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，以及在移動過程中的多普勒效應，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。頻偏會對終端的無線信號解調(diào)性能產(chǎn)生很大影響[1]，為了消除頻偏的影響，自動頻率補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)中得到廣泛應用[2-3]。由于高速無線通信系統(tǒng)中的信號處理必須有很小延時，自動頻偏補償通常以硬件加速邏輯來實現(xiàn)，最常見的頻偏補償算法是查表法[3-4]，這種算法不僅需要消耗大量的存儲單元和乘法器資源，而且補償?shù)木葧艿搅炕砭鹊南拗坪陀绊慬5]。本文將給出一種采用兩級調(diào)整策略的高效自動頻率補償算法，這種自動頻偏補償方案簡單易行，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頻符號，終端對解擾解擴后的CPICH信道導頻符號進行相關計算，即可得到終端與基站的頻偏[6-7]。考慮STTD模式對發(fā)送圖樣的影響，一般需要提取每個時隙部分的符號，然后通過符號間的相關來消除空間傳輸?shù)挠绊?。假定接收的CPICH符號為S(t),對一個時隙CPICH第１到第8導頻符號進行相關計算,一般有兩種方法[8-9]，如圖1、圖2所示。
 

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

2.2 基于CORDIC算法的頻偏補償方法
    頻偏補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值，通過各指峰的符號能量門限的判別，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合并。加權合并后的總的頻偏值采用一階IIR低通濾波器進行濾波處理得到合并頻偏值，對射頻的VCO進行調(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算法進行調(diào)整，實現(xiàn)Finger內(nèi)部殘余頻偏的快速糾正,從而實現(xiàn)接收信號整體頻偏的精確補償，基本方法如圖4所示。

3 仿真結果
    為了驗證CORDIC算法的有效性，本文進行了仿真驗證，為保證與實際應用一致，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。仿真結果證明，由于量化引起的誤差變動在數(shù)據(jù)的最低兩位，通過7次迭代就可以使估計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，就能很好地滿足WCDMA系統(tǒng)的頻偏補償?shù)男枨蟆?br/> 　　下面首先對2.1節(jié)中的兩種頻偏估計方法進行仿真比較，以選擇性能相對較好的頻偏估計方案。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),初始頻偏設置600 Hz，結果如圖5所示。

    仿真結果表明，方法2相比方法1具有較高的估計精度，這也是由于方法2相位旋轉(zhuǎn)量大進行平均的結果。大范圍頻偏估計(方法1)，雖然精度不高，但估計范圍大，適合于頻偏捕獲狀態(tài)；小范圍頻偏估計(方法2)精準度高，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償后的頻偏跟蹤調(diào)整，所以Rake接收機內(nèi)部采用方法2進行頻偏估計。
     基于CORDIC補償算法的完整自動頻率補償系統(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)，初始頻偏設置1 500 Hz，能量門限設置為λ=max{P1,P2,…,PN}/8。

    從以上結果可以看出，基于CORDIC補償算法的頻率補償系統(tǒng)能夠快速地對頻偏進行控制，起到自動調(diào)節(jié)的作用。采用定點量化的CORDIC的頻偏補償能取得與無精度損失浮點補償方法相當?shù)慕Y果。
    仿真結果表明，該方法能有效地對頻偏進行自動調(diào)整控制，簡單易行，且具高效性，是一種切實可行的實現(xiàn)方案。
參考文獻
[1] 程乃平，任寧飛，呂金飛．高動態(tài)擴頻信號的載波跟蹤技術研究[J]．電子學報，2003，31(12A)：2147-2150.
[2] 楊小牛，陸安南，金飚譯．寬帶數(shù)字接收機[M]．北京：電子工業(yè)出版社，2002．
[3] LANK G，REED I． A semicoherent detection and doppler estimation statistic[J]． IEEE Trans on Aerospace and Electronics Systems，1973，9(2)：151-165．
[4] LIU C L，DJEN W S, FEHER K. A low-cost dual-mode non-coherent receiver with robust Frequency-offset compensation[C].Vehicular Technology Conference,1993 IEEE  43,1993:412-415.
[5] 劉凌譯．數(shù)字信號處理的FPGA實現(xiàn)[M]．北京：清華大學出版社，2006．
[6] 張嚴, 尤肖虎, 第三代移動通信中的一種新型AFC算法[J]．東南大學學報(英文版)，2000,16(02):
[7] 譚藝枝．WCDMA系統(tǒng)中自動頻偏校正的DSP實現(xiàn)[J]．電腦知識與技術,2007(26).
[8] 張嚴,郭經(jīng)紅,尤肖虎．一種自適應階距的自動頻率校正算法[J]. 電子學報,2000,28(Z1):70-72.
[9] DOOLEYSR, NANDIAK. Adaptive time delay and frequency estimation for digital signal synchronization in CDMA Systems[EB/OL].[2005-11-10].
[10] Juang Tsobing，F(xiàn)u Shen，TSAI M Y． Para-CORD IC：parallel CORDIC rotation algorithm [J]．IEEE．2004，51(8)：1515-1524．
[11] 徐國庫，陳禾．基于CORDIC 算法的坐標轉(zhuǎn)換電路的FPGA實現(xiàn)[J].現(xiàn)在電子技術，2006，29(10)：108-110．