CN111865862B - 一种基于cordic算法的ofdm基带信号生成及解调方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于CORDIC算法的OFDM基带信号生成及解调方法，涉及无线通信技术领域。其生成过程包括：在相位累加后的数据中加入相位控制字，之后根据得到的幅度数据和相位数据，采用CORDIC算法计算并输出得到子载波调制信号，将子载波调制信号相加即生成OFDM基带信号。该产生过程由于CORDIC算法只需要简单的移位和加减法运算，因此可以有效降低硬件资源的使用。其解调过程包括：基于CORDIC算法计算生成与该路子载波频率对应的两个正交信号；将下变频后的OFDM基带信号，分别与两个正交信号相乘；将两个相乘后的信号分别进行积分处理，得到该路子载波对应的调制信息。该解调过程利用OFDM信号的正交性来实现解调，方法简单，且可以有效缓解FFT使用硬件资源过多的问题。

Description

一种基于CORDIC算法的OFDM基带信号生成及解调方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，具体而言，涉及一种基于CORDIC算法的OFDM基带信号生成及解调方法。

背景技术

OFDM为通用的OFDM发射机的实现方法，即通过IFFT/FFT实现OFDM信号的调制与解调，大大降低了OFDM系统实现的复杂度。随着OFDM技术的发展，由于其高速的数据传输速率、高效的频谱利用率等优点，OFDM技术在数字视频广播、数字音频广播、数字移动通信及无线局域网等领域都有广泛的应用，如数字视频广播的DVB-T标准。

由于基于IFFT/FFT结构的OFDM系统存在大量的硬件资源消耗，同时调制输出有较长的响应时间，近年也有一些使用DDS结构取代IFFT结构实现OFDM的方法出现。这种结构有很多优点，如不需要使用乘法器，降低了硬件资源消耗；DDS有较快的响应速度，与IFFT相比，可以实现快速的调制信号输出，现有的基于DDS的OFDM结构如图1所示。尽管有着这些优点，但是此方法仍然存在缺陷：1)需要使用较大的ROM结构；2)没有实现循环前缀的插入，继而导致符号间干扰和载波间干扰。

同理，目前OFDM基带信号的解调方法结构基于FFT结构实现，FFT与IFFT结构相同，有较大的ROM结构，非常复杂。

发明内容

本发明在于提供一种基于CORDIC算法的OFDM基带信号生成及解调方法，其能够缓解上述问题。

为了缓解上述的问题，本发明采取的技术方案如下：

第一方面，本发明提出一种基于CORDIC算法的OFDM基带信号生成方法，包括：

对于每一子载波，在进行相位线性累加后得到累积相位数据Ⅰ，对累积相位数据Ⅰ进行处理后得到子载波调制信号；

将各子载波调制信号相加后生成OFDM基带信号；

所述累积相位数据Ⅰ的处理过程具体包括以下步骤：

S1、确定调制载波的幅度、调制载波的相位以及循环前缀的补偿相位；

S2、将调制载波的相位和循环前缀的补偿相位作为相位控制字加入所述累积相位数据Ⅰ，得到累积相位数据Ⅱ；

S3、根据调制载波的幅度和累积相位数据Ⅱ，采用CORDIC算法计算得到所述子载波调制信号。

本方案的技术效果是：将现有技术OFDM结构中的ROM结构用CORDIC算法取代，由于CORDIC算法只需要简单的移位和加减法运算，因此可以有效降低硬件资源的使用；插入了循环前缀，为调制信号提供了一个循环前缀长度的时间回溯，尽管降低了信息传输速率，但是有效抑制了符号间干扰和载波间干扰。

进一步地，所述步骤S1中，调制载波的幅度以及相位根据载波调制方法和二进制码流计算得到，所述循环前缀的补偿相位根据子载波频率计算得到。

本方案的技术效果是：减少ROM结构中后续生成各子载波的加法器。

更进一步地，所述步骤S3中，CORDIC算法中的迭代次数为16次，在第16次迭代后得到的信号，即为所述子载波调制信号。

本方案的技术效果是：CORDIC算法产生信号的精度由迭代次数决定，当迭代16次时，能保证产生信号有较好的精度，而且计算量也相对较小。

更进一步地，所述CORDIC算法需满足下式：

X_i+1＝X_i-σ_i·2^-iY_i

Y_i+1＝Y_i+σ_i·2^-iX_i

ω_i+1＝ω_i-σ_i·θ_i

其中，θ_i＝arctan(1/2∧(-i))，X_i表示第i次迭代时，xy坐标系中的x轴迭代累加值，当i＝1时，X_i等于所述步骤S1中所确定的调制载波的幅度，Y_i表示第i次迭代时，xy坐标系中的y轴迭代累加值，ω_i表示第i次迭代时的累积旋转角度，σ_i表示旋转方向，当其为+1表示逆时针旋转方向，当其为-1表示顺时针旋转方向，若ω_i小于所述累积相位数据Ⅱ，则σ_i＝-1，表示顺时针旋转方向，否则σ_i＝+1，表示逆时针旋转方向。

