一种改进的OFDMA载波盲同步方法

脱永军

(中国电子科技集团公司第30研究所，成都 610041)



一种改进的OFDMA载波盲同步方法

脱永军

(中国电子科技集团公司第30研究所，成都 610041)

摘要：载波的盲同步算法对于正交频分复用多址接入(OFDMA)非合作接收系统是非常重要的。载波的盲同步算法包括了对载波的频偏盲估计和频率校正，对于OFDMA信号的非合作方式解调具有关键作用。研究了一种改进的载波盲同步方法，分析了算法原理，构建了算法模型，在现场可编程门阵列(FPGA)芯片上验证了其功能。测试结果和性能仿真曲线表明，该方法性能优于传统方法，能有效地利用芯片资源，为实际工程应用起到重要参考作用。

关键词：正交频分复用多址接入；载波盲同步；算法实现；现场可编程门阵列

0引言

正交频分复用多址接入 (OFDMA)已成为众多通信系统的核心技术，也是新一代通信技术体制中的研究热点。因为OFDM技术一般用于单向广播通信，而目前多数通信系统均需支持多用户的并发通信，所以在OFDM基础上做了扩展，即为每个用户分配1组或几组子载波，得到了多址接入方式 OFDMA。OFDMA技术在水下无线通信系统[1]、军用卫星广播系统、长期演进(LTE)通信系统和电力系统等领域被广泛采用。

在通信对抗领域中，对OFDMA信号进行侦察分析也变得日益重要。OFDMA系统的优势是具有较好的频谱特性、较强的抗频率选择性衰落的能力以及能与多输入多输出(MIMO)接收机和天线技术兼容等。由于OFDMA需要所有的子载波之间都相互正交，所以载波的频偏将会破坏子载波之间的正交性，产生多用户干扰和子载波间干扰等问题，严重降低侦察接收机解调的性能。估计出频偏和实现载波同步对采取非合作方式接收OFDMA信号的对抗系统具有重要作用。

本文提出了一种改进的OFDMA载波盲同步方法和实现思路。通过Simulink工具构建了算法模型，并基于Xilinx公司的FPGA芯片对算法进行了实现和优化。

1OFDMA载波盲同步算法分析

因为OFDMA的移动接入比固定接入更复杂，信道不仅会产生多径衰落，而且还会产生多普勒频移[2]。由此引起的载波同步偏差会使OFDMA信号的子载波发生载波间干扰和符号间干扰，导致接收性能下降。

过去的很多载波同步方法都是基于训练序列或者循环前缀等思路，这样需要先验信息，在非合作通信的情况下并不适用。本文采用了一种基于MUSIC算法求根的改进思路进行估计，无需对载波频偏的谱峰搜索，同时也可以很大程度地降低噪声频偏估计的影响。

n=0,1,…,N-1,

(1)

(2)

式中：μ为整数。

下面再分析多用户到达的情形，这K个用户叠加后的信号为：

(3)

另一方面，接收信号还可表示为一种Q×P阶矩阵的形式，如下：

(4)

式中：V=[v(0)v(1)…v(K-1)]为Q×P的Vander-monde矩阵；e为两矩阵的Hadamard积；W为P×P的反快速傅里叶变换(IFFT)矩阵。

接下来，可再推导出带噪声的OFDMA信号的矩阵表达式如下：

Y=A+Z=VS+Z

(5)

式中：Z矩阵里面每个元素为高斯随机变量，均值是0，Z为一个Q×P的加性高斯白噪声矩阵。

信号的协方差矩阵为：

ψ=E[YiYiH]=VφVH+σ2I

(6)

式中：I为单位矩阵；ψ为一个Hermitian矩阵，它的全部特征值都为正，它的特征向量可以分为信号子空间和噪声子空间2个部分。

接下来对ψ进行特征值分解可以得出：

(7)

