一種應用于OFDM系統中的符號精確定時(shí)算法的FPGA實(shí)

摘要：OFDM技術(shù)是下一代移動(dòng)通信的主流技術(shù)，在信息量大，功率受限的多媒體傳感網(wǎng)的OFDM系統中，以突發(fā)模式傳輸數據，要求快速精確地完成定時(shí)同步。這里分析了一種應用于OFDM系統中基于長(cháng)訓練序列與本地序列互相關(guān)的精同步算法原理，同時(shí)給出了算法的FPGA設計方案，并在ISE中和FPGA測試板上進(jìn)行驗證。在實(shí)現的過(guò)程中，對傳統實(shí)現方法進(jìn)行了改進(jìn)，對本地序列的位數進(jìn)行截取符號位處理，并且對判決函數進(jìn)行了近似處理。實(shí)現結果表明，該方法在不降低性能的前提下優(yōu)化了系統資源損耗和運算速度，具有較好的工程實(shí)踐價(jià)值。
關(guān)鍵詞：OFDM；精確定時(shí)；同步算法；FPGA

0 引言
目前，正交頻分復用(OFDM)技術(shù)成為多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò )信息傳輸的主流研究方向，并越來(lái)越受到人們的關(guān)注。OFDM對于符號定時(shí)非常敏感，定時(shí)誤差會(huì )造成符號間干擾(ICI)，所以符號定時(shí)算法的研究在OFDM技術(shù)中是至關(guān)重要的。
定時(shí)同步算法通常分為基于非輔助數據的同步算法和基于輔助數據的同步算法。目前應用最廣泛的基于導頻的定時(shí)和頻偏估計算法是由Schmidl提出的。這種算法采用相同的兩段訓練序列進(jìn)行定時(shí)，該方法采用遞推公式進(jìn)行計算，實(shí)現復雜度很低，在OFDM系統中被廣泛采用，然而這種方法的定時(shí)判決函數存在一個(gè)誤差平臺，會(huì )引起很大的定時(shí)偏差。為了減小定時(shí)判決函數的誤差平臺造成的影響，Minn對Schmidl的方法做出了一定的改進(jìn)。Minn的定時(shí)判決函數是一個(gè)尖峰，在一定程度上消除了誤差平臺的影響；Park提出了一種定時(shí)判決函數更加尖銳的波形。但是由于循環(huán)前綴的存在，這種方法的判決函數有很大的旁瓣，在循環(huán)前綴較長(cháng)時(shí)，幾乎與主瓣的高度相同，在信噪比較低的情況下，很難得到正確的定時(shí)結果。采用訓練序列與本地PN碼互相關(guān)有明顯的單峰值，但在頻偏較大的情況下，定時(shí)判決函數會(huì )嚴重變形，引起較大的定時(shí)誤差。
本文針對一種長(cháng)短序列相結合的符號定時(shí)算法，給出了精確定時(shí)的FPGA設汁方案，并對該方法進(jìn)行了FPGA實(shí)現。在實(shí)現的過(guò)程中，采用狀態(tài)機、流水線(xiàn)等設計方法，優(yōu)化了系統的資源和運算速度，增強了本設計的應用價(jià)值。
本文首先介紹了OFDM系統的幀結構，然后介紹了精同步的FPGA實(shí)現結構，并對實(shí)現結構進(jìn)行了分析，最后對相關(guān)Matlab仿真結果進(jìn)行了分析，并給出精同步FPGA的實(shí)現資源損耗報表。

1 OFDM數據幀結構
本文中OFDM系統參照目前廣泛應用于無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)中的IEEE 802．11a標準，以突發(fā)模式傳輸數據，其數據幀前端的前導碼用作同步，AGC，頻偏估計。它的前導碼結構如圖1所示。前導碼包括長(cháng)訓練序列和短訓練序列兩個(gè)部分。短訓練序列分為10段，每段長(cháng)度為32個(gè)抽樣點(diǎn)；長(cháng)訓練序列分為2段，每段長(cháng)度為128個(gè)抽樣點(diǎn)，加上保護前綴，總長(cháng)度為640個(gè)抽樣點(diǎn)。前導碼之后是數據部分。

式中：r(n)表示輸入數據；C(n)是與本地序列相關(guān)的相關(guān)值；P(n)表示信號的功率，用作信號能量的歸一化。