基于FPGA的MIMO-OFDM基帶系統(tǒng)發(fā)射機(jī)的設(shè)計(jì)

劉松林，嚴(yán)家明，李 超

（西北工業(yè)大學(xué) 陜西 西安 710129）

在未來無線通信系統(tǒng)中，存在著多徑衰落和帶寬效率兩方面嚴(yán)重的挑戰(zhàn)。OFDM技術(shù)通過在頻域內(nèi)將頻率選擇性信道轉(zhuǎn)變?yōu)槠教剐诺?，減小多徑衰落的影響。而MIMO技術(shù)能在空間產(chǎn)生獨(dú)立的并行信道，同時(shí)傳輸多路數(shù)據(jù)流，這樣就能有效提高系統(tǒng)傳輸速率，即由MIMO提供的空間復(fù)用技術(shù)能在不增加系統(tǒng)帶寬的情況下，提高頻譜效率。因此，將OFDM與MIMO結(jié)合，就能使系統(tǒng)不但具備很高的傳輸速率，而且達(dá)到很強(qiáng)的可靠性[1]。這些突出優(yōu)點(diǎn)使它們的結(jié)合成為未來無線通信的必然趨勢。

分層空時(shí)碼是MIMO技術(shù)實(shí)現(xiàn)空時(shí)復(fù)用的具體實(shí)現(xiàn)方法之一，D-BLAST是Foschini等提出的一種對角分層空時(shí)編碼[2]，它利用空間維度大大提高了傳輸速率。

FPGA具有開發(fā)周期短、設(shè)計(jì)靈活等優(yōu)點(diǎn)[3]，將D-BLAST在FPGA中實(shí)現(xiàn)驗(yàn)證，成為未來移動(dòng)通信實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用的一種方式。

1 MIMO-OFDM基帶系統(tǒng)發(fā)射機(jī)模型

MIMO-OFDM基帶系統(tǒng)發(fā)射機(jī)基本結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。在發(fā)射端，基帶數(shù)據(jù)經(jīng)過基帶調(diào)制再經(jīng)過串并轉(zhuǎn)換，輸入至空時(shí)編碼器進(jìn)行D-BLAST空時(shí)編碼，進(jìn)入空時(shí)編碼之后的信息流變成N路并行的低速數(shù)據(jù)流，分別對應(yīng)一個(gè)發(fā)射天線；之后對信息流做插入導(dǎo)頻處理，用于在接收端進(jìn)行信道估計(jì)；OFDM調(diào)制利用IFFT變換實(shí)現(xiàn)；經(jīng)過IFFT變換的信號(hào)從頻域信號(hào)變成了時(shí)域信號(hào)，在經(jīng)過插入循環(huán)前綴等，最后數(shù)據(jù)通過濾波器被送到D/A進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，然后上變頻到一定的發(fā)射頻率上發(fā)送出去。本設(shè)計(jì)發(fā)射天線數(shù)Nt=2，且暫時(shí)沒有考慮同步和峰均比抑制問題。

圖1 MIMO-OFDM基帶系統(tǒng)發(fā)射機(jī)基本結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Structure diagram of MIMO-OFDM baseband system transmitter

本設(shè)計(jì)的主要參數(shù)如表1所示。

2 系統(tǒng)發(fā)射機(jī)主要模塊

2.1 基帶調(diào)制

在實(shí)際應(yīng)用中，有兩類用的最多的數(shù)字調(diào)制方式：線性調(diào)制和非線性調(diào)制。線性調(diào)制即數(shù)字相位調(diào)制技術(shù)，主要包括相移鍵控（PSK）和正交相移鍵控（QPSK）等，其優(yōu)點(diǎn)為頻譜利用率很高。

