LDPC—RCM—OFDM通信系統平臺設計與實現

摘 要 隨著無線通信技術發展，通信系統硬件平臺不僅要求具有極強的處理能力以滿足實時快速的算法實現要求，同時也需支持多種無線環境的應用。因此，如何快速而靈活的實現實際無線通信系統具有重要的意義。本文提出一種基于FPGA為核心的無線通信硬件平臺，該平臺能夠方便完成數字基帶信號處理、通信信號處理算法的硬件實現以及DA/AD控制和射頻模塊配置等工作。我們還設計了高速的DA/AD子板，用以連接FPGA和寬帶射頻子板，從而實現快速無線通信系統的搭建。最后，通過軟硬件模塊化設計和調試，完成了基于LDPC-RCM-OFDM通信系統驗證。結果表明該硬件平臺具有較強的信號處理能力和快速而靈活的通信系統實現能力。

【關鍵詞】速率兼容調制 正交頻分復用技術 硬件平臺

1 引言

正交頻分復用技術（OFDM）作為當前和未來移動通信的關鍵技術之一，已廣泛應用于現代數字通信系統中。OFDM具有允許各子載波分別使用不同調制模式的優越性、較高的頻帶利用率、較強的抗衰落和符號間干擾能力?；谒俾始嫒菡{制（RCM）自適應傳輸技術能夠有效提高頻率效率，且能在較寬的信道范圍內獲得光滑的速率調整[1]。因此，將OFDM與基于RCM的自適應調制相結合具有良好的應用前景。同時，實際無線時變信道往往會遭遇突發干擾和深衰落，從而導致很高的誤碼率，為建立起高速可靠的通信鏈路，還需利用信道編碼以克服信道的噪聲、衰落和突發干擾。而低密度奇偶校驗碼（LDPC）被證明有著優異的糾錯性能，并且LDPC碼在性能分析、解碼運算復雜度、構造方法以及硬件實現上具有諸多優勢[2]。

因此，基于LDPC-RCM-OFDM的通信系統將能夠充分利用各自優勢，在有效提高頻譜效率的同時具有較強抗突發干擾和衰落的能力。為對該系統性能進行快速驗證，本文設計了一種LDPC-RCM-OFDM硬件驗證平臺，該平臺以ML605 FPGA開發板為核心，完成數字基帶信號處理、RCM解調和LDPC解碼，實現對高速AD＼DA子板的控制，并采用通用軟件無線電[3]（USRP）的寬帶射頻子板WBX構建實際無線通信鏈路。由于采用高性能的FPGA和模塊化的硬件結構，本實驗平臺具有較強的信號處理能力和快速靈活搭建實際無線通信系統特點。該硬件平臺還可以為其他無線通信系統提供基于軟件無線電方式的快速實現和驗證。

2 硬件平臺設計

2.1 系統總體概述

本文提出的LDPC-RCM-OFDM通信系統驗證平臺框圖如圖1所示，該平臺主要包含基帶處理模塊、DA/AD轉換模塊、射頻模塊三部分。其中Xilinx公司的ML605 FPGA開發平臺主要進行基帶處理和通信信號算法實現；射頻前端模塊完成無線信號的收發；高速DA/AD子板將FPGA和寬帶射頻子板連接以快速搭建完整的實際無線通信系統；計算機完成數據產生、接收、誤碼檢測和內存分配，PC機通過PCIe接口與FPGA板進行通信。

2.2 基帶處理模塊

硬件平臺以ML605FPGA開發板為核心，該平臺具有高性能的邏輯和數字信號處理能力、可外擴2GB容量DDR3 SODIMM存儲器、支持X8通道PCIe總線接口、可外掛程序和數據固化功能的32MB FLASH、千兆以太網接口、支持FMC連接器擴展接口。FPGA芯片為XC6VSX240T，富含豐富硬件乘法資源、邏輯資源和高速串行接口和總線，非常適合進行高性能的無線通信產品開發。

FPGA主要完成數字基帶信號處理、通信信號處理算法的硬件實現。發送信息經分組、編碼、交織、映射調制、串/并轉換、IFFT、插入循環前綴CP，最后經DA數模轉換后通過射頻板發射。接收信號的數據處理為發射過程的逆過程，將接收到的信息解調譯碼，得到基帶信號，這里不再詳細論述。

