（信号与信息处理专业论文）ofdm系统中的同步技术研究.pdf

南京邮电大学 硕士学位论文摘要 学科、专业：工学信号与信息处理 研究方向：理岱适篮虫的篮曼复信息处理撞丕 作者：盟级研究生张雷指导教师：赵叠主 题目：o f d m 系统中的同步技术研究 英文题e l ：s t u d y o ns y n c h r o n i z a t i o nt e c h n o l o g yo fo f d ms y s t e m s 主题词：正交频分复用同步训练符号 k e y w o r d s ：o f d m ；s y n c h r o n i z a t i o n ；t r a i n i n gs y m b o l 南京邮电大学硕士研究生学位论文摘要 摘要 正交频分复用( o f d m ) 技术是一种多载波传输技术，具有较强的抗干扰和抗衰落特性， 受到人们广泛的关注。但o f d m 系统对时偏和频偏十分敏感，容易引起载波间干扰。因此， 在o f d m 通信系统中，精确的时频偏移估计和补偿显得极为重要，同步问题已成为o f d m 系统研究的重要内容。 本文对o f d m 传输系统的定时和载波频率同步进行研究，提出了改进的定时偏差的估 计算法，克服了s c h m i d l & c o x 算法和m i n n 算法中定时测度存在引起估计模糊的平台现象 和多尖峰现象。 本文首先概述了o f d m 的历史，特别是它的特点和关键技术，然后介绍了o f d m 系 统的基本原理，并且就符号定时误差、载波频率偏差和采样定时偏差对系统性能的影响进 行了分析：其次讨论了o f d m 系统的几种同步算法，对基于训练符号的o f d m 系统符号 定时和载波频率联合同步算法作了重点论述和仿真分析；最后，在分析基于训练符号的同 步算法的基础上，本文提出了一种具有冲激响应特性的理想定时度量曲线的改进算法，对 训练序列重新设计，将新的训练序列用于时频同步。该算法一定程度上提高了加性高斯噪 声信道的定时同步性能和频偏性能。 关键字：正交频分复用：同步：训练符号 南京邮电大学硕士研究生学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t 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 ) i sm u l t i c a r r i e rm o d u l a t et e c h n o l o g y b e c a u s eo fr o b u s t n e s st oi n t e r f e r ea n df a s tf r e q u e n c ys e l e c t i v ef a d i n g ，o f d mm o d u l a t i o nh a s b e e na a e n d e dc o n s i d e r a b l yb yr e s e a r c h e r s b u t ，o f d ms y s t e m sa r es e n s i t i v et os y m b o lt i m i n g a n dc a r r i e rf r e q u e n c yo f f s e tv e r ym u c h ，s ot h a ti ti sp r o b a b l yt op r o d u c ei n t e r - c a r r i e ri n t e r f e r e n c e t h e r e f o r ep r e c i s e l yt i m i n g ，f r e q u e n c yo f f s e te s t i m a t i n ga n dc o m p e n s m i n ga r ev e r yi m p o r t a n tf o r o f d mc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s s y n c h r o n i z a t i o nb e c o m e so n eo fi m p o r t a n tr e s e a r c ht o p i c s t i m i n ga n dc a r r i e rf r e q u e n c ys y n c h r o n i z a t i o nh a sb e e ns t u d i e di nt h i sp a p e r a ni m p r o v e d a l g o r i t h mf o ro f d mt i m i n gi sg i v e nt oo v e r c o m et h es h o r t c o m i n g so ft h ep h a n t