（通信与信息系统专业论文）基于dsp的cofdm调制解调器实现技术的研究.pdf

基于d s p 的c o f d m 无线调制解调器实现技术的研究 摘要 奉文对利用f m 无线信道，采用编码正交频分复用( c o f d m f m ) 技术传送数据的调 制解调器进行了分析研究，并完成了用数字信号处理器( d s p ) 实现的c o f d m f m 调制解 调器的系统方案。方案中选用了p i c l 6 c 5 7 完成m o d e m 和计算机或者数据终端的r s 一2 3 2 - c 接 口以及对c 2 5 的一些控制，而t m s 3 2 0 c 2 5 则作为数字信号处理核心，完成调制解调器其他 所有的功能和算法。 方案中，通过r s - 2 3 2 - c 接口接收到原始的二进制数据，这些数据经过r s 编码、频域交 织和格状编码调制，形成了1 6 q a m 调制信号。选取8 路确知形式的1 6 q a m 信号作为进行二 维a g c 的基准信号。合理安排数据、基准信号的信道分配，其余点补零并进行串并变换，这 样多路1 6 q a m 副载波调制信号合成在一起形成了帧c o f d m 频域信号。o f d m 其产生和相 关解调是通过快速傅立叶反变换与傅立叶变换( i p f t 和f f t ) 实现的。接收端建议了一种新 的同步算法。i 该算法基于8 路基准信号中的2 路来实现，通过逐步调整，在l o 帧内可达到精 确同步。通过对接收到的8 路基准信号的幅度和相位进行误差分析来完成二维a g c ，以校正 定时误差及信道衰落造成的信号幅度失真。解调部分对应于t c m 编码采用了v i t e r b i 软判决 译码，而后去交织，r s 解码恢复原始的二进制数据，再通过r s 一2 3 2 - c 接口送往数据终端。 上述为方案的大体流程，其中具体实现参数，比如交织深度、基准信号对应的信道的选取等 一些参数要依具体应用而定，使系统性能达到最佳。、v 。 l ：述所有主要功能和算法均由软件编程实现，因此最终实现的是种全数宁可编程调制 解调器。实验表明，采用p i c l 6 c 5 7 和t m s 3 2 0 c 2 5 并配以少量的外围电路即可实现半双t 的 适用于现有f m 标准信道的传信率不小于9 6 0 0 b i t s 的无线用调制解调器。 关键词：调制解窃编码正交频夯盘用( e 嗍；数字信号处理( d s 町 同步：符号黾撅r s 编解码；交织上交织；v i w r b i 译码；f f r ： r s 一2 3 2 t 接西 、 t h es t u d yo ni m p l e m e n t a t i o no fc o f d mm o d e m b a s e do nd s p a b s t r a c t r h i sp a p e rs t u d i e s an e w t y p e o f 脚m t o t r o l l s m j td a t a o v e r a m o h i l er a d i oc h a n n e 】 1l sb a s e do nan e wt e c h n o l o g yc a l l e dc c f d m w h i c hm e g r l sc o d e do r t h o g o n a lf r e q u e n c y d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g t h ew h o l es y s t e mo fc o f d m f mm o d e mi sr e a l i z e do nd i g i t a l s i g n a lp r o c e s s i n g ( d s p ) c o n e r e t e l y p i c l 6 c 5 7 i su s e dt oa c h i e v et h er s 一2 3 2 - c i n t e r f a c ea n dt oc o n t r o lc 2 5 a n dt m s 3 2 0 c 2 5i ss e l e c t e dt oa c h i e v ea llt h em a i n f u n c t i o i l sa n da l g o r i t h m so ft h em o d e m i nt h es c h e m e ，o r i g i n a lb i n a r yd a t aa r er e c e i v e dt h r o u i g ht h er s 一2 3 2 - ( ；i n t e r f a c e ， t h e na r et r e a t e db yr sc o d i n g i n t e r l e a v i n gi nf r e q u e n c yd o m a i na n dt h et r e l lisc o d e d m o d u l a t i o n ( 1 m ) t of o r mt h e1 6 q mm o d u l