进一步地，所述累积相位数据Ⅰ根据子载波的频率控制字，利用相位累加器对子载波进行相位线性累加得到。

更进一步地，所述频率控制字根据子载波频率计算得到。

第二方面，本发明提出一种基于CORDIC算法的OFDM基带信号解调方法，包括：

基于CORDIC算法计算生成与子载波频率对应的两个正交信号；

将OFDM基带信号，分别与两个正交信号相乘；

将两个相乘后的信号分别进行积分处理，得到子载波对应的调制信息。

本方案的技术效果是：将DDS用于OFDM信号的解调，利用OFDM信号的正交性来实现解调，方法简单，且可以有效缓解FFT使用硬件资源过多的问题。

进一步地，在对相乘后的信号进行积分处理时，所采用的积分长度为一个符号周期。

本方案的技术效果是：当积分长度为一个符号长度时，解调端只有对应子载波频率能正确解调，其余子载波在该子载波频率处解调结果为零，不会影响解调结果。

进一步地，对于第l路子载波，与其频率对应的所述两个正交信号分别为s_Il＝cos(lω₀t),s_Ql＝sin(lω₀t)。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举本发明实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为现有的基于DDS产生OFDM基带信号的框架图；

图2为本发明基于DDS产生OFDM基带信号的框架图；

图3为本发明基于DDS产生OFDM基带信号的流程图；

图4为本发明采用CORDIC算法的基于DDS的OFDM解调系统的框架图；

图5为本发明采用CORDIC算法的基于DDS的OFDM解调系统的流程图；

图6为CORDIC算法的基本结构图；

图7为本发明基于DDS的OFDM系统以64QAM为例，不同相位截断位数带来的系统误码率的影响曲线图；

图8为本发明基于DDS的OFDM系统以64QAM为例，不同幅度量化位数对于系统误码率的影响曲线图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

请参照图2、图3和图6，本实施例提出一种基于CORDIC算法的OFDM基带信号生成方法，以64QAM为例，总共64个子载波，占用22.5MHz带宽。

OFDM基带信号的生成方法如下：

对于每一子载波，在进行相位线性累加后得到累积相位数据Ⅰ，对累积相位数据Ⅰ进行处理后得到子载波调制信号S(t)；

将各子载波调制信号S(t)相加后生成OFDM基带信号Y(t)；

在本实施例中，累积相位数据Ⅰ根据子载波的频率控制字f_cw，利用相位累加器对子载波进行相位线性累加得到。

频率控制字f_cw根据子载波频率计算得到，具体为：

其中，f_c为输出载波频率，f_clk为DDS的时钟频率，N表示相位累加器的位数。

在本实施例中，将22.5/64＝0.3515625MHz作为基带DDS的最小分辨率，采用9位的频率控制字和180MHz的采样频率。

在本实施例中，累积相位数据Ⅰ的处理过程具体包括以下步骤：

S1、确定调制载波的幅度A、调制载波的相位θ₁以及循环前缀的补偿相位θ₂，将θ₁和θ₂分别作为相位控制字p_cw1、p_cw2；

在本实施例中，调制载波的幅度A以及调制载波的相位θ₁根据载波调制方法和二进制码流计算得到，其中，需要提供

共9种不同调制信号的幅度A，其中，K＝∏cosθ_i≈0.607253。A作为常量参数保存，二进制码元根据在星座图上的幅度信息选择幅度A。同时，二进制码流也根据星座图的相位信息读取对应的作为常量参数存储的相位信息。

在本实施例中，循环前缀的补偿相位θ₂为调制信号提供一个符号前缀长度的时间回溯，抑制ISI与ICI。对于每一个子载波而言，相位控制字是不同的。在本实施例中，若一个OFDM符号长度为4us，循环前缀长度1.16us，则各个子载波的相位控制字p_cw2为：

p_cw2＝f_cΔt*2^N＝208*f_cw

其中，f_c为子载波频率，Δt为循环前缀长度，N为相位累加器的宽度，f_cw为各子载波的频率控制字。

S2、将相位控制字p_cw1和p_cw2加入累积相位数据Ⅰ，得到累积相位数据Ⅱθ；

在本实施例中，只需要提供第一象限的初始相位，其余象限的相位只需改变初始相位的前两位即可获得90°、180°、270°的相移。

对于一个DDS的基本结构，一般DDS频率控制字的宽度较高，用于获得高分辨率，因此在相位累加器后存在相位截断来最小化后续的资源消耗。而幅度量化位数表示的是DDS输入D/A的正弦波位数。相位截断位数与幅度量化位数决定了相位幅度转换部分的资源消耗，同时，也决定了后续将子载波相加的加法器大小。