o mo fa m b i g u i t y o f t i m i n ge s t i m a t i o na n dt h ee f f e c to fm u l t i p e a kr e s u l t e db ys c h m i d l & c o xa l g o r i t h ma n dm i n n a l g o r i t h mr e s p e c t i v e l y f i r s t ，w ei n t r o d u c et h eh i s t o r y , p r o p e r t i e s a n dk e yt e c h n o l o g i e so fo f d m ；s e c o n d ， f u n d a m e n t a lp r i n c i p l ei no f d mi sb r i e f l yi n t r o d u c e d t h ee f f e c to fe r r o r so fs y m b o lt i m i n g s y n c h r o n i z a t i o n ，f r e q u e n c ys y n c h r o n i z a t i o na n ds i m p l es y n c h r o n i z a t i o n i no f d ms y s t e m s a r ed i s c u s s e d t h e n ，s e v e r a ls y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h m so fo f d ms y s t e m sa r ed i s s c u d ，a n d t r a i n i n gs y m b o lb a s e dj o i n ts y m b o lt i m i n ga n dc a r r i e rf r e q u e n c ys y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h mi s d i s c u s s e de m p h a t i c a l l y f i n a l l y , b a s e do nt h ea n a l y s i so fs y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h m sw i t h t r a i n i n gs y m b o l ，a ni m p r o v e ds y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h mi sp r o p o s e db yr e d e s i g n i n gam o d i f i e d t r a i n i n gs y m b o lf o ro f d ms y s t e m s ，b yw h i c h a ni m p u l s er e s p o n s et i m i n gc u r v ec a nb eo b t a i n e d t h i sa l g o r i t h mc a na l s oi m p r o v et h et i m i n ga n dc a r r i e rf r e q u e n c ys y n c h r o n i z a t i o np e r f o r m a n c e t os o m ee x t e n t k e y w o r d s ：o f d m ；s y n c h r o n i z a t i o n ；t r a i n i n gs y m b o l 南京邮电大学硕士研究生学位论文 目录 目录 第一章绪论1 1 1 论文的研究背景1 1 2o f d m 技术概述l 1 2 1o f d m 的发展历史1 1 2 2o f d m 的现状2 1 2 3o f d m 技术的特点3 1 2 4o f d m 的关键技术4 1 3 论文安排8 1 3 1 主要工作8 1 3 2 章节安排一9 第二章o f d m 基本原理与误差分析一l o 2 1o f d m 系统的基本原理1 0 2 2 符号定时偏差对o f d m 系统的影响1 2 2 2 1符号定时偏差对o f d m 系统的影响1 2 2 2 2 符号定时偏差引起的信噪比损耗1 4 2 3 载波频率偏差对o f d m 系统的影响1 4 2 3 1 载波频率偏差对o f d m 系统的影响1 5 2 3 2 载波频率偏差引起的信噪比损耗1 6 2 4 采样定时偏差对o f d m 系统的影响1 8 2 4 1 采样定时偏差对o f d