用于OFDM調(diào)制解調(diào)模塊的設(shè)計與實現(xiàn)

0 引言

　　隨著技術(shù)和器件水平的發(fā)展以及對高速和可靠傳輸?shù)囊螅?a class="contentlabel" href="http://www.ex-cimer.com/news/listbylabel/label/OFDM">OFDM技術(shù)應(yīng)用越來越廣泛，由于其具有高速數(shù)據(jù)傳輸能力、高效的頻譜利用率和抗多徑干擾等能力，成為通信的研究熱點之一。在OFDM通信系統(tǒng)中，為實現(xiàn)高效信息的傳輸，可以采用多進制數(shù)字調(diào)制方式來傳輸數(shù)據(jù)符號。本文設(shè)計了一個用于OFDM通信系統(tǒng)的通用調(diào)制解詞模塊，采用了BPSK、QPSK、16QAM和64QAM四種調(diào)制方法，利掰共用ROM、共廂減法器等器件的方法，減少了電路規(guī)模和硬件資源消耗。此電路具有能夠通過消息反饋機制來自動調(diào)整調(diào)制方法的能力。

1 調(diào)制／解調(diào)子模塊結(jié)構(gòu)

　　通用調(diào)制解調(diào)模塊原理如圖1所示。其中，選擇子模塊用來選擇調(diào)制子模塊和解調(diào)子模塊采用的調(diào)制方法。子模塊通過判別輸出數(shù)據(jù)的誤碼率來返回信息給選擇子模塊，如果當(dāng)前采用的調(diào)制方法的瀑碼率較高，那么選擇子模塊就會自動調(diào)整采用其他的調(diào)制方法，達到采用最佳調(diào)制方法。

　　在通用調(diào)制解調(diào)模塊中，最主要的模塊就是調(diào)制子模塊和解調(diào)子模塊。下面介紹這兩個子模塊的設(shè)計和實現(xiàn)。

2設(shè)計分析

　　在調(diào)制子模塊和解調(diào)子模塊的實現(xiàn)中，采用了四種調(diào)制方式：BPSK、QPSK、16QAM和64QAM。

2.1調(diào)制方式分析

　　如圖2所示，BPSK在實際實現(xiàn)時，將0映射為1，將1映射為-1，來完成映射。解調(diào)時，將數(shù)據(jù)進行一下逆轉(zhuǎn)換即可。而QPSK具有4個星座位置，QPSK的映射為：00對應(yīng)-1-li；01對應(yīng)-1+li；10對應(yīng)1-li；11對應(yīng)1+li；并乘以歸一化因子。解調(diào)時，只要進行相反的過程，并將0作為裁決電平，即可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的解調(diào)恢復(fù)。

　　16QAM由星座分布形狀可以分為方形16QAM和非方形16QAM，方形16QAM的星座圖如圖2(c)。根據(jù)星座圖實現(xiàn)時，將00映射為-1，01映射為-1／3，10映射為1，11映射為1／3；解調(diào)時，采用的是硬判決的方法，根據(jù)星座點的位置將空間劃分為16個區(qū)域，每個區(qū)域以星座點為中心，在判定時，落人某個區(qū)域的數(shù)就認為是相應(yīng)星座。64QAM調(diào)制方式與16QAM相似，不過星座點更多，效率也更高，實現(xiàn)中的映射表也更大，同樣，解調(diào)時也采用硬判決。

　　實際中，BPSK是一種較為簡單的MPSK，采用了一個ROM存儲映射表，而QPSK由于采用4進制PSK調(diào)制，每種相位信號可表示兩位二進制信息，其編碼效率提高一倍，64QAM由于星座點較多，進行判決的次數(shù)也相應(yīng)較多。

