大佬帶你深入了解無(wú)線通訊，極致探討無(wú)線通訊OFDM調(diào)制實(shí)現(xiàn)原理

無(wú)線通訊是現(xiàn)代通訊手段之一，在往期文章中，小編曾對(duì)智能無(wú)線通訊應(yīng)用、無(wú)線通訊技術(shù)有所介紹。為增進(jìn)大家對(duì)無(wú)線通訊的理解程度，本文將對(duì)無(wú)線通訊OFDM調(diào)制的實(shí)現(xiàn)原理予以介紹。如果你對(duì)無(wú)線通訊，或者對(duì)無(wú)線通訊相關(guān)知識(shí)具有興趣，不妨繼續(xù)往下閱讀哦。

OFDM是現(xiàn)代寬帶無(wú)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(lái)的失真，引入循環(huán)前綴(CP)來(lái)消除碼間干擾(ISI)。它將一個(gè)IFFT包的最后部分復(fù)制到OFDM符號(hào)序列的前端。注意，CP的長(zhǎng)度必須長(zhǎng)于色散信道的長(zhǎng)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(yùn)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(wú)線系統(tǒng)以高動(dòng)態(tài)配置為標(biāo)志，其中CP的長(zhǎng)度隨著傳輸模式，幀結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖1、2)以及更高級(jí)的協(xié)議而改變。例如，3GPP LTE中的CP配置每一個(gè)時(shí)隙都不同。CP的長(zhǎng)度基于具有2048時(shí)間間隔的OFDM符號(hào)。WiMAX系統(tǒng)中可以有幾種相似而不同的CP結(jié)構(gòu)。

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)。

下面將討論如何實(shí)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(yùn)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(shí)。

在WiMAX以及3GPP LTE這類現(xiàn)代可擴(kuò)展無(wú)線系統(tǒng)中，在運(yùn)行中可重新配置的能力同樣成為系統(tǒng)要求的一個(gè)重要指標(biāo)。可變流模式下的FFT MegaCore函數(shù)瞄準(zhǔn)的是可重新配置的無(wú)線通訊，是設(shè)計(jì)OFDM系統(tǒng)時(shí)的一個(gè)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(chǔ)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(hào)?？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(gè)OFDM調(diào)制可以節(jié)省出一個(gè)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(shí)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(shí)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(jì)模塊。不過(guò)，這些復(fù)用取決于用戶特定的算法，而非通用設(shè)計(jì)。這篇文章將集中討論最常見(jiàn)的無(wú)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(shí)隙中。FFT模塊可以很容易地在采用合適的信號(hào)多路復(fù)用技術(shù)的發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間共享。圖3顯示一個(gè)典型的單一天線TDD OFDM調(diào)制器。

圖3：?jiǎn)翁炀€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(yùn)算后插入CP并進(jìn)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(gè)使用Altera Avalon Streaming接口(Avalon-ST)的高效實(shí)現(xiàn)方案。IFFT輸出的位反轉(zhuǎn)信號(hào)按次序被寫入一個(gè)單緩沖器，在那里，來(lái)自上一個(gè)OFDM符號(hào)的自然順序的樣本通過(guò)雙端口RAM同時(shí)被讀出。產(chǎn)生循環(huán)前綴時(shí)，通過(guò)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(hào)再被送到數(shù)字上變頻器(DUC)來(lái)傳輸。

圖4：帶背壓的循環(huán)前綴插入的高效存儲(chǔ)實(shí)現(xiàn)方案。

而在接收通道中，經(jīng)過(guò)數(shù)字下變頻器(DDC)后，循環(huán)前綴從OFDM符號(hào)中被移除。如圖3示，循環(huán)移除模塊找到OFDM符號(hào)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(méi)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?jǐn)?shù)據(jù)包是否用來(lái)發(fā)射還是接收，并采取相應(yīng)操作。在這種存儲(chǔ)器高效率執(zhí)行中，F(xiàn)FT核工作頻率為符號(hào)速率。一個(gè)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(shí)進(jìn)行的。FFT核的共享要求其工作頻率不低于基帶符號(hào)傳輸速率的兩倍。發(fā)射和接收數(shù)據(jù)通道各需要一個(gè)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(shí)進(jìn)行的。因此，pre-FFT數(shù)據(jù)必須被緩存且把頻率提高到快時(shí)鐘頻率。用一個(gè)單緩沖器就足以改變速率，因?yàn)榫彌_器的寫時(shí)鐘頻率總是低于或等于讀時(shí)鐘頻率。

圖5：?jiǎn)翁炀€中OFDM調(diào)制解調(diào)的FFT核共享。

在當(dāng)前的數(shù)據(jù)包以低時(shí)鐘速率被寫入緩沖器的時(shí)候，上一個(gè)包中的數(shù)據(jù)以高時(shí)鐘率被讀出。當(dāng)讀寫操作在同一存儲(chǔ)位置時(shí)，需要配置雙端口RAM來(lái)輸出舊存儲(chǔ)內(nèi)容。FFT處理后，高速率數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)雙端RAM后被還原到OFDM的發(fā)送速率。這個(gè)post-FFT存儲(chǔ)緩沖器也作為一個(gè)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(gè)雙緩沖器，即當(dāng)一個(gè)FFT包被寫入緩沖器時(shí)，上一個(gè)包中的數(shù)據(jù)從另一個(gè)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(wú)線系統(tǒng)中的強(qiáng)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(jìn)行OFDM調(diào)制的一個(gè)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(shí)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(dāng)結(jié)合MIMO、TDD和FDD時(shí)，同一個(gè)FFT核能在兩維上被共享，代價(jià)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(shí)鐘頻率的差異，每根天線的post-FFT數(shù)據(jù)處理需要一個(gè)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。

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