m 系统的影响1 8 2 4 2 采样定时偏差引起的信噪比损耗1 9 2 4 3 采样定时偏差调整方法2 0 2 5 本章小结一2 l 第三章o f d m 系统中的同步算法2 3 3 1 载波同步算法2 3 3 1 1 基于训练符号的时域相关算法2 4 3 1 2 基于训练符号的频域相关算法2 5 3 1 3 基于循环前缀的最大似然同步算法2 6 3 1 4 基于导频的载波相位同步算法2 9 南京邮电大学硕上研究生学位论文目录 3 2 符号与帧定时同步算法2 9 3 2 1 基于训练符号的帧定时同步算法：3 0 3 2 2 基于训练符号的符号定时同步算法3 0 3 3 样值同步算法3 l 3 3 1 基于导频的样值频率同步算法3 1 3 3 2 基于导频的样值定时同步算法3 2 3 4 联合同步算法3 2 3 4 1 基于导频的联合定时同步算法3 3 3 4 2 基于导频的联合同步算法3 4 3 5 小结3 5 第四章基于训练符号的同步算法3 6 4 1s c h m i d l & c o x 算法3 6 4 1 1s c h m i d l & c o x 算法训练符号的结构3 6 4 1 2s c h m i d l & c o x 同步算法的分析3 7 4 1 3s c h m i d l & c o x 频偏估计算法3 9 4 2 定时估计算法研究一4 0 4 2 1m i n n 算法4 0 4 2 2p a r k 算法4 l 4 3 改进的符号定时同步算法一4 3 4 4 频率同步方案4 5 第五章总结与展望4 8 参考文献_ 4 9 致谢5 2 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 0 1 1 论文的研究背景 第一章绪论 移动通信是现代通信系统中不可缺少的组成部分。目前所使用的第二代移动通信系统 主要是为支持语音和低速率的数据业务而设计的，随着人们对通信业务范围和业务速率要 求的不断提高，已有的第二代移动通信网将很难满足新的业务需求。尽管目前关于第二代 移动通信系统的研究和标准化工作十分引人注目，但是第二代移动通信系统仅是一个从窄 带向未来移动通信系统过渡的阶段。目前，人们已经把眼光越来越多的投向二代以后的移 动通信系统中。 第四代移动通信( ( 4 g ) 中系统的速度可以达到1 0 m 2 0 m b p s ，甚至可以达到1 0 0 m b p s 以上，能够实现全球无缝漫游。未来的移动通信业务将从话音扩展到数据、图像、视频等 多媒体业务，因此，对服务质量和传输速率的要求越来越高。这对移动通信系统的性能提 出了更高的要求。而频谱在移动通信中是非常稀缺的资源，因此，必须采用先进的技术有 效地利用宝贵的频率资源，以满足高速率、大容量的业务需求；同时克服高速数据在无线 信道下的多径衰落，噪声干扰和多径干扰，达到改善系统性能的目的。通过多年的研究， 正交频分复用( o f d m ) 技术在众多技术中显示出优越的性能。由于o f d m 具有抗多径能力 强，频谱利用率高的优点，因此受到广泛关注，普遍认为将成为未来移动通信系统的关键 技术。 本章概述了o f d m 技术，同时给出了论文的主要工作和内容安排。 1 2o f d m 技术概述 1 2 1o f d m 的发展历史 o f d m 技术是高速率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，用它们去调制相互正交的子载波，从而形成多个并行 发送的低速率数据流传输系统。此外，o f d m 中还易于实现多用户接收机的分集技术，并 且运用多用户检测技术有助于通过消除干扰来提高系统容量。 o f d m 技术的应用可以追溯到2 0 世纪6 0 年代，r w c h a n g 在关于将带限信号综合用 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 于多信道传输的论文【i 】提出了一种在线性带限信道上同时传输多路信息的传输方法，能同 时避免子载波间干扰( i c i ) 和符号间干扰( i s i ) 。1 9 6 7 年，b ：r s a l t z b e r g 对c h a n g 提出的方法 进行了性能分析，并且得出很重要的结论，即在并行传输系统中，相邻信道间的串扰将是 信道畸变的主要原因，因此系统设计的重点应在于尽量减少相邻信道间的串扰，而不是完 善每一个单独的信道。 在早期的o f d m 系统中，发信机和相关接收机所需的副载波阵列是由正弦信号发生器 产生的，并且在相关接收时各副载波需要准确地同步，因此当子信道数很大时，系统就显 得非常复杂和昂贵。一个简单有效的实现o f d m 技术的方法是在1 9 7 1 年由w e i n s t e i 和 e b e r t 提出，使用离散傅立叶变换( d f t , d i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o r m a t i o n ) 来实现o f d m 基带 系统中的调制和解调功能，从而省去了正弦信号发生器。