（信号与信息处理专业论文）ofdm系统同步技术研究.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 o f d m 是一种高速多载波传输方案，具有抗多径衰落的能力和极高的频 谱利用率，作为一种新一代移动通信( b 3 g 或4 g ) 技术，己经引起广泛关 注并被成功地应用于宽带无线数字通信标准。与单载波系统相比，o f d m 系 统存在多个正交子载波，导致同步误差不但会引起符号间干扰，还会引起信 道间干扰。因此，同步是o f d m 系统的关键技术。本文主要研究o f d m 传 输系统的同步技术。 本文首先介绍了课题的研究背景：包括o f d m 的发展历程、应用、优缺 点，并对已有的o f d m 系统的同步算法文献作了简要回顾；其次，讨论了 o f d m 系统的基本原理：包括o f d m 的基本思想、调制与解调原理、保护 间隔及循环前缀、系统模型，并对o f d m 系统的关键技术做了介绍；然后， 通过理论推导与计算机仿真分析了o f d m 的同步原理及两种主要同步误差 ( 频率偏差、定时偏差) 对系统性能影响；接着，重点分析了o f d m 系统定 时同步和频率同步的几种传统算法，即基于循环前缀和基于辅助数据的同步 算法，并通过仿真分析比较了各自在a w g n 信道和多径衰落信道下的估计 性能。在对已有同步算法研究的基础上，提出了一种循环前缀和重复p n 序 列相融合的o f d m 频率同步改进算法。此方法利用重复p n 序列作频率粗同 步，利用循环前缀作频率精同步。这种方法与仅仅使用重复p n 序列方法相 比，有效的提高了估计性能，克服了大频率偏移估计范围与高精度不能兼顾 的缺点。通过仿真验证分析，可以看到在a w g n 信道和多径衰落信道下频 率同步的性能都大大提高。 关键词：正交频分复用( o f d m ) ；同步：定时偏差；频率偏差 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t o f d mi sah i g h - s p e e dm u l t i - c a r r i e rt r a n s m i s s i o ns c h e m e ，w h i c hi sr o b u s tt o m u l t i p a t hf a d i n g a n dh a s h i g hs p e c t r u me f f i c i e n c y a s ab 3 go r4 g c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , i ta t t r a c t sw i d ea t t e n t i o na n dh a sb e e na d o p t e di n m a n y 丽d e b a n dw i r e l e s sd i g i t a lc o m m u n i c a t i o ns t a n d a r d s c o m p a r i n g 谢t h s i n g l ec a r r i e rs y s t e m , o f d ms y s t e mh a s an u m b e ro fo r t h o g o n a ls u b c a r r i e r s s y n c h r o n i z a t i o no f f s e tw o u l dc a u s es e v e r ei n t e r - c h a n n e li n t e r f e r e n c eq c r ) a n d i n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c e ( i s i ) t h e r e f o r e ，s y n c h r o n i z a t i o ni se x t r e m e l yc r u c i a l t oo f d ms y s t e m s 加bs y n c h r o n i z a t i o nt e c h n i q u e sf o ro f d ms y s t e m sa r e s t u d i e di nt h i st h e s i s t ob e g i nw i t h , t h er e s e a r c hb a c k g r o u n da n dr e s e a r c hs t a t u so ft a s ka r e p r e s e n t e d t h e r e i n t o ，t h e r e s e a r c h b a c k g r o u n d i n c l u d st h e d e v e l o p m e n t , a p p l i c a t i o n , t h ea d v a n t a g e s a n dd i s a d v a n t a g e so fo f d mt e c h n o l o g y 邢1 e p r i n c i p l eo fo f d ms y s t e mi s a l s od e s c r i b