基于軟件無線電的OFDM解調模塊的設計與實現

譚美玲，周勝源

(桂林電子科技大學 信息與通信學院，廣西 桂林541004)

軟件無線電的基本思想是以一個通用的、標準化、模塊化的硬件平臺為依托，通過軟件編程來實現無線電臺的各種功能，從基于硬件、面向用途的電臺設計方法中解放出來［1］。軟件無線電強調體系結構的開放性和全面可編程性，通過軟件更新改變硬件配置結構，實現新的功能。

OFDM技術作為一種高效的信道接入方式，能夠有效地對抗由于多徑效應造成的頻率選擇性衰落，同時通過串/并變換把頻率選擇性信道轉換成并行的正交子信道，提供了較高的頻譜利用率，成為廣大學者的研究熱點［2-5］。目前OFDM技術已經被廣泛應用于廣播式的音頻、視頻領域和民用通信系統，比如非對稱的數字用戶環路(ADSL)、ETSI標準的數字音頻廣播(DAB)、數字視頻廣播(DVB)、高清晰度電視(HDTV)、無線局域網(WLAN)等。

結合軟件無線電的思想，采用Xilinx公司的System Generator這一高性能DSP系統的快速建模和實現工具，在MATLAB/Simulink環境下，對OFDM解調的部分模塊進行系統建模仿真［6］。

1 軟件無線電中OFDM的調制解調原理及系統框圖

1.1 IEEE802.11a中OFDM的調制解調原理

OFDM的基本原理就是把一個高速的數據流分配到并行的速率較低的相互正交的若干子信道中傳輸，通過各子載波進行調制，然后在獨立的子信道上進行傳輸。由于每個子信道的頻率特性可以近似看作是平坦的，每個信道就可以認為是無符號間干擾的理想信道，接收端可以可靠地解調信號。同時在OFDM符號中插入保護間隔保證了子信道的正交性，消除了OFDM符號間的干擾。

對于含有N個子載波的OFDM系統，在一個符號持續時間T內，從t=ts開始采用復等效基帶信號表示OFDM為

式中:rect()為矩形函數;Sk表示第k個子載波上傳輸的經過調制后的信號。

對于一個周期內的基帶信號，令式(1)中ts=0，忽略矩形函數，并對信號x(t)以T/N的速率進行采樣，即令t=kT/N，(k=0，1，…，N-1)，可得

式(2)與IDFT運算的表達式一致，說明OFDM復等效基帶信號可以用離散傅里葉反變換(IDFT)的方法來實現。

同樣，在接收端，恢復原始數據符號Sk的處理就可以通過對sk進行反變換，即DFT，得到

OFDM的調制和解調可以通過IDFT和DFT來代替，FFT/IFFT是實現DFT/IDFT的快速算法。在OFDM系統的具體實現中，通常采用更加快捷方便的快速傅里葉變換(FFT/IFFT)來降低運算復雜度。

1.2 OFDM的系統框圖

基于軟件無線電架構的OFDM系統模型如圖1所示，可分為發射端和接收端。

圖1 軟件無線電架構的OFDM系統

在發送端，首先將串行輸入的數據進行16QAM星座圖映射，再根據系統的傳輸幀格式進行導頻插入、補零成幀等處理過程，得到了數域數據。然后通過64點的IFFT變換，完成多載波調制，使得信號能夠在子載波上并行傳輸。變換后的信號經串并轉換，加入循環前綴，構成一個完整的OFDM數據幀，經過上變頻發射到信道中傳輸。

在接收端，把接收到的信號先進行下變頻及OFDM解調。OFDM解調即把信號送到同步/定時模塊，經過同步算法，估計出幀時點和頻率偏移，并刪去循環前綴。然后經64點FFT變換后，利用信號中的插入導頻進行信道估計。最后，FFT的輸出包括了64個映射值，所有這些值被逆映射為二進制數據輸出。

2 仿真模型設計

使用System Generator來設計OFDM的調制解調系統，能夠加快DSP系統的開發進度，縮短整個設計周期，具體如圖2所示。

圖2 OFDM調制解調系統(系統截圖)

