作者： 西安电子科技大学 刘鹏 赵林靖 吕卓

    引言

    软件无线电（software radios）是一种新的无线电通信的体系结构。具体来说，软件无线电是以可编程的dsp或cpu为中心，将模块化、标准化的硬件单元用总线方式连接起来，构成通用的硬件平台，并通过软件加载来实现各种无线通信功能的开放式体系结构。

    随着通信的发展，高速传输技术引起广泛的研究和注意。到目前为止，无线传输的速率受限于硬件条件。要实现高速传输，就必须结合各种芯片的特点，使硬件平台具有简单、通用的特点，因此需要开发一个通用平台。

    dsp在控制和信号处理方面有优势，基带信号的调制、解调及fft/ifft等运算可以由dsp实现，但是在实时处理方面受到现有dsp处理速度和能力的制约。对于信号突发检测这种运算量大的处理，尤其是在高速传输时，通常要使用fpga。fpga特有的流水线设计结构可以使前后级在时间上并发，达到高效、高速。为了减小dsp在信号处理上的压力，同时满足高速要求，采用专用数字变频芯片来实现数字上下变频。

    为了和软件无线电的思想统一，在系统设计时考虑兼容单载波调制解调方式，采用dsp、fpga、上下变频器的方案，不使用专用调制解调芯片。

    1 ofdm原理和基带信号模型

    正交频分复用[1]ofdm（orthogonal frequency division multiplex)是一种多载波调制方式，通过减小和消除码间串扰的影响来克服信道的频率选择性衰落。它的基本原理是将信号分割为n个子信号，然后用n个子信号分别调制n个相互正交的子载波。由于子载波的频谱相互重叠，因而可以得到较高的频谱效率。近几年ofdm在无线通信领域得到了广泛的应用。

    当调制信号通过无线信道到达接收端时，由于信道多径效应带来的码间串扰的作用，子载波之间不再保持良好的正交状态，因而发送前需要在码元间插入保护间隔。如果保护间隔大于最大时延扩展，则所有时延小于保护间隔的多径信号将不会延伸到下一个码元期间，从而有效地消除了码间串扰。当采用单载波调制时，为减小isi的影响，需要采用多级均衡器，这会遇到收敛和复杂性高等问题。

    图1是ofdm基带信号处理原理图。其中，图1（a）是发射机工作原理，图1（b）是接收机工作原理。

    图1 ofdm基带信号处理原理图

    在发射端，首先对比特流进行qam或qpsk调制，然后依次经过串并变换和ifft变换，再将并行数据转化为串行数据，加上保护间隔（又称“循环前缀”），形成ofdm码元。在组帧时，须加入同步序列和信道估计序列，以便接收端进行突发检测、同步和信道估计，最后输出正交的基带信号。

    当接收机检测到信号到达时，首先进行同步和信道估计。当完成时间同步、小数倍频偏估计和纠正后，经过fft变换，进行整数倍频偏估计和纠正，此时得到的数据是qam或qpsk的已调数据。对该数据进行相应的解调，就可得到比特流。

    这里仅讨论软件功能模块，具体算法不在此涉及。

    2 硬件结构

    ofdm调制解调与常规调制解调相比，所需的运算量大，尤其是当系统选用的子载波个数多时，仅在发射端的ifft变换和接收端的fft变换所需的时间就很长。通常使用fpga和高速的dsp解决该问题。由于在接收端还要完成信号突发检测、同步和频偏校正等数字信号处理，所以接收端对实时性要求更高。在该系统中，使用fpga完成信号的突发检测和定时，dsp完成fft/ifft变换和qam/qpsk调制解调。

    本系统主要由4部分组成： dsp、fpga、正交数字上变频器（quadrature digital upconverter）、正交数字下变频器（quadrature digital downconverter）。系统硬件结构如图2所示。图中，d表示数据总线，a表示地址