展起来。直到上世纪 7 0 年代，离散傅立叶变换被用以实现多载波调制，简化了系统结构才使得o f d m 技术更趋于实用化。在随后的几十年里，随着快速傅立叶变换( f a s tf o u r i e r t r a n s f o r m ，f f t ) 、高阶q a m 调制解调、格状编码、软判决及信道自适应等技术的 进一步发展，o f d m 越来越受到人们的重视，已成功应用于数字用户环( x d s l ) 、 数字音频广播( d a b ) 、数字视频广播( d v b ) 、无线局域i 网( i e e e 8 0 2 1 1 a ) 和无线接入 ( i e e e 8 0 2 16 ) 等系统中。 o f d m 是适用于无线环境下的高速传输技术，除了无线局域网标准( i e e e 8 0 2 1 l a 、h i p e r l a n 2 等) 外，还在宽带无线接入( b w a ) 中得到应用，所谓宽带 ( b r o a d b a n d ) 是指速率高于l o m b i t s 的传输系统，宽带无线接入系统是针对微波 及毫米波段中新的空中接口标准，它具有速率高、抗干扰性强等特点，能支持无 线多媒体通信，适用于商务大楼、热点地区及家庭用户的宽带接入。i e e e8 0 2 1 6 工作组专门负责b w a 方面的技术工作，它已经开发了一个2 1 1 g h zb w a 的标准 i e e e 8 0 2 1 6 a ，物理层采用了o f d m 技术。该标准不仅是新一代的无线接入技术， 而且对未来蜂窝移动通信的发展也具有重要意义。 在b w a 领域，一些公司开发的技术虽然都基于o f d m ，但有各自的特色，形 成一些专利技术，如c i s c o 和i o s p a n 公司的v e c t o ro f d m ( v o f d m ) ，w i l a n 公 司的w i d e b a n do f d m ( w o f d m ) ，f l a r i o n 公司的f l a s h - o f d m 。v o f d m 由c i s c o 公司支持，w o f d m 则由w i l a n 公司提出，构成了o f d m 的两大阵营：宽带无 线i n t e m e t 论坛( b w i f ) 和o f d m 论坛，它们力图使自己的o f d m 模式成为标准。 由w i l a n 公司倡导的o f d m 论坛，有5 0 多个成员，一些公司，如b r e e z e c o m ， s t a r t u pb e a m r e a c hn e t w o r k s 和n o k i a 参加，o f d m 论坛主要是协调提交到m e e 的o f d m 提案。在c i s c o 倡导下，i e e e 工业标准技术组织i e e e i s t o 成立了宽 带i n t e m e t 论坛( b w i f ) ，提供低成本宽带无线接入技术，号召采用基于v o f d m 的 标准作为解决方案。 多输入多输出( m i m o ) o f d m 由l o s p a nw k e l e s s 公司开发，是o f d m 和m i m o 第一章绪论3 技术结合产生的一种新技术。m i m o 是该项技术的核心，是在收发两端使用多个 天线，每个收发天线对之间形成个m i m o 子信道，若各发射接收天线间的通道 响应独立，则m i m o 系统可以创造多个并行空间信道。通过这些并行空间信道独 立地传输信息使得数据传输率得以提高。而o f d m 技术有极好的抗衰落特性，通 过在o f d m 传输系统中采用阵列天线实现空间分集，可结合二者优点，使无线系 统对噪声、干扰、多径的容限大大增加，而且大大提高频谱利用率和业务覆盖范 围。由于m i m o 和o f d m 在提高无线链路的传输速率和可靠性的巨大潜力，使得 这两种技术特别是二者的结合有望成为过渡到4 g 的潜在技术。 此外，c o f d m ( c o d e d o f d m ) ，即编码正交频分复用，也具有较大潜力。