a t e ds i g n a l s c e r t a i n1 6 q a ms i g n a lsa r e r e s e r v e da s8s u b c h a n n e l so fr e f e r e n c es i g n a l ss a v e df o r2 - d 3 c t h r o u g hc a r e f u l a 】r a n g e m e n to fs u b c h a n n e l sf o ru s e f u ld a t a ，r e f e r e n c es i g n a l sa n dz e r o ，af r a m eo f c o f d ms i g n a l si sm a d eu po fm a n ys u b c h a n n e l sw i t ht h ef o r mo f1 6 q m0 f d mi s r e a l i z e db y i w r a n dc o h e r e n td e m e d u l a t i o n i sb yf f 丌i n t h er e c e i v e r s y n c h r o n i z a t i o n a l g o r i t h mi sb a s e do n2s u b - c h a a n e l so f8r e f e r e n c es i g n a l sa n di sc o r 9 1 e t e ds t e p b ys t e pi nl e s st h e n1 0f r a m e s n ep u r p o s eo f8r e f e r e n c es i g n a l si st op e r f o r mt h e 2 一da g c t h r o u g he r r o ra n a l y s i so ft h ep h a s ea n dm a g n i t u d eo ft h e mi nd e m o d u l a t i o n p a r t ，t h es o f t d e c i s i o nv i t e r b id e o o d i n ga l g o r i t h mi ss e l e c t e d ，s oi sd e i n t e r l e a v i n g a n dr sd e c o d i n g t h er e c e i v e dd a t aa r et r a n s m i t t e dt ot e r m i n a la n i t t b r o u g ht h e r s 一2 3 2 - ( ；i n t e r f a c et o o s o m ep a r a m e t e r ss u c ha st h ed e p t ho f i n t e r e a v i n ga n d s e l e c t i o no fs u b c h a n n e l sc a nb ep l a n n e dd e p e n d i n go nt h er e a l i t yt oa c h i e v et h e o p t i m i z a t i o n a 1 1t h e f u n c t i o n s a n d a l g n r i t h m sa r ea c h i e v e db ys o f t w a r e s oi ti sa n a l l d i g i t a l p r o g r a m m a b l em o d e m t h ee x p e r i m e n t si n d i c a t et h a tt h eh a l f - d u p l e x i n gm o d e m s u i t a b l ef o rt h ee x i s t i n gs t a n d a r df mc h a n n e lw i t ha b o u t9 6 0 0 b s ，c a nb ea c h i e v e d b yap 1 6 1 6 c 5 7a n dat m s 3 2 0 c 2 5a i d e db yf e wp e r i p h e r a lc i f c i i il s k e y w o n s ：m o d e mc o f d md s pf f tr s - 2 3 2 - c s y n c h r o n i z a t i o n r e f e r e n c es i g n a l sr s c o d i n g d e c o d i n gi n t e d e a v i n g d e i n t e d e a v i n g v i t e r b id e c o d i n g 讹辛埔沦 第一章绪论 1 1 导言 随着通信需求的不断增长和技术上的不断进步，宽带化已成为当今通信技术领域 的t 要发展方向之。由于传输媒质的不同，各信道传输信息的能力也不尽相同。