文獻標識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.170967
中文引用格式： 譚凱，彭端. 基于FPGA的自適應MIMO-OFDM無線基帶傳輸系統的研究[J].電子技術應用，2017，43(10)：44-46，51.
英文引用格式： Tan Kai，Peng Duan. Research of adaptive MIMO-OFDM wireless baseband transmission system based on FPGA[J].Application of Electronic Technique，2017，43(10)：44-46，51.
0 引言
OFDM(Orthogonal Frequency-Division Multiplexing)技術由于其頻譜利用率高和抗頻率選擇性衰落的優點，已經成為無線通信系統中最受歡迎的調制技術。多輸入多輸出(Multi Input Multi Output，MIMO)技術采用多根天線實現信號在空域和時域的多重復用，在不增加帶寬和天線發送功率的情況下，可以成倍地提高頻譜利用率，還能在一定程度上對抗多徑衰落。基于以上這些優點，MIMO技術已成為進一步提升OFDM系統性能的關鍵技術。目前，MIMO-OFDM技術已廣泛運用到高速無線通信系統中，比如：LTE、WLAN、WiMAX、微波通信以及未來的5G通信等[1]。
自適應調制技術利用無線鏈路的反饋息，動態地對發射功率、編碼方式、調制階數、載波分配等進行調整，使系統在適應時變信道的同時，盡可能地優化吞吐量、誤比特率和發射功率[2]。將自適應調制技術應用于MIMO-OFDM系統中，可以優化系統的資源分配，進一步提升系統的性能，具有很好的應用前景[3]。
FPGA具有開發周期短、可并行處理、設計靈活、低成本等優點，用FPGA來驗證和實現，是一種很好的開發無線通信系統的方法。
本文設計了一個自適應MIMO-OFDM無線基帶傳輸系統，介紹了系統的關鍵技術，并對其中的自適應數字調制、STBC編碼和FFT/IFFT模塊進行了FPGA設計和仿真，分析了仿真結果。
1 系統模型
一個基本的自適應MIMO-OFDM無線基帶傳輸系統如圖1所示。信源經過信道編碼和交織后被送入數字調制模塊，此模塊根據接收端反饋回的信道信息選擇合適的調制方案。被調制的信號送入STBC編碼模塊，經過Alamouti空時編碼后生成兩路正交的碼流，再經過串并轉換后進入IFFT模塊進行OFDM調制。解調端的處理是調制的逆過程，需要注意的是在解調端需要引入信道估計模塊，用于采集信道信息以實現系統的同步和發射端的自適應調制。
2 FPGA設計
2.1 自適應數字調制模塊
本文采用信噪比參數來衡量信道信息，不同的信噪比取值對應于不同的調制方式。利用信噪比作為參數來配置自適應調制的關鍵在于確定好每種調制編碼模式的判決門限。這就需要通過大量的實驗測量在不同信噪比條件下，選擇何種調制編碼模式能使系統的性能達到最優，以找到不同的參數與調制編碼模式的映射關系。信噪比與調制方式的映射關系如表1所示。
自適應調制頂層模塊接收到對應的SNR參數后，根據表1的映射規則，選擇對應的調制子模塊，使其使能端有效以啟動此模塊。隨后，將子模塊的數據輸入端口連接到頂層模塊的信號輸入接口，以使外部信源數據輸入到子模塊，實現對應的調制處理。其實現框圖如圖2所示。
2.2 STBC編碼模塊
STBC編碼模塊接收到來自上一個模塊的數據，將數據兩個一組保存下來。Alamouti編碼模塊經過相應的邏輯處理生成兩個數據的共軛形式，再將原數據和其共軛形式一起保存到下一級寄存器，最后分成兩路數據輸出。其設計原理如圖3所示。
2.3 FFT/IFFT模塊
本文采用基4-FFT/IFFT算法來實現64點OFDM調制解調。常見的的FFT實現方法有流水線和并行陣列方法。此兩種方法各自有其優缺點。流水線以犧牲時間來換取邏輯資源花費的減少，這種方法占用的邏輯資源少，但是延時很高。并行陣列方法每一級之間也是采用流水線的設計思想，只不過每一級采用多個蝶形并行運算，只消耗一個蝶形運算時間，這樣就極大地節省了運算時間，減少了延時，但是會消耗大量的邏輯資源。本文采用這兩種方法折中的方法——并行復用法。64點基4-FFT以4點蝶形運算為基本單元，如圖4所示。
輸入數據按二進制倒位序4點為一組，送入蝶形單元。值得注意的是，圖中的乘以-j只需要交換實部和虛部后，再取虛部的相反數即可實現。因此以上蝶形單元不需要使用乘法器，這就節省了邏輯資源的使用。輸出的數據是倒位序，需要經過整序以輸出正常排序的數據。64點的FFT需要log464=3級運算，每一級需要64/4=16次蝶形運算。本文的設計總共包含16個蝶形運算單元，每一級處理數據時，同時啟動16個蝶形單元并行運算，這樣完成整級的運算就只需要1個蝶形運算時間單元。除了最后一級的運算，其余每級運算的輸出都要乘以相應的旋轉因子。因此在設計之初，可以將所有會用到的旋轉因子事先保存下來。圖5為FFT模塊的基本架構。
