OFDM系統(tǒng)中頻域同步技術(shù)及FPGA實(shí)現(xiàn)

整數(shù)倍頻率偏移估計(jì)模塊

將相關(guān)單元輸出的復(fù)數(shù)據(jù)的實(shí)虛部符號位送到整數(shù)倍頻偏估計(jì)單元中進(jìn)行整數(shù)倍頻偏估計(jì)。為了節(jié)省芯片資源，這里我們將估計(jì)整數(shù)倍頻偏的算法加以簡化，用相關(guān)后的復(fù)數(shù)據(jù)在導(dǎo)頻位置上的實(shí)虛部的符號位來估計(jì)整數(shù)倍頻偏值。下面的仿真的電路波形圖證明這樣實(shí)現(xiàn)整偏估計(jì)算法是可行的。它的輸入為相關(guān)單元輸出的復(fù)數(shù)據(jù)實(shí)虛部的符號位和此復(fù)數(shù)據(jù)的載波同步位置，輸出為整數(shù)倍頻偏估計(jì)值。

小數(shù)倍頻率偏移和采樣鐘頻率偏移模塊

首先對相關(guān)單元模塊輸出的復(fù)數(shù)據(jù)的實(shí)虛部進(jìn)行歸一化，然后求歸一化單元輸出的16位復(fù)數(shù)據(jù)的相角，同時用RAM的讀地址和讀使能信號分別控制讀取存有矢量A和矢量B數(shù)據(jù)的ROM表中的數(shù)據(jù)。其中矢量A和B分別為線性最小平方估計(jì)算法中矩陣AT的第一行和第二行矢量，用此相角分別和讀出的矢量A和矢量B在一個符號內(nèi)進(jìn)行相乘累加，再根據(jù)保護(hù)間隔的不同，乘以相應(yīng)的系數(shù)，便可分別得到小數(shù)倍頻偏和采樣鐘頻率偏移的估計(jì)值。

細(xì)定時估計(jì)模塊

考慮到定時估計(jì)范圍的問題，該模塊利用四個符號的散布導(dǎo)頻進(jìn)行定時估計(jì)。將當(dāng)前符號的散布導(dǎo)頻值及從RAM中讀出的前三個符號的散布導(dǎo)頻值按一定順序排列，并做相鄰導(dǎo)頻相關(guān)。將相關(guān)后的復(fù)數(shù)據(jù)的實(shí)虛部分別取絕對值累加，并將二者的累加和進(jìn)行歸一化處理后進(jìn)行查表，從而得出復(fù)數(shù)的相位值。這個相位即為符號定時偏移所引起的旋轉(zhuǎn)相位。再對此相位做如公式(6)的運(yùn)算，這樣就得到了符號定時偏移的整數(shù)和小數(shù)部分的和，然后將其送到求整函數(shù)中，從而得到符號定時偏移的整數(shù)部分。將這個值經(jīng)過并/串變換后送到前端時域同步部分，去調(diào)整FFT窗位。

電路仿真

其仿真條件為：瑞利信道，SNR為15dB，載波頻偏設(shè)為-14.9倍子載波間隔(即整數(shù)倍頻偏值為-15，小數(shù)倍頻偏值為0.1倍子載波間隔)，采樣鐘偏移為50ppm，保護(hù)間隔長為512，定時符號偏移為-100個采樣點(diǎn)。此電路工作頻率為10MHz。輸入的16位復(fù)數(shù)據(jù)由MATLAB仿真程序產(chǎn)生的。

整數(shù)倍頻率偏移電路仿真

由于電路波形中無法表示小數(shù)，因此將各小數(shù)進(jìn)行“擴(kuò)展”，其表示皆為二進(jìn)制數(shù)據(jù)，以下同。在圖4.1中，out_re[31]和out_im[31]分別是前后兩個OFDM符號中對應(yīng)子載波相關(guān)結(jié)果的實(shí)虛部的符號位，int_freqoffset[5..0]和syn_int分別是整數(shù)倍頻偏估值和其有效起始位置脈沖。

圖4.1 整數(shù)倍頻偏估計(jì)部分的電路仿真波形圖

由于整數(shù)倍頻偏在每一符號的結(jié)束處才能估計(jì)出來，所以syn_int在每一個符號的結(jié)束處出現(xiàn)，其后即為當(dāng)前符號的整數(shù)倍頻偏值。由于本算法利用了4個符號的連續(xù)導(dǎo)頻，故圖4.1中，從第四個syn_int后的int_freqoffset[5..0]才是當(dāng)前符號的整數(shù)倍頻偏估計(jì)值。由仿真波形可看出，估出的整數(shù)倍頻偏與仿真數(shù)據(jù)中所假設(shè)的一致。故用此算法的簡化形式可以準(zhǔn)確地估計(jì)出整數(shù)倍頻偏值。

小數(shù)倍頻率偏移及采樣鐘頻率偏移估計(jì)的電路仿真

sernum[1..0]表示前級輸入的符號類型;syn為輸入復(fù)數(shù)據(jù)中的有用數(shù)據(jù)起始脈沖;rein[15..0]和imin[15..0]分別為FIFO模塊輸出復(fù)數(shù)據(jù)的實(shí)虛部;syn_offset為小數(shù)倍頻偏和采樣鐘偏移估計(jì)結(jié)果的起始位置;fri[14..0]和qdelt[14..0]為小數(shù)倍頻偏估計(jì)值和采樣鐘偏移估計(jì)值，它們由1位符號位和14位小數(shù)位組成。這里的小數(shù)位數(shù)是根據(jù)其估計(jì)范圍和估計(jì)精度要求來確定的。

在圖4.2中，小數(shù)倍頻率偏移和采樣鐘頻率偏移估計(jì)模塊使用連續(xù)導(dǎo)頻進(jìn)行估計(jì)。在每個符號末，syn_offset高電平有效時，fri[14..0]和qdelt[14..0]才是當(dāng)前符號的小數(shù)倍頻率偏移和采樣鐘頻率偏移估計(jì)值。波形中的估值與實(shí)際數(shù)據(jù)的對應(yīng)關(guān)系如表4.1所示。

圖4.2 小數(shù)倍頻偏和采樣鐘偏移估計(jì)單元的電路仿真波形圖

表4.1 波形圖中數(shù)據(jù)與實(shí)際數(shù)據(jù)對照表

小數(shù)倍頻率偏移和采樣鐘頻率偏移模塊是在整偏校完之后才有效，此時的小數(shù)倍頻率偏移是經(jīng)過時域粗偏估計(jì)校正后的剩余部分。表4.1列出波形中的估值與實(shí)際數(shù)據(jù)的對應(yīng)關(guān)系。從表中的數(shù)字對應(yīng)關(guān)系可以看出，電路中估計(jì)的小數(shù)倍頻偏與實(shí)際頻偏的差在0.1%以內(nèi)。采樣鐘偏移估計(jì)值與實(shí)際偏移誤差為1ppm左右，這已滿足了采樣鐘的粗調(diào)精度;相位輸出為前后符號的小數(shù)倍偏頻所引起的相位旋轉(zhuǎn)。由此單元電路，可以準(zhǔn)確地估計(jì)出小數(shù)倍頻偏和采樣鐘偏移及其相位。