何琴，吳俊

(1.浙江大學(xué)智能系統(tǒng)與控制研究所工業(yè)控制技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江杭州310027;2.浙江中控技術(shù)股份有限公司，浙江杭州310053)

在無線通信系統(tǒng)中，由于終端的本地晶振精確度和穩(wěn)定性的影響，以及在移動(dòng)過程中的多普勒效應(yīng)，在基站和終端之間始終存在一定的載波頻率偏差，通常稱為頻偏。頻偏會(huì)對終端的無線信號(hào)解調(diào)性能產(chǎn)生很大影響[1]，為了消除頻偏的影響，自動(dòng)頻率補(bǔ)償作為頻偏糾正控制的有效方法，已經(jīng)在高速無線通信系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用[2-3]。由于高速無線通信系統(tǒng)中的信號(hào)處理必須有很小延時(shí)，自動(dòng)頻偏補(bǔ)償通常以硬件加速邏輯來實(shí)現(xiàn)，最常見的頻偏補(bǔ)償算法是查表法[3-4]，這種算法不僅需要消耗大量的存儲(chǔ)單元和乘法器資源，而且補(bǔ)償?shù)木葧?huì)受到量化表精度的限制和影響[5]。本文將給出一種采用兩級(jí)調(diào)整策略的高效自動(dòng)頻率補(bǔ)償算法，這種自動(dòng)頻偏補(bǔ)償方案簡單易行，并可有效地節(jié)省硬件資源。

1 WCDMA系統(tǒng)的頻偏估計(jì)方法

WCDMA系統(tǒng)中,基站通過CPICH信道發(fā)送相位固定的公共導(dǎo)頻符號(hào)，終端對解擾解擴(kuò)后的CPICH信道導(dǎo)頻符號(hào)進(jìn)行相關(guān)計(jì)算，即可得到終端與基站的頻偏[6-7]?？紤]STTD模式對發(fā)送圖樣的影響，一般需要提取每個(gè)時(shí)隙部分的符號(hào)，然后通過符號(hào)間的相關(guān)來消除空間傳輸?shù)挠绊?。假定接收的CPICH符號(hào)為S(t),對一個(gè)時(shí)隙CPICH第1到第8導(dǎo)頻符號(hào)進(jìn)行相關(guān)計(jì)算,一般有兩種方法[8-9]，如圖1、圖2所示。

圖1 導(dǎo)頻符號(hào)相關(guān)方法1

圖2 導(dǎo)頻符號(hào)相關(guān)方法2

方法1：

方法2：

相關(guān)計(jì)算結(jié)果如下：

其中l(wèi)為兩相關(guān)計(jì)算符號(hào)間間隔的符號(hào)個(gè)數(shù)；T為單位符號(hào)持續(xù)時(shí)間，為1/15 000。頻偏為:

由式(4)可知，頻偏的計(jì)算范圍由l決定，分為大范圍頻偏估計(jì)和小范圍頻偏估計(jì)[1]。大范圍頻偏估計(jì)如方法1所示，頻偏估計(jì)范圍為[-7.5k,7.5k]Hz；方法2為小范圍頻偏估計(jì)，估計(jì)范圍為[-1.75k,1.75k]Hz。

2 WCDMA系統(tǒng)中的頻偏補(bǔ)償方法

2.1 CORDIC算法

首先,假設(shè)輸入的I、Q數(shù)據(jù)為x+jy，則通過頻偏補(bǔ)償可以得到:

這里φ為補(bǔ)償頻偏的相位旋轉(zhuǎn)量。對于上式的處理實(shí)現(xiàn)，如果采用查表算法，則會(huì)消耗大量的存儲(chǔ)單元和乘法器資源。一般實(shí)際應(yīng)用中通常以犧牲部分精度為代價(jià)來減小資源的消耗。如果采用CORDIC算法，則可以顯著減小資源代價(jià)，同時(shí)具備實(shí)現(xiàn)簡單和精度高的特點(diǎn)，其具體算法[10]如下：

