一種多體制通信時(shí)間同步算法及其FPGA實(shí)現(xiàn)

　　引 言

　　隨著通信技術(shù)的快速發(fā)展，無線通信體制呈現(xiàn)多樣化趨勢(shì)，各種通信系統(tǒng)之間互不兼容、升級(jí)能力有限等問題越來越突出。為了有效解決上述問題，清華大學(xué)無線與移動(dòng)通信技術(shù)研究中心在承擔(dān)的國家863項(xiàng)目“軟硬件可重構(gòu)的新一代無線通信統(tǒng)一平臺(tái)研究”中，以上位機(jī)、通用硬件平臺(tái)和寬帶天線等為基礎(chǔ)，搭建一個(gè)可以兼容多種通信體制的新一代無線通信統(tǒng)一平臺(tái)，并通過運(yùn)行GSM、TD-SCDMA、WCDMA、CDMA2000、WiMAX等主流2G/3G/B3G無線通信系統(tǒng)，驗(yàn)證平臺(tái)的可行性。該平臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，上位機(jī)提供人機(jī)界面，并完成基帶信號(hào)處理和系統(tǒng)整體控制[1];通用硬件平臺(tái)主要完成上下變頻、數(shù)模模數(shù)轉(zhuǎn)換、同步等信號(hào)預(yù)處理功能。

　　針對(duì)需要兼容多種通信體制的新一代無線通信統(tǒng)一平臺(tái)，傳統(tǒng)的時(shí)間同步算法由于對(duì)載波頻偏過于敏感、捕獲時(shí)間長等問題[2-4]，無法滿足各種無線通信體制對(duì)時(shí)間同步算法的性能需求。文獻(xiàn)[5]介紹了一種基于前導(dǎo)字的快速位同步算法，但它只適用于在每個(gè)數(shù)據(jù)包前都插入前導(dǎo)字的突發(fā)通信系統(tǒng)，且一般所需較長的前導(dǎo)字。文獻(xiàn)[6]介紹了一種可以減輕載波頻偏影響的幀同步算法，但它針對(duì)中國數(shù)字廣播電視系統(tǒng)設(shè)計(jì)，不適用于其他通信體制，而且存在算法硬件實(shí)現(xiàn)復(fù)雜、沒有考慮位同步的實(shí)現(xiàn)等問題。

　　為了解決上述問題，本文提出了一種基于同步序列的時(shí)間同步算法，只需要修改本地同步序列就可以應(yīng)用于不同的通信系統(tǒng)。其中，幀同步分成檢測(cè)和確認(rèn)兩個(gè)步驟，并通過采用改進(jìn)的分段相關(guān)法解決幀同步對(duì)載波頻偏過于敏感以及硬件實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度高等問題;而位同步同樣利用同步序列實(shí)現(xiàn)，與幀同步同時(shí)完成，從而解決位同步算法收斂速度慢的問題，使算法滿足各種主流無線通信體制對(duì)時(shí)間同步算法的性能需求。

　　適用多體制通信的時(shí)間同步算法

　　為了解決傳統(tǒng)時(shí)間同步算法不適用于多種無線通信體制且不適于硬件實(shí)現(xiàn)等問題，本文提出了一種改進(jìn)的時(shí)間同步算法，如圖2所示。在改進(jìn)的時(shí)間同步算法中，本地同步序列分成和兩段，從而使幀同步和位同步都可以利用接收序列與本地同步序列的相關(guān)性實(shí)現(xiàn)。因此，只需要改變本地同步序列，改進(jìn)后的時(shí)間同步算法就可以適用于不同的通信體制。

　　在本地同步序列及其劃分方式確定后，時(shí)間同步算法的工作原理如下：首先，系統(tǒng)利用本地同步序列1完成幀同步的初始檢測(cè)。當(dāng)檢測(cè)結(jié)果認(rèn)為接收到數(shù)據(jù)幀時(shí)，啟動(dòng)幀同步確認(rèn)和位同步等模塊，利用本地同步序列2完成幀同步確認(rèn)和位同步調(diào)整。其中，幀同步檢測(cè)使用改進(jìn)的分段相關(guān)法，可以有效提高幀檢測(cè)算法對(duì)載波頻偏的容忍度，降低幀同步的漏同步概率，并使算法便于硬件實(shí)現(xiàn)。幀同步確認(rèn)和位同步在幀同步檢測(cè)成功后啟動(dòng)，通過本地同步序列2與接收序列的相關(guān)結(jié)果來確認(rèn)幀同步檢測(cè)結(jié)果是否正確，從而減少假同步概率，并同時(shí)利用接收序列與本地同步序列2之間的相關(guān)性完成位同步處理，大大加快了位同步的收斂速度。