1、    基于IEEE 802.1la的OFDM同步系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)    基于IEEE 802.1la的OFDM同步系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)    類別：通信網(wǎng)絡(luò)      第四代移動通信中將提供高達(dá)100Mbs甚至更高的數(shù)據(jù)傳輸速率，能夠滿足從語音擴(kuò)展到數(shù)據(jù)、圖像、視頻等大量信息的高質(zhì)量的多媒體業(yè)務(wù)。隨著無線通信業(yè)務(wù)的飛速發(fā)展，為了在可用頻帶日趨緊張的情況下提高頻帶利用率正交頻分復(fù)用(Orthogonal Frequency

2、Division MultiplexingOFDM)已成為第四代移動通信系統(tǒng)的核心技術(shù)。其基本思想是：將信道分成若干個正交子信道，將高速數(shù)據(jù)信號轉(zhuǎn)換成并行的低速子數(shù)據(jù)流，調(diào)制到每個子信道上進(jìn)行傳輸。各子信道問保持正交，頻譜相互重疊，與單載波調(diào)制相比，提高了頻譜利用率，但是OFDM系統(tǒng)對定時誤差和頻率偏移比單載波調(diào)制敏感，其同步精度的要求比單載波調(diào)制更高，同步偏差會在0FDM系統(tǒng)中引起嚴(yán)重的ISI(Inter Symbol Interference，碼間干擾)和ICI(Inter Carrier Inteference，載波間干擾)。另外由于OFDM信號的波形，使得很多為單載波系統(tǒng)設(shè)計的同步算法

3、不能被采用。因此，同步系統(tǒng)的研究對于OFDM寬帶數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的實現(xiàn)具有重要的意義。 本義簡要介紹了OFDM的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，分析了同步對OFDM系統(tǒng)的影響，在IEEE 802.1la協(xié)議的基礎(chǔ)上設(shè)計了一種OFDM的同步系統(tǒng)方案，并重點(diǎn)討論了幀同步、符號同步和載波同步與跟蹤的關(guān)鍵技術(shù)，最后利用FPGA實現(xiàn)了整個方案。 1 OFDM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以及同步偏差對系統(tǒng)的性能影響 11 OFDM的系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 12 同步偏差對系統(tǒng)的性能影響 式中：N為子載波數(shù)目(N=64)，ak，m為每個子載波的調(diào)制系數(shù)，T為OFDM符號的時長4s(包括循環(huán)前綴0.8s和FFT符號寬度3.2s)，T0為一個OFDM符號的周期長度3.2

4、s(不包含循環(huán)長度)，f01T0。 可見，當(dāng)收發(fā)兩端不同步時，將會從以下3方面影響系統(tǒng)性能： (1)對接收信號的各個子信道產(chǎn)生相位旋轉(zhuǎn)； (2)降低接收信號的各個子信道的正交性，增大各子信道的噪聲； (3)降低接收信號的各子信道信號功率。 因此，系統(tǒng)的不同步將對信號的恢復(fù)造成很大的影響，所以接收機(jī)必須采取有效的同步方式。通常情況下采樣時鐘偏移可以忽略不計，下面是系統(tǒng)同步部分的方案設(shè)計。 2同步方案設(shè)計 常用的同步有2種基本方法：一種是非數(shù)據(jù)輔助(NonData Aided，NDA)同步；另一種同步方式為數(shù)據(jù)輔助(DataAided，DA)同步。非數(shù)據(jù)輔助方式的同步時間相對較長，廣播方式的通信系

5、統(tǒng)對同步的時間要求不高，可以采用這種方式，而對于突發(fā)方式的無線寬帶通信，要求快速的同步建立時間。一般采用數(shù)據(jù)輔助同步方式?？紤]系統(tǒng)資源、同步時間以及實現(xiàn)復(fù)雜度等幾個因素，本系統(tǒng)采用基于長、短碼訓(xùn)練序列以及輔助導(dǎo)頻的數(shù)據(jù)輔助同步。 21 幀同步 在一般的通信系統(tǒng)中，幀同步過程往往放在載波同步和碼元定時同步之后完成。但對于IEEE 802.11a系統(tǒng)而言，其突發(fā)通信的性質(zhì)決定了其幀同步需在載波同步和碼元同步之前完成，即在存在載波頻偏和碼元定時偏移的情況下建立幀同步。常用的幀檢測方法有能量檢測法，雙滑動窗口分組檢測法。在進(jìn)行幀檢測時，尚未進(jìn)行頻率同步，收到的復(fù)基帶信號可能存在較大的頻率偏差，因此需要

