無線通訊OFDM調制技術原理簡介

OFDM是現代寬帶無線通信系統應用的技術。為了減少高數據率OFDM系統中各信道間影響帶來的失真，引入循環前綴(CP)來消除碼間干擾(ISI)。它將一個IFFT包的最后部分復制到OFDM符號序列的前端。注意，CP的長度必須長于色散信道的長度以徹底消除ISI。在發射器中，OFDM調制包括快速傅立葉逆變換(IFFT)運算和CP的插入。而在OFDM接收器中，CP在數據包送往FFT解調前被移除。新一代的無線系統以高動態配置為標志，其中CP的長度隨著傳輸模式，幀結構(見圖1、2)以及更高級的協議而改變。例如，3GPP LTE中的CP配置每一個時隙都不同。CP的長度基于具有2048時間間隔的OFDM符號。WiMAX系統中可以有幾種相似而不同的CP結構。

圖1：3GPP LTE下的幀結構1，可用于TDD、FDD系統。

圖2：3GPP LTE下的幀結構2，可用于TDD系統。

OFDM調制的實現

下面將討論如何實現OFDM調制及解調中循環前綴的插入與消除。

FFT與FFT反變換：在OFDM調制中最關鍵的運算就是IFFT，相類似，OFDM解調的核心為FFT。寬帶系統中的高FFT吞吐率是至關重要的，尤其是在FFT被多路數據通道共享時。

在WiMAX以及3GPP LTE這類現代可擴展無線系統中，在運行中可重新配置的能力同樣成為系統要求的一個重要指標。可變流模式下的FFT MegaCore函數瞄準的是可重新配置的無線通訊，是設計OFDM系統時的一個很好選擇。

FFT的MegaCore函數被設定為可變流模式，它允許FFT的大小和方向逐包改變。它還采用了存儲效率模式——這是FFT核的唯一模式，直接從FFT的蝶形引擎中輸出位反轉符號。可以在FFT核之外結合帶有循環前綴插入的位反轉。這樣，整個OFDM調制可以節省出一個單緩沖器。

FFT模塊復用：為了減少邏輯門數，FFT模塊通常采用比其他基帶模塊更快的時鐘頻率并復用。FFT模塊可以被不同的源共享，譬如，多路天線、時分雙工(TDD)復用中的發射與接收，以及頻分雙工(FDD)系統。FFT模塊也可以與其他功能模塊共享，如振幅因數減小或信道估計模塊。不過，這些復用取決于用戶特定的算法，而非通用設計。這篇文章將集中討論最常見的無線通訊系統應用：如MIMO技術、TDD和FDD通信。

TDD操作：在TDD基站中，發送和接收發生在不重疊的時隙中。FFT模塊可以很容易地在采用合適的信號多路復用技術的發射機和接收機之間共享。圖3顯示一個典型的單一天線TDD OFDM調制器。

圖3：單天線TDD系統中OFDM調制解調的共享。

在發射數據通道中，基帶數據被直接送入IFFT模塊。為在IFFT運算后插入CP并進行位反轉操作，可以采用很多種不同的結構。圖4為一個使用Altera Avalon Streaming接口(Avalon-ST)的高效實現方案。IFFT輸出的位反轉信號按次序被寫入一個單緩沖器，在那里，來自上一個OFDM符號的自然順序的樣本通過雙端口RAM同時被讀出。產生循環前綴時，通過Avalon-ST背壓流量控制使FFT核停轉。附加了循環前綴的連續OFDM符號再被送到數字上變頻器(DUC)來傳輸。

圖4：帶背壓的循環前綴插入的高效存儲實現方案。

而在接收通道中，經過數字下變頻器(DDC)后，循環前綴從OFDM符號中被移除。如圖3示，循環移除模塊找到OFDM符號序列的正確起始位置然后把數據送向FFT解調。FFT模塊后的單緩沖器只能作為接收通道中的位反轉緩沖器而沒有背壓流量控制。為了重復利用控制單元，圖3中CP的插入和移除模塊能夠區分數據包是否用來發射還是接收，并采取相應操作。在這種存儲器高效率執行中，FFT核工作頻率為符號速率。一個單緩沖器足以完成循環前綴的插入和位反轉。

FDD操作：在FDD中，發送和接收是同時進行的。FFT核的共享要求其工作頻率不低于基帶符號傳輸速率的兩倍。發射和接收數據通道各需要一個專用數據緩存。

圖5描述的是FDD系統下FFT復用的一種可能配置。數據發送和接收通道的操作類似于TDD系統，其區別在于這些操作是同時進行的。因此，pre-FFT數據必須被緩存且把頻率提高到快時鐘頻率。用一個單緩沖器就足以改變速率，因為緩沖器的寫時鐘頻率總是低于或等于讀時鐘頻率。

圖5：單天線中OFDM調制解調的FFT核共享。

在當前的數據包以低時鐘速率被寫入緩沖器的時候，上一個包中的數據以高時鐘率被讀出。當讀寫操作在同一存儲位置時，需要配置雙端口RAM來輸出舊存儲內容。FFT處理后，高速率數據經過雙端RAM后被還原到OFDM的發送速率。這個post-FFT存儲緩沖器也作為一個位反轉緩沖器。由于速率從高到低的改變，如果需要連續碼流輸出，就需要一個雙緩沖器，即當一個FFT包被寫入緩沖器時，上一個包中的數據從另一個緩沖器被讀出。