基于USRP平台地空信道下OFDM/OQAM系统同步算法

［唐亚欣 钟昌锦 李沼云］

1 引言

正交频分复用/偏移正交幅度调制（Orthogonal Frequency Division Multiplexing/Offset Quadrature Amplitude Modulation，OFDM/OQAM）系统与正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）系统相比，具有高频谱利用和一定的抵抗载波间干扰（Intercarrier Interference，ICI）和符号间干扰（Inter-symbol Interference，ISI）等方面的优势，因此受到了更广泛的应用[1～3]。但OFDM/OQAM 系统由于没有循环前缀而对时偏误差较为敏感，并且在具有时频双选择性衰落的地空信道下使得系统对频偏估计精度的要求更高[4]。因此具有一个良好的时频同步算法对于OFDM/OQAM 系统的正确解调尤其重要。

目前有关OFDM/OQAM 系统时频同步算法按原理可分为两类。一类是非数据辅助类（盲估计）算法，这种类算法无需借助辅助序列，不会浪费系统的时频资源，只需利用发送信号自身的结构、统计特性及调制方法即可实现系统的同步估计[5～6]。但其进行时频估计的复杂度较高，并且当系统对同步精度要求越高时，其估计算法需要的估计时间也越久，不能做到实时估计，因此该算法不适用于实时性实际应用中。

另外一类是数据辅助类算法，导频插入虽会降低一定的频谱利用率，但实用性较强。文献[7]在OFDM/OQAM 系统中提出时频联合同步的训练序列（Training sequence1&2,TR1&TR2）算法；文献[8]对TR2 算法进行改进添加了滑动窗以及文献[9]基于最大后验概率进行时频偏估计，使符号定时更准确；文献[10]利用相同的中心对称ZC 序列，提出了一种适用于AWGN 信道的时频同步算法；文献[11]中基于最大似然估计（Maximum Likelihood，ML）方法提出了一种改进的OFDM/OQAM系统中的载波频率偏移、采样时间偏移和信道脉冲响应的联合估计方法。但以上算法均只用于AWGN 和较小多普勒频移下的慢速衰落多径信道，对于具有时频双衰落性特性的地空信道则不适用。

同时，美国国家仪器有限公司生产的通用软件无线电（Universal Software Radio Peripheral，USRP）2953R 设备和LabVIEW 软件的结合，为无线射频和通信系统的快速原型开发提供了一个功能强大而且灵活的软件无线电平台。基于非常直观的图形化编程语言LabVIEW 完成信号处理算法，并结合USRP-2953R 硬件实现与真实射频信号之间的交互，可实现完整无线通信系统的原型开发。地空信道的搭建则是使用SPIRENT-VR5 HD 空间信道仿真仪来模拟，该信道仿真仪简化了如LTE 和LTE-Advanced 等依赖于大量的天线、更高的带宽和频带聚合来提供高速数据MIMO 技术测试。提供了集成双向RF 信道并支持载波聚合，具有高保真度通道和较长的模拟重复率，确保了性能评估的可靠性和准确性。

综上所述，本文基于USRP-2953R 与LabVIEW 平台，结合空间信道仿真仪模拟地空信道环境，实现整个OFDM/OQAM 系统的搭建工作，并结合USRP 与地空信道特性，提出了一种简易的时频同步算法，通过时域插入较少的辅助序列可以快速准确的进行符号定时，随后采用自相关函数思想进行频偏估计与补偿，以较小的计算复杂度为代价，在地空信道下获得了良好的系统误码性能，来完成通信数据之间的可靠传输。

2 OFDM/OQAM 系统架构设计

USRP-2953R 和LabVIEW 结合空间信道仿真仪平台的实际搭建如图1 所示，图中可以看出本平台采用收发分离的传输模式，在一台计算机和USRP-2953R 上实现系统的发送链路，通过USRP-2953R 的Tx 发送天线将信号发送出去；将USRP-2953R 的发射天线与空间信道仿真仪的输入口相连接，通过设置信道仿真仪参数来模拟地空信道的四个信道状态，然后将空间信道仿真仪的输出口连接到第二台USRP-2953R 的接收天线；第二台USRP-2953R 的Rx 天线来接收来自地空信道的通信数据，在接收端接收信号后先进行同步处理，确保信号提取准确无误后再进行OFDM/OQAM 系统解调处理工作。

