应用DSP的自适应OFDM系统

都一明

(中国人民解放军重庆通信学院，重庆 400035)

正交频分复用(orthogonal frequency division multiplexing，OFDM)是一种频谱部分重叠的多载波调制技术［1－11］，从20世纪50年代末开始在军队中用于无线通信。OFDM不但频带利用率高，而且能有效对抗信号在多径传输(或频率选择性衰落信道)中的波形干扰［1］。20世纪90年代后，随着数字信号处理技术、半导体技术的飞速发展和大规模集成电路的应用，以及由于使用FFT技术可实现有效的调制，OFDM技术的实际应用更加成熟，在消费类电子产品中的应用也更为广泛。在带宽和功率受限的条件下，OFDM具有更高的频谱利用率和良好的抗多径干扰能力，因此在卫星通信、数字音频广播(DAB)、数字视频广播(DVB)和第三代移动通信中得到了广泛的应用。作为第四代移动通信系统的核心技术，OFDM不仅可以大幅提升系统容量，更重要的是它更容易满足多媒体通信的技术要求［2］。本文通过研究基于DSP芯片的OPDM系统，应用自适应算法对系统运行进行优化，使其性能得到明显的提升。

1 OFDM基本原理

OFDM的主要思想是使用并行数据及频分多路(FDM)的方式来克服噪声及多径干扰，从而避免使用高速复杂的均衡器，达到最大限度地利用可用频带、获得高频谱利用率的目的［2］。在OFDM中，使用大量具有均匀频率间隔的副载波代替通常用于一个节目的单个载波，并组合成为一种正交系统，所有副载波频率均满足为基本振荡频率的整数倍的条件。其中，正交信号相互可以被精确地分离，当各正交信号的频谱产生重叠时也应满足该条件，从而能充分、有效地利用频谱。若传输信道中的某一频段出现深衰落现象，则系统中只有该调制载波所对应频段中的信号才会受影响，而对于在其他载波中调制的信号则不会产生影响［2］。

1.1 OFDM多载波信号的调制

在OFDM系统的发射端，数据通过常规QAM方法进行调制后变换为基带信号，其速率为R(其中:基带调制信号码元周期是ts;带宽是B;信道的最大迟延扩展时间为Δm)。OFDM系统将原信号分割为M个子信号，然后分别调制为M个彼此正交的子信号。可以算出，分割后系统的码元速率为R/M，周期Ts=Mts。发射端信号调制过程如图1所示。该过程等价于将码元速率为Mfs(fs=l/Ts)b/s的输入数据流分解成单个的数据块(block)，若每个子信道每次分配1比特，则每个block包含M个比特。对于OFDM系统来说，一个数据块等价于一个码元，其传输速率为fs［4］。

图1 发射端信号调制过程

该码元波形受时间限制，且数据以block的形式进行处理，并对最终调制好的各个子信道的信号进行融合，形成OFDM发射信号。实际输出的信号可以表示为:

其中:d(n)为第n个调制码元;T为子信道的码元周期(Ts)加上保护时间，即T=Ts+δ。各个子载波的频率为

其中f0为最低子载波频率。

1.2 OFDM多载波信号的解调

OFDM系统信号的解调首先需要在接收端将各子信道信号进行分离，然后才能对接收端信号进行解调。由于各个子载波的频谱彼此正交，因此可采用混频和积分电路对各子信道进行有效分离(如图2所示)。

图2 接收端信号解调原理

当调制信号由陆地无线信道传输到接收端时，系统会因为信道的多径效应出现码间干扰现象，导致子载波之间无法保持良好的正交状态，所以必须在码元之间插人保护时间消除码间干扰。插入的保护时间间隔δ一般需要大于最大时延扩展Δm，从而确保所有的多径信号在时延小于δ的情况下无法延伸至下一码元造成码间干扰。

对于δ比信道冲激响应大的情况，接收信号经过抽样后(速率为1/ts)可以表示为

其中hn表示子载波频率fn时的信道冲激响应，

输入信号在系统的输入端分割为M个支路，经过各子载波混频和积分处理形成子信号后，利用并/串变换及常规QAM的处理，就能解调出初始数据，如式(5)所示。解调后的信号频谱见图3。

图3 解调后的信号频谱

2 基于DSP的OFDM系统及实现

图4为OFDM系统的结构框图。系统的调制和解调分别由IFFT和FFT完成。串行数据输入后变换为并行数据，然后通过纠错编码、交织、差分编码等方式对数据进行编码和编码映射。完成编码映射的数据按系统设置参数构成帧，从而得到系统的频域数据。经过IFFT变换后，系统完成由频域数据向时域数据的转换，从而实现了信号在各个正交子载波上的调制。下一步加入循环前缀(保护间隔)进行并/串转换和数/模转换，再将信号调制到高频载波上进行发射。如果系统采用基带传输，则信号无需进行载波调制［5］。

图4 OFDM系统结构框图

在系统的信号接收端，进行的操作与上述相反。数据从信道接收后先进行载波解调，恢复为基带数据，然后再进行模/数转换处理，去除循环前缀(保护间隔)，进行串/并转换和FFT变换。通过FFT变换将数据由时域模式转换为频域模式，即实现了OFDM信号的解调。接下来系统进行频域均衡、译码判决和并/串转换等处理。值得注意的是，需要对发送的训练序列进行信道和载波频偏估计(CFO)、系统同步等处理。

