An OFDM Transmitter and Receiver system based on NI technique

應用領域：射頻(RF)，信號采集與發生

挑戰：OFDM是一種多載波的數字傳輸體制，以其特有的優勢被廣泛地應用到數字音頻廣播，數字電視廣播和無線寬帶等領域，并將進入到更多的領域中。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銷和時間。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OFDM系統的開發周期，才能在標準層出不窮的今天具有較強的競爭優勢。

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正版軟件實現OFDM發射機與接收機的樣機。

使用產品：

LabWindows/CVI8.5 軟件開發平臺；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點，已經被廣泛應用到數字音頻廣播，數字地面電視和無線局域網等領域，并且被看作第四代移動通信的核心技術之一。但是對OFDM樣機的研制和開發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，且存在較高的風險。本文提出一種基于NI平臺的OFDM實時收發系統的設計方法，即在CVI軟件仿真平臺上實現OFDM符號的數字基帶處理算法的編寫，用NI PXI5671和NI PXI5661實現OFDM射頻模擬信號的發射與接收。對OFDM系統進行有效的驗證，為今后大規模芯片生產提供了可靠的解決方案和理論指導。

OFDM系統簡介

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，分別對多個正交子載波進行調制，從而達到更高的頻譜效率、更大的系統容量，并且符號持續時間大大加長，在移動、多徑、衰落環境下有很大的優勢。

本系統的主要功能是用前端的USB設備對聲音信號進行采集、處理，調制到OFDM符號中，并上變頻到射頻信號發射。收端將接收到的射頻信號進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

整個系統由兩臺NI主機，兩個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

首先由發端的USB設備對輸入的聲音信號進行采樣，樣點送入NI主機，然后在發端的上層軟件中編寫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模塊可對信號進行重采樣濾波，數字上變頻和DA轉換等。PXI5610為射頻板卡，經過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。

無論收端還是發端系統，上層軟件算法產生的數據和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，該技術無須將指令和數據分開存儲，RAM中的FPGA模塊不但能處理上層軟件產生的所有指令，對OSP各模塊進行配置，而且能對數據流進行緩存，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中進行重采樣、濾波、變頻等處理。

基帶處理算法的設計與實現

基帶處理算法的實現

是基于LabWndows/CVI8.5的軟件平臺，它是一個交互式開發平臺，集成了標準C的編譯、鏈接、調試等，并且采用簡單直觀的用戶界面設計，用戶只需在函數面板上直接輸入參數，就會以事件驅動回調函數的方式運行整個程序，并可以將數據以圖形的形式在界面上顯示，提高了整個工程的運行效率。圖2為本系統發端和收端的應用界面。

圖2 OFDM發、收系統界面

對于單線程系統，一般分為數據的采集模塊、分析處理模塊、顯示存儲模塊。這三個模塊在時間上是順序執行的，即后一個模塊需等待前一個模塊數據的到來時才開始工作。然而本系統對實時性要求比較高，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，才能及時提供給USB聲卡樣點連續地播放聲音，這就需要音頻譯碼模塊前的所有基帶處理部分需要在400ms內完成一個物理幀到音頻幀的解調。同樣在發端，USB聲卡每秒采集19200個樣點給音頻編碼模塊進行編碼，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，否則會出現丟幀和覆蓋的現象。可以肯定，用單線程這種順序化的執行方式效率很低，每個模塊都要等待前一個模塊的數據，對于實時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程技術，可以將處理模塊拆分成多個線程，使多個線程并行運行，只要保證每個線程的運行時間小于音頻處理模塊，系統就會正常工作。其中發端算法用3個線程完成音頻編碼，FEC、映射、OFDM成幀等處理，并將OFDM數據寫到板卡RAM中。收端算法用6個線程完成從板卡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聲卡進行播放。

為了保證線程間數據傳遞有序進行，CVI還提供了事件通知、安全隊列、線程優先級等函數，保證線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線程間獲得同步。即兩個線程間共享一個BUFFER和安全隊列，前一個線程將每次計算得到的數據寫到BUFFER中，并產生一標志位FLAG，寫入安全隊列，后一線程捕捉到安全隊列中的FLAG，判斷是否滿足回調函數的條件，滿足則啟動該線程，并將BUFFER中的數據讀出，不滿足則繼續捕捉FLAG。通過對安全隊列中FLAG的讀寫，控制線程啟動的時間，使得兩線程對數據的讀寫達到平衡。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間和人員，且具有一定的風險性；其次在軟件代碼開發方面，需要花大量的時間對FPGA代碼進行仿真測試和集成，而且改動起來靈活性差。然而基于NI技術的OFDM系統的開發，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用性，減少了OFDM系統的開發周期，節約了開發成本和人員。

作者：邸娜
職務：工程師
單位：國家廣播電影電視總局 廣播科學研究院 無線技術研究所