通 常把信道时延功率谱不为零的t 数值范围定义为信道多径扩散，用t m 表小。多径扩 散的倒数就是信道的相干带宽，b l j ( a f ) = l f r m 。当传输信号的带宽大j 。十h 十带宽时， m 0 信道为频率选择性信道。在短波电离层反射信道、对流层散射信道、移动信道、广 播信道等实际信道中，由于云层、山脉、城市中建筑物影响，会产生多径衰落现象，引起 严重的符号间串扰限制了信息速率的提高。传统方法是使用自适应均衡技术，由于均 衡技术比较复杂，所以自适应均衡器的制作与调试成了通信系统研制的瓶颈。随着传输 带宽的增加，均衡器越做越复杂，人们开始研制对抗多径衰落的新方法。多载波并行传 输体制早为人们所熟知：多信道调制、多载波调制、多音调制等。将高速数据变成若干 低速数据，并分别对不同的载频进行调制，这样每载频上数据的脉冲宽度大大扩展，当 r t m 时，系统有较好的抗多径衰落的能力。 丌：交频分复用( o f d m ) 调制是一种信道利用率很高的并行传输方式，具有很强 的抗衰落能力。编码正交频分复用( c o f d m ) 是一种新型高效编码调制技术，它不 仅包含了0 f d m 调制技术的所有优点，还能消除o f d m 调制不能解决的多径传播引 起的时间选择性衰落( 平坦性衰落) 和多h 勒频移的影响。因此，c o f d m 调制技术现 在已经受到了人们普遍的重视。在欧洲的d a b e u r e k a l 4 7 计划中已成功地使用了这一 技术使得c o f i ) m 实用化进程大大加快。欧洲各国不但在研究c o f d m 在h d t v 中的应用， 还在数字视频广播( d v b ) 的研究中继续采用c o f d m 体制，以期形成一套数字音频视频传 输的完整的解决方案。日本不仅在理论上对c o f d m 技术进行研究也丌发了一些实验样 机，如推出了套采用c o f d m 传输技术移动式数字摄像设备。即使在已经通过了大联 盟方案的美国，也对c o f d m 技术用于i _ ) t v 地面广播进行研究，目的是和v s b 方式进行相 j ：比较。由此可见，c o f d m 技术在数字视频传输领域的应用前景是非常一阔的。在未来 移动通信领域，c d m a 技术具有无可争辩的竞争力，但是c 附a 的容量受限r 多址和多 径于扰，而o f d m 技术和信道编码技术、交织技术相结合，提供了一种有效对付多径 i 扰的手段，故c o f d m 技术与c d m a 技术的结合已经成为高速移动通信环境巾的研究热 点之。 随着通信技术和大规模集成电路技术的不断发展，c o 酬系统将 趋完善，以其 高效的频谱利用率，优质的性能和多种配置、参数的灵潘性，一定会更适合于无线移 动信道数据传输。 第1 页 第争绪论 1 2o f d m 的发展回顾与c o f d m 的提出 c o f d m 是在正交频分复用的基础上结合信道编码技术而提出的一种新调制技 术。关于正交频分复用的概念早在6 0 年代就已经被提出来了，它的基本思想是通过允 许f 信道频谱重叠且不互相影响的频分复用( f d m ) 的方法，把高速数据分成若干路 低速数据，并分别对不同的载频进行调制来并行传输数据，以避免使用高速均衡器， 并具有较强的抗脉冲噪声及多径衰落的能力。因为允许频谱重叠，所以具有很高的频 谱利用率。另外，每个载波l 的信息是不相关的，相加后在时域内接近白噪声，由哈 尔凯维奇理论可知，要克服多径衰落的影响，信道中传输的最佳波形应具有白噪声的 统计特性，这也说明了0 f d m 抗多径衰落的能力。 为了实现频分复用，早期的o f d m 系统中各个子载波频谱是不互相重叠的，发 信机和相关接收机都需要许多正弦信号发生器来产生所需的副载波阵列，以及大量的 发送滤波器和接收滤波器，且相关接收时各副载波要准确的同步，因此当并行子信道 数比较多时，系统是非常复杂和昂贵的。并且为了减小子信道间的于扰，各个子信道 间要留出一定的保护频带间隔，故频带利用率低。为了简化系统，早在1 9 7 1 年， w e i n s t e i n 和e b e r t 就提出了使用离散付立叶变换( d f t ) 来实现o f d m 系统中的调 制和解调 1 1 。这样，通过专用的硬件f f t 电路就可以实现全部的调制和解调功能，简 化了复杂的振荡器阵列以及相关接收机中本地载波之间的严格同步问题，为o f d m 的 全数字实现方案奠定了理论基础。同时为了提高频谱利用率，各载波上的频谱是相互 重叠的，但在整个符号周期内满足正交性，保证在接收端可以无失真的恢复。o f d m 系统的频谱宽度接近传输信号的奈奎斯特带宽，所以频谱利用率很高，信号速率为 ( n ( n + 1 ) ) r m a x r m a x 为n y q u i s t 速率，n 为并行传输的信道数。近年来，随着v l s i 和数字信号处理技术的迅速发展，已经出现了高速燃的f f t 专用芯片和可用软件 快速实现f f t 的数字信号处理( d s p ) 通用芯片，且价捌氐廉，从而使得利用f 盯 来实现o f d m 技术成为可能。因此，进入8 0 年代岳，o f d m 调制技术又成为了研究 的热点。 