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挑戰：OFDM是一種多載波的數字傳輸體制，以其特有的優(yōu)勢被廣泛地應用到數字音頻廣播，數字電視廣播和無(wú)線(xiàn)寬帶等領(lǐng)域，并將進(jìn)入到更多的領(lǐng)域中。對OFDM系統的仿真可以用軟件完成，但是對于硬件平臺的搭建往往需要大量的開(kāi)銷(xiāo)和時(shí)間。針對這種情況，如果具備一套軟件仿真代碼移植方便且硬件平臺搭建便捷的系統，可以極大地縮短O(píng)FDM系統的開(kāi)發(fā)周期，才能在標準層出不窮的今天具有較強的競爭優(yōu)勢。 應用方案：基于NI虛擬儀器之PXI5671上變頻卡、PXI5661下變頻卡和Labwindows/CVI8.5正版軟件實(shí)現OFDM發(fā)射機與接收機的樣機。 使用產(chǎn)品：LabWindows/CVI8.5 軟件開(kāi)發(fā)平臺；PXI5671(PXI5441+PXI561)；PXI5441 中頻輸出卡；PXI5610 射頻輸出卡；PXI5661(PXI5600＋PXI5142)；PXI5600 射頻接收卡；PXI5142 下變頻卡。 介紹 OFDM是一種多載波的數字傳輸體制，由于具有頻譜利用率高和良好的抗多徑干擾等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)被廣泛應用到數字音頻廣播，數字地面電視和無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)等領(lǐng)域，并且被看作第四代移動(dòng)通信的核心技術(shù)之一。但是對OFDM樣機的研制和開(kāi)發(fā)無(wú)論在軟件算法的編寫(xiě)，還是硬件電路平臺的搭建，都需要大量的人員和開(kāi)銷(xiāo)，且存在較高的風(fēng)險。本文提出一種基于NI平臺的OFDM實(shí)時(shí)收發(fā)系統的設計方法，即在CVI軟件仿真平臺上實(shí)現OFDM符號的數字基帶處理算法的編寫(xiě)，用NI PXI5671和NI PXI5661實(shí)現OFDM射頻模擬信號的發(fā)射與接收。對OFDM系統進(jìn)行有效的驗證，為今后大規模芯片生產(chǎn)提供了可靠的解決方案和理論指導。 OFDM系統簡(jiǎn)介 正交頻分復用(OFDM，OrthogonalFrequency Division Multiplexing)是把高速串行數據分成多條并行的低速數據，分別對多個(gè)正交子載波進(jìn)行調制，從而達到更高的頻譜效率、更大的系統容量，并且符號持續時(shí)間大大加長(cháng)，在移動(dòng)、多徑、衰落環(huán)境下有很大的優(yōu)勢。 本系統的主要功能是用前端的USB設備對聲音信號進(jìn)行采集、處理，調制到OFDM符號中，并上變頻到射頻信號發(fā)射。收端將接收到的射頻信號進(jìn)行下變頻處理得到數字信號，并解出音頻幀由USB設備播放。發(fā)端系統的基帶數據處理部分主要包括信源編碼、FEC、映射、OFDM成幀，硬件平臺的處理部分包括數字上變頻和射頻調制等。接收系統的基帶處理部分要主要包括同步、均衡、解映射、解FEC、音頻譯碼等，硬件平臺的處理部分包括射頻解調和數字下變頻。 OFDM系統硬件平臺架構 整個(gè)系統由兩臺NI主機，兩個(gè)USB聲卡設備，兩臺顯示器，一臺安杰倫頻譜儀4440A組成，如圖1所示： 
圖1 系統結構圖 首先由發(fā)端的USB設備對輸入的聲音信號進(jìn)行采樣，樣點(diǎn)送入NI 主機，然后在發(fā)端的上層軟件中編寫(xiě)OFDM基帶處理等算法，生成的OFDM基帶數據輸出到PXI5671上變頻到中心頻率為10MHz的射頻信號。 PXI5671由兩塊可分離的板卡PXI5441和PXI5610組成，其中PXI5441分為板卡RAM模塊和OSP(onboard signal process,板卡數字信號處理)模塊，板卡RAM模塊負責主機和PXI板卡間的數據傳遞，OSP模塊可對信號進(jìn)行重采樣濾波，數字上變頻和DA轉換等。PXI5610為射頻板卡，經(jīng)過(guò)兩級混頻放大濾波可將PXI5441輸出的模擬IF信號調制到范圍為250KHz-2.7GHz的射頻信號。收端由 PXI5661對輸入的射頻信號進(jìn)行解調，下變頻到數字基帶信號，并輸出到NI主機上。PXI5661同樣由兩塊分離的板卡PXI5600和 PXI5142組成。PXI5661完成射頻信號到中頻信號的轉換，PXI5142的兩個(gè)模塊OSP模塊和板卡RAM模塊，分別完成AD采樣、數字下變頻、重采樣濾波和主機與PXI板卡數據傳遞等功能，最后由收端的軟件上層算法解出音頻信號輸出給USB聲卡播放。 無(wú)論收端還是發(fā)端系統，上層軟件算法產(chǎn)生的數據和PXI板卡的數據交互需要由主機內存和板卡RAM來(lái)完成，其中DMA控制主機內存和板卡RAM間的數據傳遞，最大可達到1Gbytes/s的數據吞吐量。