基于NI技術(shù)的OFDM發(fā)射接收系統(tǒng)
An OFDM Transmitter and Receiver system based on NI technique
作者：邸娜
職務(wù)：工程師
單位：國家廣播電影電視總局 廣播科學(xué)研究院 無線技
術(shù)研究所

 
應(yīng)用領(lǐng)域：射頻(RF)，信號采集與發(fā)生
挑戰(zhàn)：OFDM是一種多載波的數(shù)字傳輸體制，以其特有的優(yōu)勢被廣泛地應(yīng)用到數(shù)字音頻廣播，數(shù)字電視廣播和無線寬帶等領(lǐng)域，并將進(jìn)入到更多的領(lǐng)域中。對OFDM系統(tǒng)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銷和時(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(tǒng)，可以極大地縮短OFDM系統(tǒng)的開發(fā)周期，才能在標(biāo)準(zhǔn)層出不窮的今天具有較強(qiáng)的競爭優(yōu)勢。
應(yīng)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(xiàn)OFDM發(fā)射機(jī)與接收機(jī)的樣機(jī)。
使用產(chǎn)品：
LabWindows/CVI8.5 軟件開發(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(shù)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(yīng)用到數(shù)字音頻廣播，數(shù)字地面電視和無線局域網(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(jī)的研制和開發(fā)無論在軟件算法的編寫，還是硬件電路平臺的搭建，都需要大量的人員和開銷，且存在較高的風(fēng)險(xiǎn)。本文提出一種基于NI平臺的OFDM實(shí)時(shí)收發(fā)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，即在CVI軟件仿真平臺上實(shí)現(xiàn)OFDM符號的數(shù)字基帶處理算法的編寫，用NI PXI5671和NI PXI5661實(shí)現(xiàn)OFDM射頻模擬信號的發(fā)射與接收。對OFDM系統(tǒng)進(jìn)行有效的驗(yàn)證，為今后大規(guī)模芯片生產(chǎn)提供了可靠的解決方案和理論指導(dǎo)。
OFDM系統(tǒng)簡介
正交頻分復(fù)用(OFDM，
OrthogonalFrequency Division Multiplexing)是把高速串行數(shù)據(jù)分成多條并行的低速數(shù)據(jù)，分別對多個(gè)正交子載波進(jìn)行調(diào)制，從而達(dá)到更高的頻譜效率、更大的系統(tǒng)容量，并且符號持續(xù)時(shí)間大大加長，在移動(dòng)、多徑、衰落環(huán)境下有很大的優(yōu)勢。
本系統(tǒng)的主要功能是用前端的USB設(shè)備對聲音信號進(jìn)行采集、處理，調(diào)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(shù)字信號，并解出音頻幀由USB設(shè)備播放。發(fā)端系統(tǒng)的基帶數(shù)據(jù)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(shù)字上變頻和射頻調(diào)制等。接收系統(tǒng)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(diào)和數(shù)字下變頻。
OFDM系統(tǒng)硬件平臺架構(gòu)
整個(gè)系統(tǒng)由兩臺NI主機(jī)，兩個(gè)USB聲卡設(shè)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(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
首先由發(fā)端的USB設(shè)備對輸入的聲音信號進(jìn)行采樣，樣點(diǎn)送入NI主機(jī)，然后在發(fā)端的上層軟件中編寫OFDM基帶處理等算法，生成的OFDM基帶數(shù)據(jù)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(shù)字信號處理)模塊，板卡RAM模塊負(fù)責(zé)主機(jī)和PXI板卡間的數(shù)據(jù)傳遞，OSP模塊可對信號進(jìn)行重采樣濾波，數(shù)字上變頻和DA轉(zhuǎn)換等。PXI5610為射頻板卡，經(jīng)過兩級混頻放大濾波可將PXI5441輸出的模擬IF信號調(diào)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(diào)，下變頻到數(shù)字基帶信號，并輸出到NI主機(jī)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(zhuǎn)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(shù)字下變頻、重采樣濾波和主機(jī)與PXI板卡數(shù)據(jù)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。
無論收端還是發(fā)端系