表1 系統(tǒng)參數(shù)Tab.1 System parameters

為了減少傳輸信號(hào)頻帶，提高信道頻帶利用率，可以將二進(jìn)制數(shù)據(jù)變換為多進(jìn)制（即M進(jìn)制）數(shù)據(jù)來傳輸。用M進(jìn)制數(shù)據(jù)控制載波的相位，就是M相相移鍵控。當(dāng)M=4時(shí)，就是四相相移鍵控，即QPSK調(diào)制。QPSK的4種輸出相位有相等的幅度，而且2個(gè)相鄰的相位相差值為90o（I，Q組合為4種[0 0]，[0 1]，[1 0]和[1 1]）。

從數(shù)據(jù)范圍、精度以及硬件開銷的整體考慮出發(fā)，本文采用16位定點(diǎn)格式數(shù)據(jù)，7～0位表示小數(shù)位，14～8位表示整數(shù)位，第15位表示符號(hào)位，且在硬件計(jì)算過程中，數(shù)據(jù)都是以二進(jìn)制補(bǔ)碼的形式存在的，所以，映射后的數(shù)據(jù)“1”表示成00000001_00000000，“－1”表示成 11111111_00000000。

2.2 空時(shí)編碼

分層空時(shí)碼技術(shù)的基本思想是：在發(fā)送端將待傳輸?shù)拇邪l(fā)送數(shù)據(jù)，經(jīng)過多路分解器轉(zhuǎn)換成Nt個(gè)并行數(shù)據(jù)，所得數(shù)據(jù)輸入到信號(hào)編碼器、分層空時(shí)編碼器，從而得到Nt個(gè)待發(fā)送的信號(hào)組，分別由Nt個(gè)發(fā)送天線進(jìn)行傳輸。分層空時(shí)編碼是將輸入編碼器的序列映射到發(fā)送天線上。根據(jù)空間映射方式，分層空時(shí)碼可以分為：水平分層空時(shí)碼，垂直分層空時(shí)碼和對角分層空時(shí)碼。對角分層空時(shí)碼相對前兩種分層空時(shí)碼具有最好的空時(shí)特性[4]。

為了更清楚地了解D-BLAST編碼過程，考慮一個(gè)例子，其中的Nt=4，即共有4層，因此，每個(gè)碼字分為4塊。一個(gè)碼字中塊的數(shù)目應(yīng)等于Nt，這一約束是譯碼過程強(qiáng)加的。傳輸過程如圖2所示。首先，a1從第1根發(fā)射天線發(fā)射；其次，d1和a2分別從第1根和第2根天線上同時(shí)發(fā)射；再次，c1、d2和a3也分別從第1根、第2根和第3根天線上同時(shí)發(fā)射，該過程一直會(huì)持續(xù)到bK從最后一根天線上發(fā)射出，這意味著每層共有K/4個(gè)碼字。由于在每次傳輸周期的開始和結(jié)束，一些發(fā)射天線是出于空閑狀態(tài)的，因此，最終的傳輸速率稍低于RcbNt，其中，Rc代表所采用的信道碼速率，2b是信號(hào)星座大小，但這是一個(gè)小問題，尤其是當(dāng)傳輸周期較長時(shí)。

對于本設(shè)計(jì)，如果串行數(shù)據(jù)流為a1a2d1d2c1c2b1b2…，串并轉(zhuǎn)換之后的數(shù)據(jù)分別為a1d1c1b1…和a2d2c2b2…，則D-BLAST編碼之后的輸出為a1d1c1b1…和0a2d2c2b2…。

圖2 D-BLAST傳輸過程Fig.2 Transmission process of D-BLAST

2.3 插入導(dǎo)頻

為了信道估計(jì)，在發(fā)射端以一定的間隔把已知的導(dǎo)頻符號(hào)插入到OFDM符號(hào)中，經(jīng)過信道后，接收端提取這些位置的信道響應(yīng)，利用這些位置的信道響應(yīng)作內(nèi)插濾波，從而估計(jì)出其它位置的信道頻率響應(yīng)。OFDM系統(tǒng)中常用的倒頻圖案一般有3種，分為塊狀倒頻、梳狀導(dǎo)頻和間隔式倒頻[5]，文中選擇梳狀導(dǎo)頻，采取隔3個(gè)子載波插入一個(gè)導(dǎo)頻符號(hào)，因此在64個(gè)子載波中有16個(gè)是用于傳輸導(dǎo)頻信號(hào)的，其實(shí)現(xiàn)原理圖如圖3所示。