圖3 CORDIC流水單元結(jié)構(gòu)圖

CORDIC求解的相位范圍為-99.9°≤φ≤99.9°，應(yīng)用于[-π,π]，可以做如下變化

式(8)中f(x,y,φ)表示CORDIC變換。

2.2 基于CORDIC算法的頻偏補(bǔ)償方法

頻偏補(bǔ)償過程中為了克服多徑頻偏的不一致性，可以采用Rake內(nèi)部指峰各自調(diào)整的策略。首先，獲取各徑的頻偏估計(jì)值，通過各指峰的符號(hào)能量門限的判別，剔出不可靠的頻偏值，然后將有效頻偏值基于其徑的能量加權(quán)合并。加權(quán)合并后的總的頻偏值采用一階IIR低通濾波器進(jìn)行濾波處理得到合并頻偏值，對射頻的VCO進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整后的殘余頻偏由指峰內(nèi)部再基于2.1節(jié)描述的CORDIC算法進(jìn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)Finger內(nèi)部殘余頻偏的快速糾正,從而實(shí)現(xiàn)接收信號(hào)整體頻偏的精確補(bǔ)償，基本方法如圖4所示。

3 仿真結(jié)果

為了驗(yàn)證CORDIC算法的有效性，本文進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，為保證與實(shí)際應(yīng)用一致，考慮到一般Rake接收系統(tǒng)輸入數(shù)據(jù)為位寬8 bit，本文也采用了8 bit隨機(jī)數(shù)輸入測試，CORDIC內(nèi)部采用11 bit量化位寬，7次迭代。仿真結(jié)果證明，由于量化引起的誤差變動(dòng)在數(shù)據(jù)的最低兩位，通過7次迭代就可以使估計(jì)得到的頻偏誤差小于9.4 Hz，因此可以證明采用較小的代價(jià)，就能很好地滿足WCDMA系統(tǒng)的頻偏補(bǔ)償?shù)男枨蟆?/p>

圖4 基于CORDIC算法的多徑信號(hào)頻偏補(bǔ)償方法

下面首先對2.1節(jié)中的兩種頻偏估計(jì)方法進(jìn)行仿真比較，以選擇性能相對較好的頻偏估計(jì)方案。仿真測試環(huán)境參數(shù)為3GPP Case3信道環(huán)境(120 km/h,參數(shù)CPICH_Ec/Ior=-10 dB,SNR=-3 dB),初始頻偏設(shè)置600 Hz，結(jié)果如圖5所示。

圖5 兩種頻偏估計(jì)方法估計(jì)精度比較

仿真結(jié)果表明，方法2相比方法1具有較高的估計(jì)精度，這也是由于方法2相位旋轉(zhuǎn)量大進(jìn)行平均的結(jié)果。大范圍頻偏估計(jì)(方法1)，雖然精度不高，但估計(jì)范圍大，適合于頻偏捕獲狀態(tài)；小范圍頻偏估計(jì)(方法2)精準(zhǔn)度高，比較適合于頻偏跟蹤狀態(tài)。頻偏捕獲狀態(tài)一般由初始小區(qū)搜索模塊內(nèi)部完成。考慮Rake接收主要針對經(jīng)歷初始頻偏捕獲及補(bǔ)償后的頻偏跟蹤調(diào)整，所以Rake接收機(jī)內(nèi)部采用方法2進(jìn)行頻偏估計(jì)。

基于CORDIC補(bǔ)償算法的完整自動(dòng)頻率補(bǔ)償系統(tǒng)調(diào)整仿真如圖6～圖9所示,仿真測試環(huán)境參數(shù)為3GPP case3信道環(huán)境(120 km/h,參數(shù)CPICH_Ec/Ior=-10 dB,SNR=-3 dB)，初始頻偏設(shè)置1 500 Hz，能量門限設(shè)置為λ=max{P1,P2,…,PN}/8。

從以上結(jié)果可以看出，基于CORDIC補(bǔ)償算法的頻率補(bǔ)償系統(tǒng)能夠快速地對頻偏進(jìn)行控制，起到自動(dòng)調(diào)節(jié)的作用。采用定點(diǎn)量化的CORDIC的頻偏補(bǔ)償能取得與無精度損失浮點(diǎn)補(bǔ)償方法相當(dāng)?shù)慕Y(jié)果。

圖8 case3 finger3數(shù)據(jù)的頻偏補(bǔ)償結(jié)果

圖9 case3 finger4數(shù)據(jù)的頻偏補(bǔ)償結(jié)果

仿真結(jié)果表明，該方法能有效地對頻偏進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整控制，簡單易行，且具高效性，是一種切實(shí)可行的實(shí)現(xiàn)方案。

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