CN104767706A - 一种mimo ofdm定时同步装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于OFDM系统的定时同步硬件实现方法，兼容IEEE 802.11a/g/n协议，针对IEEE 802.11n协议中的循环移位进行了相应处理，使得同步数据更加准确。通过设计一个强健的帧检测算法，利用组峰值检测和瞬时峰值检测来判决数据是否真的到来，提高了判断的准确性，利用两个自相关模块和滑动平均模块，分别进行了粗频偏估计和细频偏估计，然后根据粗频偏估计和细频偏估计之间的关系综合得到最终的频率偏移，提高了频偏的估计的准确性，频偏纠正采用改进的CORDIC算法，提高了运行效率。

Description

一种MIMO OFDM定时同步装置

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，涉及到一种OFDM（Orthogonal Frequency DivisionMultiplexing，即正交频分复用技术）接收同步算法的硬件实现，本发明针对IEEE 802.11n协议进行了改进，使得本发明能够兼容IEEE 802.11a/g/n。

背景技术

正交频分复用（OFDM）是一种多载波调制技术，由于其将高速率数据流进行串/并转换，使得每个子载波上的数据符号持续长度增加，有效对抗ISI，并且其允许子信道频谱相互较交叠，最大限度得利用了频谱资源，提高传输效率。因此该技术被广泛应用到高速无线局域网传输中，例如IEEE 802.11a/g/n协议。但是在数据传输的过程中，相对于单载波通信而言，OFDM技术也更容易受到频率偏差的影响，在现实物理环境中，由于多径干扰产生的影响会使得子载波之间的正交性遭到破坏。这就要求OFDM系统中接收机的同步模块要有较高的性能，利用定时同步和频率同步来减少干扰。

OFDM同步方法分为数据辅助同步算法和盲同步算法。数据辅助同步算法需要插入训练序列，降低了数据的传输速率，但是这类方法有估计精度高且计算复杂度低的优点。在进行帧同步和粗频偏估计时，利用STF的周期性和强相关性以及STF序列和噪声之间的低相关性形成峰值从而实现帧同步，将帧定时同步使能信号和符号定时同步使能信号进行“与”操作，得到粗频偏估计。在进行符号同步时，可将接收信号和本地LTF进行互相关运算。该同步方法的缺点是时间同步的目标函数比较平坦，效果不是很理想，但是算法复杂度低，易于硬件实现。

盲同步方法不需要额外的数据作为训练序列，带宽利用率高，但是盲同步的计算复杂度较高。在Van de Beek提出的基于循环前缀的同步方法中，频率偏移估计范围不超过半个子载波间隔，而且在多径衰落下时间同步不精确。

FPGA（Filed-Programmable Gate Array）是最常用的硬件开发半定制电路。在同步算法的硬件实现中，需要占用大量逻辑门资源，而FPGA资源是有限的，并且占用更多的资源需要更大的面积和更高的功耗，因此寻求复杂度低和高效准确的算法，最大可能地复用各个模块是非常有必要的。

在IEEE 802.11n协议中，最高带宽是40M，这也就要求同步算法硬件模块的运行频率必须高于40M，并且由于循环移位的存在，导致传统同步算法硬件系统在进行符号同步时，会出现定位偏差。对于有大量乘法运算，求相角运算的同步算法，要在保证性能的前提下需要提高运行速度，减少使用面积，提高效率，改善IEEE 802.11n协议下的兼容性，这是本设计所解决的问题。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷和不足，本发明旨在提供一种适用于OFDM系统的定时同步硬件实现方法。可在相对简单的算法复杂度和较易实现的硬件配置上实现精确的同步。并且本发明兼容IEEE 802.11a/g/n协议，针对IEEE 802.11n协议中的循环移位进行了相应处理，使得同步数据更加准确。

       为实现上述目的，本发明提供了一种OFDM系统的定时同步装置。该装置包括帧同步检测单元、粗频偏估计单元、符号同步检测单元、细频偏估计单元；其中，帧同步算法采用延时自相关算法，在IEEE802.11系列协议中有前导码序列，利用自相关算法可在前导码序列到来时，检测到帧信号；符号同步采用互相关算法，利用前导码中的长训练序列，来进行精细的符号同步；粗频偏估计和细频偏估计均采用CORDIC算法，根据粗频偏估计和细频偏估计之间的关系综合得到最终的频率偏移。

