基于802．16d的定時(shí)同步算法 改進(jìn)及FPGA實(shí)現
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WiMAX ( Wordwide Interoperability for Mi－crowave Access)是代表空中接口滿(mǎn)足IEEE 802．16標準的寬帶無(wú)線(xiàn)通信系統。其中IEEE標準在2004年定義了空中接口的物理層(PHY)，即802．16d協(xié)議。該協(xié)議規定數據傳輸采用突發(fā)模式，調制采用OFDM技術(shù)。在接收端，為了正確解調，必須找到符號的起始位置，因此，必須進(jìn)行定時(shí)估計。如果定時(shí)不正確，就可能引起嚴重的碼間干擾。由于頻偏估計是在定時(shí)估計之后進(jìn)行，如果定時(shí)估計不準確，也會(huì )影響頻偏的估計性能，從而導致整個(gè)OFDM系統性能下降。因此，必須在短時(shí)間內對接收數據進(jìn)行快速準確的定時(shí)同步。
目前常用的定時(shí)算法多采用計算序列的相關(guān)性。由于計算復雜，其硬件資源消耗非常龐大，所以，目前OFDM系統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(wú)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物理層幀結構，提出了一種低復雜度的幀同步和定時(shí)同步聯(lián)合算法，該算法可在FPGA上利用較少資源來(lái)實(shí)現。
1 OFDM中的符號定時(shí)同步算法
對于定時(shí)同步算法的研究，總體上可以分為兩類(lèi)：第一類(lèi)是依靠OFDM固有的結構，如利用OFDM符號周期性前綴CP的方法，這通常被稱(chēng)作循環(huán)前綴同步方法；第二類(lèi)是利用OFDM中插入導頻或者訓練符號的方法。在兩類(lèi)同步方法中，第一類(lèi)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(diǎn)是不需要額外的開(kāi)銷(xiāo)，可以提高通信的效率，但其缺點(diǎn)是估計的時(shí)間較長(cháng)，而且對頻偏和噪聲比較敏感；第二類(lèi)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(shí)間相對比較短，非常適合用于突發(fā)通信系統。
2 適合802．16d的定時(shí)同步算法
IEEE 802．16d定義了一組特殊的訓練符號，以用于同步和信道估計。這組特殊的訓練符號包括短訓練序列和長(cháng)訓練序列兩部分，其中短訓練序列包括4個(gè)重復的64點(diǎn)數據加上循環(huán)前綴(CP)；長(cháng)訓練序列包括兩個(gè)重復的128點(diǎn)數據加上循環(huán)前綴。在發(fā)射端，若干OFDM符號再加上短訓練序列和長(cháng)訓練序列，所構成的幀頭經(jīng)過(guò)發(fā)送濾波器和A／D轉換，再通過(guò)上變頻后，即可發(fā)送到信道中。而在接收端，則利用幀頭的訓練序列來(lái)進(jìn)行同步。為了使定時(shí)同步不受頻偏的影響，同時(shí)可以在較短時(shí)間內完成，本文采用SCA算法。該算法又可細分為延時(shí)自相關(guān)算法和本地序列互相關(guān)算法兩類(lèi)。
2．1 延時(shí)自相關(guān)法
通常選用短訓練序列來(lái)進(jìn)行定時(shí)同步。假設接收到的基帶數字序列為rn，n是該序列的序號，然后將接收序列經(jīng)過(guò)兩個(gè)滑動(dòng)窗口R和P，其中R是接收信號和接收信號延時(shí)的互相關(guān)系數，P是互相關(guān)系數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：
式中，N為窗口長(cháng)度，N=64，即短訓練序列的周期，d在窗內滑動(dòng)時(shí)，可同時(shí)計算M(n)的值。當沒(méi)有包含前導字結構的信號出現時(shí)，得到的M(n)值通常非常小(遠小于1)，而當有前導字結構的信號出現時(shí)，相應的M(n)值迅速升高，并將出現一個(gè)臺階，對應的峰值接近于1。由于M(n)值升高需要一個(gè)時(shí)間范圍，因此該算法并不能精確定時(shí)，只適合粗略的檢測幀是否到達。圖1所示的虛線(xiàn)即表示信號出現時(shí)M(n)曲線(xiàn)的變化情況。
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