脫永軍

(中國電子科技集團(tuán)公司第30研究所，成都 610041)

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一種改進(jìn)的OFDMA載波盲同步方法

脫永軍

(中國電子科技集團(tuán)公司第30研究所，成都 610041)

摘要：載波的盲同步算法對(duì)于正交頻分復(fù)用多址接入(OFDMA)非合作接收系統(tǒng)是非常重要的。載波的盲同步算法包括了對(duì)載波的頻偏盲估計(jì)和頻率校正，對(duì)于OFDMA信號(hào)的非合作方式解調(diào)具有關(guān)鍵作用。研究了一種改進(jìn)的載波盲同步方法，分析了算法原理，構(gòu)建了算法模型，在現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)芯片上驗(yàn)證了其功能。測(cè)試結(jié)果和性能仿真曲線表明，該方法性能優(yōu)于傳統(tǒng)方法，能有效地利用芯片資源，為實(shí)際工程應(yīng)用起到重要參考作用。

關(guān)鍵詞：正交頻分復(fù)用多址接入；載波盲同步；算法實(shí)現(xiàn)；現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列

0引言

正交頻分復(fù)用多址接入 (OFDMA)已成為眾多通信系統(tǒng)的核心技術(shù)，也是新一代通信技術(shù)體制中的研究熱點(diǎn)。因?yàn)镺FDM技術(shù)一般用于單向廣播通信，而目前多數(shù)通信系統(tǒng)均需支持多用戶的并發(fā)通信，所以在OFDM基礎(chǔ)上做了擴(kuò)展，即為每個(gè)用戶分配1組或幾組子載波，得到了多址接入方式 OFDMA。OFDMA技術(shù)在水下無線通信系統(tǒng)[1]、軍用衛(wèi)星廣播系統(tǒng)、長期演進(jìn)(LTE)通信系統(tǒng)和電力系統(tǒng)等領(lǐng)域被廣泛采用。

在通信對(duì)抗領(lǐng)域中，對(duì)OFDMA信號(hào)進(jìn)行偵察分析也變得日益重要。OFDMA系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)是具有較好的頻譜特性、較強(qiáng)的抗頻率選擇性衰落的能力以及能與多輸入多輸出(MIMO)接收機(jī)和天線技術(shù)兼容等。由于OFDMA需要所有的子載波之間都相互正交，所以載波的頻偏將會(huì)破壞子載波之間的正交性，產(chǎn)生多用戶干擾和子載波間干擾等問題，嚴(yán)重降低偵察接收機(jī)解調(diào)的性能。估計(jì)出頻偏和實(shí)現(xiàn)載波同步對(duì)采取非合作方式接收OFDMA信號(hào)的對(duì)抗系統(tǒng)具有重要作用。

本文提出了一種改進(jìn)的OFDMA載波盲同步方法和實(shí)現(xiàn)思路。通過Simulink工具構(gòu)建了算法模型，并基于Xilinx公司的FPGA芯片對(duì)算法進(jìn)行了實(shí)現(xiàn)和優(yōu)化。

1OFDMA載波盲同步算法分析

因?yàn)镺FDMA的移動(dòng)接入比固定接入更復(fù)雜，信道不僅會(huì)產(chǎn)生多徑衰落，而且還會(huì)產(chǎn)生多普勒頻移[2]。由此引起的載波同步偏差會(huì)使OFDMA信號(hào)的子載波發(fā)生載波間干擾和符號(hào)間干擾，導(dǎo)致接收性能下降。

過去的很多載波同步方法都是基于訓(xùn)練序列或者循環(huán)前綴等思路，這樣需要先驗(yàn)信息，在非合作通信的情況下并不適用。本文采用了一種基于MUSIC算法求根的改進(jìn)思路進(jìn)行估計(jì)，無需對(duì)載波頻偏的譜峰搜索，同時(shí)也可以很大程度地降低噪聲頻偏估計(jì)的影響。

n=0,1,…,N-1,

(1)

(2)