1 9 8 1 年，h i r w a a k i 应用o f d m 调制，使用离散付立叶变换( d 盯) 实现了多路 o a m 并行传送1 9 2 k b s 的电话线m o d e m 圆网。在这个系统中，使用了一路导频 进行同步控制，并结合t c m 编码调制技术，很好地解决了电话线的脉冲干扰问题。 系统中，各子信道采用了1 6 q a m 调制，基带码型由升余弦滤波器形成，当日u 码元的 拖尾延伸到其前后多个码元，因此，只适用于有线信道。当应用于存在多径传播的无 线信道时，很容易引起码间串扰，且信道变化迅速，用自适应均衡器也难以跟踪校f 。 在无线移动通信中，由于多径传播现象的存在，调制的信号将面临着多径衰落、 多普勒频移所引起的频率选择性衰落和瑞利衰落等严重影响，导致系统性能急剧下降。 采用o f d m 调制能够减轻瑞利衰落的影响，这是因为高速串行传送码元时，深衰落将 导致邻近的一串码元严重破坏，造成突发性误码。与串行方式不同，o f d m 将高速串 第2 页 第一章绪论 行码流转变为许多路低速码流并行传送，码元周期很长，远大于深衰落的持续时间， 这样，出现深衰落时，并行码元轻微受损，通过纠错还可以恢复。另外，对于多径传 播引起的码间串扰问题，可在码元间插入保护阳j 隙，只要保护间隙大于最大的传播延 迟时间，码间串扰就可完全避免。基于这些优点，1 9 8 5 年，c i m i n i 提出了一种适于无 线信道佝羞数据的o f d m 方案 4 ，其特点是调制器发送的子信道副载波调制码型是 方波，并在码元问插入了保护间隙。这样，虽然各子信道频谱为s i n x x 形，但由于码 元周期很长，单路子信道所占频带很窄，位于信道频率边缘的子信道拖尾对整个信道 带宽影响不大。这样，就可以完全避免多径传播引起的码问串扰，且省去了升余弦滤 波器，使实现方案非常简单。因此，以后的o f d m 方案都是以此为原形实现的。 进入9 0 年代，o f d m 的应用领域涉及利用移动f m 信道进行高速数据通信、陆 地移动通信、高速数字用户环路( h d s l ) 、非对称数字用户环路( a d s l ) 、超高速 数字用户环路( v h d s l ) 、数字声广播( d a b ) 以及高清晰良数字电视( h d _ n ，) 陆 地广播等各种通信系统。 1 9 9 1 年，c a s a s 提出了o f d m ，f m 方案 5 ，利用现有的调频系统进行数据传输。 m o t o r o l a 公司推出新代的数字集群i d e n 系统 6 ，采用o f d m 调制技术，用 4 路副载波在2 5 k h z 标准带宽内实现6 4 k b s 的数字话音崩羞。c h o we ta l 的研究表 明，用d f t 进行多音频调制实现a d s l 、h d s l 、v d s l 具有良好的性能价格比。 交织和t c m 编码的引入为o f d m 技术开拓了更为广阔的应用领域。交织技术就 是为了对付多径衰落和遮蔽引起的突发差错，使突发差错信道变为随机差错信道。自 从1 9 8 2 年u n g e r b o e c k 提出了信道编码和调制相结合的网格编码调制丌c m ) 技术【7 】 以来，这项技术得到了迅速的发展。它可以在不付出带宽的前提下。获得3 6 d b 的编码 增益，因此t c m 在带宽受限和功率受限的通信系统很有吸引力。t c m 利用扩展信号 空间的方法提供编码冗余度，通过集分割映射使信息序列获得最大的欧氏距离，并利 用软判决维特比译码完成对整个信息序列的最大似然译码。十余年的技术实践和理论 研究表明，t c m 技术在高斯白噪声条件下可获得良好的效果。然而对宽带频率选择性 信道而言，传统的t c m 技术显得无能为力。近年来的研究表明，在平衰落信道上， t c m 结合足够深度的交织可获得一定的效果，这为宽带衰落信道下的t c m 应用提供了 可能。 从前面的分析看，o f i 砷i 实际上是把信道分割成中心频率各不相同的子信道，把宽带 通信划分成多个并行的窄带通信。在选取了合适的保护时隙以后，各个信道可看作是相 互独立的衰落信道，使得1 硎技术有可能应用于0 f d m 通信系统。而o f d m 虽然良好地解 决了多径环境中的频率选择性衰落对系统性能的影响，但对于多径传播产生的时间选 择性衰落，即信道平坦性衰落，0 f 踟只能是在多个符号之间进行平均，无法完全消除 其影响。以上说咀o f d m 个子崮蓖需要通过编码使其相互联系。因此，近些年来，人 们提出了将o f d h i 与有效的信道编码结合起来，称为c o f d m 。基于使信息在时域和频域 第3 页 第一章绪论 扩展的思想，通过编码使传输时各单元码信号受到的衰落统计独立，从而消除平坦性 衰落和多扑勒频移。该技术起步不久，还有许多课题需要探讨。 目前，国内对c o f d m 的研究处于理论分析和计算机模拟阶段。 1 3 本文主要的研究工作 利用现有的模拟调频通信设备，采用o f d m 调制进行数据传输是目前具有较高性 能价格比的数传方式。传统的f m 数传多采用f s k 及g m s k 调制 8 ，速度可达到 4 8 0 0 h i t s ，速度再提高到9 6 0 0 b i t s 带宽已刁i 够用，因此需要使用高效调制方式。