一种支持多协议的低延时OFDM 系统设计

陈之晟，张 锋

（1.中国科学院微电子研究所重点实验室，北京 100029；2.中国科学院大学，北京 101408）

正交频分复用技术[1]（OFDM）作为一种常用的多载波调制技术[2-6]，具有高度灵活性和较为简单的结构[7-8]。在认知无线电系统[9]的构建方面有着天然的优势[10]。

传统的多标准OFDM 系统静态硬件电路实现需要包含所有可能的电路设计，当重新配置时使用多路复用器进行选择，因此系统延时很小，但这导致了电路在工作时有很大一部分处于闲置状态，也使其具有较高的功耗。文献[11]提出了一种基于FPGA的全模块可重构OFDM 系统，减小了电路面积，提高了能效比，但需要较长的系统重配置时间。

为了在减小电路面积的同时提高系统的配置速度，文中研究了一种基于部分可重构模块的OFDM系统。文中还讨论了利用可重构模块与参数化模块的最佳划分方案对重新配置延时以及资源利用进行优化。该系统不仅可以在文中例举的协议间进行动态快速切换，也能够应用于其他的数据传输标准。

1 OFDM标准

表1 例举了两种不同的OFDM 协议标准（IEEE 802.11和WiMAX 协议）来演示系统的功能。

表1 两种OFDM协议标准

从表1 中可以看出，不同的OFDM 协议标准的参数互不相同，不过其结构基本相同[12-13]，如图1 所示。

图1 OFDM符号结构

结构上的相似性使得提出一种新颖的通用部分可重构OFDM 系统成为可能，并且具有重要意义，在下一节将会讨论具体的系统设计方案。

2 系统结构

2.1 系统概述

文中提出一种支持多协议的低延时OFDM 系统架构，如图2 所示，该系统支持多标准OFDM 信号的调制以及解调。

图2 支持多协议的低延时OFDM系统架构

目前许多FPGA 支持动态部分重新配置（DPR）功能[14-17]，可以在运行过程中对电路中的部分模块进行重新配置，显著减少了系统所需要的电路面积。

系统中的调制解调子模块被划分为动态可重构模块以及静态参数化模块。在OFDM 信号调制端，要发送的数据先从处理器传入FIFO 中等待传输，在信号调制过程中需要调制的信号经过数据调制、插入导频以及串并转换后，通过快速傅里叶逆变换（IFFT）、添加循环前缀（CP），在数据整形过后上变频到射频前端进行发送。信号解调端步骤包括符号定时偏差以及载波频率偏差估计、移除CP、FFT、信道均衡以及解调。通过调整系统中的操作参数可以使系统支持不同的标准。

与传统的OFDM 系统不同，文中提出的系统中CR 引擎可以根据当前信道的状况自适应切换到未被占用的频谱下进行数据的传输。CR 引擎需要确定当前信号传输所需的最佳配置，并将参数传入CR缓存中通过ICAP（内部配置访问端口）[18]加载到对应的重配置区域中。因此在系统进行传输标准切换时仅仅需要重新配置其中的一部分。

该系统可以工作于突发模式下，如果数据已经准备就绪但系统正在进行重配置，则将其先存入缓存区中。在模块逐一完成重新配置的过程中，缓存中存储的数据会以流水线的形式传入处理模块进行处理，从而使数据吞吐量最大化，并且可以有效减少缓冲区大小。

由于架构需要支持不同的传输协议，参数化的模块设计需要满足所有的协议标准。为了在重配置时间与面积之间进行均衡，需要分别对每个模块进行参数化以及对部分重新配置的花销作对比。如果参数化消耗的硬件资源大于重新配置的硬件开销（如信道均衡模块），则认为该模块需要使用可重构配置；反之则认为将其配置为参数化模块可以使系统获得更好的性能。

2.2 STO和CFO估计

由于循环前缀为OFDM 符号数据位的副本，所以可以通过分析接收到的CP 与对应的数据部分来进行STO 估计。

其中，n为接收到数据y的时间顺序索引，N为OFDM 符号的周期长度，*表示复共轭。

载波频率偏移效应会使训练序列与符号的数据位之间产生相位差，CFO 估算方法可以定义为：

其中，L为平均采样数，Im 表示对应的虚部值。

由于STO 与CFO的估计完全取决于循环前缀的数据，不同标准之间完全不同，所以使用动态可重构模块进行硬件实现可以有效减少硬件资源的消耗。

2.3 移除CP

不同的通信标准所对应的CP 长度不尽相同，移除CP 模块会移除每个OFDM 符号位上的循环前缀，该模块将会被参数化从而支持多种OFDM 传输协议。

2.4 FFT

该模块直接使用了Xilinx的高性能FFT IP 核，可以在运行时动态更改采样点数来适应新的协议标准。

2.5 信道均衡

在信号传输过程中，接收端接收到的信号会受到信道噪声的影响而产生失真，所以必须对信道所造成的影响进行估计，其计算公式如下：

其中，n=0,1,2,…,N，H(n)代表信道影响，M(n)代表信道中的噪声，式（4）为信道的估计值。该模块利用OFDM 符号中的导频信号进行信道均衡估计，因此该模块同样被配置为动态可重构模块。