它 是目前世界最先进和最具发展潜力的调制技术。编码( c ) 是指信道编码采用编码 率可变的卷积编码方式，以适应不同重要性数据的保护要求。c o f d m 技术是h p a 联盟( h o m e p l u gp o w e r l i n ea l l i a n c e ) 工业规范的基础，它采用一种不连续的多音 调技术，将被称为载波的不同频率中的大量信号合并成单一的信号，从而完成信 号传送。由于这种技术具有在杂波干扰下传送信号的能力，因此常常会被利用在 容易受外界干扰或者抵抗外界干扰能力较差的传输介质中。 1 2o f d m 技术的优缺点 o f d m 技术有以下优点。 ( 1 ) 通过对高速数据流进行串并转换，使得每个子载波上的数据符号持续长 度相对增加看，从而有效的减少由于无线信道的时间弥散所带来的i s i ，进而减少 了接收机内均衡器但复杂度，有时甚至可以不采用均衡器，而仅仅通过插入循环 前缀的方法消除i s i 的不利影响。 ( 2 ) 传统的频分多路传输方法是将频带分为若干个不相交的子频带来并行传 输数据流，各个子频带之间要保持足够的保护频带。而o f d m 系统由于各个子载 波之间存在正交性，允许子信道的频谱相互重叠，因此与常规的频分复用系统相 比，o f d m 系统可以最大限度的利用频谱资源。当子载波个数很多时，系统的频 谱利用率趋于2 b a u d h z 。 ( 3 ) 各个子信道的正交调制和解调可以分别通过离散傅立叶反变换( i d f t ， i n v e r s e d i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o i t n ) 和离散傅立叶变换( d f t , d i s c r e t ef o u r i e r t r a n s f o r m ) 的方法来实现，在子载波数很多的系统中，可以采用快速傅立叶变换 ( i f f t ，i n v e r s ef a s tf o u r i e rt r a n s f o r m ) 和快速傅立叶变换( f f t ，f a s tf o u r i e r t r a n s f o r m ) 来实现。而随着大规模集成电路和d s p 技术的发展，i f f t 与f f t 都 是非常容易实现的。 ( 4 ) 无线数据业务一般存在非对称性，即下行链路的数据传输量要大于上行 4 基于d s p 和f p g a 硬件平台的o f d m 通信系统调试及实现 信链路中的数据传输量，这就要求物理层支持非对称高速率数据传输。o f d m 系 统可以通过使用不同数量的子信道来实现上行和下行链路中的不同传输速率。 ( 5 ) o f d m 易于和其他多种接入方法结合使用，构成o f d m a 系统，其中包 括多载波码分多址( m c c d m a ) 、调频o f d m 以及o f d m t d m a 等等，使得多 个用户可以同时利用o f d m 技术进行信息的传输。 但是o f d m 系统由于存在多个正交的子载波，而且其输出信号是多个子信道 信号的叠加，因此与单载波系统相比，存在如下缺点。 ( 1 ) 易受频率偏差的影响。由于子信道的频谱相互覆盖，这就对它们之间的 正交性提出了严格的要求。无线信道的时变性在传输过程中造成的无线信号频谱 偏移，或发射机与接收机本地振荡器之间存在的频率偏差，都会使o f d m 系统子 载波之间的正交性遭到破坏，造成子信道间干扰( i c i ，i n t e r - c h a n n e li n t e r f e r e n c e ) 。 这种对频率偏差的敏感性是o f d m 系统的主要缺点之一。 ( 2 ) 存在较高的峰值平均功率比。多载波系统的输出是多个子信道信号的叠 加，因此如果多个信号的相位一致所得的叠加信号的瞬时功率就会远远高于信号 的平均功率，导致较大的峰值平均功率比( p a p r ，p e a k t o a v e r a g ep o w e rr a t i o ) 。 