式中：Us为Q×K阶矩阵，由各特征向量组成。

进一步推导后，通过MUSIC算法得到各列噪声向量的谱表达式：

(8)

式中：z=exp(j2πθ)；U为一个由协方差矩阵噪声子空间中的Q-K个特征向量组成的矩阵。

从全部的噪声特征向量中提取信息的目的就是为了求出MUSIC计算式的极点。这样还可以进一步得出其MUSIC型多项式，如下：

f(z)=zQ-1pT(z-1)UnUnHp(z)

(9)

式中：f(z)多项式的根相对于单位圆来说是镜像关系。

(10)

从上面一系列计算式可以得出：该改进方法可以估计出K个用户的频偏。倘若基站获取了子信道的分配方式和实际的用户数量，估计得到的载波频偏结果可以和各用户一一对应。即有：

(11)

这种基于MUSIC谱算式求根的频偏估计方法在本质上不需要数据辅助就可以得出结果，而且不需要对载波频偏进行谱峰搜索，同时抗噪性能较好，适合于非合作的接收机系统中使用。

2算法的FPGA实现原理

2.1　频偏估计模块的实现原理

载波频偏估计的目的是为计算出OFDMA符号的频率偏移量，频率差在实现时一般都等效于求解相位差值。其中，坐标旋转数字计算(CORDIC)模块常用于在反正切函数里计算相位差[3]，该模块的输入输出端口可以图1表示。

图1　CORDIC模块的实现框图

图1中，X_in、Y_in表示I、Q 2路传递给模块内部的输入。该模块的功能是通过将输入的I、Q 2路采样信号I_in、Q_in连续地计算得到弧度相关值，从而求出相位差Phase_Difference。帧起始信号标志Start_frame用于将输出信号锁存起来直到接收到下一次的复位信号为止，然后再将FO_Estimate信号传给相位旋转模块。

2.2　频偏校正模块的实现原理和优化

图2中，该模块从频偏估计模块中接收到FO_Estimate信号后，将其用于求解出后续的频偏校正模块中每个采样点的相位量φ。

图2　相位旋转的输入输出端口示意图

下式给出了用于计算φ的每个采样点的相位:

(12)

式中:FOe为以弧度形式估计得到的信号的频偏值；n为当前采样点的序号；Ns为采样点个数。

各采样点的相位计算只需几个步骤就可以完成，包含一次乘/除的运算和简单的复位控制操作[4]。

图3说明了频偏校正模块的输入和输出端口。缓存器用于存储帧同步模块处理OFDMA帧同后得到的时域数据。经过缓存后，信号从帧起始点位置开始进行频偏的补偿计算。计数器的作用是根据信号采样点数把读使能信号传递给缓存。然后，延迟的采样点再以旋转向量的模式传给CORDIC模块。在该模式中，需要复数信号形式的输入，即用x,y分别代表复数的实部和虚部。复数信号向量通过相位旋转模块给出的相位量φ进行旋转。设计时，为了硬件节省资源，频偏估计模块和频偏校正模块采用了复用CORDIC模块的方法[4]，并进行了优化处理。

图3　频偏校正模块的输入输出端口

采用前面所述的频偏估计和频偏校正的FPGA处理模块，进行相应的优化处理，最终在基于Xilinx公司XC5VSX95T-1ff1136芯片的硬件平台上完成了OFDMA载波同步方法的FPGA实现。

3仿真验证和分析

为进一步分析性能，以遵循IEEE 802.16e协议标准的WiMAX系统为例，WiMAX通信信号传输方式是OFDMA信号。采用Simulink对已改进载波同步算法的接收机模型进行了仿真。仿真时考虑高斯白噪声信道和多普勒频移的影响。Simulink仿真模型如图4所示，仿真参数均严格参照IEEE802.16e协议标准。有用的子载波个数为Nused=200，FFT长度为N=256，且循环前缀CP长度为Ng=64。有用子载波包括8个导频子载波，55个保护子载波，以及1个直流分量。子载波的调制方式采用正交相移键控(QPSK)调制，这在OFDMA信号中是普遍采用的。

