摘 要：本文研究了基于IEEE 802.16a 的OFDM基帶調(diào)制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)，提出了一種切實(shí)可行的IEEE 802.16a 的OFDM調(diào)制方式的FPGA實(shí)現(xiàn)方法與結(jié)構(gòu)，并介紹了IFFT運(yùn)算、QPSK映射和插入循環(huán)前綴的具體電路。最后給出了硬件性能分析。
關(guān)鍵詞：正交頻分復(fù)用；基帶調(diào)制系統(tǒng)；現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列；FFT/IFFT；IEEE 802.16a；循環(huán)前綴
一、引言
IEEE- SA（IEEE-Standards Association）為了使寬帶無(wú)線接入系統(tǒng)（Broadband Wireless Access，BWA）獲得更加長(zhǎng)足的發(fā)展，I制定了IEEE 802.16標(biāo)準(zhǔn)，并在2002年4月8日正式發(fā)布。EEE 802.16為WMAN定義了WirelessMANTM空中接口，即傳輸頻率10～66 GHz的單載波調(diào)制模式，視距（LOS）傳輸。2003年4月發(fā)布了IEEE 802.16標(biāo)準(zhǔn)的修正草案IEEE 802.16a，IEEE 802.16a標(biāo)準(zhǔn)把空中接口擴(kuò)展到2～11 GHz，支持非視距（NLOS）傳輸。
近年來(lái)由于VLSI和DSP技術(shù)的飛速發(fā)展，解決了OFDM實(shí)現(xiàn)的硬件條件，使OFDM技術(shù)得到廣泛的關(guān)注和應(yīng)用。OFDM通過(guò)串并轉(zhuǎn)換把高速串行數(shù)據(jù)流分散到N個(gè)正交子載波傳輸，具有很強(qiáng)的抗符號(hào)間干擾和頻率選擇性衰落，另外還采用插入循環(huán)前綴的方法來(lái)克服符號(hào)間干擾。因?yàn)镹個(gè)子載波是正交的，允許子載波頻譜相互混疊，所以O(shè)FDM還具有很高的頻譜利用率。正是這些優(yōu)異特性，OFDM被廣泛應(yīng)用在WLAN、WMAN、DAB、DVB-T中。
本文簡(jiǎn)要介紹OFDM的原理，重點(diǎn)介紹基于802.16a的OFDM的基帶發(fā)射系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)。
二、OFDM原理
OFDM是多載波調(diào)制（MCM）技術(shù)中頻譜效率最高的一種，非常適合在移動(dòng)通信環(huán)境中應(yīng)用。在N個(gè)子載波的OFDM中，子載波頻率為fk，間隔為1/T，則
設(shè)信號(hào)集Sk,0≤k＜N，則可得OFDM調(diào)制系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。
從圖中可得OFDM的信號(hào)表達(dá)式：
結(jié)果發(fā)現(xiàn)（4）式與IDFT形式雷同，所以O(shè)FDM的調(diào)制可以通過(guò)IDFT來(lái)實(shí)現(xiàn)，而且通過(guò)IDFT產(chǎn)生各個(gè)子載波是絕對(duì)同步和正交的，因此能夠大大降低設(shè)備的復(fù)雜度。
三、系統(tǒng)設(shè)計(jì)
IEEE 802.16a標(biāo)準(zhǔn)中建議采用256個(gè)子載波的OFDM技術(shù)，其中前28個(gè)和后27個(gè)作為保護(hù)帶子載波、中間一個(gè)是中心頻率點(diǎn)子載波和8個(gè)導(dǎo)頻子載波，共有64個(gè)子載波不傳輸數(shù)據(jù)，因此實(shí)際的數(shù)據(jù)子載波數(shù)為192個(gè)。
OFDM 每個(gè)數(shù)據(jù)幀的幀頭由preamble1和preamble2構(gòu)成，preamble1通過(guò)在64個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)每?jī)牲c(diǎn)之間插入3個(gè)0，然后經(jīng)過(guò)256點(diǎn)IFFT后，在變換域形成以64為周期重復(fù)4次的preamble1；preamble通過(guò)在128個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)每?jī)牲c(diǎn)之間插入1個(gè)0，然后經(jīng)過(guò)256點(diǎn)IFFT后，在變換域形成以128為周期重復(fù)2次的preamble2。具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。
整個(gè)基帶調(diào)制系統(tǒng)主要有星座圖映射及插入幀頭的數(shù)據(jù)處理、OFDM調(diào)制和插入循環(huán)前綴CP（Cyclic Prefix）組成，如圖3所示。
1.星座圖映射和幀頭插入模塊設(shè)計(jì)
IEEE 802.16a中建議采用3種星座圖映射方式：QPSK、16QAM和64QAM。下面介紹采用QPSK的星座圖的映射方式和實(shí)現(xiàn)，映射規(guī)則為 00→1+j,01→1-j,10→-1+j,11→-1-j。
串行數(shù)據(jù)流存放到緩沖區(qū)，可直接把FPGA芯片的片內(nèi)RAM作為緩沖區(qū)。我們把FPGA里的一塊RAM配為雙端口的RAM，實(shí)現(xiàn)串并轉(zhuǎn)換，寫(xiě)入端為1024*1，讀出端為512*2，寫(xiě)入時(shí)鐘為讀出時(shí)鐘的2倍，這樣正好不會(huì)有數(shù)據(jù)溢出，因?yàn)閹^有preamble1和preamble2構(gòu)成共有512個(gè)點(diǎn)，我們一開(kāi)始把preamble1和preamble2存在一個(gè)ROM中，在每個(gè)幀頭傳給IFFT模塊需要512個(gè)讀時(shí)鐘。一旦幀頭發(fā)送完后就進(jìn)行數(shù)據(jù)映射，根據(jù)QPSK映射規(guī)則映射，同時(shí)在導(dǎo)頻位置插入導(dǎo)頻和中心頻率點(diǎn)。
2.調(diào)制模塊設(shè)計(jì)
由于直接計(jì)算 N點(diǎn) DFT需要N2復(fù) 數(shù) 乘法和N(N-1)次復(fù)數(shù)加法，基2－FFT算法需要