1)幅度歸一化模塊

在System Generator中，由于FFT解調模塊中使用的FFT v3_2模塊要求的輸入數據格式為Fix_n_n-1，比如Fix_8_7、FIX_24_23，所以需要在FFT解調模塊前做一個歸一化模塊，使輸入數據符合FFT v3_2 1的要求。

2)FFT解調模塊

FFT解調主要使用System Generator提供的FFT v3_2模塊，該模塊支持的器件有Virtex-4，Virtex-2，Virtex-2 Pro和Spartan-3，它為離散傅里葉變換(DFT)提供了一種有效的算法。當fwd_inv端口輸入為1時，FFT v3_2進行離散傅里葉變換，當fwd_inv端口輸入為0時，FFT v3_2則進行離散傅里葉反變換。信號fwd_inv必須是布爾型數據。OFDM解調模塊如圖3所示。

圖3 FFT解調模塊(系統截圖)

對OFDM調制解調系統進行仿真，仿真結果如圖4所示。在16QAM映射、IFFT調制、FFT解調模塊后面加上星座圖模塊進行觀察，由仿真結果可以看出，FFT解調模塊把看起來雜亂無章的OFDM載波星座圖恢復成基本有序的16QAM星座圖，與發射端的16QAM映射星座圖基本一致。

圖4 仿真結果

3)16QAM逆映射模塊

發射端的16QAM調制方式采用格雷碼方式的調制星座圖如圖5所示，其映射規則如表1所示。

圖5 16QAM映射星座圖

16QAM解調分為I路和Q路，采用電平判決方式解調。設輸入信號為a1a2b1b2，I路為a1a2，Q路為b1b2。I支路電平判決流程如圖6所示:當輸入信號等于0時，a1a2判為0。若不為0，判斷輸入信號是否大于0，若是則判a1為0，否則為1。當輸入信號大于0時，判斷其是否大于2，是則判a2為0，否則為1。當輸入信號小于0時，再判斷其是否小于-2，是則判a2為0，否則為1。b1b2的判決規則等同于a1a2。

表1 16QAM映射規則

對16QAM逆映射模塊進行仿真驗證，得到波形圖如圖7所示，從圖7中可以看出，解調出的信號波形與原始信號波形一致，驗證了16QAM逆映射模塊設計的可行性。

圖7 16QAM解調結果(系統截圖)

4)誤比特率測試

為驗證系統的可靠性，在系統中設置了誤比特率測試模塊，如圖8所示。系統碼源速率為24 Mbit/s，系統抽樣率為24 Mbit/s，仿真時長為0.001 s，測得誤比特率約為0.000 3。由此看出，本文采用System Generator設計的OFDM解調模塊具有較高的可靠性。

圖8 誤比特率測試模塊

3 小結

基于軟件無線電的思想，使用System Generator對OFDM調制解調模塊進行了設計與實現。設計OFDM的調制解調包括OFDM歸一化、FFT解調、16QAM解調等模塊，通過仿真驗證了系統設計的結果與理論一致。本文采用System Generator圖形化的設計環境，使得修改設計變得簡單方便，避開了HDL的復雜編程，提高了效率，縮短了開發周期，具有很好的實用價值。

［1］張健.軟件無線電的基本理論構架［D］.成都:電子科技大學，2000.

［2］郭繼經，李曉飛，國棟.IEEE802.11a的OFDM基帶調制的FPGA實現［J］.電視技術，2010，34(S1):90-93.

［3］GARCIA J，CUMBLIDO R.On the design of an FPGA-Based OFDM modulator for IEEE 802.16-2004［C］//Proc.International Conference on Reconfigurable Computing and FPGA.［S.l.］:IEEE Press，2005:28-30.

［4］王文博，鄭侃.寬帶無線通信OFDM技術［M］.北京:人民郵電出版社，2003.

［5］肖永江.基于軟件無線電的寬帶OFDM數據傳輸系統的設計和研究［D］.成都:成都理工大學，2005.

［6］史治國，洪少華，陳抗生.基于XILINX FPGA的OFDM通信系統基帶設計［M］.浙江:浙江大學出版社，2009.