統(tǒng)，上層軟件算法產(chǎn)生的數(shù)據(jù)和PXI板卡的數(shù)據(jù)交互需要由主機(jī)內(nèi)存和板卡RAM來完成，其中DMA控制主機(jī)內(nèi)存和板卡RAM間的數(shù)據(jù)傳遞，最大可達(dá)到1Gbytes/s的數(shù)據(jù)吞吐量。板卡RAM采用的是一種SMC(Synchronization and Memory Core)技術(shù)，該技術(shù)無須將指令和數(shù)據(jù)分開存儲，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(shù)據(jù)流進(jìn)行緩存，最后由OSP的讀取引擎，并以上層軟件中所設(shè)的IQ速率讀取數(shù)據(jù)，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(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
基帶處理算法的實(shí)現(xiàn)
是基于LabWndows/CVI8.5的軟件平臺，它是一個(gè)交互式開發(fā)平臺，集成了標(biāo)準(zhǔn)C的編譯、鏈接、調(diào)試等，并且采用簡單直觀的用戶界面設(shè)計(jì)，用戶只需在函數(shù)面板上直接輸入?yún)?shù)，就會(huì)以事件驅(qū)動(dòng)回調(diào)函數(shù)的方式運(yùn)行整個(gè)程序，并可以將數(shù)據(jù)以圖形的形式在界面上顯示，提高了整個(gè)工程的運(yùn)行效率。圖2為本系統(tǒng)發(fā)端和收端的應(yīng)用界面。
 
 
圖2 OFDM發(fā)、收系統(tǒng)界面
對于單線程系統(tǒng)，一般
分為數(shù)據(jù)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(zhí)行的，即后一個(gè)模塊需等待前一個(gè)模塊數(shù)據(jù)的到來時(shí)才開始工作。然而本系統(tǒng)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(nèi)處理完一幀，才能及時(shí)提供給USB聲卡樣點(diǎn)連續(xù)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(nèi)完成一個(gè)物理幀到音頻幀的解調(diào)。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，F(xiàn)EC、映射及OFDM成幀等模塊也必須在400ms內(nèi)處理完成，否則會(huì)出現(xiàn)丟幀和覆蓋的現(xiàn)象?？梢钥隙?，用單線程這種順序化的執(zhí)行方式效率很低，每個(gè)模塊都要等待前一個(gè)模塊的數(shù)據(jù)，對于實(shí)時(shí)性要求較高和復(fù)雜性較高的系統(tǒng)不適用。
本系統(tǒng)使用的是多線程技術(shù)，可以將處理模塊拆分成多個(gè)線程，使多個(gè)線程并行運(yùn)行，只要保證每個(gè)線程的運(yùn)行時(shí)間小于音頻處理模塊，系統(tǒng)就會(huì)正常工作。其中發(fā)端算法用3個(gè)線程完成音頻編碼，F(xiàn)EC、映射、OFDM成幀等處理，并將OFDM數(shù)據(jù)寫到板卡RAM中。收端算法用6個(gè)線程完成從板卡RAM中讀取OFDM基帶數(shù)據(jù)、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。
為了保證線程間數(shù)據(jù)
傳遞有序進(jìn)行，CVI還提供了事件通知、安全隊(duì)列、線程優(yōu)先級等函數(shù)，保證線程間的同步和數(shù)據(jù)的傳遞。本系統(tǒng)使用的是全局BUFFER和安全隊(duì)列回調(diào)函數(shù)方式使兩個(gè)線程間獲得同步。即兩個(gè)線程間共享一個(gè)BUFFER和安全隊(duì)列，前一個(gè)線程將每次計(jì)算得到的數(shù)據(jù)寫到BUFFER中，并產(chǎn)生一標(biāo)志位FLAG，寫入安全隊(duì)列，后一線程捕捉到安全隊(duì)列中的FLAG，判斷是否滿足回調(diào)函數(shù)的條件，滿足則啟動(dòng)該線程，并將BUFFER中的數(shù)據(jù)讀出，不滿足則繼續(xù)捕捉FLAG。通過對安全隊(duì)列中FLAG的讀寫，控制線程啟動(dòng)的時(shí)間，使得兩線程對數(shù)據(jù)的讀寫達(dá)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4 PXI5671輸出的OFDM
頻譜
結(jié)論
本系統(tǒng)用LabWindows/CVI8.5軟件完成OFDM的數(shù)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(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證。而搭建FPGA  PCB平臺完成OFDM Demo樣機(jī)，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(xiǎn)性；其次在軟件代碼開發(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)起來靈活性差。然而基于NI技術(shù)的OFDM系統(tǒng)的開發(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(tǒng)的開發(fā)周期，節(jié)約了開發(fā)成本和人員。