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，其技术参数为 50 MHz、8 192 word*18 bit;ROM采用WSI公司的 WS57C010F－45C，其技术参数为64 K、word*8 bit;RAM采用NEC公司的 LPD431632LGF－A7，其技术参数为 100 MHz、32 K、word*32bit。系统时序控制信号的周期为1个符号的时长:前一半为高电平，后一半为低电平。发射端的时序控制信号来自D/A板，接收端的时序控制信号来自A/D板。当时序控制信号为高电平时，DSP输出前一个符号的数据到存储器;当时序控制信号为低电平时，DSP从存储器输入后一个符号的数据。数据的输出、输入通过后台的DMA完成，同时CPU在前台处理当前符号数据，因此数据按符号的奇偶性分别存储在2个存储地址中，以避免DMA和CPU对数据空间的访问冲突［6］。

由于时延扩展会造成符号间干扰，系统在运行时可以通过将持续期为Tu的每个OFDM符号人为地延长一个持续期为TG的保护间隔。保护时间通常大于典型的信道时延扩展，这样才能保证各数据块的处理能独立进行，从而有效消除干扰，实现OFDM系统的可靠高效运行。

在无线传输环境下，信号经由多条路径传输至接收端。特别是在室内环境下，由于反射、散射及折射的影响，上述现象更为明显。采用OFDM技术虽能实现频率选择性信道向平坦衰落信道的转化，但仍需采用分集技术进一步改善系统的多径衰落。在OFDM系统中结合MIMO技术构成的MIMO-OFDM系统对改善多径衰落、提升系统性能具有重要意义［7］。

3 OFDM系统的自适应算法的改进

在实际情况中，由于信道具有时变特征，系统在接收信号后，经过FFT解复用会产生信道间串扰(ICI)，导致系统性能的下降。这种情况主要是由于子信道频谱的Doppler扩展引起子信道的正交性恶化而导致的。由于OFDM的性能在现实中无法达到理论分析的理想性能，因此有必要研究相应的抗信道衰落技术以克服由ICI导致的系统性能降低。

常规的OFDM系统在信道容量及信号数据处理差错率方面仍有待进一步改善，在对抗多径干扰的性能方面也需进一步优化。本文通过采用不同的自适应算法对OFDM系统性能进行改善。

3.1 OFDM系统信道容量的改善

“注水原理”通过几何方法获取最优的输入功率，有助于OFDM系统获取最优信道容量。注水算法的原理可表达为［8］:

通过定性的分析，注水算法能使OFDM系统中大部分发射信号的功率处于信道衰减较小的频带范围内，即有助于更多的功率分配在信道特性较好或者噪声功率较低的子信道上。通过信道容量数值计算可以推知:当系统的平均信噪处于较高的水平时，采用均匀的功率分配方法相较于采用最优的功率分配方法，其信道容量损失更小;当系统平均信噪比处于较低水平时，注水算法会对信道容量产生很大的提升效果。

3.2 OFDM系统差错率的改善

在系统比特分配过程中，采用Fischer-Huber算法有助于系统数据处理过程中差错率的降低。该算法基于差错率最小原则对比特进行分配，算法的具体分配过程为:

步骤1 将系统中所有子载波初始化，比特分配置0。

步骤2 根据系统中信道的实时状态，计算当前信道状态下，在每一个子载波上增加一个比特时采用的调制方式可能的误码率。

步骤3 根据步骤2，选取误码率最低的子载波，并在其上增加一个比特。

步骤4 根据上述2个步骤，逐步进行比特分配，直到OFDM系统中所有比特全部分配完毕。

4 结束语

OFDM是一种高效的多载波调制方式。经过多年的发展，OFDM技术不但被广泛应用于高速数字通信中，而且其应用已扩展到许多其他领域。随着对OFDM研究的深入，该技术的未来应用必将十分广泛。同时，高速的 TMS320C6000系列DSP的出现，为OFDM的实时实现提供了可能。本文研究了OFDM系统的理论，并结合DSP技术进行了实现。通过采用自适应算法对系统的不足进行改进，提升了OFDM系统的综合性能。

［1］佟学俭，罗涛.OFDM移动通信技术原理与应用［M］.北京:人民邮电出版社，2003.

［2］John G P.Digital Communications［M］.fourth edition.USA:McGraw-HillPublishers，2001.

［3］刘文坷，金梁.基于OFDM的MIMO系统的空间复用增益和分集增益研究［J］.广西师范大学学报:自然科学版，2005，23(1):25 －28.

［4］王宗平，袁志锋，朱琦.基于IEEE802.16a的OFDM基带调制系统的 FPGA 设计［J］.电讯技术，2005，15(3):77－81.

［5］Cordesses L.Direet digital synthesis:a tool for periodic wave generation ［J］.IEEE Signal proeessing Magazine，2004，21(4):50 －54.

［6］孙翠珍，曾召华，韩晓冰.无线通信中基于导频的OFDM信道估计算法仿真研究［J］.西安理工大学学报，2006，22(2):195 －198.

［7］Fischer R F H，Huber J B.A New Loading Algorithm for Discrete Multitone Transmission［J］.Proc.Globecomm’，1996(1):724－728.

［8］赵义.OFDM系统中的自适应技术研究［J］.黑龙江科技信息，2008，5:123 －135.

［9］彭涛，益晓新，李辉，等.LDPC码在正交频分复用－交织多址系统中的应用［J］.重庆理工大学学报:自然科学版，2012，26(11):80 －82.

［10］韩庆文，孙前景，王韬.基于自适应算法降低OFDM系统峰均比［J］.重庆理工大学学报:自然科学版，2010，24(4):67 －73.

［11］柯熙政，罗文亮，赵黎，等.一种改进的FSO-OFDM时间频率同步方案［J］.激光杂志，2009(4):44－46.