二維擴頻系統(tǒng)幀同步技術(shù)研究與FPGA實現(xiàn)

郭曉亮， 張有光， 張光山

(北京航空航天大學(xué)電子信息工程學(xué)院，北京100191)

0 引 言

無線多媒體業(yè)務(wù)持續(xù)發(fā)展決定了未來無線通信系統(tǒng)必然是一個寬帶系統(tǒng)。以第4代(4G)移動通信為例，其突出特點是能夠提供1Gbit/s(準靜止狀態(tài))或100Mbit/s(高速移動狀態(tài))的峰值數(shù)據(jù)傳輸率來滿足以高清視頻為代表的多媒體業(yè)務(wù)。如此高傳輸帶寬為未來寬帶無線通信系統(tǒng)物理層設(shè)計帶來了諸多挑戰(zhàn)[1]。融合了碼分多址 (code-division multiple-access，CDMA)技術(shù)和正交頻分復(fù)用(orthogonalfrequencydivisionmultiplex，OFDM)技術(shù)的多載波CDMA方案自1993年被提出以來，被廣泛認為是應(yīng)對未來寬帶無線通信系統(tǒng)物理層挑戰(zhàn)的關(guān)鍵技術(shù)之一。多載波CDMA技術(shù)繼承了CDMA和OFDM兩者的諸多優(yōu)點，在提高系統(tǒng)容量、克服頻譜資源稀缺和抗信道衰落損傷上具有優(yōu)勢，為未來寬帶無線通信系統(tǒng)提供了一種可供選擇的技術(shù)方案。TF/MC DS-CDMA是近年來提出的一種新的通信系統(tǒng)[2]，該系統(tǒng)是是一種典型的二維擴頻多載波CDMA系統(tǒng)。此系統(tǒng)由于利用多個載波傳輸數(shù)據(jù)，相鄰載波的間隔非常小，對系統(tǒng)的頻率偏移和定時偏移非常敏感。因此，如何準確的實現(xiàn)載波和定時同步是TF/MC DS-CDMA系統(tǒng)中的一個極為關(guān)鍵的技術(shù)問題。

本文重點研究TF/MC DS-CDMA系統(tǒng)幀同步技術(shù)，尋找一個適合該系統(tǒng)的幀同步算法并將其在FPGA上予以實現(xiàn)。本文對TF/MC DS-CDMA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和同步問題進行了詳細的分析，闡述了算法的選擇并給出了算法在Matlab下的仿真結(jié)果，論述了算法在FPGA平臺的實現(xiàn)，針對算法本身的缺點以及 TF/MC DS-CDMA結(jié)構(gòu)的特點提出了幾點改進并給出了QuartusⅡ7.2下的時序仿真圖。

1 TF/MC DS-CDMA系統(tǒng)分析

TF/MC DS-CDMA的結(jié)構(gòu)如圖1所示。顯然，TF/MC DSCDMA是一種結(jié)合了多載波直接序列擴頻CDMA和多載波CDMA的混合結(jié)構(gòu)。提出該結(jié)構(gòu)的初衷主要是利用時頻聯(lián)合擴頻來增強系統(tǒng)多址能力，同時獲得頻域分集增益，從而在一定程度上解決：①MC DS-CDMA無法獲得頻域分集增益；②MC-CDMA的擴頻碼由于受到信道影響而無法保證相互間正交性，引起多址干擾加劇。

圖1 TF/MC DS-CDMA發(fā)射機結(jié)構(gòu)

隨著國內(nèi)外研究的不斷深入[3-6]，發(fā)現(xiàn)TF/MCDS-CDMA還具有以下優(yōu)點：便于信號處理、彈性參數(shù)配置、支持更多用戶和靈活的多用戶檢測。通過我們前期研究發(fā)現(xiàn)，它還具有另一特點：TF/MC DS-CDMA是已有基本CDMA結(jié)構(gòu)的通式化擴展。即DS-CDMA、MC-CDMA、MCDS-CDMA和多音CDMA(MT-CDMA：Multitone CDMA)等基本CDMA結(jié)構(gòu)可以是TF/MCDS-CDMA的某一特例，如圖2所示。因此，根據(jù)圖1結(jié)構(gòu)，設(shè)定一組可變參數(shù)集{Nt,Nf,U,1/(nT)}，可以設(shè)計一款基于軟件無線電的多載波CDMA平臺，用以獲得不同的CDMA信號。

