OPDM技术研究(四)

四、OFDM帧同步的实现和仿真
（一）、分组检测仿真结果
在MATLAB仿真环境下，用延时滑动双关算法对帧同步的仿真如图所示。

上图为IEEE 802．1la在10dB信噪比情况下前导统计判决Mn的仿真图形。图中全部响应值都在【0，1】范围内，数据分组开始的跳变也非常清晰。当接收的信号只有噪声时，输出的相关值e为随机变量，研．的值也很低。一旦接收的信号为前导信号时，Cn的值就是相同短训练符号的相关系数，Mn的值迅速跳变为最大值。符号定时(精确帧同步)是指求单个OFDM符号开始和结束的精确时刻。符号定时的结果将决定DFT的窗口，也就是用于计算每一个接收OFDM符号的一组样值：DFT的结果用于符号子载波的检波。WLAN接收机检测到接收信号前导时，符号定时算法将该估计精确到量化的等级。该精确是通过计算接收信号Rn和以互参考系数实现。具体是同过短训练符号的结束点和起始点找到精确的符号同步。

用MATLAB对符号定时仿真如下图所示。

(二)、帧同步算法
帧同步检测算法是OFDM接收端的第一个同步算法，剩下的同步过程都依赖于同步检测算法完成的好坏。帧检测可以描述为二进制的假设检验，用事件H0表示没有检测到帧的到来，用事件H1表示检测到帧的到来。一般情况下设定一个阀值T，当判决变量.超过T时，认为时间H1发生，否则H0发生。
     H0：M<T，没有帧到来
     H1：M>T，帧到来
根据假设检验的只是可知，检测算法的性能可以总结为两个概率：检测概率Pd和虚警概率Pa，帧检测算法需要在两者之间取得平衡。综合考虑网络负载，时延等因素，允许有稍高一点的虚警概率Pa以保证得到较好性能的检测概率Pd。
在数据连续传输的模式的通信系统中有充裕的时间来完成定时同步，而在突发传输的模式中，只能在帧头的范围完成定时同步，即要求快速同步。
(三)、FPGA简介
FPGA（Field－Programmable Gate Array），即现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路（ASIC）领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。
1、背景
目前以硬件描述语言（Verilog 或 VHDL）所完成的电路设计，可以经过简单的综合与布局，快速的烧录至 FPGA 上进行测试，是现代 IC 设计验证的技术主流。这些可编辑元件可以被用来实现一些基本的逻辑门电路（比如AND、OR、XOR、NOT）或者更复杂一些的组合功能比如解码器或数学方程式。在大多数的FPGA里面，这些可编辑的元件里也包含记忆元件例如触发器（Flip－flop）或者其他更加完整的记忆块。
系统设计师可以根据需要通过可编辑的连接把FPGA内部的逻辑块连接起来，就好像一个电路试验板被放在了一个芯片里。一个出厂后的成品FPGA的逻辑块和连接可以按照设计者而改变，所以FPGA可以完成所需要的逻辑功能。
FPGA一般来说比ASIC（专用集成芯片）的速度要慢，无法完成复杂的设计，而且消耗更多的电能。但是他们也有很多的优点比如可以快速成品，可以被修改来改正程序中的错误和更便宜的造价。厂商也可能会提供便宜的但是编辑能力差的FPGA。因为这些芯片有比较差的可编辑能力，所以这些设计的开发是在普通的FPGA上完成的，然后将设计转移到一个类似于ASIC的芯片上。另外一种方法是用CPLD（复杂可编程逻辑器件备）。
2、 CPLD与FPGA的关系
早在1980年代中期，FPGA已经在PLD设备中扎根。CPLD和FPGA包括了一些相对大数量的可编辑逻辑单元。CPLD逻辑门的密度在几千到几万个逻辑单元之间，而FPGA通常是在几万到几百万。
CPLD和FPGA的主要区别是他们的系统结构。CPLD是一个有点限制性的结构。这个结构由一个或者多个可编辑的结果之和的逻辑组列和一些相对少量的锁定的寄存器。这样的结果是缺乏编辑灵活性，但是却有可以预计的延迟时间和逻辑单元对连接单元高比率的优点。而FPGA却是有很多的连接单元，这样虽然让它可以更加灵活的编辑，但是结构却复杂的多。
CPLD和FPGA另外一个区别是大多数的FPGA含有高层次的内置模块（比如加法器和乘法器）和内置的记忆体。一个因此有关的重要区别是很多新的FPGA支持完全的或者部分的系统内重新配置。允许他们的设计随着系统升级或者动态重新配置而改变。一些FPGA可以让设备的一部分重新编辑而其他部分继续正常运行。
（四）、帧检测的设计思路
IEEE 802．11a接收机的帧同步包括分组检测和符号定时。其中分组检测是在接收的数据分组的前导中找到起始的近似计算。这是所需要的第一个步骤。剩下的同步过程都依赖于分组检测的优劣。一般情况分组检测可描述为二迸制的假设检测，包括两个互补的有用参数，一个是空假设H1，一个是二选一的假设H0。在分组检测中，检测如下：

H。：没有出现分组
                               H1：出现分组
在实际检测中，看决定变量M0是否超出预定的闸值Th。分组检测的情况如下：
  H。：Mn<Th没有出现分组
                               H1：Mn>=Th出现分组
OFDM系统的分组检测(帧粗同步)是利用前导中短训练符号的周期性进行滑动延时双关计算。具体的算法如下图所示。

图中有两个滑动窗口C和P，窗口C为接收信号和接收信号延时的相关系数，窗口P计算了互相关系数窗口期间接收信号的能量。此窗口的值用于判决统计的归一化，因此它和接收功率的绝对值是独立的。

五、总结
OFDM技术是继CDMA技术之后非常适合高速率传输的技术，有望成为下一代通信系统的关键技术，在WLAN方面的应用也是目前通信领域中研究的一个热点。研究此方向是非常具有实用价值的。
同步对于任何通信系统来说都是根本任务。没有精确的同步算法就不能对传送的数据进行可靠的接受。论文参考了大量的相关文献，对OFDM的系统中的符号同步和频率同步算法做了深入的研究。

参考文献
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