基于PN序列幀的同步分析及FPGA實現(xiàn)

摘要：闡述了一種導頻疊加的OFDM同步方法，利用具有良好的自相關性PN序列實現(xiàn)時偏和頻偏估計。在多徑信道條件下，通過Matlab仿真能較好地實現(xiàn)同步。然后利用Altera公司的芯片在QuartusⅡ8．0工具平臺上實現(xiàn)了OFDM同步的硬件設計，最后進行了電路仿真。
關鍵詞：正交頻分復用；同步；現(xiàn)場可編程門陣列；仿真

0 引言
目前正交頻分復用(Orthogonal Frequency Division Multiplering，OFDM)技術(shù)已經(jīng)成為第四代移動通信研究的熱點，同時OFDM同步又是OFDM的關鍵技術(shù)，研究OFDM同步技術(shù)的目的就是為了防止碼間干擾和載波干擾。當前OFDM同步的算法是根據(jù)OFDM原理提出的基于數(shù)據(jù)符號方法，它的優(yōu)點是捕獲快、精度高，適合分組數(shù)據(jù)通信，具體的實現(xiàn)是在分組數(shù)據(jù)包的包頭加一個專門用來做定時、頻偏的OFDM塊?；跀?shù)據(jù)符號算法又可以分為兩類：基于訓練符號(導頻碼)的方法和基于循環(huán)前綴(circle prefix，CP)的方法，其中基于PN序列同步算法又是基于訓練符號的一種。

1 基于PN序列的幀、符號定時與頻偏估計同步算法
文獻提出了一種導頻疊加的方法，即導頻和OFDM符號相加，利用導頻符號的相關性實現(xiàn)定時和頻偏估計。由于PN序列具有良好的自相關性，可以用PN序列作為導頻符號。

圖1顯示了PN序列的加入方法。同步被分為兩步：幀同步和符號同步。若干個OFDM符號組成一幀，在每幀的前面插入若干個相同的短符號(訓練符號)用于幀定時和粗頻偏估計。在每個OFDM符號上疊加一段與符號長度相同的PN序列來實現(xiàn)符號定時和精確的頻偏估計。由于PN序列不是直接插入在信息數(shù)據(jù)之間，因此節(jié)省了系統(tǒng)帶寬，但為了提高同步的效果，PN序列的能量就不能太小，否則會被噪聲和有用信號淹沒，所以這種導頻疊加方法是以增加發(fā)射功率為代價的。
以符號同步為例對算法進行分析，忽略CP的長度，則接收信號可表示為：

式(1)中c(n)表示PN序列，d(n)是數(shù)據(jù)序列，n(n)代表AWGN，εf是歸一化頻偏。若表示發(fā)送信號的平均功率，ρ代表功率分配系數(shù)，則PN序列和數(shù)據(jù)序列的功率比近似為，對于幀同步而言，由于符號中沒有數(shù)據(jù)序列，所以ρ=1。接收信號和接收端的PN序列求相關得：