6、選擇一種受頻率偏差影響較小的算法。本文選用基于Schimdl&Cox提出的延時自相關(guān)算法，并在此基礎(chǔ)上引入了濾波保護(hù)計數(shù)，減小了誤檢測的出現(xiàn)概率。 P(d)為接收信號和接收信號延時的互相關(guān)值，D16，表示短訓(xùn)練序列的周期，R(d)表示了相應(yīng)接收信號的能量，用于做判決統(tǒng)計的歸一化，rd輸入的復(fù)基帶信號的采樣值。當(dāng)M(d)值迅速跳變?yōu)樽畲笾?，則表明數(shù)據(jù)幀信號已經(jīng)到達(dá)。 22 符號同步 精確的符號同步通常是基于時域或頻域的相關(guān)運(yùn)算實現(xiàn)。Warner和Bingham利用了導(dǎo)頻信號在頻域內(nèi)的相關(guān)特性，Couasnon則利用了循環(huán)前綴所包含的冗余信息?？紤]突發(fā)數(shù)據(jù)與DVB等廣播數(shù)據(jù)的不同，這里采用

7、短訓(xùn)練序列具有尖銳的自相關(guān)峰值的特性，利用接收信號和本地訓(xùn)練序列信號的尖銳相關(guān)峰值來實現(xiàn)精確的符號同步。式中，Sd為本地的短訓(xùn)練序列復(fù)信號，rd為接收到的基帶復(fù)信號。根據(jù)M(d)的值來完成對符號的精確同步。 23 載波同步與跟蹤 OFDM系統(tǒng)對載波頻率的偏移非常敏感，較小的載波頻率偏移都會引起相鄰子載波問的ICI，破壞子載波間的正交性，一般1載波頻率偏移就會對系統(tǒng)產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。訓(xùn)練序列中重復(fù)相同的兩部分經(jīng)過信道傳輸后，他們之間會由于載波頻率的偏差而產(chǎn)生相位的偏移，通過對相位偏移值的計算，便可以得到頻偏的估計，其估計范圍與估計精度均與重復(fù)訓(xùn)練序列的周期有直接關(guān)系。這里分別利用重復(fù)的短訓(xùn)練序列完

8、成頻率的粗估計，重復(fù)的長訓(xùn)練序列完成頻率的細(xì)估計。D為兩個重復(fù)符號的相同取樣之間的延時，短訓(xùn)練序列中D16，長訓(xùn)練序列中D64。故由上式可知，短訓(xùn)練序列和長訓(xùn)練序列的頻率估計范圍分別是625kHz和156.25 kHz。用長短訓(xùn)練序列結(jié)合的頻率估計方法，不僅解決了捕捉范圍寬的問題，同時提高了捕捉精度。 頻偏估計并非一個完備的過程，時域的頻偏估計糾正后，仍然有部分殘留頻偏誤差(4kHz內(nèi))，由于OFDM幀的持續(xù)時間的增長，殘留頻偏誤差會造成相位的偏移量不斷增加，因此隨著相位偏差的增大會引起星座圖的旋轉(zhuǎn)，以至造成解調(diào)失效。 由于802.11a中每個符號在頻域上有4個對稱的導(dǎo)頻(分別在2l，7，+7

9、和+21子載波上)因此可以在FFT后通過將頻域中的4個導(dǎo)頻提取出來，然后根據(jù)4個導(dǎo)頻相位偏移的平均值： 對殘留頻偏產(chǎn)生的相位旋轉(zhuǎn)進(jìn)行糾正跟蹤。 3 系統(tǒng)仿真 假如收發(fā)雙方晶振的頻率穩(wěn)定度為20ppm(IEEE802.11a規(guī)定收發(fā)載波頻率最大偏移為±20ppm)，載波頻率為5GHz。則在最惡劣的情況下，接收端的頻率誤差為40ppm，即5×109×40×10-6200kHz。 系統(tǒng)仿真環(huán)境：瑞利信道，信噪比為20dB，采用16QAM調(diào)制方式，輸入人為頻偏為300kHz，200個OFDM符號。 通過觀察16QAM接收信號的星座圖可以明顯看出：同步與否對于信號

10、的恢復(fù)起了決定性的作用，該同步系統(tǒng)方案可以在低性噪比的情況下正確地恢復(fù)出原始信號。 4 FPGA實現(xiàn) 整個同步系統(tǒng)的實現(xiàn)是在基帶數(shù)字域內(nèi)完成的，我們采用ALTERA公司推出的cycloneFPGA，采用VHD 語言在Quartus5.1開發(fā)環(huán)境下進(jìn)行設(shè)計。設(shè)計中采用 Quartus中的SignalTap邏輯分析儀對同步的結(jié)果進(jìn)行觀察。 第一行為70MHz的中頻AD采樣信號輸入；第二行為幀檢測的判決信息；第三行為幀同步信號到檢測標(biāo)志，為了防止幀誤檢測，加入了保護(hù)計數(shù)，所以幀檢測信號相對數(shù)據(jù)信號的到達(dá)有一定的延時；第四行為長碼符號位置指示；第五行為提供給FFT的窗口控制信號，高電平段表示數(shù)據(jù)段(3.2s)，低電平間隔為循環(huán)前綴(0.8s)；最后一行為頻率偏移的估計控制值(以80MHz為參考的估計值)，用于送入NCO校正本地載波，中間段是短訓(xùn)練序列的粗頻偏估計值，隨后是由長、短兩種訓(xùn)練序列估計頻偏的最終值?？梢钥闯鲱l率偏移糾正值 與輸