OFDM的基本原理与关键技术研究

题 目 OFDM 的基本原理与关键技术研究 学生姓名 陈 悠 学号 1113024080 所在学院 物 理 与 电 信 工 程 学 院 专业班级 通 信 工 程 专 业 1103 班 指导教师 王 桂 宝 完成地点 物 理 与 电 信 工 程 学 院 实 验 室 2015 年 5 月 31 日OFDM 的基本原理和关键技术研究陈悠（陕西理工学院物理与电信工程学院通信 1103 班，陕西 汉中 723003）指导教师：王桂宝摘 要 OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)是未来移动通信中具有应用前景和竞争力的一项技术。该技术具有频谱利用率高、抗衰落能力强、调制和解调容易实现等优点。但是对时频偏差非常敏感，特别是载波频率偏差。当存在频率偏差时，子载波之间的正交性遭到破坏，从而引起严重的载波间干扰。在 OFDM 系统中，进行精确的时频偏差估计非常重要。因此，本论文围绕 OFDM系统中的同步问题开展研究。本文所做的工作主要有：首先，介绍了 OFDM 系统原理，对系统存在的关键技术进行了探讨，建立了 OFDM仿真系统。并对系统存在的优缺点进行了分析和归纳。其次，研究了 OFDM 系统中的同步原理，并分析了系统中存在的载波同步偏差、样值同步偏差、符号定时同步偏差对系统性能造成的影响。第三，对基于循环前缀的同步算法进行了理论分析和仿真实现，提出了一种充分利用循环前缀和相对应部分相关性的改进算法，这是以后研究的重点最后，对本毕业设计做出了总结和展望关键词正交频分复用（OFDM);同步;符号定时偏移估计；频率偏移估计Research on basic principle and key technology of OFDMChenYou(Grade 11,Class 3,Major of Communication Engineering，School of Physics and telecommunication Engineering of Shaanxi University of Technology, Hanzhong 723003,China)Tutor: Wang GuibaoAbstract: Orthogonal Frequency Division Multiple (OFDM) is an effective and promising technique in future mobile communications. It has efficient bandwidth utilization and the robustness against Multi-path delay, and else it is easier to implement the modulation and demodulation. But OFDM is very sensitive to symbol timing offset and carrier frequency offset. When there is a carrier frequency synchronization error in OFDM systems, the orthogonality between sub-carriers cant be maintained, serious inter-carrier interference is introduced. Therefore precise timing and frequency offset estimation is very important for OFDM systems. So we study the synchronization of the OFDM systems in the thesis.Main works in the thesis:Firstly, the principle and the primary technology of OFDM systems is introduced in the article, in addition it introduces the advantages and disadvantages of the OFDM systems.Secondly, we study the