e d , i n c l u d i n gb a s i cc h a r a c t e r i s t i c s ， p r i n c i p l eo fm o d u l a t i o na n dd e m o d u l a t i o n , g u a r di n t e r v a la n dc y c l i cp r e f i x ，m o d e l o fo f d ms y s t e m i na d d i t i o n , t h ek e yt e c h n o l o g i e so ft h eo f d ms y s t e ma r e i n t r o d u c e d 啊1 es y n c h r o n i z a t i o np r i n c i p l ea n dt h ee f f e c t so fs y n c h r o n i z a t i o n o f f s e to nd e m o d u l a t i o np e r f o r m a n c ea r ed i s c u s s e di nt h e o r ya n ds i m u l a t i o n sa l e d o n e ，i n c l u d i n gf r e q u e n c yo f f s e ta n dt i m i n go f f s e t 1 ke m p h a s e sa r e 内c l l s e do n t h es y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h mi no f d mt e c h n i q u e a n dt h i st h e s i s s t u d i e s ， a n a l y s e sa n dc o m p a r e ss o m es y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h m s m a n ys i m u l a t i o n sa r e t a k e ni na w g na n dm u l t i p a t hf a d i n gc h a n n e l ，t h ep e r f o r m a n c e sa r eg i v e nb y s i m u l a t i o nr e s u l t s ，a n ds o m ec o n c l u s i o n sa l e g i v e n t h e nan e we s t i m a t i o n a l g o r i t h mo ff r e q u e n c yo f f s e tw h i c hc o m b i n e sr e p e a t e dp ns e q u e n c ea n dc y c l i c p r e f i xi sp r o p o s e da n dd i s c u s s e di nd e t a i la n dt h es i m u l a t i o nr e s u l t sa r eg i v e n i n t h i s a l g o r i t h m ，r e p e a t e d p n s e q u e n c e i su s e df o rc o a r s e f r e q u e n c y s y n c h r o n i z a t i o n ，a n dc y c l i cp r e f i xi s u s e df o rf i n e f r e q u e n c ys y n c h r o n i z a t i o n c o m p a r e dw i t ht h ea l g o r i t h mt h a to n l y u s e i n gr e p e a t e dp ns e q u e n c e ，t h e 哈尔滨工程大学硕士学位论文 p r o p o s e dm e t l l o dh a sm o r ep r e c i s ee s t i m a t i o na n dl a r g e re s t i m a t i o nr a n g e 1 1 1 e s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ep e r f o r m a n c eo ft h i sm e t h o di se v i d e n t l yi m p r o v e d i na w g na n dm u l t i p a t hf a d m gc h a n n e l k e yw o r d s ：o f d m ；s y n c h r o n i z a t i o n ；t i m i n go f f s e t ；f r e q u e n c yo f f s e t 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下， 由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献等的 引用己在文中指出，并与参考文献相对应。