该装置包括的模块有，存储深度为96的滑动存储器，乘法器，滑动平均器，CORDIC算法模块；在进行符号同步时，还设置有峰值判定模块。其中深度为96的延时滑动存储模块是用于将存储输入数据，以达到延时的目的。在本发明的同步算法中，帧同步延时自相关单元与粗频偏估计延时自相关单元都是延时16单元，符号同步延时自相关单元中需要延时96个单元。

因此滑动存储模块的深度为96，帧同步与符号同步采用的延时数据从同一个滑动存储器中读取，减少硬件消耗。

       所述帧同步检测单元包括微分器及阈值判定单元。其中微分器采用了两个16点滑动平均器。阈值判定单元采用乘法替代除法操作，用移位替代乘法操作。

       所述粗频偏估计单元包括了帧检测单元中的自相关运算结果，以及CORDIC算法模块，其中，通过将输入值乘以相位器实现对数据频率偏移的矫正；在硬件实现上，利用CORDIC算法将数据旋转角度实现对数据频率偏移的矫正。

       所述符号同步检测单元包括了微分器及最大值判定单元。其中微分器采用了两个32点的滑动平均器，一个48点滑动平均器。其中两个32点滑动平均器用作符号同步，剩余一个48点滑动平均器与帧同步检测中的滑动平均器结合起来，构成64点滑动平均器，用于细频偏估计。符号同步算法原理是将接收到的两个长训练序列中的部分数据与本地存储的长训练序列进行互相关运算，这样能够在长训练的结尾处得到一个精确的峰值，从而实现符号同步的判定。

       所述互相关算法包括移位单元、乘法器单元、求和单元以及求平方单元，部分运算用移位加法器来替代乘法器。这样极大的节省了逻辑门，提高运行速度，降低功耗。

所述粗频偏估计算法是采用两个短训练序列，细频偏估计算法采用两个长训练序列；频偏估计采用自相关算法，在粗频偏估计时，其相关窗口长度 取16，在进行细频偏估计时，相关窗口长度 取64，分别在帧同步有效与符号同步有效时，进行估计。

       实施本发明，通过设计一个强健的帧检测算法，利用组峰值检测和瞬时峰值检测来判决数据是否真的到来，提高了判断的准确性，利用两个自相关模块和滑动平均模块，分别进行了粗频偏估计和细频偏估计，然后根据粗频偏估计和细频偏估计之间的关系综合得到最终的频率偏移，提高了频偏的估计的准确性，频偏纠正采用改进的 CORDIC 算法，提高了运行效率。符号同步模块利用长训练序列的参考信号和本地训练序列的符号位进行互相关的运算，大大简化了互相关的运算，在提高接收精确度的同时降低了算法的复杂度和硬件的实现难度，实现了OFDM 接收端的低功耗和低延时。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明硬件整体框图；首先将粗频偏估计和帧同步中的模块进行了复用，将帧同步中互相关的值用16位滑动平均器存储，在细频偏估计中，采用48为滑动平均器，并与帧同步中的16位滑动平均器进行复用，降低资源消耗。滑动存储器深度为96位，其深度足以满足同步算法需求，可在帧同步、符号同步中进行复用。

图2是本发明OFDM接收端帧同步模块的结构示意图；其中包括了一个16点滑动存储器，三个乘法器，两个16点滑动平均器。

图3是本发明符号同步互相关算法原理图；将接收到的长训练序列1的前32位，与长训练序列2的后32位与本地长训练序列进行互相关计算。

图4是IEEE 802.11n接收端中，由于循环移位对延迟互相关产生的影响的示意图。

图5是本发明符号同步硬件实现的结构示意图；其中包括了两个32点的滑动平均器，一个96点滑动存储器，以及两个复数乘法器，在进行最大值判决前还加入了针对IEEE 802.11n协议的峰值处理模块，来消除循环移位造成的影响。

图6是本发明频偏估计的算法原理图；频偏估计通过训练序列的自相关运算，然后求相角得到。粗频偏估计是采用两个短训练序列，细频偏估计采用两个长训练序列。

图7是本发明频偏估计硬件实现的结构示意图；其中包括一个滑动存储器，一个滑动平均器，一个乘法器和一个CORDIC算法模块。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。

