一種基于FPGA的OFDM-MFSK基帶處理系統(tǒng)設(shè)計

曾德前，謝躍雷

(桂林電子科技大學(xué) 信息與通信學(xué)院，廣西 桂林 541004)

一種基于FPGA的OFDM-MFSK基帶處理系統(tǒng)設(shè)計

曾德前，謝躍雷

(桂林電子科技大學(xué) 信息與通信學(xué)院，廣西 桂林 541004)

針對高速移動環(huán)境下，信道估計不準確導(dǎo)致OFDM系統(tǒng)性能嚴重惡化問題，提出了一種OFDM-MFSK 聯(lián)合調(diào)制方式，其結(jié)合了 OFDM有效對抗多徑衰落的優(yōu)點和 FSK對多譜勒頻偏不敏感的優(yōu)點，接收端無需信道估計與均衡，非常適合在信道快速時變的高速移動環(huán)境下寬帶無線通信。依據(jù)其理論基礎(chǔ)，在ZYNQ-7000 FPGA 硬件平臺上實現(xiàn)了 OFDM-MFSK 系統(tǒng)的基帶調(diào)制與解調(diào)。通過軟件仿真及硬件測試的結(jié)果表明，該方案不用考慮快速時變信道引起的子載波相位偏轉(zhuǎn)問題，提高了系統(tǒng)的抗干擾性能，能滿足高速移動環(huán)境條件下的中低速數(shù)據(jù)傳輸要求。

高速移動通信；OFDM-MFSK；FPGA；同步；基帶處理

0 引言

隨著我國社會和經(jīng)濟的發(fā)展，乘坐高鐵等高速交通工具出行成為主要選擇之一。車輛高速運行于多變的地理環(huán)境中，寬帶通信業(yè)務(wù)只能通過無線方式提供。然而車輛與地面間的無線傳輸環(huán)境惡劣、復(fù)雜，無線傳輸信道主要呈現(xiàn)時間選擇性衰落和頻率選擇性衰落[1]，這對寬帶無線通信技術(shù)提出了更高的挑戰(zhàn)。雖然OFDM[2]技術(shù)可以有效克服多徑傳播帶來的碼間干擾，但在高速移動的時變環(huán)境下，精確的信道信息難以獲得，且多普勒頻移和多普勒擴展破壞了OFDM子載波的正交性，導(dǎo)致OFDM 系統(tǒng)的載波間干擾[1]，采用信道估計的方法補償校正子載波相位越發(fā)困難，這使得OFDM通信系統(tǒng)性能嚴重惡化，甚至導(dǎo)致 OFDM 通信中斷。

Matthias Wetz等人在文獻[2-3]中將頻移鍵控調(diào)制(Freuqence Shift Key，F(xiàn)SK)技術(shù)與OFDM相結(jié)合，構(gòu)成一種OFDM-MFSK調(diào)制方法，該方法將OFDM抗多徑傳播的優(yōu)點和FSK對多譜勒頻偏的穩(wěn)健性結(jié)合起來，并且在接收端采用非相干解調(diào)方式，無需信道信息。在300 km/h及600 km/h的高速移動環(huán)境下仿真表明，該方法具有很好的多譜勒頻偏[4]穩(wěn)健性。本文仿真分析了OFDM-MFSK聯(lián)合調(diào)制在高速移動環(huán)境下的性能，并設(shè)計了一種適合高速移動環(huán)境下的OFDM-MFSK系統(tǒng)基帶處理方案。該方案的系統(tǒng)子載波數(shù)為 256，每個 OFDM 符號長度為 16 μs，1/2 卷積編碼效率的傳輸速率達到 10 Mbps 以上。

1 OFDM-MFSK基本原理

MFSK是利用不同頻率的載頻變化[5]來傳輸符號信息的。相干QAM以及PSK等調(diào)制都需要載波相位估計實現(xiàn)相干檢測，然而，對一些缺乏相位穩(wěn)定的信道來說，載波頻率調(diào)制是一種合適的數(shù)字調(diào)制方法，它的抗噪聲和抗衰減性能較強，廣泛應(yīng)用于低速數(shù)據(jù)傳輸通信系統(tǒng)中。在實際工程應(yīng)用中，頻移鍵控法比較常用，由基帶信號對不同頻率的載波信號進行選擇的方式容易硬件實現(xiàn)。MFSK波形可看作M個等能量、頻率不同的正交信號波形混合，信號模型表示為：

0≤t≤T。

(1)

式中，E為符號的能量；fΔ為2個信號之間的頻率間隔，

fΔ=fm-fm-1,m=1,2,…,m-1。

(2)