除文中己经注明 引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开 发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体， 均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律 结果由本人承担。 作者( 签字) ： 互立宦一 期：上j o 弓年3 月j 弓日 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第l 章绪论 1 9 0 1 年马可尼使用8 0 0 k h z 中波信号进行了从英国到北美纽芬兰的世 界上第一次横跨大西洋的无线电波通信试验，开创了人类无线通信的新纪元。 无线通信逾百年的发展历史大约可以分为三个发展阶段：2 0 世纪初2 0 世 纪中为短波通信时代，2 0 世纪中 - 2 0 世纪末为微波通信、卫星通信和移动 通信时代，2 0 世纪末2 1 世纪则为无线通信及个人通信时代。进入2 1 世纪 以来，无线通信技术正在以前所未有的速度向前发展。随着用户对各种实时 业务需求的增加和互联网技术的迅猛发展，可以预计，未来的无线通信技术 将会具有更高的传输速率，为用户提供更大的便利，其网络结构也将发生根 本的变化。目前普遍的观点是，下一代的无线通信网络将是基于统一的i p v 6 包交换方式，向用户提供的峰值速度超过l o o m b i t s ，并能支持用户在各种无 线通信网络中无缝漫游的全新网络。为了支持更高的信息传输速率和更高的 用户移动速度，在下一代的无线通信中必须采用频谱更高、抗干扰能力更强 的新型传输技术。在当前能提供高速率传输的各种无线解决方案中，以正交 频分复用( o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ，o f d m ) 为代表的多 载波调制技术是最有前途的方案之一。 1 1 课题研究背景 1 1 1o f d m 技术的发展现状 多载波调匍 ( m u l t i - c a r r i e rm o d u l a t i o n , m c m ) 本质是一种频分复用技术【1 1 。 频分复用( f r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ，f d l v o 技术早在l9 世纪以前就已经 被提出，它把可用带宽分成若干相互隔离的子频带，同时分别传送一路低速 信号，从而达到信号复用的目的。在这种并行传输机制下，各子载波上的数 据速率较低，相应信号的码元符号周期就较长并且远大于信道的最大时延扩 展，从而可以有效地减小由于信道单位时延扩展引起的符号间干扰 l 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ( i n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c e ，i s l ) l h - 题。作为一项宽带传输新技术的正交频分复 用( o f d m ) 是近年来受到人们广泛关注的多载波传输技术。到目前o f d m 技 术己经被广泛应用于广播式的音频、视频领域和民用通信系统，主要的应用 包括：非对称的数字用户环路( a s y m m e t r i cd i g i t a ls u b s c r i b e rl i n e ，a d 3 s l ) ， e t s i ( e u r o p e a nt e l e c o m m u n i c a t i o ns t a n d a r d si n s t i t u t e ) 标准的数字音频广播 ( d i g i t a l a u d i o b r o a d c a s t i n g ，d a b ) 、数字视频广播( d i g i t a l v i d e o b r o a d c a s t i n g ，d v b ) 、高清晰度电视( h i g hd e f i n i t i o nt e l e v i s i o n , h d t 、d 、无线 局域网( w t r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k , w e a n ) 等。 1 1 1 1o f d m 技术的提出与模块标准化 o f d m 的思想最早在1 9 6 6 年由c h a n g 提出田，由于当时只能使用模拟滤波 器分离子载波，但是由于使用模拟滤波器实现起来的复杂度较高，所以一直 没有发展起来。 到1 9 7 1 年，w e i n s t e i n 提出利用离散傅立叶变换( d i s c r e t ef o u r i e r t r a n s f o r m a t i o n , d f t ) 来实现多载波的调制和解调p 1 ，为o f d m 的实用化奠定 了基础。