［唐亞欣 鐘昌錦 李沼云］

1 引言

正交頻分復用/偏移正交幅度調(diào)制（Orthogonal Frequency Division Multiplexing/Offset Quadrature Amplitude Modulation，OFDM/OQAM）系統(tǒng)與正交頻分復用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）系統(tǒng)相比，具有高頻譜利用和一定的抵抗載波間干擾（Intercarrier Interference，ICI）和符號間干擾（Inter-symbol Interference，ISI）等方面的優(yōu)勢，因此受到了更廣泛的應(yīng)用[1～3]。但OFDM/OQAM 系統(tǒng)由于沒有循環(huán)前綴而對時偏誤差較為敏感，并且在具有時頻雙選擇性衰落的地空信道下使得系統(tǒng)對頻偏估計精度的要求更高[4]。因此具有一個良好的時頻同步算法對于OFDM/OQAM 系統(tǒng)的正確解調(diào)尤其重要。

目前有關(guān)OFDM/OQAM 系統(tǒng)時頻同步算法按原理可分為兩類。一類是非數(shù)據(jù)輔助類（盲估計）算法，這種類算法無需借助輔助序列，不會浪費系統(tǒng)的時頻資源，只需利用發(fā)送信號自身的結(jié)構(gòu)、統(tǒng)計特性及調(diào)制方法即可實現(xiàn)系統(tǒng)的同步估計[5～6]。但其進行時頻估計的復雜度較高，并且當系統(tǒng)對同步精度要求越高時，其估計算法需要的估計時間也越久，不能做到實時估計，因此該算法不適用于實時性實際應(yīng)用中。

另外一類是數(shù)據(jù)輔助類算法，導頻插入雖會降低一定的頻譜利用率，但實用性較強。文獻[7]在OFDM/OQAM 系統(tǒng)中提出時頻聯(lián)合同步的訓練序列（Training sequence1&2,TR1&TR2）算法；文獻[8]對TR2 算法進行改進添加了滑動窗以及文獻[9]基于最大后驗概率進行時頻偏估計，使符號定時更準確；文獻[10]利用相同的中心對稱ZC 序列，提出了一種適用于AWGN 信道的時頻同步算法；文獻[11]中基于最大似然估計（Maximum Likelihood，ML）方法提出了一種改進的OFDM/OQAM系統(tǒng)中的載波頻率偏移、采樣時間偏移和信道脈沖響應(yīng)的聯(lián)合估計方法。但以上算法均只用于AWGN 和較小多普勒頻移下的慢速衰落多徑信道，對于具有時頻雙衰落性特性的地空信道則不適用。

同時，美國國家儀器有限公司生產(chǎn)的通用軟件無線電（Universal Software Radio Peripheral，USRP）2953R 設(shè)備和LabVIEW 軟件的結(jié)合，為無線射頻和通信系統(tǒng)的快速原型開發(fā)提供了一個功能強大而且靈活的軟件無線電平臺。基于非常直觀的圖形化編程語言LabVIEW 完成信號處理算法，并結(jié)合USRP-2953R 硬件實現(xiàn)與真實射頻信號之間的交互，可實現(xiàn)完整無線通信系統(tǒng)的原型開發(fā)。地空信道的搭建則是使用SPIRENT-VR5 HD 空間信道仿真儀來模擬，該信道仿真儀簡化了如LTE 和LTE-Advanced 等依賴于大量的天線、更高的帶寬和頻帶聚合來提供高速數(shù)據(jù)MIMO 技術(shù)測試。提供了集成雙向RF 信道并支持載波聚合，具有高保真度通道和較長的模擬重復率，確保了性能評估的可靠性和準確性。

綜上所述，本文基于USRP-2953R 與LabVIEW 平臺，結(jié)合空間信道仿真儀模擬地空信道環(huán)境，實現(xiàn)整個OFDM/OQAM 系統(tǒng)的搭建工作，并結(jié)合USRP 與地空信道特性，提出了一種簡易的時頻同步算法，通過時域插入較少的輔助序列可以快速準確的進行符號定時，隨后采用自相關(guān)函數(shù)思想進行頻偏估計與補償，以較小的計算復雜度為代價，在地空信道下獲得了良好的系統(tǒng)誤碼性能，來完成通信數(shù)據(jù)之間的可靠傳輸。

