OFDM系統中頻域同步技術(shù)及FPGA實(shí)現

摘要：針對OFDM系統頻域中的整數倍頻率偏移、小數倍頻率偏移、采樣鐘頻率偏移和定時(shí)偏移等問(wèn)題，本文提出了相應的解決方案，并采用FPGA對各方法進(jìn)行硬件電路實(shí)現。這些硬件實(shí)現方法巧妙，估計精確，能節省大量硬件資源。通過(guò)實(shí)際的電路時(shí)序波形仿真驗證，證明了這些方法的實(shí)用性。

關(guān)鍵詞：正交頻分復用(OFDM);正數倍頻率偏移;小數倍頻率偏移;采樣鐘頻率偏移;定時(shí)偏移

同步部分概述

正交頻分復用(OFDM)系統的一個(gè)重要問(wèn)題是對頻率偏移非常敏感，很小的頻率偏移都會(huì )造成系統性能的嚴重下降。另外收發(fā)端采樣鐘不匹配，也會(huì )導致有用數據信號相位旋轉和幅度衰減，破壞了OFDM子載波間的正交性，降低系統性能。因此在OFDM系統中，頻率偏移和采樣鐘偏移估計的準確度至關(guān)重要。

OFDM接收系統的同步部分主要包括以下幾方面：頻率同步、采樣鐘同步和符號定時(shí)同步。載波頻率偏移和采樣鐘頻率偏移的存在導致了載波間干擾(ICI)和采樣點(diǎn)增減現象，這就需要頻率同步和采樣鐘同步。同時(shí)在解調過(guò)程中，接收機是在時(shí)域上的任意點(diǎn)開(kāi)始接收數據的，而OFDM是基于符號的，這就需要檢測到符號的起始位置，否則會(huì )因為符號的起始位置的不合理，而導致符號間的干擾(ISI)，這就是符號定時(shí)同步。

頻域同步估計方法

整數倍頻率偏移估計算法

頻率偏移△f0分成兩部分：整數倍和小數倍子載波間隔頻偏。由于在時(shí)域上已經(jīng)對小數倍頻偏有一個(gè)粗略估計和校正，因此頻域內是利用內插導頻信息對整數倍頻偏和剩余小數倍頻偏進(jìn)行估計校正的。

(1)

式(1)是整數倍頻率偏移估計算法表達式，它是利用連續導頻在發(fā)射端為已知固定相位的特性，使用一個(gè)長(cháng)為S的滑動(dòng)窗作為頻域上一個(gè)OFDM符號有效載波起始位置的估計范圍，以窗內的每一個(gè)數據作為OFDM符號有效載波的的起始位置，對前后兩個(gè)符號在假設的連續導頻位置上的復數據做相關(guān)求和，這樣就得到了S個(gè)相關(guān)值，其中最大值所對應的s即為頻域上一個(gè)OFDM符號有效載波起始位置的估計值，也即為整數倍頻偏估計值。

其中L是連續導頻個(gè)數;ak是一個(gè)符號內第k個(gè)連續導頻的序號;Yl,ak是FFT輸出的第l個(gè)符號的假設第k個(gè)連續導頻位置上的復數值;S是整數倍頻偏的估計范圍，也即為滑動(dòng)窗長(cháng)，s是窗口移動(dòng)值，s∈S;

是S路相關(guān)和的最大值，其對應的s即為整數倍頻偏的估計值。

小數倍頻率偏移和采樣鐘頻率偏移估計算法

在OFDM系統的接收端，實(shí)際的第m個(gè)子載波的實(shí)際解調頻率為f'm=f'0+mF'，這里，f'0為本地解調載波頻率，F)=F'0N，N為子載波個(gè)數，F'0為接收機壓控晶振輸出的采樣頻率。由此可以看出，在第m個(gè)子載波上，載波頻偏和采樣鐘偏移的聯(lián)合效應是大小等于△fm的子載波頻偏，這里△fm=△f0+m•△F0N，△f0=f'0-f0，△F0=F'0-F0，f0和F0分別為發(fā)射端的中心載波頻率和采用頻率。當將整偏校掉后，這里的△f0僅為小數倍的子載波間隔。

設pi為導頻點(diǎn)位置，pi∈P，P為導頻點(diǎn)位置集合;i=0，1，…，K-1，K是P的基數;△fpi為第pi個(gè)導頻點(diǎn)上相關(guān)結果的頻率部分，這個(gè)值以下用

表示為估計結果。定義

，同時(shí)考慮到在第pi個(gè)子載波上的估計誤差ei，則：

(2)

其中，△fpi為在第pi個(gè)導頻點(diǎn)上的頻率偏移和采樣鐘偏移之和，現令

為所需估計的向量參數，式(2)就可以寫(xiě)作：

(3)

其中，