基于OFDM调制解调模块的设计与实现

0 引言

随着技术和器件水平的发展以及对高速和可靠传输的要求，OFDM技术应用越来越广泛，由于其具有高速数据传输能力、高效的频谱利用率和抗多径干扰等能力，成为通信的研究热点之一。在OFDM通信系统中，为实现高效信息的传输，可以采用多进制数字调制方式来传输数据符号。本文设计了一个用于OFDM通信系统的通用调制解词模块，采用了BPSK、QPSK、16QAM和64QAM四种调制方法，利掰共用ROM、共厢减法器等器件的方法，减少了电路规模和硬件资源消耗。此电路具有能够通过消息反馈机制来自动调整调制方法的能力。

1 调制/解调子模块结构

通用调制解调模块原理如图1所示。其中，选择子模块用来选择调制子模块和解调子模块采用的调制方法。子模块通过判别输出数据的误码率来返回信息给选择子模块，如果当前采用的调制方法的瀑码率较高，那么选择子模块就会自动调整采用其他的调制方法，达到采用最佳调制方法。

在通用调制解调模块中，最主要的模块就是调制子模块和解调子模块。下面介绍这两个子模块的设计和实现。

2设计分析

在调制子模块和解调子模块的实现中，采用了四种调制方式：BPSK、QPSK、16QAM和64QAM。

2.1调制方式分析

如图2所示，BPSK在实际实现时，将0映射为1，将1映射为-1，来完成映射。解调时，将数据进行一下逆转换即可。而QPSK具有4个星座位置，QPSK的映射为：00对应-1-li;01对应-1+li;10对应1-li;11对应1+li;并乘以归一化因子。解调时，只要进行相反的过程，并将0作为裁决电平，即可实现数据的解调恢复。

16QAM 由星座分布形状可以分为方形16QAM和非方形16QAM，方形16QAM的星座图如图2(c)。根据星座图实现时，将00映射为-1，01映射为 -1/3，10映射为1，11映射为1/3;解调时，采用的是硬判决的方法，根据星座点的位置将空间划分为16个区域，每个区域以星座点为中心，在判定时，落人某个区域的数就认为是相应星座。64QAM调制方式与16QAM相似，不过星座点更多，效率也更高，实现中的映射表也更大，同样，解调时也采用硬判决。

实际中，BPSK是一种较为简单的MPSK，采用了一个ROM存储映射表，而QPSK由于采用4进制PSK调制，每种相位信号可表示两位二进制信息，其编码效率提高一倍，64QAM由于星座点较多，进行判决的次数也相应较多。

2.2电路优化策略

一般调制解调模块设计中，分别设计和实现各种调制方式，然后用一个选择器来进行选择。但在各种调制方式的设计实现中，电路中许多器件都可以共用，将四种调制方式进行整合，达到电路优化设计是重点考虑的内容。具体优化设计策略如下：

(1)整合ROM

在调制子模块中，根据四种调制方式调制的映射表分析，BPSK和QPSK以及16QAM的映射表都不是很大，可以与64QAM的映射表进行整合，通过对映射表进行适当安排，合理的选择机制，可以实现一个ROM的调制子模块，改变以往需要四个ROM分别实现四种调制的方式。

(2)整合寄存器、减法器和选择器

BPSK 和QPSK的解调较简单，星座点较少，因此判决最后可以转换成映射关系。而16QAM和64QAM星座点较多，硬判决的区域判决需要一系列计算得出。实际判断时，将数据分为实部和虚部，分别进行判决。将实部(虚部)数据取模，然后和某星座点模值相减，将相减结果再取模与阈值相减进行比较，来判断是否属于该星座点。所以，16QAM和64QAM解调制时，可考虑共用进行数据运算所需的寄存器、数据选择器、减法器等器件。

3模块设计

由电路优化设计思想，调制子模块采用一个ROM来实现。调制子模块主要组成部分是存储映射表的ROM以及对ROM进行操作的控制器，其中控制器根据选择的调制方式和输入的数据对ROM进行操作。