若 采用电话线m o d e m 常用的1 6 q a m 或3 2 t c m 调制，在陆地移动信道中的性能又难 以保证。本文主要的研究目的是在d s p 技术的基础上实现c o f d m 调制，使f m 信 道传9 6 0 0 b i t s 成为可能。 本文基于中科院声研所研制的t i 公司t m s 3 2 0 c 2 5 一e 型高速开发板为调制解调器， 采用模拟自环的办法，实现了套完整的c o f d m 方案：包括调制、解调、自适应频域 均衡、t c m 编码及v i t e r b i 译码、r s 编译码、同步、交织等算法。自行编制了以p i c l 6 c 5 7 为主，c 2 5 为从的两块实验板的通信程序，完成了p i c 的数据发送接收能力和对c 2 5 的控制。重点进行了在收发时钟不同步的情况下实现快速同步以及交织方法的研究。 前几届同学完成了调制解调、r s 编解码、t c m 编码及v it e r b i 译码和自适应频域 均衡算法的调试和仿真工作。其中存在的问题是： 1 对于全“1 ”的数据能够实现闭环发收，非全“1 ”数据出现大量误码，且错误 不可统计。 2 r s 编码后，人为造成误码( 不大于2 个字节的随机错误或长度不大于8 的突 发错误) ，接收端r s 译码无纠错功能。 3 同步方案可靠性和复杂性问题：由于白噪声和尖峰噪声的影响，原同步算法中 8 路导频不是同时达到峰值，用i o c 频带和”日率为2 b a n d h z ， 町见c o f d m 系统的频带利用率是很高的。( 当然加了c p j ，有所p 降。帆，典i j j n 朔j 中要发一些子载波作为它用，频带利用率还会阿氐) 。 图2 2 - 2c o f d m 信号频谱 2 3c o f d m 系统中的关键技术 以卜集中于系统原理描述，在具体讨论系统实现d 口，簦强凋两点： ( 1 ) 与衰落信道的最大d o p p l e r 频移相比，戡波j t n j 隔必须足够人，从咖使刊i c i ! ( 2 ) 如果能保持系统的“i 殳阡，丛本的c o f d m 系统足小需要均衡的。f ij 乃j 充j r 利 阍信道特性，需要适当的编码和交织技术。 2 3 1 信道编码和交织 c o f d m 系统中，编码是个自特殊意义的步骤，t hj ：依赖多径传播t ，f 门接收信l j ，衰 落信道本身体现了内在的分集特性。另外系统为在徽问编码提供了，机会，通过j 戡波m 的联合编码和交织，町以进一步利用信道分集特 傣改善系统r ：能。 第7 虹 抛蹙n 为腻 舭 h 一 p m“ 0 h 月 h p )耻 一o ，j、【 | l 曲“ 蚺一章c o f d m 的皋奉原理 编码可以采用各种码，如分组码、卷积码。使用卷积码时，接收端采用v m e f o i 译码，效 果比分组码好，但复刹生高。本论文使用的是内外两级编码：r s 外编译码，t c m 和v t e r b i 软判决译码作为内编译码，详见后文。衰i 客f 言道会产生数据突发性错误的信道。对抗它的有 效方法是列编码后的数据进行交织，使突发性信道变为随机信道。交织可在时域和频域进行。 交织器的结构有两种：分组结构和卷积结构。二者配合使阳效果更加。可根据具体的应用选 择不同的编码和交织方案，具有很高的灵活性。 2 3 2信道估计 连续调制在无线环境下因效率高而倍受关注，当然就要考虑信道估计了。在c o f d m 系统中，信道估计器主要面临两个问题：其一是关于导频信息的选择，其二是如何设计出低 复杂l 生又有良好导频跟踪能力的信道估计器。这两个问题相互关联，因为信道估计器的性能 与导频的传送方法有关。 1 导频信息 由于无线信号常常是在衰落信道中传送的，故需要对信道进行跟踪，即导频信息要不断 的传送。关于导频如何传送的资料很多。种行之有效的方法是不断传送导频符号，而不是 象般做法那洋在时频网格图特定位置上传送数据。 2 信道估计器的设计 导频发送方式确定后，则m l s 意义下的最佳信道估计器的结构是二维的维纳滤波器。 论文考虑到降低复杂性，又提高精度，采用了自适应均衡器和二维a g c 代替的二：维维纳滤 波器，详见下文。 2 3 3 同步算法 同步算法又分时域同步和频域同步，算法主要有两种：基于导频和基于c p 。 1 基于导频的同步算法 在基于导频的同步算祛中，c o f d m 信号是用f m 的方式友送的，系统保留了些子信 道作为传送导频用。这些子信道的幅度相位已知。在执彳亍算法时列这些子信道进行编码。算 法包括三部分：功率检测、粗同步( 捕获) 、细同步( 跟踪) 。 在功率检测中，接收端4 射盒澳蝴0 吲言号功率，并将之与门限比较，从而判决c o f d m 信号是否到达接收端。 在粗同步阶段，将实既定时误差陉韦$ 芷0 5 个抽样值内。这时的性能逸近远不够，但它 有助于细同步的实现，因为细同步算法的前提是定时错误很小。粗同步时通过将接收信号与 存储在本地的复制的同步信号作相关运算实现的。为了足够精确的找到相关峰，可以采用数 字滤波器，以4 倍于原始数据的速率来提供以内插值替换的数据值。