并且，fm=mfΔ+fc。這些波形特征能量及互相關(guān)系數(shù)為：

(3)

可見，當(dāng)fΔ是1/2T的倍數(shù)時，是正交信號。當(dāng)對MFSK時域信號采樣，t=kT，T=1/(MfΔ)，故為

(4)

通過以上信號模型與OFDM信號對比可以看出，MFSK可以用于OFDM調(diào)制。下面以O(shè)FDM-4FSK映射為例，如表1和圖1所示。其中，256個子載波分成每4個一組，總共64組，輸入的串行數(shù)據(jù)分成2 bit一組，{01}對應(yīng)gr組1的第1個載波，{11}對應(yīng)組3的第3個載波，都是經(jīng)格雷碼映射到每組載波。實際工程應(yīng)用中，IFFT輸入分為實部和虛部，應(yīng)該把格雷碼映射到實部，虛部全零。在圖1中，虛線對應(yīng)4FSK映射，實線屬于空載波，每組4個載波可以傳輸2 bit數(shù)據(jù)。

表1 格雷碼映射

圖1 OFDM-4FSK映射關(guān)系

從圖1可以發(fā)現(xiàn)，傳輸數(shù)據(jù)的子載波頻率間隔相對于QAM、PSK等調(diào)制更大了，并且無需考慮子載波的相位問題，接收端也不需要復(fù)雜的信道與均衡。OFDM-MFSK的最大缺點是頻譜效率較低。在未經(jīng)過信道編碼時，頻譜效率為：

(5)

可知，OFDM-MFSK的頻譜效率最大為0.5(M=2或者M=4)。隨著M增大，抗干擾性能越好，但是頻率效率也降低。

2 OFDM-4FSK性能分析

Matlab仿真中以4FSK為例，規(guī)定OFDM-MFSK的個子載波數(shù)為256， 16個短訓(xùn)練符號和6個OFDM符號構(gòu)成一幀數(shù)據(jù)，信道為模擬高速環(huán)境下時頻雙選擇性衰落信道[6]，多普勒頻移動與速度有關(guān)。信噪比(Eb/N0)的范圍為0～30 dB，該系統(tǒng)分別采用QPSK、4FSK和16-QAM調(diào)制，接收端利用訓(xùn)練序列進行信道估計的相干解調(diào)[7]和沒有進行信道估計的非相干解調(diào)2種方法。仿真結(jié)果如圖2所示。

圖2 速度為600 km/h OFDM系統(tǒng)性能

從圖2中可以看出，4FSK調(diào)制方式的誤碼率性能遠優(yōu)于QPSK和16-QAM；采用信道估計的QPSK的性能也優(yōu)于16-QAM；采用信道估計的4FSK的性能反而不如沒有信道估計(非相干解調(diào))的4FSK；沒有采用信道估計糾正QPSK相位偏轉(zhuǎn)，導(dǎo)致誤碼率極高，即使在較高的信噪比條件下，OFDM系統(tǒng)性能也嚴重惡化。可以得出結(jié)論：在高速移動環(huán)境下，信道的快速時變特性，利用訓(xùn)練序列估計的信道信息不準確，用不準確的信道信息校正碼元星座圖相位偏轉(zhuǎn)反而導(dǎo)致系統(tǒng)系能降低。

OFDM-4FSK在不同速度環(huán)境下的性能仿真結(jié)果如圖3所示。從圖3可以看出，不同速度環(huán)境下的多譜勒擴展及信道衰落對OFDM-4FSK性能影響不大。OFDM-MFSK特別適用于高速移動環(huán)境下的移動通信，但其頻譜效率僅能達到0.5 bit/Hz，即以犧牲頻譜效率換取了多普勒擴展穩(wěn)健性的提高。

圖3 不同速度下的OFDM-4FSK性能

3 OFDM-MFSK物理層幀

本文設(shè)計沒有完全遵循其他的通信協(xié)議標(biāo)準進行設(shè)計，相應(yīng)的數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)也做了一些改變和簡化。OFDM幀結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 OFDM幀結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)中每一個OFDM數(shù)據(jù)幀的前面都插入一個包含有16個的重復(fù)周期短訓(xùn)練符號，每幀OFDM數(shù)據(jù)包含6個OFDM符號和一幀訓(xùn)列序列。每個短訓(xùn)練符號含有16個數(shù)據(jù)，有16個重復(fù)的短訓(xùn)練序列，總共256個訓(xùn)練數(shù)據(jù)。16個重復(fù)的短訓(xùn)練序列也可以與接收端的符號同步、符號定時檢測、頻偏估計和粗頻率同步。OFDM-MFSK系統(tǒng)的子載波數(shù)為256，其中160個子載波用來傳輸數(shù)據(jù)，其他的子載波用來導(dǎo)頻和頻帶保護。

