计算机系统应用 http:Nwww.c—S—a.org.cn 2017年第26卷第2期 Zynq一7000平台上的MIMO系统的时频同步① 詹胤,周渊平,张健 (四川大学电子信息学院,成都610065) 摘要:在目前的通信技术当中,MIMO技术优势明显.MIMO通信系统使用多个发射天线和接收天线,充分利用 空间资源,在不增加频谱资源和天线发射功率的前提下改善通信质量、提升信道容量.然而在MIMO通信系统中, 时频同步问题将会极大影响通信系统的性能.Zynq.7000是新一代可编程片上系统,包含了ARM处理器以及 FPGA,为开发者提供了良好的软件无线电开发环境.本文将于Zynq.7000平台搭建MIMO通信系统,提出一种 时频同步算法,以及实现流程.同时系统测试表明,该算法有效提升了系统性能. 关键词:Zynq.7000;MIMO通信系统:时频同步:软件无线电 Synchr0nizati0n of Time and Frequency of MIMO System on Zynq一7000 ZHAN Yin,ZHOU Yuan-Ping,ZHANG Jian (School of Electronic Information,Sichuan University,Chengdu 6 1 0065,China) Abstract:In the current communications technology,MIMO has a significant technological advantage.MIMO communication system applies multiple transmit antennas and multiple receive antennas.And it makes full use of space resources to improve the quality of communication and to enhance channel capaciy tunder the condition of no increasing spectrum resource and the power of the transmission.However,the offset of the time and frequency will influence the performance of communication system largely.The Zynq-7000 is a new generation of programmable system on chip, which includes the core of ARM processor and integrated FPGA to provide a well software radio development environment.This paper presents a MIMO communication system on the Zynq・7000 platform with an algorithm of time and frequency synchronization and the processing of the implementation.The system tests demonstrate that the algorithm promotes the performance of the communication system. Key words:Zynq一7000;MIMO communication system;time and frequency synchronization;software radio 随着Intemet的MIMO(Multiple.Input Multiple. 在以Cortex—A9双核处理器为核心的完整的ARM处理 子系统,以处理器为中心,搭建了内存控制器和大量 外设接口,使得ARM核心可以在Zynq.7000系统中完 全独立工作.而PL部分本质就是Xilinx FPGA.在受 Output)通信系统中,在发射端和接收端分别使用多个 发射天线和接收天线,通过空问分集技术来缓解无线 信道的不稳定衰落造成的性能下降,达到改善通信质 量的目的_J J.同时MIMO技术能够充分利用空间资源, 在空间中产生独立的并行信道传输多路数据,有效提 高了信息传输速率,即在不增加带宽的前提下提高了 ARM处理器控制的情况下,此部分用于扩展系统功能, 可看作具有可重配置功能的外设.也可以看作与ARM 对等的主设备,主动与外部交换数据,进行存取、运算 频谱效率,优势明显. 等处理,给系统带来更多灵活性【2]. 