摘 要： 在深入研究移動DTV國家標準的基礎上，對調制系統進行了設計規劃，并對信道調制的星座映射、系統信息插入、幀體數據處理、PN序列插入的幀形成模塊和成形濾波模塊進行了設計與仿真，驗證了其在公交站牌系統上的正確性。
關鍵詞： 移動DTV；TDS-OFDM；IFFT；FPGA
1 星座映射的設計與實現
基于FPGA的星座映射模塊設計接口定義如下：
clk_bitx2：系統比特時鐘2倍周期的輸入時鐘；
QAM_para：控制模塊的參數信號；
constellation：星座映射模式；
data_in_en：輸入數據有效信號；
data_v_in：輸入數據，數據寬度為6位；
data_I：輸出I路數據，數據寬度為16位；
data_Q：輸出Q路數據，數據寬度為16位；
data_out_en：輸出數據有效信號。
在Windows XP和Quartus DE2的軟件環境下，在Altera公司的DE2平臺的FPGA上綜合之后，其消耗資源情況如下：占用了90個觸發器，138個四輸入查找表，69個Slices，占用1個片內存儲塊Block RAM，不到總量的1%。
2 系統信息插入的設計與實現
2.1 系統信息
本系統中預設了64種不同的系統信息模式，并采用擴頻技術傳輸。這64種系統信息在擴頻前可以用6個信息位（s5s4s3s2s1s0）來表示，其中s5為MSB，定義如下：s3s2s1s0：編碼調制模式;s4：交織信息；s5：保留[1]。
該6 bit擴頻前的系統信息將采用擴頻技術擴為32 bit長的系統信息矢量，即用長度為32 bit的Walsh序列和長度為32 bit的隨機序列來映射保護[2]。國家標準中已經給出了擴頻后的64個32 bit的系統信息矢量，將這32 bit采用I、Q相同的4QAM調制映射成為32個復符號，再加上4個幀體模式符號[3]，得到了36個系統信息符號。在本設計中幀體模式C=3 780，“1111”4個bit也采用I、Q相同的4QAM映射為4個復符號，由于這種映射模式是2位到2位的映射，所以把它擴展為8 bit的符號，用補碼表示。映射后的4個幀體模式指示符號在前，32個調制和碼率等模式指示符號在后。該36個系統信息符號通過復用模塊與信道編碼后的數據符號復合成幀體數據[4]。
2.2 系統信息插入的實現
系統信息插入模塊的端口定義[5]為：
tps_in[5：0]：輸入的系統信息位為6 bit并行數據；
data_Qed：輸入數據，經過QAM映射后的32位幀體數據，高16位為實部，低16位為虛部；
data_valid_in：輸入數據有效信號；
clk：模塊工作時鐘，也是數據輸入時鐘；
rst：復位信號，低電平有效，等于0時可以復位控制模塊的寄存器值；
dout_start：輸出3 780個連續數據的起始脈沖信號，持續1個時鐘周期；
dout_en：輸出3 780個連續數據的有效使能信號；
dout：輸出數據，高16位為實部，低16位為虛部； 系統信息插入模塊[6]仿真波形圖如圖1所示。
在Windows XP和Quartus DE2的軟件環境下，在Altera公司的DE2平臺的FPGA上綜合之后，其消耗資源情況如下：占用了115個Slices，187個觸發器，208個四輸入查找表，占用片內Block RAM資源在6%以下。
本文設計的是幀頭模式1，長度為420，為OFDM幀體長的1/9。前同步緩沖的長度取82，后同步緩沖的長度取83[7]。
PN幀頭數據插入[8]模塊的結構定義如下：
clk：模塊工作時鐘，是系統的符號時鐘；
data_in：32位的輸入數據，數據的高16位為實部，低16位為虛部；
data_in_en：輸入有效數據使能信號，高電平有效；
data_in_start：輸入有效數據起始信號，高電平有效；
PN_mode：插入PN序列的模式指示信號；
dout_start：輸出有效數據起始信號，高電平有效；
dout_en：輸出有效數據使能信號，高電平有效；
dout：32位輸出數據，數據的高16位為數據實部，低16位為數據虛部[9]。
PN幀頭數據插入模塊主要完成OFDM調制的3 780個數據和PN幀頭的數據拼接。具體實現時，輸入的3 780個數據首先緩存在RAM中，當所需要的PN頭數據產生完以后，啟動讀RAM操作，把緩存數據輸出。PN幀頭數據插入模塊硬件實現結構框圖[10]如圖2所示。在Windows XP和Quartus DE2的軟件環境下，在Altera公司的DE2平臺的FPGA上綜合之后，其消耗資源情況如下：占用了145個Slices，207個觸發器，273個四輸入查找表，占用片內Block RAM資源在6%以下。
3 幀體數據處理的設計
3.1 傅里葉變換在OFDM系統中的應用[11]
設一個時間信號s(t)的抽樣函數為s(k)，其中k=0，1，2，…，N-1，則s(k)的離散傅里葉變換（DFT）為：
