在FPGA上實(shí)現(xiàn)基于802.16d的定時(shí)同步算法改進(jìn)方案

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：

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。

2．2 互相關(guān)法

由于IEEE 802．16d協(xié)議中的前導(dǎo)字具有良好的互相關(guān)特性，故可用已知的訓(xùn)練序列和接收序列做滑動(dòng)互相關(guān)。當(dāng)已知的訓(xùn)練序列和接收的訓(xùn)練序列恰好對(duì)齊時(shí)，便會(huì)產(chǎn)生一個(gè)峰值，峰值對(duì)準(zhǔn)的位置正是訓(xùn)練符號(hào)的起始點(diǎn)。因此，可以通過(guò)尋找互相關(guān)的峰值位置來(lái)做精確的定時(shí)同步。算法公式如下：

式中，c(n)為短訓(xùn)練符號(hào)在本地的復(fù)制樣本，N為短訓(xùn)練符號(hào)的樣值點(diǎn)數(shù)。當(dāng)已知的訓(xùn)練序列和接收訓(xùn)練序列恰好對(duì)齊時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生一個(gè)峰值，其仿真曲線如圖1中的實(shí)曲線所示。該算法的缺點(diǎn)是易受頻偏的影響。

根據(jù)以上分析，并從算法性能上考慮，若采用延遲自相關(guān)法，幀到達(dá)時(shí)會(huì)出現(xiàn)一個(gè)峰值平臺(tái)，該方法并不能確定幀到達(dá)的準(zhǔn)確時(shí)刻；而采用與本地序列互相關(guān)算法又容易受到頻偏的影響而導(dǎo)致定時(shí)偏差。

3 算法改進(jìn)

針對(duì)上述算法的不足，可對(duì)其加以改進(jìn)，以保證同時(shí)具有良好的性能和硬件實(shí)現(xiàn)的可行性。改進(jìn)算法是將兩種算法結(jié)合起來(lái)進(jìn)行聯(lián)合估計(jì)，首先確定一個(gè)幀到達(dá)的大致平臺(tái)，再在這個(gè)平臺(tái)內(nèi)找到互相關(guān)峰值，如果各個(gè)峰值間隔相等，那么可根據(jù)最后一個(gè)峰值來(lái)判斷下一個(gè)符號(hào)的開(kāi)始。這種聯(lián)合估計(jì)的辦法在軟件仿真時(shí)具有良好的性能，但若要在硬件上實(shí)現(xiàn)則比較困難。因?yàn)樵谘訒r(shí)自相關(guān)算法中，計(jì)算M(n)的值雖然可采用迭代算法，每次計(jì)算只需1次復(fù)數(shù)運(yùn)算和若干加法運(yùn)算；但在自相關(guān)計(jì)算中，假設(shè)接收信號(hào)被定點(diǎn)化為16位整數(shù)，那么計(jì)算一次自相關(guān)的值需要16位數(shù)據(jù)的64次復(fù)數(shù)乘法，顯然，所需要的硬件資源開(kāi)銷非常大，而且會(huì)影響系統(tǒng)的運(yùn)行速度。這在硬件上，因資源消耗太大而無(wú)法實(shí)現(xiàn)。為了兼顧算法的估計(jì)精度和實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜性，有必要將算法做進(jìn)一步改進(jìn)。即對(duì)接收數(shù)據(jù)進(jìn)行二階量化以得到d[n]=Q[r(n)]，其中Q表示復(fù)數(shù)量化器，見(jiàn)下式：

利用這種改進(jìn)的自相關(guān)算法和延時(shí)自相關(guān)算法進(jìn)行聯(lián)合估計(jì)的仿真曲線如圖2所示。

將圖1和圖2進(jìn)行對(duì)比可知，這種對(duì)接收數(shù)據(jù)二階量化的方法會(huì)損耗算法的性能，但是，由于幀的大致位置已被限制在一定范圍之內(nèi)，因此，只需根據(jù)峰值就可以確定下一個(gè)OFDM符號(hào)的準(zhǔn)確位置。這種方法既能保證估計(jì)精度，又能滿足硬件資源利用率的要求。

4 基于FPGA的實(shí)現(xiàn)

4．1 自相關(guān)延時(shí)模塊的FPGA實(shí)現(xiàn)

為了進(jìn)一步簡(jiǎn)化運(yùn)算，也可以不進(jìn)行算法中的歸一化運(yùn)算，而直接計(jì)算R(n)的值，并將公式簡(jiǎn)化為：

圖3所示是自相關(guān)延時(shí)模塊的硬件組成結(jié)構(gòu)。它主要由FIFO延時(shí)單元、復(fù)數(shù)運(yùn)算器、加法器、取模模塊組成。其中復(fù)數(shù)乘法器可直接使用IP核來(lái)實(shí)現(xiàn)，這比直接使用四個(gè)實(shí)數(shù)乘法器和兩個(gè)加法器更節(jié)省資源。

