摘 要：無(wú)線通信系統(tǒng)中接收機(jī)的同步問(wèn)題是無(wú)線通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)中必須要首先考慮的因素，這個(gè)問(wèn)題在很大程度上影響著系統(tǒng)的整體性能，較好的符號(hào)同步設(shè)計(jì)成為當(dāng)前無(wú)線通信系統(tǒng)的迫切需要。本文針對(duì)采用正交頻分復(fù)用(OFDM)技術(shù)的無(wú)線通信系統(tǒng)，提出了一種新的基于Zadoff-Chu序列的符號(hào)同步算法，并通過(guò)FPGA進(jìn)行了硬件驗(yàn)證。該符號(hào)同步算法，具有較好的性能，并且易于硬件實(shí)現(xiàn)。

　　關(guān)鍵詞：無(wú)線通信評(píng)職范文,核心期刊,符號(hào)同步,Zadoff-Chu序列,FPGA,正交頻分復(fù)用

　　引言：正交頻分復(fù)用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM)及其相關(guān)技術(shù)以頻譜利用率高，抗多徑和脈沖噪聲，在高效帶寬利用率情況下的高速傳輸能力，根據(jù)信道條件對(duì)子載波進(jìn)行靈活調(diào)制及功率分配的能力，以及成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，在眾多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，已成為未來(lái)第4代多媒體移動(dòng)通信系統(tǒng)的關(guān)鍵傳輸技術(shù)。正是基于OFDM技術(shù)成為B3G/4G系統(tǒng)的核心技術(shù)，當(dāng)前針對(duì)基于OFDM的無(wú)線通信系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的研究和實(shí)現(xiàn)，成為了研究熱點(diǎn)之一。

　　OFDM系統(tǒng)雖然可以非常有效地對(duì)抗多徑效應(yīng)，但與單載波通信系統(tǒng)相比，它需要更為精確的系統(tǒng)同步。符號(hào)同步錯(cuò)誤不僅會(huì)使信號(hào)的幅度和相位產(chǎn)生畸變，還會(huì)導(dǎo)致各個(gè)OFDM符號(hào)之間產(chǎn)生干擾，引入ISI，這會(huì)嚴(yán)重影響OFDM系統(tǒng)性能。在存在多徑衰落、脈沖寄生干擾、多普勒頻移的惡劣地面信道中傳輸信號(hào)，為了使無(wú)線通信系統(tǒng)接收機(jī)能夠正確的對(duì)接收到的數(shù)據(jù)幀進(jìn)行譯碼，符號(hào)同步問(wèn)題已成為在設(shè)計(jì)OFDM接收機(jī)時(shí)要首先解決的問(wèn)題。

　　1 符號(hào)同步原理

　　符號(hào)同步的實(shí)質(zhì)就是確定出OFDM符號(hào)的起始(即FFT窗)位置，以便能正確地進(jìn)行FFT解調(diào)。其正確的FFT窗及錯(cuò)誤的符號(hào)定時(shí)位置。

　　圖中陰影部分為循環(huán)前綴，其可以有效地防止OFDM符號(hào)間的干擾并保持子載波間的正交性。

　　OFDM符號(hào)同步方法可分為數(shù)據(jù)輔助的同步方法和盲同步方法。數(shù)據(jù)輔助同步方法需訓(xùn)練序列，這降低了數(shù)據(jù)傳輸效率，但這類方法有估計(jì)精度高的優(yōu)點(diǎn)，一般其計(jì)算復(fù)雜度較低。盲同步方法不需額外數(shù)據(jù)作訓(xùn)練序列，它有帶寬效率高的優(yōu)點(diǎn)，但盲同步方法一般有計(jì)算復(fù)雜度高的缺點(diǎn)。本文討論基于同步訓(xùn)練序列的符號(hào)同步算法，其利用本地訓(xùn)練序列和接收碼字序列進(jìn)行相關(guān)獲得符號(hào)同步的信息，在多徑衰落信道中具有更為精確的同步估計(jì)性能。

　　本文算法采用Zadoff-Chu(ZC)序列(也被稱為GCL—廣義啁啾樣(Generalized Chirp-Like)序列)，它們都是非二進(jìn)制單位振幅序列，滿足CAZAC(Constant Amplitude Zero Autocorrelation，恒幅零自相關(guān))特性。ZC序列具有以下特性。

　　特性1：ZC序列具有恒定振幅，經(jīng)過(guò)DFT變換后是一個(gè)加權(quán)循環(huán)移位ZC序列，也是恒定振幅。恒定振幅特性限制了峰均功率比(PAPR)和對(duì)其他符號(hào)產(chǎn)生的邊界和時(shí)間平坦性干擾。

