基于802.16d的定時(shí)同步算法改進(jìn)及FPGA實(shí)現(xiàn)

0 引言

　　WiMAX ( Wordwide Interoperability for Mi－crowave Access)是代表空中接口滿足IEEE 802．16標(biāo)準(zhǔn)的寬帶無(wú)線通信系統(tǒng)。其中IEEE標(biāo)準(zhǔn)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(guī)定數(shù)據(jù)傳輸采用突發(fā)模式，調(diào)制采用OFDM技術(shù)。在接收端，為了正確解調(diào)，必須找到符號(hào)的起始位置，因此，必須進(jìn)行定時(shí)估計(jì)。如果定時(shí)不正確，就可能引起嚴(yán)重的碼間干擾。由于頻偏估計(jì)是在定時(shí)估計(jì)之后進(jìn)行，如果定時(shí)估計(jì)不準(zhǔn)確，也會(huì)影響頻偏的估計(jì)性能，從而導(dǎo)致整個(gè)OFDM系統(tǒng)性能下降。因此，必須在短時(shí)間內(nèi)對(duì)接收數(shù)據(jù)進(jìn)行快速準(zhǔn)確的定時(shí)同步。

　　目前常用的定時(shí)算法多采用計(jì)算序列的相關(guān)性。由于計(jì)算復(fù)雜，其硬件資源消耗非常龐大，所以，目前OFDM系統(tǒng)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(jié)構(gòu)，提出了一種低復(fù)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(xiàn)。

　　1 OFDM中的符號(hào)定時(shí)同步算法

　　對(duì)于定時(shí)同步算法的研究，總體上可以分為兩類：第一類是依靠OFDM固有的結(jié)構(gòu)，如利用OFDM符號(hào)周期性前綴CP的方法，這通常被稱作循環(huán)前綴同步方法；第二類是利用OFDM中插入導(dǎo)頻或者訓(xùn)練符號(hào)的方法。在兩類同步方法中，第一類方法中最具代表性的是Beek提出的最大似然估計(jì)法，其優(yōu)點(diǎn)是不需要額外的開(kāi)銷，可以提高通信的效率，但其缺點(diǎn)是估計(jì)的時(shí)間較長(zhǎng)，而且對(duì)頻偏和噪聲比較敏感；第二類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(jì)的時(shí)間相對(duì)比較短，非常適合用于突發(fā)通信系統(tǒng)。

　　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(xùn)練符號(hào)，以用于同步和信道估計(jì)。這組特殊的訓(xùn)練符號(hào)包括短訓(xùn)練序列和長(zhǎng)訓(xùn)練序列兩部分，其中短訓(xùn)練序列包括4個(gè)重復(fù)的 64點(diǎn)數(shù)據(jù)加上循環(huán)前綴(CP)；長(zhǎng)訓(xùn)練序列包括兩個(gè)重復(fù)的128點(diǎn)數(shù)據(jù)加上循環(huán)前綴。在發(fā)射端，若干OFDM符號(hào)再加上短訓(xùn)練序列和長(zhǎng)訓(xùn)練序列，所構(gòu)成的幀頭經(jīng)過(guò)發(fā)送濾波器和A／D轉(zhuǎn)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(xùn)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(nèi)完成，本文采用SCA算法。該算法又可細(xì)分為延時(shí)自相關(guān)算法和本地序列互相關(guān)算法兩類。

　　2．1 延時(shí)自相關(guān)法

　　通常選用短訓(xùn)練序列來(lái)進(jìn)行定時(shí)同步。假設(shè)接收到的基帶數(shù)字序列為rn，n是該序列的序號(hào)，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(hào)和接收信號(hào)延時(shí)的互相關(guān)系數(shù)，P是互相關(guān)系數(shù)窗口期間接收信號(hào)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(duì)值是獨(dú)立的，其公式如下：

公式

　　式中，N為窗口長(zhǎng)度，N=64，即短訓(xùn)練序列的周期，d在窗內(nèi)滑動(dòng)時(shí)，可同時(shí)計(jì)算M(n)的值。當(dāng)沒(méi)有包含前導(dǎo)字結(jié)構(gòu)的信號(hào)出現(xiàn)時(shí)，得到的M (n)值通常非常小(遠(yuǎn)小于1)，而當(dāng)有前導(dǎo)字結(jié)構(gòu)的信號(hào)出現(xiàn)時(shí)，相應(yīng)的M(n)值迅速升高，并將出現(xiàn)一個(gè)臺(tái)階，對(duì)應(yīng)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(cè)幀是否到達(dá)。圖1所示的虛線即表示信號(hào)出現(xiàn)時(shí)M(n)曲線的變化情況。