OFDM同步技术毕业设计

科 毕 业 论 文 基于 （部）名称： 电子信息与电气工程学院 专业班级： 通信工程（专升本） 11 级 2 班 学生姓名： 张文龙 学 号： 201102080055 指导教师姓名： 黄媛媛（校外 ） /杨丽飞（校内 ） 指导教师职称： 工程师（校外） /讲师（校内） 2013 年 5 月 毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不 包含我为获得 安阳工学院 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。 作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日 期： 使用授权说明 本人完全了解安阳工学院关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学 校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 作者签名： 日 期： 目 录 摘要 . I . 言 . 1 第一章 绪 论 . 2 题选题的背景与意义 . 2 究 步的分类和成果 . 4 第二章 统概述 . 6 本原理 . 6 循环前缀的作用 . 8 统中的同步 . 10 第三章 步问题 . 12 统同步的综述 . 12 统同步的原理 . 13 统中的同步要求 . 13 波同步 . 14 号同步 . 14 值同步 . 15 第四章 相位补偿 . 16 导频的相位补偿算法 . 16 频辅助的相位补偿算法 . 17 频设置方式 . 18 法分析 . 18 第五章 统基于训练序列的同步算法设计与仿真 . 21 统介绍 . 21 有同步算法介绍 . 22 间同步算法 . 22 于训练序列的符号定时同步 . 23 于滑动窗的检测符号能量变化的算法 . 23 波频偏估计算法 . 24 于训练序列的同步算法 . 24 步训练序列 . 24 真结果 . 26 结 论 . 29 致谢 . 30 参考文献 . 31 I 基于 线通信系统中同步技术仿真与研究 摘要 :正交频分复用（ 一种多载波调制技术，能够有效对抗多径衰落和符号间干扰，并且具有频谱利用率高的特点，被认为是下一代移动通信的关键技术。但 别是载波频率偏差，对同步提出了更高的要求。 本课题是 对第四代移动通信系统关键技术 正交频分复用（ 术进行研究。术虽然具有前三代通信技术所不具有的优点，如频谱利用率高，数字化实现简单，抗多径干扰、抗衰落能力强等，但是也有一些缺点如峰均功率比高，同步问题敏感是需要进一步研究与改进的。主要针对 同步问题的三个部分：定时同步，频率同步，采样同步进行研究。目前这三种同步使用的算法分为非数据辅助型和数据辅助型两种。主要工作是研究定时同步和频率同步的联合同步，对目前数据辅助型之中的基于训练符号的同步算法进行分析并提出改进方案。在阅读大量参考文献 的基础上， 最后介绍了 于训练序列的同步算法设计与仿真， 它能有效地降低验证了它的有效性。 关键词 正交频分复用；时间同步；频率同步；频率跟踪；相位补偿 is a of is to be of is to is of of as to is to is at in s is to on of is on it of 引 言 本论文对 要包括：阐述 在理想无噪条件下对 析 ,对系统中各点信号进行 时域、频域分析，在此基础上提出了 分析了相位误差对解调信号的影响，并提出了两种相位补偿算法。在单求相位差的算法只能部分纠正信号星座图的旋转，而利用导频辅助 的方法效果要更好，能很好地解决接收信号星座图旋转问题。