synchronization principle and analyze the performance influence in OFDM systems which have the errors of timing synchronization、frequency synchronization and the sampling rate synchronization.Thirdly, the synchronization algorithm based on cyclic prefix of theory analysis and simulation implementation, put forward a kind of make full use of the cyclic prefix and the corresponding part of the correlation of the improved algorithm, which is the focus of future research.Finally, the graduation design made a summary and outlook Keywords: orthogonal frequency division multiplexing；synchronization；symbol timing offset estimation；frequency offset 目录1、 绪论 .11.1 研究背景 .11.2 国内外研究现状 .21.3 本文的主要工作及内容安排 .32、OFDM 系统原理及关键技术 .42.1 OFDM 系统原理 .42.1.1 OFDM 系统的基本模型 .42.1.2 OFDM 系统的调制和解调原理 .42.1.3 保护间隔和循环前缀 .62.1.4 建立 OFDM 系统仿真模型 .82.2 OFDM 技术的优缺点 .102.3 OFDM 系统的关键技术 .112.4 本章小结 .123、 OFDM 系统的同步技术分析 .133.1 OFDM 系统中的同步原理 .133.2 同步偏差对 OFDM 系统性能的影响 .183.2.1 载波同步偏差分析 .183.3 OFDM 系统的同步算法 .183.4 本章小结 .204、 基于循环前缀的同步算法 .204.1 基于循环前缀的 OFDM 联合同步算法 .204.1.1 ML 估计原理 .204.1.2 ML 算法仿真估计 .224.2 本章小结 .245、 总结与展望 .245.1 全文总结 .245.2 进一步的研究工作 .25致谢 .26参考文献 .27第 1 页 共 34 页1、 绪论1.1 研究背景近年来，移动通信技术发展迅速，已经从第一代模拟通信系统过渡到第二代数字通信系统，并已经开始第三代移动通信系统的商业化部署和第四代移动通信技术标准的研究，网络的不断升级换代带来了传输速率的不断提高，第三代移动通信系统最大传输速率可达到 2Mbps。但是移动用户对信息传输速率的要求不断增加，未来移动通信将朝着高速率传输方向发展。 但是实际情况下由于无线信道的复杂性，存在不同程度的衰落和各种干扰，限制了信息速率的进一步提高。OFDM 技术可以有效克服频率选择性衰落和多径传播造成的 ISI(Inter-symbol Interference)，提高信息的传输速率，已引起了国内外广泛关注和研究。OFDM 是一种特殊的多载波传输方案，多载波调制本质上是一种频分复用(FDM, Frequency Division Multiplex)技术。FDM 技术早在 19 世纪以前就已经被提出，FDM 技术复杂性高，频谱利用率低。为了提高 FDM 技术的频谱利用率，G.A.Doelz 等在 20 世纪 50 年代提出了 Kineplex 系统 1，该系统提高了系统的频谱利用率，但是此系统仍采用了传统的多载波调制 2。美国军方在此时也创建了世界上第一个 MCM(Multi-carrier Modulation)系统，在 1970 年衍生出了采用大规模子载波和频谱重叠技术的 OFDM 系统。但在很长一段时间内 OFDM 技术由理论向实践迈进的过程放慢了。由于 OFDM 的各个子载波之间相互正交，S.B.Weinstein 和 P.M.Ebert 提出了使用离散傅立叶(DFT, Discrete Fourier Transform)实现多载波的基带调制和解调 3，这样便不再对每个子载波都使用模拟前端，从而降低了系统的复杂度，为 OFDM 的演进过程做出了巨大的贡献。