一種應用于OFDM系統中的符號精確定時算法的FPGA實

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

0 引言
目前，正交頻分復用(OFDM)技術成為多媒體傳感器網絡信息傳輸的主流研究方向，并越來越受到人們的關注。OFDM對于符號定時非常敏感，定時誤差會造成符號間干擾(ICI)，所以符號定時算法的研究在OFDM技術中是至關重要的。
定時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行定時，該方法采用遞推公式進行計算，實現復雜度很低，在OFDM系統中被廣泛采用，然而這種方法的定時判決函數存在一個誤差平臺，會引起很大的定時偏差。為了減小定時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。Minn的定時判決函數是一個尖峰，在一定程度上消除了誤差平臺的影響；Park提出了一種定時判決函數更加尖銳的波形。但是由于循環前綴的存在，這種方法的判決函數有很大的旁瓣，在循環前綴較長時，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結果。采用訓練序列與本地PN碼互相關有明顯的單峰值，但在頻偏較大的情況下，定時判決函數會嚴重變形，引起較大的定時誤差。
本文針對一種長短序列相結合的符號定時算法，給出了精確定時的FPGA設汁方案，并對該方法進行了FPGA實現。在實現的過程中，采用狀態機、流水線等設計方法，優化了系統的資源和運算速度，增強了本設計的應用價值。
本文首先介紹了OFDM系統的幀結構，然后介紹了精同步的FPGA實現結構，并對實現結構進行了分析，最后對相關Matlab仿真結果進行了分析，并給出精同步FPGA的實現資源損耗報表。

1 OFDM數據幀結構
本文中OFDM系統參照目前廣泛應用于無線局域網中的IEEE 802．11a標準，以突發模式傳輸數據，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。前導碼包括長訓練序列和短訓練序列兩個部分。短訓練序列分為10段，每段長度為32個抽樣點；長訓練序列分為2段，每段長度為128個抽樣點，加上保護前綴，總長度為640個抽樣點。前導碼之后是數據部分。

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