本文首先介绍了 细介绍了 要包括 谱结构，以及过采样、加循环前缀等关键技术，然后对无线移动衰落信道的特性进行了介绍，提出了 后主要研究了 要包括时间同步、频率同步和采样同步，并对 后为 先介绍了 间同步和载波同步的研究现状， 然后提出了一种基于 训练 序列的定时和频偏估计算法，对该算法的同步原理进行了分析并给出了仿真结果，最后介绍了一种基于 析了相位误差对接收信号的影响，然后提出了两种相位补偿算法，其中重点分析了导频辅助的相位补偿算法，包括导频的设置方式及算法原理。最后介绍了一种 2 第一章 绪 论 题选题的背景与意义 到目前为止，开始于 20世纪 80年代中期的第一代模拟移动通信系统的商用，短短几十年我国的移动通信系统就经历了第二代数字移动通信系 统 2至第三代移动通信系统 3署和第四代移动通信系统 4动通信的发展可谓日新月异。在温总理的政府工作报告中也重点提及了通信技术，表明其对人们的生活起了很大变化。移动通信系统按照所提供的业务可分为不同的发展阶段。移动通信和无线领域有着非凡的历史，从马可尼在 1899年的第一个跨大西洋传输到今天超过 40亿人采用全球蜂窝移动服务，跨越了一个世纪的技术创新。第一代采用频分多址 提供语音业务。它的频谱利用率低，信令会干扰语音业务。第二代数 字移动通信系统以采用时分多址 第一代移动通信系统相比，采用广义最小移键控调制，编码块和时分多址 6kb/100kb/是，第二代数字蜂窝系统只能提供话音和低速数据业务的服务，因具有服务种类少、掉话概率高、传输速率低、移动性差，而且不同的网络之间也无法实现资源共享等缺点，已经不能满足人们日益增长的需要。以 些 3适应调制，卷积编码和 峰值服务比特率。但是一些服务运营商正在其数据传输速率至少为 384找更好为他们的移动宽带服务的技术，更好地推进 4是 4 正交频分复用 (术开始走入人们的视野，成为目前研究的热点。 0世纪 60年代末，以减少紧挨的传输信道频率之间的干扰而作为主题的研究方法。目前， 地面数字视频广播 (、系统中得到了应用。增加 是数据密集型，从而要求更高的速度。因为 以 且在价格上使得 的技术，其应 用前景将更加广阔。 所以飞速发展，是因为拥有许多显著的优点： （ 1） 方面是由于 子载波在波形上相互正交，所以频谱的增益很高；另一方面子载波上采用多进制调制（如频谱效率很高的 有效地提高了系统的频谱利用率。 （ 2） 杂度大大降低。 调过程用 成，只需使用一个专用的 免了使用多组振荡源和分离信号的带通滤波器组，降低了复杂度 。 （ 3） 抗多径延时扩展的干扰、抗衰落能力强。 得数据流从高速变为低速，从而得以削弱多径时延扩展引入的符号间干扰 了让 P，只要当信道的最大延迟时间小于 会混淆数据信号，可以有效地抵抗多径衰落的影响，高速数据也可以在多径环境和衰落信道中传输。 总之， 前使用最多的 是在宽带无 线信道中，扩频因为不能保证子载波的正交性，使得频谱扩展的很宽，不适宜传输了。还有其他单纯的多幅度调制，不能与 星座图受干扰，造成误码率很高。然而 为它本身的并行传输，抗 信道中体现非常强的鲁棒性。 尽管 术有很多优点，但是也有一些问题值得我们去探讨： （ 1） 存在峰均功率比（ 问题 。高 展的一个技术难题。它产生的原因正是由于它的相互独立的经过调制的多载波性质。因为 果它们的相位相同，得到的峰值就会是均值的 样一来高 产生频谱扩展。更有当放大器的动态范围跟不上信号的变化，就会引起带内失真，从而使系统性能恶化。 （ 2） 同步问题。 率偏移能够造成子载波正交性的破坏，这种偏移源于例如多普勒频移或者由 于发射机载波频率与接收机 4 本地振荡器之间存在的频率偏差，会引起 时严重的频偏将造成信号无法正确解调，使 时还会影响符号定时和帧同步性能。 究 步的分类和成果 由于同步技术对 此 接收端 符号定时同步、载波频率同步和采样时钟同步三种功能。 法和数据辅助型 (法。