S3、根据调制载波的幅度A和累积相位数据Ⅱθ，采用CORDIC算法计算得到子载波调制信号S(t)。

在本实施例中，对于第l路子载波，将其实部S_l(t)＝Icos(lω₀t)-Qsin(lω₀t)合成了一个新的信号S_l(t)＝Acos(lω₀t+θ₁)，加入循环前缀的补偿相位后，得到信号S_l(t)＝Acos(lω₀t+θ₁+θ₂)，其中，θ＝θ₁+θ₂，该信号通过CORDIC算法来得到，如图2所示。

在本实施例中，CORDIC算法模块如图6所示，其需满足下式：

X_i+1＝X_i-σ_i·2^-iY_i

Y_i+1＝Y_i+σ_i·2^-iX_i

ω_i+1＝ω_i-σ_i·θ_i

其中，θ_i＝arctan(1/2∧(-i))，X_i表示第i次迭代时，xy坐标系中的x轴迭代累加值，当i＝1时，X_i等于步骤S1中所确定的调制载波的幅度，Y_i表示第i次迭代时，xy坐标系中的y轴迭代累加值，ω_i表示第i次迭代时的累积旋转角度，σ_i表示旋转方向，当其为+1表示逆时针旋转方向，当其为-1表示顺时针旋转方向，若ω_i小于累积相位数据Ⅱ，则σ_i＝-1，表示顺时针旋转方向，否则σ_i＝+1，表示逆时针旋转方向。

在本实施例中，在第一次迭代过程中，将x₁＝A、y₁＝0、ω₁＝0输入CORDIC算法模块中，之后CORDIC算法模块进行16次迭代计算后，输出得到子载波调制信号S(t)＝Icos(lω₀t)-Qsin(lω₀t)＝Acos(lω₀t+θ)。

由于CORDIC算法相比ROM算法而言，可以实现任意幅度的正弦信号，因此其可以简化OFDM生成系统的结构。对于一种固定的调制方式而言，对于星座图的不同点，A有且只有固定的值，可以将其作为常数参量保存，根据二进制码确定。同理，对于星座图的不同点，θ也有且仅有固定值，作为常数参量保存，根据二进制码确定。循环前缀作为相位控制字加入DDS，确定各载波的最终相位。最终将所有载波相加后得到OFDM信号。

在本实施例中，通过FPGA仿真基于DDS的OFDM系统得到图7的该系统的相位截断位数对误码率影响的仿真结果。通过改变相位截断位数，得到在信噪比10～20dB的高斯白噪声环境下仿真得到的误码率曲线，通过观察仿真结果可以发现，在相位截断2位以下时，对于该基于DDS的OFDM系统的误码率特性没有太大的影响。同理，对于幅度量化误差而言，由于误差序列为均匀分布的随机序列，产生的杂散可以视为背景噪声。通过FPGA的基于DDS的OFDM系统仿真得到图8的该系统的幅度量化位数对误码率影响的仿真结果。通过改变幅度量化位数，得到在信噪比10～20dB的高斯白噪声环境下仿真得到的误码率曲线，观察结果可以发现，幅度量化在7位及以上时，对于该基于DDS的OFDM系统的误码率没有太大的影响。通过这种方法，可以大致确定该系统的相位截断位数和幅度量化位数对误码率没有影响的最小宽度，即相位截断位数为1位、幅度量化位数为7位。同理，这种方法也适用于其他参数不同的系统。将产生各个子载波的DDS并行输出后，将输出载波累加。中频DDS结构采用Matt文章中的高精度的DDS产生高频率分辨率、低杂散输出的频率可编程的中频信号。该DDS由两部分组成，第一部分为相位累加器的高位输出作为ROM表的地址实现正弦信号的粗略分辨，相位累加器的低位则通过角度旋转的方法实现正弦信号的细致分辨。这种方法结合了ROM表存储和角度旋转两种方法，可以在保证低杂散的情况下，同时保证ROM资源优化以及高速的数据速率输出。通过正交上变频将基带信号变频至目标频带，就可得到64QAM、22.5MHz带宽的OFDM信号。