由于o f d m 需要采用快速傅立叶变换( f a s tf o u r i e rt r a n s f o r m a t i o n , f f n 实现调制，要保证这种调制各子载波的正交性，必须克服许多技术问题， 而在实际应用中的实时傅立叶变换设备的复杂度、发射机和接收机振荡器的 稳定性以及射频功率放大器的线性要求等因素都成为o f d m 技术实现的制约 条件。 1 9 8 0 年，p e l e d 又提出在o f d m 符号之间插入循环前缀作为保护间隔哪， 在消除符号间干扰( i s i ) 的同时，保证系统在多径条件下仍能保持正交。至 此，形成了我们现在广泛使用的o f d m 系统的概念。 1 1 1 2o f d m 技术的快速发展 8 0 年代，如何将它用于高速调制解调器( m o d e m ) 是o f d m 研究工作 追寻的主要目标之一。此外，o f d m 技术第一次被建议使用于无线应用中， 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 但是在相当长的一段时间里由于其计算复杂度高而难以被应用于实际系统 中，特别是在便携设备中。 进入9 0 年代以来，o f d m 技术的研究深入到无线调频信道上的宽带数据 传输。随着非对称数字用户线路( a s y m m e t r i cd i g i t a ls u b s c r i b e rl i n e ，a d s l ) 调制器在高速互联网商业应用的成功，正交频分复用( o f d m ) 技术作为解决 宽带技术的有效方案，更受到大量的关注。 随着高速数字信号处理快速发展，o f d m 最终在2 0 世纪9 0 年代得以被 实际应用，明显的例证就是它被采纳为欧洲数字音频和视频广播的标准。从 相关的文献资料看，该领域的研究强度在1 9 9 6 年到1 9 9 9 年之间增长了1 0 倍，并且2 0 0 0 年出现了第一个采用此技术的无线标准( i 册e r l a n i d 。由于 它与t d m a ( t i m ed i v i s i o nm u l t i p l ea d d r e s s ) 及c d m a ( c o d ed i v i s i o nm u l t i p l e a c e s s ) p 1 相比，能处理更高的数据速率，因此可以预计在第四代通信系统中也 将使用此技术。 1 1 2o f d m 技术的应用 o f d m 技术以其强的抗多径传播性能和高的频谱利用率在无线通信中 得到了深入研究和广泛应用，是首选的宽带高速传输技术，具有广阔的应用 前景。在不久的将来，必将在高速数字无线通信领域得到广泛地应用嘲。 1 1 2 1o f d m 在无线局域网( w l a n ) 中的应用 在新一代w l a n 技术标准，美国的i e e e 8 0 2 1 1 棚欧洲e t s i 的h i p e r l a n 2 中均采用了o f d m 技术。i e e e 8 0 2 1 l a t 作在5 g h z 频带，采用o f d m 调制技术， 速率可达5 4 m b i t s 。h i p e r l a n 2 物理层应用了o f d m 和链路自适应技术，媒 体接入控$ i j ( m e d i aa c c e s sc o n t r o l ，m a c ) 采用了面向链接、集中资源控制的 t d m a t d d ( t i m e d i v i s i o n d u p l e x ) 方式和无线a t m ( a s y n c h r o n o u st r a n s f e r m o d e ) 技术，最高速率可达到5 4 m b i t s 。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 1 2 2o f d m 在宽带无线接入中的应用 o f d m 是适用于无线环境下的高速传输技术，除了无线局域网外，还在 宽带无线接入中得到了广泣应用。宽带无线接入系统是针对微波及毫米波段 中新的空中接口标准，它具有速率高、抗干扰强等特点，能够支持无线多媒 体通信，适用于商务大楼、热点地区及家庭用户的宽带接入。i e e e8 0 2 1 6 3 作组专门负责宽带无线接) k ( b r o a d b a n dw t r e l e s sa c c e s s ，b w a ) 方面的技术工 作，它己经开发t i e e e8 0 2 1 6 一系列标准，其物理层采用o f d m 技术。该标 准不仅是新一代的无线接入技术，而且对未来蜂窝移动通信的发展也具有重 要意义。 1 1 2 3o f d m 与c d m a 技术的结合 扩频码分多址( c d m a ) 己成功应用于第二代移动通信系统中，而且是第 三代移动通信系统的核心技术。但是c d m a 的容量受限于多址干扰和多径衰 落。而多载波技术对于多径干扰和符号间串扰有很强的抵抗力，因此从1 9 9 3 年开始陆续出现讨论多载波调制与扩频码分多址技术结合的文章。这些方法 可分为两类：频域扩频和时域扩频。时域扩频有两种不同的构成方法：m u l t i c a r t i e rd s c d m a ( m c d s c d m a ) 和m u l t i t o n e c d m a ( m t - - c d m a ) ；频域 扩频为m u l t i c a r r i e rc d m a ( m c c d m a ) 。 