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板卡射频基带基于NI技术的OFDM发射接收系统

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基于NI技术的OFDM发射接收系统
An OFDM Transmitter and Receiver system based on NI technique
作者:邸娜
职务:工程师
单位:国家广播电影电视总局 广播科学研究院 无线技
术研究所


应用领域:射频(RF),信号采集与发生
挑战:OFDM是一种多载波的数字传输体制,以其特有的优势被广泛地应用到数字音频广播,数字电视广播和无线宽带等领域,并将进入到更多的领域中。对OFDM系统的仿真可以用软件完成,但是对于硬件平台的搭建往往需要大量的开销和时间。针对这种情况,如果具备一套软件仿真代码移植方便且硬件平台搭建便捷的系统,可以极大地缩短OFDM系统的开发周期,才能在标准层出不穷的今天具有较强的竞争优势。
应用方案:基于NI虚拟仪器之PXI5671上变频卡、PXI5661下变频卡和Labwindows/CVI8.5正版软件实现OFDM发射机与接收机的样机。
使用产品:
LabWindows/CVI8.5 软件开发平台;PXI5671(PXI5441+PXI561);PXI5441 中频输出卡;PXI5610 射频输出卡;PXI5661(PXI5600+PXI5142);PXI5600 射频接收卡;PXI5142 下变频卡。
介绍:
OFDM是一种多载波的数字传输体制,由于具有频谱利用率高和良好的抗多径干扰等优点,已经被广泛应用到数字音频广播,数字地面电视和无线局域网等领域,并且被看作第四代移动通信的核心技术之一。但是对OFDM样机的研制和开发无论在软件算法的编写,还是硬件电路平台的搭建,都需要大量的人员和开销,且存在较高的风险。本文提出一种基于NI平台的OFDM实时收发系统的设计方法,即在CVI软件仿真平台上实现OFDM符号的数字基带处理算法的编写,用NI PXI5671和NI PXI5661实现OFDM射频模拟信号的发射与接收。对OFDM系统进行有效的验证,为今后大规模芯片生产提供了可靠的解决方案和理论指导。
OFDM系统简介
正交频分复用(OFDM,
OrthogonalFrequency Division Multiplexing)是把高速串行数据分成多条并行的低速数据,分别对多个正交子载波进行调制,从而达到更高的频谱效率、更大的系统容量,并且符号持续时间大大加长,在移动、多径、衰落环境下有很大的优势。
本系统的主要功能是用前端的USB设备对声音信号进行采集、处理,调制到OFDM符号中,并上变频到射频信号发射。收端将接收到的射频信号进行下变频处理得到数字信号,并解出音频帧由USB设备播放。发端系统的基带数据处理部分主要包括信源编码、FEC、映射、OFDM成帧,硬件平台的处理部分包括数字上变频和射频调制等。接收系统的基带处理部分要主要包括同步、均衡、解映射、解FEC、音频译码等,硬件平台的处理部分包括射频解调和数字下变频。
OFDM系统硬件平台架构
整个系统由两台NI主机,两个USB声卡设备,两台显示器,一台安杰伦频谱仪4440A组成,如图1所示:

图1系统结构图
首先由发端的USB设备对输入的声音信号进行采样,样点送入NI主机,然后在发端的上层软件中编写OFDM基带处理等算法,生成的OFDM基带数据输出到PXI5671上变频到中心频率为10MHz的射频信号。PXI5671由两块可分离的板卡PXI5441和PXI5610组成,其中PXI5441分为板卡RAM模块和OSP(onboard signal process,板卡数字信号处理)模块,板卡RAM模块负责主机和PXI板卡间的数据传递,OSP模块可对信号进行重采样滤波,数字上变频和DA转换等。PXI5610为射频板卡,经过两级混频放大滤波可将PXI5441输出的模拟IF信号调制到范围为250KHz-2.7GHz的射频信号。收端由PXI5661对输入的射频信号进行解调,下变频到数字基带信号,并输出到NI主机上。PXI5661同样由两块分离的板卡PXI5600和PXI5142组成。PXI5661完成射频信号到中频信号的转换,PXI5142的两个模块OSP模块和板卡RAM模块,分别完成AD采样、数字下变频、重采样滤波和主机与PXI板卡数据传递等功能,最后由收端的软件上层算法解出音频信号输出给USB声卡播放。
无论收端还是发端系
统,上层软件算法产生的数据和PXI板卡的数据交互需要由主机内存和板卡RAM来完成,其中DMA控制主机内存和板卡RAM间的数据传递,最大可达到1Gbytes/s的数据吞吐量。板卡RAM采用的是一种SMC(Synchronization and Memory Core)技术,该技术无须将指令和数据分开存储,RAM中的FPGA模块不但能处理上层软件产生的所有指令,对OSP各模块进行配置,而且能对数据流进行缓存,最后由OSP的读取引擎,并以上层软件中所设的IQ速率读取数据,送入OSP中进行重采样、滤波、变频等处理。
基带处理算法的设计与实现
基带处理算法的实现


图4 PXI5671输出的OFDM
频谱
结论
本系统用LabWindows/CVI8.5软件完成OFDM的数字基带处理,在PXI硬件平台上完成射频信号的处理,有效地对OFDM系统进行验证。而搭建FPGA PCB平台完成OFDM Demo样机,首先在芯片的选型、制板上就需要大量的时间和人员,且具有一定的风险性;其次在软件代码开发方面,需要花大量的时间对FPGA代码进行仿真测试和集成,而且改动起来灵活性差。然而基于NI技术的OFDM系统的开发,由于在软件上仿真代码的可移植性,和上变频等硬件平台的实用性,减少了OFDM系统的开发周期,节约了开发成本和人员。


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