基于802.16d的定時同步算法改進及FPGA實現(xiàn)

0 引言

　　WiMAX ( Wordwide Interoperability for Mi－crowave Access)是代表空中接口滿足IEEE 802．16標(biāo)準(zhǔn)的寬帶無線通信系統(tǒng)。其中IEEE標(biāo)準(zhǔn)在2004年定義了空中接口的物理層(PHY)，即802．16d協(xié)議。該協(xié)議規(guī)定數(shù)據(jù)傳輸采用突發(fā)模式，調(diào)制采用OFDM技術(shù)。在接收端，為了正確解調(diào)，必須找到符號的起始位置，因此，必須進行定時估計。如果定時不正確，就可能引起嚴(yán)重的碼間干擾。由于頻偏估計是在定時估計之后進行，如果定時估計不準(zhǔn)確，也會影響頻偏的估計性能，從而導(dǎo)致整個OFDM系統(tǒng)性能下降。因此，必須在短時間內(nèi)對接收數(shù)據(jù)進行快速準(zhǔn)確的定時同步。

　　目前常用的定時算法多采用計算序列的相關(guān)性。由于計算復(fù)雜，其硬件資源消耗非常龐大，所以，目前OFDM系統(tǒng)中的同步算法以軟件方法為主，已有的硬件方法由于消耗資源太大而無法將同步模塊和接收部分的其他模塊集成在一片芯片中。本文參考IEEE 802．16d物理層幀結(jié)構(gòu)，提出了一種低復(fù)雜度的幀同步和定時同步聯(lián)合算法，該算法可在FPGA上利用較少資源來實現(xiàn)。

　　1 OFDM中的符號定時同步算法

　　對于定時同步算法的研究，總體上可以分為兩類：第一類是依靠OFDM固有的結(jié)構(gòu)，如利用OFDM符號周期性前綴CP的方法，這通常被稱作循環(huán)前綴同步方法；第二類是利用OFDM中插入導(dǎo)頻或者訓(xùn)練符號的方法。在兩類同步方法中，第一類方法中最具代表性的是Beek提出的最大似然估計法，其優(yōu)點是不需要額外的開銷，可以提高通信的效率，但其缺點是估計的時間較長，而且對頻偏和噪聲比較敏感；第二類方法中最具代表性的是Schmidl和Cox提出的利用PN序列相關(guān)性的SCA算法，這一種算法受頻偏的影響較小，而且估計的時間相對比較短，非常適合用于突發(fā)通信系統(tǒng)。

　　2 適合802．16d的定時同步算法

　　IEEE 802．16d定義了一組特殊的訓(xùn)練符號，以用于同步和信道估計。這組特殊的訓(xùn)練符號包括短訓(xùn)練序列和長訓(xùn)練序列兩部分，其中短訓(xùn)練序列包括4個重復(fù)的 64點數(shù)據(jù)加上循環(huán)前綴(CP)；長訓(xùn)練序列包括兩個重復(fù)的128點數(shù)據(jù)加上循環(huán)前綴。在發(fā)射端，若干OFDM符號再加上短訓(xùn)練序列和長訓(xùn)練序列，所構(gòu)成的幀頭經(jīng)過發(fā)送濾波器和A／D轉(zhuǎn)換，再通過上變頻后，即可發(fā)送到信道中。而在接收端，則利用幀頭的訓(xùn)練序列來進行同步。為了使定時同步不受頻偏的影響，同時可以在較短時間內(nèi)完成，本文采用SCA算法。該算法又可細(xì)分為延時自相關(guān)算法和本地序列互相關(guān)算法兩類。

　　2．1 延時自相關(guān)法

　　通常選用短訓(xùn)練序列來進行定時同步。假設(shè)接收到的基帶數(shù)字序列為rn，n是該序列的序號，然后將接收序列經(jīng)過兩個滑動窗口R和P，其中R是接收信號和接收信號延時的互相關(guān)系數(shù)，P是互相關(guān)系數(shù)窗口期間接收信號的能量，此窗口的值可用于判決的歸一化，它和接收功率的絕對值是獨立的，其公式如下：

公式

　　式中，N為窗口長度，N=64，即短訓(xùn)練序列的周期，d在窗內(nèi)滑動時，可同時計算M(n)的值。當(dāng)沒有包含前導(dǎo)字結(jié)構(gòu)的信號出現(xiàn)時，得到的M (n)值通常非常小(遠(yuǎn)小于1)，而當(dāng)有前導(dǎo)字結(jié)構(gòu)的信號出現(xiàn)時，相應(yīng)的M(n)值迅速升高，并將出現(xiàn)一個臺階，對應(yīng)的峰值接近于1。由于M(n)值升高需要一個時間范圍，因此該算法并不能精確定時，只適合粗略的檢測幀是否到達(dá)。圖1所示的虛線即表示信號出現(xiàn)時M(n)曲線的變化情況。