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1、基于8 0 2 1 6 a 的O F D M 同步技术及D S P 实现 王昕张正喜 南京邮电学院通信工程系南京中国2 1 0 0 0 3 ，I 囊要l 正交频分复用( O F D M ：0 r t h o g o n a lF r e q u e n c yD i v i s i o nM u l t i p l e x i n g ) 是当今高速无线通信领域中的研究热点，具 有广阔的发展前景。本文研究了一种改进的O F D M 同步算法，并用T M S 3 2 0 C 6 2 0 1D S P 来实现这种算法。 关词l8 0 2 1 6 a ；正交频分复用；同步：D S P 上- J 一
2、一、月I J 菁 I E E E 8 0 2 1 6 是一项宽带无线城域网标准，它可作为线缆和D S L 的无线扩展技术，从而实现最后一公 里宽带接入。8 0 2 1 6 于2 0 0 1 年1 2 月通过批准，运行于1 0 - - 6 6 G H z 频谱之上，在该频段要求视距( L O S ) 传输u J 。1 E E E 8 0 2 1 6 a 于2 0 0 3 年1 月2 9 日正式得到批准，它在8 0 2 1 6 的基础上将空中接口扩展到2 - 1 1 G H z 频段，并增强了媒体接入控制层( M A C ) 和物理层( P H Y ) 的功能。在8 0 2 1 6 a 中，建议采
3、用O F D M 方 式来进行调制解调L z J 。 O F D M 是一种高效的数据传输方式，它通过串，并变换将高速数据流分散到多个正交的子载波上传输， 一方面使各个子载波的符号速率大幅下降，相应的符号持续时间变大，减少符号间干扰，有较强的抗时延 扩展能力；另一方面信号的并行传输分散了瑞利衰落引起的突发性错误，提高了系统的抗突发错误的能力。 由于O F D M 各子载波相互正交，因此允许子载波频谱混迭，充分利用了有限的频谱资源，使得其频带利 用率高于传统的F D M 调制方式。然而，O F D M 系统对定时和频率的偏移十分敏感，它们会导致符号间干 扰( I S I ) 和载波间干扰( I
4、C D ，破坏子载波之间的正交性，影响数据的正确接收，因此，同步对O F D M 系统的正常工作非常重要。 二、O F D M 系统结构 O F D M 系统的基带处理结构框图如下： 输入比特流厂 n - 基带调制卜I 串并Il I N 点m | ir | 并，串 加L 点循 环前缀 图10 F D M 系统的基带结构 、 如图1 所示，首先对输入的信息比特流进行基带调制，如Q P S K ，调制后的符号流进入串并转换模块， 形成M 路并行符号流，对这M 路符号进行多载波调制，即N ( 1 V k N ) 点I f q 盯变换。处理后的数据经过并 串转换，成为长度为N 的串行数据流，对这N 个
5、数据进行循环扩展，即加上L 个采样值的循环前缀，构 成一个基本的O F D M 符号，O F D M 符号经过D A 转换，滤波、射频调制后送入信道。在接收端射频解调、 滤波后进入A D 变换器，对输出的数据流进行定时同步和频偏估计，同步后的数据流删除循环前缀C P ， 按O F D M 符号转换成N 路并行数据，进行多载波解调，即F F T 变换，并实现信道估计，从而对解调数据 江苏省通信学会论文集 进行信道均衡。从处理后的N 个数据中取出M 点信息数据，经并串转换、基带解调后，得到接收的信息 比特流。 三、基于8 0 2 16 a 的0 F D M 同步算法 8 0 2 1 6 a 物理层
6、规定了上下行链路的帧头结构，上行链路为短训练序列，下行链路为长训练序列。下 面以下行链路为例，介绍O F D M 的帧同步算法。 下行链路的长训练序列的帧头结构如下图： 图28 0 2 1 6 a 物理层帧头结构 如图可以看出，帧头结构包括两个部分：C P 加上4 个以6 4 为周期的复数点，和C P 加上2 个以1 2 8 为 周期的复数点。我们分别称之为p r e a m b l e l 和p r e a m b l e 2 。下面介绍的同步算法就是由p r e a m b l e l 和p r e a m b l e 2 的结构特点得出的。O F D M 帧同步分为两个步骤：粗同步和精同
7、步。 1 、粗同步算法 我们采用延迟相关算法来进行粗同步【3 】，它利用了p r e a m b l e l 的周期性，如图3 所示： 禹弋 田j 用里蛐田 圈3 延迟相关算法 图中显示有两个滑动窗C 和P ，C 窗是接收信号与其延迟信号的相关函数，因此称为延迟相关，延迟系 数D 在8 0 2 1 6 a 巾等于p r e a m b l e l 的周期长度6 4 ：P 窗进行相关窗内的信号能量计算，用来对判决变量进行 归一化，这样判决变量就不再依赖于能量的绝对水平。 M ( n ) 为接收信号“点的自相关之和： 肘( ，1 ) = r ( i ) r 木( 1 + 6 4 ) ( 1 ) f
8、 ：孟3 由于该方法是计算一个滑动窗内的信号能量，因此称为滑动窗检测。在每一个时刻n ，一个新样值进入 滑动窗内，而队列最后的那个样值移出窗外，所以利用此特性可以减少计算量，每个时刻我们只要计算样值 的变化最即町： 所以判决变量就变为： 肘= M 一1 ) + 删，木+ 鳓一咖一鳓，木 ( 2 ) 一l p ( 以) = I y ( ，z + 七十功1 2 k = O 4 2 4 ( 3 ) 江苏省通信学会论文集 m ，= 筹 ( 4 ) 其中M ( n ) 和P ( n ) 均可采用滑动窗的方式计算，即每次只需要计算样值的变化量。当求得的T ( n ) 大于设定的 阈值时，粗同步完成。 2
