應用DSP的自適應OFDM系統

都一明

(中國人民解放軍重慶通信學院，重慶 400035)

正交頻分復用(orthogonal frequency division multiplexing，OFDM)是一種頻譜部分重疊的多載波調制技術［1－11］，從20世紀50年代末開始在軍隊中用于無線通信。OFDM不但頻帶利用率高，而且能有效對抗信號在多徑傳輸(或頻率選擇性衰落信道)中的波形干擾［1］。20世紀90年代后，隨著數字信號處理技術、半導體技術的飛速發展和大規模集成電路的應用，以及由于使用FFT技術可實現有效的調制，OFDM技術的實際應用更加成熟，在消費類電子產品中的應用也更為廣泛。在帶寬和功率受限的條件下，OFDM具有更高的頻譜利用率和良好的抗多徑干擾能力，因此在衛星通信、數字音頻廣播(DAB)、數字視頻廣播(DVB)和第三代移動通信中得到了廣泛的應用。作為第四代移動通信系統的核心技術，OFDM不僅可以大幅提升系統容量，更重要的是它更容易滿足多媒體通信的技術要求［2］。本文通過研究基于DSP芯片的OPDM系統，應用自適應算法對系統運行進行優化，使其性能得到明顯的提升。

1 OFDM基本原理

OFDM的主要思想是使用并行數據及頻分多路(FDM)的方式來克服噪聲及多徑干擾，從而避免使用高速復雜的均衡器，達到最大限度地利用可用頻帶、獲得高頻譜利用率的目的［2］。在OFDM中，使用大量具有均勻頻率間隔的副載波代替通常用于一個節目的單個載波，并組合成為一種正交系統，所有副載波頻率均滿足為基本振蕩頻率的整數倍的條件。其中，正交信號相互可以被精確地分離，當各正交信號的頻譜產生重疊時也應滿足該條件，從而能充分、有效地利用頻譜。若傳輸信道中的某一頻段出現深衰落現象，則系統中只有該調制載波所對應頻段中的信號才會受影響，而對于在其他載波中調制的信號則不會產生影響［2］。

1.1 OFDM多載波信號的調制

在OFDM系統的發射端，數據通過常規QAM方法進行調制后變換為基帶信號，其速率為R(其中:基帶調制信號碼元周期是ts;帶寬是B;信道的最大遲延擴展時間為Δm)。OFDM系統將原信號分割為M個子信號，然后分別調制為M個彼此正交的子信號。可以算出，分割后系統的碼元速率為R/M，周期Ts=Mts。發射端信號調制過程如圖1所示。該過程等價于將碼元速率為Mfs(fs=l/Ts)b/s的輸入數據流分解成單個的數據塊(block)，若每個子信道每次分配1比特，則每個block包含M個比特。對于OFDM系統來說，一個數據塊等價于一個碼元，其傳輸速率為fs［4］。

圖1 發射端信號調制過程

該碼元波形受時間限制，且數據以block的形式進行處理，并對最終調制好的各個子信道的信號進行融合，形成OFDM發射信號。實際輸出的信號可以表示為:

其中:d(n)為第n個調制碼元;T為子信道的碼元周期(Ts)加上保護時間，即T=Ts+δ。各個子載波的頻率為

其中f0為最低子載波頻率。

1.2 OFDM多載波信號的解調

OFDM系統信號的解調首先需要在接收端將各子信道信號進行分離，然后才能對接收端信號進行解調。由于各個子載波的頻譜彼此正交，因此可采用混頻和積分電路對各子信道進行有效分離(如圖2所示)。

圖2 接收端信號解調原理

當調制信號由陸地無線信道傳輸到接收端時，系統會因為信道的多徑效應出現碼間干擾現象，導致子載波之間無法保持良好的正交狀態，所以必須在碼元之間插人保護時間消除碼間干擾。插入的保護時間間隔δ一般需要大于最大時延擴展Δm，從而確保所有的多徑信號在時延小于δ的情況下無法延伸至下一碼元造成碼間干擾。

對于δ比信道沖激響應大的情況，接收信號經過抽樣后(速率為1/ts)可以表示為

其中hn表示子載波頻率fn時的信道沖激響應，

輸入信號在系統的輸入端分割為M個支路，經過各子載波混頻和積分處理形成子信號后，利用并/串變換及常規QAM的處理，就能解調出初始數據，如式(5)所示。解調后的信號頻譜見圖3。

圖3 解調后的信號頻譜

2 基于DSP的OFDM系統及實現

圖4為OFDM系統的結構框圖。系統的調制和解調分別由IFFT和FFT完成。串行數據輸入后變換為并行數據，然后通過糾錯編碼、交織、差分編碼等方式對數據進行編碼和編碼映射。完成編碼映射的數據按系統設置參數構成幀，從而得到系統的頻域數據。經過IFFT變換后，系統完成由頻域數據向時域數據的轉換，從而實現了信號在各個正交子載波上的調制。下一步加入循環前綴(保護間隔)進行并/串轉換和數/模轉換，再將信號調制到高頻載波上進行發射。如果系統采用基帶傳輸，則信號無需進行載波調制［5］。

