基于OFDM技术的短波通信电台研制

基于OFDM技术的短波通信电台研制摘要：本文在研究了OFDM调制技术的原理及其优缺点的基础上，提出了一个基于OFDM调制技术的短波通信电台的设计方案并完成了软硬件系统设计。对其多方面性能参数和发射机接收机的软硬件结构进行了多次调制测试，修改了许多其不足之处才算告一段落，并且测试结果和最后的实测信号图形表明，本系统性能指标能够满足实际工作要求。关键词：OFDM；短波通信；软件无线电；数字发射机，接收机。一：引言OFDM领域日渐广泛，在众多的无线技术当中，OFDM以其独特的魅力成为最大的一个亮点，在独特的魅力成为最大的一个亮点，几乎成了新一代无线通信技术的标志。正交频分复用（OFDM）调制方式以其传输速率快、频带利用率高和抗多径能力强等优点越来越受到人们的重视，也开始逐步被应用于短波通信领域，取代原来的单载波调制和非正交多载波调制技术。短波通信由于具备通信距离远、架设简单和移动方便等优点被广泛用于无线通信领域。本文介绍的基于OFDM调制技术的短波通信电台采用了软件无线电的思想，以DSP为控制和运算核心完成对数字信号的OFDM调制和解调。二：OFDM调制技术的基本工作原理OFDM既能充分利用信道带宽，也可以避免使用高速均衡和抗突发噪声差错。OFDM是一种特殊的多载波通信方案，单个用户的信息流被串/并变换为多个低速率码流，每个码流都用一个子载波发送。OFDM不用带通滤波器来分隔子载波，而是通过快速傅立叶变换（FFT）来选用那些即便混叠也能够保持正交的波形。OFDM是一种无线环境下的高速传输技术，主要思想就是在频域内将给定信道分成许多正交子信道，在每个子信道上使用一个子载波进行调制，并且各子载波并行传输。在OFDM系统中各个子信道的载波相互正交，它们的频谱是相互重叠的，这样不但减小了子载波间的相互干扰，同时又提高了频谱利用率。它属于多载波调制（Multi－CarrierModulation，MCM）技术，增强了抗频率选择性衰落和抗窄带干扰的能力，还采用了功率控制和自适应调制相协调工作方式。下图为实现OFDM系统的调制解调原理图：三：短波电台的系统模型与性能参数1.基本系统模型短波通信电台的实验样机框图如图所示：系统基本工作原理流程：发射端：首先发送端通过PC机对录入的人的语音数据进行语音编码和压缩，再通过RS－232接口将刚才压缩后的比特数据流送至数字发射机进行OFDM调制，最后由射频模块将OFDM信号变频到射频频段后发送至无线信道。接收端：首先由射频模块接收通过无线信道传来的模拟信号，然后在数字接收机内部将信号恢复成基带信号后进行同步和OFDM解调，最后通过RS-232接口将解调后的比特数据上传到PC机，由其进行解压缩和语音解码将数据恢复成语音数据。主要性能指标：①4QAM调制时，在10kHz的信号带宽上数据速率达到11.25kbps;16QAM时，则能达到22.5kbps；②4QAM调制时采用编码后在信噪比为10dB的AWGN信道中的比特误码率能达到10－5；③4QAM调制时采用编码后在信噪比为20dB的短波信道（多径信道最大延迟4ms）中的比特误码率能达到10－4。短波电台系统参数系统参数参数值载波频率512kHz采样速率32kHz信号带宽10kHz子载波频率间隔62.5Hz子载波数目155导频数目40物理帧长度400ms有效符号长度20ms循环前缀长度4ms子载波调制方式4QAM/16QAM四：数字发射机结构图2为数字发射机结构框图。语音数据通过RS-232传到发射机，先进行缓冲后送入DSP进行OFDM调制，最后将已调信号上变频到中频后采样。其中信号的OFDM调制由TMSVC5410芯片来完成。该芯片由TI公司生产，16位定点DSP，片内有64K的16位字节RAM，最高工作时钟可达100MHz。下图为DSP内部信号流程。数据进行映射后插入导频，采用20符号为一帧，因此每帧第一符号内需插入时间导频，同时所有符号插入增益导频。