所述硬件整体框图如图1所示，其中包括帧同步检测单元、粗频偏估计单元、符号同步检测单元、细频偏估计单元。其中，帧同步算法原理采用延时自相关算法，在IEEE802.11系列协议中有前导码序列，利用自相关算法可在前导码序列到来时，检测到帧信号；符号同步采用互相关算法，利用前导码中的长训练序列，来进行精细的符号同步；频偏估计采用CORDIC算法。所使用的主要模块有存储深度为96的滑动存储器，乘法器，滑动平均器，CORDIC算法模块，在进行符号同步时，还添加了峰值判定模块。将帧同步与粗频率偏估计进行复用。在帧同步中进行自相关运算，滑动平均后将输出数据输入到CORDIC算法模块，求粗频率偏移，当帧同步信号有效时，将CORDIC算法模块输出有效。在进行细频偏估计时，将粗频偏矫正中的自相关16点滑动平均输出到细频偏估计模块的自相关48点滑动平均，将模块复用节省资源。并且将输出结果输送到CORDIC算法模块，在符号同步有效时，CORDIC算法模块输出有效。

下面将分别对帧同步检测、粗频偏估计、符号同步检测、细频偏估计等各个模块的原理与具体实施方法进行详细描述。

如图2所示，本发明的OFDM帧同步接收装置主要依据自相关检测算法。

在帧同步中，相关长度取16点，即让两个短训练序列进行自相关运算。从结构图上看其硬件实现包括了16点滑动存储器，五个复数乘法器，两个16点滑动平均器。16点滑动存储器用于存储延时数据，可得到式子的数据，复数共轭即将复数的虚部取其补码即可，将虚部取反加一则可实现共轭，16点滑动平均器用作滑动求和平均，实现求和功能。在本设计硬件实现中，16点滑动存储器在96点滑动存储器中读取，与符号同步复用，节省资源。16点滑动平均器将与粗频偏估计复用，节省资源。

其中的结果是由自相关结果除以其能量值得到，在帧同步中，本设计将预设为一个固定阈值，当达到或超过固定阈值数个周期之后判定帧同步有效。在此，本发明将设定为0.5，那么可得到下式。

将帧检测表达式改写为当能量项平方值的一半大于互相关的平方时，帧同步有效。在硬件实现上只需要将能量项进行右移，用乘法替代除法，用移位替代乘法，节省资源，提高效率。

其中，两个不同的复数相乘时，乘法器采用如下变换。

这样复数相乘只需要用到3个乘法器，减少了资源占用。在实现表达式时，可采用此方法。

在实现求能量项，求自相关值的平方时，即时向量求模运算，计算表达式如下所示，可用两个乘法器实现。而求时，采用一个乘法器即可。

故本设计中，帧同步共计使用8个乘法器。

如图3所示，本发明中符号同步算法原理是将接收到的两个长训练序列中的部分数据与本地存储的长训练序列进行互相关运算，这样能够在长训练的结尾处得到一个精确的峰值，从而实现符号同步的判定。针对IEEE 802.11n对峰值判定造成的影响（如图4所示），采用一个峰值处理模块，在降低对峰值判定的干扰。如下式中所示。

在符号同步中，从结构图上看，需要用到一个96位的滑动存储器，两个32位的滑动平均器，一个峰值处理器，一个最大值寄存器以及乘法器。

其中96位的滑动存储器可以与帧同步、细频偏估计中共用一个深度为96点的滑动存储器，根据需求，帧同步取16点，细频偏估计取64点，符号同步取96点，这样不用重复构造滑动存储器，节省资源，提高效率。

所述符号同步同步硬件结构框图如图5所示，在符号同步中，乘法器的使用量是非常大的，每输入一个数据就需要进行64个复数乘法，这对资源的开销是巨大的。在本发明中，采用移位相加的方法替代乘法器。由于本地长训练序列是已知的固定值。举例说明，若本地长训练序列的数值为1010，而接收端接收到的数据位1111_0000，那么两数相乘是相当于将输入数据进行移位，然后相加，即：    (1111_0000<<3)*1+ (1111_0000<<2)*0+ (1111_0000<<1)*1+ (1111_0000)*0，采用大量的基本逻辑门来替代复杂的乘法器。这样就节省了大量的资源，提高运行速度。

所述峰值处理器是将互相关后的输出值进行处理，得到。由于在IEEE 802.11n中，2*2系统的循环移位是将天线2的数据移位了4个点，因此在接收端的正确序列中前4个点会有一个干扰峰值，本设计将互相关结果与延迟4点数据的一般相加，得到再进行峰值判定。其实现方法是保存延迟4点的数据并进行左移，左移一位后与当前互相关数据相加，得到。