2 TF/MC DS-CDMA系統(tǒng)同步分析

圖2 TF/MC DS-CDMA與其它CDMA轉(zhuǎn)換關(guān)系

同步是任何一種通信系統(tǒng)都要解決的問題，其性能直接關(guān)系著整個通信系統(tǒng)的性能。沒有準確的同步算法，就不能進行可靠的數(shù)據(jù)傳輸，它是信息可靠傳輸?shù)那疤帷F/MCDSCDMA為一種多載波通信系統(tǒng)，它的各個子載波之間要求嚴格正交，因此TF/MC DS-CDMA系統(tǒng)對同步要求更為嚴格。

圖3給出了TF/MC DS-CDMA系統(tǒng)中同步的要求，并且給出了同步在系統(tǒng)中的位置。

圖3 TF/MC DS-CDMA系統(tǒng)同步

由圖3可以看出，TF/MCDS-CDMA系統(tǒng)基本上有3種同步方式：符號定時同步(幀同步)、載波同步和采樣同步這3種方式。其中符號定時同步主要是確定信息符號什么時候開始，載波同步主要是估計和校正系統(tǒng)中存在的頻率偏移。采樣時鐘同步主要由于采樣頻率偏差和采樣相位偏差所引起的系統(tǒng)同步錯誤，對于采樣時鐘同步，在實際中我們一般可以采用同步系統(tǒng)(固定的采樣頻率)來減小采樣時鐘誤差[7]。

對于以上3種同步方式，本文由于所屬項目的要求只針對幀同步這個問題展開研究，重點提出一種適用于本系統(tǒng)的幀同步算法，對其進行仿真并在硬件上進行實現(xiàn)。

3 算法選擇及仿真

TF/MC DS-CDMA系統(tǒng)從本質(zhì)上講是一種二維擴頻CDMA-OFDM系統(tǒng)，由圖4可以看出數(shù)據(jù)經(jīng)過時域和頻域擴頻后將進行IFFT變換，其本身利用了OFDM結(jié)構(gòu)進行調(diào)制，因此抓住系統(tǒng)這個特點，可以借鑒OFDM中的一些比較成熟的算法應(yīng)用到這個結(jié)構(gòu)中，完成整個系統(tǒng)的同步。

圖4 TF/MC DS-CDMA整體系統(tǒng)框架

OFDM同步算法可以分為兩類：第一類是數(shù)據(jù)輔助估計，即基于導(dǎo)頻符號的同步算法，第二類是非數(shù)據(jù)估計，即盲估計，其中包括基于循環(huán)保護間隔的同步算法。基于導(dǎo)頻符號的同步算法需要系統(tǒng)添加額外的訓(xùn)練數(shù)據(jù)，這會降低系統(tǒng)的整個數(shù)據(jù)傳輸速率，因此本文對其不作考慮。由于TF/MCDSCDMA系統(tǒng)本身添加了循環(huán)前綴，因此選取非數(shù)據(jù)估計中的最大似然算法(ML)作為研究對象，同時該算法相對于基于導(dǎo)頻的同步算法具有計算量小，冗余度低的特點，便于在整個硬件系統(tǒng)中的實現(xiàn)。由于ML算法是OFDM中一種比較經(jīng)典的算法，本文重點放在該算法在整個TF/MC DS-CDMA電臺硬件系統(tǒng)中的實現(xiàn)環(huán)節(jié)，因此，下面只對ML算法的原理做簡要介紹，并給出該算法在TF/MCDS-CDMA系統(tǒng)中的仿真結(jié)果。

ML算法是利用系統(tǒng)中循環(huán)冗余擴展的循環(huán)前綴攜帶的信息進行同步估計。循環(huán)保護間隔取TF/MC DS-CDMA符號尾部最后若干點的復(fù)制，當(dāng)其中任何一個位于保護間隔內(nèi)，另一個與它相同，兩者的相關(guān)性較強，當(dāng)不在保護間隔內(nèi)，這兩個樣點獨立的。ML算法正是利用這種相關(guān)性來完成時頻聯(lián)合估計[8]。

