基于FPGA的OFDM宽带数据通信同步系统设计与实现

Design and Realize the Synchronization System for Broad Band 
Data Communication Based on FPGA

摘要：正交频分复用（OFDM）是第四代移动通信的核心技术，本文介绍了一种基于FPGA的OFDM宽带数据通信同步系统的设计方案，该方案为OFDM多载波通信提供了必要的同步系统。通过仿真完成了系统方案的设计，并利用Altera公司的CycloneII器件实现了整个同步系统设计。通过测试，论证了方案的可行性。

关键词：正交频分复用  同步  码间干扰  多载波调制  载波间干扰

Abstract: OFDM is the key technology of 4G in the field of mobile communication. This paper introduce a method of realizing the synchronization system for broad band data communication based on FPGA, this method provides the indispensable synchronization system for OFDM multi-carriers communication. According to simulation we finish the design of scheme, and then using the CycloneII  FPGA of Altera Company realize the whole design of synchronization system. Through testing, demonstrate the feasibility of this scheme.
Key Words: OFDM  Synchronization  ISI  MCM   ICI

第四代移动通信（4G或称为Beyond 3G）中将提供高达100Mbit/s甚至更高的数据传输速率，能够满足人们从语音扩展到数据、图像、视频等大量信息的高质量的多媒体业务。随着无线通信业务的飞速发展，为了在可用频带日趋紧张的情况下提高频带利用率，正交频分复用OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)技术已成为第四代移动通信系统的核心技术。
 
OFDM技术实际上是MCM(Multi-Carrier Modulation,多载波调制)的一种。其基本思想是：将信道分成若干个正交子信道，将高速数据信号转换成并行的低速子数据流，调制到每个子信道上进行传输。各子信道间保持正交，频谱相互重叠，与单载波调制相比，提高了频谱利用率，但是OFDM系统对定时误差和频率偏移比单载波调制敏感，其同步精度的要求比单载波调制更高，同步偏差会在OFDM系统中引起严重的ISI(Inter Symbol Interference,码间干扰)和ICI(Inter Carrier Interference，载波间干扰)【1】。因此，同步系统的研究对于OFDM宽带数据通信系统的实现具有重要的意义。

本文简要介绍了OFDM的系统结构以及同步对OFDM系统的影响，在IEEE802.11a协议【2】的基础上提出了OFDM的同步系统方案，并重点讨论了：帧同步、符号同步和载波同步与跟踪的关键技术，最后利用Altera高性价比的CycloneII系列FPGA实现了整个方案。

一 OFDM系统结构以及同步偏差对系统的性能影响

1．OFDM的系统结构

 
图1    OFDM发射/接收机的原理框图

2．同步偏差对系统的性能影响

OFDM的基带信号表达式如下：
                                    (1)
式中： 为子载波数目（ =64）， 为每个子载波的调制系数， 为OFDM符号的时长4us（包括循环前缀0.8us和FFT符号宽度3.2us）， 为一个OFDM符号的周期长度（不包含循环长度）3.2us， 。
宽带信道基带模型为：                                     (2)
假设： 
则                                                         (3)
在接收机和发送机完全同步的理想情况下，且宽带信道为慢变信道，则FFT输出为：
                                                           (4)
当FFT窗口存在 的符号定时偏移，收发两端存在 的频率偏移，A/D采样时钟存在 的采样偏移时，FFT输出将为：
                 (5)
可见，当收发两端不同步时，将会从以下三方面影响系统性能：
1．对接收信号的各个子信道产生相位旋转；
2．降低接收信号的各个子信道的正交性，增大各子信道的噪声；
3．降低接收信号的各子信道信号功率。