4 OFDM-MFSK的硬件實現(xiàn)結(jié)構(gòu)

OFDM-MFSK基帶處理是基于Xilinx的ZC702 Evaluation Kit 開發(fā)板實現(xiàn)的，系統(tǒng)的FPGA[8]基帶處理的實現(xiàn)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 OFDM-4FSK的FPGA處理的實現(xiàn)結(jié)構(gòu)

調(diào)制模塊[9]包括卷積編碼、交織、MFSK調(diào)制、插入導(dǎo)頻、IFFT、CP(循環(huán)前綴)和加窗；解調(diào)模塊[10]包括符號同步、載波同步、采樣頻率同步、頻偏校正、FFT、CORDIC 算法和Viterbi譯碼。采用自頂向下模塊化的設(shè)計思想，對OFDM-MFSK基帶調(diào)制和解調(diào)模塊各部分進行了Verilog建模，并在Modelsim中進行了仿真驗證。系統(tǒng)中復(fù)雜的模塊如IFFT/FFT可以采用IP核實現(xiàn)，譯碼部分也可以才用ISE中自帶的Viterbi譯碼IP。

4.1 信號發(fā)送部分

發(fā)送端的比特流首先經(jīng)過卷積編碼、交織處理，然后串并轉(zhuǎn)換；經(jīng)過4FSK調(diào)制后，二進制數(shù)據(jù)映射為子載波的相位和幅度信息，調(diào)制后的數(shù)據(jù)經(jīng)過量化，然后被送入快速傅里葉逆變換模塊，進行IFFT運算。IFFT運算可以把頻域數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為時域數(shù)據(jù)，然后截取OFDM最后L個樣值復(fù)制到最前作為保護間隔，形成了一個帶有循環(huán)前綴(CP)的OFDM符號。IFFT前，必須插入導(dǎo)頻信號，還需要進行加窗處理，使OFDM符號在帶外的功率譜密度下降得更快，最后將基帶信號送入DAC。其中，IFFT的FPGA基帶處理時鐘速率為20 MHz；為了兼顧傳輸效率與可靠性的要求，卷積編碼方式是約束長度為7，編碼效率為1/2的卷積碼。當(dāng)調(diào)制方式為4FSK時，可以提供傳輸速度為10 Mbps。

4.2 信號接收部分

接收端的基帶信號處理，經(jīng)過ADS62P45采樣后的數(shù)據(jù)送入符號定時檢測模塊，判斷是否有接收到OFDM數(shù)據(jù)；然后是符號同步，利用接收到的訓(xùn)練序與本地訓(xùn)練序列估計OFDM幀的起始位置，確定每一幀OFDM的起始點后，舍棄訓(xùn)練序列數(shù)據(jù)，再送入后續(xù)的FFT模塊；FFT后就是頻率同步和采樣時鐘同步，分別利用訓(xùn)練序列和導(dǎo)頻信號校正載波頻率偏移與相位偏轉(zhuǎn)；最后解映射、解交織和Viterbi譯碼恢復(fù)原數(shù)據(jù)。所有的同步算法在處理器內(nèi)設(shè)計和實現(xiàn)，每個模塊算法設(shè)計是都是依據(jù)Matlab的仿真得到參數(shù)，編寫FPGA程序，經(jīng)過功能仿真和硬件實測。

5 仿真分析與硬件實測

對OFDM-4FSK系統(tǒng)進行仿真，信道建模使用Jakes模型，通過合成復(fù)正弦波，可以產(chǎn)生給定的瑞利衰落信道[8]，相當(dāng)于時間選擇性信道，頻率選擇性(多徑)，可以多建立幾個Jakes模型，配合時間延時，其接收端頻譜如圖6所示。

圖6 OFDM-4FSK接收端仿真頻譜

圖6中，Modelsim仿真的OFDM-4FSK輸出I、Q波形如圖7所示，前面的周期脈沖是重復(fù)短訓(xùn)練序列，后面是OFDM數(shù)據(jù)幀。