圖3 插入導(dǎo)頻實(shí)現(xiàn)原理圖Fig.3 Implementation principle diagram of pilot inserting

該模塊把空時(shí)編碼后的數(shù)據(jù)以時(shí)鐘clk_48存入RAM中，同時(shí)以clk_48讀入導(dǎo)頻，每隔3個(gè)數(shù)據(jù)插入一個(gè)導(dǎo)頻符號(hào)，之后以時(shí)鐘clk_64從RAM中依次讀取數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)插入導(dǎo)頻。輸入時(shí)鐘clk_48和輸出時(shí)鐘clk_64采用不同的頻率，因?yàn)檫M(jìn)入導(dǎo)頻插入模塊的輸入數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)為48，插入導(dǎo)頻后，輸出個(gè)數(shù)為64，而整個(gè)模塊輸入輸出要求是同時(shí)完成的，因此輸入、輸出時(shí)鐘具有3:4的比例關(guān)系。

2.4 IFFT

OFDM技術(shù)使用多載波調(diào)制技術(shù)，各個(gè)子載波相互正交，且各個(gè)子載波的頻譜有一半的重疊。IFFT部分是整個(gè)OFDM發(fā)射機(jī)中最核心的部分，通過它才能真正地實(shí)現(xiàn)正交的功能。文中利用Altera公司的IFFT/FFT IP核，其具有更高的性能，占用更少的資源，且整個(gè)IFFT/FFT的應(yīng)用流程相對簡單，可以在QuartusII軟件中很方便地進(jìn)行配置并將IFFT/FFT模塊加入到自己的工程設(shè)計(jì)中。

FFT Core支持4種I/O數(shù)據(jù)流結(jié)構(gòu)：流（Streaming）：允許輸入數(shù)據(jù)連續(xù)處理，并輸出連續(xù)的復(fù)數(shù)據(jù)流，這個(gè)過程不需要停止FFT函數(shù)數(shù)據(jù)流的進(jìn)出；變量流（Variable Streaming）：允許輸入數(shù)據(jù)連續(xù)處理，并產(chǎn)生一個(gè)與流結(jié)構(gòu)相似連續(xù)輸出數(shù)據(jù)流；緩沖突發(fā)（Buffered Burst）：需要的存儲(chǔ)器資源比流動(dòng)I/O數(shù)據(jù)流結(jié)構(gòu)少，但平均模塊吞吐量減少；突發(fā)（Burst）：執(zhí)行過程和緩沖突發(fā)結(jié)構(gòu)相同，但對于給定參數(shù)設(shè)置，突發(fā)結(jié)構(gòu)在降低平均吞吐量的前提下需要更少的存儲(chǔ)資源。

本設(shè)計(jì)設(shè)置IFFT/FFT IP核參數(shù)時(shí)，Target Device Family選擇 Stratix，Transform Length 選擇 64points，Data Precision 和Twiddle Precision選擇 16 bits，I/O Data Flow 選擇 Streaming。當(dāng)設(shè)置FFT方向時(shí)，inverse為0時(shí)作FFT變換，為1時(shí)作IFFT變換。

2.5 插入循環(huán)前綴

采用OFDM技術(shù)的最主要原因之一在于其能夠有效的對抗多徑時(shí)延擴(kuò)展和由于多徑傳播而引起的符號(hào)間干擾（ISI）。ISI對OFDM符號(hào)的影響還可以通過在每個(gè)符號(hào)的開始位置加上額外的保護(hù)間隔來改善，且該保護(hù)間隔長度Tg一般要大于無線信道中的最大時(shí)延擴(kuò)展，這樣一個(gè)符號(hào)的多徑分量就不會(huì)對下一個(gè)符號(hào)產(chǎn)生干擾。