下面对这两类算法的研究现状进行分析。 非数据辅助型 (法，它通常利用循环前缀、虚子载波或成型滤波后 据的循环平稳性进行估计。由于只是利用自身的特性，没有插入训练符号，传输效率提高，但是速度慢，同步精度较差，通常仅适用于连续型数据传输系统。数据辅助型 (法，在面向分组的 常在 而完成同步参数的初步估计的获得。由于完成过程捕获速度快、同步 精度高，因此数据辅助型算法就被文献广泛的研究。 符号定时同步算法在 好多文献中都有研究。其中 后又出现了各种演进算法。 1997， 算法使用两个训练符号进行符号定时同步，第一个训练符号用来估计定时同步和小数频偏，第二个训练符号用来估计整数频偏。定时同步是通过在第一个训练符号中寻找前后相同两部分的最大相关值来实现的，但是由于循环前缀 (存在，定时同步不正确位置也 会出现较大相关值，从而出现定时估计平台现象，造成定时估计精度不高。针对 献都通过改变训练符号的结构，分别提出了定时同步的改进算法。但是由于训练符号的循环前缀对定时同步的影响，重新设计定时测度函数，只在正确定时位置产生尖锐的峰值，提高定时估计性能。 复部分增大了单个训练符号的频偏估计范围。新的定时估计方法是灵活的，可以根据信道失真度调整。利用 周期序列联合提出的定时和频率估计算法。由于 列恒包络自相关性的良好特性，可以提高 此近几年的文献对基于 列的同步算法进行了广泛的研究，并且得到更多的应 5 用。有些算法基于 的是结合已有的算法提出改进方案，有的是利用 率同步的算法也可以分为数据辅助 (计和非数据辅助 (计两种。但是主要数据辅助这类算法非常多，其中比较有代表性的算法如 P. H. ，利用连续传输的两个同步符号进行载波频偏估计。本文的重点就是研究该类算法。非数据辅助这类算法又称盲估计，是以 出的最大似然算法为代表，估计范围仅限于 有一种算法是借助虚载波进行载波频偏估计，iu 高了数据传输效率。既然称为盲估计，它是利用 性质 ,如利用数据经过成型滤波器之后的循环平稳特性估计或利用 同步可分为全盲和半盲同步。全盲同步只可使用输出的数据，而半盲同步则除了可借助接收数据本身的信息外，还可利用其它的辅助信息。实际中通常采用基于利用二阶统计量的方法，如基于子空间分解和基于循环平稳性的同步方法。采样同步同样可以分为数据辅助和非辅助两大类。利用最大似然 法来解决在实践中不好实现的二维网格搜索。很多文献也利用数据辅助进行采样跟踪，用同一符号中相邻导频的相位差来进行估计，或者利用相邻不同的导频幅度和相位差分来估计。 6 第二章 统概述 本原理 正交频分复用 多载波调制方式的一种， 射信号的由来实质是高速率的数据流串并变换为低速率的 后用它们分别去调制 将调制后的信号相加得来的。带宽为 B，码元速率为 R，码元周期为 个子信号，并行传输后码元速率为 R/N，码元周期为T=用 个子载波，最后进行叠加运算形成 )2ex p ()( 10fk k k （ 2 其中 f k 为一组正交子载波，各个子载波中心频率之间的关系为 k = 0,1,.)。 经过信道传输后，在接收端，输入信号分为 别用 于子载波的正交性，可以在接收端完成不受干扰的信号提取，从而实现了信号不失真传送。 （ 2 求各个子载波都是正交性，则要满足下式积分形式： （ 2 对式 2采样频率为 t=(n=0,1,1)的采样，得到 （ 2 7 因此 图 2的一个 域符号包含了 4 个子载波。假设其中所有的子载波都具有相同的幅值和相位。 图 2域 号间的子载波示意图 8 从图上可以看出，每个子载波在一个 且每个相邻的子载波之间相差的周期数为 1。很显然它们的中心频率满足式 2明各自之间具有正交性。 2出了相互覆盖的各个子信道 内经过矩形波形成型得到的符号 每一子载波频率的最大值处，所有其它子信道的频谱值恰好为零。