二 同步方案设计

常用的同步有两种基本方法：一种是非数据辅助（Non-Data-Aided, NDA）同步；另一种同步方式为数据辅助（Data-Aided, DA）同步。非数据辅助方式的同步时间相对较长，广播方式的通信系统对同步的时间要求不高，可以采用这种方式；而对于突发方式的无线宽带通信，要求快速的同步建立时间，一般采用数据辅助同步方式【3】。考虑系统资源、同步时间以及实现复杂度等几个因素，本系统采用基于长、短码序列以及辅助导频的数据辅助同步。

 图2  同步系统整体设计框图 {{分页}}

1.帧同步
在一般的通信系统中，帧同步过程往往放在载波同步和码元定时同步之后完成。但对于IEEE802.11a系统而言，其突发通信的性质决定了其帧同步需在载波同步和码元同步之前完成，即在存在载波频偏和码元定时偏移的情况下建立帧同步。常用的帧检测方法有能量检测法，双滑动窗口分组检测法，在进行帧检测时，尚未进行频率同步，收到的复基带信号可能存在较大的频率偏差，因此需要选择一种受频率偏差影响较小的算法。这里选用基于Schimdl&Cox提出的延时相关算法【4】，并加上了保护计数，减小了误检测的出现概率。
度量值                                                    (6)
其中 ， 
 为接收信号和接收信号延时的互相关值， D＝16，表示短训练序列的周期 表示了相应接收信号的能量，用于做判决统计的归一化。 为输入的复基带信号的采样值，

2．符号同步
精确的符号同步通常是基于时域或频域的相关运算实现 。Warner和Bingham利用了导频信号在频域内的相关特性，Couasnon则利用了循环前缀所包含的冗余信息。这里我们利用短训练序列具有尖锐的自相关峰值的特性，利用接收信号和本地训练序列信号的尖锐相关峰值来实现精确的符号同步【5】。
                                                 (7)
式中， 为本地的短训练序列复信号， 为接收导的基带复信号。

3.载波同步与跟踪
OFDM系统对载波频率的偏移非常敏感，较小的载波频率偏移都会引起相邻子载波间的ICI，破坏子载波间的正交性。一般1％载波频率偏移就会对系统产生严重的影响【5】。
基于最大似然准则的载波频偏估计通过利用训练序列中的相同两部分经过信道传输后，它们之间会由于载波频率的偏差而产生相位的偏移，通过计算这个相位的偏移，便可以得到频偏的估计，其估计范围与估计精度均与重复训练序列的周期有直接关系。这里分别利用重复的短训练序列完成频率的粗估计，重复的长训练序列完成频率的细估计。
定义中间变量 ：
  
为正交下变频后的复基带信号， 为发送的复基带信号， 为收发两端的载波频率偏差， 为采样间隔，在802.11a标准中， ＝0.05us。
则频偏误差估算输出 为：
                                                 (8)
D为两个重复符号的相同取样之间的延时，短训练序列中D＝16，长训练序列中D＝64。故由上式可知，短训练序列和长训练序列的频率估计范围分别是625KHz和156.25KHz。
频偏估计并非一个完备的过程，时域的频偏估计纠正后，仍然有部分残留频偏误差（4KHz内），由于时间的积累，会在频域产生星座图的旋转。所以，在频域将4个导频提取出来，然后利用4个导频对残留频偏产生的相位偏移进行分段纠正跟踪。
 
4.采样同步
采样频率的偏移将造成频域各导频不同的偏移量，偏移量和各导频所处的子载波序号决定，因此可以利用分布在不同子载波上的已知导频信息来进行估计，然后将估计值控制数控振荡器使收发机的采样时钟保持一致【6】。
三 系统仿真
假如收发双方晶振的频率稳定度为20ppm，载波频率为2.4GHz。则在最恶劣的情况下，接收端的频率误差40ppm，即 。
在瑞利信道下，信噪比为25dB，采用16QAM调制方式，输入人为频偏为300KHz，OFDM符号为200个时候，按照设计的同步方案，仿真出系统同步前后FFT输出的信号星座图如下：