这就对发射机内放大器的线性度提出了很高的要求，因此可能带来信号畸变，使 信号的频谱发生恶化，从而导致各个子载波之间的正交性遭到破坏，产生干扰， 使系统性能恶化。 1 3 本文工作安排 本文所研究的o f d m 通信系统采用“d s p + f p g a 十数字上变频器数字下变频 器”的结构，参照8 0 2 1 1 a 协议物理层标准，在充分利用信道特性的基础上，采用 自适应的调制解调方式传输数据。 本文的主要工作包括对“d s p + f p g a + 数字上下变频器 硬件平台的调试以及 参照8 0 2 1 l a 协议物理层标准，在平台上实现o f d m 通信系统的软件编程。 “d s p + f p g a + 数字上下变频器”硬件平台主要包括以下几个模块：串口通信接口 模块、基带信号处理模块、中频发送接收模块。其中串口通信模块包括串并转换 芯片和电平转换芯片，用来实现板卡和上位机的数据通信。基带信号处理模块包 括o f d m 的调制和解调部分，d s p 的调制模块在每次通信前会发送请求帧，对方 利用请求帧中的长训练序列来估计信道条件，再以反馈帧的形式将这个信息传给 发送方，d s p 据此确定通信的调制方式。f p g a 的解调模块实现了b p s k ，q p s k 、 8 p s k 、1 6 q a m 四种调制解调方式，根据帧信息域内容自适应的解调。中频发送接 收模块包括数字上变频器a d 9 9 5 7 和数字下变频器a d 6 6 5 4 ，以实现频谱搬移和数 模模数转换。下面介绍各章的具体内容： 第一章绪论5 第一章：简单介绍移动通信的发展和o f d m 技术的特点。 第二章：介绍了o f d m 系统的基本模型，过采样技术，保护间隔和循环前缀 的作用，o f d m 系统的组成。 第三章：首先介绍了“d s p + f p g a + 数字上下变频器”硬件平台、系统方案功 能划分以及系统参数和帧结构。然后具体介绍个模块器件的调试，包括串口转换 芯片s t l 6 c 5 5 0 ，s d r a m ，f l a s h 存储芯片，上下变频器等，最后介绍系统脱机的 调试。 第四章：介绍了系统d s p 和f p g a 实现时的具体程序编写，d s p 主要完成 o f d m 的调制端，f p g a 主要完成o f d m 的解调端。此外，d s p 还将完成整个通 信的流程控制，协调串口通信和信道通信关系。f p g a 中也还要完成相应f p g a 和 d s p 的通信接口，f p g a 和数字上下变频器的接口。整个系统将按照第三章所述的 系统架构和参数来实现，发送端自适应地选择b p s k 、q p s k 、8 p s k 、1 6 q a m 四 种方式调制，接收端根据帧信息域内容中的解调方式参数选择对应的解调方式。 第五章：完成了系统整体性能测试，主要有自适应解调的测试，频谱测量以 及系统解调性能的测试。 第二章o f d m 技术的基本原理 7 第二章o f d m 技术的基本原理 在移动无线信道中，信号从发射天线经过一个时变多径信道到达接收天线， 会产生时间选择性衰落和频率选择性衰落。正交频分复用( o f d m ) 的基本原理就 是将高速的数据流通过串行变化，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o f d m 符号之 间插入保护间隔，使保护间隔大于无线信道的最大时延扩展，这样就可以最大限 度的消除由于多径带来的i s i 。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i c i 。o f d m 技术利用信号的时频正交性，允许子信道频谱有部分 重叠，使得频谱利用率提高近一倍。 2 io f d m 调制和解调原理 o f d m 调制是将数据比特通过星座映射后得到的数据符号调制到若干个相互 正交的子载波上。在数据符号进行o f d m 调制以前需要将串行的数据符号变为并 行的，o f d m 调制后再叠加起来变为串行的。o f d m 解调则是先获取子载波上承 载的数据符号，再将符号变为串行的。 