2 OFDM/OQAM 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

USRP-2953R 和LabVIEW 結(jié)合空間信道仿真儀平臺的實際搭建如圖1 所示，圖中可以看出本平臺采用收發(fā)分離的傳輸模式，在一臺計算機和USRP-2953R 上實現(xiàn)系統(tǒng)的發(fā)送鏈路，通過USRP-2953R 的Tx 發(fā)送天線將信號發(fā)送出去；將USRP-2953R 的發(fā)射天線與空間信道仿真儀的輸入口相連接，通過設(shè)置信道仿真儀參數(shù)來模擬地空信道的四個信道狀態(tài)，然后將空間信道仿真儀的輸出口連接到第二臺USRP-2953R 的接收天線；第二臺USRP-2953R 的Rx 天線來接收來自地空信道的通信數(shù)據(jù)，在接收端接收信號后先進行同步處理，確保信號提取準確無誤后再進行OFDM/OQAM 系統(tǒng)解調(diào)處理工作。

圖1 USRP 平臺實際搭建

本文設(shè)計的整個OFDM/OQAM 系統(tǒng)總體框架如圖2所示，其中包括：信源產(chǎn)生、QAM 調(diào)制、串并轉(zhuǎn)換、頻域?qū)ьl設(shè)計、相位偏移、IFFT、發(fā)送濾波器設(shè)計、時域?qū)ьl設(shè)計、接收濾波器設(shè)計、FFT、相位偏移、信道估計、信道均衡、并串轉(zhuǎn)換、QAM 解調(diào)及誤碼率計算等全部模塊。上述OFDM/QOAM 系統(tǒng)中全部模塊均由本人編寫調(diào)試完成，其中濾波器選用文獻[13]中的各項同性正交變換函數(shù)（Isotropic Orthogonal Transform Algorithm，IOTA）濾波器，該濾波器具有良好的TFL 特性，可使系統(tǒng)本身具有一定的抗干擾能力；信道估計選用文獻[14]中的改進的線性插值算法，該算法通過在時域插零，來減少信道干擾；而信道均衡選用迫零均衡算法。

圖2 OFDM/OQAM 系統(tǒng)實現(xiàn)框圖

3 時頻同步算法

本文基于USRP 平臺在地空信道下OFDM/OQAM 系統(tǒng)的時頻同步算法是在系統(tǒng)的接收端先進行符號定時同步，將發(fā)送端發(fā)送前導頻位置的導頻序列作為參考序列，將經(jīng)歷過信道惡劣環(huán)境變化后的導頻序列提取出來，看作序列二，在接收端將參考序列和與序列二進行相關(guān)運算，找到運算后相關(guān)序列的相關(guān)峰位置。相關(guān)峰對應(yīng)的數(shù)據(jù)位置即為有用接收信號的起始位置。只有獲得準確的符號定時點后，信道中CFO 引起的信號的相位偏是線性疊加的，才能進一步準確的估計載波頻率偏移。然后，計算符號起始位置導頻序列與原序列之間的相位差即可得知信道引起該數(shù)據(jù)發(fā)生的頻率偏移值。隨后對接收數(shù)據(jù)進行時間偏移補償和頻率偏移補償，完成系統(tǒng)的符號定時和載波頻率同步。本文提出的適用于此平臺的簡易時頻同步算法不僅在導頻結(jié)構(gòu)上與傳統(tǒng)算法[7-12]有差異，且還在時頻同步過程和相關(guān)序列處理上也不相同，結(jié)構(gòu)框圖可由圖3 表示。

圖3 時頻同步算法的OFDM/OQAM 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

在發(fā)送數(shù)據(jù)前添加N=20bit由OFDM 符號組成的前導碼作為訓練序列，用于在接收端的進行符號定時同步，經(jīng)過信道后得到序列。20 bit 的前導碼使得信號到達時快速的進行系統(tǒng)的幀同步，提升系統(tǒng)的傳輸效率，并且20 bit 的長度對于整個數(shù)據(jù)幀來說，對帶寬的影響可忽略不計。時偏估計為：