所述最大值寄存器是用于存储的最大值，将当前得到的与最大值寄存器中的值进行比较，将较大的数值存储到最大值寄存器中，最终得到准确的峰值。本发明兼容基于IEEE 802.11a/g/n协议的OFDM-WLAN系统。

如图6所示，频偏估计采用自相关算法，在粗频偏估计时，其相关窗口长度取16，在进行细频偏估计时，相关窗口长度取64，分别在帧同步有效与符号同步有效时，进行估计。

从频偏估计硬件结构图中可以看到，频偏估计需要16点与64点的滑动平均器，本发明中，将利用一个16点，一个48点的滑动平均器，在进行粗频偏估计时，取16点滑动平均器中的结果，在进行细频偏估计是，将16点滑动平均器的输出值，作为输入，传输到第二个48点滑动平均器中进行处理，这样就得到了64点滑动平均器。通过这种设计，将滑动平均器进行复用，节省资源，提高效率。

在得到相应的自相关值之后，输出到CORDIC算法模块进行求相角运算。频偏计算单元就是根据自相关数值通过反正切计算输入数据的相位，估计出细频率估计a和粗频偏估计 b，计算的公式为。

所述频偏范围估计就是通过细频偏估计a和粗频偏估计b来估计频率偏移。用粗频偏作为范围，用细频偏来估计标准频率偏移ε。在频率偏移期望估计范围内，b不是连续的值，b中的噪声将会比a更大一些，因为它的滑动平均只有16个采样。b只能做个范围估计。

本发明将同步算法的硬件实现进行优化，将各个模块最大限度的复用，降低资源消耗，降低复杂度，提高运行效率，并且兼容IEEE 802.11a/g/n协议。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种MIMO OFDM定时同步装置，其特征在于：该装置包括帧同步检测单元、粗频偏估计单元、符号同步检测单元、细频偏估计单元；其中，帧同步算法采用延时自相关算法，在IEEE802.11系列协议中有前导码序列，利用自相关算法可在前导码序列到来时，检测到帧信号；符号同步采用互相关算法，利用前导码中的长训练序列，来进行精细的符号同步；粗频偏估计和细频偏估计均采用CORDIC算法，根据粗频偏估计和细频偏估计之间的关系综合得到最终的频率偏移。

2.根据权利要求1所述的MIMO OFDM定时同步装置，其特征在于：该装置包括的模块有，存储深度为96的滑动存储器，乘法器，滑动平均器，CORDIC算法模块；在进行符号同步时，还设置有峰值判定模块。

3.根据权利要求1或2所述的MIMO OFDM定时同步装置，其特征在于：帧同步延时单元的自相关单元与粗频偏估计延时单元的自相关单元都是延时16单元，符号同步延时单元自相关单元中需要延时96个单元。

4.根据权利要求3所述的MIMO OFDM定时同步装置，其特征在于：所述帧同步检测单元包括微分器及阈值判定单元；其中，微分器采用了两个16点滑动平均器；阈值判定单元采用乘法替代除法操作，用移位替代乘法操作。

5.根据权利要求4所述的MIMO OFDM定时同步装置，其特征在于：所述粗频偏估计单元包括了帧检测单元中的自相关运算结果，以及CORDIC算法模块，其中，通过将输入值乘以相位器                                                实现对数据频率偏移的矫正；在硬件实现上，利用CORDIC算法将数据旋转角度实现对数据频率偏移的矫正。

6. 根据权利要求1所述的MIMO OFDM定时同步装置，其特征在于：所述符号同步检测单元包括了微分器及最大值判定单元；符号同步算法原理是将接收到的两个长训练序列中的部分数据与本地存储的长训练序列进行互相关运算，这样能够在长训练的结尾处得到一个精确的峰值，从而实现符号同步的判定。

7. 根据权利要求6所述的所述的MIMO OFDM定时同步装置，其特征在于：所述互相关算法包括移位单元、乘法器单元、求和单元以及求平方单元，部分运算用移位加法器来替代乘法器。

8. 根据权利要求7所述的所述的MIMO OFDM定时同步装置，其特征在于：所述粗频偏估计算法是采用两个短训练序列，细频偏估计算法采用两个长训练序列；频偏估计采用自相关算法，在粗频偏估计时，其相关窗口长度取16，在进行细频偏估计时，相关窗口长度取64，分别在帧同步有效与符号同步有效时，进行估计。