基于802.11a的OFDM系统同步算法的FPGA设计与实现

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1、http://www.paper.edu.cn基于802.11a的OFDM系统同步算法的FPGA设计与实现陈娟武汉理工大学信息工程学院，武汉（430070）E-mail:chenjuan1982815@126.com摘要：同步技术是OFDM最关键的技术之一，它包括载波频率同步，帧同步和符号同步，载波频率同步是为了纠正接收端相对于发送端的载波频率偏移，以保证子载波间的正交性；帧检测是正确判断一帧数据的到来，符号同步确定OFDM符号有用数据信息的开始时刻，也就是确定FFT窗的开始时刻，本文介绍了基于短训练序列自相关实现帧同步，载波频率同步和符号同步的原理，完成了FP

2、GA设计与实现。关键词：正交频分复用，现场可编程门阵列，帧检测，频偏估计，符号同步1.引言对于移动无线通信系统来说，无线信道存在时变性，在传输过程中会出现无线信号的频[1,2]率偏移，例如多普勒频移，或者发射机与接收机晶振之间存在频率偏差。在OFDM系统中，载波频偏会破坏子载波之间的正交性，从而引入子载波之间的干扰（ICI）,严重时会导致信号不能正确解调。为了保证子载波之间的正交性，在接收端进行FFT变换之前，必须对载波频偏进行估计和补偿。这个过程就是载波频率同步，也称为频偏估计。每一个OFDM符号都是由循环前缀和有用数据信息组成，OFDM符号同步就是确定OFD

3、M符号有用数据信息的开始时刻，也可以叫做确定FFT窗的开始时刻，由于循环前缀的保护，OFDM对符号同步偏差部敏感，但是如果偏差大于循环前缀的长度，这时不仅会造成部分数据信息丢失，而且更为严重的是破坏子载波之间的正交性，引入ICI和ISI,导致[3]系统性能下降。2．帧检测算法及FPGA设计与实现2.1帧检测算法原理[4]在IEEE802.11a标准中，PLCP导频结构包括短序列和长序列。其中短序列由10个相同的短符号组成，每个短符号包含16个时域采样点。帧检测是利用短符号的自相关特性完成的。帧检测算法设计的关键在于检测统计量的确定和门限值的选择。算法思路是对接收

4、信号做自相关运算，得到检测统计量后再和某门限做比较，若超过门限即认为检测到有帧到来，门限K可以在工程中通过实验的方法来确定。2.2帧检测FPGA设计FPGA实现帧检测算法，顶层结构如图1所示,主要由延时单元，乘法累加器和判决门限三个子模块组成。其中两个乘法累加器并行实现两个自相关运算，对它们求和就得到了似然比，如果似然比超过门限，就认为有帧到来。-1-http://www.paper.edu.cn图1帧检测顶层结构图3．频偏估计算法及FPGA设计：。3.1算法原理'采用时域自相关法利用短符号进行频偏估计与校正。定义归一化频偏为ε=Δff，其'中f为绝对频偏，Δf

5、为子载波间隔。1N⎛⎞ε=⋅⋅arg⎜⎟∑rkrkN()∗−()p2πNp⎝⎠k[5]式中rk()为接收到的短符号，N为一个短符号长度，N为FFT点数。IEEE802.11ap2中，N=16，N=64，由估计式可知，相对频偏ε的估计范围是επ<⋅=2，协议中pπ的子载波间隔Δ=f312.5kHz，因此，绝对频偏的估计范围是(−625kHz,625kHz)。频偏估计完成后，立即用估计结果去校正后续数据。考虑到802.11a信道的慢时变性，可以假设[6]每个PPDU内频偏是固定的，因此每个PPDU内只需做一次频偏估计。频偏估计完成后，立刻用估计结果去校正后续数据。考

6、虑到WLAN信道的慢时变性，可以假设每个PPDU内频偏是固定的，只需做一次频偏估计。3.2FPGA设计整个模块主要由复数自相关，求复数复角和频偏纠正三个子模块组成。图4显示了该算法实现的顶层模块结构，并列出了主要的信号。数据部分是I,Q两路并行输入的，分别代表复序列的实部和虚部，start信号高电平时数据有效，表示已经检测到有帧到来，复序列完成自相关运算后输出一个复数，信号i_x和q_x分别是它的实部和虚部，同时rdy_nd出现一个高脉冲，提示输出数据有效，使能求复数幅角子模块，在该子模块中求出上述复数的幅角，也就是估计出的频偏，从端口P_out输出，P_out

7、数据有效时信号ready出现高电平。下一步就是作频偏纠正。下面将分模块介绍算法的设计。-2-http://www.paper.edu.cn图2频偏估计原理图3.2.1复数自相关运算的实现每1个复数自相关器可用4个实数相关器来实现，其中两个自相关器，两个互相关器。每一个实数相关器又可由延时器，乘法器，加法器以及必要的计数器和寄存器组成，如图5所示，复数自相关器可分为延时，峰值检测和复数乘法累加3个功能模块。其中复数乘法累加是用4个实数乘法累加器（图中简称MAC）来实现的，4个MAC并行处理，峰值检测模块检测自相关值的最大值，当达到最大值时，就相当于所有的短符号都参

8、加了自相关运算，产生一个