另外，Weinstein 等提出了通过插入一段空白区作为保护间隔来消除符号间干扰(ISI) 2，但这种办法不能保证信号经过色散信道后各子载波仍然保持正交，为此，A.Peled 和 A.Ruiz 提出了采用循环前缀(CP , Cyclic Prefix)的方法保证信号经过色散信道后仍然保持各子载波之间正交性 4。至此，现代 OFDM 的概念便形成了。又由于大规模集成电路和数字信号处理(DSP , Digital Signal Processing)的迅速发展，使得 OFDM 迅速登上了通信的舞台，逐步迈入数字移动通信的领域。 OFDM 技术已经成功地应用于非对称数字用户线、无线本地环路、 数字音频广播、数字视频广播、无线局域网、 IEEE 802.16 Broadband Wireless Access System 等系统中。DAB 是在现有模拟 AM(Amplitude Modulation)和 FM(Frequency Modulation)音频广播的基础上发展起来的，它可以提供更优质的语音质量、更新的数据业务以及更高的频谱效率，它所提供的语音质量可以与 CD(Compact Disc)音质相媲美 5。1995 年，由 ETSI(European Telecommunications Standard Institute) 制定地 DAB(Digital Audio Broadcasting)标准，成为第一个使用的 ODFM 标准。接着在 1997 年，基于 OFDM 的 DVB(Digital Video Broadcasting)标准也开始采用。在 ADSL(Asymmetric Digital Subscriber Line)应用中， OFDM 被当作典型的离散多音频调制技术，成功地应用于有线环境中，可以在 1MHz 带宽内提供高达 8Mbps 的数据传输速率。1998 年 7 月，经过多次修改之后，IEEE802.11 标准组决定选择 OFDM 作为 WLAN 的物理层标准 6。1999 年 IEEE802.11a 通过了一个 5GHz 的无线局域网标准， OFDM 调制技术作为其物理层标准。欧洲电信标准协会(ETSI)的宽带射频接入网(BRAN, Broad Radio Access Network) 的局域网标准也把 OFDM 定为它的标准调制技术。 1999 年 12 月，包括 Ericsson、Nokia 和 Wi-LAN 在内的 7 家公司发起了国际 OFDM 论坛，致力于策划一个基于 OFDM 技术的全球性统一标准。2001 年 11 月， OFDM 论坛的固定无线接入工作组向 IEEE802.16.3 城域网委第 2 页 共 34 页员会提交了一份建议书，提议采用 OFDM 技术作为 IEEE802.16.3 城域网的物理层(PHY , Physical Layer)标准。随着 IEEE802.11a 和 BRAN HiperLAN/2 的两个标准在局域网的普及应用，OFDM 技术将会进一步在无线数据本地环路的广域网领域做出重大贡献。OFDM 由于其频谱利用率高、成本低等优点越来越受到人们的关注。随着人们对通信数据化、宽带化、个人化和移动化的需求，OFDM 技术在综合无线接入领域将越来越得到广泛的应用。随着 DSP 芯片技术的发展，傅立叶变换/反变换、64/128/256QAM 的高速 Modem 技术、格状编码技术、软判决技术、信道自适应技术、插入保护时段、减少均衡计算量等成熟技术的引入，人们开始集中精力开发 OFDM 技术在移动通信领域的应用，预计 3G(The 3rd Generation)以后移动通信的主流技术将是 OFDM 技术。但是该系统也存在一些缺点： 对频偏和相位噪声很敏感。 由于多普勒效应及发送端和接收端的振荡器带来的频率偏移，将会使子载波的正交性遭到严重的破坏，信噪比大幅度下降，使系统的误码率提升，解调性能很差，不能很好地恢复所要发送的信息。要想实现 OFDM 技术的一些优点，其同步技术是非常关键的一步， 已是当今通信领域的研究热点。 因此,本文围绕 OFDM 系统中的同步问题开展研究和探索分析。1.2 国内外研究现状OFDM 系统的同步任务包括时间同步和载波频率同步，时间同步的目的是确定 OFDM 符号的开始位置以对数据进行多载波解调，载波频率同步的任务是解决发射机和接收机由于载波频率不一致或多普勒频移造成的信号幅度衰减和子载波信道间干扰问题。