1 1 3o f d m 系统的优缺点 近年来，o f d m 系统受到众多研究者们的广泛兴趣，这主要是o f d m 系 统具有适合宽带传输的优点决定的。总结起来，o f d m 系统与传统的单载波 或一般非交叠的多载波传输系统相比，具有以下优点： 1 ) o f d m 系统使用并行的正交多载波传输，子载波上的符号时间大大 增加，减小了信道时延扩展造成的i s i 影响。同时，o f d m 系统使用长于信 道时延扩展的循环前缀，可以完全消除i s i ，信道均衡在频域变得非常简单， 极大地减小了宽带高速率数据传输系统中设备的复杂度。 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 ) o f d m 系统使用交叠的正交多载波传输，频谱效率高。传统的多载 波传输为避免各个载波之间的相互干扰，要求各个载波之间在频谱上相互隔 离，需要使用一定的保护频带来保证，频谱效率不高。 3 ) o f d m 系统可以使用基带i f f t f f t 处理来实现，不需要使用多个发 送和接收滤波器组，设备复杂度较传统的多载波系统大大下降。传统的多载 波系统由于设备的复杂度而无法实现载波数很大的系统。 4 ) o f d m 系统各子载波上的调制方式可以灵活控制，容易通过动态调 制方式分配充分利用衰落小的子载波信道，避免深衰落子载波信道对系统性 能带来的不利影响。 5 ) o f d m 系统可实现多种多址方式，如o f d m t d m a 、o f d m f h 、 o f d m c d m a 、o f d m a 、等。 同时，o f d m 系统的发送信号由于是多个正交子载波上的发送信道的 叠加，带来了o f d m 系统固有的缺点： 1 ) 易受频率偏差和时变信道的影响，造成的i c i ( i n t e r - s u b c a r r i e r i n t e r f e r e n c e ) 限制了系统的性能。o f d m 系统要求各个子载波之间相互正交， 如果收发端载波不匹配，则子载波之间的正交性容易受到破坏，会产生载波 间干扰( i c i ) ，限制了o f d m 系统在高信噪比下的性能，一般要求剩余载波频 率偏移不超出o f d m 系统子载波间隔的2 ，保证子载波上的载干比( c a r r i e r t oi n t e r f e r e n c er a t i o ，c i r ) 不小于3 0 d b 。 2 ) o f d m 系统的发送信号是多个子载波上的发送信号的叠加，当多 个信号同相相加时，叠加信号的瞬时功率很大，远远超出信号的平均功率， 导致大峰值平均功率比( p e a k - t o a v e r a g ep o w e rr a t i o ，p a p r ) ，这种p a p r 跟系 统的发送子载波数成正比，高的p a p r 对发送滤波器的线性范围要求提高， 增加了设备的代价。如果放大器的动态范围不能满足信号的变化，则会产生 信号畸变，信号频谱泄露，各子载波之间的正交性也会遭到破坏，产生干扰， 系统性能下降。 5 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 2o f d m 系统同步算法研究现状 o f d m 的同步方法可分为数据辅助的同步方法和盲同步方法p 1 。 数据辅助同步方法，利用训练序列或导频进行同步估计，精度较高而且一 般计算量也较小，其缺点是降低了数据传输效率。这类方法中，较早的有代 表性的一种是由c l a s s e n 提出的p 1 ，该方法利用散布在两个o f d m 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，计算量很大。s c h m i d l p l 对此方法进行了改进，利用两个o f d m 符号组成训练序列进行时间和频率同步，第一个符号前后两半相同，用于符 号定时和小数频偏估计，f f t 将经过小数频偏补偿之后的训练序列变换到频 域，利用前后两个符号的差分关系，通过移位搜索估计整数频偏。s c h m i d l 训练序列中导频的设计方法和c l a s s e n - - 样，都是p n 序列差分编码，两种方法 的估计范围都可达到整个o f d m 信号带宽。b o s e o ks e o 1 提出- j s c h m i d l 方法 中整数频偏估计的改进，在两个训练符号的子载波上采取m p s k 差分调制， 利用相邻子载波上相位差信息估计整数频偏，与s c h m i d l 唧方法相比不再需要 盲搜索过程，降低了计算量，而精度很接近。对s c h m i d l 唧方法的另一种改进 是y u n h e e k i m l l 2 1 提出的，整数频偏估计利用了同一个符号内相邻子载波上的 差分编码( s c h m i d l 方法利用的是相邻符号同一个子载波上的差分编码) ，因 而只需要一个o f d m 符号即可达到原来的同步性能。王亚莉u 习在y u nh e ek i l n 同步方法的基础上，进一步利用时间同步误差会导致的频域数据相位旋转原 理获得了符号精同步，使符号同步精度大为提高。