基于浮点数字信号处理芯片DSP6711, 采用软件无线电方法构建一个基本的O FDM 通信系统。在用
MA TLAB 语言对该通信系统进行仿真的基础上, 完成了CCS2. 1 软件平台上的由DSP 硬件组成的O FDM 系统C
语言编程和运行通过; 并利用M at lab 所建立的仿真信道对此O FDM 系统的编解码性能进行了测试。结果表明, 论
文所建立的编解码实现方案对高斯衰落信道具有一定的对抗性。国家自然科学基金项

梁春丽

王德清

许茹

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基于D SP6711 的O FDM 技术编解码实现王德清, 许　茹, 梁春丽(厦门大学电子工程系, 福建 厦门 361005)摘　要: 基于浮点数字信号处理芯片D SP6711, 采用软件无线电方法构建一个基本的O FDM 通信系统。在用M A TLAB 语言对该通信系统进行仿真的基础上, 完成了CCS2. 1 软件平台上的由D SP 硬件组成的O FDM 系统 C语言编程和运行通过; 并利用M atlab 所建立的仿真信道对此O FDM 系统的编解码性能进行了测试。结果表明, 论文所建立的编解码实现方案对高斯衰落信道具有一定的对抗性。关键词: 正交频分复用 (O FDM ); 浮点D SP; 软件无线电; 高斯信道中图分类号: TN 91　　　文献标识码: B　　　文章编号: 100322029 (2005) 02200422041　引言水声信道高速率数据传输, 是水下通信技术的前沿热点研究课题之一, 是水声技术的主要部分。水声信道是一个典型的时变多径衰落信道, 通常的无线陆地信道的通信系统中, 多径扩展只有几个码元大小, 而在水声信道中水平方向的多径扩展增加到几十个码元, 因而多径码间干扰就成为水下通信系统的一个亟待解决的问题。O FDM 是一种无线环境下的高速传输技术, 其主要思想是将整个频带分割成多个正交子信道, 将待传输的高速串行码流并行地调制在多个窄带子信道载波上, 尽管总的信道是非平坦的, 具有高度的频率选择性, 但是各个子信道是相对平坦的, 并且在各个子信道上进行的是窄带传输, 信号带宽小于信道的相关带宽, 可以大大消除多径时延造成的幅度衰落和码间干扰, 适合在多途径环境和衰落信道中进行高速数据传输。O FDM 系统还可以进一步采用纠错编码提供的信息冗余来恢复因干扰而丢失的数据, 以解决多径造成的幅度衰落问题。本文重点介绍O FDM 技术基于D SP 器件实现的可行性。此种技术是否能在水声信道的高速率数据传输中发挥出上述无线环境下的同样优越性也是本文研究工作中所要解决的中心问题。收稿日期: 2004210220基金项目: 国家自然科学基金项目 (60272028)作者简介: 王德清 (1979- ) , 男, 硕士研究生。研究方向: 水声通信, 电路与系统。2　O FDM 的基本原理正交频分复用 (O FDM ) 的基本原理就是把高速的数据流通过串并转换, 分配到传输速率相对较低的若干个信道中进行传输。从而展宽了有效数据信号的码元宽度, 由此能有效地对抗多径时延扩展。如果N 表示子信道的个数, T 表示O FDM 符号的宽度, d i ( i= 0, 1, ⋯N - 1) 是分配给每个子信道的符号, f c 是第 0 个子载波的载波频率, rect ( t) = 1, û tû≤T2, 则从 t= ts 开始的O FDM 符号可以表示为:　s ( t) = R e 6N - 1i= 0d i rect t- ts-T2exp　　j 2Π　 　　 f c+iT( t- ts)　　　ts≤t≤ts+ T　s ( t) = 0　 　　　　　　　t< ts∧t> T + ts(1)通常采用复等效基带信号来描述O FDM 的输出信号, 见式(2)。其中实部和虚部分别对应于O FDM 符号的同相和正交分量。　s ( t) = 6N - 1i= 0d i rect t- ts-T2 exp　　j 2Π iT( t- ts)　　　　　　　　　　　　　ts≤t≤ts+ T　s ( t) = 0　　　　　　　t< ts∧t> T + ts(2)为叙述的简洁, 可以令式 (2) 中的 ts= 0, 并且忽略矩形函数,对信号 s ( t)以TN的速率进行抽样, 即令 t= kT öN (k= 0, 1, ⋯N - 1) , 得到:sk= s (kT öN ) = 6N - 1i= 0d iexp j2ΠikN(0≤k≤N - 1) (3)可以看到, sk 等效为 d i 对进行 ID FT 运算。同样在接收端, 为了恢复出原始的数据符号 d i, 可以对 sk 进第 24 卷　第 2 期2005 年 6 月　　　　 　　　　　　　　海　洋　技　术OCEAN T ECHNOLO GY　 　 　 　 　 　　　　V o l124,N o12June, 2005© 1994-2006 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.    http://www.cnki.net行逆变换, 即D FT 得到:d i= 6N - 1i= 0skexp - j2ΠikN　 (0≤i≤N - 1) (4)由此, O FDM 系统的调制和解调可以分别由 ID FT öD FT 来代替。在实际应用中, 可以采用更加方便快捷的快速傅立叶变换 IFFT öFFT。3　系统构成及浮点D SP 实现O FDM 系统虽然可以避免符号间干扰 ( IS I) 并减少信道间干扰 ( IC I) , 但信号经过多径衰落信道到达接收端的所有子载波上的信号幅度却可能不同。事实上, 某些子信道由于深衰落可能会完全被淹没[1 ]。为了避免这种现象出现, 需引入前向纠错编码。本文选用卷积码。由此, 得到O FDM 编解码系统框图, 如图 1 所示。作者利用美国 T I 公司D SP6711 的D SK 板构成了上述系统的硬件实现部分。D SP6711 是 32 b it 浮点数字信号处理芯片, CPU 主频 100～ 150M H z。