將接收端經(jīng)過(guò)下變頻的I路和Q路數(shù)據(jù)分為兩路送入模塊，I路比Q路數(shù)據(jù)應(yīng)多延時(shí)一個(gè)時(shí)鐘周期，這是為了和Q路數(shù)據(jù)保持相同的時(shí)延，此后再進(jìn)入FIFO經(jīng)過(guò)64個(gè)時(shí)鐘周期的延時(shí)。Q路數(shù)據(jù)首先進(jìn)行取相反數(shù)運(yùn)算。這是因?yàn)閺?fù)數(shù)共軛運(yùn)算相當(dāng)于先取相反數(shù)再做復(fù)數(shù)乘法。把相減的結(jié)果送入FIFO進(jìn)行延時(shí)，并將送入系統(tǒng)的復(fù)數(shù)與做減法和延時(shí)64個(gè)時(shí)鐘周期的復(fù)數(shù)進(jìn)行復(fù)數(shù)乘法運(yùn)算。由于兩路數(shù)據(jù)都是16位定點(diǎn)化整數(shù)，經(jīng)過(guò)運(yùn)算后會(huì)成為33位，為了節(jié)省資源，可將所得結(jié)果的高5位和低12位截去，而這并不會(huì)影響運(yùn)算的精度。經(jīng)過(guò)復(fù)數(shù)乘法運(yùn)算的實(shí)部和虛部再分別經(jīng)過(guò)64個(gè)時(shí)鐘周期的FIFO延時(shí)，并將延時(shí)前后的數(shù)據(jù)做減法運(yùn)算，然后對(duì)計(jì)算的結(jié)果做累加運(yùn)算。累加器輸出的結(jié)果經(jīng)過(guò)取模模塊后，即可得到實(shí)部和虛部的絕對(duì)值，然后將兩部分結(jié)果相加，再將相加結(jié)果與門限值比較，超過(guò)門限則將標(biāo)志位置高。但應(yīng)注意門限值的選取會(huì)影響幀檢測(cè)的范圍，由于采用的是聯(lián)合檢測(cè)方法，應(yīng)適當(dāng)擴(kuò)大門限范圍，本設(shè)計(jì)設(shè)定的門限值為峰值的1／4。

4．2 互相關(guān)模塊的FPGA實(shí)現(xiàn)

互相關(guān)模塊主要由匹配運(yùn)算單元、取模器和加法器組成。改進(jìn)的算法只對(duì)輸入數(shù)據(jù)的符號(hào)位與本地序列的符號(hào)位進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，并規(guī)定輸入符號(hào)為正取值為1，輸入符號(hào)為負(fù)取值為－1，接著根據(jù)輸入數(shù)據(jù)的符號(hào)和本地序列的符號(hào)構(gòu)成的16種輸入做全排列，將所有可能的相關(guān)運(yùn)算值算好存放在運(yùn)算模塊中，這樣就可以根據(jù)輸入數(shù)據(jù)的符號(hào)來(lái)選擇相關(guān)運(yùn)算的結(jié)果。這等效于把復(fù)數(shù)相關(guān)運(yùn)算簡(jiǎn)化為數(shù)據(jù)選擇器來(lái)實(shí)現(xiàn)。

圖4所示為互相關(guān)模塊的FPGA實(shí)現(xiàn)框圖，其中I、Q兩路數(shù)據(jù)進(jìn)入模塊后，可取出其最高位存入移位寄存器，然后與本地序列做匹配運(yùn)算。匹配運(yùn)算模塊由64個(gè)數(shù)據(jù)選擇器和126個(gè)加法器組成，加法運(yùn)算采用6級(jí)流水線來(lái)實(shí)現(xiàn)，這樣，可使系統(tǒng)的運(yùn)算速率更高。

4．3 仿真結(jié)果分析

系統(tǒng)中的各模塊可采用Verilog HDL語(yǔ)言設(shè)計(jì)，并可使用Xilinx公司集成設(shè)計(jì)環(huán)境ISE中的ModelSim SE 6．0來(lái)完成仿真，仿真結(jié)果如圖5所示。其中frame_re_dout和frame_im_dout為送入系統(tǒng)的實(shí)部和虛部數(shù)據(jù)，abs_out為延時(shí)自相關(guān)算法中取模相加的結(jié)果，frame_head為采用延時(shí)自相關(guān)算法使數(shù)據(jù)升高時(shí)得到的一個(gè)峰值平臺(tái)，top_flag為改進(jìn)自相關(guān)算法計(jì)算所得的峰值。圖中的自相關(guān)平臺(tái)內(nèi)有5個(gè)峰值，這與MATLAB仿真結(jié)果相符。最后采用Xilinx公司VirtexⅡpro系列xc2vp30器件進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。總共邏輯單元使用率為8％，系統(tǒng)最高工作頻率為236．373 MHz 。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文在研究基于802．16d的OFDM定時(shí)同步算法的基礎(chǔ)上提出了一種改進(jìn)的算法，并在FPGA上完成了其硬件電路設(shè)計(jì)。仿真結(jié)果表明該算法在保持了原算法優(yōu)秀性能的同時(shí)，可節(jié)省硬件資源，有利于把同步模塊和接收部分其他模塊集成在單芯片中。同時(shí)，該算法也可推廣到具有相似前導(dǎo)字結(jié)構(gòu)的802．1 1a等協(xié)議中。