圖3 發(fā)送鏈路中的頻域?qū)ьl設(shè)計則是根據(jù)文獻[7-12]基于數(shù)據(jù)輔助類的時頻同步算法的導頻結(jié)構(gòu)所設(shè)計的。其原理是在頻域添加NTR個重復的OFDM 頻域符號構(gòu)成相應(yīng)的導頻塊。文獻[7]在傳統(tǒng)算法中NTR至少要比濾波器重疊因子K大2，K表示濾波器的重疊因子（即抽頭系數(shù)）[13]。由于本文用于環(huán)境惡劣的地空信道，因此取NTR=K+3[12]。其中頻偏估計為：

上式中，M表示子載波的個數(shù)；Ts為采樣間隔；即為式（1）中所求得的時間偏移值，因此在上式中為固定值。

4 地空信道模型

根據(jù)文獻[15]中地空信道四個狀態(tài)的信道環(huán)境數(shù)據(jù)，將信道仿真儀的詳細參數(shù)設(shè)定如表1 所示，表中包括地空信道各個狀態(tài)的飛行速度、多徑數(shù)目、萊斯因子、最大時延、各徑時延、最大多普勒頻移和各徑多普勒頻移等信道參數(shù)。從中可以看出，信道的環(huán)境隨著飛行速度的增加變得愈來愈惡劣。為了驗證信道仿真儀中設(shè)置的地空信道各個狀態(tài)的衰落系數(shù)是否與理論值保持一致，本文通過矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀觀測信道仿真儀模擬的地空信道各個狀態(tài)下的波形如圖4 所示。根據(jù)圖4 可以看出，信道仿真儀模擬地空信道的各個狀態(tài)的衰落系數(shù)與理論值保持一致。

表1 信道仿真儀中地空信道參數(shù)設(shè)置

圖4 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測試信道狀態(tài)

5 系統(tǒng)實現(xiàn)與算法驗證

LabVIEW 的前面板設(shè)計分別為OFDM/OQAM 系統(tǒng)的發(fā)送端和接收端如圖5 中a、b 圖。其中，在左側(cè)選項欄中可以進行OFDM/OQAM 系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)設(shè)置及USRP 硬件參數(shù)配置等；在右側(cè)為系統(tǒng)收發(fā)結(jié)果的各種波形結(jié)果顯示部分。圖6 的a、b 圖分別為系統(tǒng)的發(fā)送端和接收端的程序框圖，即整個系統(tǒng)的發(fā)送鏈路與接收鏈路的實現(xiàn)代碼。從開始配置USRP 參數(shù)、信源產(chǎn)生、導頻插入、調(diào)制、發(fā)送、接收、同步與最后解調(diào)等等整個系統(tǒng)的處理過程都是在程序面板上進行編程實現(xiàn)的。由于整個系統(tǒng)實現(xiàn)代碼內(nèi)容過長，且系統(tǒng)各個子模塊內(nèi)容較多，本文顯示內(nèi)容有限，因此示意圖僅供瀏覽。下文僅詳細介紹其中的時頻同步算法的實現(xiàn)部分。

圖5 LabVIEW 前面板顯示設(shè)計圖

圖6 LabVIEW 收發(fā)端程序框圖

時頻同步算法分為發(fā)送端添加導頻部分及接收端的時間同步和頻率同步部分。在發(fā)送鏈路上分別添加了上文圖3 中的頻域?qū)ьl和時域輔助序列，圖7 中a、b 圖分別為LabVIEW 上頻域和時域?qū)ьl插入的程序。

圖7 導頻插入程序圖

在LabVIEW 接收鏈路中，時頻同步算法的時頻估計和補償設(shè)計過程如圖8 所示，圖中左側(cè)部分為時間同步過程，保證時間同步的基礎(chǔ)上再進行頻率同步。右側(cè)分別為本文同步算法的頻偏估計子模塊與頻偏補償子模塊兩部分內(nèi)容，其中頻偏估計子模塊依據(jù)上文公式（4）和公式（5）所設(shè)計，頻偏補償模塊則是將頻偏估計出來的結(jié)果按比例分別補償?shù)矫恳粋€數(shù)據(jù)上進行頻偏補償，即完成整個時頻同步算法。

圖8 時頻同步算法程序圖

6 實測結(jié)果及分析

空間信道仿真儀模擬的地空信道的四個信道狀態(tài)參數(shù)如上文表1 所示，基于USRP-2953R 平臺OFDM/OQAM 系統(tǒng)仿真參數(shù)設(shè)置如表2 所示。