由于在对 号进行解调的过程中，需要计算每个子载波上取最大值的位置所对应的信号值，因此可以从多个相互重叠的子信道符号频谱中提取出每个子信道符号，而不会受到其它子信道的干扰。由图 2可以看出 ，因此提高了频谱的利用率。 图 2谱之间的子载波 循环前缀的作用 系统能非常有效地对抗多径延迟扩 展。由于无线信道的时变性，该多径时延扩展会引起符号间的干扰（ 为了尽可能消除 信息符号中插入保护间隔，并使保护间隔时间宽度来的比信道的最大时延扩展更大些，使 是如果保护间隔为空，尽管两个符号间的 克服，但子载波间的正交性将不再具备，如图所示，假设第一路保持不动，由于信道时延扩展，第二子载波的频谱值在第一子载波频率最大值处，不再为零，所以载波间干扰（ 产生。 9 图 2径信道时延破坏子载波正交性示意图 为了更好地消除 入循环前缀替 换保护间隔。循环前缀是相应 文中为了保证训练符号能够完整的被保留，更好的被利用其性质进行时频同步，在训练符号前端也会加入循环前缀，但是与之带来的影响，就是后来我们要着重分析和解决的。 图 2有循环前缀的 号 为循环前缀是 面一部分数据的拷贝，这样当最大时延扩展小于循环前缀时，使得在 分区间， 号的时延副本所包含的波形周期个数也是整数，这样第二子载波的时延信号就不会在解调过程中产生 10 图 2 g 统中的同 步 发系统的整个具体工作流程是基带信号 (二进制码元 )经过信道编码 ,交织后映射到 时变成了复数序列，再经过串并变换变成并行数据流，经过 成频谱的正交叠加，再通过并串变换，在符号间插入循环前缀 后数模转换后把信号搬至工作频率，完成射频载波调制后对其发送。接收端做降频处理之后把收到的信号数字化，同步到符号定时点和频率偏差位置，去除 经 经并串变换、信号逆映射、解交织、信道解码一系列变换恢复出原始数据。 流程中存在符号同步，载波同步，采样同步这三种形式同步。它们在 发系统中具体实现的位置见图 2 图 2统框图及同步 位置 在一个 过利用 点的 k X 上，从而产生x(n)。长度为 于消除符号间干扰，还可以消除由于多径传播造成的载波干扰 (它被附加在 x(n)的前面，如下式所示 由于使用了循环前缀 ( 11 频域，信道的作用表现为一个乘性干扰和一个加性干扰，从而信道的均衡也变得极为简单。 （ 2 然后， 为信道的多径数目， 时也会受加性高斯白噪声(接收端在忽略时间和频率的偏移的情况下，接收信号的形式是 （ 2 其中 *表示卷积运算，若存在符号定时偏移 和频偏 ，接收信号移除 r(n) = y(n ) n / N) + w(n) 0 n N 1 （ 2 其中 （ 2 12 第三章 步问题 同步技术是任何一个通信系统都需要解决的实际问题，其性能直接关系到整个通信系统的性能。可以说没有准确的同步算法，就不可能进行可靠的数据传输，它是信息可靠传输的前提。当采用同步解调和相干检测时，接收端需要提供一个与发射端调制载波同频同相的相干载波，这种获取相干载波的过程就 称为载波同步。对于数字通信，接收端的最佳采样时刻对应于每个码元间隔内接收滤波器的最大输出时刻，因此，对于数字通信，除了载波同步的问题，还有符号同步的问题，如图 3号同步的目的是使接收端得到与发送端周期相同的符号序列，并确定每个符号的起止时刻，进而实现块同步或帧同步。 图 3数字通信系统中的 载波同步和符号同步 统同步的综述 对于 然也不可避免的存在载波同步和符号同步问题。但是由于每个 转换的 以在 上述数字通信系统中的载波同步和符号同步之外，还应包括样值同步 。 括样值定时同步和样值频率同步。在 号同步的目的是使接收端确定每个 确定准确的 进一步实现块同步或帧同步。样值定时同步是为了使接收端确 定每个样值符号的起止时刻；样值频率同步则是为保证使接收端有与发送端具有相同的采样频率而设计的。 