同步技术是任何一个通信系统都要面临的实际问 Zynq.7000系列是Xilinx推出的最新可编程逻辑 平台,包含了处理器系统PS(Processing System)以及 可编程逻辑PL(Processing Logic)两部分.Ps部分亮点 ①基金项目:高等学校博士学科点专项科研基金(20130181110006) 题,同步的性能将极大影响通信系统整体性能的好坏. 一个优秀的同步算法是数据得到可靠传输的前提,因 收稿时间:2016—05—27;收到修改稿时问:2016.07.07[doi:10.1SS88/j.cnki.csa 005608] 260研究开发Research and Development 2017年第26卷第2期 http:llwww.c—S—a.org.cn 计算机系统应用 此在进行信号检测之前对与定时和频偏进行有效同步 很有必要.本文将介绍在Zynq.7000平台下的MIMO 数据符号, 为第m根发射天线到第k根接收天线的 信道增益. . 和 . 分别为第m根发射天线传输到第 k根接收天线的数据符号的频率偏差和定时偏差. 通信系统中的时偏同步方法的实现. 1 MIMO通信系统模型 假设现有MIMO通信系统在平坦衰落信道下具有 2 定时同步 2.1 CAZAC序列性质 CAZAC(Constant Amplitude Zero Auto Correlation) 个发射天线和Ⅳ,个接收天线,那么系统的接收信号 可以表示为 Y=Hx+ (1) 序列,即恒包络零自相关序列.作为复数值的数学序 列,当其作为无线电信号发射时,该电磁信号具有恒 式(1)中H为阶的信道矩阵,X为JⅣ,×1阶的发射信 号矩阵,,z为Ⅳl×1阶的高斯噪声矩阵,其为服从(0, )分布的高斯分布. 时 频 同 步 图1 MIMO系统模型 基带调制完毕的信号流经过串并变换为M路子信 号流,在每路长度为 子信号流前添加两个长度为 且相同的训练序列,打包成长度N=2K+N ̄的帧结构(如 图21. K K N CAZAC1 CAZAC2 信号符号 图2信号帧结构 在接收端每根接收天线接收到的所有 根发送天 线发送的信号,接收信号会首先完成定时偏移估计以 及频率偏移估计,估计完成后进行定时和频率同步补 偿,再将信号送入之后的信道估计以及检测算法中 引. 假设时偏和频偏在每个信号帧的传输时间内保持不 变,在平坦衰落信道下第k根接收天线所接收到的信 号可以表示为: (n)= ,k exp() ~ + ( ) f2) m=l 』v I J n=1,2K,N 上式中 )为第k根接收天线在时刻n接收到的 定幅度的性质.同时,该序列任意循环位移后的序列 互相正交,也就是通过原序列任意循环n位移产生的 新序列都与原序列零相关[ .最后,其傅立叶变换后 序列性质保持不变.定义如下: { “ X :\ ,N 幅数 o 1… Ig “ ” ,Ⅳ为奇数 其中k与Jv互质. 2.2定时同步算法 通过上述特性,我们可以在接收到信号帧后判断 起始符号的位置.即把接收序列与本地己知的训练序 列做滑动相关,由于CAZAC序列的零自相关特性,当 相关峰大于判决门限时我们可以得到起始符号的位置. 则第根天线上的判决度量如下式: JK一1 12 l∑ ( + )c ( ( )= ——_ 广 (3) ∑I ( + )l ∑Ic( m=O m=0 上式中,d为滑动相关的起始位置, 为功率归 一化后第k根天线上的本地白相关判决度量,c )为本 地已知的训练序列 . ’ 由与CAZAC序列本身良好的零自相关特性。在 接收端收到的信号与本地储存的训练序列经行滑动相 关处理时,会得到较好的相关峰值,能够做到准确定 位符号起始位置. 3频偏同步 3.1经典方法 通过定时同步,假设符号同步效果完美,我们能 够得到信号的起始位置.假设归一化频偏为占,则会 引起每个符号相位偏差为_-2 ̄rne.此时,对于相隔 个 K 采样点的相同训练符号来说,由频偏引起的相位差为 Research and Development研究开发26 1 汁算机系统应用 http://www.c—S-a.org.cn 2017;I- 26卷第2 jf』J 27cKg—:2昭.由此可知对于 度为K的训练序列的 DAC配合天线进行传输.接收端的人线接收剑信号 , 经由ADC转化为数字信号,传入"I 1小统进行榆测处 小数频偏估计为_6 : 1 rK—I 、 理. = a刀 Lrg{∑ (,2),|(,z+ )} (4) 4.2软件平台 n=0 J 3.2扩大估计范围 …r} 述方法中使用tan 0来实现argO,故归一 化频偏 汁范旧为[一兀,+n)/2n=[一0.5,十0.5),可得 <0.5,山此可知上述估计方法的范围有限,在此我 们需要更人范围的频偏估计技术.