OFDM调制可等效成一次IDFT，所以已调信号可以表示为：还需加入循环前缀（CP）以消除多径引起的符号间干扰，实际循环前缀的长度一般大于信道的最长延迟时间,最后的输出信号为：产生B=10kHz、中心频率为512kHz的OFDM信号，有2种方案：①直接产生，根据奈奎斯特采样定理此时的离散采样速率至少为1.024MHz,即OFDM调制时IFFT的点数为16384点，这种方法硬件结构简单，但对DSP运算速度要求很高TMSVC5410无法胜任；②DSP中产生离散采样率为32KHz的OFDM信号（IFFT的点数为512点），然后内插和滤波，为获得1.024MHz的离散采样率要进行32倍插值，将其混频到512KHz，实际中模拟滤波器的设计要求我们采用256倍的插值，虽然采用这种方案运算量也很大，但是可以采用专用的上变频（DUC）芯片来完成。Harris公司生产的HSP50215完全可以满足我们的设计需要。五：数字接收机结构数字接收机的设计采用了中频带通采样的软件无线电模型。结构框图如图4，先对输入的中频信号进行带通采样，然后进行混频、低通滤波和下变频等处理恢复出基带信号，最后进行OFDM信号同步、信道估计和解调。1.带通采样输入信号中心频率为512kHz、带宽10kHz的窄带信号，为了保证每个子载波对应的实际频率值一致，首先需要获得采样率为32kHz的离散基带信号。有2种方案可供选择：①直接采样，首先进行32倍的抽取，然后再用低通滤波器滤出所需信号，但运算量较大，实现这种方案可以与数字发射机一样采用专用的下变频（DDC）器件（如Harris公司的HSP50214B）来完成；②带通采样，本系统采用的采样率为96kHz，然后通过混频、低通滤波和3倍抽取恢复出所需的基带信号。比较两种方案后我们采用后者，该方案不必使用额外的下变频器件，系统比较简洁，且最后的信号处理运算量不是太复杂，完全可以由DSP来完成。2.OFDM信号同步和信道估计对于采样后的信号的处理由AD公司SHARK系列的ADSP21160来完成。它主要完成信号的预处理即通过混频、滤波和抽取将信号恢复成基带信号、OFDM信号的同步和信道估计，最后星座逆映射恢复出原始信号。一个实际的OFDM系统，如果考虑时间、载波和采样率没有同步的影响以及无线信道对信号的随机衰落，在接收端接收到的信号可以写成：式中αl,k表示发送信号，nε表示符号偏差，Δf表示载波频率偏差，ξ表示采样率偏差，Hl,k表示信道转移函数，nl,k表示加性高斯白噪声。为恢复出原来的信号，必须先对信号进行同步和信道估计，其中信号同步又分为3个步骤，同步算法流程如图5所示。(1)符号同步符号的同步可以利用每个符号中的循环前缀与信号的相关性，因为符号粗同步后还要进行跟踪，所以对于粗同步可以适当放宽对精确性的要求以减少粗同步时的运算量，我们将最大似然方法（ML）［3］加以修改如下：式中d表示整数时偏估计值，L表示循环前缀的长度，N表示有效符号的长度。(2)载波同步［4,5］用子载波间隔（62.5Hz）归一化后的载波偏差可以分为整数部分和小数部分。其估计值可以通过下式获得：式中Cp表示导频集合，d表示搜索整数频偏的范围为前后10个子载波间隔。小数偏差估计和跟踪则利用相邻两个OFDM符号中对应导频位置信号的相位旋转，其估计值可以通过下式获得：式中Ng是循环前缀长度，N是有效符号长度，α2(φk)是由于频偏导致信号幅度的衰落，当频偏很小时该值近似为1，｜Hk｜是由于信号经过无线信道导致的幅度衰落。(3)采样率同步采样率的偏差估计和跟踪也可以利用相邻两个OFDM符号中对应导频位置信号的相位的旋转值，其估计方法见式(6)。由于采样率和载波跟踪都可以归结为信号相位旋转的跟踪，实际中只需用一个锁相环来跟踪信号的相位变化。(4)信道估计信号经过短波无线信道后会引起幅度和相位的随机衰落，在接收端即使对信号完全同步，如果不进行信道估计，仍然无法回复出正确的信号。