曾德前，谢跃雷

(桂林电子科技大学 信息与通信学院，广西 桂林 541004)

一种基于FPGA的OFDM-MFSK基带处理系统设计

曾德前，谢跃雷

(桂林电子科技大学 信息与通信学院，广西 桂林 541004)

针对高速移动环境下，信道估计不准确导致OFDM系统性能严重恶化问题，提出了一种OFDM-MFSK 联合调制方式，其结合了 OFDM有效对抗多径衰落的优点和 FSK对多谱勒频偏不敏感的优点，接收端无需信道估计与均衡，非常适合在信道快速时变的高速移动环境下宽带无线通信。依据其理论基础，在ZYNQ-7000 FPGA 硬件平台上实现了 OFDM-MFSK 系统的基带调制与解调。通过软件仿真及硬件测试的结果表明，该方案不用考虑快速时变信道引起的子载波相位偏转问题，提高了系统的抗干扰性能，能满足高速移动环境条件下的中低速数据传输要求。

高速移动通信；OFDM-MFSK；FPGA；同步；基带处理

0 引言

随着我国社会和经济的发展，乘坐高铁等高速交通工具出行成为主要选择之一。车辆高速运行于多变的地理环境中，宽带通信业务只能通过无线方式提供。然而车辆与地面间的无线传输环境恶劣、复杂，无线传输信道主要呈现时间选择性衰落和频率选择性衰落[1]，这对宽带无线通信技术提出了更高的挑战。虽然OFDM[2]技术可以有效克服多径传播带来的码间干扰，但在高速移动的时变环境下，精确的信道信息难以获得，且多普勒频移和多普勒扩展破坏了OFDM子载波的正交性，导致OFDM 系统的载波间干扰[1]，采用信道估计的方法补偿校正子载波相位越发困难，这使得OFDM通信系统性能严重恶化，甚至导致 OFDM 通信中断。

Matthias Wetz等人在文献[2-3]中将频移键控调制(Freuqence Shift Key，FSK)技术与OFDM相结合，构成一种OFDM-MFSK调制方法，该方法将OFDM抗多径传播的优点和FSK对多谱勒频偏的稳健性结合起来，并且在接收端采用非相干解调方式，无需信道信息。在300 km/h及600 km/h的高速移动环境下仿真表明，该方法具有很好的多谱勒频偏[4]稳健性。本文仿真分析了OFDM-MFSK联合调制在高速移动环境下的性能，并设计了一种适合高速移动环境下的OFDM-MFSK系统基带处理方案。该方案的系统子载波数为 256，每个 OFDM 符号长度为 16 μs，1/2 卷积编码效率的传输速率达到 10 Mbps 以上。

1 OFDM-MFSK基本原理

MFSK是利用不同频率的载频变化[5]来传输符号信息的。相干QAM以及PSK等调制都需要载波相位估计实现相干检测，然而，对一些缺乏相位稳定的信道来说，载波频率调制是一种合适的数字调制方法，它的抗噪声和抗衰减性能较强，广泛应用于低速数据传输通信系统中。在实际工程应用中，频移键控法比较常用，由基带信号对不同频率的载波信号进行选择的方式容易硬件实现。MFSK波形可看作M个等能量、频率不同的正交信号波形混合，信号模型表示为：

0≤t≤T。

(1)

式中，E为符号的能量；fΔ为2个信号之间的频率间隔，

fΔ=fm-fm-1,m=1,2,…,m-1。

(2)

并且，fm=mfΔ+fc。这些波形特征能量及互相关系数为：

(3)

可见，当fΔ是1/2T的倍数时，是正交信号。当对MFSK时域信号采样，t=kT，T=1/(MfΔ)，故为

(4)

通过以上信号模型与OFDM信号对比可以看出，MFSK可以用于OFDM调制。下面以OFDM-4FSK映射为例，如表1和图1所示。其中，256个子载波分成每4个一组，总共64组，输入的串行数据分成2 bit一组，{01}对应gr组1的第1个载波，{11}对应组3的第3个载波，都是经格雷码映射到每组载波。实际工程应用中，IFFT输入分为实部和虚部，应该把格雷码映射到实部，虚部全零。在图1中，虚线对应4FSK映射，实线属于空载波，每组4个载波可以传输2 bit数据。

