基于FPGA的突发通信系统的频偏估计算法实现

【摘要】提出了一种短脉冲两端加同步头的帧格式，利用两端同步头对接收数据进行频偏估计，并通过多个短脉冲叠加可进一步提高估计精度，最后，将所得估计值补偿被干扰数据以及数字振荡器。在此基础上，本文详细阐述了算法关键模块的电路结构和硬件实现。仿真结果表明该算法在突发通信环境下具有较高的频偏估计精度，能够有效地降低硬件资源消耗，节省传输带宽。

【关键词】突发通信；FPGA；频偏估计

1.引言

在第三代短波通信协议中，突发通信已经成为最重要的通信方式[1]。然而，由于移动终端的移动速度不断提高多普勒频移、收发两端晶振的漂移以及下变频所产生的频差，均会对影响到接收机性能，从而影响到整个通信系统的性能[2-4]。目前常用的无辅助数据的载波恢复方法是将频率估计与锁相环相结合的方法[5-6]。这类频率估计方法都需要大量的采样信号统计计算保障必须的估计精度，因此整个算法的实时性不强[7]。

针对以上情况，本文提出一种新的频偏估计补偿方案。本文利用同步帧在发送数据两端的结构特点，可针对每个短脉冲单独估计后再叠加求平均，最终得到频偏估计值。此频偏估计方法在保证性能稳定和精度较高的同时大大降低了计算量，节省硬件资源消耗。

2.频偏估计方案设计原理

图1为接收同步系统的原理框图。在接收端，接收到的数据经过数字下变频转换为基带信号，时间同步后，利用发送端设计好的同步头进行相应的频偏估计运算，并将得到的频偏估计值送入本地数字振荡源进行调整，同时将估计所得频偏送补偿模块，对下变频的残余频偏进行补偿，以恢复出原始数据。

3.频偏估计的算法设计

本文提出的细频率同步方案是利用一个短脉冲两端同步头进行频偏估计与补偿。接收数据共992个码元，前后两端均为同步头各32个码元，这样频差所造成的相位差可以通过前后两个同步序列的相位相减得到。这里同步头与同步尾均为相同的伪随机（PN）序列，这里PN序列选择m序列。

4.算法的硬件实现方案

4.1 系统硬件结构

图2为频偏估计硬件实现流程。首先将接收数据同步尾与延迟后同步头数据送入共轭相乘累加模块，将所得结果送入CORDIC模块得到频偏的相角值，将此相角值一方面送入下变频（DDC）模块，调整数字振荡器（NCO），对本振进行调整补偿，另一方面将估计值送入补偿模块。

4.2 共轭累加模块

将计算时间同步后同步头数据经延迟模块后，再将虚部取反，与同步尾的数据进行复数乘法运算，得到相关值I、Q，并经过累加器将32个同步数据加权平均，得到acc_I、acc_Q，最后经过角度产生模块得到频移相差。频偏估计部分建议采用Xilinx公司的IP Core中的CORDIC模块，使用此模块中的Translate功能求出偏差相角，并且将此相角转化为频偏补偿值。

4.3 补偿模块

图5为所得频偏估计值在不同信噪比环境下的估计误差与均方误差结果。可以看出在低信噪比时估计方差分别在0.035，即最大估计误差分别为700Hz，并且随着信噪比的提升，估计准确度也随之提升，验证了此估计方法适合突发通信系统，并有较高的估计精度，在低信噪比环境下仍可满足实际通信需求。

6.结论

本文重点研究了突发通信系统的频偏估计算法以及硬件实现，并基于硬件平台对每个模块给出了相应的具体实现和结果分析。仿真结果表明，所提的频偏估计算法估计精度高，适合在突发通信系统，并且设计结构简单，易于实现、节省硬件资源。

参考文献

[1]佟学俭，罗涛.OFDM移动通信技术原理与应用[M].北京：人民邮电出版社，2003.

[2]蒋伟，乐天.基于插值的多普勒频偏和频率斜升联合估计算法[J].电子与信息学报，2013（01）：166-171.

[3]张福洪，吴铭宇，朱小辉，易志强.基于FPGA的猝发式直扩载波同步技术研究与实现[J].电子技术应用，2013（03）：115-118.

[4]胡景明，张邦宁，郭道省，龚超，胡均权.一种基于FFT算法M-APSK信号载波参数联合检测[J].解放军理工大学学报（自然科学版），2013，（03）：242-247.

[5]田甜，安建平，王爱华.高动态环境下无数据辅助的扩展Kalman滤波载波跟踪环[J].电子与信息学报，2013（01）：63-67.

[6]刘毓，邓晓昺.OFDM系统中一种改进的频偏估计算法[J].西安邮电大学学报，2013，（02）：62-65.

[7]孙宇明，赵鹏，王青，朱倩.基于迭代的FH-OFDM小数倍频偏估计算法[J].通信技术，2013（05）：12-15.

[8]Jakes W C.Microwave Mobile Communications.New York：Wiley，1974：32-35.

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