s c h m i d l 方法中符号同步的 目标函数顶部比较平坦，符号定时位置存在不确定性，h m 耐1 对训练符号 的结构做了改进，改进后的目标函数比较尖锐，提高了符号定时的准确度。 k a is 时”1 在对h m i n n c l 4 1 的训练符号结构进行深入分析的基础上，提出了具有 鲁棒性的符号和频率同步的捕获算法。另外，m o o s e 哪给出了利用两个重复 的o f d m 符号估计频偏的最大似然方法，估计精度很高，还给出了估计的均 方误差计算公式，但估计范围局限在半个子载波间隔内。m o r e u i 提出了最优 线性无偏估计( b e s tl i n e a ru n b i a s e de s t i m a t i o n ，b l u e ) 的频率同步方法”， 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 其训练符号由多个重复部分组成，以计算量的增加为代价，提高了载波频偏 的估计范围和精度。 ， 数据辅助的同步方法性能与训练序列的结构有很大关系。l a m b r e t t e 提 出一种使用c a z a c ( 恒模零自相关) 序列的同步方法，每隔若干o f d m 符号 插入重复的c a z a c 序列，可以得到精确的载波频偏估计。严春林川等利用在 一个o f d m 符号内的两个重复的c a z a c 序列进行频偏估计，估计范围可达整 个o f d m 带宽，估计精度可以达至l j s c h m i d l 提出的c r a m e rr a ob o u n d ，它与利 用重复c a z a c 作同步训练序列的l 锄b r e t 甜h 1 方法不同，最大的不同在于该算 法频率粗同步是在频域完成，利用了c a z a c 序列极好的自相关特性。而 l a m b r e t t e v s l 提出的方法是在时域完成，没有利用上述性质，其频率偏移估计 范围远远小于个子载波间隔：粗同步的估计精度也没有本算法好。 t u f v e s s o n t 捌提出用重复p n 序列作为同步头，利用其优良的相关特性可以得到 精确的时间同步和频率同步。w e i n f u r t n e r 给出了一种“三明治”方式构成的 训练序列口”，由于做相关的训练序列相隔较远，可以提高载波频偏的估计精 度。 盲估计方法中最简单的是直接判决，它利用解调后码元速率数据检测相 位或频率误差，因此，估计的范围不超过码元速率的1 2 。文献 2 2 1 、【2 3 】提出的 载波频偏的最大似然估计( m l ) 方法，前者利用保护间隔进行频偏估计：后者 利用多载波信号原有的结构，提出了频率选择性瑞利衰落信道中载波频偏的 m l ，可以达到更宽的估计范围和更高的准确性。任爱锋瞄1 等人在分析具有c p 的o f d m 调制信号结构的基础上，利用虚拟载波技术以及d o a m a 础方 法，提出了一种新的载波频率偏移估计算法，该算法计算量小，容易获得频 率偏移量。在无线信道中，多径的存在影响了o f d m 系统中定时的准确性， 汪园丽圜等就此提出了一种新的基于循环前缀的符号定时同步算法及其改进 算法，利用独立的相关块之间的差异性给出定时同步位置，同时可估计出多 径时延及循环前缀的长度。子空间方法的研究在文献 2 6 1 、 2 7 1 、 2 8 1 、 2 9 】 中有描述，这些算法分别是m u s i c 算法、e s p ri t 算法，它们不需要浪费带宽， 但要求时间同步。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 总之，盲同步方法性能比利用训练符号同步的性能要差，但是盲同步算 法节约了系统资源。所以，在实际工程中，应根据具体的需要选择合适的同 步方案。 1 3 本论文的主要工作 目前o f d m 是移动通信领域的关键技术之一，它具有很多其它无线传输 技术所没有的优点，适合于高速的无线数据传输系统，具有广阔的市场前景。 o f d m 技术本身存在着一些固有的缺点，这些缺点将会使o f d m 的优点无 法充分体现出来，其中同步技术是o f d m 系统的关键技术之一，对o f d m 系统的性能具有举足轻重的影响。本文研究了o f d m 的同步技术，针对定时 偏差和频率偏差对o f d m 系统的影响进行了分析和仿真，并比较了多种同步 方法，对其中的一些算法及改进算法的性能进行了分析，并进行了算法仿真。 本文的章节安排如下： 第1 章：介绍了课题研究背景，包括o f d m 发展现状、应用与o f d m 系 统的优缺点，并介绍了国内外研究现状以及作者的主要工作。 第2 章：简述了o f d m 的系统模型、原理及关键技术。 第3 章：分析了o f d m 系统的同步原理，在此基础上主要针对定时偏差、 载波频率偏差对o f d m 系统性能的影响进行分析和仿真。 第4 章：对基于循环前缀的最大似然算法和基于数据辅助的同步算法进 行仿真分析。 第5 章：在对现有同步算法研究的基础上，提出一个基于训练序列的频 偏估计改进算法。在a w g n 信道和多径衰落信道下的仿真结果都表明改进 算法提高了系统的估计性能。 第6 章：对全文工作进行了总结，并指出本文需要继续完成的工作。 