應(yīng)用于ofdm發(fā)射機(jī)的ifft處理器和ifft實(shí)現(xiàn)方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種針對(duì)OFDM發(fā)射機(jī)的IFFT（快速傅里葉反變換）處理器的設(shè)計(jì)方法，該IFFT處理器的最大特點(diǎn)是不使用乘法器，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，存儲(chǔ)器占用量也很少。該發(fā)明的核心思想是將IFFT變換當(dāng)中的每一支路的旋轉(zhuǎn)因子項(xiàng)看成一個(gè)復(fù)數(shù)字正弦信號(hào)發(fā)生器，由兩個(gè)DDS（直接數(shù)字頻率合成）產(chǎn)生。再利用這些DDS的數(shù)字角頻率成倍增長(zhǎng)的特點(diǎn)，讓它們共享同一個(gè)存儲(chǔ)器組，從而大大減少系統(tǒng)的存儲(chǔ)器占用量。另外，利用OFDM發(fā)射機(jī)的頻域數(shù)據(jù)的實(shí)部和虛部取自相同的有限元素集合的特點(diǎn)，通過(guò)預(yù)先存儲(chǔ)乘法結(jié)果的辦法來(lái)省去乘法器的使用。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，該IFFT處理器還具有延時(shí)少、處理速度快、存儲(chǔ)器占用量少、點(diǎn)數(shù)不受2n制約等特點(diǎn)。
【專利說(shuō)明】應(yīng)用于OFDM發(fā)射機(jī)的IFFT處理器和IFFT實(shí)現(xiàn)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及無(wú)線通信領(lǐng)域，特別涉及一種0FDM(Orthogonal Frequency DivisionMultiplexing,正交頻分復(fù)用)發(fā)射機(jī)中IFFT (快速傅里葉反變換)處理器的設(shè)計(jì)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]早在20世紀(jì)60年代，頻率復(fù)用、信號(hào)頻譜相互覆蓋的多載波并行傳輸思想就已經(jīng)被提出來(lái)，這種思想是現(xiàn)代正交頻分復(fù)用(OFDM, Orthogonal Frequency DivisionMultiplexing)技術(shù)的前身。目前OFDM技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到大量高速通信系統(tǒng)中，比如數(shù)字音頻廣播、數(shù)字視頻廣播、無(wú)線局域網(wǎng)以及移動(dòng)通信等；若干無(wú)線通信協(xié)議都以O(shè)FDM技術(shù)為標(biāo)準(zhǔn)，比如IEEE802.11將OFDM設(shè)定為無(wú)線局域網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)。
[0003]在OFDM系統(tǒng)中，信道被分成N個(gè)子信道，每個(gè)子信道可以單獨(dú)傳輸數(shù)據(jù)而不會(huì)干擾，并且相鄰信道的頻譜出現(xiàn)50%的重疊，與其他通信方式相比，OFDM的頻譜利用率是最高的。OFDM系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)普遍采用離散傅里葉變換對(duì)(IFFT/FFT)的方案，該方案于上世紀(jì)70年代，由Weinsetin和Ebert提出；在發(fā)射端，采用IFFT模塊將頻域信號(hào)變換成時(shí)域序列，再經(jīng)過(guò)插值、成型濾波、D/A轉(zhuǎn)化、上變頻等步驟將信號(hào)發(fā)射出去；在接收端，射頻信號(hào)經(jīng)下變頻及A/D采樣等步驟之后再使用FFT模塊恢復(fù)出頻域信號(hào)。
