基于FPGA的OFDM寬帶數(shù)據(jù)通信同步系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

Design and Realize the Synchronization System for Broad Band 
Data Communication Based on FPGA

摘要：正交頻分復用（OFDM）是第四代移動通信的核心技術(shù)，本文介紹了一種基于FPGA的OFDM寬帶數(shù)據(jù)通信同步系統(tǒng)的設計方案，該方案為OFDM多載波通信提供了必要的同步系統(tǒng)。通過仿真完成了系統(tǒng)方案的設計，并利用Altera公司的CycloneII器件實現(xiàn)了整個同步系統(tǒng)設計。通過測試，論證了方案的可行性。

關(guān)鍵詞：正交頻分復用  同步  碼間干擾  多載波調(diào)制  載波間干擾

Abstract: OFDM is the key technology of 4G in the field of mobile communication. This paper introduce a method of realizing the synchronization system for broad band data communication based on FPGA, this method provides the indispensable synchronization system for OFDM multi-carriers communication. According to simulation we finish the design of scheme, and then using the CycloneII  FPGA of Altera Company realize the whole design of synchronization system. Through testing, demonstrate the feasibility of this scheme.
Key Words: OFDM  Synchronization  ISI  MCM   ICI

第四代移動通信（4G或稱為Beyond 3G）中將提供高達100Mbit/s甚至更高的數(shù)據(jù)傳輸速率，能夠滿足人們從語音擴展到數(shù)據(jù)、圖像、視頻等大量信息的高質(zhì)量的多媒體業(yè)務。隨著無線通信業(yè)務的飛速發(fā)展，為了在可用頻帶日趨緊張的情況下提高頻帶利用率，正交頻分復用OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)技術(shù)已成為第四代移動通信系統(tǒng)的核心技術(shù)。
 
OFDM技術(shù)實際上是MCM(Multi-Carrier Modulation,多載波調(diào)制)的一種。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行傳輸。各子信道間保持正交，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OFDM系統(tǒng)中引起嚴重的ISI(Inter Symbol Interference,碼間干擾)和ICI(Inter Carrier Interference，載波間干擾)【1】。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。

本文簡要介紹了OFDM的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以及同步對OFDM系統(tǒng)的影響，在IEEE802.11a協(xié)議【2】的基礎(chǔ)上提出了OFDM的同步系統(tǒng)方案，并重點討論了：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Altera高性價比的CycloneII系列FPGA實現(xiàn)了整個方案。

一 OFDM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以及同步偏差對系統(tǒng)的性能影響

1．OFDM的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

 
圖1    OFDM發(fā)射/接收機的原理框圖

2．同步偏差對系統(tǒng)的性能影響

OFDM的基帶信號表達式如下：
                                    (1)
式中： 為子載波數(shù)目（ =64）， 為每個子載波的調(diào)制系數(shù)， 為OFDM符號的時長4us（包括循環(huán)前綴0.8us和FFT符號寬度3.2us）， 為一個OFDM符號的周期長度（不包含循環(huán)長度）3.2us， 。
寬帶信道基帶模型為：                                     (2)
假設： 
則                                                         (3)
在接收機和發(fā)送機完全同步的理想情況下，且寬帶信道為慢變信道，則FFT輸出為：
                                                           (4)
當FFT窗口存在 的符號定時偏移，收發(fā)兩端存在 的頻率偏移，A/D采樣時鐘存在 的采樣偏移時，F(xiàn)FT輸出將為：
                 (5)
可見，當收發(fā)兩端不同步時，將會從以下三方面影響系統(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。

二 同步方案設計

常用的同步有兩種基本方法：一種是非數(shù)據(jù)輔助（Non-Data-Aided, NDA）同步；另一種同步方式為數(shù)據(jù)輔助（Data-Aided, 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【3】?？紤]系統(tǒng)資源、同步時間以及實現(xiàn)復雜度等幾個因素，本系統(tǒng)采用基于長、短碼序列以及輔助導頻的數(shù)據(jù)輔助同步。

 圖2  同步系統(tǒng)整體設計框圖 {{分頁}}

1.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IEEE802.11a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，在進行幀檢測時，尚未進行頻率同步，收到的復基帶信號可能存在較大的頻率偏差，因此需要選擇一種受頻率偏差影響較小的算法。這里選用基于Schimdl&Cox提出的延時相關(guān)算法【4】，并加上了保護計數(shù)，減小了誤檢測的出現(xiàn)概率。
度量值                                                    (6)
其中 ， 
 為接收信號和接收信號延時的互相關(guān)值， D＝16，表示短訓練序列的周期 表示了相應接收信號的能量，用于做判決統(tǒng)計的歸一化。 為輸入的復基帶信號的采樣值，

2．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)運算實現(xiàn) 。Warner和Bingham利用了導頻信號在頻域內(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。這里我們利用短訓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練序列信號的尖銳相關(guān)峰值來實現(xiàn)精確的符號同步【5】。
                                                 (7)
式中， 為本地的短訓練序列復信號， 為接收導的基帶復信號。

3.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間的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)生嚴重的影響【5】。
基于最大似然準則的載波頻偏估計通過利用訓練序列中的相同兩部分經(jīng)過信道傳輸后，它們之間會由于載波頻率的偏差而產(chǎn)生相位的偏移，通過計算這個相位的偏移，便可以得到頻偏的估計，其估計范圍與估計精度均與重復訓練序列的周期有直接關(guān)系。這里分別利用重復的短訓練序列完成頻率的粗估計，重復的長訓練序列完成頻率的細估計。
定義中間變量 ：
  
