文獻標識碼:A
文章編號: 0258-7998(2010)12-0107-04
OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)即正交頻分復用技術,,實際上是多載波調(diào)制的一種,。其主要思想是:將信道分成若干正交子信道,將高速數(shù)據(jù)信號轉換成并行的低速子數(shù)據(jù)流,,調(diào)制到在每個子信道上進行傳輸,。
信號在無線信道中傳輸時,會受到多徑衰落、時延擴展,、多普勒頻移等現(xiàn)象的影響,,破壞子載波的正交性。系統(tǒng)接收端會因定時不準確導致FFT處理窗包含連續(xù)兩個OFDM信號,,引入數(shù)據(jù)誤差造成符號間干擾(ISI),。因此,符號同步顯得尤為重要,。同步的定時和頻偏估計算法通常分為兩類:第一類為數(shù)據(jù)輔助估計[1],,即基于導頻或訓練序列的同步算法,第二類是非數(shù)據(jù)輔助估計[2-3],,即利用數(shù)據(jù)自身的冗余性進行同步計算,。本文提出了一種基于循環(huán)前綴的非數(shù)據(jù)輔助估計算法。
1系統(tǒng)模型
1.1 IEEE802.11a的基帶系統(tǒng)模型
IEEE802.11a基帶系統(tǒng)收發(fā)機各功能模塊如圖1所示,,其中上半部分對應于發(fā)射機鏈路,,下半部分對應于接收機鏈路。系統(tǒng)可采用BPSK,、QPSK,、16QAM和64 QAM四種調(diào)制類型以及1/2 、2/3和3/4三種編碼速率分別來支持6 Mb/s~54 Mb/s的數(shù)據(jù)速率,。一個OFDM符號中包含48個映射后的復數(shù)數(shù)據(jù),,4個導頻信息以及12個零點,因此該系統(tǒng)采用64點IFFT和FFT運算,為了克服符號間干擾,,在每個OFDM符號前加入16點的保護前綴[4],。
1.2 OFDM符號結構
在OFDM中,基帶帶寬由N個子載波占用,,符號速率為單載波傳輸模式的1/N,正是因為這種低符號速率,,可以使OFDM系統(tǒng)抵抗多徑信道導致的ISI。另外,,通過在每個OFDM符號前加入保護前綴可以進一步抵抗符號間干擾,,即將每個OFDM符號后時間中的樣點復制到OFDM符號的前面,形成前綴,,在增加符號長度的同時,,也維持了子載波的正交性。OFDM符號結構如圖2所示,。
2 符號定時同步
2.1 OFDM信號和信道模型
在OFDM系統(tǒng)中,,傳輸?shù)腘個復數(shù)信號經(jīng)過串并轉換和IFFT后,被調(diào)制到N路子載波上,,其中每個OFDM符號后的L個樣值被復制到符號前作為循環(huán)前綴,,基帶信號s(n)表示如下[4]:
2.2 改進算法的定時估計
在多徑衰落信道中,最大似然定時估計算法可以表示為[5]:
由于循環(huán)前綴的長度為L,可分別計算L個點的實部Re{rdif(n)}和虛部Im{rdif(n)}的總值:
3 算法仿真與分析
用Matlab對上述兩種算法進行仿真分析并進行對比,。主要仿真參數(shù)按照IEEE802.11a的標準設定如下:子載波采用BPSK調(diào)制方式,,進行64點的FFT運算,循環(huán)前綴的點數(shù)為16,,總子載波數(shù)為52,,其中數(shù)據(jù)子載波數(shù)為48。
圖3(a)是根據(jù)最大似然估計算法,,在SNR=10 dB的高斯信道中進行仿真得到的圖形,。仿真中,通過觀測歸一化后OFDM估計的峰值,,獲得最大似然估計的定時同步點,。圖3(b)則是在相同的環(huán)境下對改進算法進行仿真得到的結果。算法中通過檢測輸出峰值,,可以較理想地確定符號同步的位置,。從圖中可以看出,改進算法可得到較明顯的同步定位點,。
再從均方誤差(MSE)的角度比較兩種算法,,結果如圖4所示。從圖中可以看出,,兩者曲線的走勢相近,。從同步性能來看,,兩者不相上下,但由于所提出算法的硬件實現(xiàn)成本比最大似然估計算法低很多,,因此所提出算法相對較好,。
4 FPGA實現(xiàn)
本設計采用Xilinx公司Virtex 2p系列器件實現(xiàn)各模塊構建。改進算法在ISE10.1開發(fā)軟件下編譯通過,,并在Modelsim環(huán)境下仿真,,最后運用ChipScope進行在線邏輯分析并得出結果。
符號同步系統(tǒng)框圖如圖5所示,,信號先經(jīng)過64個時鐘的延時,,再與當前的數(shù)據(jù)相減并取模。硬件上充分利用FPGA中資源,,構成32個并行減法器(實部虛部各16個),,然后32組數(shù)據(jù)取模后相加,再依次調(diào)用FPGA中除法器以及乘法器的IP核進行求倒和平方運算,,最后設定判決門限對同步點進行判決,。
本設計用FPGA模擬了無線信道中10 dB的信噪比,如圖6所示,;觀測改進算法的同步定時估計值如圖7所示。兩圖均用ChipScope進行在線邏輯觀測,。從圖7中可以看出,,估計值出現(xiàn)的尖銳的峰值處就是同步的定位點??赏ㄟ^設定合理的判決門限,,使得OFDM符號同步達到較高的準確率。由生成報表可知,,該設計使用觸發(fā)器個數(shù)為2 379,,占總資源的8%;LUT的個數(shù)為1 473,占總資源的5%,。綜上可知,,實驗結果正確、設計可行,。
OFDM技術預計將成為3 G以后主流的移動通信技術,。本文主要針對OFDM系統(tǒng)符號定時,提出了一種非數(shù)據(jù)輔助型的同步估計算法,,利用循環(huán)前綴的冗余性,,對數(shù)據(jù)樣值的末端和循環(huán)前綴進行相關運算來糾正符號同步誤差。文中推導了改進的相關算法,,并和最大似然估計相比較,進行Matlab仿真驗證并且在硬件上用FPGA成功實現(xiàn),。
參考文獻
[1] SCHMIDL T M, COX D C. Robust frequency and timing synchronization for OFDM [C].IEEE Transactions on Communications,1997,45(12):1613-1621.
[2] HSIEH M H, WEI Che Ho. A lowcomplexity frame synchronization and frequency offset compensation scheme for OFDM systems over fading channels. Vehicular Technology[C]. IEEE Transactions on.1999,48(5):1596-1609.
[3] ZHENG Hua Rong, TANG Jue,SHEN Bo.Low-complexity joint synchronization of symbol timing and carrier frequency for OFDM systems [C]. Consumer Electronics,IEEE Transactions on. 2005,51(3):783-789.
[4] 王文博, 鄭侃.寬帶無線通信OFDM技術 [M].北京:人民郵電出版社,2007:1-39.
[5] LEE J L, TOUMPAKARIS H D. Maximum likelihood estimation of time and frequency offset for OFDM systems[C]. Electronics Letters Volume:40 Issue:22 Date:28 Oct. 2004,40(22):1428-1429.