一种OFDM发射接收系统的设计

　　介绍

　　OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）即正交频分复用技术，实际上OFDM是MCM Multi-CarrierModulation，多载波调制的一种。其主要思想是：将信道分成若干正交子信道，将高速数据信号转换成并行的低速子数据流，调制到在每个子信道上进行传输。正交信号可以通过在接收端采用相关技术来分开，这样可以减少子信道之间的相互干扰 ICI 。每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽，因此每个子信道上的可以看成平坦性衰落，从而可以消除符号间干扰。而且由于每个子信道的带宽仅仅是原信道带宽的一小部分，信道均衡变得相对容易。

　　OFDM系统简介

　　正交频分复用（OFDM，OrthogonalFrequency Division Multiplexing）是一种多载波调制：将要传送的数字信号分解成多个低速比特流，再用这些比特流去分别调制多个正交的载波。

　　本系统的主要功能是用前端的USB设备对声音信号进行采集、处理，调制到OFDM符号中，并上变频到射频信号发射。收端将接收到的射频信号进行下变频处理得到数字信号，并解出音频帧由USB设备播放。发端系统的基带数据处理部分主要包括信源编码、FEC、映射、OFDM成帧，硬件平台的处理部分包括数字上变频和射频调制等。接收系统的基带处理部分要主要包括同步、均衡、解映射、解FEC、音频译码等，硬件平台的处理部分包括射频解调和数字下变频。

　　OFDM系统硬件平台架构

　　OFDM系统硬件将较宽的频带分成若干较窄的子带（子载波）进行并行发送是朴素的实现宽带传输的方法。但是为了避免各子载波之间的干扰，不得不在相邻的子载波之间保留较大的间隔（如图（a）所示），这大大降低了频谱效率。因此，频谱效率更高的TDM/TDMA（时分复用/多址）和CDM/CDMA技术成为了无线通信的传输技术。如图1所示：

　　图1系统结构图

　　首先由发端的USB设备对输入的声音信号进行采样，样点送入NI主机，然后在发端的上层软件中编写OFDM基带处理等算法，生成的OFDM基带数据输出到PXI5671上变频到中心频率为10MHz的射频信号。PXI5671由两块可分离的板卡PXI5441和PXI5610组成，其中 PXI5441分为板卡RAM模块和OSP模块，板卡RAM模块负责主机和PXI板卡间的数据传递，OSP模块可对信号进行重采样滤波，数字上变频和DA转换等。PXI5610为射频板卡，经过两级混频放大滤波可将PXI5441输出的模拟IF信号调制到范围为250KHz-2.7GHz的射频信号。收端由 PXI5661对输入的射频信号进行解调，下变频到数字基带信号，并输出到NI主机上。PXI5661完成射频信号到中频信号的转换，PXI5142的两个模块OSP模块和板卡RAM模块，分别完成AD采样、数字下变频、重采样滤波和主机与PXI板卡数据传递等功能，由收端的软件上层算法解出音频信号输出给USB声卡播放。

　　无论收端还是发端系统，上层软件算法产生的数据和PXI板卡的数据交互需要由主机内存和板卡RAM来完成，其中DMA控制主机内存和板卡RAM间的数据传递，可达到1Gbytes/s的数据吞吐量。板卡RAM采用的是一种SMC（Synchronization and Memory Core）技术，该技术无须将指令和数据分开存储，存储单元的内容可按需随意取出或存入，且存取的速度与存储单元的位置无关的存储器。这种存储器在断电时将丢失其存储内容，故主要用于存储短时间使用的程序。 按照存储信息的不同，随机存储器又分为静态随机存储器（Static RAM,SRAM）和动态随机存储器（Dynamic RAM,DRAM）。

　　基带处理算法的设计与实现

　　基带处理算法的实现是基于LabWndows/CVI8.5的软件平台，它是一个交互式开发平台，集成了标准C的编译、链接、调试等，并且采用简单直观的用户界面设计，用户只需在函数面板上直接输入参数，就会以事件驱动回调函数的方式运行整个程序，并可以将数据以图形的形式在界面上显示，提高了整个工程的运行效率。图2为本系统发端和收端的应用界面。

　　图2 OFDM发、收系统界面

　　对于单线程系统，一般分为数据的采集模块、分析处理模块、显示存储模块。这三个模块在时间上是顺序执行的，即后一个模块需等待前一个模块数据的到来时才开始工作。然而本系统对实时性要求比较高，比如在收端，USB声卡的播放需要收端的音频译码模块在400ms内处理完一帧，才能及时提供给USB声卡样点连续地播放声音，这就需要音频译码模块前的所有基带处理部分需要在400ms内完成一个物理帧到音频帧的解调。同样在发端，USB声卡每秒采集19200个样点给音频编码模块进行编码，每400ms输出一音频编码帧，FEC、映射及OFDM成帧等模块也必须在400ms内处理完成，否则会出现丢帧和覆盖的现象。可以肯定，用单线程这种顺序化的执行方式效率很低，每个模块都要等待前一个模块的数据，对于实时性要求较高和复杂性较高的系统不适用。

　　本系统使用的是多线程技术，可以将处理模块拆分成多个线程，使多个线程并行运行，只要保证每个线程的运行时间小于音频处理模块，系统就会正常工作。其中发端算法用3个线程完成音频编码，FEC、映射、OFDM成帧等处理，并将OFDM数据写到板卡RAM中。收端算法用6个线程完成从板卡RAM中读取OFDM基带数据、同步、均衡、FFT、解映射、解FEC等处理，由音频译码模块将音频帧送给USB声卡进行播放。为了保证线程间数据传递有序进行，CVI还提供了事件通知、安全队列、线程优先级等函数，保证线程间的同步和数据的传递。本系统使用的是全局BUFFER和安全队列回调函数方式使两个线程间获得同步。即两个线程间共享一个BUFFER和安全队列，前一个线程将每次计算得到的数据写到BUFFER中，并产生一标志位FLAG，写入安全队列，后一线程捕捉到安全队列中的FLAG，判断是否满足回调函数的条件，满足则启动该线程，并将BUFFER中的数据读出，不满足则继续捕捉FLAG。通过对安全队列中FLAG的读写，控制线程启动的时间，使得两线程对数据的读写达到平衡。程序中控制流程如图3所示。图4为由PXI5671输出到频谱仪E4440A的OFDM频谱。

　　图3 线程控制流程图

　　图4 PXI5671输出的OFDM频谱

　　结论

　　本系统用LabWindows/CVI8.5软件完成OFDM的数字基带处理，在PXI硬件平台上完成射频信号的处理，有效地对OFDM系统进行验证。而搭建FPGA PCB平台完成OFDM Demo样机，首先在芯片的选型、制板上就需要大量的时间和人员，且具有一定的风险性；其次在软件代码开发方面，需要花大量的时间对FPGA代码进行仿真测试和集成，而且改动起来灵活性差。然而基于NI技术的OFDM系统的开发，由于在软件上仿真代码的可移植性，和上变频等硬件平台的实用性，减少了OFDM系统的开发周期，节约了开发成本和人员。