表1 格雷码映射

图1 OFDM-4FSK映射关系

从图1可以发现，传输数据的子载波频率间隔相对于QAM、PSK等调制更大了，并且无需考虑子载波的相位问题，接收端也不需要复杂的信道与均衡。OFDM-MFSK的最大缺点是频谱效率较低。在未经过信道编码时，频谱效率为：

(5)

可知，OFDM-MFSK的频谱效率最大为0.5(M=2或者M=4)。随着M增大，抗干扰性能越好，但是频率效率也降低。

2 OFDM-4FSK性能分析

Matlab仿真中以4FSK为例，规定OFDM-MFSK的个子载波数为256， 16个短训练符号和6个OFDM符号构成一帧数据，信道为模拟高速环境下时频双选择性衰落信道[6]，多普勒频移动与速度有关。信噪比(Eb/N0)的范围为0～30 dB，该系统分别采用QPSK、4FSK和16-QAM调制，接收端利用训练序列进行信道估计的相干解调[7]和没有进行信道估计的非相干解调2种方法。仿真结果如图2所示。

图2 速度为600 km/h OFDM系统性能

从图2中可以看出，4FSK调制方式的误码率性能远优于QPSK和16-QAM；采用信道估计的QPSK的性能也优于16-QAM；采用信道估计的4FSK的性能反而不如没有信道估计(非相干解调)的4FSK；没有采用信道估计纠正QPSK相位偏转，导致误码率极高，即使在较高的信噪比条件下，OFDM系统性能也严重恶化。可以得出结论：在高速移动环境下，信道的快速时变特性，利用训练序列估计的信道信息不准确，用不准确的信道信息校正码元星座图相位偏转反而导致系统系能降低。

OFDM-4FSK在不同速度环境下的性能仿真结果如图3所示。从图3可以看出，不同速度环境下的多谱勒扩展及信道衰落对OFDM-4FSK性能影响不大。OFDM-MFSK特别适用于高速移动环境下的移动通信，但其频谱效率仅能达到0.5 bit/Hz，即以牺牲频谱效率换取了多普勒扩展稳健性的提高。

图3 不同速度下的OFDM-4FSK性能

3 OFDM-MFSK物理层帧

本文设计没有完全遵循其他的通信协议标准进行设计，相应的数据数据帧结构也做了一些改变和简化。OFDM帧结构如图4所示。

图4 OFDM帧结构

系统中每一个OFDM数据帧的前面都插入一个包含有16个的重复周期短训练符号，每帧OFDM数据包含6个OFDM符号和一帧训列序列。每个短训练符号含有16个数据，有16个重复的短训练序列，总共256个训练数据。16个重复的短训练序列也可以与接收端的符号同步、符号定时检测、频偏估计和粗频率同步。OFDM-MFSK系统的子载波数为256，其中160个子载波用来传输数据，其他的子载波用来导频和频带保护。

4 OFDM-MFSK的硬件实现结构

OFDM-MFSK基带处理是基于Xilinx的ZC702 Evaluation Kit 开发板实现的，系统的FPGA[8]基带处理的实现结构如图5所示。

图5 OFDM-4FSK的FPGA处理的实现结构

调制模块[9]包括卷积编码、交织、MFSK调制、插入导频、IFFT、CP(循环前缀)和加窗；解调模块[10]包括符号同步、载波同步、采样频率同步、频偏校正、FFT、CORDIC 算法和Viterbi译码。采用自顶向下模块化的设计思想，对OFDM-MFSK基带调制和解调模块各部分进行了Verilog建模，并在Modelsim中进行了仿真验证。系统中复杂的模块如IFFT/FFT可以采用IP核实现，译码部分也可以才用ISE中自带的Viterbi译码IP。

4.1 信号发送部分

发送端的比特流首先经过卷积编码、交织处理，然后串并转换；经过4FSK调制后，二进制数据映射为子载波的相位和幅度信息，调制后的数据经过量化，然后被送入快速傅里叶逆变换模块，进行IFFT运算。IFFT运算可以把频域数据转化为时域数据，然后截取OFDM最后L个样值复制到最前作为保护间隔，形成了一个带有循环前缀(CP)的OFDM符号。IFFT前，必须插入导频信号，还需要进行加窗处理，使OFDM符号在带外的功率谱密度下降得更快，最后将基带信号送入DAC。其中，IFFT的FPGA基带处理时钟速率为20 MHz；为了兼顾传输效率与可靠性的要求，卷积编码方式是约束长度为7，编码效率为1/2的卷积码。当调制方式为4FSK时，可以提供传输速度为10 Mbps。

