楊潤豐

(東莞職業(yè)技術學院 電子工程系，廣東 東莞 523808)

超寬帶平臺的國際標準ECMA－386［1］應用了多頻帶正交頻分復用(MB－OFDM)系統(tǒng)技術，而ECMA－386 只是對發(fā)射端的設計規(guī)范作了要求，其物理層匯聚協議實現物理層服務數據單元的轉換，同時使物理層與介質訪問控制層對接。當發(fā)射端發(fā)送數據包時，首先發(fā)送物理層匯聚協議前導符，接著是物理層匯聚協議包頭，最后是物理層匯聚協議數據單元。物理層匯聚協議中的前導符用于接收端的時間同步、載波偏移恢復和信道估計。

同步是正交頻分復用(OFDM)的關鍵技術，其能幫助接收端正確解碼。多頻帶正交頻分復用系統(tǒng)采用數據輔助的符號定時同步方法。此方法需訓練符號，降低了數據傳輸效率，但這類方法有估計精度高、同步速度快、計算復雜度低等優(yōu)點?；跀祿o助的OFDM 系統(tǒng)定時同步算法研究重點在前導符號的設計和選擇上，目標是減小前導長度、提高估計精度。Ren提出了無線局域網的基于改進前導結構的定時同步方法［2］。Guo 提出了一種利用對稱共軛前導進行定時同步的方法［3］。Park 和Awoseyila 提出了對Schmidl 前導改進的定時同步方法［4－5］。Ghogho 提出了通過設計前導符號進行定時同步的方法［6］。Cheng 提出了一種多個相同數據的最大似然定時同步方法［7］。

多頻帶正交頻分復用系統(tǒng)中物理層匯聚協議前導符和包/幀同步序列均用于OFDM 符號的同步。為使接收機能在恰當的時間和頻率控制下找到物理層匯聚協議數據單元，在每個物理層匯聚協議數據單元前加上由包/幀同步序列和信道估計序列組成的物理層匯聚協議前導符，如圖1 所示。包/幀同步序列是一個預儲存12(突發(fā)模式)或24(標準模式)個自相關的時域突發(fā)序列，相當于OFDM 符號幀的相同時間長度。突發(fā)模式用于多個物理層匯聚協議數據單元的連接及同步的維持。而標準模式必須先啟動運行后對包/幀進行有效的同步檢測，接收機必須對接收符號中的信道估計序列進行緩沖，然后再將6 個信道估計序列分別一次一個地輸入到快速傅里葉變換模塊中，隨后通過后續(xù)處理便可得到實際的信道估計。包/幀同步的檢測須在信道均衡前完成，若接收端對包/幀同步序列有錯誤，所接收的數據幀則不能正確解碼。因此，一個精確、穩(wěn)定的幀同步檢測算法是關鍵。本文針對接收機幀同步檢測方法的分析，提出對包/幀同步序列互相關處理，統(tǒng)計基于其結果的似然概率，提高包/幀同步檢測的正確率。接收端使用期待值與接收的幀同步符號進行互相關計算，并對發(fā)射端所用的時頻碼進行估量。

圖1 物理層匯聚協議前導符結構

根據ECMA－386 的規(guī)定，對于一個給定的時頻碼，在選擇對應的基帶時域序列［1］并后補37 個“0 采樣”擴展為128 個子載波Sext［k］，與覆蓋序列［1］Scover［k］相乘構成基帶時域序列，如式(1)所示，若前導符為標準模式，式中n∈［0，23］。若前導符為突發(fā)模式，式中n∈［0，11］。接收端識別10 個時頻碼中的一個，并附加其到微微網的跳頻序列中。系統(tǒng)通信的成功連結需識別正確的時頻碼

1 幀同步的檢測

幀同步序列檢測算法是對接收端基于標準模式12 個時頻碼或突發(fā)模式的24 個時頻碼的估量，以統(tǒng)計方式從此12 或24 個集合中選出最常出現的數值作為時頻碼，并利用此時頻碼計算出平均時間偏移值作為時間偏移估量。經接收機的模擬數字轉換器和緩沖器獲得的165 個采樣，其分別是128 個OFDM 信號和37 個補0 后綴序列。為找出第一個時頻碼信號，所接收的時頻碼S［n+m］與預存的時頻碼序列(TFC1－TFC10)PTFC［m］進行互相關計算，如式(2)所示。當計算前一個時頻碼的互相關時，接收端對后一個時頻碼進行接收和緩沖處理，以并行方式計算相關值，在互相關的結果中統(tǒng)計出其峰值Zpeak，如式(3)所示。對應的最大相關值被選作為第一個時頻碼度量范圍的時間參考點。不同時頻碼序列(TFC1－TFC10)所作互相關時產生不同的峰值，利用峰值出現的時間差來輔助接收端定時計算。此外，系統(tǒng)選擇不同模式的前導符使接收端產生不同的12 或24 個時頻碼序列以及不同的互相關峰值，即從不同模式中檢測出最合適的時頻碼。取不同模式中互相關峰值對應時差的平均值作為接收端的延時值，以此方式獲得幀同步的時間。標準模式比突發(fā)模式多使用了一倍的時頻碼，能更精確地計算互相關值，從而使標準模式下的幀同步結果優(yōu)于突發(fā)模式。