式中：μ為整數(shù)。

下面再分析多用戶到達(dá)的情形，這K個(gè)用戶疊加后的信號(hào)為：

(3)

另一方面，接收信號(hào)還可表示為一種Q×P階矩陣的形式，如下：

(4)

式中：V=[v(0)v(1)…v(K-1)]為Q×P的Vander-monde矩陣；e為兩矩陣的Hadamard積；W為P×P的反快速傅里葉變換(IFFT)矩陣。

接下來，可再推導(dǎo)出帶噪聲的OFDMA信號(hào)的矩陣表達(dá)式如下：

Y=A+Z=VS+Z

(5)

式中：Z矩陣?yán)锩婷總€(gè)元素為高斯隨機(jī)變量，均值是0，Z為一個(gè)Q×P的加性高斯白噪聲矩陣。

信號(hào)的協(xié)方差矩陣為：

ψ=E[YiYiH]=VφVH+σ2I

(6)

式中：I為單位矩陣；ψ為一個(gè)Hermitian矩陣，它的全部特征值都為正，它的特征向量可以分為信號(hào)子空間和噪聲子空間2個(gè)部分。

接下來對(duì)ψ進(jìn)行特征值分解可以得出：

(7)

式中：Us為Q×K階矩陣，由各特征向量組成。

進(jìn)一步推導(dǎo)后，通過MUSIC算法得到各列噪聲向量的譜表達(dá)式：

(8)

式中：z=exp(j2πθ)；U為一個(gè)由協(xié)方差矩陣噪聲子空間中的Q-K個(gè)特征向量組成的矩陣。

從全部的噪聲特征向量中提取信息的目的就是為了求出MUSIC計(jì)算式的極點(diǎn)。這樣還可以進(jìn)一步得出其MUSIC型多項(xiàng)式，如下：

f(z)=zQ-1pT(z-1)UnUnHp(z)

(9)

式中：f(z)多項(xiàng)式的根相對(duì)于單位圓來說是鏡像關(guān)系。

(10)

從上面一系列計(jì)算式可以得出：該改進(jìn)方法可以估計(jì)出K個(gè)用戶的頻偏。倘若基站獲取了子信道的分配方式和實(shí)際的用戶數(shù)量，估計(jì)得到的載波頻偏結(jié)果可以和各用戶一一對(duì)應(yīng)。即有：

(11)

這種基于MUSIC譜算式求根的頻偏估計(jì)方法在本質(zhì)上不需要數(shù)據(jù)輔助就可以得出結(jié)果，而且不需要對(duì)載波頻偏進(jìn)行譜峰搜索，同時(shí)抗噪性能較好，適合于非合作的接收機(jī)系統(tǒng)中使用。

2算法的FPGA實(shí)現(xiàn)原理

2.1　頻偏估計(jì)模塊的實(shí)現(xiàn)原理

載波頻偏估計(jì)的目的是為計(jì)算出OFDMA符號(hào)的頻率偏移量，頻率差在實(shí)現(xiàn)時(shí)一般都等效于求解相位差值。其中，坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)數(shù)字計(jì)算(CORDIC)模塊常用于在反正切函數(shù)里計(jì)算相位差[3]，該模塊的輸入輸出端口可以圖1表示。

圖1　CORDIC模塊的實(shí)現(xiàn)框圖

圖1中，X_in、Y_in表示I、Q 2路傳遞給模塊內(nèi)部的輸入。該模塊的功能是通過將輸入的I、Q 2路采樣信號(hào)I_in、Q_in連續(xù)地計(jì)算得到弧度相關(guān)值，從而求出相位差Phase_Difference。幀起始信號(hào)標(biāo)志Start_frame用于將輸出信號(hào)鎖存起來直到接收到下一次的復(fù)位信號(hào)為止，然后再將FO_Estimate信號(hào)傳給相位旋轉(zhuǎn)模塊。