图4　含载频同步的OFDMA接收机Simulink模型

在图4中的Simulink软件模型表示的是一个典型的OFDMA通信信号接收机系统，该系统采用了本文的改进后的OFDMA载波同步算法，可以达到良好的同步和解调性能，使误码率降低。其中调用了一些Simulink软件带有的工具包函数，包括WiMAX发射机模块、WiMAX接收机模块、通信信号误码率计算模块、信号本振模块、复指数信号模块、零阶保持电路、信道噪声模块以及本文采用的改进后的OFDMA频偏校正算法模块。

图5为不考虑载波频偏估计和在频偏量分别从50 kHz到200 kHz时进行载波盲同步后的OFDMA解调性能曲线，子载波的调制方式为正交相移键控(QPSK)调制。

图5　载波同步前后的OFDMA信号解调性能对比

图中横轴表示信噪比，纵轴表示误码率，“无频偏时解调”线条表示没有采用改进后的载波同步方法的OFDMA信号解调误码率曲线。“50 kHz时”等4种线条表示当频偏分别为50 kHz、100 kHz、150 kHz、200 kHz时采用本文改进算法后的解调误码率曲线。可看出，改进后的载波同步算法对OFDMA通信信号的解调性能是有改善的。

4结束语

本文研究了一种改进的OFDMA载波盲同步方法，并进行了FPGA实现。OFDMA信号载频盲同步算法包含载波频偏的盲估计和频率校正处理。新的载波频偏估计算法不需要任何训练序列等先验信息，有较低的运算量，而且也适用于信道环境参数变化较大的情形。在FPGA实现时，对各模块也进行了一些优化处理。通过测试和对性能仿真曲线分析，验证了新方法的正确性。它比过去一些算法的性能更优，同时也能够对OFDMA技术在军事通信对抗系统的工程应用起到重要的参考作用。

参考文献

[1]王毅凡，周密，宋志慧.水下无线通信技术发展研究[J].通信技术，2014(6)：589-594.

[2]AbdelAlimO，ElboghdadlyN，AshourMA.FPGAimplementationforanoptimizedCORDICmoduleforOFDMsystem[J].InternationalConferenceonComputerEngineering&Systems,2008(11):25-27.

[3]AbdelAlimO，ElboghdadlyN，AshourMA，etl.Channelestimationandequalizationforfixed/mobileOFDMAsystem[J].SimulinkMobileware,2008(2):12- 15.

[4]Tae-HwanParkKim,In-Cheol.Time-domainjointestimationoffinesymboltimingoffsetandintegercarrierfrequencyoffset[A].VehicularTechnologyConference,IEEE[C],2008:1186-1190.

An Improved Method of OFDMA Carrier Blind Synchronization

TUO Yong-jun

(No.30 Research Institute,CETC,Chengdu 610041,China)

Abstract:The blind synchronization algorithm of carrier is very important for orthogonal frequency division multiple access (OFDMA) non-cooperative receiving system.The blind synchronization algorithm of carrier includes frequency deviation blind estimation and frequency correction to carrier,which has key role for the demodulation of non-cooperative mode of OFDMA signal.This paper studies an improved blind synchronization algorithm of carrier,analyzes the algorithm theory,constructs the algorithm model,and validates its function through field programmable gate array (FPGA).The test result and performance simulation curve show that the performance of this method is better than traditional methods,can make good use of the chip resource,plays the important reference role for actual engineering application.

Key words:orthogonal frequency division multiple access;carrier blind synchronization;algorithm realization;field programmable gate array

收稿日期:2015-04-15

DOI:10.16426/j.cnki.jcdzdk.2015.05.009

中图分类号：TN918.91

文献标识码：A

文章编号：CN32-1413(2015)05-0039-04