细同步阶段，每个子信 道都有其导频信息，每个子信道都由导频信息提供的信道信息进行均衡。由于粗同步已保证 定时误差在0 5 个取样值内，信道的冲击响应应落在c p 以内。导频子信道睇r f 的相位错 误是由定时误差引起的，可通过线性回归来估计。 第8 页 第一章c o f d m 的基奉原理 2 基于c p 的同步算法 由于使用c p ，对定时的要求放宽了。在这种算法中，对时域f 占计器的要求是由c p 和 信道冲击响应长度之差决定的。如果时偏足够小，使得冲击响应的长度小于c p 的长度，各 子载波问的正交性仍可以维持。 如果冲击响应的长度小于c p 的长度，那么时域偏移可以认为是信道引起的一个相位偏 移，导致子载波星直产生相位旋转，这种相位旋转在频带边缘达到最大。相位旋转的大小n j 用信道估计器来估计。如果冲击响应大于c p 长度，必然出现i s i 。跟踪阶段进行时域和频域 的跟踪。为了提高信道利用率，人们提出了多种基于c p 的同步算法，针对不同的应用各有 千秋。 2 3 4 均衡 均衡的实质是补偿多径信道特性，而c o f d m 系统本身已经利用了多径信道的分集特性， 般情况下系统不必再做均衡。在高度散射的信道中，信道记【z 长度很长，c p 的长度要求 很长，才能保证i s l 不出现。但c p 长必然导致自邕塞顿失，尤其子载波个数不是j 艮大时。这 时可以考虑自吐每衡以使c p 的长虾影艮大。实际是在f 肖微增加系统复杂【生的基6 上，提高 频带的利用率。 2 3 5 改善系统对非线性的敏感性 当子载波个数很大时，根据中心极限定理，c o f d m 信号波形将是个高斯随机过程， 其包络是不恒定的。经过非线性放大后，信号频谱扩展，其旁瓣干扰邻近信道，破坏子信道 问的正交性。般而言，发射机中的h p a ( h i g hp o w e r a m p l i f i e r ) 具有很强的非线性。为了 不使频谱扩展的太厉害，h p a 必须工作在有很大回退量的状态，这样会浪费很大功率。 c o f d m 系统包络的不垣定性可以用峰值功率和平均功率之比p a p r 表示。p a p r 越大，包 络的不恒定性越大。因此要改善系统性能，就是要设法减小p a p r 。最近出现了许多减小 p a p r 的技术，其中通过编码来减小p a p r 的方式最有吸引力。典范之一是基于互余，耖哟 分组码方法，其基本思想是寻找自相关函数旁瓣小的移ug o l a y 序列，可查阅相关文献。其 他如：相量变换方式和经特殊选择的影射方式等，他们需要在发送端加额外的峰值检澳蛞鞒口 映射选择器，显然引入时延。另外这些技术需要附加信息说明每个符号的相量和映射变换， 如果这些信息错误，必然导致系统突发性错误。因此，编码方式较为理想。 以上对c o f d m 系统的整体结构和关键技术作了个概括性介绍，下史悔具体讨论本 论文采用的实现方法。 小结 本章从整体e 介绍了c o r ) m 的基本原理和系统模型，使读者对这种多载波传输技术有 个全面的了解，并；j i * t 提高系统性能的各种关键技术。 第9 页 第章调制解调器的硬件实现 第三章调制解调器的硬件实现 3 1d s p 技术的发展历史及t m s 3 2 0 c 2 5 数字信号处理( d s p ) 作为信号与信息处理的一个分支学科，已有很长的发展历 史，它是以数字计算机和算法为基础的。在d s p 技术发展的初期，人们只是在通用计 算机瞄行算法研究和处理系统的模拟和实现方法。随着快速付氏变换方法的提出和 大规模集成电路技术的发展，使得使用硬件来实现各种数字滤波和f f r r 受到了极大的 关注，从而导致了近二十年来d s p 技术与器件的极为迅速的发展。现在，d s p 的应用 几乎遍及了电子学的每一个领域，下面针对在调制解调器中的应用简要介绍一下d s p 技术的发展。 用d s p 技术来实现m o d e m 需要极高的运算能力和极高的运算速度。在高速d s p 出l 见之前，数字信号处理只能采用普通的微处理器，如7 _ 8 0 、6 8 0 0 、i n t e l 3 0 0 、m c s - 5 1 等操作型处理器。自7 0 年代末i n - i - e l 公司推出了第代d s p 芯片i n t e l2 9 2 0 以来，近2 0 年的时间里涌现出了一大批高速d s p 芯片，如n e c 公司的u p d 7 7 2 0 、7 7 3 2 0 ： m o t o r o l a 公司的d s p5 6 0 0 0 系列；1 1 公司的t m s 3 2 0 系列；a d 公司的a d s p 2 1 0 0 系列等等，从而使得话带高速d s pm o d e m 的实现成为可能。 目前用于电话线的m o d e m 传信率已高达5 6 k b s ，且普遍使用了d s p 技术， 并推出了多种符合c c r l tv 系列协议的专用m o d e m 芯片及o e m 产品，如 r o c w e l l 半导体公司生产的固定程序d s pm o d e m ，p h y l o n 通信公司的可编程 d s pm o d e m ，以及富士通公司的产品等。