文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.170967
中文引用格式： 譚凱，彭端. 基于FPGA的自適應(yīng)MIMO-OFDM無線基帶傳輸系統(tǒng)的研究[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2017，43(10)：44-46，51.
英文引用格式： Tan Kai，Peng Duan. Research of adaptive MIMO-OFDM wireless baseband transmission system based on FPGA[J].Application of Electronic Technique，2017，43(10)：44-46，51.
0 引言
OFDM(Orthogonal Frequency-Division Multiplexing)技術(shù)由于其頻譜利用率高和抗頻率選擇性衰落的優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為無線通信系統(tǒng)中最受歡迎的調(diào)制技術(shù)。多輸入多輸出(Multi Input Multi Output，MIMO)技術(shù)采用多根天線實(shí)現(xiàn)信號(hào)在空域和時(shí)域的多重復(fù)用，在不增加帶寬和天線發(fā)送功率的情況下，可以成倍地提高頻譜利用率，還能在一定程度上對抗多徑衰落?；谝陨线@些優(yōu)點(diǎn)，MIMO技術(shù)已成為進(jìn)一步提升OFDM系統(tǒng)性能的關(guān)鍵技術(shù)。目前，MIMO-OFDM技術(shù)已廣泛運(yùn)用到高速無線通信系統(tǒng)中，比如：LTE、WLAN、WiMAX、微波通信以及未來的5G通信等[1]。
自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)利用無線鏈路的反饋息，動(dòng)態(tài)地對發(fā)射功率、編碼方式、調(diào)制階數(shù)、載波分配等進(jìn)行調(diào)整，使系統(tǒng)在適應(yīng)時(shí)變信道的同時(shí)，盡可能地優(yōu)化吞吐量、誤比特率和發(fā)射功率[2]。將自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)應(yīng)用于MIMO-OFDM系統(tǒng)中，可以優(yōu)化系統(tǒng)的資源分配，進(jìn)一步提升系統(tǒng)的性能，具有很好的應(yīng)用前景[3]。
FPGA具有開發(fā)周期短、可并行處理、設(shè)計(jì)靈活、低成本等優(yōu)點(diǎn)，用FPGA來驗(yàn)證和實(shí)現(xiàn)，是一種很好的開發(fā)無線通信系統(tǒng)的方法。
本文設(shè)計(jì)了一個(gè)自適應(yīng)MIMO-OFDM無線基帶傳輸系統(tǒng)，介紹了系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，并對其中的自適應(yīng)數(shù)字調(diào)制、STBC編碼和FFT/IFFT模塊進(jìn)行了FPGA設(shè)計(jì)和仿真，分析了仿真結(jié)果。
1 系統(tǒng)模型
一個(gè)基本的自適應(yīng)MIMO-OFDM無線基帶傳輸系統(tǒng)如圖1所示。信源經(jīng)過信道編碼和交織后被送入數(shù)字調(diào)制模塊，此模塊根據(jù)接收端反饋回的信道信息選擇合適的調(diào)制方案。被調(diào)制的信號(hào)送入STBC編碼模塊，經(jīng)過Alamouti空時(shí)編碼后生成兩路正交的碼流，再經(jīng)過串并轉(zhuǎn)換后進(jìn)入IFFT模塊進(jìn)行OFDM調(diào)制。解調(diào)端的處理是調(diào)制的逆過程，需要注意的是在解調(diào)端需要引入信道估計(jì)模塊，用于采集信道信息以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的同步和發(fā)射端的自適應(yīng)調(diào)制。
2 FPGA設(shè)計(jì)
2.1 自適應(yīng)數(shù)字調(diào)制模塊