圖5為TF/MC DS-CDMA幀結(jié)構(gòu)示意圖，在實際接收的TF/MCDS-CDMA幀中，截取長度2N+L的一段觀測數(shù)據(jù)，假設(shè)所截取的兩個觀測序列為I=,…,+L和I'=+N,…,+N+L-1，其中 為未知延時，需要估計的時間參數(shù)。由于I為I'的復(fù)制，因此存在如下關(guān)系

式中：2=E{| |2}、2=E{| |2}——有用信號和加性高斯白噪聲能量。

圖5 TF/MC DS-CDMA幀結(jié)構(gòu)

由于2N+L個采樣點中只有屬于集合I為I'中的對應(yīng)元素存在相關(guān)性，其它2N個抽樣點之間可以看成是相互獨立的。根據(jù)對數(shù)似然函數(shù)可以推算求得最后公式

式中： ——接收序列。

圖6為在AWGN信道下最大似然估計函數(shù)的仿真圖。具體仿真條件為：子載波數(shù)為128，循環(huán)前綴為30，調(diào)制方式為BPSK，信噪比SNR=15db。圖6中的幅值最大點所對應(yīng)的時刻即為我們系統(tǒng)所要求的幀同步點。可以看出對連續(xù)4幀數(shù)據(jù)進行仿真，曲線有明顯的峰值，滿足預(yù)期要求。

4 算法FPGA實現(xiàn)

圖6 TF/MC DS-CDMA系統(tǒng)定時估計仿真結(jié)果

TF/MC DS-CDMA由于同時具有時域和頻域擴頻碼，假設(shè)時域和頻域擴頻碼長度分別為和，則系統(tǒng)可以支持個用戶，因此在整個TF/MC DS-CDMA電臺的實現(xiàn)中需要處理的數(shù)據(jù)量要遠大于傳統(tǒng)的CDMA，而最大似然雖然定時準確，但由于算法本身計算復(fù)雜度較高，硬件開銷比較大，因此本文在具體實現(xiàn)過程中提出了利用雙RAM緩存數(shù)據(jù)并且利用加窗算法進行移動求和并加入CP長度可調(diào)等措施，一定程度上減少了系統(tǒng)的硬件開銷，提高了同步模塊的運行速度。圖7為整個同步模塊的原理實現(xiàn)框圖，模塊主要分為以下幾個部分：

圖7 TF/MC DS-CDMA同步模塊原理框架

4.1 數(shù)據(jù)延遲模塊

該模塊采用兩個RAM交替來實現(xiàn)，以節(jié)省硬件單元。每個RAM延時128單元，用一個計數(shù)器來控制RAM的地址，高7位地址為兩個RAM的地址，最低位用來控制選擇哪個RAM，存滿后讀出前面的數(shù)據(jù)和后面直接送入的數(shù)據(jù)到后級模塊(共軛相乘及求能量模塊)。

4.2 共軛相乘及求能量模塊

該模塊對延遲模塊的輸出數(shù)據(jù)和接收到的數(shù)據(jù)進行共軛相乘并求他們的能量，模塊原理比較簡單，采用帶符號的相乘器進行乘法運算，不過要注意時序的控制。

4.3 移動求和模塊

該模塊對共軛相乘及求能量模塊的輸出數(shù)據(jù)進行長度為L(CP長度)的累加，在發(fā)射機中我們設(shè)計根據(jù)實際信道傳輸狀況可以調(diào)節(jié)循環(huán)前綴長度占總幀長度的百分比，本項目中循環(huán)前綴的調(diào)節(jié)采用多個RAM寄存器來實現(xiàn)，可以進行4種形式的調(diào)節(jié)(12.5%/25%/37.5%/50%)。圖8為發(fā)射端CP長度調(diào)節(jié)模塊實現(xiàn)框圖。

圖8 CP長度可調(diào)模塊實現(xiàn)原理框架

因此，同步模塊中CP長度可以隨之進行調(diào)節(jié)來改變移動求和的長度。該設(shè)計的一個顯著優(yōu)點就是在信道條件較好的情況下可以采用較短長度的循環(huán)前綴，這樣在移動求和模塊中可以減少累加的長度，從而減少硬件平臺的開銷。同時該模塊在求和過程中用到一個技巧，就是累加時采用延時L單元累加，相當(dāng)于采用窗的功能，移動窗累加，加上當(dāng)前的數(shù)據(jù)，減去延時后的數(shù)據(jù)，這樣進行累加可以大大提高運算速度同時也能一定程度上較少硬件資源的開銷。

