儲蓄蓄， 陳 偉， 樊 豐

(電子科技大學 電子工程學院，四川 成都 610054)

0 引言

編碼正交頻分復用是一種新型高效編碼調(diào)制技術，它不僅包含了OFDM調(diào)制技術的所有優(yōu)點，還能消除OFDM調(diào)制不能解決的多徑傳播引起的時間選擇性衰落和多普勒頻移的影響。因此COFDM調(diào)制技術已經(jīng)受到了人們普遍的關注。本文基于TI公司的TMS320C6415高性能數(shù)字處理器，設計了一套完整的COFDM無線調(diào)制解調(diào)器方案：包括隨機化、RS編譯碼、交織、映射、FFT和IFFT算法，所有算法都是使用匯編語言編程針對TMS320C6415實現(xiàn)的。

1 COFDM調(diào)制解調(diào)器的方案設計

如何將OFDM調(diào)制技術結合性能優(yōu)越的FEC信道編碼[1]，來進一步提高系統(tǒng)抗噪聲性能，以期在信噪比(S/N)相同時顯著降低誤碼率，提高通信的傳輸速率及可靠性。采用RS(里德一所羅門)糾錯編碼作為信道編碼。因為RS碼為非二進制循環(huán)碼和極大最小距離碼，距離特性好，非常適于糾正突發(fā)性錯誤。

基于該RS糾錯編碼、數(shù)據(jù)交織技術對誤碼率的保證及OFDM本身對衰落和干擾的良好抵御能力，映射時就可用要求傳輸特性很高的M-QAM(多進制正交幅度調(diào)制)調(diào)制手段來獲得更高的傳輸速率，采用AGC控制技術，跟蹤信號幅度的緩慢變化，以提高AD采樣的信噪比。本文設計的整個COFDM測井電纜調(diào)制解調(diào)器的傳輸流程見下頁圖1所示。

協(xié)議層數(shù)據(jù)首先進入輸入數(shù)據(jù)緩沖器，物理層打包器根據(jù)比特緩沖器及輸入數(shù)據(jù)緩沖器的狀態(tài)從輸入數(shù)據(jù)緩沖器中獲取數(shù)據(jù)打包，或者輸出空包。

映射模塊根據(jù)比特分配表的值對每一個子載波從輸入數(shù)據(jù)緩沖器中獲取比特數(shù)據(jù)并進行星座映射。

1.1 隨機化

從物理層打包器輸出的字節(jié)流需要進入擾碼器進行隨機化，即將輸入比特與一偽隨機比特相異或得到輸出比特，偽隨機序列發(fā)生多項式[2]為：

擾碼器邏輯結構如下頁圖2所示。

圖1 COFDM測井電纜調(diào)制解調(diào)器結構框

圖2 加擾器

PRBS每超幀以及每輸出2048字節(jié)后復位一次，復位時加載初始化比特1001,0101,0000,000B。

1.2 RS編碼

外信道編碼采用由原體系的RS(255,239,t=8)碼衍生的縮短的Seed-Solomon碼[3]構成，每一個隨機化數(shù)據(jù)塊后增加16字節(jié)的校驗數(shù)據(jù)，以產(chǎn)生一個誤碼保護包，即RS校驗包。

RS碼的碼生成多項式：

域生成多項式：

其中HEX02λ=，編碼的原理如圖3所示。

圖3 RS編碼器

1.3 卷積交織

交織技術[3]就是為了對付多徑衰落和屏蔽引起的突發(fā)錯誤，使突發(fā)錯誤信道變?yōu)殡S機差錯信道。交織器是由輸入輸出轉向器和隨長度增加的I排移位寄存器陣列組成，來自編碼器的編碼序列依次輸入各排移位寄存器，經(jīng)過I次輸入之后，又從第一排移位寄存器進行輸入以實現(xiàn)周期性的交織。在接收端解調(diào)之后進行交織，也就是I次輸入之后恢復開始的狀態(tài)，這就完成了一個交織/去交織的過程。I、M為交織參數(shù)，M代表處理單元的字節(jié)數(shù)。交織/解交織的原理如圖4所示。RS編碼輸出結果進入I＝8，M＝16的卷積交織器，每個RS包的第一個字節(jié)從交織器的0支路通過。

