基于FPGA的突發通信系統的頻偏估計算法實現

【摘要】提出了一種短脈沖兩端加同步頭的幀格式，利用兩端同步頭對接收數據進行頻偏估計，并通過多個短脈沖疊加可進一步提高估計精度，最后，將所得估計值補償被干擾數據以及數字振蕩器。在此基礎上，本文詳細闡述了算法關鍵模塊的電路結構和硬件實現。仿真結果表明該算法在突發通信環境下具有較高的頻偏估計精度，能夠有效地降低硬件資源消耗，節省傳輸帶寬。

【關鍵詞】突發通信；FPGA；頻偏估計

1.引言

在第三代短波通信協議中，突發通信已經成為最重要的通信方式[1]。然而，由于移動終端的移動速度不斷提高多普勒頻移、收發兩端晶振的漂移以及下變頻所產生的頻差，均會對影響到接收機性能，從而影響到整個通信系統的性能[2-4]。目前常用的無輔助數據的載波恢復方法是將頻率估計與鎖相環相結合的方法[5-6]。這類頻率估計方法都需要大量的采樣信號統計計算保障必須的估計精度，因此整個算法的實時性不強[7]。

針對以上情況，本文提出一種新的頻偏估計補償方案。本文利用同步幀在發送數據兩端的結構特點，可針對每個短脈沖單獨估計后再疊加求平均，最終得到頻偏估計值。此頻偏估計方法在保證性能穩定和精度較高的同時大大降低了計算量，節省硬件資源消耗。

2.頻偏估計方案設計原理

圖1為接收同步系統的原理框圖。在接收端，接收到的數據經過數字下變頻轉換為基帶信號，時間同步后，利用發送端設計好的同步頭進行相應的頻偏估計運算，并將得到的頻偏估計值送入本地數字振蕩源進行調整，同時將估計所得頻偏送補償模塊，對下變頻的殘余頻偏進行補償，以恢復出原始數據。

3.頻偏估計的算法設計

本文提出的細頻率同步方案是利用一個短脈沖兩端同步頭進行頻偏估計與補償。接收數據共992個碼元，前后兩端均為同步頭各32個碼元，這樣頻差所造成的相位差可以通過前后兩個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（PN）序列，這里PN序列選擇m序列。

4.算法的硬件實現方案

4.1 系統硬件結構

圖2為頻偏估計硬件實現流程。首先將接收數據同步尾與延遲后同步頭數據送入共軛相乘累加模塊，將所得結果送入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，調整數字振蕩器（NCO），對本振進行調整補償，另一方面將估計值送入補償模塊。

4.2 共軛累加模塊

將計算時間同步后同步頭數據經延遲模塊后，再將虛部取反，與同步尾的數據進行復數乘法運算，得到相關值I、Q，并經過累加器將32個同步數據加權平均，得到acc_I、acc_Q，最后經過角度產生模塊得到頻移相差。頻偏估計部分建議采用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，并且將此相角轉化為頻偏補償值。

4.3 補償模塊

圖5為所得頻偏估計值在不同信噪比環境下的估計誤差與均方誤差結果。可以看出在低信噪比時估計方差分別在0.035，即最大估計誤差分別為700Hz，并且隨著信噪比的提升，估計準確度也隨之提升，驗證了此估計方法適合突發通信系統，并有較高的估計精度，在低信噪比環境下仍可滿足實際通信需求。

6.結論

本文重點研究了突發通信系統的頻偏估計算法以及硬件實現，并基于硬件平臺對每個模塊給出了相應的具體實現和結果分析。仿真結果表明，所提的頻偏估計算法估計精度高，適合在突發通信系統，并且設計結構簡單，易于實現、節省硬件資源。

參考文獻

[1]佟學儉，羅濤.OFDM移動通信技術原理與應用[M].北京：人民郵電出版社，2003.

[2]蔣偉，樂天.基于插值的多普勒頻偏和頻率斜升聯合估計算法[J].電子與信息學報，2013（01）：166-171.

[3]張福洪，吳銘宇，朱小輝，易志強.基于FPGA的猝發式直擴載波同步技術研究與實現[J].電子技術應用，2013（03）：115-118.

[4]胡景明，張邦寧，郭道省，龔超，胡均權.一種基于FFT算法M-APSK信號載波參數聯合檢測[J].解放軍理工大學學報（自然科學版），2013，（03）：242-247.

[5]田甜，安建平，王愛華.高動態環境下無數據輔助的擴展Kalman濾波載波跟蹤環[J].電子與信息學報，2013（01）：63-67.

[6]劉毓，鄧曉昺.OFDM系統中一種改進的頻偏估計算法[J].西安郵電大學學報，2013，（02）：62-65.

[7]孫宇明，趙鵬，王青，朱倩.基于迭代的FH-OFDM小數倍頻偏估計算法[J].通信技術，2013（05）：12-15.

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