无线通讯OFDM调制技术介绍和设计实现.

无线通讯OFDM调制技术介绍和设计实现

OFDM是现代宽带

图1：3GPP LTE下的帧结构1，可用于TDD、FDD系统。

图2：3GPP LTE下的帧结构2，可用于TDD系统。

OFDM调制的实现

下面将讨论如何实现OFDM调制及解调中循环前缀的插入与消除。

FFT与FFT反变换：在OFDM调制中最关键的运算就是IFFT，相类似，OFDM解调的核心为FFT。宽带系统中的高FFT吞吐率是至关重要的，尤其是在FFT被多路数据通道共享时。

在WiMAX以及3GPP LTE这类现代可扩展无线系统中，在运行中可重新配置的能力同样成为系统要求的一个重要指标。可变流模式下的FFT MegaCore函数瞄准的是可重新配置的无线

FFT的MegaCore函数被设定为可变流模式，它允许FFT的大小和方向逐包改变。它还采用了存储效率模式——这是FFT核的唯一模式，直接从FFT的蝶形引擎中输出位反转符号。可以在FFT核之外结合带有循环前缀插入的位反转。这样，整个OFDM调制可以节省出一个单缓冲器。

FFT模块复用：为了减少逻辑门数，FFT模块通常采用比其他基带模块更快的时钟频率并复用。FFT模块可以被不同的源共享，譬如，多路天线、时分双工(TDD)复用中的发射与接收，以及频分双工(FDD)系统。FFT模块也可以与其他功能模块共享，如振幅因数减小或信道估计模块。不过，这些复用取决于用户特定的算法，而非通用设计。这篇文章将集中讨论最常见的无线通讯系统应用：如MIMO技术、TDD和FDD通信。

TDD操作：在TDD基站中，发送和接收发生在不重叠的时隙中。FFT模块可以很容易地在采用合适的信号多路复用技术的发射机和接收机之间共享。图3显示一个典型的单一天线TDD OFDM调制器。

图3：单天线TDD系统中OFDM调制解调的共享。

在发射数据通道中，基带数据被直接送入IFFT模块。为在IFFT运算后插入CP 并进行位反转操作，可以采用很多种不同的结构。图4为一个使用Altera Avalon Streaming

图4：带背压的循环前缀插入的高效存储实现方案。

而在接收通道中，经过数字下变频器(DDC)后，循环前缀从OFDM符号中被移除。如图3示，循环移除模块找到OFDM符号序列的正确起始位置然后把数据送向FFT解调。FFT模块后的单缓冲器只能作为接收通道中的位反转缓冲器而没有背压流量控制。为了重复利用控制单元，图3中CP的插入和移除模块能够区分数据包是否用来发射还是接收，并采取相应操作。在这种存储器高效率执行中，FFT核工作频率为符号速率。一个单缓冲器足以完成循环前缀的插入和位反转。

FDD操作：在FDD中，发送和接收是同时进行的。FFT核的共享要求其工作频率不低于基带符号传输速率的两倍。发射和接收数据通道各需要一个专用数据缓存。

图5描述的是FDD系统下FFT复用的一种可能配置。数据发送和接收通道的操作类似于TDD系统，其区别在于这些操作是同时进行的。因此，pre-FFT数据必须被缓存且把频率提高到快时钟频率。用一个单缓冲器就足以改变速率，因为缓冲器的写时钟频率总是低于或等于读时钟频率。

图5：单天线中OFDM调制解调的FFT核共享。

在当前的数据包以低时钟速率被写入缓冲器的时候，上一个包中的数据以高时钟率被读出。当读写操作在同一存储位置时，需要配置双端口RAM来输出旧存储内容。FFT处理后，高速率数据经过双端RAM后被还原到OFDM的发送速率。这个post-FFT存储缓冲器也作为一个位反转缓冲器。由于速率从高到低的改变，如果需要连续码流输出，就需要一个双缓冲器，即当一个FFT包被写入缓冲器时，上一个包中的数据从另一个缓冲器被读出。

MIMO结构设置

多天线结构是现代无线系统中的强制性需求，这些系统包括WLAN，WiMAX和

3GPP LTE系统。在多输入输出(MIMO)系统中进行OFDM调制的一个很直接的操作就是复制数据通道，包括用于每一根天线的FFT核。

一种资源更友好的解决方案是共享每条天线的FFT核。为实现MIMO中的FFT复用，FFT核的频率至少要比基带数据传输速率快n倍，这里的n为天线的根

数。当结合MIMO、TDD和FDD时，同一个FFT核能在两维上被共享，代价是需要pre-FFT数据缓冲。

图6描述的是TDD模式下一种双天线MIMO发射器的基本配置。FFT核被两条天线以及发送和接收器复用。循环前缀的插入和移除控制单元必须能够用于发射和接收。由于时钟频率的差异，每根天线的post-FFT数据处理需要一个双缓冲器。

图6：双天线MIMO TDD系统中OFDM调制解调的FFT核共享。

OFDM调制实例

下面的OFDM调制和解调在Altera Stratix III

功能描述：这个设计实例包含两部分：OFDM调制和OFDM解调。前者包含IFFT 和循环前缀的位反转插入，后者包含循环前缀的移除模块和改变数据速率的缓冲器。图7为这两者的高级集成。你可以把它看作是图3中的单天线TDD系统的一种扩展。附加的pre-FFT缓冲器使设计更容易地扩展到具有FFT复用的MIMO或FDD系统。

图7：OFDM调制解调设计架构举例。

Post-FFT处理：OFDM调制过程中的CP插入包含4个功能子模块：

1. 使用双时钟双端口RAM的双缓冲器

2. 位反转的存储写模块

3. 循环前缀插入的内存读取模块

4. 时钟同步模块

在发射数据通道中，位反转的IFFT输出数据在循环前缀插入模块被读入。一个控制单元分析数据地址并把它写入相应的存储单元。在一个完整的IFFT数据包被写入后，与循环前缀相应的最后几个样本以自然顺序读出。与此同时，如果有容量，来自下一个IFFT包的数据会被写入另一个缓冲器。如果两个缓冲器都有数据需要读取，会有一个延迟信号经过Avalon Streaming接口背压送到IFFT核。经过OFDM调制后的数据通常是连续的。而其后的模块，如IF调制解调器和天线，不应该施加背压。

在接收数据通道中，post-FFT处理限制了位反转和速率改变。位反转的FFT输出数据会被写入到正确的内存地址，就像之前所做的一样。一旦一个完整的数