用这些o e m 产品外配单片机很容易实现 智能m o d e m ，由于电话线m o d 卧i 用量很大，因此这类m o d e m 的发展很快，传 信率已接近极限，且价格相当便宜。 当前常利用调频电台与话带m o d e m 配合进行无线数据通信，如车辆自动定位监 控系统，无线分组网等。这里的m o d e m 采用的是m s k 及g m s k 芯片，传信率达到 了4 8 0 0 b s 。若进一步提高速率到9 6 0 0 b s ，需采用其他的高效调制方式，但在目前还 没有比较成熟的方案。一种方案是利用现有的符合c c r l tv 2 9 建议的m o d e m 芯片 组，但这类芯片组价格较贵，且用于无线信道时性能受到限制。与电话线m o d e m 相 比，无线m o d e m 的用量不是很大，使用环境复杂且没有国际标准，即便出现某种专 用芯片，价格也不会很便宜。因此使用通用的d s p 芯片，灵活采用针对无线信道的特 点的调制解调器算法可以实现具有较高性能价格比的无线m o d e m 。 本文c o f d m 实现方案中的d s p 芯片选用的是1 1 公司的产品。t m s 3 2 0 系列d s p 芯片的性能价格比较高，国内现有的开发手段齐全。自t e x a s 公司8 0 年代初第代产 品t m s 3 2 0 c 1 0 问世以来，正以每两年更新一代的速度，相继推出了t m s 3 2 0 c 2 0 、 t m s 3 2 ( ) c - 2 5 、t m s 3 2 0 c 3 0 、t m s 3 2 0 c 4 0 、至第五代产品t m s 3 2 0 c 8 0 ，处理速度由 第1 0 页 蚺二章调制解调器的硬件实现 5 m i p s 到2 5 0 m i p s ( m i p s 为1 0 6 条指令渺) 。其功能也得以大幅度的提高，具有较 强的开发前景，正广泛应用于声音、图像处理、数字滤波、频谱分析、通信等密集型 数字信号处理领域。c o f d m 的实现方案中选用的是通用d s p 芯片t m s 3 2 0 c 2 5 ，以 它作为数据泵完成r s 编解码、交织、t c m - - 1 6 q a m 编码、f f r 、v i l e r b i 译码、同步 等各种算法，充分利用其软、硬件资源实现具有较高性能价格比的c o f d m f m 高速 无线m o d e m 。 t m s 3 2 0 c 2 5 的结构特点如下： ( 1 ) 机器时钟为4 0 m h z ，单指令周期为l o o n s ，定点运算速度为1 0 m i p s 。 ( 2 ) 片内含有4 k 字节r o m 。8 个辅助寄存器a r 0 a r 7 ，提高了编程效率和 灵活性。 ( 3 ) 片内由5 4 4 字的数据r a m ，分为b o 、b 1 、b 2 三块，其中b 0 ( 2 5 6 字) 可 兼作数据或程序存储器。b 1 ( 2 5 6 字) 、b 2 ( 3 2 字) 只能用作数据存储器， b 0 、b 1 块对实现数字滤波有极大的意义。 ( 4 ) 片外存储器总扩展空间为1 2 8 k 字，程序和数据存储器各占6 4 k 字。 ( 5 ) 具有单周期乘累加指令，且绝大多数指令为单周期。 ( 6 ) 1 6 位指令数据字，片内1 6 1 6 位的硬件乘法器。 ( 7 ) 3 2 位累加a c c 。0 到1 5 位桶形移位器，可实现单周期多位移位。 ( 8 ) 改进的哈佛结构，采用三级流水线，1 8 u r nc m o s 工艺。 ( 9 ) 1 6 个i o 口，1 6 位数据地a l ：总线。 ( 1 0 ) 全静态双缓冲器串行口。 ( 1 1 ) 3 个可屏蔽外部中断，一个软中断计数器。 3 2t m s 3 2 0 c 2 5 e 型开发板 为了便于分析数据、研究算法，我们选用了中科院声研所研制的t m s 3 2 ( e 2 5 一e 型开发，高速处理板，其基本原理图如图3 2 1 所示。系统以1 1 公司的t m s 3 2 0 c 2 5 为 数字信号处理运算核心，以i b m - p c 为控制系统，把开发高速处理板插在i b m - p c ( x t 、a t ) 的扩展槽中和微型计算机构成一个高速数字信号处理：k 从系统。 该开发高速处理板具有以下几个突出的优点： 具有更多的程序和数据存储器资源。6 4 k 字的程序存储器；6 4 k 字的数据存 储器，基本上能满足大多数d s p 的需要。2 k 字的双口数据存储器。 由于采用t m s 3 2 0 c 2 5 芯片及使用高速静态r a m ，使本开发高速处理系统 具有更快的处理速度和更强的功能。 ( d 在开发高速处理板e 设有段地址选择开关，采用滑动窗技术可以方便灵活地 调整开发高速处理板占用微型计算机的存储地址空间。 ( d 开发高速处理板接有一路1 4 b i t 的山佃转换器和路1 4 b i t 的d a 转换器。 第1 1 页 第一章 调制解调器的硬件实现 开发，高速处理板与微型计算机之间设有8 b i t 的p i o 口及微型计算机对 t m s 3 2 0 c 2 5 的d m a 控制电路，增加了主，从机之间的通信能力。 