d f t 的引入使o f d m 系统便于 使用目前的数字信号处理硬件来实现。另外，为了抵抗i s i 和i c i ，在符号间加入了保护间 隔( g i ，g u a r di n t e r v a l ) 。另一个重要的贡献是在1 9 8 0 年p e l e d 和r u i z 使用循环前缀( c p ， c y c l i cp r e f i x ) 或循环后缀来解决子载波间的正交性，而不是使用空的保护间隔，他们把 o f d m 符号的循环扩展添加到保护间隔中，有效地将信道与传送符号之间的线性卷积近似 成循环卷积。在这种方法中，当c p 比信道的脉冲响应长时，能很好地保持子载波正交性 和解决符号间干扰问题。只要保护间隔大于信道的最大脉冲响应，即使在色散信道上也能 获得较好的正交性。进入9 0 年代以后，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，它作为一种宽带无线传输技术的优势很突出而且可以利用新技术去弥补0 f d m 的固有缺点，因而被广泛的应用于民用通信系统中。近年来，由于数字信号处理技术的飞 速发展，o f d m 技术作为有效对抗信号波形间干扰的高速传输技术，更加引起了广泛的关 注。 1 2 2o f d m 的现状 自从2 0 世纪8 0 年代以来，o f d m 技术被越来越多地使用于各种国际标准。如非对称 数字用户环路( a d s l ) 和高速数字用户环路( h d s l ) ，它们使用o f d m 技术可以有效地消除 符号间干扰。在a d s l 中，o f d m 被当作离散多音调制( d m t ，d i s c r e t em u l t i t o n e ) 来使用， 成功地应用于有线环境中。a d s l 将原先电话线路o h z 到1 1 m h z 频段划分成2 5 6 个频宽 为4 3 k h z 的子频带，使下行信号达到8 m b p s ，上行信号达到1 m b p s ，1 9 9 5 年，欧洲电信 标准协会制定了数字音频广播( d a b ，d i g i t a la u d i ob r o a d c a s t i n g ) 标准，d a b 是在a m 和f m 的模拟广播的基础上发展起来的，它可以提供与c d 相媲美的话音质量，以及新型的数据 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 服务。紧跟着是1 9 9 7 年数字视频广播( d v b ，d i g i t a lv i d e ob r o a d c a s t i n g ) 标准采用的编码正 交频分复用调制。在1 9 9 8 年7 月，i e e e 8 0 2 1 l a 标准决定选择o f d m 技术作为其无线局 域网( w l a n ，w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k ) 5 g h z 波段的物理层接入方案。这是o f d m 技 术第一次被运用于分组业务通信中。此后，日本的多媒体移动接入推进协议会( m m a c ， m o b i l em u l t i m e d i aa c c e s sc o m m u n i c a t i o n s ) ，欧洲的宽带射频接x 匿 ( b r a n ，b r o a dr a d i o a c c e s sn e t w o r k ) 的局域网标准都使用o f d m 作为标准调制技术。 1 9 9 9 年1 2 月，包括e r i c s s o n ，n o k i a 和w i l a n 在内的7 家公司发起了国际o f d m 论坛，致力策划一个基于o f d m 技术的全球性统一标准。2 0 0 0 年1 1 月，o f d m 论坛的固 定无线接入工作组向i e e e 8 0 2 1 6 3 的无线城域网委员会提交了一份建议书，提议采用 o f d m 技术作为i e e e 8 0 2 1 6 3 城域网的物理层标准，随着人们对通信数据化、宽带化、个 人化和移动化的需求，o f d m 技术在综合无线接入领域得到越来越广泛的应用，它也成为 3 g 以后移动通信的主流技术。此外，o f d m 还易于结合时空编码、分集、干扰抑制以及 智能天线等技术。最大程度地提高物理层信息传输的可靠性。如果再结合自适应调制、自 适应编码以及动态子载波分配等技术，其性能可以进一步得到提高。 1 2 3o f d m 技术的特点 1 ) o f d m 技术的优点 a 抗衰落能力强。