OFDM系统中DAGC的应用研究及FPGA实现

摘 要：介绍IDFT／DFT可精度在OFDM系统基带解调中的重要性，分析定点化DFT输入功率对其精度的影响，并在此基础上采用数字自动增益控制技术用于DFT前端，以解决过大输入信号动态范围所造成的DFT输出信噪比恶化的问题。理论分析、Matlab仿真结果以及FPGA实现结果表明，该方法具有可行性、实时性和易实现性，可使DFT输出信噪比达到最佳范围，以满足0FDM系统基带解调的要求；在较大输入功率情况下，采用DAGc技术的防溢出方法和经典DFT防溢出方法相比，前者使得DFT输出信噪比提高24 dB。
关键词：OFDM；离散傅立叶变换；溢出误差；数字自动增益控制；FPGA

O 引 言
随着各种FFT算法的出现，DFT在现代信号处理中起着越来越重要的作用。在B3G和4G移动通信中所采用的0FDM技术，更是以IDFT／DFT来进行OFDM调制和解调制，IDFT／DFT的精度直接影响基带解调的性能。
在硬件实现中，通常影响定点化FFT算法精度的有量化误差、舍入误差和溢出误差。一旦决定了量化方式和数据位宽后，量化误差和舍入误差都是可估计的，而溢出误差则随着输入信号功率的增大而急剧增加，造成SNR严重恶化。
中射频接收时，通常使用AAGc和DAGC来改善ADC正常工作的动态范围。同理，由于实现高精度定点化FFT算法的难度和成本较高，本文将采用DAGC技术调整DFT输入功率，以降低DFT的实现负担、增加DFT的实现精度、减少DFT的实现位宽。

1 DFT输入功率范围分析
B3G和4G移动通信系统中采用的OFDM技术以OFDM符号为单位进行调制解调，该类系统中高层的子载波分配机制，可以使各个OFDM符号幅度变化较其他通信系统大得多。因此，OFDM符号在接收端中射频进行放大后，传至基带用DFT进行子载波解调，此时的符号功率往往有着较大的动态范围。针对本文关注的DFT溢出误差，该部分将推导DFT所能接收的最大输入信号功率。
复随机序列z[n]=Re(z[n])+jIm(b[n])(n∈[0，N一1])的DFT正变换表示为：

考虑最极端的一个Z[k]，即每一个z[n]乘以旋转因子WknN后，都旋转角θ至Re正半轴成为z’[n]，如图1所示。在这种情况下，定义：

则当虚部为Im(Z[k])=0时，实部Re(Z[k])(k∈[0，(n-1)]的模平方满足：

其中：N为DFT点数，以上推导也可由旋转至Re负半轴，Im正或负半轴得到。因此，所有Z[k]的实部和虚部的模平方必定都小于或等于式(3)所得结果。

本文仅讨论1 024点复随机序列DFT，采用32 b存储DFT结果，高16 b存实部，低16 b存虚部，两个16 b的最高位均为符号位，为了保证DFT后的每一个点都不溢出，则平均功率W，需要满足：

经典的防止DFT溢出的办法，通常是将输入信号的模调整至所允许的最大输出信号模的1／N，N为DFT点数，同样针对以上情况，采用经典模调整方式的平均功率仅为Ws／1 024。