设n 表示子信道的个数，f 表示o f d m 符号的宽度，i ( i = o ，1 ，n 一1 ) 是 分配给每个子信道的数据符号，工是第0 个子载波的载波频率，r e c t ( t ) = 1 ， h t 2 ，则从7 2 开始的o f d m 符号可以表示为【l 】： p 。，= r e 篓s , r e c t ( t - t , - 吾，e x p 歹2 万c 正+ 手，。一， ) ，+ r 但。， p ( f ) = of + 丁 ( 2 2 ) 根据式( 2 1 ) 和式( 2 2 ) ，可以得出图2 1 的o f d m 系统基本模型，其中 哆2 2 万z = 2 石( z + 手) ( f ：o ，1 ，一1 ) 。 8 基于d s p 和f p g a 硬件平台的o f d m 通信系统调试及实现 二沪 俐积分卜一 i 矿问- 。一 啦 垒2 冈-蠢叶弘 s p+ p s l _ _ - _ 。_ _ _ 。_ - 。_ 一 l 纱蚪i 矿州 札h 碎 图2 1 可知，每个子载波在一个o f d m 符号周期内包括整数倍个周期，而且 相邻子载波之间相差一个周期。这一特性就是子载波之间的正交性，即： ；一e 冲c ，2 万五。e 冲c - ，2 丌厶r ，出2 三m m m 甩n 。2 3 ， 假设在接收端对第j 个子载波进行解调，那么可以通过在时间长度t 内进行积 分来完成，即： 弓= ；h 啊万事，篓则2 石扣 = ；篓p t e 则幼肇峨州鼠例一。口4 ， 根据式( 2 4 ) 可以看出，对第j 个子载波进行解调可以恢复出期望符号j 。而对 于其他载波，由于在积分间隔内，频率差别【l 一，) 可以产生整数倍个周期，所以 其积分结果为零。 我们设2o ，并且忽略矩形函数，对式( 2 1 ) 信号p ( f ) 以纠的速率进行采样， 令7 = 尼( 七= o ，1 ，一1 ) ，则可以得到： 仇叫后r m = 芝i = o 懈( ，等) 胪0 1 ，_ 1 ) 5 ) 可以看出见等效为i 进行i d f t 变换。同样在接收端，为了恢复出原始信号0 ， 可以对a 进行逆变换： s2 荟n - 1 a 时，等) ( f - 0 ，1 ，州) ( 2 - 6 ) 也就是说对o f d m 系统的调制和解调可以由i d f t d f t 来代替。在实际中， 随着大规模集成电路技术和d s p 技术的发展，对于子载波数较大的系统，我们可 以采用更加快速、方便、成熟的算法i f f t f f t 来实现o f d m 系统的调制解调， 从而可以大大简化系统实现的复杂度。 第二章o f d m 技术的基本原理 9 2 2 过采样技术 在实际应用中，对一个o f d m 符号进行次采样，或者点i f f t 运算得到 的个输出样值往往不能真正反映连续o f d m 符号的变化特性，这是因为：由于 没有使用过采样，当这些样点被送到模数转换器时，就有可能导致生成伪信号， 这是系统所不允许的。这种伪信号的表现就是，当以低于信号中最高频率两倍的 频率进行采样时，当采样值被还原之后，信号中将不再含有原有信号中的高频成 分，呈现出虚假的低频信号。所以一般需要对o f d m 信号进行过采样，即在原有 采样点中间再添加一些采样点，构成p n ( p 为整数) 个采样点。 具体说来，输入的个数据符号， 口。，2 = 0 ，1 ，n 一1 ) 表示频域数据符号，经 过i f f t 变换之后，得到时域数据符号 4 ，k = 0 ，l ，n 1 ) ，即： 1 丛 4 = 二5 口。孵 ( 2 - 7 ) 其中，= e x p ( - j 2 巧) 。如果希望通过4 倍过采样得到更加反映连续信号 变换的时域离散采样点，可以在i f f t 输入的频谱数据符号中间补充3 n 个零，即 构成p 口聊小筹嘞2 ，口。1 陆再实施4 点的i f f t 则可以按4 倍过采样得到4 n 个时域离散采样点，即 = 高蟛 ( 2 - 8 ) 其中，咒，k = o ，1 ，4 n 一1 。由此可以实现对频域信号的过采样，更加精确反映 o f d m 连续符号的变换情况，唯一不同的是4 n 点的i f f t 计算结果的模值为点 i f f t 计算结果模值的四分之一。 