無線通訊OFDM調(diào)制的實現(xiàn)

OFDM是現(xiàn)代寬帶無線通信系統(tǒng)應(yīng)用的技術(shù)。為了減少高數(shù)據(jù)率OFDM系統(tǒng)中各信道間影響帶來的失真，引入循環(huán)前綴(CP)來消除碼間干擾(ISI)。它將一個IFFT包的最后部分復(fù)制到OFDM符號序列的前端。注意，CP的長度必須長于色散信道的長度以徹底消除ISI。在發(fā)射器中，OFDM調(diào)制包括快速傅立葉逆變換(IFFT)運算和CP的插入。而在OFDM接收器中，CP在數(shù)據(jù)包送往FFT解調(diào)前被移除。新一代的無線系統(tǒng)以高動態(tài)配置為標志，其中CP的長度隨著傳輸模式，幀結(jié)構(gòu)(見圖1、2)以及更高級的協(xié)議而改變。例如，3GPP LTE中的CP配置每一個時隙。

圖1：3GPP LTE下的幀結(jié)構(gòu)1，可用于TDD、FDD系統(tǒng)。

圖2：3GPP LTE下的幀結(jié)構(gòu)2，可用于TDD系統(tǒng)。

OFDM調(diào)制的實現(xiàn)

        下面將討論如何實現(xiàn)OFDM調(diào)制及解調(diào)中循環(huán)前綴的插入與消除。

　　FFT與FFT反變換：在OFDM調(diào)制中最關(guān)鍵的運算就是IFFT，相類似，OFDM解調(diào)的核心為FFT。寬帶系統(tǒng)中的高FFT吞吐率是至關(guān)重要的，尤其是在FFT被多路數(shù)據(jù)通道共享時。

　　在WiMAX以及3GPP LTE這類現(xiàn)代可擴展無線系統(tǒng)中，在運行中可重新配置的能力同樣成為系統(tǒng)要求的一個重要指標?？勺兞髂Ｊ较碌腇FT MegaCore函數(shù)瞄準的是可重新配置的無線通訊，是設(shè)計OFDM系統(tǒng)時的一個很好選擇。

　　FFT的MegaCore函數(shù)被設(shè)定為可變流模式，它允許FFT的大小和方向逐包改變。它還采用了存儲效率模式——這是FFT核的唯一模式，直接從FFT的蝶形引擎中輸出位反轉(zhuǎn)符號?？梢栽贔FT核之外結(jié)合帶有循環(huán)前綴插入的位反轉(zhuǎn)。這樣，整個OFDM調(diào)制可以節(jié)省出一個單緩沖器。

　　FFT模塊復(fù)用：為了減少邏輯門數(shù)，F(xiàn)FT模塊通常采用比其他基帶模塊更快的時鐘頻率并復(fù)用。FFT模塊可以被不同的源共享，譬如，多路天線、時分雙工(TDD)復(fù)用中的發(fā)射與接收，以及頻分雙工(FDD)系統(tǒng)。FFT模塊也可以與其他功能模塊共享，如振幅因數(shù)減小或信道估計模塊。不過，這些復(fù)用取決于用戶特定的算法，而非通用設(shè)計。這篇文章將集中討論最常見的無線通訊系統(tǒng)應(yīng)用：如MIMO技術(shù)、TDD和FDD通信。

　　TDD操作：在TDD基站中，發(fā)送和接收發(fā)生在不重疊的時隙中。FFT模塊可以很容易地在采用合適的信號多路復(fù)用技術(shù)的發(fā)射機和接收機之間共享。圖3顯示一個典型的單一天線TDD OFDM調(diào)制器。

圖3：單天線TDD系統(tǒng)中OFDM調(diào)制解調(diào)的共享。

        在發(fā)射數(shù)據(jù)通道中，基帶數(shù)據(jù)被直接送入IFFT模塊。為在IFFT運算后插入CP并進行位反轉(zhuǎn)操作，可以采用很多種不同的結(jié)構(gòu)。圖4為一個使用Altera Avalon Streaming接口(Avalon-ST)的高效實現(xiàn)方案。IFFT輸出的位反轉(zhuǎn)信號按次序被寫入一個單緩沖器，在那里，來自上一個OFDM符號的自然順序的樣本通過雙端口RAM同時被讀出。產(chǎn)生循環(huán)前綴時，通過Avalon-ST背壓流量控制使FFT核停轉(zhuǎn)。附加了循環(huán)前綴的連續(xù)OFDM符號再被送到數(shù)字上變頻器(DUC)來傳輸。