实施例2

请参照图4、图5和图6，本实施例提出一种实施例1所生成的OFDM基带信号的解调方法，包括：

对于每一路子载波，基于CORDIC算法计算生成与该路子载波频率对应的两个正交信号，对于第l个子载波，两个正交信号分别为s_Il＝cos(lω₀t),s_Ql＝sin(lω₀t)；

由于子载波之间的正交性，即

因此，对于每一路子载波，将OFDM基带信号，分别与两个正交信号相乘，再将两个相乘后的信号分别进行积分处理，继而得到各路子载波对应的调制信息。

对于第l路载波的解调而言，所得到的调制信息为

其中，I_l、Q_l表示第l个载波处的调制信息，T表示OFDM一个符号时间。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于CORDIC算法的OFDM基带信号生成方法，包括：

对于每一子载波，在进行相位线性累加后得到累积相位数据Ⅰ，对累积相位数据Ⅰ进行处理后得到子载波调制信号；

将各子载波调制信号相加后生成OFDM基带信号；

其特征在于，所述累积相位数据Ⅰ的处理过程具体包括以下步骤：

S1、确定调制载波的幅度、调制载波的相位以及循环前缀的补偿相位；

S2、将调制载波的相位和循环前缀的补偿相位作为相位控制字加入所述累积相位数据Ⅰ，得到累积相位数据Ⅱ；

S3、根据调制载波的幅度和累积相位数据Ⅱ，采用CORDIC算法计算得到所述子载波调制信号。

2.根据权利要求1所述基于CORDIC算法的OFDM基带信号生成方法，其特征在于，所述步骤S1中，调制载波的幅度以及相位根据载波调制方法和二进制码流计算得到，所述循环前缀的补偿相位根据子载波频率计算得到。

3.根据权利要求2所述基于CORDIC算法的OFDM基带信号生成方法，其特征在于，所述步骤S3中，CORDIC算法中的迭代次数为16次，在第16次迭代后得到的信号，即为所述子载波调制信号。

4.根据权利要求3所述基于CORDIC算法的OFDM基带信号生成方法，其特征在于，所述CORDIC算法需满足下式：

X_i+1＝X_i-σ_i·2^-iY_i

Y_i+1＝Y_i+σ_i·2^-iX_i

ω_i+1＝ω_i-σ_i·θ_i

其中，θ_i＝arctan(1/2∧(-i))，X_i表示第i次迭代时，xy坐标系中的x轴迭代累加值，当i＝1时，X_i等于所述步骤S1中所确定的调制载波的幅度，Y_i表示第i次迭代时，xy坐标系中的y轴迭代累加值，ω_i表示第i次迭代时的累积旋转角度，σ_i表示旋转方向，当其为+1表示逆时针旋转方向，当其为-1表示顺时针旋转方向，若ω_i小于所述累积相位数据Ⅱ，则σ_i＝-1，表示顺时针旋转方向，否则σ_i＝+1，表示逆时针旋转方向。

5.根据权利要求1所述基于CORDIC算法的OFDM基带信号生成方法，其特征在于，所述累积相位数据Ⅰ根据子载波的频率控制字，利用相位累加器对子载波进行相位线性累加得到。

6.根据权利要求5所述基于CORDIC算法的OFDM基带信号生成方法，其特征在于，所述频率控制字根据子载波频率计算得到。

7.一种基于CORDIC算法的OFDM基带信号解调方法，其特征在于，包括：

基于CORDIC算法计算生成与子载波频率对应的两个正交信号；

将OFDM基带信号，分别与两个正交信号相乘；

将两个相乘后的信号分别进行积分处理，得到子载波对应的调制信息；

所述基于CORDIC算法的OFDM基带信号的生成方法，包括：

对于每一子载波，在进行相位线性累加后得到累积相位数据Ⅰ，对累积相位数据Ⅰ进行处理后得到子载波调制信号；

将各子载波调制信号相加后生成OFDM基带信号；

其中，所述累积相位数据Ⅰ的处理过程具体包括以下步骤：

S1、确定调制载波的幅度、调制载波的相位以及循环前缀的补偿相位；

S2、将调制载波的相位和循环前缀的补偿相位作为相位控制字加入所述累积相位数据Ⅰ，得到累积相位数据Ⅱ；

S3、根据调制载波的幅度和累积相位数据Ⅱ，采用CORDIC算法计算得到所述子载波调制信号。

8.根据权利要求7所述基于CORDIC算法的OFDM基带信号解调方法，其特征在于，在对相乘后的信号进行积分处理时，所采用的积分长度为一个符号周期。

9.根据权利要求7所述基于CORDIC算法的OFDM基带信号解调方法，其特征在于，对于第l路子载波，与其频率对应的所述两个正交信号分别为s_Il＝cos(lω₀t),s_Ql＝sin(lω₀t)。

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