8 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章o f d m 原理及关键技术 正交频分复用( o f d m ) 技术是高速无线通信系统中有广阔应用前景的多 载波数据通信技术，它是将高速的数据流分成并行低速数据流，用这样的低 比特率形成的低速率多状态符号去调制相互正交的子载波，从而形成多个低 速率符号并行发送的传输系统。 2 1o f d m 基本原理 o f d m 由大量在频率上等间隔的子载波构成( 设共有个载波) ，各子载 波可用同一种数字调制方法，或不同的载波使用不同的调制方法，将高速串 行数据分成多路并行的低速数据，加以调制。所以o f d m 实际上是一种并行 调制方案，将符号周期延长倍，从而提高了抗多径衰落的抵抗能力。在传 统的频分复用中，各载波的信号频谱互不重叠，频带利用率较低。在o f d m 系统中，各子载波在整个符号周期上是正交的，即加于符号周期上的任何两 个载波的乘积等于零，因此各子载波信号频谱可以互相重叠，大大提高了频 带利用率。由于o f d m 系统中的载波数量多达几百上千，所以在实际应用中 不可能使用几百上千个振荡器和锁相环进行调制。因此，w e i n s t e i n 提出了用 离散傅立叶变换( d f t ) 实现o f d m 的方法p 1 。随着数字信号处理技术( d s p ) 的 飞速发展，采用快速傅立叶变换( f f t ) 口弼1 ，利用现有的高速数字信号处理芯 片实现o f d m 的调制与解调，非常方便，又可大大降低系统成本。 2 1 1 正交频分复用( o f d m ) 的基本思想 正交频分复用( o f d m ) 技术采取的思路为：把高速的数据流通过串并变 换，分配到传输速率相对较低的若干个子信道中进行并行传输，将频域中的 频率选择性信道的频率响应日( 缈) 划分为许多小的子频带，如图2 1 所示，在 划分的子频带足够多的情况下，每个子带可以看成是频率响应恒定。相应地， 在时域中则传输信道冲激响应庇( f ) 是s i n c ( t ) 函数的加权和，这时每一个子信 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 道都是平坦衰落信道，对于每一个子信道由于带宽很窄，对应的时域中所传 输符号时间变长，符号间干扰( i s d 的影响减小，只需简单的频域均衡即可减 小信道的影响。显然，信道经过划分，对每一个子信道来说仍然是窄带信道， 而且满足平坦衰落信道的条件，现有的窄带数字通信理论分析系统性能极为 方便。 从上述正交频分复用( o f d m ) 技术的主要思想可知，正交频分复用技术在 划分足够多的子信道的条件下，能够将频率选择性信道转化为平坦衰落信道， 从而获得信道的简化，从频域的角度来看，现有的窄带数字通信理论的分析 均适用，克r t 符号间干扰( i s i ) ，简化了均衡器的设计和计算量，同时也提 高了频谱效率，是一种非常具有潜力的通信技术。 。叭w ， ，毗) 嗽 。 训 西 图2 1 无线信道传输频率响应的子信道划分 2 1 2o f d m 的调制和解调原理 一个o f d m 符号是多个经过调制的子载波的合成信号，其中每个子载波 可以采用相移键控( p s k ) 或者正交幅度调制( q a m ) 。如果表示子载波 的个数，z 表示o f d m 符号的长度，4 ( i = 0 ，1 ，2 ，n 1 ) 是分配给每个子载 波的数据符号，则采用等效基带信号进行描述的o f d m 符号可以表示为 n lj s ( f ) = 4 e x p ( j 2 a - 彳t ) ，0 + 拧一( f ) 为了得到我们所期望的信号，分解上式得到： r 。：上s 。堕坐互! 互二丝笠型 n s i n ，r ( k a t , l n 馘t ) n 】 p 归( 1 1 7 x 6 亿一坼l ) 一，2 q ，( l ) 一1 2 x a ”i n 一弘尹 + 万1 毒n - i & t 嚣筹告鼢 1 一”己7 一一蜕啪2 膏4 刚狮2 石抽，7 一弘p + ，。( ，) = & l ，i + s 。厶，。+ n 。( f ) ( 3 9 ) ( 3 一l o ) 上式的左边第1 项即为所期望得到的解调数据符号，第2 项是其它子载 波上传输的符号所引起的对期望符号的影响。正是由于上述的各种同步偏差 载频偏差蜕、载频相位偏差伊、采样样值定时偏差钙和样值间隔偏差t 和符号定时偏差何，才使得期望得到的数据符号经过系数上加权，而且带 来了干扰瓯厶，。由于各种偏差都是由多种原因引起的，所以它们本身就 m = o 肘七 哈尔溟工程大学硕士学位论文 暑；i ；宣；i i i i i 宣；i ；i ；i i i ；i ；i i i i i i i i ；i ；i ；i i i i ；i ii i- i ；i i i 宣i 宣；i 昌 是随机变量。由于随机性，有i 厶 峰i ，l 厶一l l ( m k ) ，这充分表明由于没 有完全同步而带来了信道间干扰i c i ，因此f f t 输出端的信噪比s n r 发生变 化。 假设发送信号等能量，且巨= e ( i & b ，m = o ，i ，2 ，n - i 。随即变量厶j 可 分解为j = e ( 厶，七) + 厶j e ( 厶 ) 】。接收端可准确估计得到e ( 厶 ) ，所以f f t 输出端的信噪比s n r 为： 一丽丽等一 p 跚2 面四评葫落砭四而 o 。