介紹

　　OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）即正交頻分復(fù)用技術(shù)，實(shí)際上OFDM是MCM Multi-CarrierModulation，多載波調(diào)制的一種。其主要思想是：將信道分成若干正交子信道，將高速數(shù)據(jù)信號(hào)轉(zhuǎn)換成并行的低速子數(shù)據(jù)流，調(diào)制到在每個(gè)子信道上進(jìn)行傳輸。正交信號(hào)可以通過(guò)在接收端采用相關(guān)技術(shù)來(lái)分開(kāi)，這樣可以減少子信道之間的相互干擾 ICI 。每個(gè)子信道上的信號(hào)帶寬小于信道的相關(guān)帶寬，因此每個(gè)子信道上的可以看成平坦性衰落，從而可以消除符號(hào)間干擾。而且由于每個(gè)子信道的帶寬僅僅是原信道帶寬的一小部分，信道均衡變得相對(duì)容易。

　　OFDM系統(tǒng)簡(jiǎn)介

　　正交頻分復(fù)用（OFDM，OrthogonalFrequency Division Multiplexing）是一種多載波調(diào)制：將要傳送的數(shù)字信號(hào)分解成多個(gè)低速比特流，再用這些比特流去分別調(diào)制多個(gè)正交的載波。

　　本系統(tǒng)的主要功能是用前端的USB設(shè)備對(duì)聲音信號(hào)進(jìn)行采集、處理，調(diào)制到OFDM符號(hào)中，并上變頻到射頻信號(hào)發(fā)射。收端將接收到的射頻信號(hào)進(jìn)行下變頻處理得到數(shù)字信號(hào)，并解出音頻幀由USB設(shè)備播放。發(fā)端系統(tǒng)的基帶數(shù)據(jù)處理部分主要包括信源編碼、FEC、映射、OFDM成幀，硬件平臺(tái)的處理部分包括數(shù)字上變頻和射頻調(diào)制等。接收系統(tǒng)的基帶處理部分要主要包括同步、均衡、解映射、解FEC、音頻譯碼等，硬件平臺(tái)的處理部分包括射頻解調(diào)和數(shù)字下變頻。

　　OFDM系統(tǒng)硬件平臺(tái)架構(gòu)

　　OFDM系統(tǒng)硬件將較寬的頻帶分成若干較窄的子帶（子載波）進(jìn)行并行發(fā)送是樸素的實(shí)現(xiàn)寬帶傳輸?shù)姆椒ā５菫榱吮苊飧髯虞d波之間的干擾，不得不在相鄰的子載波之間保留較大的間隔（如圖（a）所示），這大大降低了頻譜效率。因此，頻譜效率更高的TDM/TDMA（時(shí)分復(fù)用/多址）和CDM/CDMA技術(shù)成為了無(wú)線通信的傳輸技術(shù)。如圖1所示：

　　圖1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

　　首先由發(fā)端的USB設(shè)備對(duì)輸入的聲音信號(hào)進(jìn)行采樣，樣點(diǎn)送入NI主機(jī)，然后在發(fā)端的上層軟件中編寫OFDM基帶處理等算法，生成的OFDM基帶數(shù)據(jù)輸出到PXI5671上變頻到中心頻率為10MHz的射頻信號(hào)。PXI5671由兩塊可分離的板卡PXI5441和PXI5610組成，其中 PXI5441分為板卡RAM模塊和OSP模塊，板卡RAM模塊負(fù)責(zé)主機(jī)和PXI板卡間的數(shù)據(jù)傳遞，OSP模塊可對(duì)信號(hào)進(jìn)行重采樣濾波，數(shù)字上變頻和DA轉(zhuǎn)換等。PXI5610為射頻板卡，經(jīng)過(guò)兩級(jí)混頻放大濾波可將PXI5441輸出的模擬IF信號(hào)調(diào)制到范圍為250KHz-2.7GHz的射頻信號(hào)。收端由 PXI5661對(duì)輸入的射頻信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，下變頻到數(shù)字基帶信號(hào)，并輸出到NI主機(jī)上。PXI5661完成射頻信號(hào)到中頻信號(hào)的轉(zhuǎn)換，PXI5142的兩個(gè)模塊OSP模塊和板卡RAM模塊，分別完成AD采樣、數(shù)字下變頻、重采樣濾波和主機(jī)與PXI板卡數(shù)據(jù)傳遞等功能，由收端的軟件上層算法解出音頻信號(hào)輸出給USB聲卡播放。

　　無(wú)論收端還是發(fā)端系統(tǒng)，上層軟件算法產(chǎn)生的數(shù)據(jù)和PXI板卡的數(shù)據(jù)交互需要由主機(jī)內(nèi)存和板卡RAM來(lái)完成，其中DMA控制主機(jī)內(nèi)存和板卡RAM間的數(shù)據(jù)傳遞，可達(dá)到1Gbytes/s的數(shù)據(jù)吞吐量。板卡RAM采用的是一種SMC（Synchronization and Memory Core）技術(shù)，該技術(shù)無(wú)須將指令和數(shù)據(jù)分開(kāi)存儲(chǔ)，存儲(chǔ)單元的內(nèi)容可按需隨意取出或存入，且存取的速度與存儲(chǔ)單元的位置無(wú)關(guān)的存儲(chǔ)器。這種存儲(chǔ)器在斷電時(shí)將丟失其存儲(chǔ)內(nèi)容，故主要用于存儲(chǔ)短時(shí)間使用的程序。 按照存儲(chǔ)信息的不同，隨機(jī)存儲(chǔ)器又分為靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器（Static RAM,SRAM）和動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器（Dynamic RAM,DRAM）。

