刘松林，严家明，李 超

（西北工业大学 陕西 西安 710129）

在未来无线通信系统中，存在着多径衰落和带宽效率两方面严重的挑战。OFDM技术通过在频域内将频率选择性信道转变为平坦信道，减小多径衰落的影响。而MIMO技术能在空间产生独立的并行信道，同时传输多路数据流，这样就能有效提高系统传输速率，即由MIMO提供的空间复用技术能在不增加系统带宽的情况下，提高频谱效率。因此，将OFDM与MIMO结合，就能使系统不但具备很高的传输速率，而且达到很强的可靠性[1]。这些突出优点使它们的结合成为未来无线通信的必然趋势。

分层空时码是MIMO技术实现空时复用的具体实现方法之一，D-BLAST是Foschini等提出的一种对角分层空时编码[2]，它利用空间维度大大提高了传输速率。

FPGA具有开发周期短、设计灵活等优点[3]，将D-BLAST在FPGA中实现验证，成为未来移动通信实验系统采用的一种方式。

1 MIMO-OFDM基带系统发射机模型

MIMO-OFDM基带系统发射机基本结构框图如图1所示。在发射端，基带数据经过基带调制再经过串并转换，输入至空时编码器进行D-BLAST空时编码，进入空时编码之后的信息流变成N路并行的低速数据流，分别对应一个发射天线；之后对信息流做插入导频处理，用于在接收端进行信道估计；OFDM调制利用IFFT变换实现；经过IFFT变换的信号从频域信号变成了时域信号，在经过插入循环前缀等，最后数据通过滤波器被送到D/A进行数模转换，然后上变频到一定的发射频率上发送出去。本设计发射天线数Nt=2，且暂时没有考虑同步和峰均比抑制问题。

图1 MIMO-OFDM基带系统发射机基本结构框图Fig.1 Structure diagram of MIMO-OFDM baseband system transmitter

本设计的主要参数如表1所示。

2 系统发射机主要模块

2.1 基带调制

在实际应用中，有两类用的最多的数字调制方式：线性调制和非线性调制。线性调制即数字相位调制技术，主要包括相移键控（PSK）和正交相移键控（QPSK）等，其优点为频谱利用率很高。

表1 系统参数Tab.1 System parameters

为了减少传输信号频带，提高信道频带利用率，可以将二进制数据变换为多进制（即M进制）数据来传输。用M进制数据控制载波的相位，就是M相相移键控。当M=4时，就是四相相移键控，即QPSK调制。QPSK的4种输出相位有相等的幅度，而且2个相邻的相位相差值为90o（I，Q组合为4种[0 0]，[0 1]，[1 0]和[1 1]）。

从数据范围、精度以及硬件开销的整体考虑出发，本文采用16位定点格式数据，7～0位表示小数位，14～8位表示整数位，第15位表示符号位，且在硬件计算过程中，数据都是以二进制补码的形式存在的，所以，映射后的数据“1”表示成00000001_00000000，“－1”表示成 11111111_00000000。

2.2 空时编码

分层空时码技术的基本思想是：在发送端将待传输的串行发送数据，经过多路分解器转换成Nt个并行数据，所得数据输入到信号编码器、分层空时编码器，从而得到Nt个待发送的信号组，分别由Nt个发送天线进行传输。分层空时编码是将输入编码器的序列映射到发送天线上。根据空间映射方式，分层空时码可以分为：水平分层空时码，垂直分层空时码和对角分层空时码。对角分层空时码相对前两种分层空时码具有最好的空时特性[4]。

为了更清楚地了解D-BLAST编码过程，考虑一个例子，其中的Nt=4，即共有4层，因此，每个码字分为4块。一个码字中块的数目应等于Nt，这一约束是译码过程强加的。传输过程如图2所示。首先，a1从第1根发射天线发射；其次，d1和a2分别从第1根和第2根天线上同时发射；再次，c1、d2和a3也分别从第1根、第2根和第3根天线上同时发射，该过程一直会持续到bK从最后一根天线上发射出，这意味着每层共有K/4个码字。由于在每次传输周期的开始和结束，一些发射天线是出于空闲状态的，因此，最终的传输速率稍低于RcbNt，其中，Rc代表所采用的信道码速率，2b是信号星座大小，但这是一个小问题，尤其是当传输周期较长时。

对于本设计，如果串行数据流为a1a2d1d2c1c2b1b2…，串并转换之后的数据分别为a1d1c1b1…和a2d2c2b2…，则D-BLAST编码之后的输出为a1d1c1b1…和0a2d2c2b2…。

图2 D-BLAST传输过程Fig.2 Transmission process of D-BLAST

2.3 插入导频

为了信道估计，在发射端以一定的间隔把已知的导频符号插入到OFDM符号中，经过信道后，接收端提取这些位置的信道响应，利用这些位置的信道响应作内插滤波，从而估计出其它位置的信道频率响应。OFDM系统中常用的倒频图案一般有3种，分为块状倒频、梳状导频和间隔式倒频[5]，文中选择梳状导频，采取隔3个子载波插入一个导频符号，因此在64个子载波中有16个是用于传输导频信号的，其实现原理图如图3所示。

图3 插入导频实现原理图Fig.3 Implementation principle diagram of pilot inserting

该模块把空时编码后的数据以时钟clk_48存入RAM中，同时以clk_48读入导频，每隔3个数据插入一个导频符号，之后以时钟clk_64从RAM中依次读取数据，从而实现插入导频。输入时钟clk_48和输出时钟clk_64采用不同的频率，因为进入导频插入模块的输入数据个数为48，插入导频后，输出个数为64，而整个模块输入输出要求是同时完成的，因此输入、输出时钟具有3:4的比例关系。