4.2 信号接收部分

接收端的基带信号处理，经过ADS62P45采样后的数据送入符号定时检测模块，判断是否有接收到OFDM数据；然后是符号同步，利用接收到的训练序与本地训练序列估计OFDM帧的起始位置，确定每一帧OFDM的起始点后，舍弃训练序列数据，再送入后续的FFT模块；FFT后就是频率同步和采样时钟同步，分别利用训练序列和导频信号校正载波频率偏移与相位偏转；最后解映射、解交织和Viterbi译码恢复原数据。所有的同步算法在处理器内设计和实现，每个模块算法设计是都是依据Matlab的仿真得到参数，编写FPGA程序，经过功能仿真和硬件实测。

5 仿真分析与硬件实测

对OFDM-4FSK系统进行仿真，信道建模使用Jakes模型，通过合成复正弦波，可以产生给定的瑞利衰落信道[8]，相当于时间选择性信道，频率选择性(多径)，可以多建立几个Jakes模型，配合时间延时，其接收端频谱如图6所示。

图6 OFDM-4FSK接收端仿真频谱

图6中，Modelsim仿真的OFDM-4FSK输出I、Q波形如图7所示，前面的周期脉冲是重复短训练序列，后面是OFDM数据帧。

图7 OFDM-4FSK仿真输出I&Q

硬件实测时，DA/AD模块采用太速科技的FMC125两路160 Msps FMC子卡模块，板载DAC芯片AD9777，该芯片为16位分辨率，最大输入数据速率为160 Msps，该系列器件具有可选插值率(2x/4x/8x)以及能够以Fs/2、Fs/4或Fs/8混频的复合调制器，2路信号可以I、Q分量信号输出。当寄存器参数配置成载波为Fs/2，4x插值，前面是波形是周期性训练序列，后面是OFDM数据波形。由于训练序列时间长度为16 μs，示波器没观察最前面的数据，其中AD输出波形如图8所示。在接收端，信号输入ADS62P45芯片幅值为1 V，芯片采样输出的频谱波形如图9所示。系统的整体硬件测试性能良好，适用于高速移动环境下通信。

图8 OFDM-MFSK的 I&Q DA输出

图9 OFDM-MFSK接收端实测频谱

6 结束语

介绍了基于FPGA的OFDM-MFSK基带处理方案，充分利用了XILINX最新的ZYNQ-7000系列FPGA芯片特性及自带的IP核，简化了系统设计难度。硬件算法选择上，综合考虑了收发端系统性能。实验结果表明，该设计方案占用芯片资源较少，且有较好的抗干扰性能，基本满足高速移动环境下的中低速数据发送要求。

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曾德前 男，(1989—)，硕士研究生。 主要研究方向：信息处理与传输。

谢跃雷 男，(1975—)，副教授。主要研究方向：数字信号处理、ASIC设计。

A Design of OFDM-MFSK Baseband Processing System Based on FPGA

ZENG De-qian,XIE Yue-lei

(SchoolofInformationandCommunicationEngineering,GuilinUniversityofElectronicTechnology,GuilinGuangxi541004,China)

Inaccurate channel estimation leads to serious deterioration of performance of OFDM system.A combined modulation scheme of OFDM-MFSK is proposed.It takes both advantages of multi-path fading mitigation of OFDM and insensitivity to Doppler frequency offset of FSK.And at the receiver,a non-coherent demodulation method can be performed without estimating the channel information.Thus,it is very suitable for broadband wireless communication in high speed mobile environment,where rapidly time varying channel exists.Based on its theoretical basis,an implementation approach of OFDM-MFSK baseband signal processing is designed based on ZYNQ-7000 series FPGA chips.Software simulation and hardware testing results show that the proposed scheme can omit the sub carriers phase deflection problem caused by the fast time varying channel,and improve the anti-jamming performance of the system.It can meet the complex environmental conditions data transmission requirements in low or medium speed.

high speed mobile communication;OFDM-MFSK;FPGA;synchronization;baseband processing

10.3969/j.issn.1003-3106.2017.01.08

曾德前,谢跃雷.一种基于FPGA的OFDM-MFSK基带处理系统设计[J].无线电工程,2017,47(1):32-35,52.

2016-10-20

国家自然科学基金资助项目(61461015)。

TN914

A

1003-3106(2017)01-0032-04