[0004]從上述過(guò)程可以看出，無(wú)論是發(fā)射端還是接收端，IFFT或FFT都是OFDM系統(tǒng)的重要部分。然而，IFFT模塊本身的結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，消耗資源也較多，尤其是當(dāng)變換的點(diǎn)數(shù)較多時(shí)，其復(fù)雜度和消耗資源量將會(huì)成倍增長(zhǎng)，實(shí)時(shí)性要求也提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，因此如何設(shè)計(jì)高效而又節(jié)省硬件資源的IFFT算法顯得尤為重要。常用的FFT算法多為基于Cooley (庫(kù)利)和Tukey (圖基)的基2或基4的算法，或者在其基礎(chǔ)上改進(jìn)的算法。這些算法的共同特點(diǎn)是需要使用乘法器實(shí)現(xiàn)中間量與正弦旋轉(zhuǎn)因子之間的乘法運(yùn)算。如果要使IFFT處理器的運(yùn)算周期縮短，提高并行性，則需要使用較多的硬件乘法器，導(dǎo)致占用較多的硬件資源。能否設(shè)計(jì)一種在OFDM發(fā)射機(jī)上不使用硬件乘法器的IFFT處理器呢？這正是本發(fā)明所解決的問題。事實(shí)發(fā)現(xiàn)，對(duì)于OFDM發(fā)射機(jī)所使用的IFFT處理器，利用其頻域信號(hào)取自有限集合的特點(diǎn)，通過(guò)巧妙的設(shè)計(jì)及優(yōu)化，可以設(shè)計(jì)出不使用硬件乘法器的IFFT處理器。本發(fā)明提出的IFFT處理器還具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、存儲(chǔ)器占用少、變換速度快、延時(shí)短、點(diǎn)數(shù)不受2n制約等特點(diǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提出一種不使用乘法器的應(yīng)用于OFDM發(fā)射機(jī)的IFFT處理器的實(shí)現(xiàn)方案。其基本設(shè)計(jì)思想是采用DDS(Direct Digital Synthesizer,直接數(shù)字式頻率合成器)的原理，將IFFT變換表達(dá)式中的每條支路都看成一個(gè)常數(shù)與一個(gè)“復(fù)正弦信號(hào)發(fā)生器”產(chǎn)生的序列相乘，再將N條支路的乘積加到一起。這里的“復(fù)正弦信號(hào)發(fā)生器”指的是所產(chǎn)生的復(fù)數(shù)序列的實(shí)部和虛部各由一路DDS正弦信號(hào)發(fā)生器生成。復(fù)正弦信號(hào)發(fā)生器的實(shí)部和虛部分別是余弦和正弦，僅僅初始相位不同，且各支路的數(shù)字角頻率是成倍增長(zhǎng)的，所以它們可以共享同一個(gè)存儲(chǔ)器組；同時(shí)，OFDM發(fā)射機(jī)的頻域數(shù)據(jù)一般取自有限元素的集合，可以將乘積的結(jié)果預(yù)先存儲(chǔ)起來(lái)，這樣乘法運(yùn)算也可以省略；兩方案結(jié)合，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)大大簡(jiǎn)化。
[0006]本發(fā)明提供的技術(shù)方案如下:
[0007]一種應(yīng)用于OFDM發(fā)射機(jī)的IFFT處理器(參見圖3)，其特征在于，
[0008]所述IFFT處理器包括r個(gè)由存儲(chǔ)器組構(gòu)成的bank,用來(lái)存儲(chǔ)sin函數(shù)一個(gè)周期內(nèi)被均勻采樣并被數(shù)字量化后的幅度因子，稱為正弦幅度因子，每個(gè)bank存有N個(gè)正弦幅度因子數(shù)據(jù)，這些bank分別叫bankl、bank2，…，bankr，這里N代表1FFT變換的點(diǎn)數(shù)，r由調(diào)制方式?jīng)Q定；