1.4 映射

將每個RS編碼輸出的數(shù)據(jù)塊送入一個比特緩沖區(qū)，字節(jié)的MSB優(yōu)先進入緩沖區(qū)，如下：

根據(jù)比特分配的結果第 i個子載波上分配的比特數(shù)為Nbi個， Nbi的范圍是從1～9比特。依次從 BN中取出 Nbi比特分配給第i個子載波，則第i個子載波上分配的比特記為一個比特向量：

采用格雷碼映射將每一個比特向量映射為一個復數(shù)iz。

圖4 交織/解交織原理

1.5 IFFT和FFT算法模塊

經(jīng)IFFT變換后直接輸出兩倍采樣的實基帶信號，IFFT變換需要做相應的預處理，預處理過程如下：

設OFDM符號在頻域經(jīng)補0后組織為256維復向量：

① 對 ZIFFT(k)進行共軛復制構成512維復向量：

② 設同時輸入兩行經(jīng)共軛復制的OFDM頻域符號，記為 Xm(k)和 Xm+1(k)：

即：

xm(n)即為 Xm(k)兩倍采樣的實基帶輸出，(n)即為(k )兩倍采樣的實基帶輸出。

在接收端，對接收的OFDM模擬信號進行采樣，恢復出x(n)，則有X(k)=FFT[x(n)]，通過星座圖的反映射和并/串變換，就實現(xiàn)了OFDM解調(diào)。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

1.6 子載波調(diào)整

數(shù)據(jù)在頻域組幀后被映射為一個復數(shù)向量：

m是上行/下行信道的第一個子信道的標號，n是上行/下行信道的最后一個子信道的標號。進行FFT變換前首先應該將Z前后補充0，組成256維復數(shù)向量然后就可以采用上面描述的方法進行IFFT變換。

1.7 保護間隙[5]

在測井電纜傳輸系統(tǒng)中，由于回波時差的原因，OFDM信號的嚴格正交性受到破壞，因此造成了信道間干擾和碼間干擾。為了提高系統(tǒng)的性能消除這些影響，需要對碼元加保護時間段。一個OFDM符號長度為有效符號長度加上保護間隔長度，即819.2+204.8=1024 us,如圖5所示。

圖5 OFDM符號

2 DSP實現(xiàn)

2.1 DSP芯片－TMS320C6415

編碼器的核心部件采用TMS320C6415。這是TI公司的一款高性能的固定點的數(shù)字信號處理器，工作頻率最大可支持 720 MHz，DSP內(nèi)核采用超長指令集架構(VLIW)。其基于VelcociTI.2結構，有三條最高速率可達133 MHz的外部總線，一是作為高速無縫連接的同步或異步存儲器接口總線，數(shù)據(jù)率可達1.1 Gb/s；二是用于低速外設接口總線；三是用于支持工業(yè)標準的主機接口總線。它還有三個靈活的多通道緩沖串口，每個多通道緩沖串口都可以提供 100 Mb/s的附加處理能力。它增強的直接存儲器和存取控制器(EDMA)，可以通過64個獨立的通路提供超過2 Gb/s的I/O帶寬。另外，它還有兩級片內(nèi) Cache(高速緩沖存儲器），允許系統(tǒng)設計者使用更低速率、更便宜的外部存儲器來存儲數(shù)據(jù)和程序，并可保持設備的高性能，使程序設計者能夠快速地開發(fā)出高性能的程序代碼。

本設計采用多通道緩沖串行口 McBSP[6]來完成數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收。其功能如下：