在开发板匕接有可扩展功能的扩展插座( 可扩展i o 口、程序存储器、数据 存储器，也可以进行硬件仿真) 。 一般的工作过程是缁彻进 操作系统，如果需要d s p 系统板工作，首先由微 机向从机发布命令，f 鲫魍和h o l ，d 信号为低电平，这时c 2 5 进入保持申请状态 数据、地址、控制总线都是高阻状态。此后街栅地址及数据缓存器接通，铝湖接 管开发板上的程序及数据存储器，并向开发板加载程序及数据，完成后微机撤销 总线请求，c 2 5 接管程序及数据存储器，并执行程序。执行程序的过程中微彻还 可通过总线请求或双口r a m 同c 2 5 交换数据，以了解c 2 5 的执行情况及运行结 果。 图3 2 - 1 开发高速处理板基本原理图 1 m s 3 2 0 c 2 5 一e 型开发板可以满足调制解调器硬件的基本要求，且非常便于 t m s 3 2 0 c 2 5 汇编程序的调试，因此本文中的所有的基本算法，如r s 编解码、t c m 一1 6 q a m 编码、f f r r 、v i t e r b i 译码、交织去交织、同步等各种算法都是在此开发 ，高速处理板上调试通过的。 - 在基本的调制解调算法通过以后，为了进行实时的数传研究，需要两台采样 时钟不同步的m o d e m 互连。在此设计了两块m o d e m 实验板进行实验，其中 一块用于调制，而另一块用于解调。 3 3 调制解调器实验板 这两敦调散解调器实验板的基本原理如图3 3 - 1 所示，它们仍以t m s 3 2 0 c 2 5 为 第1 2 页 第1 二章调制解调器的硬件实现 数据泵来实现各种算法。在系统中c 2 5 外围存储器采用了改进的哈佛结构。c 2 5 有1 6 位数据线和1 6 位地址线，程序存储器与数据存储器独立寻址，均占用6 4 k 存储空问， 靠p s 、d s 两条片选线来区分1 6 位地址是寻址程序存储器还是数据存储器。当系统 时钟为4 0 m h z 时，机器周期为l o o n s ，因此要求存储器的存取速度非常高。在实验板 中还配置了t e x a s 公司生产的可编程声烦摸拟信号接口芯片t l c 3 2 0 4 4 。该芯片是在单 个c m o s 模拟芯片上实现了模缴和数带痰换的输入和输出系统。这个器件包含了一 个低通或带通开关电容防i t 混叠输入滤波器及1 4 位a d 转换器，四种处理器兼容的 串行模式，1 4 位d a 转换器和个开关电容输出重构滤波器。该器件提供了输入、输 出滤波器和n d 、d a 转换速率的多种编程，通过串行口的控审仂1 1 以编程，采样速率 可调，最高为1 4 4 k h z 。 在实验板中使用了m i c r o c h i p 公司生产的单片机p i c l 6 c 5 7 和c 2 5 构成了主从机 系统，共同控制数据r a m 。p i c l 6 c 5 7 可以通过旧o l d 线、，r s 让c 2 5 各总线挂起， 然后将从计算机或数据终端接收来的数据装入数据存储器r a m 之后，p 1 c 1 0 c 5 7 放弃 总线请求，使c 2 5 重新占用总线并全速运行e p r o m 中的程序对数据进行各种运算后 经d a 变换发送出去。反之，c 2 5 接收来的无线数据- 经3 z 各种反变换后，装入数据 r a m ，p i c l 6 c 5 7 则把s r a m 中的数据通过串口倒入计算机或数据终端。 采用主从机方式，可以让c 2 5 集中进行调制解调运算，而让p i c l 6 c 5 7 处理同终 端通信及其它对c 2 5 的控制工作，因此符合智能m o d e m 的标准硬件结构。相对于 文献1 1 】，由于j f j 瑁t 以上的措施，简化了硬件设计逻辑，便于实验板的调试。由于时 间有限，未能完成硬件电路制作和最后的调试。下面给出了所需的芯片列表和对 e p r o m 选取的一些建议供读者参考： 第1 3 页 第= 章调制解调器的硬件实现 p i c l 6 c 5 7t m s 3 2 0 c 2 5t l c 3 2 0 4 4m a x 2 3 2 2 片7 4 h c 3 7 32 片7 4 h c 2 4 42 片7 4 h c 2 4 5 7 4 h c l 5 72 片l m 7 8 0 5 c t2 片6 1 2 5 6 ( 存取速度为1 5 n s ) 以及一些电容、电阻、晶振和与、或、非们等。 由于c 2 5 全速运行要求外围存储器的存取时间小于5 0 n s ，一般的e p r o m 不满 足c 2 5 的高速时序要求，采用带等待状态的e p r o m 又会刚氏c 2 5 的执行效率( 可 执行代码在片内放不下时) 。因此对于e p r o m 的选择，可以根据实际价格需求考虑 以下两种方案：1 用价格较高的高速无等待e p r o m ；2 挂两种程序存储器，把程序 回化在中速e p r o m 中，执行前由初始化程序先把程序由e p r o m 倒入到高速无等待 的r a m 中，而后让程j 芋在高速r a m 中全速执行。对于第二种方案由于挂了两种程序 存储器，e p r o m 需要等待而高速r a m 不需要等待，因此等待信号的切换问题要额 外考虑。 补充：考虑到调试