圖4：帶背壓的循環(huán)前綴插入的高效存儲實現(xiàn)方案。

        而在接收通道中，經(jīng)過數(shù)字下變頻器(DDC)后，循環(huán)前綴從OFDM符號中被移除。如圖3示，循環(huán)移除模塊找到OFDM符號序列的正確起始位置然后把數(shù)據(jù)送向FFT解調(diào)。FFT模塊后的單緩沖器只能作為接收通道中的位反轉(zhuǎn)緩沖器而沒有背壓流量控制。為了重復(fù)利用控制單元，圖3中CP的插入和移除模塊能夠區(qū)分數(shù)據(jù)包是否用來發(fā)射還是接收，并采取相應(yīng)操作。在這種存儲器高效率執(zhí)行中，F(xiàn)FT核工作頻率為符號速率。一個單緩沖器足以完成循環(huán)前綴的插入和位反轉(zhuǎn)。

　　FDD操作：在FDD中，發(fā)送和接收是同時進行的。FFT核的共享要求其工作頻率不低于基帶符號傳輸速率的兩倍。發(fā)射和接收數(shù)據(jù)通道各需要一個專用數(shù)據(jù)緩存。

　　圖5描述的是FDD系統(tǒng)下FFT復(fù)用的一種可能配置。數(shù)據(jù)發(fā)送和接收通道的操作類似于TDD系統(tǒng)，其區(qū)別在于這些操作是同時進行的。因此，pre-FFT數(shù)據(jù)必須被緩存且把頻率提高到快時鐘頻率。用一個單緩沖器就足以改變速率，因為緩沖器的寫時鐘頻率總是低于或等于讀時鐘頻率。

圖5：單天線中OFDM調(diào)制解調(diào)的FFT核共享。

        在當前的數(shù)據(jù)包以低時鐘速率被寫入緩沖器的時候，上一個包中的數(shù)據(jù)以高時鐘率被讀出。當讀寫操作在同一存儲位置時，需要配置雙端口RAM來輸出舊存儲內(nèi)容。FFT處理后，高速率數(shù)據(jù)經(jīng)過雙端RAM后被還原到OFDM的發(fā)送速率。這個post-FFT存儲緩沖器也作為一個位反轉(zhuǎn)緩沖器。由于速率從高到低的改變，如果需要連續(xù)碼流輸出，就需要一個雙緩沖器，即當一個FFT包被寫入緩沖器時，上一個包中的數(shù)據(jù)從另一個緩沖器被讀出。

MIMO結(jié)構(gòu)設(shè)置

　　多天線結(jié)構(gòu)是現(xiàn)代無線系統(tǒng)中的強制性需求，這些系統(tǒng)包括WLAN，WiMAX和3GPP LTE系統(tǒng)。在多輸入輸出(MIMO)系統(tǒng)中進行OFDM調(diào)制的一個很直接的操作就是復(fù)制數(shù)據(jù)通道，包括用于每一根天線的FFT核。

　　一種資源更友好的解決方案是共享每條天線的FFT核。為實現(xiàn)MIMO中的FFT復(fù)用，F(xiàn)FT核的頻率至少要比基帶數(shù)據(jù)傳輸速率快n倍，這里的n為天線的根數(shù)。當結(jié)合MIMO、TDD和FDD時，同一個FFT核能在兩維上被共享，代價是需要pre-FFT數(shù)據(jù)緩沖。

　　圖6描述的是TDD模式下一種雙天線MIMO發(fā)射器的基本配置。FFT核被兩條天線以及發(fā)送和接收器復(fù)用。循環(huán)前綴的插入和移除控制單元必須能夠用于發(fā)射和接收。由于時鐘頻率的差異，每根天線的post-FFT數(shù)據(jù)處理需要一個雙緩沖器。