串/并模塊由一個深度為64的RAM實現，將輸入數據經過倒序后4個一組并行輸出。每一組數據輸入到蝶形運算模塊中對應的蝶形單元，模塊的16個蝶形運算單元接收到數據后同時啟動蝶形運算，只需要一個運算時間單元就能完成一級運算。每一級的輸出受控制模塊控制，如果為最后一級，則不需要乘以旋轉因子，經過整序后就可以直接輸出。如果不是最后一級的輸出，那輸出后的數據還要乘上對應的旋轉因子，然后經過相應的整序后，輸出數據被重新送到蝶形運算單元作為輸入執行下一級的運算。直到最后一級的運算完成并輸出后，蝶形運算單元才會等待下一組64點數據的到來，接收并作為新的輸入，執行新一輪運算。模塊每一級的運算重復利用這16個碟形運算單元，實現了并行復用的思想。運算全程受控制模塊控制，采用狀態機控制每一級的運行狀態，狀態圖如圖6所示。
3 仿真測試
本次設計采用Xilinx全新的FPGA開發軟件Vivado作為開發工具，硬件描述語言使用Verilog語言。為了便于時序控制，設計采用同步時序邏輯，系統時鐘設置為50 MHz。仿真工具采用Vivado集成的仿真工具。
3.1 自適應數字調制
設置不同的參數，自適應調制能實現階數不同的調制。圖7~圖8分別展示了16QAM、64QAM的調制結果。
圖中的IM_RE和DM_IM分別表示I、Q兩路信號，用帶符號8位二進制數表示，保留6位小數，圖中以十進制顯示。DM_INDEX表示數據的序號。
3.2 STBC編碼
圖9展示了16QAM調制信號經STBC編碼后的仿真結果。
圖中RE_OUT0、IM_OUT0和RE_OUT1、IM_OUT1分別表示經過STBC編碼后的兩路相互正交的信號，STBC_ORDER表示數據序號。
3.3 FFT/IFFT
IFFT的運算結構和FFT相同，只需將數據做簡單的共軛處理，就可以利用FFT的運算模塊計算IFFT。數據經過STBC編碼處理后，再做IFFT變換以實現OFDM調制。FFT實現了IFFT解調，因此輸出數據因等于STBC編碼的輸出。圖10～圖11分別展示了IFFT、FFT的仿真結果。
通過對比圖11和圖9可以看出，圖11的仿真結果并不完全等于圖9，這是由于系統采用的是二進制定點數運算，存在誤差。不過從圖中可以看出，誤差在可接受的范圍內。因此，可以認為FFT/IFFT模塊正確地實現了調制和解調。
該系統采用Vivado集成的綜合工具綜合和布局布線，在Xilinx ZYNQ7020上實現，其資源消耗情況如表2所示。
4 結語
本文針對自適應MIMO-OFDM無線基帶傳輸系統的關鍵技術，研究了基帶傳輸系統的FPGA實現，并對其中的自適應數字調制、STBC編碼和FFT/IFFT模塊進行了FPGA設計與仿真。針對FFT/IFFT模塊的設計，在延時和邏輯資源占有上折中，提出了一種并行復用方法，結合基4FFT/IFFT算法來實現設計。仿真結果表明，自適應數字調制能動態地調整調制方式，STBC編碼實現了信號的分集，提高了信號的可靠性。FFT/IFFT模塊能正確實現OFDM調制和解調，并在延時和邏輯占有率上取得了平衡，具有一定的應用價值。
參考文獻
[1] 闕志達，蔡佩蕓，賴以威.MIMO-OFDM無線通信基帶接收機設計[M].北京：機械工業出版社，2014.
[2] 葛凡超.無線寬帶OFDM自適應調制器設計與實現[D].南京：南京郵電大學，2015.
[3] Nguyen Trung Hieu，Nguyen Thanh Tu，Le Tran Danh，et al.Design and implementation of MIMO-STBC systems on FPGA hardware[C].The 2012 International Conference on Advanced Technologies for Communications(ATC 2012)，2012：274-277.
[4] Shaik Qadeer，Mohammed Zafar Ali Khan.Fixed point error analysis of Radix-4 and Radix-8 FFT algorithms[C].2011 International Conference on Multimedia Signal Processing and Communication Technologies，2011：32-35.
[5] SRINANDHINI K，VAITHIANATHAN V.FPGA implementation of MIMO-OFDM Transceiver[C].Intenational Conference on Communication and Signal Processing，2014：353-357.
[6] 劉鳳，龔曉峰，張軍歌.不同運算機制下FFT計算精度分析[J].電子技術應用，2016，42(12)：23-26.
[7] Haring L，Kisters C.Signaling-assisted MAP-based modulation classification in adaptive MIMO OFDM systems[C].Vehicular Technology Conference(VTC Fall)，2014 IEEE 80th，2014：1-5.
作者信息：
譚 凱1，彭 端2
（1.廣東工業大學 信息工程學院，廣東 廣州510006；2.廣東工業大學 實驗教學部，廣東 廣州510006）