9、、精同步算法 精同步利用了帧头p r e a m b l e 2 的共轭偶对称性【4 1 ，p r e a m b l e 2 的结构如下：【A B ，A ，B 】，A 和B 分别为6 4 个点，且具有共轭对称性。设A 序列中某点为a + b * j ，那么B 序列中对应点为a b 幸j ，若A 、B 序列对应复数 点相乘并相加，可以得到一个明显的峰值。算法描述如下： 6 3 M = j y ( n k ) y ( n + k ) + y ( n + 1 2 8 - k ) y ( n + 1 2 8 + k ) ( 5 ) I - l M ( n ) 为判决变量，在同步时，应先完成粗同步，确
10、定帧头的大概位置，然后开始做精同步，这样可以大 大减少运算量。这种算法的乘法运算量只有互相关算法的l 陀，而且不会因为搜索整数频偏而反复计算，计 算量更是大大减少。这种算法的另一个好处就是利用共轭对称性求最大相关蜂时不受频偏影响。因此精同步 可以放在频偏估计之前，不但解决了小数频偏估计均方误差大的问题，而且避免了定时与频偏错误相互影响， 使各种同步算法更加独立。 四、同步算法的D S P 实现 在D S P 实现时，我们采用D M A 中断的方式来完成同步，即D M A 连续接收数据，每收到一帧就进入中 断，运行完中断程序后中断返回，等待下一次中断的到来翻。主程序里进行变量的初始化，中断使能，
11、E M I F 接口读速率、D M A 的设鬣等，中断服务程序里进行粗同步和精同步运算。程序的框图如图4 所示： 图4 同步程序框图 由于我们采用D M A 中断的方式来实现同步算法，必须保证在D M A 接收一帧数据的时间内，C P U 能够 完成中断服务程序。一方面，E M I F 的读速率决定了D M A 接收一帧数据所需的时间，如果速率太高，则可 江苏省通信学会论文集 能在一帧时间里无法完成中断程序；另一方面，精同步的运算量比粗同步大得多，所以粗同步的精确程度就 决定了精同步所需执行的点数，从而影响到同步算法所需的时间。 因此，所以为了保证在D M A 接收一帧数据的时间内完成精同步运
12、算，应尽量提高粗同步的阅值，这样， 粗同步所得到的位置更接近于实际的帧头位置，即精同步运算的起始位置更接近于p r e a m b l e 2 的起点，这样 可以大大减少精同步的运算量。但粗同步的阈值也不能太大，否则有可能错过帧头的位置，导致一帧数据的 丢失。 五、结束语 本文研究了O F D M 的同步问题，并根据8 0 2 1 6 a 中规定的帧头结构，重点分析了粗同步和精同步算法， 并用D S P 实现了该同步算法。试验结果表明，基于该算法的同步程序效果较好。 考文 1 】I E 髓S t a n d a r df o rL o c a la n dM e t r o p e l i t
13、 a nA r e aN e t w o r k sP a r t1 6 ：A i rI n t e r f a c ef o rF i x e dB r o a d b a n dW i r e l e s sA c c e s sS y s t e m s 2 】I E E ES t d8 0 2 1 6 aA i rI n t e r f a c ef o rF i x e dB r o a d b a n df i r e l e s sA c c e s sS y s t e m s 一- - M e d i u mA c c e s sC o n t r o lU o d i f
14、i o a t i o n sa n dA d d i t i o n a lP h y s i c a lL a y e rS p e c i f i c a t i o n sf o r2 - i lG l z 【3 】T i m o t h yX S c b m i d l ，D o n a l dC C o x ，p p 2 3 9 - 2 4 1 ，M a y ，2 0 0 3 R o b u s tF r e q u e n c ya n dT i m i n gS y n c h r o n i z a t i o nf o ro F 蹦，I E 娩T r n n s C a 硼
15、 v 0 1 4 5 ，P P 1 6 1 3 1 6 2 1 d e c 1 9 9 7 C 4 3B y u n g j o o nP a r k ，H y u n s o oC h e o n ，C h a n g i o nK a n g ，D a e s i kH o n g 。An o v e lT i m i n gE s t i m a t i o nM e t h o df o rO F D MS y s t e m s 。I E 髓c o 呲L e t t e r s v 0 1 7 I s 任蔫番等( 1 q l S 3 2 0 C 6 0 0 0 系列D S P s 的原理与应用 ，电子工业出版杜2 0 0 0 年 作者筒介。 王听( 1 9 8 0 一) 。男，河南倍阳人，2 0 0 2 年南京邮电学院通信工程专业本科毕业，现为2 0 0 2 级硕士研究生，专业为通信与信息系统。 张正喜( 1 9 8 0 一) ，男，河南济源人，2 0 0 2 年兰州铁道学院通信工程专业本科毕业。现为2 0 0 2 级硕士研究生专业为通信与信息系统。 项目资助I 国家十五8 6 3 高科技发展项目( 2 0 0 2 A A l 2 3 0 4 6 )
