基于OFDM技术的短波通信电台研制

　　摘　要：本文研究了OFDM调制技术在短波通信中的应用，提出了一个基于OFDM调制的短波通信电台的设计方案并完成了软硬件系统设计。
对实验样机的测试结果表明，本系统性能指标能够满足实际要求。
　　关键词：短波通信;软件无线电；正交频分复用技术

一、引言
　　短波通信由于具备通信距离远、架设简单和移动方便等优点被广泛用于无线通信领域。正交频分复用（OFDM）调制方式以其传输速率快、频带利用率高和抗多径能力强等优点越来越受到人们的重视，也开始逐步被应用于短波通信领域，取代原来的单载波调制和非正交多载波调制技术［1］。本文介绍的基于OFDM调制技术的短波通信电台采用了软件无线电的思想，以DSP为控制和运算核心完成对数字信号的OFDM调制和解调。

二、短波通信电台的系统模型与性能参数
1.基本系统模型
　　短波通信电台的实验样机框图如图1所示，发送端首先通过PC机录入人的语音数据进行语音编码和压缩，然后通过RS-232接口将压缩后的比特数据流传送至数字发射机进行OFDM调制，最后由射频模块将OFDM信号变频到射频频段后发送至无线信道；接收端首先由射频模块接收通过无线信道传来的模拟信号，然后在数字接收机内部将信号恢复成基带信号后进行同步和OFDM解调，最后通过RS-232接口将解调后的比特数据上传到PC机，由其进行解压缩和语音解码将数据恢复成语音数据。
　　短波电台的系统参数如表1所示，主要性能指标为：
　　①4QAM调制时，在10 kHz的信号带宽上数据速率达到11.25 kbps;16QAM时，则能达到22.5 kbps；
　　②4QAM调制时采用编码后在信噪比为10 dB的AWGN信道中的比特误码率能达到10－5；
　　③4QAM调制时采用编码后在信噪比为20 dB的短波信道（多径信道最大延迟4 ms）中的比特误码率能达到10－4。
　　限于篇幅，下文主要介绍数字发射机和接收机两个中频处理模块的软硬件方案设计，而对射频模块和语音编解码模块不做介绍。

三、数字发射机软、硬件结构
　　数字发射机的结构框图如图2所示，压缩后的语音数据通过RS-232接口传到发射机，先进行缓冲后送入DSP进行OFDM调制，最后将已调信号上变频到中频后采样。
　　图2数字发射机的结构框图在数字发射机中我们采用了TI公司的TMSVC5410芯片来完成信号的OFDM调制，该芯片是一款16位定点DSP，片内有64 K的16位字节RAM，最高工作时钟可达100 MHz。

DSP内部信号处理流程如图3 所示，数据进行星座映射（4QAM/16QAM）后插入导频，由于在我们的方案中数据传输采用了帧结构每20个符号为一帧，因此在每帧的第一个符号内需插入时间导频用于接收端的帧同步，同时在所有符号中插入增益导频用于接收端的信号同步和信道估计，时间导频和增益导频的幅度是信号幅度的倍而相位为随机分布。由于OFDM调制可以等效成一次IDFT，所以已调信号可以表示为

　　为了消除多径引起的符号间干扰还需加入循环前缀（CP），实际中循环前缀的长度一般要大于信道的最长延迟时间,最后的输出信号为

　　为了产生带宽为10 kHz、中心频率为512 kHz的OFDM信号，有2种方案可供选择：①在DSP中进行OFDM调制时直接产生，根据奈奎斯特采样定理此时的离散采样速率至少为1.024 MHz,这就意味着OFDM调制时IFFT的点数为16 384点，虽然采用这种方法硬件结构比较简单，但对DSP运算速度要求很高TMSVC5410无法胜任；②在DSP中产生离散采样率为32 KHz的OFDM信号（IFFT的点数为512点），然后对其内插和滤波，为了获得1.024 MHz的离散采样率至少对原来信号进行32倍插值，最后将其混频到512 KHz，实际中为了降低数模转换后的模拟滤波器的设计要求我们采用了256倍的插值，虽然采用这种方案运算量也很大，但是可以采用专用的上变频（DUC）芯片来完成。Harris公司生产的HSP50215是一款单路调制的上变频器件，最大输入数据流为3 MHz，输出数据流为52 MHz，内部包括32位的可编程载波数字振荡器（NCO）、30位可编程符号定时NCO、256阶可编程整形FIR滤波器，最大内插因子为256完全可以满足我们的设计需要。