圖6：雙天線MIMO TDD系統(tǒng)中OFDM調(diào)制解調(diào)的FFT核共享。

OFDM調(diào)制實例

　　下面的OFDM調(diào)制和解調(diào)在Altera Stratix III FPGA上進行，F(xiàn)FT和存儲緩沖器使用MegaCore函數(shù)。這個例子打算用于采用FFT復(fù)用的系統(tǒng)，為了實現(xiàn)共享，這里，F(xiàn)FT核的時鐘率要比基帶信號快很多。該設(shè)計旨在實現(xiàn)可重配置結(jié)構(gòu)的OFDM系統(tǒng)，它的FFT size和循環(huán)前綴的大小在執(zhí)行中可變。Pre-FFT數(shù)據(jù)通過一個單緩沖器改變速率，Pre-FFT位反轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)通過一對緩沖器改變速率和次序。所有的控制模塊支持TDD操作并被發(fā)射器和接收器共享。該應(yīng)用實例可以很容易擴展到MIMO、TDD或者兩者結(jié)合的系統(tǒng)中，例如圖6中的系統(tǒng)以及圖5介紹的FDD系統(tǒng)。

　　功能描述：這個設(shè)計實例包含兩部分：OFDM調(diào)制和OFDM解調(diào)。前者包含IFFT和循環(huán)前綴的位反轉(zhuǎn)插入，后者包含循環(huán)前綴的移除模塊和改變數(shù)據(jù)速率的緩沖器。圖7為這兩者的高級集成。你可以把它看作是圖3中的單天線TDD系統(tǒng)的一種擴展。附加的pre-FFT緩沖器使設(shè)計更容易地擴展到具有FFT復(fù)用的MIMO或FDD系統(tǒng)。

圖7：OFDM調(diào)制解調(diào)設(shè)計架構(gòu)舉例。

        Post-FFT處理：OFDM調(diào)制過程中的CP插入包含4個功能子模塊：

　　1. 使用雙時鐘雙端口RAM的雙緩沖器

　　2. 位反轉(zhuǎn)的存儲寫模塊

　　3. 循環(huán)前綴插入的內(nèi)存讀取模塊

　　4. 時鐘同步模塊

　　在發(fā)射數(shù)據(jù)通道中，位反轉(zhuǎn)的IFFT輸出數(shù)據(jù)在循環(huán)前綴插入模塊被讀入。一個控制單元分析數(shù)據(jù)地址并把它寫入相應(yīng)的存儲單元。在一個完整的IFFT數(shù)據(jù)包被寫入后，與循環(huán)前綴相應(yīng)的最后幾個樣本以自然順序讀出。與此同時，如果有容量，來自下一個IFFT包的數(shù)據(jù)會被寫入另一個緩沖器。如果兩個緩沖器都有數(shù)據(jù)需要讀取，會有一個延遲信號經(jīng)過Avalon Streaming接口背壓送到IFFT核。經(jīng)過OFDM調(diào)制后的數(shù)據(jù)通常是連續(xù)的。而其后的模塊，如IF調(diào)制解調(diào)器和天線，不應(yīng)該施加背壓。

　　在接收數(shù)據(jù)通道中，post-FFT處理限制了位反轉(zhuǎn)和速率改變。位反轉(zhuǎn)的FFT輸出數(shù)據(jù)會被寫入到正確的內(nèi)存地址，就像之前所做的一樣。一旦一個完整的數(shù)據(jù)包被寫入了緩沖器，它將會按正常順序依次讀出。要特別注意避免過度的背壓。由于讀時鐘頻率通常慢于寫時鐘，故需要一個雙緩沖器。圖8講述了post-FFT的數(shù)據(jù)處理?？刂菩盘栔该鲀蓚€時鐘域的緩存器狀態(tài)，并通過同步邏輯進行同步。

圖8：循環(huán)前綴插入操作前后的數(shù)據(jù)包比較。

        如前面所討論，如果FFT為了資源共享采用不同速率的時鐘，則需要pre-FFT數(shù)據(jù)緩沖器。在接收通道上，每當輸入數(shù)據(jù)開始寫入單緩沖器時，循環(huán)前綴移除模塊開始記數(shù)。當整個數(shù)據(jù)包都被寫入這個單緩沖器時，記數(shù)值開始從0地址被讀出。

　　對于固定的FFT size，由于讀時鐘頻率并不比寫時鐘慢，用一個單緩沖器就夠了。但如果FFT size是變化的，一個單緩沖器恐怕就不夠了。舉個特殊的例子，假設(shè)兩個時鐘工作在同一頻率。在這種情況下，當新的數(shù)據(jù)被寫入內(nèi)存，上一個數(shù)據(jù)包中的數(shù)據(jù)會從同一個存儲地址被讀出。如果上一個數(shù)據(jù)包的FFT/IFFT size更大，那么當前包的寫操作會早在上一個數(shù)據(jù)包讀操作完成前結(jié)束。這樣的話，為了阻止寫入過多的數(shù)據(jù)，就必須延遲上行數(shù)據(jù)流模塊的運行直到上一個大數(shù)據(jù)包的讀操作完成。