它秉承了TM S320C6000 系列芯片的特点, 在体系结构上采用了V elociT I甚长指令字。在这种结构中, 由一个超长的机器指令字来驱动内部的多个功能单元, 每个指令字包含多个字段 (指令) , 字段之间相互独立, 各自控制一个功能单元, 因此可以单周期发射多条指令, 实现很高的指令级并行效率, 将数字信号处理器的处理能力提高到了一个新的境界。6711 还是一款浮点处理芯片,这给编程提供很大的方便。311　信道编解码　　为了保证可靠通信, 系统首先将源数据流进行信道编码。本系统采用约束长度为 7 的卷积码 (2, 1, 7) , 该码能使相关通信系统的误码率达到最小, 且能克服相位误差; 该码也是当前国际卫星通信、HD TV 地面广播 CO FDM 传输系统等很多通信系统中, 首选的使用V iterb i译码的标准卷积码。其编码结构如图 2 所示。　　编解码时为了编程的方便, 数据结构采用将 b it 流以数组形式存放。编码输入位为低位, 移出位为高位。把寄存器的值与抽头系数 (79, 109)按位与, 再判断 1 的个数来决定输出的数值。V iterb i译码是一种最大似然译码, 其基本思想是依次在接收数据的不同时刻, 对网格图中相应列的每个点, 按照最大似然准则比较所有以它为终点的路径, 只保留一条具有最大似然值的路径, 而将其它路径堵死, 弃之不用。这样接收一段, 计算一段, 比较一段, 保留下幸存路径。本文利用此算法时在编码的时候加入等于寄存器长度的尾比特, 即 6 个0, 使最后的幸存路径即为到达状态 0 时的路径。V iterb i 译码的流程图见图 3。312　O FDM 符号形成及符号同步算法O FDM 的调制方式有M PSK,M QAM 等多种方式, 我们选用DQ PSK 调制。调制目的的在于将信道编码后的数据流经过DQ PSK 映射, 以完成码形变换。经过DQ PSK 映射后的复数信号以 1 024 个数据为一组, 进行傅立叶反变换。求反变换时, 可以根据傅立叶变换的性质, 将要变换的数据 X (k )先取共轭, 然后直接利用 FFT34　第 2 期　　　　　　　　　　　　王德清等: 基于D SP6711 的O FDM 技术编解码实现　　　　　　　　　　　　　　© 1994-2006 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.    http://www.cnki.net子程序进行 FFT 变换, 最后再将运算结果取一次共轭, 并乘以 1N, 即得到 x (n)值。推导公式如下:∵x (n) = ID F T [X (k ) ]=1N6N - 1k= 0X (k )W - nkN∴x 3 (n) =1N6N - 1k= 0X 3 (k )W nkN因而　x (n) =1N 6N - 1k= 0X 3 (k )W nkN3=1N{D F T [X 3 (k ) ]}3(5)在接收端, 对经过同步后得到的一个O FDM 符号进行傅立叶变换。傅立叶变换程序里包含了倒位序的实现、蝶形运算、原位运算。蝶形运算可以写为下式:X m (k ) = X m - 1 (k ) + X m - 1 (k+ 2m - 1)W N rX m (k+ 2m - 1) = X m - 1 (k ) - X m - 1 (k+ 2m - 1)W N r(6)在式子 (6) 中, N 为傅立叶变换的点数, 这里取 1 024 个; m为蝶形的级数, m = 1, 2, ⋯log2N ; 2m - 1为蝶形运算两结点的距离; 每一级分成不交叉的N2m个蝶形组合。FFT 变换时, 如果 FFT 运算窗口超出O FDM 的符号边界, 就会造成 IS I和 IC I。因此在多径环境中, 为了获得最佳的系统性能, 需要确定最佳的符号定时。本文采用的方法为:在发送端的O FDM 符号前添加训练系列, 在接收端用这个已知的训练系列通过最大似然方法找到同步位置。训练系列选用m 系列。本原多项式为 x 9+ x 4+ 1, 总长度为 1 023。在每个O FDM 符号之间插入保护间隔, 可以最大限度地消除符号间干扰。为了与 FFT 时间周期相对应, 在保护间隔内填入循环前缀 (CP) 信号, 就可以保证子载波之间的正交性, 从而避免产生信道间干扰 ( IC I)。本文建立的系统中一个数据帧包含 5 个O FDM 符号和 1 023 个同步数据信号。每一个O FDM 符号都由 1 024 个点的数据信号和 256 个数据的循环前缀组成。系统一个数据帧格式如图 4 示。图 4　一个O FDM 数据帧4　结果和讨论所有模块都在 T I 公司的 CCS211 软件平台上编译、仿真、调试, 图 5 是编码完的O FDM 符号经过高斯信道, 接收端进行解码后与源数据比较得到的误码率曲线:图 5　误码率曲线由图可见, 本文建立的O FDM 通信系统对高斯衰落信道具有一定的对抗性, 由于可将远、近距离的浅海声信道分别近似地构建为瑞利衰落和加性高斯白噪声模型以及莱斯衰落和加性高斯白噪声信道模型[9 ], 所以上述结果对将O FDM 技术应用于水声信道具有积极的意义; 同时整个系统用软件无线电的方法在高速D SP 芯片上实现, 使得数字信号的处理时间大大缩短以利于数据的高速、实时传输。此种高速、有效的通信系统也使得水下彩色图像高速传输成为可能。参考文献:[ 1 ]　樊昌信, 张甫翊, 徐炳祥, 等 1 通信原理[M ]1 第 5 版, 北京: 国防工业出版社, 2001, 35- 3871[ 2 ]　佟学俭, 罗涛 1O FDM 移动通信技术原理与应用[M ]1 北京: 人民邮电出版社, 2003, 2- 2001[ 3 ]　程佩青 1 数字信号处理教程[M ]1 第 2 版 1 北京: 清华大学出版社, 1995, 215- 2541[ 4 ]　李方慧, 王飞, 何佩琨, 等 1TM S320C6000 系列D SP s 原理与应用[M ]1 第 2 版 1 北京: 电子工业出版社, 2003, 2- 197144　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　海　洋　技　术　　　　　　　　　　　　　　　　　　　第 24 卷© 1994-2006 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.    