为了增大估计范围, 将训练序列 更短时间内进行重复,令整数D为训练 序列长度和重复样式长度之比.在时域上,发射信号 l帧的丌 以D个重复样式的训练符号‘组成,训练序列 总长度为 ,每个重复样式长度为K/D【 .此时,频偏 汁 F』I=: 善: 僧{/‘ L芝 ,m=O n=O ( + N/D),( +( +1)N/D)I(5) 这种技术能够估计出的范围扩大到 <D/2,估 汁范【刊随着D的增人而增大,在保证MSE性能的条件 需要更多的采样点数来达到增大估 ‘范围的目的. 3_3改进频偏估计方法 连续发射两段相同的训练符号,假设此时归一化 频偏为s,两段训练符号中相同位置的信号有如下关 系: rl[n]=q[n]e n 卜一÷ l[ ]=R2[ (6) 此方法为频域频偏估计方法,同样也存在估计范 问题,f司样通过构造重复样式来扩大估计范围. 4本文方案 4.1方案简介 Zynq.7000系列产品作为一种AP SoC(All Programmable SoC)平台,内置ARM+FPGA架构体系, 可{:}=i据:I 程需求灵活配置.本文主要介绍方案实现简 介如图3. 图3方案简介 首先由片上系统读基带调制信号,经过成型滤波 后与训练序列打包为前文所述的帧结构之后,便通过 构建基于Zynq平台的linux操作系统,通过SD 能够在开机时启动并且独、 J FPGA,这里选择 ubuntul2.04系统.搭建了以处 为 f J心的"发流 , 根据需要可以灵活配置,通过HDMI接【I使用 示 r -I I 示,人机交互良好 .对于Linux操作系统来说,叮利用 丰富的开源资源是其最大的优势及特点 .并且Xilinx公 司以及它的联盟公司为Zynq.7000 AP SoC系列提供了 大量的IP软核,以及ARM处理器端裸机应用和Linux 系统应用的驱动.本文通过对开源软什iio—oscilloscope 的添加和修改,实现了符合实验需婴的信号处理. -蝌, 圈圈 图4 iio—oscilloscope 图4为iio.oscilloscope的软件 ,已针对本实验 的需要设 ‘了相应功能.左边的参数I 域可以实现 示接收到信号的相应参数,包括 前 作模式、接收 误码率(通过已知发送数据计算)、信 的传输速率.右 边的示波器区域可以实时 示信Ij‘的时频域图、频域 图以及星座图. 接着在该接收软件的信号处 部分加上本义的时 频同步算法,流程如图5所示. 在射频信号转换为基带信号后,便开始进行同步 估计,由.卜文方法找到信号帧的起始化置后传入频偏 估计模块,在计算出频偏后补偿矫I} 剑时偏 步后 的信号传入接下来的信号处理部分. 2017年第26卷第2期 http://www.c—S-a.org.cn 计算机系统应用 信号输入 先生成需要发送的调制信号(这里选择QPSK调制), 由文件形式读入PS端.加入训练序列之后,打包好帧 结构后通过AXI总线传入到PL端[9】,在BBP(Base 』 定时同步 l找到帧起始1 t Band Processor)模块进行基带信号处理,再通过FMC 接口发送至AD9361,最后,经过成型滤波器后由DA 转换为模拟信号通过2.4G频率的载波发送出去.接收 端同理,由AD9361接收到射频信号后,转换为数字 信号、解调至基带,在基带处理后经由AXI总线送回 频偏同步 f ' 娇】l 颧偏 至PS端,ARM处理器将信号帧定时同步确定起始点, 补偿频偏,再由匹配滤波器,最后判决(这里选择ML 检测算法)还原为初始的调制信号 仰们。 DAT^ELK BBP 信号输出 图5软件流程 通过修改开源软件iio-oscilloscope的核心文件 __J Hx 1】^1^ Rx _FRAME — l上 卜 OSC.C可以实现本文算法,在信号捕获模块后加入已编 写好的时偏同步模块代码,编译软件无误后安装.图 为安装正确后的信息. PO』[11:0] I、 一 TX DATA —_r, __j Pl_D[I1:0] 一L_ TX ER腿 FB CLK T】(NRDX 盯Rl ENABLE 图8硬件实现 图8为AD936 1和BBP(Base Band Processor)之间 的硬件实现.采用双端口半双工模式实现MIMO信号 传输系统.在接收信号时刻,BBP通过DATA CLK控 制,使得基带系统可以捕获来自P0 D[11:01和 图6安装信息 P1 D[11:01两个端口的数据.同样在发射信号时刻, AD9361由FB CLK控制捕获P0 D[1l:01和 4-3硬件平台 基于Zedboard平台的MIMO系统的硬件主要包括 P1 D[11:01两个端口上的数据.每当数据采样值到达 时刻,便由时钟信号捕获该数据.ENABLE高低电平 控制每次数据传输的开始与结束,当ENABLE为高电 平时,表示数据开始传输,当ENABLE回到低电平时, 则表示信号传输结束.