无线通讯OFDM调制技术原理简介

无线通讯OFDM调制技术原理简介

OFDM是现代宽带无线通信系统应用的技术。为了减少高数据率OFDM系统中各信道间影响带来的失真，引入循环前缀(CP)来消除码间干扰(ISI)。它将一个IFFT包的最后部分复制到OFDM符号序列的前端。注意，CP的长度必须长于色散信道的长度以彻底消除ISI。在发射器中，OFDM调制包括快速傅立叶逆变换(IFFT)运算和CP的插入。而在OFDM接收器中，CP在数据包送往FFT解调前被移除。新一代的无线系统以高动态配置为标志，其中CP的长度随着传输模式，帧结构(见图1、2)以及更高级的协议而改变。例如，3GPP LTE中的CP配置每一个时隙都不同。CP的长度基于具有2048时间间隔的OFDM符号。WiMAX系统中可以有几种相似而不同的CP结构。

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通讯，是设计OFDM系统时的一个很好选择。

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接口(Avalon-ST)的高效实现方案。IFFT输出的位反转信号按次序被写入一个单缓冲器，在那里，来自上一个OFDM符号的自然顺序的样本通过双端口RAM同时被读出。产生循环前缀时，通过Avalon-ST背压流量控制使FFT核停转。附加了循环前缀的连续OFDM符号再被送到数字上变频器(DUC)来传输。

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。