通常信道估计方法可以分为2种［6,7,8］：①数据辅助方法，辅助数据可以是导频或训练序列，前者是在每个或每隔若干个调制前的OFDM符号中插入一些导频信号，后者是在每帧或每隔若干帧调制后的OFDM信号的起始处插入一定长度的训练序列；②盲估计,仅利用接收到的信号来进行信道估计。本文采用了基于导频的信道估计方法，具体算法流程如下：1)对接收到的导频信号利用下式估计出对应其中k表示子载波序号，m表示导频序号，L表示插值数目,l=1…m。2)构建一个特殊的插值滤波器，能够保证对信号滤波时保持非零位置处的值不变，用其对进行滤波获得信道的转移函数的估计值。六：测信号图形形此短波通信电台包括两个部分：数字发射机和接收机。实际进行性能测试过程中，我们采用的是DRM标准提供的模型，图6中的短波信道是指该标准提供的第三种信道。图6(a)是经过短波信道后到达接收端的OFDM信号时域波形和频谱，可以看出信号的频谱落在－5~＋5kHz范围内且各个子载波的幅度出现了随机衰落。图6(b)~(d)是同步和信道估计前后一个OFDM符号星座映射图的比较，在星座图中外围一圈是导频，它的能量是信号平均能量的的2倍，假定4QAM调制时单个子载波的平均能量为1则对应导频的幅度为采用16QAM调制时若令原点最近的星座点的幅度与4QAM调制时一致，则此时单个子载波的平均能量为10。同时从图中可以看出采用4QAM调制时，由于AWGN信道的信道转移函数为单位矩阵所以可以不进行信道估计，而在短波信道中如果不进行信道估计则无法恢复出原始信号。当采用16QAM调制时由于星座映射与信号幅度相关所以无论在何种信道下传输都必须进行信道估计。七：结论本文提出了一个在OFDM调制技术的基础原理上设计的短波通信电台的完整方案。经不懈的努力，该方案的实验样机已初步完成，多次调试和修改，其各项性能指标均可到达要求，目前我还在改进处理流程和优化算法争取进一步提高系统整体性能，同时努力将发送和接收机合为一体，成为基于OFDM调制的全双工短波通信电台。由于水平有限，其中错误还望老师耐心指正。八：参考文献［1］佟学俭，罗涛.OFDM移动通信技术原理和应用［Ｍ］.北京:人民邮电出版社,2003.［2］MichaelSpeth,StefanAFechtel,GunnarFock,etal.OptimumReceiverDesignforwirelessBroad-BandSystemsUsingOFDM-PartI［Ｊ］,IEEETrans.onCommun,1999,47(11):1668~1677.［3］Jan-jaapvandeBeek,Magnus,etal.MLEstimatorofTimeandFrequencyOffsetinOFDMSystems［Ｊ］.IEEETrans.Commun,1997,45(2):1800~1805.［4］MichaelSpeth,StefanAFechtel,GunnarFock，etal.OptimumReceiverDesignforOFDM-BasedBroadbandTransmission-PartII:ACaseStudy［J］.IEEETrans.onCommun,2001,49(4):571~578.［5］FischerV,KurpiersA.FrequencySynchronizationStrategyforaPC-basedDRMReceiver［Ａ］.7thInternationalOFDM-Workshop(InOWo02)［C］.Hamburg,2002.［6］OEdfors,MSandell,etal.OFDMchannelestimationbysingularvaluedecomposition［Ｊ］.IEEETrans.Commun.,Jul.1998.［7］LucDeneire,PatrickVandenameele,etal.ALowComplexityMLChannelEstimatorforOFDM［Ｊ］.IEEETrans.Commun,2003,51(2)