2.3 DA/AD處理模塊

發送端需要對數字基帶信號進行DA轉換，得到I/Q兩路模擬信號，然后通過射頻前段上變頻和濾波處理并發射。DA輸出控制采用AD公司生產的16bit/160M數模轉換器AD9777，其在通信、數字調制、3G、寬帶無線等領域得到了廣泛的應用，芯片主要包括I/Q通道數據接口模塊、數字調制模塊、鎖相環時鐘模塊、內插濾波器模塊和SPI數據控制接口。圖2為AD9777電路詳細設計方案。

FPGA通過SPI接口對AD9777控制寄存器進行配置，片選CSB拉低以后開始通信，在時鐘SCLK的上升沿，芯片通過SDIO寫入數據到SPI控制器，SCLK的下降沿，芯片通過SDIO讀取寄存器數據，CSB上升沿結束通信并將數據寫入相應的寄存器實現芯片功能的配置。輸入數據在參考時鐘CLK+/-的上升沿寫入數據端口P1和P2，實現模擬電壓輸出。我們通過Verilog HDL語言完成AD9777的控制邏輯設計，并通過仿真以驗證程序是否滿足AD9777控制時序，仿真結果如圖3所示。

從圖3的可以看出，仿真結果完全滿足SPI的控制時序。隨后我們還在FPGA上進行硬件測試，硬件測試結果表明，完全可以實現對AD9777的準確控制。

接收端通過射頻前段下變頻和濾波處理后，需要對接收到的模擬信號進行AD轉換，得到數字信號，再進行基帶處理和解調解碼。本設計中ADC芯片選用TI公司的14bit/125M模數轉換器ADS62P45，其主要應用于無線通信、軟件無線電、Wimax等領域。該芯片控制電路簡單，僅需通過檢測SCLK、SEN、CTRL[1：3]引腳電壓確定ADC工作模式，如外部/內部參考、DDR LVDS/CMOS輸出、數據格式以及掉電模式等。

參考芯片手冊，本文采用并行模式、CMOS電平、二進制補碼輸出，該模式下，SCLK和SEN引腳接AVDD，SDATA引腳下拉，RESET引腳則上拉，輸入差分時鐘CLKP/M，ADC芯片即可實現模擬信號數字化。ADS62P45詳細設計電路如圖4所示。

2.4 射頻模塊

射頻前端模塊主要實現模擬低頻信號上變頻到適合傳輸的射頻信號，或者把從空間接收到的射頻信號下變頻到數字中頻信號。為了避免了射頻單元的設計，系統借用了USRP里的射頻子板WBX，該子板只需通過FPGA將配置參數寫入射頻模塊，實現射頻模塊的工作方式、衰減系數和中心頻率等參數控制，就能快速構建實際無線通信鏈路。其中WBX射頻板卡頻率范圍：50MHz～2.2GHz，包括公共安全、廣播電視、未來陸地移動通信、低功耗unlicensed設備、WSN、手機，以及五個業余無線電波段。由于采用寬帶WBX射頻板，使得本硬件平臺能夠滿足多種通信系統。通過FPGA配置，可以快速靈活的構建不同實際通信系統。

3 結論

本文設計的基于Xilinx公司的ML605 FPGA為核心的無線通信硬件驗證平臺實物如圖5所示。硬件和軟件調試結果表明，該通信實驗平臺不僅能夠滿足LDPC-RCM-OFDM通信系統驗證要求，還可以通過FPGA編程控制射頻和AD＼DA，快速而靈活的搭建其他高速無線通信系統。

參考文獻

[1]Wengui Rao，Fang Lu，Shaoping Chen，Yan Dong，Shu Wang，Low-Complexity Rate Compatible Modulation via Variable Weight Sets，IEEE Global Communications Conference （Globecom 2014），Austin，USA，pp.3633-3638，Dec.2014.

[2]Liangbin Li，Ramesh Annavajjala，Toshiaki Koike-Akino，and Philip Orlik，Robust Receiver Algorithms to Mitigate Partial-Band and Partial-Time Interference in LDPC-coded OFDM Systems，Military Communications Conference （MILCOM 2012），pp：1-6，2012.

[3]北京海曼無限信息技術有限公司.USRP系列產品白皮書[Z].北京海曼無限信息技術有限公司，2009.

作者簡介

周陽忠（1989-），男，土家族，湖北省利川市人。碩士研究生。研究方向為無線通信。

榮宇航（1995-），男，湖北省仙桃市人。本科生。研究方向為無線通信。

作者單位

中南民族大學電子信息工程學院 湖北省武漢市 430074