以r 为采样间隔得到的时域采样信号的傅里叶变换是由时域连续信号的傅里 叶变换周期重复构成的，其重复周期为l i t 。如果对时域信号进行p 倍过采样，即 采样间隔变为r i p ，则其相应的傅立叶变换的重复周期变为丁，而时域连续信号 的频谱宽度又保持不变，因此从频域来看，也相当于在连续信号带宽外补零，而 在i f f t 运算中，相当于在频域数据插入零。 下图所示为3 = 8 时，输入序列为二进制序列 l ，1 ，l ，1 ，1 ，1 ，1 ，1 ) ，实施过采样和 不实施过采样情况中，i f f t 运算输出模值。横轴表示样值个数。 1 0 基于d s p 和f p g a 硬件平台的o f d m 通信系统调试及实现 0 1 5 0 1 0 0 5 0爨艇 51 0 1 52 0 ( c ) 图2 2n = - 8 时i f f t 过采样不意图 上图中，( a ) ，( b ) ，( c ) ，( d ) 依次为不实施过采样、2 倍过采样、3 倍过采样、 4 倍过采样。从图中可以看出，采样点数越多，越能反映符号变化细节。此外，实 施过采样还可以更加准确反映o f d m 系统内p a r 的分布情况，从而有利于收集较 大的峰值功率。 过采样的引入不改变o f d m 信号原有的频谱结构，同时不增加信号的带外辐 射。不仅如此，还可以减小系统中数字低频滤波器的通带宽度，降低对滤波器过 渡带上衰减特性的要求，降低系统设计的难度。 2 3 保护间隔和循环前缀 o f d m 把输入的数据流串并变换到个并行的子信道中，使得每个用于去调 制子载波的数据周期可以扩大为原始数据符号周期的倍，因此此时时延扩展与 符号周期的比值也同样降低倍，所以能有效的对抗多径时延扩展。除此之外还 可以在每个o f d m 符号之前插入保护间隔，只要该保护间隔长度1 9 大于无线信道 的最大延迟扩展，一个o f d m 符号的多径分量就不会对下一个符号造成干扰。这 段保护间隔内可以是空信息不含任何数据，如图2 3 所示。然而在这种情况下，由 于多径传播的影响，则会造成子载波间干扰( i c i ) ，即子载波之间的正交性遭到破 坏。这种效应可见图2 4 ，每个o f d m 符号中包括所有的子载波信号，同时也会出 现该o f d m 符号的延迟信号，图2 4 中给出了第一个子载波、第一个子载波的延 迟信号以及第二个子载波信号，从图中可以看出，由于第一个子载波的多径延迟 第二章o f d m 技术的基本原理 与第二个子载波之间的周期个数在f f t 运算时间长度内不再是整数，从而第一个 子载波的多径延迟与第二个子载波信号间不再满足正交关系，所以当接收机试图 对第二个子载波进行解调时，第一个子载波的多径延迟就会对此造成干扰。同理， 当接收机对第一个子载波进行解调时，第二个子载波的多径延迟也会对第一个子 载波造成干扰。 第i 1 个o f d m 符号 图2 3 保护间隔消除i s l 第一个子载波的多径延迟 图2 4 由于多径的影响，空闲保护间隔对子载波之间造成的干扰 为了消除由于多径所造成的干扰，可以在o f d m 符号的保护间隔内插入循环 前缀，方法是将i f f t 之后得到的时域信号的最后1 9 时间内的信号复制到保护间隔 内，如图2 5 所示，这样就保证在f f t 周期内，o f d m 符号的延迟信号内所包含 的波形的周期个数也是整数。这样只会造成各个子载波的幅值和相位发生变化， 并不会影响各个子载波的正交行。这样，时延小于保护间隔1 9 的信号就不会在解 调过程中产生i c i 。 图2 5 带循环前缀的o f d m 符号结构 1 2 基于d s p 和f p g a 硬件平台的o f d m 通信系统调试及实现 2 4o f d m 系统的组成 实际的o f d m 系统收发机结构中，除了o f d m 调制与解调、添加与去循环前 缀c p 外，还有编码、交织、星座映射、模数和数模转换等，如图2 6 所示。 