而TXNRDX信号控制数据的传 输方向,每当TXNRDX为高电平时,ENSM(Enable AD9361射频收发板、集成PS端、PL端于一体的 Zedboard开发板,PL端主要负责射频信号收发及传输, PS端主要负责接收信号后的同步和检测.组成结构如 图7所示. State Machine Guide)改变总线的传输数据方向为从 BBP向AD9361传输;当TXNRDX为低电平时,数据 传输则反向,由AD9361向BBP传输,由此决定此时 为发射或接收模式.而RX FRAME和TX FRAME信 号为指出每帧的起始位置的数据,每当处于帧传输的 图7硬件基本结构 图7为整体硬件平台的基本结构.在发射端,首 起始数据时发送一个高脉冲. Research and Development研究开发263 http://www.C—S—a.org.cn 5 系统测试 、 台系统中,采川2路发射人线 j 2路接收 人线的MIMO系统,以[Il Q1 I2,Q2]的 构构建4 刈比汁昨 ¨半,均 系统稳定l (观察10绀,仃意 十IJ邻2 数 偏 绝刈flfI_小J 0.1) 取 个卡jl』 19 ̄2,定 , 卜-分刖选 分"1为0.451 83 发射数 ,分别农爪第‘路发射人线发射数 的 艾 与虚部以及第:路发射人线发射数捌的 啦 . 0.Ol 7l56.1-J‘以行…L 父进I,I勺 们 汁刈系统一 能的提 ft. 并选择QPSK 制 成数 ll(1J.并将原始数拂 仔争 接收端,用J 计算系统 牢 价系统 能. 10 验场景 9为软什界嘶,采川DAC Buffer Output模』 , 选取生成好的数据文件进行发射. 10为 验史际场 景图”, 实际通信系统环境卜得到 卜 果. 图l1 巾,Moderl选 处rl 作模』 l 1 LfJ,为绛典频偏fIiI汁的模式, L{1,Moder2选 表 示处r~r 作模式2卜,J JIl入_,小义的优化坝偏 汁l=7= 法. 种模 每次都接收100000 j已 始数斟t; 川【I、『,分刖 集4000 数拂 , 剑SD 甘入 PC ,采川matlab分析 胯 , 种卡j! 的』 』fl l12,也町开m改进的频偏什计仃效提丌J 系统 能. 6 绡请 以f QPSK信Ij‘均采川ANALOG DEVICES 『I 网 l,『勺 成 ‘法 刮,从测试结 _lJ‘以 ‘… 通过 Zynq一7000、 ft绌介AD936l, Jl:源软件 iio oscilloscope,搭迎 路发乌1J人线 路接收人线的 MIMO皿!l 系统. JJJJ入定lJ、』频偏川 ii-.』 效提升 J 迎 系统的 能,吱 J MIMO系统的稳定迎 . 参考文献 VenkaWaman G hnplementation of MU—MIMO schedulers Olq SoC.Asilomar Conference on Signals,Systems and 2017年第26卷第2期 http:| W .C—S—a.org.cn 计算机系统应用 Computers.IEEE.2015.1637—1641. 2陆佳华,潘祖龙,彭竟宇.嵌入式系统软硬件协同设计实战指 南.北京:机械工业出版社,2013:137-142. 3董伟,李建东,吕卓,贺鹏.MIMO系统联合参数估计.西安电 子科技大学学报,2008,35(2):189-195. 4严春林,李少谦,唐友喜,罗霄,房家奕.利用CAZAC序列的 OFDM频率同步方法.电子与信息学报,2006,28(1):139—142. 5杨春萍,王键,李道本.M1MO.OFDM系统的同步算法.中南 大学学报(自然科学版),2010,41(2):578—584. 6 Zhang DH,Yu LR,Zhou Huang Q Chen W A high performance frequency offset estimation method for OFDM. 201 3 3rd International Conference on Intelligent System Design and Engineering Applications.IEEE.2013. 1 63 7—1641. 7 Cho YS,Kim J,Yang W Kang CG.MIMO—OFDM wireless communications wiht MATLAB.北京:电子工业出版社, 2010:135-146. 8 Harikrishnan B,Raghul R,Shibu RM,Raveendran Nait K. 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