　　特性2：任何長(zhǎng)度的ZC序列具有“理想”的循環(huán)自相關(guān)性，即ZC序列的周期自相關(guān)性只有在零點(diǎn)出現(xiàn)峰值，同一序列的周期相關(guān)性只能在Ncs點(diǎn)出現(xiàn)峰值，因而避免了循環(huán)移位產(chǎn)生的多個(gè)峰值(Ncs是循環(huán)移位的采樣數(shù)目)。

　　ZC序列的生成函數(shù)為：

　　其中 為序列長(zhǎng)度，q∈{1,···, -1}為ZC序列的根指數(shù)。

　　本算法首先生成一個(gè)長(zhǎng)度128的ZC序列，然后在每一個(gè) 序列數(shù)值后面補(bǔ)加3個(gè)0，構(gòu)成一個(gè)長(zhǎng)度為512的序列，把擴(kuò)展后的序列進(jìn)行512點(diǎn)IFFT變換即可得到一個(gè)由4組相同的長(zhǎng)度為128的ZC序列構(gòu)成的序列，本文以此長(zhǎng)度為512的序列作為訓(xùn)練序列。

　　我們用四個(gè)連續(xù)重復(fù)的Zadoff-Chu序列在時(shí)域?qū)崿F(xiàn)符號(hào)同步，由于已知發(fā)射端的同步128位的ZC序列，設(shè)為，首先將ZC序列與接收信號(hào)作共軛相關(guān)運(yùn)算，則其中，為噪聲項(xiàng)與本地序列作共軛相關(guān)的結(jié)果。然后，依次做峰值檢測(cè)，當(dāng)?shù)谝淮伟l(fā)現(xiàn)連續(xù)出現(xiàn)四個(gè)峰值時(shí)可以確定接收信號(hào)同步序列所在OFDM符號(hào)位置，從而實(shí)現(xiàn)符號(hào)同步。

　　2 硬件結(jié)構(gòu)

　　符號(hào)同步的硬件實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)如圖2所示，分為量化(Quantization)、匹配濾波(Match Filtering)和符號(hào)輸出(Symbol Output)三個(gè)部分。

　　在處理ZC序列與接收信號(hào)作共軛相關(guān)時(shí)，為了節(jié)省資源，盡量避免使用乘法器，我們可以先將接收序列進(jìn)行量化，然后再做共軛相關(guān)，具體量化過(guò)程如下：

　　量化處理之后，接收信號(hào)進(jìn)入匹配濾波模塊，與本地ZC序作共軛相關(guān)運(yùn)算，結(jié)果可以表示為：

　　這樣，在硬件實(shí)現(xiàn)過(guò)程中只用到了加法器，避免使用乘法器，的實(shí)部和虛部可以如下表示：

　　相關(guān)運(yùn)算之后進(jìn)行相關(guān)值累加求和，然后通過(guò)尋找其幅值的峰值來(lái)確定4個(gè)長(zhǎng)度128ZC序列的結(jié)束點(diǎn)。相關(guān)累加求和利用的是傳統(tǒng)的滑動(dòng)窗口技術(shù)，即Sum = Sum+Data–ShiftData。其中ShiftData就是經(jīng)過(guò)移位的數(shù)據(jù)。這個(gè)公式的結(jié)果實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的累加，累加的寬度就是移位寄存器的深度。

　　確定符號(hào)的位置之后，符號(hào)輸出模塊負(fù)責(zé)完成去除循環(huán)前綴，將接收信號(hào)輸出到下一級(jí)處理模塊。

　　從上兩圖可以看出，量化后的相關(guān)結(jié)果與未量化相關(guān)結(jié)果相比，僅在相對(duì)幅度上有所差別，只要選取合適的門限值，具體的訓(xùn)練序列以及符號(hào)的起始位置仍然能清楚地得到，因此可以判定我們采用的量化方法可行。

　　3 系統(tǒng)所用資源量

　　本文所采用的芯片是Xilinx V5SX95T，基于該芯片，本算法所用資源量在FPGA輸出文件中記錄如表1所示。

　　4 結(jié)束語(yǔ)

　　本文提出了一種基于Zadoff-Chu序列為訓(xùn)練序列的符號(hào)同步算法，利用Zadoff-Chu序列良好的相關(guān)特性加上一些重復(fù)及累加手段以達(dá)到良好的同步性能。Zadoff-Chu序列由于其比較理想的特性，使得其在LTE的同步及導(dǎo)頻設(shè)計(jì)部分都有得到應(yīng)用。此外，本文對(duì)算法進(jìn)行了硬件實(shí)現(xiàn)，并對(duì)資源量進(jìn)行了分析，該設(shè)計(jì)對(duì)FPGA資源量的消耗可以接受，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

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