2012 年第 1 期 （总第 117 期） 信息通信 INFORMATION & COMMUNICATIONS 2012 （Sum. No 117） 一种时域信道估计的 FPGA 实现方法 徐 健 （南京航空航天大学，江苏 南京 210016） 摘要：在多径通信系统中，实时、准确地得到信道信息，是信道均衡和数据检测的关键。文中利用训练序列（PN 序列）良 好的循环自相关性，进行准确的时域信道估计，并在 FPGA 上实现。 关键词：PN 序列；相关；时域信道估计；FPGA 中图分类号：TN791 文献标识码：A 文章编号：1673-1131（2012）01-0037-02 The Implementation of Time_domain Channel Estimation on FPGA Abstract：In multipath communication systems,real_time and accurate channel information is the key point to channel equaliza- tion and data detection.This paper,by using the good cyclic autocorrelation of the training sequence(PN sequence),estimates the channel time_domain response,and implement it in the FPGA. key words：PN sequence；correlation；time_domain channel estimation；FPGA 在无线通信系统中，多径衰弱已经是一个不可避免的问 题 [1]。在接收端进行信道估计，提取准确的信道信息，是克服 这个问题的有效手段。但一些常规的方法却不能达到所需要 的效果，而利用训练序列（PN 序列）良好的循环自相关性[2]，设 计有效的方法，可以达到所需要的目的。 1 导频和数据的设计 训练序列（PN 序列）在通信系统中获得了广泛的应用。而 其中的最大长度线性移位寄存器序列（m 序列）有非常优越的 相关特性，本文利用的就是这种序列。 长度为 N 的 m 序列有如下循环自相关性： （1） 图 3 时域信道估计框图 设信道冲击响应为 h(n)，对于两径信道模型 长度为 63 的 m 序列的循环自相关结果： 信号 x(n)经过信道，在接收端的信号为 （2） （3） 所以对于导频段的 m 序列，在接收端的信号为 （4） 若记 m 序列的自相关结果为 R (n)，经过相关器后，可以得 到 （5） 当 n=0 时， ，因为 ，故 图 1 m 序列的循环自相关 同理 （6） （7） 本文中，导频序列为重复两次的一个 m 序列，并在前后各 增加 1 位，总长度为 63*2+2=128 个符号。在导频序列之后紧 跟长度为 128*19 位数据，使导频序列的开销为 5%。高速数 据通道的数据帧格式如图 2 所示。 图 2 数据的帧格式 2 基于 PN 序列的时域信道估计的方法 由此，只要经过后续的相关峰检测和参数提取，就可以得 到相应的信道参数了。 3 主要模块的 FPGA 实现方法 3.1 相关器 相关器是信道估计中的核心模块，后续的所有操作都是 基于相关结果是否准确的基础上的，在本文中，采用的是基于 流水线加法器的数字相关器。 数字相关器可以看做是滤波器，即输入数据与本地码在 同步时钟的驱动下，逐级相乘并累加，其过程如下图所示。其 37 

信息通信 中，累加的过程是一个流水线过程。 图 4 数字相关器模型 因为数据与本地码相乘改变的只是符号，所以用符号判 决来代替乘法器，这样就大大节省了乘法器资源，并且达到 了目的。下图是用 Chipscope 得到的 FPGA 中相关器的结果。 图 5 相关结果的平方值 从图中可以看出，相关的结果是四个相关峰，其中第一个 相关峰由于有多径的缘故，其结果受到部分数据的影响，准确性 不如第三个相关峰，同样的，第四个相关峰准确性不如第二个相 关峰，所以，在峰值搜索的时候，搜索的是第二和第三个相关峰。 3.2 相关峰搜索和 I，Q 路信道参数检测 相关峰搜索的目的是得到各个相关峰的位置和时延参数， 在实际的实现中，其实就是一个状态机。 图 6 相关峰搜索 具体过程如下： （1）搜索态（复位时也在此状态），此时，同时对两路输入 数据进行搜索，其中第二路数据时第一路数据延时一个 m 序 徐健等：一种时域信道估计的 FPGA 实现方法 列长度产生的。注意，在这种情况下，相关峰是成对出现的， 所以，当搜索到一对相关峰（无多径时）或两对相关峰（有多径 时），转入下一个状态，否则，一直处于搜索态。 （2）保护态，此状态主要是防止偶然的数据错误造成判断 错误，在此状态下，所进行的工作和同步态一样，但不输出同 步标志和其他相关的参数，若连续不能搜索到相关峰，则返回 搜索态。 （3）同步态，此状态下不再是搜索相关峰，而是周期性检 测预期位置相关峰，若存在，则输出同步标志，并输出相关参 数，否则转入保护态。 当同步后，就可以得到各个峰值的相对位置，并且，在同 步的同时，将各路相关的结果存入一个双口 RAM，我们只 要根据各个峰值的相对位置，就可以得到两路的信道参数 了。 4 结语 本文提出了一种利用 PN 序列实现时域信道估计的方 法，主要介绍了如何在 FPGA 中实现。由于利用了 PN 序列 的良好的自相关性，使得时域信号估计具有更高的精度这中 方法简单有效准确[3]，另外，PN 序列在进行信道估计的同时， 还可以用于频偏估计和定时同步等[4-5]。这种方法简单准确， 而且在实现的过程中占用的资源比较少，达到了所要求的目 的。 参考文献： [1] 杨霄鹏,姚昆,史浩山等.航空信道仿真研究[J].空军工程大 学学报,2006,7(3) : 16-17. [2] Simon Haykin. 通信系统（第 4 版）[M].北京:电子工业出 版社:2003. [3] 姜永权，马逸新.一种基于 PN 序列的 OFDM 时域信道估 计方法[J].汕头大学学报,2006（11）. [4] Tufvesson F, Edfors O, Faulkner M. Time and frequency synchronization for OFDM using PN-sequence preambles [C]. Amsterdam: Proceedings of IEEE Vehicular Technol- ogy Conference, 1999: 2203- 2207. [5] Schmidl T, Cox D. Robust frequency and timing synchron- IEEE Trans. on Communications, ization for OFDM [J]. 1997, 45(12): 1616-1621 作者简介：徐健（1987-），男，无锡人，硕士，研究方向为通信与 信息系统。 （上接第 36 页） 观效果有所提升，从而达到了有效压缩的目的。 表 2 akiyoCIF 视频实验结果 4 结论 参考文献： [1] 潘榕，刘昱，侯正信等.基于局部 DCT 系数的图像压缩感 知编码与重构[J].自动化学报，2011(6):674-681. [2] 刘峰. 视频图像编码技术及国际标准[M]. 北京: 北京邮电 大学出版社，2005. [3] 张贝贝. 视频运动目标跟踪系统研究[D].重庆:西南大学 对于彩色视频，人们往往关注于视频中运动的前景区域， 计算机应用技术，2008. 而对于变化性较小的背景区域，人们则给予较小的关注度。因 此可以从视频中分割出两个区域，并对这两个区域做不同的 三维子阵分割，进行基于区域的跟踪算法，实现对动态目标的 实时跟踪。从表中可以看出在 PSNR 相同的情况下，自适应 分块较固定的 8×8×3 尺寸块的压缩比有很大的提高，而且主 38 [4] 赵志杰.三维矩阵可变分割彩色图像压缩编码[J]. 吉林大 学学报（工学版）,Vol.39，No.1，Jan.2009。 [5] 闵茹.运动视频图像的提取与跟踪方法研究[D].四川:电子 科技大学软件工程，2008