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。
中图分类号：TN92；TN91 文献标志码：A DOI: 10.16157/j.issn.0258-7998.257197
中文引用格式： 伯巍. 一种频偏估计算法及其FPGA实现方案[J]. 电子技术应用，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. 一种频偏估计算法及其FPGA实现方案[J]. 电子技术应用，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
在现代无线通信系统中，频偏问题因载波不一致、振荡器漂移或多径传播等因素而普遍存在，严重影响系统性能和接收端解调精度。尤其在正交频分复用（OFDM）与多载波调制系统中，频偏将引起子载波间的正交性破坏，导致载波间干扰（ICI）增强，最终使误码率（BER）急剧上升[1]。因此，准确高效的频偏估计算法成为接收端信号处理链路中的关键技术之一。传统方法如自相关法、傅里叶变换法与最大似然估计法各有优缺点，其中自相关法结构简单、适合硬件实现，但在低信噪比条件下估计精度不足；导频辅助法则依赖已知符号提升精度，但资源开销较大、实时性受限[2]。为此，本文提出一种融合自相关与导频辅助的新型频偏估计算法，兼顾估计准确性与实现复杂度，适用于带宽受限、高实时性要求的嵌入式通信平台。本文进一步设计该算法的FPGA实现架构，结合模块化设计与资源优化策略，在Xilinx Zynq平台上完成综合与验证。通过MATLAB仿真与FPGA时序分析，验证了该算法在不同信噪比下的估计误差与硬件资源占用之间的权衡效果，显示出良好的实用性与移植性，为5G、卫星通信及工业物联网等应用场景提供了一种可行的频偏处理解决方案。
本文详细内容请下载：
https://www.chinaaet.com/resource/share/2000007072
作者信息：
伯巍
（中国电子科技集团公司第十研究所，四川 成都 610036）
此内容为AET网站原创，未经授权禁止转载。