o f d m 把用户信息通过多个子载波传输，在每个子载波上的信号 时间就相应地比同速率的单载波系统上的信号时间长很多倍，使o f d m 对脉冲噪音和信道 快衰落的抵抗力更强。同时，通过子载波的联合编码，达到了信道间的频率分集的作用， 也增强了对脉冲噪声和信道快衰落的抵抗力。因此，如果衰落不是特别严重，就没有必要 再添加时域均衡器。 b 频谱利用率高。传统的f d m 是将频带分为若干个不相交的子频带来并行传输数据 流，各个子信道之间要保留足够的保护频带。而o f d m 系统是由于各个子载波之间存在正 交性，允许子信道的频谱相互重叠，提高了频率利用效率。当子载波个数很大时，系统的 频谱利用率趋于2 b a u d h z 。 c 适合高速数据传输。o f d m 自适应调制机制使不同的子载波可以按照信道情况和 噪音背景的不同使用不同的调制方式。当信道条件好的时候，采用效率高的调制方式。当 信道条件差的时候，采用抗干扰能力强的调制方式。再有，o f d m 加载算法的采用，使系 统可以把更多的数据集中放在条件好的信道上以高速率进行传送。因此，o f d m 技术非常 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 适合高速数据传输。 d 抗符号间干扰能力强。符号间干扰是数字通信系统中除噪声干扰之外最主要的干 扰，它与加性的噪声干扰不同，是种乘性的干扰。造成符号间干扰的原因很多，实际上， 只要传输信道的频带是有限的，就会造成一定的码间干扰。o f d m 由于采用了循环前缀， 对抗符号问干扰的能力很强。 2 ) o f d m 技术的缺点 虽然o f d m 技术具有许多优点，但是o f d m 系统内由于存在有多个正交子载波，而 且其输出信号是多个子信道信号的叠加，因此与单载波系统相比，也有自身的缺点。主要 表现为对同步偏差非常敏感和峰均功率比高，这两个关键问题如果解决得不好，就会使 o f d m 整体性能下降，所具有的各种优点也无法得到充分的体现。 a 易受同步误差的影响。o f d m 系统中子信道的频谱相互覆盖，这就对子载波之间 的正交性提出了严格的要求，然而由于无线信道存在时变性，在传输过程中会出现无线信 号的频率偏移，例如多普勒频移，或者由于发射机载波频率与接收机本地振荡器之间存在 的频率偏差，都会使得o f d m 系统子载波之间的正交性遭到破坏，从而导致子信道间的信 号互相干扰，每一个子载波上的数据都将受到其余多个子载波上数据的干扰，解调性能迅 速恶化。此外，o f d m 系统对定时的偏差也很敏感。可见，与单载波系统相比，o f d m 对 同步误差敏感得多，接收端需要与发送端保持精确的同步。 b 存在较高的峰值平均功率比。与单载波系统相比，由于多载波调制系统的输出是 多个子信道信号的叠加，因此o f d m 信号的包络变化剧烈，如果多个信号的相位一致时， 所得到的叠加信号的瞬时功率就会远远大于信号的平均功率，导致出现较大的峰值平均功 率l i , ( p a p r ，p e a kt oa v e r a g ep o w e rr a t i o ) ，并且当越大时，p a p r 也越大，对功率放大 器的线性度提出了很高的要求，即要求它具有很宽的线性动态范围。如果放大器的动态范 围不能满足信号的变化，则会带来信号畸变，使叠加信号的频谱发生变化，从而导致各个 子信道信号之间的正交性遭到破坏，产生相互干扰，使系统性能恶化。 1 2 4o f d m 的关键技术 目前o f d m 技术尽管得到了很大发展，但是仍然有许多方面有待改进提高。主要包括： o f d m 系统的同步技术、降低峰均功率l i , ( p a p r ) 技术、信道估计技术、信道编码和交织技 术和信道均衡技术等，下面分别进行简要介绍，其中重点讨论o f d m 系统的同步技术问题。 1 ) 同步技术 4 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 同步技术对各种数字传输技术来说是十分关键的，对于o f d m 系统更是如此。因为 o f d m 对同步误差十分敏感，同步性能的好坏直接影响到接收的性能，一旦同步性能不好， o f d m 的整体性能将会严重下降。o f d m 系统的同步主要包括以下几个方面，如图1 1 所 示 t + 9 ) 】 率同步 e x p 一j ( 2 ；, r f , t + 别 图1 1o f d m 系统中的同步 a 载波频率同步 由于发射机和接收机中的本地振荡器的不稳定以及移动信道中的多普勒频移等的影 响，本地端产生的载波与接收到的信号的载波不一致，因此发射机和接收机的载波之间存 在频率偏差和相位偏差，对于相位偏差可以采用信道估计的方法来补偿，对于频率偏差必 须进行频偏补偿，因为当存在频偏时，o f d m 信号的载波之间不再保持正交，从而引起严 重的载波间干扰( i c i ) 。