圖7 OFDM-4FSK仿真輸出I&Q

硬件實測時，DA/AD模塊采用太速科技的FMC125兩路160 Msps FMC子卡模塊，板載DAC芯片AD9777，該芯片為16位分辨率，最大輸入數(shù)據(jù)速率為160 Msps，該系列器件具有可選插值率(2x/4x/8x)以及能夠以Fs/2、Fs/4或Fs/8混頻的復(fù)合調(diào)制器，2路信號可以I、Q分量信號輸出。當(dāng)寄存器參數(shù)配置成載波為Fs/2，4x插值，前面是波形是周期性訓(xùn)練序列，后面是OFDM數(shù)據(jù)波形。由于訓(xùn)練序列時間長度為16 μs，示波器沒觀察最前面的數(shù)據(jù)，其中AD輸出波形如圖8所示。在接收端，信號輸入ADS62P45芯片幅值為1 V，芯片采樣輸出的頻譜波形如圖9所示。系統(tǒng)的整體硬件測試性能良好，適用于高速移動環(huán)境下通信。

圖8 OFDM-MFSK的 I&Q DA輸出

圖9 OFDM-MFSK接收端實測頻譜

6 結(jié)束語

介紹了基于FPGA的OFDM-MFSK基帶處理方案，充分利用了XILINX最新的ZYNQ-7000系列FPGA芯片特性及自帶的IP核，簡化了系統(tǒng)設(shè)計難度。硬件算法選擇上，綜合考慮了收發(fā)端系統(tǒng)性能。實驗結(jié)果表明，該設(shè)計方案占用芯片資源較少，且有較好的抗干擾性能，基本滿足高速移動環(huán)境下的中低速數(shù)據(jù)發(fā)送要求。

[1] 王文博,鄭 凱.寬帶無線通信OFDM技術(shù)[M].北京:人民郵電出版社,2003.

[2] WETZM.Transmission Methods for Wireless Multi Carrier Systems in Time-varying Environments[D].Universit?t Ulm,2011.

[3] PEIKER-FEIL E.OFDM-MFSK as a Special Case of Noncoherent Communication Based on Subspaces[C]∥ OFDM,17th International OFDM Workshop.Essen,Germany,2012:1-5.

[4] 劉 留,陶 成,邱佳慧,等.高速鐵路平原場景無線信道小尺度衰落特征的研究[J].鐵道學(xué)報,2012,34(5):41-46.

[5] 劉學(xué)勇.詳 解MATLAB/Simulink通信系統(tǒng)建模與仿真[M].北京:電子工業(yè)出版社,2009.

[6] 李 丹,柯 峰.一種基于基擴展模型的 OFDM 頻域快時變信道估計方法[J].信號處理,2012,28(2):194.

[7] 陳 娛.快變信道下 OFDM 系統(tǒng)的信道估計研究[D].電子科技大學(xué),2012.

[8] 李云松,雷 杰,宋 銳,等.Xilinx FPGA 設(shè)計基[M].西安:西安電子科大學(xué)版社,2008.

[9] 牛鑫華.基于DVB-T的OFDM基帶系統(tǒng)的關(guān)鍵模塊FPGA實現(xiàn)[J].中國科技論文在線,2009(12):1-6.

[10] 史治國,洪少華.基Xilinx的OFDM通信系統(tǒng)基帶設(shè)計[M].杭州:浙江大學(xué)出版社,2009.

曾德前 男，(1989—)，碩士研究生。 主要研究方向：信息處理與傳輸。

謝躍雷 男，(1975—)，副教授。主要研究方向：數(shù)字信號處理、ASIC設(shè)計。

A Design of OFDM-MFSK Baseband Processing System Based on FPGA

ZENG De-qian,XIE Yue-lei

(SchoolofInformationandCommunicationEngineering,GuilinUniversityofElectronicTechnology,GuilinGuangxi541004,China)

Inaccurate channel estimation leads to serious deterioration of performance of OFDM system.A combined modulation scheme of OFDM-MFSK is proposed.It takes both advantages of multi-path fading mitigation of OFDM and insensitivity to Doppler frequency offset of FSK.And at the receiver,a non-coherent demodulation method can be performed without estimating the channel information.Thus,it is very suitable for broadband wireless communication in high speed mobile environment,where rapidly time varying channel exists.Based on its theoretical basis,an implementation approach of OFDM-MFSK baseband signal processing is designed based on ZYNQ-7000 series FPGA chips.Software simulation and hardware testing results show that the proposed scheme can omit the sub carriers phase deflection problem caused by the fast time varying channel,and improve the anti-jamming performance of the system.It can meet the complex environmental conditions data transmission requirements in low or medium speed.

high speed mobile communication;OFDM-MFSK;FPGA;synchronization;baseband processing

10.3969/j.issn.1003-3106.2017.01.08

曾德前,謝躍雷.一種基于FPGA的OFDM-MFSK基帶處理系統(tǒng)設(shè)計[J].無線電工程,2017,47(1):32-35,52.

2016-10-20

國家自然科學(xué)基金資助項目(61461015)。

TN914

A

1003-3106(2017)01-0032-04