[0009]所述IFFT處理器還包括N條支路，其中第I到N-1條支路，每條支路又包含4條子支路，每條子支路各使用一個(gè)單刀r拋開關(guān)用來(lái)從bank中選取數(shù)據(jù)，這樣共有4 (N-1)個(gè)單刀r拋開關(guān)，每條支路的前兩個(gè)開關(guān)用來(lái)從bank中選擇恰當(dāng)?shù)恼曳纫蜃右员闼腿氲谝患臃ㄆ魃蒊FFT變換的實(shí)部，后兩個(gè)開關(guān)用來(lái)選擇恰當(dāng)?shù)姆纫蜃右陨蒊FFT變換的虛部，第0條支路為直流量，由2個(gè)單刀2r拋開關(guān)構(gòu)成，一個(gè)用來(lái)選擇實(shí)部數(shù)據(jù)送入第一加法器，另一個(gè)用來(lái)選擇虛部數(shù)據(jù)以送入第二加法器；
[0010]所述IFFT處理器還包括兩個(gè)多輸入、單輸出的加法器，每個(gè)加法器的輸入數(shù)據(jù)有2N-1個(gè)，第一加法器把第I到N-1條支路的前兩個(gè)開關(guān)選出的數(shù)據(jù)及第0條支路的第一個(gè)開關(guān)選出的數(shù)據(jù)相加得到IFFT變換的實(shí)部，第二加法器把第I到N-1條支路的后兩個(gè)開關(guān)選出的數(shù)據(jù)及第0條支路的第二個(gè)開關(guān)選出的數(shù)據(jù)相加得到IFFT變換的虛部；
[0011]所述IFFT處理器在一個(gè)統(tǒng)一的elk時(shí)鐘的控制下執(zhí)行，在每個(gè)elk的上升沿，系統(tǒng)的第I到N-1條支路的每一條子支路都從恰當(dāng)?shù)腷ank中挑取出恰當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)，前兩條支路挑選的數(shù)據(jù)被送入第一加法器，以便得到IFFT變換的實(shí)部，后兩條支路挑選的數(shù)據(jù)被送入第二加法器，以得到IFFT變換的虛部；當(dāng)下一個(gè)elk的上升沿到來(lái)時(shí)，每條子支路還是從上次的bank中取數(shù)，只不過(guò)是取數(shù)的位置不同；只有當(dāng)所述的IFFT處理器要對(duì)一組新的頻域數(shù)據(jù)進(jìn)行變換時(shí)，各子支路才可能從不同的bank中取數(shù)。
[0012]所述的IFFT處理器，其特征在于，所需的bank數(shù)量r由調(diào)制階數(shù)決定，對(duì)于采用
xQAM調(diào)制，設(shè)x=4m，共需要
【權(quán)利要求】
1.一種應(yīng)用于OFDM發(fā)射機(jī)的IFFT處理器，其特征在于， 所述IFFT處理器包括r個(gè)由存儲(chǔ)器組構(gòu)成的bank,用來(lái)存儲(chǔ)sin函數(shù)一個(gè)周期內(nèi)被均勻采樣并被數(shù)字量化后的幅度因子，稱為正弦幅度因子，每個(gè)bank存有N個(gè)正弦幅度因子數(shù)據(jù)，這些bank分別叫bankl、bank2, , bankr,這里N代表1FFT變換的點(diǎn)數(shù)，r由調(diào)制方式?jīng)Q定； 所述IFFT處理器還包括N條支路，其中第I到N-1條支路，每條支路又包含4條子支路，每條子支路各使用一個(gè)單刀r拋開關(guān)用來(lái)從bank中選取數(shù)據(jù)，這樣共有4 (N-1)個(gè)單刀r拋開關(guān)，每條支路的前兩個(gè)開關(guān)用來(lái)從bank中選擇恰當(dāng)?shù)恼曳纫蜃右员闼腿氲谝患臃ㄆ魃蒊FFT變換的實(shí)部，后兩個(gè)開關(guān)用來(lái)選擇恰當(dāng)?shù)姆纫蜃右陨蒊FFT變換虛部，第0條支路為直流量，由2個(gè)單刀2r拋開關(guān)構(gòu)成，一個(gè)用來(lái)選擇實(shí)部數(shù)據(jù)送入第一加法器，另一個(gè)用來(lái)選擇虛部數(shù)據(jù)以送入第二加法器； 所述IFFT處理器還包括兩個(gè)多輸入、單輸出的加法器，每個(gè)加法器的輸入數(shù)據(jù)有2N-1個(gè)，第一加法器把第I到N-1條支路的前兩個(gè)開關(guān)選出的數(shù)據(jù)及第0條支路的第一個(gè)開關(guān)選出的數(shù)據(jù)相加得到IFFT變換的實(shí)部，第二加法器把第I到N-1條支路的后兩個(gè)開關(guān)選出的數(shù)據(jù)及第0條支路的第二個(gè)開關(guān)選出的數(shù)據(jù)相加得到IFFT變換的虛部； 