宽带ofdm系统中的频率同步算法与fpga实现 frequency synchronization and its fpga realization for broadband ofdm system.pdfVIP

第13卷第4期 电路与系统学报 V01．13No．4 JoURNAL0FCIRCUITSANDSYSl_巳MS 2008 2008年8月 August， 文章编号：1007-0249(2008)04—0007—08 宽带OFDM系统中的频率同步算FPGA实现★ 刘晓明， 张续莹， 杨士中， 吴皓威， 李芳 (重庆大学通信工程学院，重庆400030) 搞要t频率同步是宽带OFDM系统中的关键技术，IEEE802．1la采用OFDM技术，利用其前导序列的重复结构， 提出了一种分步的粗细频偏捕获与校正算法，同时为了补偿时域同步后的残余相差和适应信道的时变特性，还提出了 一种基于频域导频的相位跟踪方案。通过仿真对算法性能进行了分析，并通过FPGA实现验证了算法在宽带OFDM无线 接入系统中应用的有效性。结果表明，算法可以对士2个子载波频率间隔内的载波频偏实施快速捕获与跟踪，估计精度 达10一，满足突发分组传输OFDM系统的快速同步要求。 关键词t正交频分复用；载波频偏；IEEE802．1la；无线局域网；频率同步 TN925．93；TP393．17 A 中图分类号t 文献标识码t 1 引言 OFDM技术因为其优越的抗窄带干扰能力以及较高的频谱利用率而被广泛应用于高速数据传输业 务和宽带无线接入系统中，例如wLAN标准中IEEE 802．16 等都采用了OFDM技术。同时，OFDM技术也被认为是未来宽带无线通信中最有效的技术之一。但是， OFDM技术对载波频偏十分敏感，频率同步的好坏直接影响到OFDM系统的整体性能。 由于系统收发信机之间本振频率偏差、采样、信道环境的时变特性以及多普勒频移等都会给系统 载波频率带来偏差。文献[3，4】就ICI对系统性能的影响做了具体的分析。 近年来，已有较多文献致力于研究基于OFDM的频率同步技术，并针对其特定的应用环境提出了 一些频偏估计算法与校正方案，但能够直接应用于IEEE802．11a系统，并易于硬件实现的算法并不多。 文献[3]中提出在FFT之后的频域采用最大似然估计准则对频偏进行估计，虽然算法复杂度低，但 捕获范围只有士1／2个子载波间隔。 文献【5]中提出利用OFDM符号前插入的循环前缀(CP)与符号中样点的相关性采用最大似然准则 对载波频偏进行估计与跟踪，该方案虽然可以适应信道的变化，但CP容易受到符号间干扰(ISI)的影 响，从而降低对频偏的估计精度。 文献【6，7】提出的方案可以实现对定时和频偏的联合估计，但运算复杂度高，不便于硬件实现。 文献[8】提出了一种基于MMSE的载波同步跟踪环路，虽然具有好的跟踪性能，但环路的收敛速度 非常慢，不适于突发数据传输系统中实现频率的快速捕获与同步。 文献【12]提出了一种易于硬件实现的同步方案，并给出了时序仿真波形，但并未对系统的同步性 能做系统的分析。 本文针对IEEE802．11a中前导序列的重复结构，提出了一种分步的频偏捕获与跟踪方案。首先在 时域利用短训练序列在大范围内对载波频偏实施捕获与补偿，然后利用长训练序列对频率粗同步之后 的信号进行残余频偏的精确估计与校正，接下来在频域使用每个OFDM符号中插入的本地已知导频子 载波对残余的相位误差进行跟踪，以补偿时域频率同步后的残余相差以及适应信道的时变特性。该算 法捕获范围大，估计精度高，且复杂度低，易于硬件实现。 接下来文章第2部分简单描述OFDM信号模型；第3部分给出载波频偏捕获与跟踪算法的原理及推 导过程；第4部分给出算法实施的结构框架；第5部分对频率同步系统性能进行仿真与分析；第6部分给 ‘收稿日期·2007-08．21修订日期：2007—12—27 基金项目·国家发改委CNGl2005示范工程项目(CNGI一04—4—2D) 万方数据 8 电路与系统学报 第13卷 出