其中， 时间同步通常按功能和操作过程进一步分为符号定时同步和采样时钟同步，符号同步就是确定 FFT 开窗位置，采样时钟同步是使收发两端的采样频率保持一致。在一个 OFDM 系统中，基本的同步顺序是：首先做的是符号定时同步，即找到 OFDM 符号的起始位置，然后进行频率同步，包括细频率同步和粗频率同步，得到估计的频偏值之后，在把信号送入 FFT 模块解调之前，纠正频偏，消除 ICI(Inter-Carrier Interference)的影响。最后可以进行精确的定时同步，得到 FFT 的起始点。通常，定时粗同步和小数倍频偏估计可以组合成一个联合估计模块。OFDM 系统的同步方法可分为数据辅助的同步方法和非数据辅助的同步方法。数据辅助的同步方法利用训练序列或导频符号进行同步估计，该方法捕获快、精度高而且一般计算量也较小，其缺点是降低了系统的传输效率。 在这类方法中，较早的具有代表性的一种是由 Classen 提出的方法 7, 该方法利用散布在两个 OFDM 符号频域子载波上的导频数据进行频率的捕获和跟踪，其捕获过程是在一定范围内进行小步进的盲搜索，由于计算量很大，不能应用于具体的系统中。T. M. Schmidl 和 Cox 在文献 7的基础上提出了一种改进的联合载波同步和符号定时同步的算法 8， 在文献 8中采用两个训练序列，第一个训练序列前后两半相同，用于符号定时和小数倍频偏估计，第二个训练序列完成整数倍频偏估计， FFT 将经过小数倍频偏补偿之后的训练序列变换到频域，利用前后两个训练序列的差分关系，通过移位搜索估计整数倍频偏，该算法在每个 OFDM 符号中使用了两个训练序列，大大降低了系统的传输效率。由 Y. H. Kim 等人对文献 8提出了一种改进算法 9,该算法用一个训练序列便能完成符号定时和频偏估计，该算法在不增加复杂度的情况下达到了同样的性能，而且还提高了系统的效率，因为只使用了一个训练序列就完成了符号定时估计和频率偏移估计。Baoguo Yang 提出了另一种基于导频的完整时间同步方案 10，符号粗同步利用循环前缀的部分相关运算完成，将粗同步后的剩余误差看作物理路径的第一径时延，利用路径时延估计的方法获得符号精同步，同步跟踪主要是解决采样时钟频率偏差造成的符号定时漂移问题。文献 10中的方案虽然估计精确度较高，捕获速度也比较快，但是它只第 3 页 共 34 页能估计符号定时同步，对频偏估计无能无力。而文献 9提出的算法，虽然较文献 8有性能提高，但是该算法在整数倍频偏估计的时候采用了矢量和的模最大化的值作为估计值，造成了估计精确度不高，论文准备利用最大似然估计理论推导出整数倍频偏估计方法，希望达到提高整数倍频偏估计的精确度的性能。另一类是非数据辅助同步算法，即盲估计。 该类方法中分为基于虚拟子载波的同步估计和基于循环前缀的最大似然(ML, Maximum Likehood)估计。 利用虚拟子载波进行同步估计最早是由 Hui Liu 和 Ufuk Tureli 提出的算法 11，被称为类 MUSIC 算法。 类 MUSIC 频率同步算法估计精度高，但计算复杂度高，而且会造成系统效率的下降。Ufuk Tureli 等人为了降低类 MUSIC 算法的复杂度，又提出了 ESPRIT 算法 12。后来文献 13 通过计算接收信号自相关矩阵的秩来估计 OFDM 系统的定时偏差；文献 14利用冗余信息，即在接收端连续接收到的块之间的互相关特性估计频率偏差。这类算法总的特点是基于子空间的方法进行盲估计，充分利用 OFDM 信号的内在特点，不需要额外的辅助数据用于频率估计，但计算量较大，且虚拟子载波不能进行数据调制是对频率资源的浪费。 基于循环前缀的最大似然（ML）估计同步算法 15由 Vanbe Beek J, Sandell M 等人首先提出的，该算法是利用循环前缀与其对应部分的相关性进行同步估计的。ML 估计具有算法简单、可以同时估计定时和频率偏移、没有降低系统效率的情况下达到了估计性能等优点，但是该算法在AWGN 性能较好，不适合应用于瑞利多径信道，而且，ML 算法在频偏估计时只能估计小数倍频偏估计。针对不适合瑞利多径信道，Yang-seok Choi 等人提出的在瑞利衰落信道中利用 ML 方法估计频率偏差的算法 16、 还有很多文献 17-20都对最大似然算法进行了改进使其适合于瑞利衰落多径信道。