基于软件无线电的OFDM解调模块的设计与实现

谭美玲，周胜源

(桂林电子科技大学 信息与通信学院，广西 桂林541004)

软件无线电的基本思想是以一个通用的、标准化、模块化的硬件平台为依托，通过软件编程来实现无线电台的各种功能，从基于硬件、面向用途的电台设计方法中解放出来［1］。软件无线电强调体系结构的开放性和全面可编程性，通过软件更新改变硬件配置结构，实现新的功能。

OFDM技术作为一种高效的信道接入方式，能够有效地对抗由于多径效应造成的频率选择性衰落，同时通过串/并变换把频率选择性信道转换成并行的正交子信道，提供了较高的频谱利用率，成为广大学者的研究热点［2-5］。目前OFDM技术已经被广泛应用于广播式的音频、视频领域和民用通信系统，比如非对称的数字用户环路(ADSL)、ETSI标准的数字音频广播(DAB)、数字视频广播(DVB)、高清晰度电视(HDTV)、无线局域网(WLAN)等。

结合软件无线电的思想，采用Xilinx公司的System Generator这一高性能DSP系统的快速建模和实现工具，在MATLAB/Simulink环境下，对OFDM解调的部分模块进行系统建模仿真［6］。

1 软件无线电中OFDM的调制解调原理及系统框图

1.1 IEEE802.11a中OFDM的调制解调原理

OFDM的基本原理就是把一个高速的数据流分配到并行的速率较低的相互正交的若干子信道中传输，通过各子载波进行调制，然后在独立的子信道上进行传输。由于每个子信道的频率特性可以近似看作是平坦的，每个信道就可以认为是无符号间干扰的理想信道，接收端可以可靠地解调信号。同时在OFDM符号中插入保护间隔保证了子信道的正交性，消除了OFDM符号间的干扰。

对于含有N个子载波的OFDM系统，在一个符号持续时间T内，从t=ts开始采用复等效基带信号表示OFDM为

式中:rect()为矩形函数;Sk表示第k个子载波上传输的经过调制后的信号。

对于一个周期内的基带信号，令式(1)中ts=0，忽略矩形函数，并对信号x(t)以T/N的速率进行采样，即令t=kT/N，(k=0，1，…，N-1)，可得

式(2)与IDFT运算的表达式一致，说明OFDM复等效基带信号可以用离散傅里叶反变换(IDFT)的方法来实现。

同样，在接收端，恢复原始数据符号Sk的处理就可以通过对sk进行反变换，即DFT，得到

OFDM的调制和解调可以通过IDFT和DFT来代替，FFT/IFFT是实现DFT/IDFT的快速算法。在OFDM系统的具体实现中，通常采用更加快捷方便的快速傅里叶变换(FFT/IFFT)来降低运算复杂度。

1.2 OFDM的系统框图

基于软件无线电架构的OFDM系统模型如图1所示，可分为发射端和接收端。

图1 软件无线电架构的OFDM系统

在发送端，首先将串行输入的数据进行16QAM星座图映射，再根据系统的传输帧格式进行导频插入、补零成帧等处理过程，得到了数域数据。然后通过64点的IFFT变换，完成多载波调制，使得信号能够在子载波上并行传输。变换后的信号经串并转换，加入循环前缀，构成一个完整的OFDM数据帧，经过上变频发射到信道中传输。

在接收端，把接收到的信号先进行下变频及OFDM解调。OFDM解调即把信号送到同步/定时模块，经过同步算法，估计出帧时点和频率偏移，并删去循环前缀。然后经64点FFT变换后，利用信号中的插入导频进行信道估计。最后，FFT的输出包括了64个映射值，所有这些值被逆映射为二进制数据输出。

2 仿真模型设计

使用System Generator来设计OFDM的调制解调系统，能够加快DSP系统的开发进度，缩短整个设计周期，具体如图2所示。

图2 OFDM调制解调系统(系统截图)

1)幅度归一化模块

在System Generator中，由于FFT解调模块中使用的FFT v3_2模块要求的输入数据格式为Fix_n_n-1，比如Fix_8_7、FIX_24_23，所以需要在FFT解调模块前做一个归一化模块，使输入数据符合FFT v3_2 1的要求。

2)FFT解调模块

FFT解调主要使用System Generator提供的FFT v3_2模块，该模块支持的器件有Virtex-4，Virtex-2，Virtex-2 Pro和Spartan-3，它为离散傅里叶变换(DFT)提供了一种有效的算法。当fwd_inv端口输入为1时，FFT v3_2进行离散傅里叶变换，当fwd_inv端口输入为0时，FFT v3_2则进行离散傅里叶反变换。信号fwd_inv必须是布尔型数据。OFDM解调模块如图3所示。

图3 FFT解调模块(系统截图)

对OFDM调制解调系统进行仿真，仿真结果如图4所示。在16QAM映射、IFFT调制、FFT解调模块后面加上星座图模块进行观察，由仿真结果可以看出，FFT解调模块把看起来杂乱无章的OFDM载波星座图恢复成基本有序的16QAM星座图，与发射端的16QAM映射星座图基本一致。

图4 仿真结果

3)16QAM逆映射模块

发射端的16QAM调制方式采用格雷码方式的调制星座图如图5所示，其映射规则如表1所示。

图5 16QAM映射星座图

16QAM解调分为I路和Q路，采用电平判决方式解调。设输入信号为a1a2b1b2，I路为a1a2，Q路为b1b2。I支路电平判决流程如图6所示:当输入信号等于0时，a1a2判为0。若不为0，判断输入信号是否大于0，若是则判a1为0，否则为1。当输入信号大于0时，判断其是否大于2，是则判a2为0，否则为1。当输入信号小于0时，再判断其是否小于-2，是则判a2为0，否则为1。b1b2的判决规则等同于a1a2。

表1 16QAM映射规则

对16QAM逆映射模块进行仿真验证，得到波形图如图7所示，从图7中可以看出，解调出的信号波形与原始信号波形一致，验证了16QAM逆映射模块设计的可行性。

图7 16QAM解调结果(系统截图)

4)误比特率测试

为验证系统的可靠性，在系统中设置了误比特率测试模块，如图8所示。系统码源速率为24 Mbit/s，系统抽样率为24 Mbit/s，仿真时长为0.001 s，测得误比特率约为0.000 3。由此看出，本文采用System Generator设计的OFDM解调模块具有较高的可靠性。

图8 误比特率测试模块

3 小结

基于软件无线电的思想，使用System Generator对OFDM调制解调模块进行了设计与实现。设计OFDM的调制解调包括OFDM归一化、FFT解调、16QAM解调等模块，通过仿真验证了系统设计的结果与理论一致。本文采用System Generator图形化的设计环境，使得修改设计变得简单方便，避开了HDL的复杂编程，提高了效率，缩短了开发周期，具有很好的实用价值。

［1］张健.软件无线电的基本理论构架［D］.成都:电子科技大学，2000.

［2］郭继经，李晓飞，国栋.IEEE802.11a的OFDM基带调制的FPGA实现［J］.电视技术，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，郑侃.宽带无线通信OFDM技术［M］.北京:人民邮电出版社，2003.

［5］肖永江.基于软件无线电的宽带OFDM数据传输系统的设计和研究［D］.成都:成都理工大学，2005.

［6］史治国，洪少华，陈抗生.基于XILINX FPGA的OFDM通信系统基带设计［M］.浙江:浙江大学出版社，2009.