2.2電路優(yōu)化策略

　　一般調(diào)制解調(diào)模塊設(shè)計中，分別設(shè)計和實現(xiàn)各種調(diào)制方式，然后用一個選擇器來進行選擇。但在各種調(diào)制方式的設(shè)計實現(xiàn)中，電路中許多器件都可以共用，將四種調(diào)制方式進行整合，達到電路優(yōu)化設(shè)計是重點考慮的內(nèi)容。具體優(yōu)化設(shè)計策略如下：

(1)整合ROM

　　在調(diào)制子模塊中，根據(jù)四種調(diào)制方式調(diào)制的映射表分析，BPSK和QPSK以及16QAM的映射表都不是很大，可以與64QAM的映射表進行整合，通過對映射表進行適當(dāng)安排，合理的選擇機制，可以實現(xiàn)一個ROM的調(diào)制子模塊，改變以往需要四個ROM分別實現(xiàn)四種調(diào)制的方式。

(2)整合寄存器、減法器和選擇器

　　BPSK和QPSK的解調(diào)較簡單，星座點較少，因此判決最后可以轉(zhuǎn)換成映射關(guān)系。而16QAM和64QAM星座點較多，硬判決的區(qū)域判決需要一系列計算得出。實際判斷時，將數(shù)據(jù)分為實部和虛部，分別進行判決。將實部(虛部)數(shù)據(jù)取模，然后和某星座點模值相減，將相減結(jié)果再取模與閾值相減進行比較，來判斷是否屬于該星座點。所以，16QAM和64QAM解調(diào)制時，可考慮共用進行數(shù)據(jù)運算所需的寄存器、數(shù)據(jù)選擇器、減法器等器件。

3模塊設(shè)計

　　由電路優(yōu)化設(shè)計思想，調(diào)制子模塊采用一個ROM來實現(xiàn)。調(diào)制子模塊主要組成部分是存儲映射表的ROM以及對ROM進行操作的控制器，其中控制器根據(jù)選擇的調(diào)制方式和輸入的數(shù)據(jù)對ROM進行操作。

3.1 ROM中映射表編制

　　如圖3所示，設(shè)計了一個調(diào)制控制來選擇ROM中的映射關(guān)系。基本思想是將四個ROM中的映射表整合到一個ROM中進行存儲。但是不能將四張映射表簡單的進行拼接，使得映射表的選擇變得復(fù)雜，導(dǎo)致ROM的控制器變得龐大。

　　在編制映射表時，考慮到64QAM有64個映射關(guān)系，需要6位地址線的存儲空間，而16QAM有16個映射關(guān)系，需要4位地址線的存儲空間，因此，采用了將ROM的前64位置分配給64QAM，其后的16位置分配給160AM方法。由于BPSK、QPSK的映射表可以蘊含在64QAM的映射表中，這樣只需要在第七位地址線對64QAM和16QAM進行區(qū)分，這使得ROM控制器易于設(shè)計。

 

3.2 ROM控制器設(shè)計

　　在ROM控制器中，根據(jù)ROM中映射表的安排，第七位地址線為0時對應(yīng)于64QAM調(diào)制，地址線的前六位對應(yīng)于輸入數(shù)據(jù)；第七位地址線為1時對應(yīng)于16QAM調(diào)制，地址線的前四位對應(yīng)于輸入數(shù)據(jù)。這樣，根據(jù)前級輸出中輸入的調(diào)制方式和輸入的數(shù)據(jù)，模塊控制器就能產(chǎn)生一個7位的地址線，對ROM進行操作。在實際中把地址線的前三位對應(yīng)于輸入數(shù)據(jù)的data_in(0)，4-6位對應(yīng)輸入數(shù)據(jù)的data_in(1)，即根據(jù)前級輸出和數(shù)據(jù)輸入來指定調(diào)制方式和輸入數(shù)據(jù)對應(yīng)的映射表，完成對ROM的控制。

3.3子模塊實現(xiàn)