① 全雙工通信；

② 雙緩沖發(fā)送及三緩沖接收數(shù)據(jù)寄存器，允許連續(xù)的數(shù)據(jù)流通信；

③ 接收、發(fā)送可獨立進行組幀和同步；

④ 可直接與符合工業(yè)標準的編解碼器、模擬接口芯片及其他串行A/D和D/A器件接口；

⑤ 使用外部移位時鐘或內(nèi)部頻率可編程移位時鐘；

⑥ 多達128個通道的多通道發(fā)送和接收能力；

⑦ 數(shù)據(jù)字長度可選：8，12，16，20，24或32 bit；

⑧ 具有μ-律和A-律壓擴功能；

⑨ 比特數(shù)據(jù)傳遞時可選擇高位或低位在先；

⑩ 幀同步和數(shù)據(jù)時鐘的極性可編程；

2.2 硬件實現(xiàn)[6]

調(diào)制部分的子程序被系統(tǒng)調(diào)用前，由串行接收數(shù)據(jù)引腳BDR輸入的信號，在外部接收幀同步信號FSR和時鐘CLKR的作用下移入位寄存器RSR一旦接收到1個字(位數(shù)由RCR寄存器確定)，而且上一個存儲在接收寄存器DRR中的數(shù)據(jù)已被CPU取走，則當前數(shù)據(jù)進入DRR，同時產(chǎn)生串口中斷。CPU將數(shù)據(jù)存到接收緩沖區(qū)。當1幀數(shù)據(jù)接收完成后，將其復制到buffer段，并開始對該幀數(shù)據(jù)進行隨機化和RS編碼，接著再接收下一幀，同時調(diào)用交織和映射程序對RS編碼數(shù)據(jù)進行交織編碼裝入數(shù)據(jù)存儲器。然后程序從數(shù)據(jù)存儲區(qū)讀取一幀數(shù)據(jù)，并行放入IFFT工作區(qū)的相應位置，隨后進行IFFT以及加入循環(huán)前綴(即復制數(shù)據(jù)的后若干位插入到數(shù)據(jù)的前段)處理。將其結果存放在發(fā)送緩沖區(qū)經(jīng)發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器DXR通過引腳BDX輸出。

接收過程與發(fā)送數(shù)據(jù)過程基本類似也是采用中斷的方式進行，只是數(shù)據(jù)流方向相反。這里為了和信源速率保持一致，我們將BFSR和CLKR引腳設最為輸入狀態(tài)，采用外部的接收幀同步信號和接收時鐘信號，而發(fā)送時的幀同步信號和時鐘信號由DSP內(nèi)部的采樣率發(fā)生器經(jīng)過分頻得到(分頻因子和幀周期分別由SRGR寄存器的CLKGDV和FPER確定)。

3 結語

這種新型高速通信傳輸技術運用于測井電纜傳輸系統(tǒng)中，不僅可以滿足系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?，而且具有良好的抗噪聲能力。隨著通信技術和大規(guī)模集成電路的不斷發(fā)展，COFDM系統(tǒng)將日趨完善，以其高效的頻譜利用率，優(yōu)質(zhì)的性能和多種配制、參數(shù)的靈活性，一定會更適合于測井電纜信道數(shù)據(jù)傳輸。

[1] John G Prokis. Digital Communications Fourth Edition[M]. USA:McGraw Hill Press,2001.

[2] 張峻峰.正交頻分復用(OFDM)調(diào)制技術[J].天津通信技術,1998(02):1-5.

[3] 張珣,羅漢文,宋文濤.跳頻通信系統(tǒng)中的糾錯碼設計與實現(xiàn)[J].通信技術,2001(02):11-13.

[4] 全子一,周利清,門愛東.數(shù)字信號處理基礎[M].北京:北京郵電大學出版社,2002.

[5] 王敬農(nóng),鞠曉東.石油地球物理測井技術進展[M].北京:石油工業(yè)出版社,2007.

[6] 李精華,李云,孫智研. 基于 COFDM 技術的無線調(diào)制解調(diào)器的設計[J].桂林航天工業(yè)高等?？茖W院學報,2006(01):45-47,63.