http://www.cnki.net[ 5 ]　吴伟陵 1 信息处理与编码[M ]1 北京: 人民邮电出版社, 1999, 404- 4261[ 6 ]　谭浩强 1C 语言程序设计[M ]1 第 2 版 1 北京: 清华大学出版社, 1999, 38- 3271[ 7 ]　艾渤, 刘刚, 葛建华 1CO FDM 系统的符号定时同步算法[J ]1 高技术通讯, 2002, 8, 26- 311[ 8 ]　杜志秀, 刘增田 1 用软件实现回嗍方式的维特比译码[J ]1 指挥技术学院学报, 1999, 10 (3) : 37- 401[ 9 ]　许俊 1 水声语音通信研究[D ]1 厦门大学博士论文 1 2001, 50- 561T he Im p lem en ta t ion of the Encoding and D ecoding O FDM T echn iqueB ased on D SP6711WAN G D e2Q ing, XU R u,L IAN G Chun2L i(D ep t1of E lect1E ng n1, X iam en U niv1, X iam en, 361005 )Abstract: A dop ting the idea of the softw are radio, the art icle designs an O FDM comm unicat ion system imp lem en ted byfloat ing do t digita l signal p rocessing ch ip D SP67111Basing on the resu lt of the sim u lat ion of th is system w ith M A TLAB, theau tho r imp lem en ted the O FDM comm unicat ion system w ith D SP hardw are, u sing C language of the p rofessional softw areCCS2111 In addit ion, the au tho r test the perfo rm ance of the encoding & decoding of the O FDM comm unicat ion system byu tilizing the channel sim u lated w ith M A TLAB1 T he resu lts indicate that the encoding & decoding schem e designed in theart icle po ssesses the fine perfo rm ance of an tagon ism to Gauss’s Fading Channel1Key words: O FDM ; F loat ing Do t D SP; Softw are R adio; Gauss’s fading channel(上接第 38 页)T he D ata Fu sion T echn ique in the R ecogn it ion of M ine Character ist icsGUO L i2hua,WAN G D a2cheng,D IN G Sh i2qi(S chool of U nd erw a ter A coustic E ng ineering , H arbin E ng ineering U niversity , H arbin 150001)Abstract: T he m ethod of th is disserta t ion is to dist ingu ish the p roperty of the target by echo recogn it ion1 Echo recogn it ionob tain s featu re info rm ation of target from its echo to em it ted acoust ic signal, w h ich is p roduced by active sonar, and thendecides its catego ry by referring to a p rio ri know ledge1 T he disserta t ion tries to com bine signal p rocessing and info rm ationfusion w ith the app licat ion background of m ine recogn it ion so as to imp rove the reliab ility and accu racy of echo recogn it ionsystem 1Key words: m ine target recogn it ion; info rm ation fusion; featu re ex tract ion; w avelet transfo rm; w avefo rm structu re; art ificia lneu ral netw o rk54　第 2 期　　　　　　　　　　　　王德清等: 基于D SP6711 的O FDM 技术编解码实现　　　　　　　　　　　　　　© 1994-2006 China Academic Journal Electronic Publishing House. 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基于DSP6711 的O FDM 技术编解码实现

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