板卡RAM采用的是一種SMC(Synchronization and Memory Core)技術(shù)，該技術(shù)無(wú)須將指令和數據分開(kāi)存儲，RAM中的FPGA模塊不但能處理上層軟件產(chǎn)生的所有指令，對OSP各模塊進(jìn)行配置，而且能對數據流進(jìn)行緩存，最后由OSP的讀取引擎，并以上層軟件中所設的IQ速率讀取數據，送入OSP中進(jìn)行重采樣、濾波、變頻等處理。 基帶處理算法的設計與實(shí)現 基帶處理算法的實(shí)現是基于LabWndows/CVI8.5的軟件平臺，它是一個(gè)交互式開(kāi)發(fā)平臺，集成了標準C的編譯、鏈接、調試等，并且采用簡(jiǎn)單直觀(guān)的用戶(hù)界面設計，用戶(hù)只需在函數面板上直接輸入參數，就會(huì )以事件驅動(dòng)回調函數的方式運行整個(gè)程序，并可以將數據以圖形的形式在界面上顯示，提高了整個(gè)工程的運行效率。圖2為本系統發(fā)端和收端的應用界面。
圖2 OFDM發(fā)、收系統界面 對于單線(xiàn)程系統，一般分為數據的采集模塊、分析處理模塊、顯示存儲模塊。這三個(gè)模塊在時(shí)間上是順序執行的，即后一個(gè)模塊需等待前一個(gè)模塊數據的到來(lái)時(shí)才開(kāi)始工作。然而本系統對實(shí)時(shí)性要求比較高，比如在收端，USB聲卡的播放需要收端的音頻譯碼模塊在400ms內處理完一幀，才能及時(shí)提供給USB聲卡樣點(diǎn)連續地播放聲音，這就需要音頻譯碼模塊前的所有基帶處理部分需要在400ms內完成一個(gè)物理幀到音頻幀的解調。同樣在發(fā)端，USB聲卡每秒采集19200個(gè)樣點(diǎn)給音頻編碼模塊進(jìn)行編碼，每400ms輸出一音頻編碼幀，FEC、映射及OFDM成幀等模塊也必須在400ms內處理完成，否則會(huì )出現丟幀和覆蓋的現象�？梢钥隙�，用單線(xiàn)程這種順序化的執行方式效率很低，每個(gè)模塊都要等待前一個(gè)模塊的數據，對于實(shí)時(shí)性要求較高和復雜性較高的系統不適用。 本系統使用的是多線(xiàn)程技術(shù)，可以將處理模塊拆分成多個(gè)線(xiàn)程，使多個(gè)線(xiàn)程并行運行，只要保證每個(gè)線(xiàn)程的運行時(shí)間小于音頻處理模塊，系統就會(huì )正常工作。其中發(fā)端算法用3個(gè)線(xiàn)程完成音頻編碼，FEC、映射、OFDM成幀等處理，并將OFDM數據寫(xiě)到板卡RAM中。收端算法用6個(gè)線(xiàn)程完成從板卡RAM中讀取OFDM基帶數據、同步、均衡、FFT、解映射、解FEC等處理，最后由音頻譯碼模塊將音頻幀送給USB聲卡進(jìn)行播放。 為了保證線(xiàn)程間數據傳遞有序進(jìn)行，CVI還提供了事件通知、安全隊列、線(xiàn)程優(yōu)先級等函數，保證線(xiàn)程間的同步和數據的傳遞。本系統使用的是全局 BUFFER和安全隊列回調函數方式使兩個(gè)線(xiàn)程間獲得同步。即兩個(gè)線(xiàn)程間共享一個(gè)BUFFER和安全隊列，前一個(gè)線(xiàn)程將每次計算得到的數據寫(xiě)到 BUFFER中，并產(chǎn)生一標志位FLAG，寫(xiě)入安全隊列，后一線(xiàn)程捕捉到安全隊列中的FLAG，判斷是否滿(mǎn)足回調函數的條件，滿(mǎn)足則啟動(dòng)該線(xiàn)程，并將 BUFFER中的數據讀出，不滿(mǎn)足則繼續捕捉FLAG。通過(guò)對安全隊列中FLAG的讀寫(xiě)，控制線(xiàn)程啟動(dòng)的時(shí)間，使得兩線(xiàn)程對數據的讀寫(xiě)達到平衡。程序中控制流程如圖3所示。圖4為由PXI5671輸出到頻譜儀E4440A的OFDM頻譜。
圖3 線(xiàn)程控制流程圖
圖4 PXI5671輸出的OFDM頻譜 結論 本系統用LabWindows/CVI8.5軟件完成OFDM的數字基帶處理，在PXI硬件平臺上完成射頻信號的處理，有效地對OFDM系統進(jìn)行驗證。而搭建FPGA PCB平臺完成OFDM Demo樣機，首先在芯片的選型、制板上就需要大量的時(shí)間和人員，且具有一定的風(fēng)險性；其次在軟件代碼開(kāi)發(fā)方面，需要花大量的時(shí)間對FPGA代碼進(jìn)行仿真測試和集成，而且改動(dòng)起來(lái)靈活性差。然而基于NI技術(shù)的OFDM系統的開(kāi)發(fā)，由于在軟件上仿真代碼的可移植性，和上變頻等硬件平臺的實(shí)用性，減少了 OFDM系統的開(kāi)發(fā)周期，節約了開(kāi)發(fā)成本和人員。 作者：國家廣播電影電視總局 廣播科學(xué)研究院 無(wú)線(xiàn)技術(shù)研究所工程師 邸娜 本文獲NI公司2009 案例征文大賽單項獎（實(shí)驗室研究） |