2.2　頻偏校正模塊的實(shí)現(xiàn)原理和優(yōu)化

圖2中，該模塊從頻偏估計(jì)模塊中接收到FO_Estimate信號(hào)后，將其用于求解出后續(xù)的頻偏校正模塊中每個(gè)采樣點(diǎn)的相位量φ。

圖2　相位旋轉(zhuǎn)的輸入輸出端口示意圖

下式給出了用于計(jì)算φ的每個(gè)采樣點(diǎn)的相位:

(12)

式中:FOe為以弧度形式估計(jì)得到的信號(hào)的頻偏值；n為當(dāng)前采樣點(diǎn)的序號(hào)；Ns為采樣點(diǎn)個(gè)數(shù)。

各采樣點(diǎn)的相位計(jì)算只需幾個(gè)步驟就可以完成，包含一次乘/除的運(yùn)算和簡(jiǎn)單的復(fù)位控制操作[4]。

圖3說明了頻偏校正模塊的輸入和輸出端口。緩存器用于存儲(chǔ)幀同步模塊處理OFDMA幀同后得到的時(shí)域數(shù)據(jù)。經(jīng)過緩存后，信號(hào)從幀起始點(diǎn)位置開始進(jìn)行頻偏的補(bǔ)償計(jì)算。計(jì)數(shù)器的作用是根據(jù)信號(hào)采樣點(diǎn)數(shù)把讀使能信號(hào)傳遞給緩存。然后，延遲的采樣點(diǎn)再以旋轉(zhuǎn)向量的模式傳給CORDIC模塊。在該模式中，需要復(fù)數(shù)信號(hào)形式的輸入，即用x,y分別代表復(fù)數(shù)的實(shí)部和虛部。復(fù)數(shù)信號(hào)向量通過相位旋轉(zhuǎn)模塊給出的相位量φ進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。設(shè)計(jì)時(shí)，為了硬件節(jié)省資源，頻偏估計(jì)模塊和頻偏校正模塊采用了復(fù)用CORDIC模塊的方法[4]，并進(jìn)行了優(yōu)化處理。

圖3　頻偏校正模塊的輸入輸出端口

采用前面所述的頻偏估計(jì)和頻偏校正的FPGA處理模塊，進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化處理，最終在基于Xilinx公司XC5VSX95T-1ff1136芯片的硬件平臺(tái)上完成了OFDMA載波同步方法的FPGA實(shí)現(xiàn)。

3仿真驗(yàn)證和分析

為進(jìn)一步分析性能，以遵循IEEE 802.16e協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的WiMAX系統(tǒng)為例，WiMAX通信信號(hào)傳輸方式是OFDMA信號(hào)。采用Simulink對(duì)已改進(jìn)載波同步算法的接收機(jī)模型進(jìn)行了仿真。仿真時(shí)考慮高斯白噪聲信道和多普勒頻移的影響。Simulink仿真模型如圖4所示，仿真參數(shù)均嚴(yán)格參照IEEE802.16e協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。有用的子載波個(gè)數(shù)為Nused=200，F(xiàn)FT長度為N=256，且循環(huán)前綴CP長度為Ng=64。有用子載波包括8個(gè)導(dǎo)頻子載波，55個(gè)保護(hù)子載波，以及1個(gè)直流分量。子載波的調(diào)制方式采用正交相移鍵控(QPSK)調(diào)制，這在OFDMA信號(hào)中是普遍采用的。

圖4　含載頻同步的OFDMA接收機(jī)Simulink模型

在圖4中的Simulink軟件模型表示的是一個(gè)典型的OFDMA通信信號(hào)接收機(jī)系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用了本文的改進(jìn)后的OFDMA載波同步算法，可以達(dá)到良好的同步和解調(diào)性能，使誤碼率降低。其中調(diào)用了一些Simulink軟件帶有的工具包函數(shù)，包括WiMAX發(fā)射機(jī)模塊、WiMAX接收機(jī)模塊、通信信號(hào)誤碼率計(jì)算模塊、信號(hào)本振模塊、復(fù)指數(shù)信號(hào)模塊、零階保持電路、信道噪聲模塊以及本文采用的改進(jìn)后的OFDMA頻偏校正算法模塊。

