一種多體制通信時間同步算法及其FPGA實現

　　引 言

　　隨著通信技術的快速發展，無線通信體制呈現多樣化趨勢，各種通信系統之間互不兼容、升級能力有限等問題越來越突出。為了有效解決上述問題，清華大學無線與移動通信技術研究中心在承擔的國家863項目“軟硬件可重構的新一代無線通信統一平臺研究”中，以上位機、通用硬件平臺和寬帶天線等為基礎，搭建一個可以兼容多種通信體制的新一代無線通信統一平臺，并通過運行GSM、TD-SCDMA、WCDMA、CDMA2000、WiMAX等主流2G/3G/B3G無線通信系統，驗證平臺的可行性。該平臺結構如圖1所示。其中，上位機提供人機界面，并完成基帶信號處理和系統整體控制[1];通用硬件平臺主要完成上下變頻、數模模數轉換、同步等信號預處理功能。

　　針對需要兼容多種通信體制的新一代無線通信統一平臺，傳統的時間同步算法由于對載波頻偏過于敏感、捕獲時間長等問題[2-4]，無法滿足各種無線通信體制對時間同步算法的性能需求。文獻[5]介紹了一種基于前導字的快速位同步算法，但它只適用于在每個數據包前都插入前導字的突發通信系統，且一般所需較長的前導字。文獻[6]介紹了一種可以減輕載波頻偏影響的幀同步算法，但它針對中國數字廣播電視系統設計，不適用于其他通信體制，而且存在算法硬件實現復雜、沒有考慮位同步的實現等問題。

　　為了解決上述問題，本文提出了一種基于同步序列的時間同步算法，只需要修改本地同步序列就可以應用于不同的通信系統。其中，幀同步分成檢測和確認兩個步驟，并通過采用改進的分段相關法解決幀同步對載波頻偏過于敏感以及硬件實現復雜度高等問題;而位同步同樣利用同步序列實現，與幀同步同時完成，從而解決位同步算法收斂速度慢的問題，使算法滿足各種主流無線通信體制對時間同步算法的性能需求。

　　適用多體制通信的時間同步算法

　　為了解決傳統時間同步算法不適用于多種無線通信體制且不適于硬件實現等問題，本文提出了一種改進的時間同步算法，如圖2所示。在改進的時間同步算法中，本地同步序列分成和兩段，從而使幀同步和位同步都可以利用接收序列與本地同步序列的相關性實現。因此，只需要改變本地同步序列，改進后的時間同步算法就可以適用于不同的通信體制。

　　在本地同步序列及其劃分方式確定后，時間同步算法的工作原理如下：首先，系統利用本地同步序列1完成幀同步的初始檢測。當檢測結果認為接收到數據幀時，啟動幀同步確認和位同步等模塊，利用本地同步序列2完成幀同步確認和位同步調整。其中，幀同步檢測使用改進的分段相關法，可以有效提高幀檢測算法對載波頻偏的容忍度，降低幀同步的漏同步概率，并使算法便于硬件實現。幀同步確認和位同步在幀同步檢測成功后啟動，通過本地同步序列2與接收序列的相關結果來確認幀同步檢測結果是否正確，從而減少假同步概率，并同時利用接收序列與本地同步序列2之間的相關性完成位同步處理，大大加快了位同步的收斂速度。