一种频偏估计算法及其FPGA实现方案
电子技术应用
伯巍
中国电子科技集团公司第十研究所
摘要： 为了提升无线通信系统中频偏估计的准确性与实时性，提出了一种融合自相关与导频辅助的频偏估计算法，并在Xilinx Zynq-7000 SoC平台上完成了该算法的FPGA实现与优化。首先，基于频偏数学模型与AWGN信道分析，构建了频偏对接收信号影响的理论框架，并采用MATLAB仿真验证了频谱漂移特性。在算法设计方面，自相关法用于粗频偏估计，导频辅助法实现细化调整，两者经融合形成高鲁棒性的混合算法。仿真结果表明，该方法在SNR较低环境下亦具备良好的估计精度，BER与MSE性能优于传统单一算法。随后，在Zynq FPGA上完成算法的模块化实现，涵盖自相关计算、导频同步、频偏补偿等核心模块，并通过资源优化策略有效降低逻辑利用率与功耗。综合仿真与上板验证结果表明，该算法在保证高精度的同时，系统逻辑资源占用率控制在35%以内，满足实际通信场景中对实时性、资源和功耗的综合要求。该研究为高性能、可部署的频偏估计与补偿系统设计提供了可行方案。
中圖分類號：TN92；TN91 文獻標志碼：A DOI: 10.16157/j.issn.0258-7998.257197
中文引用格式： 伯巍. 一種頻偏估計算法及其FPGA實現方案[J]. 電子技術應用，2026，52(5)：54-60.
英文引用格式： Bo Wei. A frequency offset estimation algorithm and FPGA implementation[J]. Application of Electronic Technique，2026，52(5)：54-60.
中文引用格式： 伯巍. 一種頻偏估計算法及其FPGA實現方案[J]. 電子技術應用，2026，52(5)：54-60.
英文引用格式： Bo Wei. A frequency offset estimation algorithm and FPGA implementation[J]. Application of Electronic Technique，2026，52(5)：54-60.
A frequency offset estimation algorithm and FPGA implementation
Bo Wei
No.10 Institute of CETC
Abstract： To enhance the accuracy and real-time performance of frequency offset estimation in wireless communication systems, this paper proposes a frequency offset estimation algorithm that integrates autocorrelation and pilot-assisted methods, and implements and optimizes the algorithm on the Xilinx Zynq-7000 SoC platform. Firstly, based on the frequency offset mathematical model and AWGN channel analysis, a theoretical framework of the impact of frequency offset on the received signal is constructed, and the spectral drift characteristics are verified through MATLAB simulation. In terms of algorithm design, the autocorrelation method is used for coarse frequency offset estimation, while the pilot-assisted method is employed for fine adjustment. The two methods are fused to form a highly robust hybrid algorithm. Simulation results show that this method maintains good estimation accuracy even in low SNR environments, and its BER and MSE performance are superior to traditional single algorithms. Subsequently, the algorithm is modularly implemented on the Zynq FPGA, covering core modules such as autocorrelation calculation, pilot synchronization, and frequency offset compensation, through resource optimization strategies, the logic utilization and power consumption are effectively reduced. The comprehensive simulation and on-board verification results demonstrate that the proposed algorithm achieves high accuracy while keeping the system logic resource occupancy rate within 35%, meeting the comprehensive requirements of real-time performance, resources, and power consumption in practical communication scenarios. This research provides a feasible solution for the design of high-performance and deployable frequency offset estimation and compensation systems.
Key words : frequency offset estimation；autocorrelation；pilot-assisted；FPGA implementation；Zynq；resource optimization
引言
在現代無線通信系統中，頻偏問題因載波不一致、振蕩器漂移或多徑傳播等因素而普遍存在，嚴重影響系統性能和接收端解調精度。尤其在正交頻分復用（OFDM）與多載波調制系統中，頻偏將引起子載波間的正交性破壞，導致載波間干擾（ICI）增強，最終使誤碼率（BER）急劇上升[1]。因此，準確高效的頻偏估計算法成為接收端信號處理鏈路中的關鍵技術之一。傳統方法如自相關法、傅里葉變換法與最大似然估計法各有優缺點，其中自相關法結構簡單、適合硬件實現，但在低信噪比條件下估計精度不足；導頻輔助法則依賴已知符號提升精度，但資源開銷較大、實時性受限[2]。為此，本文提出一種融合自相關與導頻輔助的新型頻偏估計算法，兼顧估計準確性與實現復雜度，適用于帶寬受限、高實時性要求的嵌入式通信平臺。本文進一步設計該算法的FPGA實現架構，結合模塊化設計與資源優化策略，在Xilinx Zynq平臺上完成綜合與驗證。通過MATLAB仿真與FPGA時序分析，驗證了該算法在不同信噪比下的估計誤差與硬件資源占用之間的權衡效果，顯示出良好的實用性與移植性，為5G、衛星通信及工業物聯網等應用場景提供了一種可行的頻偏處理解決方案。
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作者信息：
伯巍
（中國電子科技集團公司第十研究所，四川 成都 610036）
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