所述IFFT處理器在一個(gè)統(tǒng)一的elk時(shí)鐘的控制下執(zhí)行，在每個(gè)elk的上升沿，系統(tǒng)的第I到N-1條支路的每一條子支路都從恰當(dāng)?shù)腷ank中挑取出恰當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)，前兩條支路挑選的數(shù)據(jù)被送入第一加法器，以便得到IFFT變換的實(shí)部，后兩條支路挑選的數(shù)據(jù)被送入第二加法器，以得到IFFT變換的虛部；當(dāng)下一個(gè)elk的上升沿到來(lái)時(shí)，每條子支路還是從上次的bank中取數(shù)，只不過(guò)是取數(shù)的位置不同；只有當(dāng)所述的IFFT處理器要對(duì)一組新的頻域數(shù)據(jù)進(jìn)行變換時(shí)，各子支路才可能從不同的bank中取數(shù)。
2.如權(quán)利要求1所述的IFFT處理器，其特征在于，所需的bank數(shù)量r由調(diào)制階數(shù)決定，對(duì)于采用xQAM調(diào)制，設(shè)x=4m，共需要
3.如權(quán)利要求1所述的IFFT處理器，其特征在于，第p個(gè)bank中存有的N個(gè)正弦幅度



4.如權(quán)利要求1所述的IFFT處理器，其特征在于，第I到N-1條支路，其中每條支路又包含4條子支路，第k條支路的4條子支路分別用來(lái)計(jì)算、








5.如權(quán)利要求1所述的IFFT處理器，其特征在于，第I到N-1條支路的4個(gè)子支路確定從第幾個(gè)bank中選取數(shù)據(jù)之后，在開始變換的第一個(gè)elk的上升沿還要確定從該bank的哪個(gè)起始地址選取數(shù)據(jù)，這些起始地址只可能是
6.如權(quán)利要求1所述的IFFT處理器，其特征在于，所述IFFT處理器包括2個(gè)加法器，每個(gè)加法器能在一個(gè)elk之內(nèi)將2N-1個(gè)數(shù)據(jù)加到一起，分別形成此時(shí)刻變換結(jié)果的實(shí)部和虛部；每個(gè)加法器的2N-1個(gè)輸入數(shù)據(jù)包含第I到N-1條支路的兩條子支路選出的2 (N-1)個(gè)數(shù)據(jù)和第0條支路其中一條子支路選出的數(shù)據(jù)；第0條支路對(duì)應(yīng)著直流量，它的兩條子支路選取的數(shù)據(jù)分別由X(O)的實(shí)部Xk(O)和虛部X1 (0)決定。
7.一種應(yīng)用于OFDM發(fā)射機(jī)的IFFT實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于，包括如下步驟: 1)IFFT變換的表達(dá)式寫成:
8.如權(quán)利要求7所述的IFFT實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于，采用數(shù)字正弦信號(hào)發(fā)生器生成式(II)中的sin和cos序列項(xiàng)，而各條支路中數(shù)字正弦信號(hào)發(fā)生器的數(shù)字角頻率是成倍增長(zhǎng)的，這樣，只使用一個(gè)存儲(chǔ)器保存正弦幅度序列:
9.如權(quán)利要求8所述的IFFT實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于，由于OFDM發(fā)射機(jī)的頻域數(shù)據(jù)X(k)的實(shí)部Xk (k)和虛部X1GO通常取自相同的有限元素的集合，這樣，式(II)中的乘法器做了大量重復(fù)性的工作，通過(guò)把Ixk(k) I乘以式(III)的序列存儲(chǔ)起來(lái)，省去了 IFFT處理器中的乘法器。
【文檔編號(hào)】H04L27/26GK103685128SQ201310737549
【公開日】2014年3月26日 申請(qǐng)日期:2013年12月27日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月27日
【發(fā)明者】劉三軍, 譚建軍, 楊瑞 申請(qǐng)人:湖北民族學(xué)院科技學(xué)院