图1 USRP 平台实际搭建

本文设计的整个OFDM/OQAM 系统总体框架如图2所示，其中包括：信源产生、QAM 调制、串并转换、频域导频设计、相位偏移、IFFT、发送滤波器设计、时域导频设计、接收滤波器设计、FFT、相位偏移、信道估计、信道均衡、并串转换、QAM 解调及误码率计算等全部模块。上述OFDM/QOAM 系统中全部模块均由本人编写调试完成，其中滤波器选用文献[13]中的各项同性正交变换函数（Isotropic Orthogonal Transform Algorithm，IOTA）滤波器，该滤波器具有良好的TFL 特性，可使系统本身具有一定的抗干扰能力；信道估计选用文献[14]中的改进的线性插值算法，该算法通过在时域插零，来减少信道干扰；而信道均衡选用迫零均衡算法。

图2 OFDM/OQAM 系统实现框图

3 时频同步算法

本文基于USRP 平台在地空信道下OFDM/OQAM 系统的时频同步算法是在系统的接收端先进行符号定时同步，将发送端发送前导频位置的导频序列作为参考序列，将经历过信道恶劣环境变化后的导频序列提取出来，看作序列二，在接收端将参考序列和与序列二进行相关运算，找到运算后相关序列的相关峰位置。相关峰对应的数据位置即为有用接收信号的起始位置。只有获得准确的符号定时点后，信道中CFO 引起的信号的相位偏是线性叠加的，才能进一步准确的估计载波频率偏移。然后，计算符号起始位置导频序列与原序列之间的相位差即可得知信道引起该数据发生的频率偏移值。随后对接收数据进行时间偏移补偿和频率偏移补偿，完成系统的符号定时和载波频率同步。本文提出的适用于此平台的简易时频同步算法不仅在导频结构上与传统算法[7-12]有差异，且还在时频同步过程和相关序列处理上也不相同，结构框图可由图3 表示。

图3 时频同步算法的OFDM/OQAM 系统结构框图

在发送数据前添加N=20bit由OFDM 符号组成的前导码作为训练序列，用于在接收端的进行符号定时同步，经过信道后得到序列。20 bit 的前导码使得信号到达时快速的进行系统的帧同步，提升系统的传输效率，并且20 bit 的长度对于整个数据帧来说，对带宽的影响可忽略不计。时偏估计为：

图3 发送链路中的频域导频设计则是根据文献[7-12]基于数据辅助类的时频同步算法的导频结构所设计的。其原理是在频域添加NTR个重复的OFDM 频域符号构成相应的导频块。文献[7]在传统算法中NTR至少要比滤波器重叠因子K大2，K表示滤波器的重叠因子（即抽头系数）[13]。由于本文用于环境恶劣的地空信道，因此取NTR=K+3[12]。其中频偏估计为：

上式中，M表示子载波的个数；Ts为采样间隔；即为式（1）中所求得的时间偏移值，因此在上式中为固定值。

4 地空信道模型

根据文献[15]中地空信道四个状态的信道环境数据，将信道仿真仪的详细参数设定如表1 所示，表中包括地空信道各个状态的飞行速度、多径数目、莱斯因子、最大时延、各径时延、最大多普勒频移和各径多普勒频移等信道参数。从中可以看出，信道的环境随着飞行速度的增加变得愈来愈恶劣。为了验证信道仿真仪中设置的地空信道各个状态的衰落系数是否与理论值保持一致，本文通过矢量网络分析仪观测信道仿真仪模拟的地空信道各个状态下的波形如图4 所示。根据图4 可以看出，信道仿真仪模拟地空信道的各个状态的衰落系数与理论值保持一致。

表1 信道仿真仪中地空信道参数设置

图4 矢量网络分析仪测试信道状态

5 系统实现与算法验证

LabVIEW 的前面板设计分别为OFDM/OQAM 系统的发送端和接收端如图5 中a、b 图。其中，在左侧选项栏中可以进行OFDM/OQAM 系统的相关参数设置及USRP 硬件参数配置等；在右侧为系统收发结果的各种波形结果显示部分。图6 的a、b 图分别为系统的发送端和接收端的程序框图，即整个系统的发送链路与接收链路的实现代码。从开始配置USRP 参数、信源产生、导频插入、调制、发送、接收、同步与最后解调等等整个系统的处理过程都是在程序面板上进行编程实现的。由于整个系统实现代码内容过长，且系统各个子模块内容较多，本文显示内容有限，因此示意图仅供浏览。下文仅详细介绍其中的时频同步算法的实现部分。