 
图3  同步前FFT输出的信号星座图

 
图4  同步后FFT输出的信号星座图
比较两图，可以看出通过该同步方案的同步处理后，可以使星座图正确恢复。{{分页}}

三 FPGA实现

1.器件选择
整个系统的实现是在基带数字域内完成的，我们采用ALTERA公司推出的Cyclone II FPGA，该系列器件是基于Stratix II的90nm工艺推出的低成本高性价比FPGA。相对Cyclone，Cyclone II增加了硬件乘法器DSP模块，在芯片总体性能、逻辑容量、PLL和I/O数量上都较Cyclone有很大的提高。根据系统设计的需要，以及后续编解码等模块的需求，考虑性价比，我们最终选用了EP2C50来实现设计，它具有50528个逻辑单元，129个内部M4K的RAM模块，4个锁相环，以及86个18位的乘法器模块【7】。
 
2．测试结果
整个同步系统采用VHDL语言在Quartus II5.1开发环境下进行设计。设计中采用Quartus II中的SignalTap II逻辑分析仪对同步的结果进行观察【8】。

 
图5  SignalTap II逻辑分析仪测试结果
第一行为70MHz的中频A/D采样信号输入；第二行为帧检测的判决信息；第三行为帧同步信号到检测标志；第四行为长码符号位置指示；第五行为提供给FFT的窗口控制信号，高电平段表示数据段（3.2us），低电平间隔为循环前缀（0.8us）；最后一行为频率偏移的估计控制值（以80MHz为参考的估计值），用于校正本地载波，中间段是短训练序列的粗频偏估计值，随后是由长、短两种训练序列估计频偏的最终值。可以看出频率偏移纠正值 ，与输入认为频偏300KHz基本相符，剩余频偏产生的相位旋转可以在频域中用导频纠正。

四 结论

同步是OFDM系统的关键技术问题之一，本文在IEEE802.11a协议的基础上，围绕OFDM的同步问题，通过仿真完成了同步系统的方案设计，并在FPGA上实现了设计，通过测试，该方案能达到同步设计的目标。本文的设计思想对其他的多载波通信同步系统的设计也有一定的参考价值。

参考文献：
[1]阎世梁 OFDM的原理及技术特点.《信息技术》，2004年第十期
[2]LAN/MAN Standards Committee of the IEEE Computer Society 《Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) specifications High-speed Physical Layer in the 5 GHz Band》ISO/IEC 8802-11:1999/Amd 1:2000(E)
[3]尹长川 罗涛 乐光新 多载波宽带无线通信技术. 北京邮电大学出版社，2004.7
[4]杨晓春 何建吾 [译] OFDM无线局域网.电子工业出版社，2003.3
[5]佟学俭 罗涛 OFDM移动通信技术原理与应用.人民邮电出版社，2003.6
[6]Moose P H.  A technique for orthogonal frequency division  multiplexing  frequency  offset correction[J].IEEE Transactions on Communications, 1994, 42( 10):2908 - 2914
[7]崔小准 胡光锐 陈豪 采样频率误差对OFDM系统的影响和估计方法.《上海交通大学学报》，2003.10
[8]EDA先锋工作室 Altera FPGA/CPLD设计.人民邮电出版社，2005.7

作者简介：
李永波：男，（1981－），四川雅安人，重庆大学通信工程学院在读硕士研究生，主要研究方向：多载波通信技术；
刘晓明：男，（1963－），重庆合川人，重庆大学通信工程学院教授，博士（后），硕士研究生导师，主要研究方向：宽带无线接入技术，测控组网技术

联系方式：
李永波：重庆大学通信工程学院，400030
     E-mail：liyongbo8848@126.com
    电话号码：13368273331
刘晓明：重庆大学通信工程学院，400030
     E-mail：lxm@ccee.cqu.edu.cn
       电话号码：13983099959

原创性声明
本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。
                                                                李永波
                                                               2006-7-7