循環(huán)前綴就是把每個(gè)OFDM符號(hào)后Tg時(shí)間中的樣點(diǎn)復(fù)制到OFDM符號(hào)前面以形成前綴。插入循環(huán)前綴更重要的作用是可以有效消除子載波間干擾[6]。其實(shí)現(xiàn)原理如圖4所示。

圖4 插入循環(huán)前綴原理圖Fig.4 Implementation principle diagram of cyclic prefix inserting

本設(shè)計(jì)中選擇的循環(huán)前綴長度為OFDM符號(hào)的1/4，即將OFDM的后16個(gè)采樣點(diǎn)復(fù)制到符號(hào)前面。這里使用2個(gè)64×16 bit的RAM構(gòu)成乒乓?guī)僮鳌?/p>

寫控制產(chǎn)生兩個(gè)寫使能信號(hào)和一個(gè)寫地址信號(hào)，以clk_64為時(shí)鐘輸入，以64個(gè)時(shí)鐘脈沖為一個(gè)周期，交替地使兩個(gè)RAM的輸入有效，寫地址以0～63的順序循環(huán)輸出，將OFDM符號(hào)的64個(gè)數(shù)據(jù)依次寫入RAM中；讀控制產(chǎn)生兩個(gè)讀使能信號(hào)和一個(gè)讀地址信號(hào)，以clk_80為時(shí)鐘輸入，以80個(gè)時(shí)鐘脈沖為一個(gè)周期，交替地使兩個(gè)RAM的輸出有效，先讀出RAM中的后16個(gè)數(shù)據(jù)，再從首地址依次讀出全部64個(gè)數(shù)據(jù)，這樣就實(shí)現(xiàn)了將后16個(gè)數(shù)據(jù)插入到OFDM符號(hào)前面的過程，且整個(gè)符號(hào)的長度為80個(gè)數(shù)據(jù)。最后，以clk_80為時(shí)鐘，交替選取2個(gè)RAM的輸出作為循環(huán)前綴整體模塊的輸出。

3 設(shè)計(jì)驗(yàn)證

系統(tǒng)中所用的 FPGA是 Altera公司的 Stratix EP1S25F780C5，其結(jié)合了高密度、高性能以及豐富的特性。軟件使用Altera的QuartusII集成開發(fā)軟件，另外，使用ModelSim作為仿真軟件。利用Verilog HDL語言來完成各個(gè)模塊的代碼編寫工作。

在進(jìn)行發(fā)射機(jī)驗(yàn)證時(shí)，將一組隨機(jī)的0，1數(shù)據(jù)存入一個(gè)文本中，之后使用MoedlSim仿真軟件將其讀取，作為輸入數(shù)據(jù)，將發(fā)射機(jī)的一個(gè)天線上的輸出數(shù)據(jù)以模擬波形的形式輸出，如圖5所示。再將相同的數(shù)據(jù)輸入到Matlab中，進(jìn)行仿真，如圖6所示。分析并對比兩組數(shù)據(jù)和波形。

從以上的波形可以看出，發(fā)射機(jī)功能正確。

4 結(jié) 論

圖5 ModelSim仿真結(jié)果Fig.5 Simulation results of ModelSim

圖6 Matlab仿真結(jié)果Fig.6 Simulation results of Matlab

MIMO-OFDM系統(tǒng)通過MIMO與OFDM的結(jié)合，使一個(gè)信號(hào)能夠從空、時(shí)、頻三維來聯(lián)合設(shè)計(jì)，充分利用了無線信道在空、時(shí)、頻三個(gè)維度上呈現(xiàn)不同特性的條件，從而使解決問題的手段和理論研究更加豐富。本設(shè)計(jì)以FPGA為硬件平臺(tái)來實(shí)現(xiàn)發(fā)射機(jī)，電路簡單，設(shè)計(jì)靈活，便于修改和調(diào)試，可靠性高。軟件設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)思想，提高了系統(tǒng)的可靠性和維護(hù)性。整個(gè)發(fā)射機(jī)設(shè)計(jì)簡單、快速和高效等特點(diǎn)，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

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