图5 LabVIEW 前面板显示设计图

图6 LabVIEW 收发端程序框图

时频同步算法分为发送端添加导频部分及接收端的时间同步和频率同步部分。在发送链路上分别添加了上文图3 中的频域导频和时域辅助序列，图7 中a、b 图分别为LabVIEW 上频域和时域导频插入的程序。

图7 导频插入程序图

在LabVIEW 接收链路中，时频同步算法的时频估计和补偿设计过程如图8 所示，图中左侧部分为时间同步过程，保证时间同步的基础上再进行频率同步。右侧分别为本文同步算法的频偏估计子模块与频偏补偿子模块两部分内容，其中频偏估计子模块依据上文公式（4）和公式（5）所设计，频偏补偿模块则是将频偏估计出来的结果按比例分别补偿到每一个数据上进行频偏补偿，即完成整个时频同步算法。

图8 时频同步算法程序图

6 实测结果及分析

空间信道仿真仪模拟的地空信道的四个信道状态参数如上文表1 所示，基于USRP-2953R 平台OFDM/OQAM 系统仿真参数设置如表2 所示。

表2 系统仿真参数设置

为了验证基于USRP 平台的OFDM/OQAM 系统搭建是否准确，因此首先将整个系统接入理想信道环境下进行初步测试，观察收发两端的星座图及频谱是否一致。以两台计算机和两台USRP 分别做发送端和接收端，系统以16QAM 调制为例，OFDM/OQAM 系统发送端的星座图及频谱图如图9 所示，而图10 表示系统接收端的星座图及频谱图。从图9 与图10 结果看出，经过理想信道下接收端的星座图与发送端星座图一致且点位清晰，频谱图也完全正确，且测出系统误码率为零。图11 中还表示了系统发送端和接收端的基带时域波形，可以看出发送和接收端的基带时域波形保持一致。因此通过系统初步测试可以得出，基于USRP 平台的整个OFDM/OQAM 系统搭建准确无误。

图9 USRP 发送端的星座图和频谱图

图10 USRP 接收端的星座图及频谱图

图11 发送和接收基带时域波形图

在上文接入理想信道环境下系统实现准确无误的前提下，再将理想信道换为由空间信道仿真仪模拟产生的地空信道，依次测试其在地空信道四个信道状态下的系统同步性能，在接收端LabVIEW 的前面板上得出本文所提出的同步算法的时间定时同步峰值图如图12 所示，图中峰值点的位置会随着动态地空信道的变化而变化，从图中可以清晰地看出峰值位置，且峰值波形尖锐陡峭。因此得出，本文所提出的同步算法的时间定时性能良好。

图12 时间同步峰值图

由于基于USRP 平台实现的OFDM/OQAM 系统的误码率无法像MATLAB 仿真一样得出系统误码率曲线，整个系统只能每循环一次得出一个误码率值。为了更好的验证本文同步算法的同步性能，因此在地空信道的每一个状态通信时分别测试并计算无同步算法和有同步算法的系统误码率，通过计算机记录其循环上百次的系统误码率结果，计算其误码率平均值得出最终误码率，再将其描绘成折线图进行对比分析，如图13 所示。

图13 地空信道下OFDM/OQAM 系统同步算法性能对比

分析图13 的实测误码率结果，纵向对比显示，系统无论是在4QAM 还是16QAM 调制，或是在地空信道的任一信道状态下，本文所提出同步算法将系统误码性能提升5 至10 倍；且在地空信道的四个不同状态下，以16QAM调制为例进行横向对比分析，可以看出，信道环境越差，本文所提出的时频同步算法对于系统性能的改善效果越明显。

7 结束语

本文基于USRP-2953R 和LabVIEW 平台，在空间信道仿真仪模拟的地空信道环境下，进行了OFDM/OQAM系统实现，并提出一种简易时频同步算法。该算法具有实现复杂度低，有利于实际工程应用等优点，在地空信道下获得了良好的系统误码性能。同时相较于传统的FPGA 方式，USRP 平台可以更快速更精确的实现OFDM/OQAM系统设计和算法验证；相较于Matlab 仿真，这种基于模拟真实环境的无线通信平台，更利于实际工程应用。本文所搭建的基于USRP 和LabVIEW 的OFDM/OQAM 系统借助信道仿真仪模拟真实地空信道的四个状态进行传输信号，所仿真的实验结果更具有参考价值。