　　解調(diào)制采用硬判決的方法，根據(jù)星座點位置將空間進行劃分，把落入相應(yīng)空間的數(shù)對應(yīng)到相應(yīng)星座。根據(jù)數(shù)據(jù)與星座點之間的距離來判斷，在距離小于閾值時，認為相應(yīng)的數(shù)落入此星座空間。

　　由于數(shù)據(jù)可分為實部和虛部，判決可以分別進行，步驟相同。如對64QAM，實現(xiàn)如圖4所示，包括以下步驟：(1)由判決模塊1實現(xiàn)對實部取模；(2)子電路1將取模后的數(shù)據(jù)與各星座點數(shù)據(jù)的實部模相減；(3)判決模塊2將結(jié)果再次取模；(4)最后子電路2把取模后的數(shù)據(jù)與預(yù)設(shè)閾值相減，如結(jié)果為負，則判定落入此區(qū)間。同理可進行虛部判決，最后看實部和虛部確定的區(qū)間是否有重疊區(qū)域，就能確定歸屬的星座點。

 
　　對不同的星座點，16QAM與64QAM在判決過程中，子電路中的預(yù)設(shè)數(shù)據(jù)不同，因此，子電路1和子電路2不能共用，而判決模塊1和判決模塊2可以共用。傳輸?shù)臄?shù)據(jù)中，負數(shù)用補碼表示，用選擇器進行選擇，對負數(shù)和正數(shù)分別進行取模。判決模塊在16QAM和64QAM解調(diào)時可共用。
3.4調(diào)制方式選擇

　　調(diào)制方式選擇模塊中對應(yīng)四種調(diào)制方式分別設(shè)置為：00對應(yīng)BPSK方式；01對應(yīng)QPSK方式；10對應(yīng)16QAM方式；11對應(yīng)64QAM方式。

　　實際中，不同調(diào)制方式有各自的最佳工作區(qū)域，如64QAM適用于高發(fā)送速率的調(diào)制，在信噪比很低時，接收端的誤碼率會很高，因此需要自動調(diào)整調(diào)制方式以獲得最佳傳輸效果。解決辦法是當(dāng)接收端誤碼率過高時，反饋信號給調(diào)制方式選擇子模塊，根據(jù)預(yù)設(shè)的順序，更改調(diào)制方式，直到降低誤碼率。

4實現(xiàn)與仿真

　　通用調(diào)制解調(diào)制模塊用Verilog HDL設(shè)計完成。選用ALTERA公司的CycloneII系列EP2C70F672C8器件，進行綜合、布局布線和時序分析。優(yōu)化后的調(diào)制解調(diào)模塊的資源消耗與通常實現(xiàn)這四種調(diào)制方式的調(diào)制解調(diào)模塊需要消耗的資源比較如表2。

 
　　可以看到各類模塊在不損失功能和性能的基礎(chǔ)上達到了節(jié)約資源的目的。模塊的最大工作頻率為136.54 MHz，符合OFDM系統(tǒng)中FFT的數(shù)據(jù)要求。邏輯元件減少了37％，存儲器位減少了70％以上，寄存器減少了40％，與傳統(tǒng)方式相比較，大大降低了系統(tǒng)對硬件的依賴性。
5 結(jié)論

　　對BPSK、QPSK、16QAM和64QAM調(diào)制方式的通用調(diào)制解調(diào)模塊的優(yōu)化設(shè)計，根據(jù)接收端誤碼率來自動調(diào)整所采取的調(diào)制方式，適當(dāng)排列映射表，選擇合理機制。用一個ROM調(diào)制子模塊實現(xiàn)四種調(diào)制方式。采用將數(shù)據(jù)分為實部和虛部分別進行判決，可將16QAM和64QAM解調(diào)制運算所用的寄存器、數(shù)據(jù)選擇器、減法器等器件進行整合。最后仿真實現(xiàn)結(jié)果說明，這種策略能達到在不損性能的前提下減少硬件資源需求目的。