2 系統(tǒng)性能測量

在超寬帶標準ECMA－386 還未制定前，最初的MBOA 草案［8］對包/幀同步作了規(guī)定，并在報告中對同步檢測提供了預期結果。檢測使用的數據率為55 Mbit·s－1，接收機靈敏度為－83.6 dBm，保留低于接收機靈敏度3 dB 余量，以及包括頻率偏移、量化等的2.5 dB 實現損耗，在加性高斯白噪聲信道中測試得到的誤檢率略高于6.2×10－4。

按ECMA－386 標準建立比特精確的系統(tǒng)模型。在系統(tǒng)模型仿真測試中，發(fā)射機的發(fā)射功率設為－9.9 dBm，使用超寬帶信道的4 個信道模型，每個信道模型具有現實多徑信道環(huán)境差異的100 個子信道以及隨路徑損耗的信道衰減［9］，并取最佳的90%信道作有效測試結果，接收機噪聲系數值設為6.6 dB，中心載波頻率設為3.886 GHz。文獻［9］闡述了距離檢測實驗的具體方法。標準模式下的包/幀同步序列為12組，突發(fā)模式下的包/幀同步序列為24 組。每運行一次系統(tǒng)測試發(fā)送10 000 個完整物理層匯聚協議數據幀。系統(tǒng)模型將接收解碼的時頻碼與發(fā)射端進行比較，不同的數據幀作誤檢處理。

對接收機靈敏度的測試中，為使用合適的發(fā)射功率，發(fā)射機輸出給衰減器后直接連接接收機的天線，并未使用任何通信信道。為保證誤檢率在6.2×10－4的水平，標準模式需求接收機靈敏度為－99.1 dBm，突發(fā)模式則需－95.1 dBm，此模式的結果比MBOA 草案所述的期待值分別高13 dB 和9 dB。應用上述幀同步檢測算法在超寬帶信道的4 個信道模型中測試系統(tǒng)傳輸包/幀同步序列的有效距離。如圖2 所示，在保證誤檢率為6.2×10－4的基礎上，信道1 中所測距離為47 m，優(yōu)于MBOA 草案所測結果，且MBOA 使用了較低的速率39.4 Mbit·s－1。而在信道2 中所測距離為49 m，在信道3 中所測距離為40 m，在信道4 中所測距離為29 m。幀同步檢測器的主要用途是尋找微微網使用的時頻碼，接收端將沒有能力重新調諧或補償該微微網和本地振蕩器之間的頻率差。MBOA 草案所假設的頻率偏移值為20×10－6。在頻率偏移檢測中，系統(tǒng)使用完整的20×10－6頻率中心載波偏移在信道1 測試傳輸距離。從圖2 中可看到載波偏移值對誤檢率的影響較小，盡管曲線在＜50 m 處相差較大，但兩個誤檢比率均較低，甚至可以忽略不計。因此，對微微網連接時不可避免的與未補償的初始頻率偏移對幀同步檢測的影響極小。

圖2 在信道1 ～4 中測試系統(tǒng)使用幀同步檢測器傳輸包/幀同步序列的有效距離

3 結束語

一個可靠數據包的幀同步探測器，可使通信設備在微微網中順利連接的概率達到更高，從而獲得快速連接。本文提出了一種基于計算互相關統(tǒng)計模式的幀同步檢測算法，在良好的信道條件下幀同步能被正確檢測。且當發(fā)生錯誤時，隨時頻碼更換所產生的計算結果，取平均值進行對比。并按ECMA－368 標準所要求的設置運行和測試，所得檢測結果相比MBOA 結果有大幅提高。

［1］ ISO/IEC.High rate ultra wideband PHY and MAC standard ECMA－368［S］.USA:ISO/IEC，2008.

［2］ REN G，CHANG Y，ZHANG H，et al.A novel burst synchronization method for OFDM［J］.IEEE Transactions on Consumer Electronics，2004，50(3):829－834.

［3］ GUO Y，LIU G，GE J.A novel time and frequency synchronization scheme for OFDM systems［J］.IEEE Transactions on Consumer Electronics，2008，54(2):321－325.

［4］ PARK B，CHEON H，KO E，et al.A novel timing estimation method for OFDM systems［J］.IEEE Communications Letters，2003，7(5):239－242.

［5］ AWOSEYILA A B，KASPARIS C，EVANS B G.Improved preamble－aided timing estimation for OFDM systems［J］.IEEE Communications Letters，2008，12(11):825－827.

［6］ GHOGHO M A，SWAMI A.Frame and frequency acquisition for OFDM［C］.IEEE Signal Processing Letters，2008(15):605－608.

［7］ CHENG M，CHOU C.Maximum－likelihood estimation of frequency and time offsets in OFDM systems with multiple sets of identical data［J］.IEEE Transactions on Signal Processing，2006，54(7):2848－2852.

［8］ Multi Band OFDM Alliance SIG.MultiBand OFDM physical layer proposal for IEEE 802.15.3a［S］.USA:Multi Band OFDM Alliance SIG，2004.

［9］ 楊潤豐，高燁，李銘釗.基于超寬帶信道的無線通用串行總線測試與分析［J］.現代雷達，2013(6):61－64.