图2 6o f d m 系统的组成框图 由上面的o f d m 收发机模型可以看出，在发送端，输入的比特序列完成串 并变换后，经过编码、交织模块，然后根据采用的调制方式完成相应的调制映射， 形成调制信息，对这些调制信息进行i f f t 运算，计算出o f d m 已调信号的时域 抽样序列，加上循环前缀( c p ) ，再做d a 变换，经过上变频得到o f d m 已调信 号的时域波形。 接收端先对接收信号进行a d 变换，同时进行下变频，去c p 得到o f d m 已 调信号的抽样序列，对该抽样序列做f f t 运算得到原调制信息序列，对此信息序 列进行相应的解调，然后经过解交织、解码、并串变换后恢复出原始的输入比特 序列。另外，下变频后可根据信号中的前导序列进行定时频率同步【l 引。f f t 后， 也可根据信号中相应的训练序列来做信道估计和信道补偿，这样有利于更加准确 地恢复出原始信息序列。 第三章o f d m 系统硬件平台调试 1 3 第三章o f d m 系统硬件平台调试 硬件平台设计完成后，需要对平台进行调试，以确保各硬件模块能够正常工 作。整个调试过程需要检查硬件电路，编写初始化和测试程序，来验证电路的连 通性和各个芯片的工作情况。只有在整个硬件系统都能够正常工作的前提下，后 面的应用程序开发才有基础。 本章先着重讨论下硬件平台的总体框架，然后就一些外围设备的调试详细介 绍，诸如串口转换芯片s t l 6 c 5 5 0 以及f l a s h 芯片a m 2 9 l v 0 1 7 d ，由于本人接手 时系统已经打通，故将数字上变频器a d 9 9 5 7 和数字下变频器a d 6 6 5 4 的调试略 去，仅仅介绍下其初始化的过程，最后讨论下f p g a + d s p 系统脱机时需要注意 的一些问题。 3 1 1 硬件平台概述 3 1o f d m 系统硬件平台 本文o f d m 系统基于软件无线电【1 1 1 平台设计思想，将数字信号处理尽量靠 近中频前端，减少模拟处理环节。o f d m 系统中频收发机采用 “d s p + f p g a + d u c d d c ”的硬件结构，如图3 1 所示。 图3 1o f d m 系统板硬件结构图 整个系统主要分成三大模块，串口通信模块，基带信号处理模块，中频信号 处理模块。串口通信模块主要用来实现板卡和上位机的数据传输过程。基带信号 处理模块是本板卡的核心，主要实现o f d m 调制，下变频数据的同步，f f t 运 算，信道估计和补偿，自适应解调，信噪比估计等功能，同时还负责整个通信流 程的程序调度。中频处理模块完成数据的上下变频以及信号的模数数模变换。下 面分各模块简单介绍其功能。 1 4 基于d s p 和f p g a 硬件平台的o f d m 通信系统调试及实现 串口通信模块使用芯片是m a x 3 2 2 5 和s t l 6 c 5 5 0 。其中m a x 3 2 2 5 是3 3 v 标准的通信接口芯片，用于完成c m o s 到r s 2 3 2 之间的电平转换。s t l 6 c 5 5 0 是带1 6 字节发送接收f i f o 的串并转换芯片，将从r s 2 3 2 口接收到的串行数据 流转换为8 位的并行数据。 基带信号处理的核心为d s p 和f p g a 。d s p 选用的是a d i 公司t i g e r s h a r c 系列的t s 2 0 1 s ，从串口过来的数据将会以中断的方式传给d s p 。f p g a 选用的 是a l t e r a 公司的s t r a t i x l i 系列的e p 2 s 9 0 f 1 0 2 0 c 5 。在f p g a 和d s p 之间连有数 据总线，s d r a m 作为系统外扩存储器，也挂在总线上。当d s p 将调制完成的 数据通过总线传给f p g a 后，f p g a 通过其内部f i f o 的接口功能将数据以上变 频器接收的格式传出去。同时，下变频来的数据要经过f p g a 的解调，然后从总 线上传给d s p 。d s p 的时钟为2 0 m 的5 倍频，即1 0 0 m 。f p g a 的时钟域有两个， 一个是1 0 0 m 的数据时钟，一个是3 2 7 6 8 m 的2 倍频，即6 5 5 3 6 m 的信道时钟， 可见，f p g a 在系统中充当的协调不同数据域之间传输的作用。 