1 d 由式( 3 一l o ) 和式( 3 1 1 ) 可见，只有当馘= 0 ，缈= 0 ，瓦= 0 ，且 ，= 址，= 0 ，即系统完全同步时，式( 3 - l o ) 右边的第2 项才会等于0 ，此时 才不会存在i c i ，且有心= 瓯+ 刀。( f ) ，k = 0 ，i ，2 ，n i ，即只有这种情况下、 没有性能损失，此时的输出信噪比为b n o 。为了便于定量考察同步偏差对 系统性能的影响，定义信噪比损失( 扭) 嗍删帆1 ： 2 l 。i g 面s n k r 妇r 口t ，( d b ) ( 3 - 1 2 ) 其中，溉和趴吣捌分别表示为了达到一定的性能，实际情况和理想情况 下f f t 输出端分别所需的输出信噪比。根据上边的推导容易得知，当实际系 统中存在上述各种同步偏差，且f f t 输出端的信噪比为舒侬删= e , i n o 时， 系统的性能与理想情况下信噪比为繇健捌= s n r ( 等效信噪比) 时系统的性 能近似相同。所以信噪比损失： = 1 0 l g 面s n r , , t - 1 0 l g 尝 ( 3 1 3 ) 从式( 3 - 9 ) 和式( 3 1 0 ) 也可以看出，当馘= o 和a t , = 0 时，不论、 钙和，为何值，均有l 厶 i = 1 ( 其实亦有i 厶，肺l = 1 ) ，换句话说，载波相位 偏差伊，样值定时偏差，和符号定时偏差址，对系统性能的影响基本是一 致的，只是引起接收信号相位的旋转，而不会带来幅度k 乒l 的变化；另一方 面，载波频率偏差馘和样值频率偏差i 对系统性能得到影响基本也是一致 哈尔滨工程大学硕士学位论文 的，不但引起接收信号相位的旋转，而且也带来了信号幅度k i 的变化，从 而导致子载波间的干扰i c i 。 3 3o f d m 系统中同步偏差的影响 时间和频率同步是影响正交频分复用( o f d m ) 系统的两个主要因素， 也是o f d m 系统设计的关键。在单载波系统中，载波频率的偏差只会对接收 信号造成一定的衰减和相位旋转，这可以通过均衡器来加以克服。而对于多 载波系统来说，载波频率的偏差会导致子信道之间产生干扰，而o f d m 要求 子载波保持严格的正交，因此频率偏差对o f d m 系统的影响会更加严重。如 果不采取措施对这种信道间干扰加以克服，会对系统性能带来非常严重的地 板效应。另一方面，尽管o f d m 符号之间插入了循环前缀保护间隔，但是任 何符号定时的变化，都会增加o f d m 系统对时延扩展的敏感程度。为了减小 这种负面的影响，我们应该尽量减小定时偏差。 下面主要针对载波频率偏差和符号定时偏差对o f d m 系统性能的影响进 行讨论分析。 3 3 1 载波频率偏差的影响 载波频率同步，即消除频率偏差蜕对系统性能的影响。 当蜕0 ，c = 0 ，f ，= 出，= 0 ，且矿= 0 时，式( 3 - 1 0 坷改写为： r ：占s n s l i h 7 吼，j + j 1 扩i n ；- ：i5-；ii；：5；5!；i端e，石(1一vxm一七一喳乇l)+玎。cr) m 础 ( 3 - 1 4 ) 其中，复加权系数为： j = j 1 f 鬻p 一弦( | v i ) 蜕 ( 3 - 1 5 ) “j 一万i 沥孓万e p 吖圳 2 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 i k ，m 一1 s i n z ：( m k - n a f t ，) 】 ：! s i i l 防沏一k - n a f 。t 。) n 】 e 石( i - l x 胂一一锻 ( 3 16 ) 式( 3 - 1 4 ) 的第一项是经过厶j 加权的期望得到的数据符号项，第二项是由 于频率偏差馘所带来的i c i 。通过上式可以看到，厶j 只取决于归一化频率 偏差蜕互，而且要独立于k ，此外当f f l k 时，每个输入数据符号对输出数 据符号所作出的贡献取决于归一化频率偏差n a f j , 以及子载波的间隔 ( m - k ) r o o d n ，并不直接与肌有关。 由于 所以有 弘n-l1 2 = 器翥芝嵩器 丕i v - t 防li 丢n - l 扩朋( 州1 2 1 n n i s 1 阱砖 n - i k l 2 ：l k 2 - - - - 1 一 k 1 2 = l k 1 一 ( 3 1 7 ) ( 3 1 8 ) ( 3 - 1 9 ) 可见，i 磊ji 0 ，因此对最大似然判决不会产生影响，省略加性的常数和所有的正的 乘数因子，得到最大似然函数： 3 8 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a ( o ，s ) = 1 7 ( 9 ) ic o s 【2 刀吕+ 么厂( 秒) 卜p ( 秒) ( 4 13 ) 其中定义： y ( 9 ) = r ( k ) r ( 七+ 忉 ( 4 - 1 4 ) ( p ) ：委笠1 呐1 2 2(4-15)1 + l r ( k + n ) i 1 5 ) ( p ) = i ) l 2 其中，r ( o ) 表示复数r ( o ) 的辐角。7 ( 秒) 表示连续工个相距为的样值对之 间相关值之和，式( 4 1 3 ) 的第一项为r ( o ) 的加权模值，其中权值由频率偏差 决定。式( 4 1 3 ) 的第二项是独立于频率偏差的能量项，这一项要取决于相关