2.4 IFFT

OFDM技术使用多载波调制技术，各个子载波相互正交，且各个子载波的频谱有一半的重叠。IFFT部分是整个OFDM发射机中最核心的部分，通过它才能真正地实现正交的功能。文中利用Altera公司的IFFT/FFT IP核，其具有更高的性能，占用更少的资源，且整个IFFT/FFT的应用流程相对简单，可以在QuartusII软件中很方便地进行配置并将IFFT/FFT模块加入到自己的工程设计中。

FFT Core支持4种I/O数据流结构：流（Streaming）：允许输入数据连续处理，并输出连续的复数据流，这个过程不需要停止FFT函数数据流的进出；变量流（Variable Streaming）：允许输入数据连续处理，并产生一个与流结构相似连续输出数据流；缓冲突发（Buffered Burst）：需要的存储器资源比流动I/O数据流结构少，但平均模块吞吐量减少；突发（Burst）：执行过程和缓冲突发结构相同，但对于给定参数设置，突发结构在降低平均吞吐量的前提下需要更少的存储资源。

本设计设置IFFT/FFT IP核参数时，Target Device Family选择 Stratix，Transform Length 选择 64points，Data Precision 和Twiddle Precision选择 16 bits，I/O Data Flow 选择 Streaming。当设置FFT方向时，inverse为0时作FFT变换，为1时作IFFT变换。

2.5 插入循环前缀

采用OFDM技术的最主要原因之一在于其能够有效的对抗多径时延扩展和由于多径传播而引起的符号间干扰（ISI）。ISI对OFDM符号的影响还可以通过在每个符号的开始位置加上额外的保护间隔来改善，且该保护间隔长度Tg一般要大于无线信道中的最大时延扩展，这样一个符号的多径分量就不会对下一个符号产生干扰。

循环前缀就是把每个OFDM符号后Tg时间中的样点复制到OFDM符号前面以形成前缀。插入循环前缀更重要的作用是可以有效消除子载波间干扰[6]。其实现原理如图4所示。

图4 插入循环前缀原理图Fig.4 Implementation principle diagram of cyclic prefix inserting

本设计中选择的循环前缀长度为OFDM符号的1/4，即将OFDM的后16个采样点复制到符号前面。这里使用2个64×16 bit的RAM构成乒乓帧操作。

写控制产生两个写使能信号和一个写地址信号，以clk_64为时钟输入，以64个时钟脉冲为一个周期，交替地使两个RAM的输入有效，写地址以0～63的顺序循环输出，将OFDM符号的64个数据依次写入RAM中；读控制产生两个读使能信号和一个读地址信号，以clk_80为时钟输入，以80个时钟脉冲为一个周期，交替地使两个RAM的输出有效，先读出RAM中的后16个数据，再从首地址依次读出全部64个数据，这样就实现了将后16个数据插入到OFDM符号前面的过程，且整个符号的长度为80个数据。最后，以clk_80为时钟，交替选取2个RAM的输出作为循环前缀整体模块的输出。

3 设计验证

系统中所用的 FPGA是 Altera公司的 Stratix EP1S25F780C5，其结合了高密度、高性能以及丰富的特性。软件使用Altera的QuartusII集成开发软件，另外，使用ModelSim作为仿真软件。利用Verilog HDL语言来完成各个模块的代码编写工作。

在进行发射机验证时，将一组随机的0，1数据存入一个文本中，之后使用MoedlSim仿真软件将其读取，作为输入数据，将发射机的一个天线上的输出数据以模拟波形的形式输出，如图5所示。再将相同的数据输入到Matlab中，进行仿真，如图6所示。分析并对比两组数据和波形。

从以上的波形可以看出，发射机功能正确。

4 结 论

图5 ModelSim仿真结果Fig.5 Simulation results of ModelSim

图6 Matlab仿真结果Fig.6 Simulation results of Matlab

MIMO-OFDM系统通过MIMO与OFDM的结合，使一个信号能够从空、时、频三维来联合设计，充分利用了无线信道在空、时、频三个维度上呈现不同特性的条件，从而使解决问题的手段和理论研究更加丰富。本设计以FPGA为硬件平台来实现发射机，电路简单，设计灵活，便于修改和调试，可靠性高。软件设计采用模块化设计思想，提高了系统的可靠性和维护性。整个发射机设计简单、快速和高效等特点，达到了设计要求。

[1]谢显中.基于TDD的第四代移动通信技术[M].1版.北京：电子工业出版社，2006.

[2]Foschini G J.Layered space-time architecture for wireless communication in a fading environment when using multielement antennas[J].Bell Labs Technical Journal，1996:41－59.

[3]王诚.Altera FPGA/CPLD设计[M].1版.北京：人民邮电出版社，2005.

[4]Tolga M.Duman.MIMO通信系统编码[M].艾渤，译.北京：电子工业出版社，2008.

[5]Cheng S L，Miri A，TET H Y.Efficient FPGA implementation of FFT based multipliers [C]//IEEE CCECE.New York：IEEE Press，2005：1300－1303.

[6]Muquet B.Cyclic prefixing or zero padding for wireless multi-carrier transmissions[J]. IEEE Transactions on Communications，2002:2136－2148.