采用ESP32-S3的ADC/DAC实现低频OFDM通信、调制与解调的实现源码详解

由于ESP32-S3的硬件限制（ADC/DAC采样率通常在几百kHz级别）和OFDM实现的复杂性，100KHz低频段通信需要结合硬件特性和软件优化。以下是分模块的实现方案：

ESP32-S3 ADC/DAC配置

#include "driver/adc.h"
#include "driver/dac.h"

#define ADC_SAMPLE_RATE 1000000 // 实际最高约1MHz
#define DAC_SAMPLE_RATE 1000000

void adc_init() {
    adc1_config_width(ADC_WIDTH_BIT_12);
    adc1_config_channel_atten(ADC1_CHANNEL_0, ADC_ATTEN_DB_11);
    adc_set_clk_div(1); // 最小分频系数
}

void dac_init() {
    dac_output_enable(DAC_CHANNEL_1);
    dac_output_voltage(DAC_CHANNEL_1, 0);
    dac_cw_config_t cw = {
        .en_ch = DAC_CHANNEL_1,
        .scale = DAC_CW_SCALE_1,
        .phase = DAC_CW_PHASE_0,
        .freq = DAC_SAMPLE_RATE,
        .offset = 0x7FF
    };
    dac_cw_generator_config(&cw);
}

OFDM核心处理

#include <complex.h>
#include <fftw3.h>

#define FFT_SIZE 64
#define CP_LENGTH 16

void ofdm_modulate(float complex* input, float* output) {
    fftwf_plan plan = fftwf_plan_dft_1d(FFT_SIZE, 
        (fftwf_complex*)input, (fftwf_complex*)input, FFTW_BACKWARD, FFTW_ESTIMATE);
    
    fftwf_execute(plan);
    
    // 添加循环前缀
    for(int i=0; i<CP_LENGTH; i++) {
        output[i] = creal(input[FFT_SIZE-CP_LENGTH+i]);
    }
    for(int i=0; i<FFT_SIZE; i++) {
        output[i+CP_LENGTH] = creal(input[i]);
    }
    
    fftwf_destroy_plan(plan);
}

void ofdm_demodulate(float* input, float complex* output) {
    // 移除循环前缀
    float complex symbols[FFT_SIZE];
    for(int i=0; i<FFT_SIZE; i++) {
        symbols[i] = input[i+CP_LENGTH] + I*0.0f;
    }
    
    fftwf_plan plan = fftwf_plan_dft_1d(FFT_SIZE, 
        (fftwf_complex*)symbols, (fftwf_complex*)output, FFTW_FORWARD, FFTW_ESTIMATE);
    fftwf_execute(plan);
    fftwf_destroy_plan(plan);
}

完整传输链路

void transmit_chain() {
    float complex qam_symbols[FFT_SIZE];
    // 生成QAM符号 (示例)
    for(int i=0; i<FFT_SIZE; i++) {
        qam_symbols[i] = (i%4 - 1.5f)*0.707f + I*(i%4 - 1.5f)*0.707f;
    }
    
    float time_domain[FFT_SIZE+CP_LENGTH];
    ofdm_modulate(qam_symbols, time_domain);
    
    // 通过DAC输出
    for(int i=0; i<FFT_SIZE+CP_LENGTH; i++) {
        dac_output_voltage(DAC_CHANNEL_1, (int)(time_domain[i]*1000 + 2048));
        ets_delay_us(1); // 约1MHz速率
    }
}

void receive_chain() {
    float adc_samples[FFT_SIZE+CP_LENGTH];
    for(int i=0; i<FFT_SIZE+CP_LENGTH; i++) {
        adc_samples[i] = (float)adc1_get_raw(ADC1_CHANNEL_0) / 4096.0f - 0.5f;
        ets_delay_us(1);
    }
    
    float complex received_symbols[FFT_SIZE];
    ofdm_demodulate(adc_samples, received_symbols);
    
    // 此处添加信道均衡等处理
}

Python测试验证代码

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
from scipy.fft import fft, ifft

def ofdm_modulate_py(symbols, fft_size=64, cp_length=16):
    time_domain = ifft(symbols)
    tx_signal = np.concatenate([time_domain[-cp_length:], time_domain])
    return tx_signal

def ofdm_demodulate_py(signal, fft_size=64, cp_length=16):
    rx_symbols = fft(signal[cp_length:cp_length+fft_size])
    return rx_symbols

# 测试用例
fft_size = 64
cp_length = 16
test_symbols = np.array([(n%4 - 1.5)*0.707 + 1j*(n%4 - 1.5)*0.707 for n in range(fft_size)])

# 调制解调测试
tx_signal = ofdm_modulate_py(test_symbols)
rx_symbols = ofdm_demodulate_py(tx_signal)

# 绘制结果
plt.figure(figsize=(12,6))
plt.subplot(2,1,1)
plt.title("Transmitted Time Domain Signal")
plt.plot(np.real(tx_signal))
plt.subplot(2,1,2)
plt.title("Received Constellation")
plt.plot(np.real(rx_symbols), np.imag(rx_symbols), 'ro')
plt.show()

实现注意事项

ESP32-S3的硬件限制要求实际实现时需要考虑以下关键点：

ADC/DAC实际采样率受硬件限制，需通过DMA实现高速连续采样
FFT计算可考虑使用ESP-DSP库优化性能
需要添加定时器精确控制采样间隔
信道估计和同步算法需额外实现
Python代码用于算法验证，实际部署需要移植到ESP32环境

建议先从Python验证算法正确性，再逐步移植到嵌入式平台。实际部署时可能需要降低OFDM参数（如子载波数量）以适应硬件限制。