OFDM軟件無線電接收機(jī)的采樣時鐘同步

謝穎　胡星波　許煒陽

摘要：針對正交頻分復(fù)用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）采樣時鐘同步問題，提出了一種適合于軟件無線電（software-Defined Radio，SDR）接收機(jī)的全數(shù)字實(shí)現(xiàn)方案。該方案的整體結(jié)構(gòu)基于經(jīng)典的Gardner環(huán)路，借助聯(lián)合迭代估計算法來進(jìn)行誤差的動態(tài)跟蹤，并通過對接收信號進(jìn)行異步重采樣來實(shí)現(xiàn)采樣時鐘誤差的實(shí)時校正。誤差檢測環(huán)節(jié)不僅能消除載波頻率誤差的影響，還可以在維持環(huán)路的響應(yīng)速度的同時提高誤差檢測的精度。誤差校正環(huán)節(jié)利用一種簡單的動態(tài)延遲技術(shù)來對信號重采樣進(jìn)行直接控制，盡管增加了一些處理延遲，但能使重采樣過程平穩(wěn)進(jìn)行。理論分析和仿真結(jié)果表明，新的采樣時鐘同步方案在多徑信道環(huán)境中能有效工作，算法的性能優(yōu)于其他同類算法。

關(guān)鍵詞：正交頻分復(fù)用；軟件無線電接收機(jī)；采樣時鐘同步；誤差檢測；重采樣

0.引言

正交頻分復(fù)用（OFDM）技術(shù)因?yàn)榫哂蓄l率效率高、抗干擾性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于數(shù)字廣播系統(tǒng)（例如DVB-T）和寬帶無線網(wǎng)絡(luò)（例如IEEE802。11a/g/n、WiMAX等）中，新一代的移動通信系統(tǒng)（例如3GPP LTE）也是建立在OFDM技術(shù)基礎(chǔ)之上的?；贠FDM的系統(tǒng)在實(shí)施時必須考慮同步問題，如果系統(tǒng)不能實(shí)現(xiàn)精確同步，同步誤差將會給系統(tǒng)性能帶來嚴(yán)重的影響，接收機(jī)甚至不能正確解調(diào)。

本文重點(diǎn)研究基于OFDM的軟件無線電（SDR）接收機(jī)的采樣時鐘同步。SDR系統(tǒng)為了能提供模塊性、兼容性和可重構(gòu)性，通常在模擬前端采用固定采樣率的A/D和D/A轉(zhuǎn)換器，因此其接收機(jī)不能像傳統(tǒng)接收機(jī)那樣將誤差信號反饋到模擬前端進(jìn)行控制。目前大部分OFDM的時間同步方法都是通過壓控振蕩器（Voltage-Controlled Oscillator，VCO）來調(diào)節(jié)采樣時鐘，不適合SDR接收機(jī)。其實(shí)，OFDM的采樣時鐘同步本質(zhì)上是一個信號的異步重采樣問題。對于SDR接收機(jī)來說，這個過程必須用全數(shù)字技術(shù)來完成。目前一種常用的方法是Gardner等人在文獻(xiàn)中提出的經(jīng)典方法：在異步采樣條件下，通過內(nèi)插方法調(diào)整位時鐘誤差，從而獲得最佳采樣時刻。Gardner方法也能應(yīng)用在OFDM系統(tǒng)中，一般的實(shí)現(xiàn)方案是將實(shí)時檢測到的定時誤差信號，在通過環(huán)路濾波處理后，送給數(shù)控振蕩器（Numerieal-Controlled Oscillator，NCO）來產(chǎn)生插值器的控制參數(shù)。然而，這類方案并沒有考慮到載波頻率偏差和多普勒效應(yīng)對采樣時鐘造成的影響。此外，由NCO控制的插值可能會打亂重采樣過程的正常節(jié)奏，原因是NCO機(jī)制產(chǎn)生的采樣時間點(diǎn)由于擾動的存在，可能會提前或落后于周期性的時鐘信號，從而在插值器的輸出端造成采樣數(shù)據(jù)增加或遺漏的問題。顯然，這將破壞重采樣序列的完整性，OFDM接收機(jī)的BER（Bit Error Rate）（誤比特率）性能將會受到嚴(yán)重影響。

本文在經(jīng)典Gardner環(huán)路的基礎(chǔ)上提出了一種適合OFDM接收機(jī)的采樣時鐘同步的SDR接收機(jī)實(shí)現(xiàn)方案：誤差檢測環(huán)節(jié)采用一種聯(lián)合迭代估計算法；誤差校正環(huán)節(jié)對接收信號的數(shù)字序列進(jìn)行自適應(yīng)異步重采樣；為了使重采樣平穩(wěn)進(jìn)行，采用一種基于動態(tài)延遲的直接控制技術(shù)來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的NCO機(jī)制。

1.采樣時鐘誤差的檢測

軟件無線電環(huán)境中OFDM接收機(jī)采樣時鐘同步的全數(shù)字實(shí)現(xiàn)方案如圖1所示。該方案借鑒了經(jīng)典的Gardner環(huán)路結(jié)構(gòu)，主要由異步重采樣器、采樣時鐘誤差檢測器、環(huán)路濾波器3個部分組成。誤差檢測器從解調(diào)后的頻域符號中提取導(dǎo)頻，根據(jù)導(dǎo)頻中攜帶的參考信號計算出時鐘誤差的估計量。誤差量在經(jīng)過環(huán)路濾波器的處理后，送給自適應(yīng)異步重采樣器，這個重采樣器基于積分濾波單元的輸出（即定時誤差的估計量）對接收信號的時序進(jìn)行調(diào)整，目的是對時鐘同步誤差造成的效應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)償，同時對接收信號進(jìn)行降頻（因?yàn)榘l(fā)射端通常要對基帶信號進(jìn)行時域過采樣處理）。

采樣時鐘誤差量的檢測需利用同步誤差對解調(diào)符號造成的旋轉(zhuǎn)效應(yīng)。對于解調(diào)之后的OFDM信號，其符號的旋轉(zhuǎn)量與載波頻率及采樣定時誤差之間滿足近似的線性關(guān)系，因此可以借助最小二乘（Least Squares，Ls）算法來從接收信號中同時檢測頻率/時鐘誤差量。本文提出了一種迭代估計方法，該方法從RLS算法（Recursive Least-Squares）（遞歸式最小二乘算法）推導(dǎo)而來。利用遞歸式計算固有的記憶性和動態(tài)性，不僅可以維持跟蹤環(huán)路的響應(yīng)速度，還能提高誤差檢測的精度。