圖4 OFDM系統結構框圖

在系統的信號接收端，進行的操作與上述相反。數據從信道接收后先進行載波解調，恢復為基帶數據，然后再進行模/數轉換處理，去除循環前綴(保護間隔)，進行串/并轉換和FFT變換。通過FFT變換將數據由時域模式轉換為頻域模式，即實現了OFDM信號的解調。接下來系統進行頻域均衡、譯碼判決和并/串轉換等處理。值得注意的是，需要對發送的訓練序列進行信道和載波頻偏估計(CFO)、系統同步等處理。

DSP芯片采用 TI公司推出的200 MHz的TMS320C6000系列;IFO 采用 IDT公司的IDT72255，其技術參數為 50 MHz、8 192 word*18 bit;ROM采用WSI公司的 WS57C010F－45C，其技術參數為64 K、word*8 bit;RAM采用NEC公司的 LPD431632LGF－A7，其技術參數為 100 MHz、32 K、word*32bit。系統時序控制信號的周期為1個符號的時長:前一半為高電平，后一半為低電平。發射端的時序控制信號來自D/A板，接收端的時序控制信號來自A/D板。當時序控制信號為高電平時，DSP輸出前一個符號的數據到存儲器;當時序控制信號為低電平時，DSP從存儲器輸入后一個符號的數據。數據的輸出、輸入通過后臺的DMA完成，同時CPU在前臺處理當前符號數據，因此數據按符號的奇偶性分別存儲在2個存儲地址中，以避免DMA和CPU對數據空間的訪問沖突［6］。

由于時延擴展會造成符號間干擾，系統在運行時可以通過將持續期為Tu的每個OFDM符號人為地延長一個持續期為TG的保護間隔。保護時間通常大于典型的信道時延擴展，這樣才能保證各數據塊的處理能獨立進行，從而有效消除干擾，實現OFDM系統的可靠高效運行。

在無線傳輸環境下，信號經由多條路徑傳輸至接收端。特別是在室內環境下，由于反射、散射及折射的影響，上述現象更為明顯。采用OFDM技術雖能實現頻率選擇性信道向平坦衰落信道的轉化，但仍需采用分集技術進一步改善系統的多徑衰落。在OFDM系統中結合MIMO技術構成的MIMO-OFDM系統對改善多徑衰落、提升系統性能具有重要意義［7］。

3 OFDM系統的自適應算法的改進

在實際情況中，由于信道具有時變特征，系統在接收信號后，經過FFT解復用會產生信道間串擾(ICI)，導致系統性能的下降。這種情況主要是由于子信道頻譜的Doppler擴展引起子信道的正交性惡化而導致的。由于OFDM的性能在現實中無法達到理論分析的理想性能，因此有必要研究相應的抗信道衰落技術以克服由ICI導致的系統性能降低。

常規的OFDM系統在信道容量及信號數據處理差錯率方面仍有待進一步改善，在對抗多徑干擾的性能方面也需進一步優化。本文通過采用不同的自適應算法對OFDM系統性能進行改善。

3.1 OFDM系統信道容量的改善

“注水原理”通過幾何方法獲取最優的輸入功率，有助于OFDM系統獲取最優信道容量。注水算法的原理可表達為［8］:

通過定性的分析，注水算法能使OFDM系統中大部分發射信號的功率處于信道衰減較小的頻帶范圍內，即有助于更多的功率分配在信道特性較好或者噪聲功率較低的子信道上。通過信道容量數值計算可以推知:當系統的平均信噪處于較高的水平時，采用均勻的功率分配方法相較于采用最優的功率分配方法，其信道容量損失更小;當系統平均信噪比處于較低水平時，注水算法會對信道容量產生很大的提升效果。

3.2 OFDM系統差錯率的改善

在系統比特分配過程中，采用Fischer-Huber算法有助于系統數據處理過程中差錯率的降低。該算法基于差錯率最小原則對比特進行分配，算法的具體分配過程為:

步驟1 將系統中所有子載波初始化，比特分配置0。

步驟2 根據系統中信道的實時狀態，計算當前信道狀態下，在每一個子載波上增加一個比特時采用的調制方式可能的誤碼率。

步驟3 根據步驟2，選取誤碼率最低的子載波，并在其上增加一個比特。

步驟4 根據上述2個步驟，逐步進行比特分配，直到OFDM系統中所有比特全部分配完畢。

4 結束語

OFDM是一種高效的多載波調制方式。經過多年的發展，OFDM技術不但被廣泛應用于高速數字通信中，而且其應用已擴展到許多其他領域。隨著對OFDM研究的深入，該技術的未來應用必將十分廣泛。同時，高速的 TMS320C6000系列DSP的出現，為OFDM的實時實現提供了可能。本文研究了OFDM系統的理論，并結合DSP技術進行了實現。通過采用自適應算法對系統的不足進行改進，提升了OFDM系統的綜合性能。

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