表2 系統(tǒng)仿真參數(shù)設(shè)置

為了驗證基于USRP 平臺的OFDM/OQAM 系統(tǒng)搭建是否準確，因此首先將整個系統(tǒng)接入理想信道環(huán)境下進行初步測試，觀察收發(fā)兩端的星座圖及頻譜是否一致。以兩臺計算機和兩臺USRP 分別做發(fā)送端和接收端，系統(tǒng)以16QAM 調(diào)制為例，OFDM/OQAM 系統(tǒng)發(fā)送端的星座圖及頻譜圖如圖9 所示，而圖10 表示系統(tǒng)接收端的星座圖及頻譜圖。從圖9 與圖10 結(jié)果看出，經(jīng)過理想信道下接收端的星座圖與發(fā)送端星座圖一致且點位清晰，頻譜圖也完全正確，且測出系統(tǒng)誤碼率為零。圖11 中還表示了系統(tǒng)發(fā)送端和接收端的基帶時域波形，可以看出發(fā)送和接收端的基帶時域波形保持一致。因此通過系統(tǒng)初步測試可以得出，基于USRP 平臺的整個OFDM/OQAM 系統(tǒng)搭建準確無誤。

圖9 USRP 發(fā)送端的星座圖和頻譜圖

圖10 USRP 接收端的星座圖及頻譜圖

圖11 發(fā)送和接收基帶時域波形圖

在上文接入理想信道環(huán)境下系統(tǒng)實現(xiàn)準確無誤的前提下，再將理想信道換為由空間信道仿真儀模擬產(chǎn)生的地空信道，依次測試其在地空信道四個信道狀態(tài)下的系統(tǒng)同步性能，在接收端LabVIEW 的前面板上得出本文所提出的同步算法的時間定時同步峰值圖如圖12 所示，圖中峰值點的位置會隨著動態(tài)地空信道的變化而變化，從圖中可以清晰地看出峰值位置，且峰值波形尖銳陡峭。因此得出，本文所提出的同步算法的時間定時性能良好。

圖12 時間同步峰值圖

由于基于USRP 平臺實現(xiàn)的OFDM/OQAM 系統(tǒng)的誤碼率無法像MATLAB 仿真一樣得出系統(tǒng)誤碼率曲線，整個系統(tǒng)只能每循環(huán)一次得出一個誤碼率值。為了更好的驗證本文同步算法的同步性能，因此在地空信道的每一個狀態(tài)通信時分別測試并計算無同步算法和有同步算法的系統(tǒng)誤碼率，通過計算機記錄其循環(huán)上百次的系統(tǒng)誤碼率結(jié)果，計算其誤碼率平均值得出最終誤碼率，再將其描繪成折線圖進行對比分析，如圖13 所示。

圖13 地空信道下OFDM/OQAM 系統(tǒng)同步算法性能對比

分析圖13 的實測誤碼率結(jié)果，縱向?qū)Ρ蕊@示，系統(tǒng)無論是在4QAM 還是16QAM 調(diào)制，或是在地空信道的任一信道狀態(tài)下，本文所提出同步算法將系統(tǒng)誤碼性能提升5 至10 倍；且在地空信道的四個不同狀態(tài)下，以16QAM調(diào)制為例進行橫向?qū)Ρ确治?，可以看出，信道環(huán)境越差，本文所提出的時頻同步算法對于系統(tǒng)性能的改善效果越明顯。

7 結(jié)束語

本文基于USRP-2953R 和LabVIEW 平臺，在空間信道仿真儀模擬的地空信道環(huán)境下，進行了OFDM/OQAM系統(tǒng)實現(xiàn)，并提出一種簡易時頻同步算法。該算法具有實現(xiàn)復雜度低，有利于實際工程應(yīng)用等優(yōu)點，在地空信道下獲得了良好的系統(tǒng)誤碼性能。同時相較于傳統(tǒng)的FPGA 方式，USRP 平臺可以更快速更精確的實現(xiàn)OFDM/OQAM系統(tǒng)設(shè)計和算法驗證；相較于Matlab 仿真，這種基于模擬真實環(huán)境的無線通信平臺，更利于實際工程應(yīng)用。本文所搭建的基于USRP 和LabVIEW 的OFDM/OQAM 系統(tǒng)借助信道仿真儀模擬真實地空信道的四個狀態(tài)進行傳輸信號，所仿真的實驗結(jié)果更具有參考價值。