针对频偏估计范围较小的缺点，文献 2122进行了改进，把频偏估计分为两个阶段分别进行估计。为了降低计算的复杂度，文献 23-25把 ML 迭代算法和迭代算法结合起来，使得很快就可以实现时频同步估计，文献 26-28也针对降低复杂度进行了改进。本文针对在 ML 算法中，在对利用循环前缀和其相对应部分的相关性来完成同步的过程中，发现此类算法中没有完全利用两者之间的相关性，造成了估计性能的降低。基于这一点，对 ML 算法进行了详细研究分析的基础上，对原有的基于循环前缀的同步算法改进并进行性能仿真。1.3 本文的主要工作及内容安排论文主要工作及内容如下：第一章主要讲述了论文的研究背景以及国内外研究现状。第二章给出了 OFDM 系统模型并分析了和研究了系统原理、关键技术及系统的技术特点。第三章研究了 OFDM 系统中的同步原理并分析了同步偏差对系统性能的影响，并对已有的几类同步算法进行了分析和归纳。第四章分析了基于循环前缀的 ML 同步算法 15， 基于循环前缀的同步算法利用循环前缀和相对应部分的相关性， 在接收端利用最大似然算法同时估计符号定时和频率的偏移，较好的恢复了符号定时偏差和小数倍频率偏移。 最后，对全文进行了总结并提出了进一步的研究工作第 4 页 共 34 页2、OFDM 系统原理及关键技术2.1 OFDM 系统原理OFDM 是一种无线环境下的高速传输技术，其原理是把高速的数据流通过串并变换为若干路低速的数据流，并分配到若干子信道上，即用这些低速的数据流去调制相应的子载波。这种并行传输体制扩展了符号的脉冲宽度，提高了抗多径衰落的性能。这些子载波是相互正交的， 调制后的频谱可以互相重叠， 从而提高了频谱利用率。另外，在 OFDM 符号之间插入保护间隔(GI, Guard Interval),且令其长度大于无线信道的最大时延扩展，则可以最大限度地消除由于多径而带来的符号间干扰(ISI)。如果采用循环前缀(CP , Cyclic Prefix)作为保护间隔，就可以完全避免符号间干扰（ISI）和减少子载波间的干扰。2.1.1 OFDM 系统的基本模型串并变化信号映射I F F T并串变化插入循环前缀D / A上变频下变频逆映射A / D去除循环前缀串并变化F F T并串变化信道时钟同步图 2.1 OFDM 系统的基本模型OFDM 系统基本模型如图 2.1 所示。图中的上半部分为发送端部分，而下半部分为接收端部分。一般来说，待发送的数据首先通过串并变换成 N 路并行的比特流，各支路上的信息比特数可以根据信道的频谱特性进行优化，然后各支路上的信息比特流根据各自的调制方式分别进行星座映射，得到复信号，然后经过快速傅立叶变换(IFFT, Inverse Fast Fourier Transform),再经过并串变换和加入循环前缀，通过 D/A(Digital/Analog)变换和上变频调制后，送入信道进行传输。在接收端，信号先经过下变频和 A/D (Analog /Digital)变换，然后进行时频同步，去除循环前缀，再进行傅立叶变换和信号解映射，则得到各个支路上的接收比特，再经过并串变换，得到串行的接收数据。2.1.2 OFDM 系统的调制和解调原理每个 OFDM 符号包括多个经过调制的子载波的合成信号，其中每个子载波都可以受到相移键控 (PSK, Phase Shift Keying) 或者正交幅度调制 (QAM, Quadrature Amplitude Modulation)符号的调制。如果 N 表示子信道的个数 T 表示 OFDM 符号的宽度是分配给每个子信道的数据符号， 是第 0 个子载波的载波频率，)1,0(Nid sf,则从 开始的 OFDM 符号可以表示为：2/)ttrecst第 5 页 共 34 页 tTt 0t)(2exp)()( ss10 s或Ni scs TifjTtrecdts （2.1）其中实部和虚部分别对应于 OFDM 符号的同相分量和正交分量，在实际系统中可以分别与相应子载波的 cos 分量和 sin 分量相乘，构成最终的子信道信号和合成的 OFDM 符号。图 2.2 中给出了 OFDM 系统的调制和解调框图，其中 。在接收端，将Tifci/接收到的同相和正交矢量映射回数据信息，完成子载波解调。对式（2.1）中的第 j 个子载波进行解调，然后在时间长度 T 内进行积分，即：jNiTti st Ni ssj dttjijd dttTijtjss 10 10)(2exp( )(2exp)(（