本文采用信噪比參數(shù)來衡量信道信息，不同的信噪比取值對應(yīng)于不同的調(diào)制方式。利用信噪比作為參數(shù)來配置自適應(yīng)調(diào)制的關(guān)鍵在于確定好每種調(diào)制編碼模式的判決門限。這就需要通過大量的實(shí)驗(yàn)測量在不同信噪比條件下，選擇何種調(diào)制編碼模式能使系統(tǒng)的性能達(dá)到最優(yōu)，以找到不同的參數(shù)與調(diào)制編碼模式的映射關(guān)系。信噪比與調(diào)制方式的映射關(guān)系如表1所示。
自適應(yīng)調(diào)制頂層模塊接收到對應(yīng)的SNR參數(shù)后，根據(jù)表1的映射規(guī)則，選擇對應(yīng)的調(diào)制子模塊，使其使能端有效以啟動(dòng)此模塊。隨后，將子模塊的數(shù)據(jù)輸入端口連接到頂層模塊的信號(hào)輸入接口，以使外部信源數(shù)據(jù)輸入到子模塊，實(shí)現(xiàn)對應(yīng)的調(diào)制處理。其實(shí)現(xiàn)框圖如圖2所示。
2.2 STBC編碼模塊
STBC編碼模塊接收到來自上一個(gè)模塊的數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)兩個(gè)一組保存下來。Alamouti編碼模塊經(jīng)過相應(yīng)的邏輯處理生成兩個(gè)數(shù)據(jù)的共軛形式，再將原數(shù)據(jù)和其共軛形式一起保存到下一級寄存器，最后分成兩路數(shù)據(jù)輸出。其設(shè)計(jì)原理如圖3所示。
2.3 FFT/IFFT模塊
本文采用基4-FFT/IFFT算法來實(shí)現(xiàn)64點(diǎn)OFDM調(diào)制解調(diào)。常見的的FFT實(shí)現(xiàn)方法有流水線和并行陣列方法。此兩種方法各自有其優(yōu)缺點(diǎn)。流水線以犧牲時(shí)間來換取邏輯資源花費(fèi)的減少，這種方法占用的邏輯資源少，但是延時(shí)很高。并行陣列方法每一級之間也是采用流水線的設(shè)計(jì)思想，只不過每一級采用多個(gè)蝶形并行運(yùn)算，只消耗一個(gè)蝶形運(yùn)算時(shí)間，這樣就極大地節(jié)省了運(yùn)算時(shí)間，減少了延時(shí)，但是會(huì)消耗大量的邏輯資源。本文采用這兩種方法折中的方法——并行復(fù)用法。64點(diǎn)基4-FFT以4點(diǎn)蝶形運(yùn)算為基本單元，如圖4所示。
輸入數(shù)據(jù)按二進(jìn)制倒位序4點(diǎn)為一組，送入蝶形單元。值得注意的是，圖中的乘以-j只需要交換實(shí)部和虛部后，再取虛部的相反數(shù)即可實(shí)現(xiàn)。因此以上蝶形單元不需要使用乘法器，這就節(jié)省了邏輯資源的使用。輸出的數(shù)據(jù)是倒位序，需要經(jīng)過整序以輸出正常排序的數(shù)據(jù)。64點(diǎn)的FFT需要log464=3級運(yùn)算，每一級需要64/4=16次蝶形運(yùn)算。本文的設(shè)計(jì)總共包含16個(gè)蝶形運(yùn)算單元，每一級處理數(shù)據(jù)時(shí)，同時(shí)啟動(dòng)16個(gè)蝶形單元并行運(yùn)算，這樣完成整級的運(yùn)算就只需要1個(gè)蝶形運(yùn)算時(shí)間單元。除了最后一級的運(yùn)算，其余每級運(yùn)算的輸出都要乘以相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)因子。因此在設(shè)計(jì)之初，可以將所有會(huì)用到的旋轉(zhuǎn)因子事先保存下來。圖5為FFT模塊的基本架構(gòu)。
串/并模塊由一個(gè)深度為64的RAM實(shí)現(xiàn)，將輸入數(shù)據(jù)經(jīng)過倒序后4個(gè)一組并行輸出。每一組數(shù)據(jù)輸入到蝶形運(yùn)算模塊中對應(yīng)的蝶形單元，模塊的16個(gè)蝶形運(yùn)算單元接收到數(shù)據(jù)后同時(shí)啟動(dòng)蝶形運(yùn)算，只需要一個(gè)運(yùn)算時(shí)間單元就能完成一級運(yùn)算。每一級的輸出受控制模塊控制，如果為最后一級，則不需要乘以旋轉(zhuǎn)因子，經(jīng)過整序后就可以直接輸出。如果不是最后一級的輸出，那輸出后的數(shù)據(jù)還要乘上對應(yīng)的旋轉(zhuǎn)因子，然后經(jīng)過相應(yīng)的整序后，輸出數(shù)據(jù)被重新送到蝶形運(yùn)算單元作為輸入執(zhí)行下一級的運(yùn)算。直到最后一級的運(yùn)算完成并輸出后，蝶形運(yùn)算單元才會(huì)等待下一組64點(diǎn)數(shù)據(jù)的到來，接收并作為新的輸入，執(zhí)行新一輪運(yùn)算。模塊每一級的運(yùn)算重復(fù)利用這16個(gè)碟形運(yùn)算單元，實(shí)現(xiàn)了并行復(fù)用的思想。運(yùn)算全程受控制模塊控制，采用狀態(tài)機(jī)控制每一級的運(yùn)行狀態(tài)，狀態(tài)圖如圖6所示。