　　所幸的是，這種背壓只會在FFT size由大變小時才會被施加。在實際的系統(tǒng)中，F(xiàn)FT size不太可能頻繁的改變。如果它只在幀邊界改變，由于幀符號之間是靜止區(qū)，就永遠不會施加背壓。此外，為了避免使用背壓，讀信號和FFT核可以采用更高速率的時鐘，這樣讀操作會在寫操作之前完成。所需的時鐘頻率取決于最壞情況下FFT size的變化比。舉個極端的例子，如果FFT size從2048減到128，那么讀時鐘的頻率至少需要比寫時鐘快16倍。

　　在發(fā)射數(shù)據(jù)通道上，CP移除子?？熘皇菍⑤斎霐?shù)據(jù)按次序?qū)懭雴尉彌_器。同樣的數(shù)據(jù)以不同的速率被讀出。圖9講述了pre-FFT的數(shù)據(jù)操作。在接收通道上，數(shù)據(jù)通過天線進入OFDM解調(diào)器，其后通常還接有IF調(diào)制解調(diào)器。這樣，接收模式下的pre-FFT模塊不會再對上行數(shù)據(jù)流模塊施加背壓。對于TDD操作，在pre-FFT數(shù)據(jù)緩沖時，可以復(fù)用post-FFT雙端口RAM實現(xiàn)位反轉(zhuǎn)，因為這些操作在時間上是錯開的。

圖9：循環(huán)前綴移除操作前后的數(shù)據(jù)包比較。

        時鐘方案：該設(shè)計中采用兩個時鐘域，clk_f和clk_s。FFT核運行在快時鐘clk_f上。當時鐘clk_f比clk_s快時，兩個時鐘域?qū)嬖诋惒?。握手信號將會被插入來同步域間的控制信號。盡管在實際系統(tǒng)中時鐘clk_f的頻率通常為clk_s頻率的幾個整數(shù)倍，但在這個設(shè)計中，兩者頻率也可以相同。這里，兩個時鐘必須同步。由于單緩沖器存儲深度的限制，如果兩個時鐘同步而只是速率不同，就必須去掉解調(diào)器中的時鐘同步模塊。不過在實際系統(tǒng)中不需要考慮這一點，因為如果FFT核沒有被復(fù)用就沒必要使用pre-FFT緩沖器了。

　　接口和I/O端口：該設(shè)計實例使用了數(shù)據(jù)傳輸控制的Avalon Streaming協(xié)議。為了支持大小可變的FFT size、循環(huán)前綴，以及FFT方向運行時間(run time)的變化，必須對這些run time信號進行緩沖并把它們與輸出數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)包開始(SOP)信號對齊?！　　　?/p>

　　該實例中也通過Avalon Stream信號sink_ready(輸入準備好信號)和source_ready(輸出準備好信號)來支持背壓。循環(huán)前綴插入模塊中輸入準備好延遲選0和輸出準備好延遲選44。循環(huán)前綴移除模塊的輸入準備好延遲選0。不過，因為輸出數(shù)據(jù)取自存儲器，后面的緩沖器讀取子模塊的輸出準備好延遲選2。由于FFT核為延遲0，為了實現(xiàn)與FFT核的連接，需要在在緩沖讀模塊與FFT核之間插入一個延遲適配器。延遲適配器用延遲2接收輸入數(shù)據(jù)，然后用延遲0輸出數(shù)據(jù)。適配器也支持背壓并把可重配置的循環(huán)前綴的大小和FFT的方向信號與輸出數(shù)據(jù)包對齊。

　　調(diào)制解調(diào)的輸入輸出信號是有符號的定點格式但位寬度是可配置的。在可變流模式中，IFFT核的輸出數(shù)據(jù)具有基于最大IFFT size的滿分辨率。如果必要，可以在循環(huán)前綴插入模塊中切斷數(shù)據(jù)序列，也可以設(shè)置位寬參數(shù)。圖10所示為OFDM調(diào)制解調(diào)模塊的I/O端口。

圖10：OFDM調(diào)制解調(diào)模塊的I/O接口。