MIMO OFDM无线通信基带接收机设计电子与嵌入式系统设计译丛 阙...
罗雪芹 李开航 邹佳
摘 要： 在OFDM通信系统基带接收机设计中必须严格保证子载波之间的正交性，但是实际情况中，多普勒频移或收发频率的不完全同步，常导致载波频率偏差，破坏子载波间的正交性。基于IEEE 802.11a协议标准中的长训练符号和短训练符号，在MB?OFDM?UWB通信系统中提出一种载波同步的时域方法，即利用短训练符号的重复周期性，采用二次最大似然算法对数据符号进行载波频偏校正。以上方案利用FPGA编程实现，并下载到目标板中，使用ChipScope 在线测试验证了设计的正确性。
关键词： 载波同步； 频偏； FPGA； 通信系统
中图分类号： TN911?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2015）10?0004?03
与传统无线电系统相比，采用正交频分复用技术的系统对载波频偏极其敏感[1]，频偏如果没有校正，子载波间的正交性就会被破坏，从而引起严重的不同步，而数字通信系统最根本的诉求就是同步。
本文中讨论的载波同步是一种采用最大似然算法估算频偏，并进行校正的技术。在MB?OFDM?UWB通信系统接收机载波同步设计中，选择时域方法进行研究。
1 载波同步的原理
1.1 时域方法
假设频率偏差在短训练序列周期的累积相位偏移是[Tsβ]，在长训练序列周期的累积相位偏移是[Tlβ]，那么，在忽略瞬时噪声的条件下，设短训练序列的前后相关相位差是[?s]，长训练序列的相关相位差是[?l]，如果频率偏差较大，同时[?s]和[?l]相差[2π]的整数倍，那么相位偏移和相关相位差存在如下关系：
[?s+2πks=Tsβ] （1）
[?l+2πkl=Tlβ] （2）
式中：[?s]，[?l][∈-π，+π]；[ks]和[kl]都是整数，假设接收的信号已经过粗定时，通过前后相关的算法[2]可以得到[?s]和[?l]的估计值。短训练序列和长训练序列的相关长度为[Ts]和[Tl]，根据式（1）和式（2），[ks]和[kl]的值如果确定，就能估算频率偏移。令式（1）两边同时乘以[Tl]，式（2）两边同时乘以[Ts]，即可以得到：
[?sTl+2πksTl=TsTlβ=?lTs+2πklTs] （3）
左右恒等变换可以得到：
[ksTl-klTs=?lTs-?sTl2π] （4）
理想情况下，式（4）右边只能取整数，前后相关算法的最大似然估计误差为：
[σ2?=1Tc?λ] （5）
式中：[Tc]是相关区间的长度；[λ]是接收信号的信噪比[3]。因此结合式（5），利用2次最大似然估计，相邻两个采样区间的相位差估计为：
[β=2ksTcsTs+klTclTlπ+?sTsTcs+?lTlTclT2sTcs+T2lTcl] （6）
1.2 载波同步的时域方法特性
根据IEEE 802.11a标准，振荡器最极端的情况是发射机和接收机都达到最大误差且正负相反，那么总误差为[40×10-6]，如果载波频率取值5.3 GHz，频率总误差为212 kHz，而这个值不在长训练符号估算值范围内[4]，可以采用短长估算相结合的办法，使得估算值更稳定。
2 时域算法应用于UWB通信系统
2.1 数据分流
数据分流模块主要完成输入数据的分流，并分别送至各个后续单元。硬件实现上，输入数据用计数器index进行计数，如果1[≤]index[≤]160，送入数据缓存模块；如果1[≤]index[≤]80，送入频偏估计模块用于粗频率偏差估算；如果160[≤]index，送入频偏补偿模块，如图1所示[5]。
图1 数据分流模块结构图
相应的代码设计部分如下：
if （（1<=dataindex）&&（dataindex<=80））
begin
estimationoutenable <= 1；
estimationoutre <= tempdatainre；
estimationoutIm <= tempdatainim；
end
else
begin
estimationoutenable <= 0；
estimationoutre <= 8′b00000000；
estimationoutim <= 8′b00000000；
end
2.2 频偏估计
载波频偏估计利用上一模块输出的短训练符号，根据频率偏差进行估算，硬件设计上分为延迟相关、相关累加、偏差估算三个部分。延迟相关计算时采用一个16位移位寄存器进行缓存，再用复数乘法器进行数据相关计算。计算的4组相关数据进行累加运算，在硬件上，采用常用的滑动窗口思想。再从累加值中提取相位信息，依次计算频率偏差，硬件上采用集成板上自带的IP核来实现功能。总体结构如图2所示[6]。
图2 载波频偏估计流程图
2.3 频偏补偿
当index[≥]160时，输出的数据直接进行频偏补偿。通过频率偏差得到OFDM符号中每个样本的补偿因子。硬件实现上分为补偿因子计算和数据补偿，因此设计包括补偿因子计算、数据缓存、数据补偿三个部分。计算补偿因子时用补码器取反，用累加器实现相角移位，串行输出缓存的补偿因子，用复数乘法器载波频差补偿。结构如图3所示。
图3 载波频偏补偿流程图
2.4 数据输出
将短训练符号和频差补偿后的长训练符号以及数据符号重组为完整数据进行输出。硬件上利用数据缓存模块对短训练符号延迟。部分代码如下：
if （shorttrainingenable）
begin
foedataoutenable <= 1；
foedataoutre <= shorttrainingre；
foedataoutim <= shorttrainingim；
end
3 仿真波形和FPGA实现
载波同步模块的上一模块是分组检测模块，下一模块是符号同步模块，它的作用是载波频偏校正。外部接口设计如图4所示。
图4 载波同步模块外部接口
对工程进行综合，布局布线后仿真，得到如图5所示结果。
图5 Modelsim仿真结果
使用Chipscope添加观察信号采样时钟、触发信号和待观察信号，重新综合布局布线生成bit文件，下载到目标板后用ChipScope进行在线测试，得到的观测结果如图6所示。
图6 在线测试结果
通过仿真结果和在线测试结果的对比，可以验证载波同步模块设计的正确性。
4 结 语
本文中载波同步的设计属于OFDM通信系统接收机部分。通过Modelsim仿真和下载到ChipScope中在线测试进行对比，可以看到仿真结果一致，说明载波同步模块可以作为一个完整的OFDM基带设计的接收端子模块。但是，以上结果是基于瞬时噪声为零的情况，还有很多实际因素没有考虑在内，因此，之后还应针对这类情况进行完善。
参考文献
[1] VAN NEE R， PRASAD R. OFDM for wireless multimedia communications [M]. Boston： Artech House， 2000.
[2] 雷伟.MB?OFDM?UWB发射机基带数据处理系统的研究与实现[D].厦门：厦门大学，2011.
[3] 杨晨阳，洪惠勇.基于训练序列的时域OFDM载波同步算法[J].北京航空航天大学学报，2005，31（2）：157?161.
[4] 史治国，洪少华，陈抗生.基于Xilinx FPGA的OFDM通信系统基带设计[M].杭州：浙江大学出版社，2009.
[5] 张虹.卫星通信中全数字接收的载波同步技术及其ADS仿真[D].天津：天津大学，2007.
[6] 朱凯里.猝发式直扩信号数字化接收机载波同步技术研究[D].杭州：杭州电子科技大学，2012.
[7] 赵江锋，张会生，李立欣.一种改进的OFDM定时同步算法[J].现代电子技术，2011，34（3）：31?34.
[8] 徐迪宇，方军.RCS信道快速载波同步设计[J].现代电子技术，2014，37（15）：35?37.
