高速突發OFDM解調器快速同步算法研究與硬件實現

陳 志，張洪波，何奎龍

（四川九洲電器集團有限責任公司預研部，綿陽 621000）

1 引言

在突發通信中，接收機接收到的信號可能來自不同的發射機，每個突發的同步參數都需要獨立估計。因此，突發OFDM傳輸系統一般都采用添加同步頭，通過犧牲一定的傳輸效率獲得可靠的同步性能。本文提出一種利用訓練符號完成頻偏和定時估計的聯合算法，頻偏估計和校正先于定時，避免了殘余載波頻偏對定時同步的影響，定時估計不存在“平坦區”。仿真和系統實測表明，本文所采用的方法實時性好、魯棒性高、計算量少，具有較高的應用價值。

2 同步訓練序列的設計

OFDM系統的同步序列必須具有較低的峰均比，并且其頻譜形狀最好和數據部分形狀一致。本文采用Chu序列作基礎，按照下圖方式構造同步訓練序列：

圖1 同步訓練序列結構

同步訓練序列總長度為8N，Chu1與Chu2為長度為N1的Chu序列優選對，Chu1與Chu2具有接近理想的自相關和互相關特性。將Chu1序列作為重復樣式，重復7次用作頻偏估計。Chu2序列用作定時估計。

3 頻偏定時估計算法設計

3.1 頻偏估計與補償

由對于時域信號x[n]，ε大小的CFO會引起2πnε的相位偏移。對于圖1訓練序列中的樣點有：

假設只考慮頻偏對接收信號的影響，送入同步估計電路的接收信號，其訓練序列中的樣點、與大小為的絕對頻偏CFO滿足：

公式3中等號右邊的求和運算在硬件實現時等效為匹配濾波，可以用FIR濾波器很方便的實現。如圖2所示，匹配濾波器的輸出分為兩路，一路送入延時電路，被延時N個采樣周期，然后取共軛后與未延時的另一路信號相乘。同時也求出這兩路信號的功率，當他們的功率超出預定門限時，把其累加值送入由cordic模塊構成的相位計算單元，計算得出相位。

圖2 頻偏估計電路實現結構

4 計算機仿真

應用MATLAB對頻偏定時算法進行計算機仿真，本文所設計的OFDM系統主要參數及仿真條件為：符號率為25MHz；調制方式為OFDM+16QAM；載波頻偏為35kHz；多普勒頻偏為1K；采用兩條多徑的瑞利信道模型，主、副徑時延2.5μs，副徑功率比主徑低5dB；發送端數據波形延遲固定值100個符號，以驗證定時同步精度。

對1000幀突發數據的頻偏估計誤差進行統計并繪制直方圖，圖4（a）、（b）、（c）分別為加性高斯噪聲信噪比為5dB、15dB、25dB時，本文算法的誤差統計結果：

圖4 頻偏估計誤差直方圖

在上述仿真條件下，圖5給出了采用本文算法的頻偏估計效果對比圖，其中星形實線與加號實線分別表示本文方法在頻偏為2.5kHz和5kHz時的頻偏估計平均誤差。

圖5 頻偏估計性能改進

仿真實驗結果表明，頻偏估計算法能夠正確估計并補償載波頻偏。頻偏估計精度隨信噪比增加而提高，滿足設計要求，頻偏誤差估計精度相對于傳統算法有明顯提高。1000幀突發數據的定時估計脈沖產生時刻均與預設值一致，同步概率為100%。

5 結束語

本文提出一種適用于突發模式OFDM信號的快速時頻同步算法，該算法基于特定的同步訓練序列，在提取定時脈沖之前，先校正系統頻偏，有利于提高同步精度。同時，本文還給出了所述算法的硬件電路及FPGA實現方法。仿真及系統實測表明，設計的頻率同步電路和定時同步電路結構簡單、實現復雜度低、實時性好、穩定度高，具有較高的工程應用價值。

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