圖5為不考慮載波頻偏估計(jì)和在頻偏量分別從50 kHz到200 kHz時(shí)進(jìn)行載波盲同步后的OFDMA解調(diào)性能曲線，子載波的調(diào)制方式為正交相移鍵控(QPSK)調(diào)制。

圖5　載波同步前后的OFDMA信號(hào)解調(diào)性能對(duì)比

圖中橫軸表示信噪比，縱軸表示誤碼率，“無頻偏時(shí)解調(diào)”線條表示沒有采用改進(jìn)后的載波同步方法的OFDMA信號(hào)解調(diào)誤碼率曲線?！?0 kHz時(shí)”等4種線條表示當(dāng)頻偏分別為50 kHz、100 kHz、150 kHz、200 kHz時(shí)采用本文改進(jìn)算法后的解調(diào)誤碼率曲線?？煽闯觯倪M(jìn)后的載波同步算法對(duì)OFDMA通信信號(hào)的解調(diào)性能是有改善的。

4結(jié)束語

本文研究了一種改進(jìn)的OFDMA載波盲同步方法，并進(jìn)行了FPGA實(shí)現(xiàn)。OFDMA信號(hào)載頻盲同步算法包含載波頻偏的盲估計(jì)和頻率校正處理。新的載波頻偏估計(jì)算法不需要任何訓(xùn)練序列等先驗(yàn)信息，有較低的運(yùn)算量，而且也適用于信道環(huán)境參數(shù)變化較大的情形。在FPGA實(shí)現(xiàn)時(shí)，對(duì)各模塊也進(jìn)行了一些優(yōu)化處理。通過測(cè)試和對(duì)性能仿真曲線分析，驗(yàn)證了新方法的正確性。它比過去一些算法的性能更優(yōu)，同時(shí)也能夠?qū)FDMA技術(shù)在軍事通信對(duì)抗系統(tǒng)的工程應(yīng)用起到重要的參考作用。

參考文獻(xiàn)

[1]王毅凡，周密，宋志慧.水下無線通信技術(shù)發(fā)展研究[J].通信技術(shù)，2014(6)：589-594.

[2]AbdelAlimO，ElboghdadlyN，AshourMA.FPGAimplementationforanoptimizedCORDICmoduleforOFDMsystem[J].InternationalConferenceonComputerEngineering&Systems,2008(11):25-27.

[3]AbdelAlimO，ElboghdadlyN，AshourMA，etl.Channelestimationandequalizationforfixed/mobileOFDMAsystem[J].SimulinkMobileware,2008(2):12- 15.

[4]Tae-HwanParkKim,In-Cheol.Time-domainjointestimationoffinesymboltimingoffsetandintegercarrierfrequencyoffset[A].VehicularTechnologyConference,IEEE[C],2008:1186-1190.

An Improved Method of OFDMA Carrier Blind Synchronization

TUO Yong-jun

(No.30 Research Institute,CETC,Chengdu 610041,China)

Abstract:The blind synchronization algorithm of carrier is very important for orthogonal frequency division multiple access (OFDMA) non-cooperative receiving system.The blind synchronization algorithm of carrier includes frequency deviation blind estimation and frequency correction to carrier,which has key role for the demodulation of non-cooperative mode of OFDMA signal.This paper studies an improved blind synchronization algorithm of carrier,analyzes the algorithm theory,constructs the algorithm model,and validates its function through field programmable gate array (FPGA).The test result and performance simulation curve show that the performance of this method is better than traditional methods,can make good use of the chip resource,plays the important reference role for actual engineering application.

Key words:orthogonal frequency division multiple access;carrier blind synchronization;algorithm realization;field programmable gate array

收稿日期:2015-04-15

DOI:10.16426/j.cnki.jcdzdk.2015.05.009

中圖分類號(hào)：TN918.91

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：CN32-1413(2015)05-0039-04