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基于高速传输技术的0FDM系统设计

来源:单片机及嵌入式系统应用/西安电子科技大学 刘鹏 赵林靖 吕卓?? 2007年10月23日 ?? 收藏0

  引 言

  软件无线电(Software Radios)是一种新的无线电通信的体系结构。具体来说,软件无线电是以可编程的DSP或CPU为中心,将模块化、标准化的硬件单元用总线方式连接起来,构成通用的硬件平台,并通过软件加载来实现各种无线通信功能的开放式体系结构。

  随着通信的发展.高速传输技术引起广泛的研究和注意。到目前为止,无线传输的速率受限于硬件条件。要实现高速传输,就必须结合各种芯片的特点,使硬件平台具有简单、通用的特点,因此需要开发一个通用平台。

  DSP在控制和信号处理方面有优势,基带信号的调制、解调及FFT/IFFT等运算可以由DSP实现,但是在实时处理方面受到现有DSP处理速度和能力的制约。对于信号突发检测这种运算量大的处理,尤其是在高速传输时,通常要使用FPGA。FPGA特有的流水线设计结构可以使前后级在时间上并发,达到高效、高速。为了减小DSP在信号处理上的压力.同时满足高速要求,采用专用数字变频芯片来实现数字上下变频。

  为了和软件无线电的思想统一,在系统设计时考虑兼容单载波调制解调方式,采用DSP、FPGA、上下变频器的方案,不使用专用调制解调

芯片。

  1 OFDM原理和基带信号模型

  正交频分复用OFDM(Orthogonal Frequency Divi-sion Multiplex)是一种多载波调制方式,通过减小和消除码间串扰的影响来克服信道的频率选择性衰落。它的基本原理是将信号分割为N个子信号,然后用N个子信号分别调制N个相互正交的子载波。由于子载波的频谱相互重叠,因而可以得到较高的频谱效率。近几年OFDM在无线通信领域得到了广泛的应用。

  当调制信号通过无线信道到达接收端时,由于信道多径效应带来的码问串扰的作用,子载波之间不再保持良好的正交状态,因而发送前需要在码元间插入保护间隔。如果保护间隔大于最大时延扩展,则所有时延小于保护间隔的多径信号将不会延伸到下一个码元期间,从而有效地消除了码间串扰。当采用单载波调制时,为减小ISI的影响,需要采用多级均衡器,这会遇到收敛和复杂性高等问题。

  图1是OFDM基带信号处理原理图。其中,图1(a)是发射机工作原理,图l(b)是接收机工作原理。

OFDM基带信号处理原理图

  在发射端,首先对比特流进行QAM或QPSK调制,然后依次经过串并变换和IFFT变换,再将并行数据转化为串行数据,加上保护间隔(又称“循环前缀”),形成0FDM码元。在组帧时,须加入同步序列和信道估计序列,以便接收端进行突发榆测、同步和信道估计,最后输出正交的基带信号。

  当接收机检测到信号到达时,首先进行同步和信道估计。当完成时问同步、小数倍频偏估计和纠正后,经过FFT变换,进行整数倍频偏估计和纠正,此时得到的数据是QAM或QPSK的已调数据。对该数据进行相应的解调,就可得到比特流。

  这里仅讨论软件功能模块,具体算法不在此涉及。

  2 硬件结构

  OFDM调制解调与常规调制解调相比,所需的运算量大,尤其是当系统选用的子载波个数多时,仅在发射端的IFFT变换和接收端的FFT变换所需的时间就很长。通常使用FPGA和高速的DSP解决该问题。由于在接收端还要完成信号突发检测、同步和频偏校正等数字信号处理,所以接收端对实时性要求更高。在该系统中,使用FPGA完成信号的突发检测和定时,DSP完成FFT/IFFT变换和QAM/QPSK调制解调。

  本系统丰要由4部分组成:DSP、FPGA、正交数字上变频器(Quadrature Digital Upconverter)、正交数字下变频器(Quadrature Digital Downconverter)。系统硬件结构如图2所示。图中,D表示数据总线,A表示地址总线,C表示控制总线,L表示链路口数据线,字母后面的数字表示总线的位数。50 MHz晶振为两片DSP及FPGA提供时钟信号,32.768 MHz高稳定度品振为AD9857和AD6654提供高质最的时钟信号。复位芯片MAX6708控制DSP、FPGA、AD9857、AD6654和 STl6C550的复位。

硬件结构

  DSP完成QAM或QPSK的调制解调和FFT/IFFT变换。系统所使用的DSP是ADI公司的Tiger sharcTSlOl。该DSP具有以下特性:最高工作频率为300MHz,3.3ns指令周期;6MB片内SRAM;2个计算模块,每个模块都有1个 ALU、1个乘法器、1个移位寄存器和1个寄存器组;2个整型ALU,用来提供寻址和指针操作;14个DMA控制器;1149.1 IEEE JTAG口。对于0FDM基带处理,该DSP最大的特点是:进行256点的复数FFT变换,仅需3.67μs。


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0FDM? 软件无线电? DSP? FPFA?

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