2.6 数据解调

数据解调部分根据系统当前支持协议的不同切换至不同的解调模式，由于整体结构简单且所有数据符号都需要进行解调，故将其配置为参数化模块以提高数据吞吐量。

3 结果及分析

下面将对不同系统架构进行延时分析。

假设整个信号处理的流程由m+n个不同的子模块组成，全模块重新配置的OFDM 基带延时分析如图3 所示。在切换传输标准时需要对整个调制模块或解调模块进行重新配置。

图3 全模块重新配置延时分析

TRE_all为系统重新配置延时，TOPT_all为完成重新配置后的数据处理延时。其系统总延时如式（5）所示：

在文中所展示的OFDM 系统中，将数据处理模块划分为m个动态可重构模块和n个参数化模块。由于同时只能对一个模块进行重新配置，所有需要重新配置的子模块将按照数据处理的顺序进行重新配置。可重构部分的延迟分析如图4 所示。

图4 动态可重构模块延迟分析

图中，TREn代表第n个子模块的重新配置延时，TOPTn为该模块的数据处理延时。若前一个模块已经完成数据处理，而当前模块还未完成重新配置，则需要等待TWTn后才能继续数据处理流程，反之当TOPT(n-1)>TREn时，数据处理完毕后可以直接送到下一模块进行处理。

由后文所展示的实验结果可以发现，数据处理所花费的时间明显小于对模块进行重新配置的时间，所以可重构模块整体延时可以由式（6）表示。除了需要重新配置的模块外，剩余的参数化模块的整体延时如式（7）所示：

式（8）为系统的总延时：

其中，所有子模块的处理总延时与第j个子模块的数据处理延时的关系可以用式（9）表示：

式（10）表示部分可重构系统与全模块重新配置系统的延时差。

由于FPGA 架构的原因，对每个子模块进行分别配置的总延时要略大于全模块重新配置所需的时间。但是由于在部分可重构系统中需要重配置的子模块数远小于全模块重新配置架构中需要重新配置的模块数，故综合来看，提出的部分可重构OFDM 系统架构的系统总延时要小于全模块重新配置架构的系统延时。

为了验证不同架构重新配置的系统延时，在FPGA 上实现了完整的系统使其能够在IEEE 802.11以及WiMAX 协议之间进行切换，系统均使用50 MHz的采样时钟作为系统时钟。

各个模块在IEEE 802.11 以及WiMAX 协议下的操作延时如图5 所示，从图中可以看出，IEEE 802.11协议标准下模块的数据的处理延时比其工作在WiMAX 协议标准下的延时要小，这是由于WiMAX协议下OFDM 符号的长度较长。

图5 两种协议下数据处理延迟分析

图6 显示了当基带切换为IEEE 802.11 协议标准时各子模块的模块重新配置延时与数据处理延时的对比。从图中可以看出，各模块的数据处理时间都明显小于模块的重新配置所需的时间，数据处理所需要的时间可以重叠进模块重配置时间之中，从而减少系统的整体延时。

图6 模块延迟分析

图7 展示了将系统分别切换到两种协议标准下所需要的系统时间。从图中可以看出，不管在哪种重配置模式下，将系统配置为支持WiMAX 协议的架构所花费的时间要长于配置为IEEE 802.11 协议所花费的时间，这是由于WiMAX 协议标准的OFDM 符号相对较长，导致配置时间以及处理延时相对较长。

图7 系统延时分析

与传统的全模块重新配置相比，提出的系统架构在配置IEEE 802.11 协议以及WiMAX 协议时的系统延时分别降低了36.9%和38.8%。

4 结论

文中通过FPGA 分析并验证了不同OFDM 系统之间的延时差异。实验结果表明，与传统的全模块重新配置系统相比，文中所提出部分可重构OFDM系统在配置802.11 以及WiMAX 协议标准时分别降低了36.9%和38.8%，在大幅减少电路面积的同时降低了系统的重配置延时，提升了系统的性能。