基于FPGA的突發(fā)通信系統(tǒng)的頻偏估計(jì)算法實(shí)現(xiàn)

【摘要】提出了一種短脈沖兩端加同步頭的幀格式，利用兩端同步頭對(duì)接收數(shù)據(jù)進(jìn)行頻偏估計(jì)，并通過(guò)多個(gè)短脈沖疊加可進(jìn)一步提高估計(jì)精度，最后，將所得估計(jì)值補(bǔ)償被干擾數(shù)據(jù)以及數(shù)字振蕩器。在此基礎(chǔ)上，本文詳細(xì)闡述了算法關(guān)鍵模塊的電路結(jié)構(gòu)和硬件實(shí)現(xiàn)。仿真結(jié)果表明該算法在突發(fā)通信環(huán)境下具有較高的頻偏估計(jì)精度，能夠有效地降低硬件資源消耗，節(jié)省傳輸帶寬。

【關(guān)鍵詞】突發(fā)通信；FPGA；頻偏估計(jì)

1.引言

在第三代短波通信協(xié)議中，突發(fā)通信已經(jīng)成為最重要的通信方式[1]。然而，由于移動(dòng)終端的移動(dòng)速度不斷提高多普勒頻移、收發(fā)兩端晶振的漂移以及下變頻所產(chǎn)生的頻差，均會(huì)對(duì)影響到接收機(jī)性能，從而影響到整個(gè)通信系統(tǒng)的性能[2-4]。目前常用的無(wú)輔助數(shù)據(jù)的載波恢復(fù)方法是將頻率估計(jì)與鎖相環(huán)相結(jié)合的方法[5-6]。這類頻率估計(jì)方法都需要大量的采樣信號(hào)統(tǒng)計(jì)計(jì)算保障必須的估計(jì)精度，因此整個(gè)算法的實(shí)時(shí)性不強(qiáng)[7]。

針對(duì)以上情況，本文提出一種新的頻偏估計(jì)補(bǔ)償方案。本文利用同步幀在發(fā)送數(shù)據(jù)兩端的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可針對(duì)每個(gè)短脈沖單獨(dú)估計(jì)后再疊加求平均，最終得到頻偏估計(jì)值。此頻偏估計(jì)方法在保證性能穩(wěn)定和精度較高的同時(shí)大大降低了計(jì)算量，節(jié)省硬件資源消耗。

2.頻偏估計(jì)方案設(shè)計(jì)原理

圖1為接收同步系統(tǒng)的原理框圖。在接收端，接收到的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)數(shù)字下變頻轉(zhuǎn)換為基帶信號(hào)，時(shí)間同步后，利用發(fā)送端設(shè)計(jì)好的同步頭進(jìn)行相應(yīng)的頻偏估計(jì)運(yùn)算，并將得到的頻偏估計(jì)值送入本地?cái)?shù)字振蕩源進(jìn)行調(diào)整，同時(shí)將估計(jì)所得頻偏送補(bǔ)償模塊，對(duì)下變頻的殘余頻偏進(jìn)行補(bǔ)償，以恢復(fù)出原始數(shù)據(jù)。

3.頻偏估計(jì)的算法設(shè)計(jì)

本文提出的細(xì)頻率同步方案是利用一個(gè)短脈沖兩端同步頭進(jìn)行頻偏估計(jì)與補(bǔ)償。接收數(shù)據(jù)共992個(gè)碼元，前后兩端均為同步頭各32個(gè)碼元，這樣頻差所造成的相位差可以通過(guò)前后兩個(gè)同步序列的相位相減得到。這里同步頭與同步尾均為相同的偽隨機(jī)（PN）序列，這里PN序列選擇m序列。

4.算法的硬件實(shí)現(xiàn)方案

4.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

圖2為頻偏估計(jì)硬件實(shí)現(xiàn)流程。首先將接收數(shù)據(jù)同步尾與延遲后同步頭數(shù)據(jù)送入共軛相乘累加模塊，將所得結(jié)果送入CORDIC模塊得到頻偏的相角值，將此相角值一方面送入下變頻（DDC）模塊，調(diào)整數(shù)字振蕩器（NCO），對(duì)本振進(jìn)行調(diào)整補(bǔ)償，另一方面將估計(jì)值送入補(bǔ)償模塊。

4.2 共軛累加模塊

將計(jì)算時(shí)間同步后同步頭數(shù)據(jù)經(jīng)延遲模塊后，再將虛部取反，與同步尾的數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)數(shù)乘法運(yùn)算，得到相關(guān)值I、Q，并經(jīng)過(guò)累加器將32個(gè)同步數(shù)據(jù)加權(quán)平均，得到acc_I、acc_Q，最后經(jīng)過(guò)角度產(chǎn)生模塊得到頻移相差。頻偏估計(jì)部分建議采用Xilinx公司的IP Core中的CORDIC模塊，使用此模塊中的Translate功能求出偏差相角，并且將此相角轉(zhuǎn)化為頻偏補(bǔ)償值。

4.3 補(bǔ)償模塊

圖5為所得頻偏估計(jì)值在不同信噪比環(huán)境下的估計(jì)誤差與均方誤差結(jié)果?？梢钥闯鲈诘托旁氡葧r(shí)估計(jì)方差分別在0.035，即最大估計(jì)誤差分別為700Hz，并且隨著信噪比的提升，估計(jì)準(zhǔn)確度也隨之提升，驗(yàn)證了此估計(jì)方法適合突發(fā)通信系統(tǒng)，并有較高的估計(jì)精度，在低信噪比環(huán)境下仍可滿足實(shí)際通信需求。

6.結(jié)論

本文重點(diǎn)研究了突發(fā)通信系統(tǒng)的頻偏估計(jì)算法以及硬件實(shí)現(xiàn)，并基于硬件平臺(tái)對(duì)每個(gè)模塊給出了相應(yīng)的具體實(shí)現(xiàn)和結(jié)果分析。仿真結(jié)果表明，所提的頻偏估計(jì)算法估計(jì)精度高，適合在突發(fā)通信系統(tǒng)，并且設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)、節(jié)省硬件資源。

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