對上式中S(t)進行抽樣，抽樣間隔為T，假定在一個碼元周期內T內含有N個抽樣值。由于OFDM信號的產生首先在基帶上實現，之后通過上變頻產生輸出信號，因此基帶處理時可令上式簡化為[13]：
由此可知，OFDM系統的調制可以由IDFT來實現。同理，它的解調可以用離散傅里葉變換實現，大大簡化了系統實現的復雜度。
下面討論如何用DFT來實現IDFT。令X(k)是N點離散系列x(n)的DFT，于是有下面2式成立：
把X(k)看作OFDM調制系統的輸入信號，則它的IDFT就是系統調制后的輸出，所以可以通過正向的傅里葉變換來實現IDFT，可分3個步驟來實現[14]：(1)將長度為N的輸入數據取共軛；(2)對N點數據做正向傅里葉變換；(3)把得到的結果求共軛，再乘以系數1/N。若要完成N點傅里葉變換，需要N×N次復數乘法和N(N-1)次復數加法。N值較大時，計算量會相當驚人，可能會因為計算量過大，占用系統大部分的資源并造成較長的延時，最終導致系統無法實時。
3.2 3 780點快速傅里葉變換算法
3.2.1 算法概述
目前，關于FFT的算法主要有基于基-2和基-4[15]兩種，從軟件仿真到硬件實現已有多種成熟的算法。圖3所示為3 780點FFT算法程序流程圖。
將輸入的3 780個復數數據進行串轉并，進行下標映射，從原始數據中以60為間隔抽取數據，組成了60組63個數1組的新序列，用63點的素因子算法作FFT運算，再進行第1次素因子算法的整序，然后將3 780個數據乘以相應的旋轉因子，做60點的素因子算法，進行第2次由于素因子分解所需的整序，最后進行因混合基分解算法所需要的整序[16]。
利用Matlab自帶的函數，輸入采用了2.4 Hz和3.5 Hz的正弦信號，將最終得到的仿真圖和Matlab自帶的函數計算比較，可以驗證本設計的正確性。
3.2.2 算法實現
3 780點FFT算法實現模塊的端口定義如下：
clk：系統的符號時鐘；
clk_working：工作時鐘，也是系統比特時鐘；
reset：系統復位信號，低電平有效，完成系統初始化和復位；
data_in_I、data_in_R：輸入數據的實部、虛部，16位位寬；
data_in_valid：輸入數據有效起始信號，高電平有效，持續1個輸入時鐘周期，表示從下一個時鐘沿開始為3 780個有效數據輸入；
dout_start：輸出有效數據起始信號，高電平有效，持續期為1個輸出時鐘周期，表示下一個時鐘開始的3 780個數據為輸出有效數據；
dout_valid：輸出數據有效使能信號，高電平有效[18]；
dout_R、dout_I：輸出復數數據的實部、虛部，16位位寬。
3 780點FFT模塊的硬件實現如圖4所示。clk_work-ing是系統的比特時鐘，每個上升時鐘沿到來，串行數據讀寫1次，小N點WFTA模塊內部移位計算1次。為了解決由于雙口RAM讀或寫的跳躍性[19]，Winograd小N DFT算法是整個3 780點FFT實現的基礎，3 780點FFT被分解成幾個小點的DFT，最終通過Winograd小N DFT算法來實現的。
經過Matlab工具驗證算法設計的正確性之后，在Quartus DE2軟件環境下編寫了Verilog HDL代碼，并進行硬件仿真。輸入data_in_I和data_in_R為2路16位寬的隨機數，關鍵數據的仿真波形如圖5所示。可以看出，存儲器的讀寫控制完全達到了預期設計效果。把輸出數據導入Matlab進行分析，當輸出數據為16 bit時，模塊的信噪比達到了56.8 dB，完全符合標準45 dB～60 dB的要求。對信噪比有更高要求的應用場合，可以采用擴展位寬來設計。要完成IFFT運算，根據兩者之間的關系，只需對該模塊的輸入和輸出分別取共軛，就可以完成整體數據處理模塊的功能。
理論上分析本設計的實數乘法和加法數量已逼近4 096點FFT，但是在FPGA具體實現時，小N點的WFTA運算消耗了較多的邏輯單元，與4 096點FFT采用蝶形運算單元完成相比較，前者消耗的邏輯單元較4 096點FFT多出不少。整個仿真在Windows XP和Quartus DE2的軟件環境下，在Altera公司的DE2平臺的FPGA上綜合之后消耗資源情況比較如表1所示。
本設計沒有涉及交織模塊的編寫，但完成了一個相對完整的DMB-T的調制系統，其中3 780個子載波的TDS-OFDM調制是移動DTV系統的核心模塊。利用FFT在OFDM中的應用以及實現，針對移動DTV系統中特有的3 780點IFFT，綜合利用了Cooley-Tukey算法、Winograd算法、素因子算法3種算法各自的特點，考慮了算法的復雜度、運算的速度、資源的消耗。本設計采用了一種新的算法，通過了Matlab驗證和基于FPGA的仿真。本設計采用了Winograd小N DFT算法的硬件實現，通過16次迭代的方法完成了公交車站牌系統的移動DTV的核心模塊仿真設計。
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