　　基帶處理算法的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　基帶處理算法的實(shí)現(xiàn)是基于LabWndows/CVI8.5的軟件平臺(tái)，它是一個(gè)交互式開(kāi)發(fā)平臺(tái)，集成了標(biāo)準(zhǔn)C的編譯、鏈接、調(diào)試等，并且采用簡(jiǎn)單直觀的用戶界面設(shè)計(jì)，用戶只需在函數(shù)面板上直接輸入?yún)?shù)，就會(huì)以事件驅(qū)動(dòng)回調(diào)函數(shù)的方式運(yùn)行整個(gè)程序，并可以將數(shù)據(jù)以圖形的形式在界面上顯示，提高了整個(gè)工程的運(yùn)行效率。圖2為本系統(tǒng)發(fā)端和收端的應(yīng)用界面。

　　圖2 OFDM發(fā)、收系統(tǒng)界面

　　對(duì)于單線程系統(tǒng)，一般分為數(shù)據(jù)的采集模塊、分析處理模塊、顯示存儲(chǔ)模塊。這三個(gè)模塊在時(shí)間上是順序執(zhí)行的，即后一個(gè)模塊需等待前一個(gè)模塊數(shù)據(jù)的到來(lái)時(shí)才開(kāi)始工作。然而本系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)性要求比較高，比如在收端，USB聲卡的播放需要收端的音頻譯碼模塊在400ms內(nèi)處理完一幀，才能及時(shí)提供給USB聲卡樣點(diǎn)連續(xù)地播放聲音，這就需要音頻譯碼模塊前的所有基帶處理部分需要在400ms內(nèi)完成一個(gè)物理幀到音頻幀的解調(diào)。同樣在發(fā)端，USB聲卡每秒采集19200個(gè)樣點(diǎn)給音頻編碼模塊進(jìn)行編碼，每400ms輸出一音頻編碼幀，F(xiàn)EC、映射及OFDM成幀等模塊也必須在400ms內(nèi)處理完成，否則會(huì)出現(xiàn)丟幀和覆蓋的現(xiàn)象?？梢钥隙?，用單線程這種順序化的執(zhí)行方式效率很低，每個(gè)模塊都要等待前一個(gè)模塊的數(shù)據(jù)，對(duì)于實(shí)時(shí)性要求較高和復(fù)雜性較高的系統(tǒng)不適用。

　　本系統(tǒng)使用的是多線程技術(shù)，可以將處理模塊拆分成多個(gè)線程，使多個(gè)線程并行運(yùn)行，只要保證每個(gè)線程的運(yùn)行時(shí)間小于音頻處理模塊，系統(tǒng)就會(huì)正常工作。其中發(fā)端算法用3個(gè)線程完成音頻編碼，F(xiàn)EC、映射、OFDM成幀等處理，并將OFDM數(shù)據(jù)寫到板卡RAM中。收端算法用6個(gè)線程完成從板卡RAM中讀取OFDM基帶數(shù)據(jù)、同步、均衡、FFT、解映射、解FEC等處理，由音頻譯碼模塊將音頻幀送給USB聲卡進(jìn)行播放。為了保證線程間數(shù)據(jù)傳遞有序進(jìn)行，CVI還提供了事件通知、安全隊(duì)列、線程優(yōu)先級(jí)等函數(shù)，保證線程間的同步和數(shù)據(jù)的傳遞。本系統(tǒng)使用的是全局BUFFER和安全隊(duì)列回調(diào)函數(shù)方式使兩個(gè)線程間獲得同步。即兩個(gè)線程間共享一個(gè)BUFFER和安全隊(duì)列，前一個(gè)線程將每次計(jì)算得到的數(shù)據(jù)寫到BUFFER中，并產(chǎn)生一標(biāo)志位FLAG，寫入安全隊(duì)列，后一線程捕捉到安全隊(duì)列中的FLAG，判斷是否滿足回調(diào)函數(shù)的條件，滿足則啟動(dòng)該線程，并將BUFFER中的數(shù)據(jù)讀出，不滿足則繼續(xù)捕捉FLAG。通過(guò)對(duì)安全隊(duì)列中FLAG的讀寫，控制線程啟動(dòng)的時(shí)間，使得兩線程對(duì)數(shù)據(jù)的讀寫達(dá)到平衡。程序中控制流程如圖3所示。圖4為由PXI5671輸出到頻譜儀E4440A的OFDM頻譜。

　　圖3 線程控制流程圖

　　圖4 PXI5671輸出的OFDM頻譜

　　結(jié)論

　　本系統(tǒng)用LabWindows/CVI8.5軟件完成OFDM的數(shù)字基帶處理，在PXI硬件平臺(tái)上完成射頻信號(hào)的處理，有效地對(duì)OFDM系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證。而搭建FPGA PCB平臺(tái)完成OFDM Demo樣機(jī)，首先在芯片的選型、制板上就需要大量的時(shí)間和人員，且具有一定的風(fēng)險(xiǎn)性；其次在軟件代碼開(kāi)發(fā)方面，需要花大量的時(shí)間對(duì)FPGA代碼進(jìn)行仿真測(cè)試和集成，而且改動(dòng)起來(lái)靈活性差。然而基于NI技術(shù)的OFDM系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，由于在軟件上仿真代碼的可移植性，和上變頻等硬件平臺(tái)的實(shí)用性，減少了OFDM系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)周期，節(jié)約了開(kāi)發(fā)成本和人員。