3.1 ROM中映射表编制

如图3所示，设计了一个调制控制来选择ROM中的映射关系。基本思想是将四个ROM中的映射表整合到一个ROM中进行存储。但是不能将四张映射表简单的进行拼接，使得映射表的选择变得复杂，导致ROM的控制器变得庞大。

在编制映射表时，考虑到64QAM有64个映射关系，需要6位地址线的存储空间，而16QAM有16个映射关系，需要4位地址线的存储空间，因此，采用了将 ROM的前64位置分配给64QAM，其后的16位置分配给160AM方法。由于BPSK、QPSK的映射表可以蕴含在64QAM的映射表中，这样只需要在第七位地址线对64QAM和16QAM进行区分，这使得ROM控制器易于设计。

3.2 ROM控制器设计

在 ROM控制器中，根据ROM中映射表的安排，第七位地址线为0时对应于6 4QAM调制，地址线的前六位对应于输入数据;第七位地址线为1时对应于 16QAM调制，地址线的前四位对应于输入数据。这样，根据前级输出中输入的调制方式和输入的数据，模块控制器就能产生一个7位的地址线，对ROM进行操作。在实际中把地址线的前三位对应于输入数据的data_in(0)，4-6位对应输入数据的data_in(1)，即根据前级输出和数据输入来指定调制方式和输入数据对应的映射表，完成对ROM的控制。

3.3子模块实现

解调制采用硬判决的方法，根据星座点位置将空间进行划分，把落入相应空间的数对应到相应星座。根据数据与星座点之间的距离来判断，在距离小于阈值时，认为相应的数落入此星座空间。

由于数据可分为实部和虚部，判决可以分别进行，步骤相同。如对64QAM，实现如图4所示，包括以下步骤：(1)由判决模块1实现对实部取模;(2)子电路 1将取模后的数据与各星座点数据的实部模相减;(3)判决模块2将结果再次取模;(4)最后子电路2把取模后的数据与预设阈值相减，如结果为负，则判定落入此区间。同理可进行虚部判决，最后看实部和虚部确定的区间是否有重叠区域，就能确定归属的星座点。

对不同的星座点，16QAM与64QAM在判决过程中，子电路中的预设数据不同，因此，子电路1和子电路2不能共用，而判决模块1和判决模块2可以共用。传输的数据中，负数用补码表示，用选择器进行选择，对负数和正数分别进行取模。判决模块在16QAM和64QAM解调时可共用。

3.4调制方式选择

调制方式选择模块中对应四种调制方式分别设置为：00对应BPSK方式;01对应QPSK方式;10对应16QAM方式;11对应64QAM方式。

实际中，不同调制方式有各自的最佳工作区域，如64QAM适用于高发送速率的调制，在信噪比很低时，接收端的误码率会很高，因此需要自动调整调制方式以获得最佳传输效果。解决办法是当接收端误码率过高时，反馈信号给调制方式选择子模块，根据预设的顺序，更改调制方式，直到降低误码率。

4实现与仿真

通用调制解调制模块用Verilog HDL设计完成。选用ALTERA公司的CycloneII系列EP2C70F672C8器件，进行综合、布局布线和时序分析。优化后的调制解调模块的资源消耗与通常实现这四种调制方式的调制解调模块需要消耗的资源比较如表2。

可以看到各类模块在不损失功能和性能的基础上达到了节约资源的目的。模块的最大工作频率为136.54 MHz，符合OFDM系统中FFT的数据要求。逻辑元件减少了37%，存储器位减少了70%以上，寄存器减少了40%，与传统方式相比较，大大降低了系统对硬件的依赖性。

5 结论

对BPSK、QPSK、16QAM和64QAM调制方式的通用调制解调模块的优化设计，根据接收端误码率来自动调整所采取的调制方式，适当排列映射表，选择合理机制。用一个ROM调制子模块实现四种调制方式。采用将数据分为实部和虚部分别进行判决，可将16QAM和64QAM解调制运算所用的寄存器、数据选择器、减法器等器件进行整合。最后仿真实现结果说明，这种策略能达到在不损性能的前提下减少硬件资源需求目的。