3 仿真測試
本次設(shè)計(jì)采用Xilinx全新的FPGA開發(fā)軟件Vivado作為開發(fā)工具，硬件描述語言使用Verilog語言。為了便于時(shí)序控制，設(shè)計(jì)采用同步時(shí)序邏輯，系統(tǒng)時(shí)鐘設(shè)置為50 MHz。仿真工具采用Vivado集成的仿真工具。
3.1 自適應(yīng)數(shù)字調(diào)制
設(shè)置不同的參數(shù)，自適應(yīng)調(diào)制能實(shí)現(xiàn)階數(shù)不同的調(diào)制。圖7~圖8分別展示了16QAM、64QAM的調(diào)制結(jié)果。
圖中的IM_RE和DM_IM分別表示I、Q兩路信號(hào)，用帶符號(hào)8位二進(jìn)制數(shù)表示，保留6位小數(shù)，圖中以十進(jìn)制顯示。DM_INDEX表示數(shù)據(jù)的序號(hào)。
3.2 STBC編碼
圖9展示了16QAM調(diào)制信號(hào)經(jīng)STBC編碼后的仿真結(jié)果。
圖中RE_OUT0、IM_OUT0和RE_OUT1、IM_OUT1分別表示經(jīng)過STBC編碼后的兩路相互正交的信號(hào)，STBC_ORDER表示數(shù)據(jù)序號(hào)。
3.3 FFT/IFFT
IFFT的運(yùn)算結(jié)構(gòu)和FFT相同，只需將數(shù)據(jù)做簡單的共軛處理，就可以利用FFT的運(yùn)算模塊計(jì)算IFFT。數(shù)據(jù)經(jīng)過STBC編碼處理后，再做IFFT變換以實(shí)現(xiàn)OFDM調(diào)制。FFT實(shí)現(xiàn)了IFFT解調(diào)，因此輸出數(shù)據(jù)因等于STBC編碼的輸出。圖10～圖11分別展示了IFFT、FFT的仿真結(jié)果。
通過對比圖11和圖9可以看出，圖11的仿真結(jié)果并不完全等于圖9，這是由于系統(tǒng)采用的是二進(jìn)制定點(diǎn)數(shù)運(yùn)算，存在誤差。不過從圖中可以看出，誤差在可接受的范圍內(nèi)。因此，可以認(rèn)為FFT/IFFT模塊正確地實(shí)現(xiàn)了調(diào)制和解調(diào)。
該系統(tǒng)采用Vivado集成的綜合工具綜合和布局布線，在Xilinx ZYNQ7020上實(shí)現(xiàn)，其資源消耗情況如表2所示。
4 結(jié)語
本文針對自適應(yīng)MIMO-OFDM無線基帶傳輸系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，研究了基帶傳輸系統(tǒng)的FPGA實(shí)現(xiàn)，并對其中的自適應(yīng)數(shù)字調(diào)制、STBC編碼和FFT/IFFT模塊進(jìn)行了FPGA設(shè)計(jì)與仿真。針對FFT/IFFT模塊的設(shè)計(jì)，在延時(shí)和邏輯資源占有上折中，提出了一種并行復(fù)用方法，結(jié)合基4FFT/IFFT算法來實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)。仿真結(jié)果表明，自適應(yīng)數(shù)字調(diào)制能動(dòng)態(tài)地調(diào)整調(diào)制方式，STBC編碼實(shí)現(xiàn)了信號(hào)的分集，提高了信號(hào)的可靠性。FFT/IFFT模塊能正確實(shí)現(xiàn)OFDM調(diào)制和解調(diào)，并在延時(shí)和邏輯占有率上取得了平衡，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。
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作者信息：
譚 凱1，彭 端2
（1.廣東工業(yè)大學(xué) 信息工程學(xué)院，廣東 廣州510006；2.廣東工業(yè)大學(xué) 實(shí)驗(yàn)教學(xué)部，廣東 廣州510006）