4.4 求歸一化最大相關(guān)峰值模塊

該模塊首先是求模運算，也就是數(shù)據(jù)實部平方加虛部平方，再取絕對值，這個過程要注意數(shù)據(jù)精度與模塊IP核現(xiàn)有數(shù)據(jù)寬度的矛盾，本文經(jīng)過仿真只取高位的數(shù)據(jù)作為運算有效數(shù)據(jù)。接著進行相減，求其最大值，當(dāng)最大值來臨，把控制信號變?yōu)楦?，說明檢測到TF/MCDS-CDMA符號的開始也就是檢測到循環(huán)前綴的最后一個采樣點，下一個時刻可以進行FFT解調(diào)運算。

4.5 同步模塊時序仿真結(jié)果及分析

上述算法實現(xiàn)基于cyclone II dsp development board FPGA開發(fā)板，其核心芯片是Altera公司CycloneII系列EP2C70-FPGA芯片，它是Altera公司推出的基于90nm工藝制造、低成本的FPGA，主要面向數(shù)字終端、手持設(shè)備等對成本敏感的應(yīng)用領(lǐng)域。擁有68416個邏輯單元，115200個RAM，150個乘法器模塊。軟件仿真工具為QuartusⅡ7.2，硬件描述語言為Verilog。

整個基帶變換及TF/MCDS-CDMA系統(tǒng)采用的幀結(jié)構(gòu)為：每幀數(shù)據(jù)為256個采樣點，循環(huán)前綴為64個采樣點，數(shù)據(jù)為32bit帶符號定點復(fù)數(shù)，高16位為實部，低16位為虛部。時序仿真結(jié)果如圖9所示，圖中箭頭所指sop20上跳脈沖處即為幀同步點，圖中sop20上面的管腳為輸入原始數(shù)據(jù)，sop20下面的管腳為去掉循環(huán)前綴后的數(shù)據(jù)，模塊連續(xù)處理了8幀數(shù)據(jù)，當(dāng)求歸一化最大相關(guān)峰值模塊取得最大值時，控制器將sop20信號置為高電平，表示系統(tǒng)已經(jīng)檢測到幀同步點，其下一個時刻就可以去掉該幀的循環(huán)前綴CP，進行FFT解調(diào)運算。通過圖9可以看出，系統(tǒng)可以準確的檢測到每幀數(shù)據(jù)的同步點，取得預(yù)期效果。

5 結(jié)束語

圖9 FPGA同步模塊仿真波形

本文以TF/MCDS-CDMA這種新型的二維擴頻系統(tǒng)為研究對象，首先對該系統(tǒng)進行了簡要的介紹，接著分析了該系統(tǒng)中的3種同步方式并選取幀同步作為本文的研究目標，根據(jù)TF/MC DS-CDMA系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點選取最大似然同步算法作為系統(tǒng)的同步算法。在Matlab環(huán)境下對該算法進行了仿真，通過對連續(xù)4幀的數(shù)據(jù)進行觀測，系統(tǒng)可以準確的捕捉到同步點，證明了該算法在TF/MC DS-CDMA系統(tǒng)中的可行性。

最大似然算法雖然定時準確，但是其計算復(fù)雜度較高，實現(xiàn)過程中硬件開銷比較大，在硬件資源受到約束時，面臨很多困難。本文在具體實現(xiàn)過程中提出了利用利用雙RAM緩存數(shù)據(jù)并且利用加窗算法進行移動求和并且加入CP長度可調(diào)等措施，一定程度上減少了硬件資源的開銷，提高了同步模塊的運算速度。利用 QuartusⅡ7.2工具對同步模塊進行時域仿真，連續(xù)處理了8幀數(shù)據(jù)，系統(tǒng)可以準確的檢測到每幀數(shù)據(jù)的幀同步點，在減少硬件資源開銷的同時能夠保證整個同步模塊的精度，滿足了預(yù)計需求。

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