為正交下變頻后的復基帶信號， 為發(fā)送的復基帶信號， 為收發(fā)兩端的載波頻率偏差， 為采樣間隔，在802.11a標準中， ＝0.05us。
則頻偏誤差估算輸出 為：
                                                 (8)
D為兩個重復符號的相同取樣之間的延時，短訓練序列中D＝16，長訓練序列中D＝64。故由上式可知，短訓練序列和長訓練序列的頻率估計范圍分別是625KHz和156.25KHz。
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)），由于時間的積累，會在頻域產(chǎn)生星座圖的旋轉(zhuǎn)。所以，在頻域?qū)?個導頻提取出來，然后利用4個導頻對殘留頻偏產(chǎn)生的相位偏移進行分段糾正跟蹤。
 
4.采樣同步
采樣頻率的偏移將造成頻域各導頻不同的偏移量，偏移量和各導頻所處的子載波序號決定，因此可以利用分布在不同子載波上的已知導頻信息來進行估計，然后將估計值控制數(shù)控振蕩器使收發(fā)機的采樣時鐘保持一致【6】。
三 系統(tǒng)仿真
假如收發(fā)雙方晶振的頻率穩(wěn)定度為20ppm，載波頻率為2.4GHz。則在最惡劣的情況下，接收端的頻率誤差40ppm，即 。
在瑞利信道下，信噪比為25dB，采用16QAM調(diào)制方式，輸入人為頻偏為300KHz，OFDM符號為200個時候，按照設計的同步方案，仿真出系統(tǒng)同步前后FFT輸出的信號星座圖如下：

 
圖3  同步前FFT輸出的信號星座圖

 
圖4  同步后FFT輸出的信號星座圖
比較兩圖，可以看出通過該同步方案的同步處理后，可以使星座圖正確恢復。{{分頁}}

三 FPGA實現(xiàn)

1.器件選擇
整個系統(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Cyclone II FPGA，該系列器件是基于Stratix II的90nm工藝推出的低成本高性價比FPGA。相對Cyclone，Cyclone II增加了硬件乘法器DSP模塊，在芯片總體性能、邏輯容量、PLL和I/O數(shù)量上都較Cyclone有很大的提高。根據(jù)系統(tǒng)設計的需要，以及后續(xù)編解碼等模塊的需求，考慮性價比，我們最終選用了EP2C50來實現(xiàn)設計，它具有50528個邏輯單元，129個內(nèi)部M4K的RAM模塊，4個鎖相環(huán)，以及86個18位的乘法器模塊【7】。
 
2．測試結(jié)果
整個同步系統(tǒng)采用VHDL語言在Quartus II5.1開發(fā)環(huán)境下進行設計。設計中采用Quartus II中的SignalTap II邏輯分析儀對同步的結(jié)果進行觀察【8】。

 
圖5  SignalTap II邏輯分析儀測試結(jié)果
第一行為70MHz的中頻A/D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志；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（3.2us），低電平間隔為循環(huán)前綴（0.8us）；最后一行為頻率偏移的估計控制值（以80MHz為參考的估計值），用于校正本地載波，中間段是短訓練序列的粗頻偏估計值，隨后是由長、短兩種訓練序列估計頻偏的最終值。可以看出頻率偏移糾正值 ，與輸入認為頻偏300KHz基本相符，剩余頻偏產(chǎn)生的相位旋轉(zhuǎn)可以在頻域中用導頻糾正。

四 結(jié)論

同步是OFDM系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)問題之一，本文在IEEE802.11a協(xié)議的基礎(chǔ)上，圍繞OFDM的同步問題，通過仿真完成了同步系統(tǒng)的方案設計，并在FPGA上實現(xiàn)了設計，通過測試，該方案能達到同步設計的目標。本文的設計思想對其他的多載波通信同步系統(tǒng)的設計也有一定的參考價值。

參考文獻：
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[2]LAN/MAN Standards Committee of the IEEE Computer Society 《Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) specifications High-speed Physical Layer in the 5 GHz Band》ISO/IEC 8802-11:1999/Amd 1:2000(E)
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[4]楊曉春 何建吾 [譯] OFDM無線局域網(wǎng).電子工業(yè)出版社，2003.3
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[7]崔小準 胡光銳 陳豪 采樣頻率誤差對OFDM系統(tǒng)的影響和估計方法.《上海交通大學學報》，2003.10
[8]EDA先鋒工作室 Altera FPGA/CPLD設計.人民郵電出版社，2005.7

作者簡介：
李永波：男，（1981－），四川雅安人，重慶大學通信工程學院在讀碩士研究生，主要研究方向：多載波通信技術(shù)；
劉曉明：男，（1963－），重慶合川人，重慶大學通信工程學院教授，博士（后），碩士研究生導師，主要研究方向：寬帶無線接入技術(shù)，測控組網(wǎng)技術(shù)

聯(lián)系方式：
李永波：重慶大學通信工程學院，400030
     E-mail：liyongbo8848@126.com
    電話號碼：13368273331
劉曉明：重慶大學通信工程學院，400030
     E-mail：lxm@ccee.cqu.edu.cn
       電話號碼：13983099959

原創(chuàng)性聲明
本人聲明所呈交的論文是本人在導師指導下進行的研究工作及取得的研究成果。據(jù)我所知，除了文中特別加以標注的地方外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果。
                                                                李永波
                                                               2006-7-7