d s p 的配置芯片为a m d 公司的a m 2 9 l v 0 1 7 d ，作为d s p 上电时程序加载 的f l a s h ，在上电时以总线的方式向d s p 加载程序。f p g a 的配置芯片为e p c s l 6 ， 这是a l t e r a 推荐的f p g a 配置芯片，上电时以串行数据流的方式加载程序，故 d s p 和f p g a 在上电时是不冲突的。 中频信号处理模块由数字上变频器a d 9 9 5 7 和数字下变频器a d 6 6 5 4 构成。 当f p g a 将调制完成后的数据传给a d 9 9 5 7 时，经过其内部的内插，滤波，d a c ， 最后将信号调制到中频发射出去。中频模拟信号经过a d 6 6 5 4 的d a c 采样，混 频，抽取，滤波，转化成数字基带信号传送给f p g a 。 3 1 2 系统功能划分 整个系统的核心是要完成o f d m 的调制和解调，对于 “d s p + f p g a + d u c d d c ”的硬件平台，合理规划功能单元，使各个器件都能发 挥最大效率对于系统的性能提升是很有必要的。经过考虑，我们决定将o f d m 的调制放在d s p 中完成，将o f d m 的解调放在f p g a 中完成，具体功能划分见 下图3 2 所示。 第三章o f d m 系统硬件平台调试 1 5 划恙端协 卜 踯9 9 l p t ( a d 3 邶6 6 5 4l h 1l m 印p m g jii ，挟ll 接口 7叫g 函插入哥缀卜 从 1 解调r 校正一变化一”1r d d c 苗1 f 。 w 击翮 a d 6 6 5 4 l 信息域i 厂_ = = l l 竺里兰| i 厣羽明压循环前缀ii a d 6 6 5 4 kr 酬i ! g 班：l ! i 量旦阡旦阵 窿而；卿兰 i 同步卜广一 图3 2o f d m 系统功能划分图 发射端信源依次进行数字调制，串并变换，i f f t ，并串变换，插入循环前缀 c p ，然后加上帧头和信息域完成o f d m 的调制过程。调制完的数据传给f p g a ， 经过f i f o 传给数字上变频器。 解调端中频信号经过定时同步，去循环前缀c p ，串并变换，f f t ，并串变 换，信道校正，自适应解调，完成o f d m 的解调工作，最后数据由f p g a 传给 d s p 。 这样的划分主要考虑了以下几个因素： 首先，同步模块需要f p g a 完成。一方面，同步在实现时需要不断的将采集 的数据进行相关运算，这是一个需要实时进行的工作。如果在d s p 中完成，d s p 内核将变得十分繁忙，消耗了大量的资源。而f p g a 可以并发处理，如果实现就 是一个模块而己；另一方面，为了同步数据，d s p 需要采集数据，将占用总线资 源，使总线变得十分繁忙。 其次，f f t 放在f p g a 中还是d s p 中的考虑。本系统中采用3 2 路子载波， 2 0 4 8 m 的带宽，o f d m 的符号长度为1 9 5 31 2 5 u s 。解调端在一个o f d m 符号周 期内要完成包括去循环前缀，串并变换，f f t ，信道估计及补偿，解调等操作， 这里每个模块都有延时，但总的延时不能超过一个o f d m 符号的长度，即 1 9 5 3 1 2 5 u s ，如图3 3 所示。否则由于数据堆积，将会产生错误。经过测试发现， 使用1 0 0 m 的时钟6 4 点的基- 4 f f t 在e p 2 s 9 0 f 1 0 2 0 c 5 系列f p g a 中做一次变换， 花费的时间延时大约2 4 6 u s ，而在s c l k 为1 0 0 m 的t s 2 0 1 系列d s p 中完成时 耗时为1 2 8 6 u s ，很显然f p g a 比d s p 快很多，故解调端的f f t 将在f p g a 中完 成。同时，由于发送时没有这方面的限制，故可以在d s p 中可以做i f f t ，这样 编程也比较简单。 6 基干d s p 和f p g