A/D 符号帧同步 解码 13 统同步的原理 在发送端，串行发送的数据流 先经过串 /并转换变成并行的数据流，进行逆傅立叶变换，再经并 /串转换后得到数据流 插入循环前缀得到 再进行数模转换后得到模拟信号 调制到载波 ，送到信道中进行传输。接收端的处理过程与发送端的处理过程刚好相反。 发送端各点的信号可表示为 1,2,1,0,1 102 （ 3 1, 1,0 n 3 10 （ 3 其中 G 为所加循环前缀的样值符号数，一般应不少于信道多径时延扩散的符号数；发送端的脉冲成形波形； 发送符号的抽样间隔（样值频率 倒数，即ss ）， 为 了便于研究，可假设满足理想抽样定理，且若不考虑循环前缀影响，则有近似表达式 1021 （ 3 统中的同步要求 在单载波系统中，如果存在频率偏差，会使接收信号产生一定的衰减和相位旋转，这种不利的影响当然可以通过均衡器来消除。而对于多载波系统来说载波频率的偏移所带来的影响比单载波系统严重的多 。尤其在 求各个子载波互相正交。如果有频率偏移，这种正交性会遭到严重的破坏，所 以 14 波同步 00yf ， ,(3 0s 1, (3 可见，载波相位偏差只带来输出信号相位偏转，不会带来 0 ， 0yf ， ,(3 0s 1, （ 3 所 以 f 的存在不仅带来输出信号的相位偏转，而且使输出的期望信号的幅度随从发生变化，这将破坏各载波之间的正交性，还会带来其它子载波对期望子载波的干扰，引起 根据文献：当载波频率偏差从不随时间变化时，损失的 与载波总数 对于 了使 需使 。 号同步 00 ， 0 2,（ 3 0s i ns i n 211, （ 3 因此，符号定时偏差和载波相位偏差一样，只带来输出信号相位偏转，不会带来 00 ， 0， 15 s （ 3 s i ns i n （ 3 可见，样值间隔偏差 的存在使得期望信号的幅度发生了变化，破坏了子载波之间的正交性 于 0 使得接收端的采样频率和发送端的采样频率不一致，接收端按照 为周期进行采样，与发送端实际的样值之间就存在 一个小偏差 。 值同步 当只存在样值相位偏差时， 00 ， 0， 2, 1 （ 3 0s , (3 可见，此时样值相位偏差只会带来期望信号的相位偏转，不会带来 上所述，当 0 0 ，无论 、 、 取何值，均有 NI , 和 NI , ，即载波相位偏差、样值定时偏差和符号定时偏差对系统性能的影响基本是一致的，只引起接收信号相位偏转；而载波频率偏差 和样值间隔偏差 对系统性能的影响也是一致的，不但引起接收信号的相位偏转，而且导致符号幅度发生变化，从而导致子载波之间的 此，在 波频率偏差和样值频率偏差的估计比相位偏差和定时偏差的估计更重要。 16 第四章 相位补偿 接收端对 率偏差控制在很小的范围内 ，能够满足 此时系统中还存在着相位偏差，利用锁频环路只能纠正频率的偏差，不能纠正相位偏差。相位偏差的存在会影响接收信号的相位和幅度，此时直接进行解调会出现比较高的误比特率。在实际系统中，产生相位偏差的原因有两方面：一方面由于无线信道的时变性，特别是在高速移动信道中，不同时刻到达接收端的信号相位不同，随时间变化的相位对信号中各个子载波的影响相同，具体表现是星座图的整体相位旋转；另一方面，由于信号源的不稳定性，输出信号中存在相位噪声，在相干解调中对信号会造成干扰，不仅会引起星座图的相 位偏移，还会破坏子载波间的正交性，引起载波间的信号干扰（ 但是当相位噪声的方差比较小时，子载波干扰可以忽略，而由此引起的相位旋转对系统的影响更为严重。接下来重点对相位偏差的补偿进行研究。在同一个 同的子载波受到同一个公共相位旋转因子的影响，表现为整个信号星座的旋转。在不同的符号之间，相位旋转因子不同，因此必须在时间上对相位偏差进行连续的估计和补偿。频率跟踪后，在频域完成相位偏差的估计与补偿，其中一种简便的方法是对 后求取判决前后子载波数据的相位差，将每个符 号内的平