与单载波系统相比，在解调端下降相同的信噪比时，o f d m 系统的 频偏误差需要降到单载波系统的频偏误差的几十分之一甚至几百分之一，因此频偏估计必 须十分精确2 1 。 b 定时同步 定时同步通常包括帧同步和符号同步。在帧同步过程中必须在某个范围内找到帧的第 一个符号，即帧的模糊度必须小于循环前缀的一半，于是帧同步也给出了符号粗同步，然 后精符号同步，调整定时以便能在进行f f t 之前将循环前缀或者循环后缀去除。 在无线数字通信系统中，接收机对发射机发射信息的时刻是未知的，而且对发射机到 接收机的传播时延一般也是未知的，而且o f d m 信号是以符号形式进行处理，因此为了能 正确进行解调，接收端首先必须进行定时估计来确定o f d m 符号的起始位置，以便决定何 s 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 时o f d m 符号开始，用f f t 进行合适的解调，而且符号同步也补偿信道中时延的变化， 循环前缀在o f d m 符号之间的插入大大降低了对定时估计的要求，当定时估计点处于未遭 受i s i 破坏的循环前缀区间时，o f d m 符号就可以避免受到i s i ，解调结果只是偏转了一个 线性相位，通过信道估计可以补偿这个线性相位，当定时估计点处于其他区间时，o f d m 就遭受了i s i 破坏，但如果定时偏差较小时，遭受的i s i 破坏较小，可以通过定时跟踪进一 步降低定时偏差。 c 采样频率同步 在a d 转换器对基带信号进行采样时，接收机中的采样时钟周期可能与发送信号的采 样间隔不完全一致，这个采样时钟的偏差一方面引起频率与相位的偏差，频率偏差将破坏 子载波之间的正交性，引起i c i ，相位偏差将使o f d m 的解调结果产生线性相移，序号越 大的子载波相位偏差得越大，另一方面还导致o f d m 符号在接收机中的周期与其在发射机 中的周期不同，如果符号时钟起源于采样时钟，这将导致符号时钟的变动。因此要实现 o f d m 系统的精确同步，o f d m 接收端的本地载波需要与发送端载波保持一致，采样时钟 也要与发送端的采样时钟保持一致，并且需要确定o f d m 帧头位置以及o f d m 符号的起 始位置，以便准确的去除c p ，实现正确的解调。 o f d m 系统的定时同步和载波频率同步通常均可以分成两个阶段：粗同步阶段和细同 步阶段，因此定时和载波频率的同步通常包括四个处理过程，即：粗定时估计、细定时估 计、粗载波频率偏差估计和细载波频率偏差估计，因此o f d m 系统同步处理基本过程如图 1 2 所示。在建立同步之前，接收端与发送端存在着较大的频率偏差，粗载波频率偏差估 计主要是粗估计整数倍载波频率偏差，即子载波频率间隔的整数倍，而精载波频率偏差估 计则估计子载波频率间隔的小数倍的频率偏差，而且细频率偏差估计还具有维持同步的作 。 用，由于振荡器的不稳定以及多普勒的影响，o f d m 的本地载波与接收到的信号的载波又 会不一致，存在频率的漂移，使接收机性能下降，甚至不能接收，所以细频率偏差估计还 可以跟踪频偏的变化，使其始终在一个限定的较小范围内波动。 定时同步估计也是一样，用于o f d m 数据帧的同步，使数据帧的起始位置的偏差小于 循环前缀的一半，然后精定时估计用来调整符号的定时，这样才能在执行f f t 之前将循环 前缀去除，在许多情况中定时同步是一步完成的。 图1 2o f d m 同步的方框图 6 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 2 ) 减少p a p r 技术 由于一个o f d m 信号是由大量独立均匀分布的分量组成，根据中心极限理论，其幅度 分布近似为高斯分布，因此相对于信号的平均电平由大量调制的子载波信号叠加而成的 o f d m 信号会出现非常高的瞬时信号峰值，导致高功率放大器线性失真，o f d m 信号包络 的这种剧烈变化特性一般采用峰值功率与平均功率的比值即峰均功率b l ( p a p r ) 来衡量，单 载波的峰均功率比取决于信号星座和脉冲成形滤波器的滚降系数o f ，在g r a n da l l i a n c e 8 - v s b 系统中【引，口= 1 1 5 相应的峰均功率比在9 9 9 9 时间内为7 d b ，为了消除或者降 低o f d m 系统高峰均功率比对系统实现和性能的影响，人们作了大量的研究和试验。概括 起来主要分成两个方面，一方面是从o f d m 信号着手包括编码技术【4 】【5 1 、相移法【6 1 - - 1 1 、剪 截法或者限幅澍1 2 】1 3 】。采用编码技术可以显著地降低o f d m 的峰均功率比，并且接收端可 以利用冗余信息进行纠错。但是采用编码的方法增加了频谱的开销，降低了信息速率。相 移法频谱开销不大，但是峰均功率比的抑制效果不佳。采用模拟信号的剪截方法能抑制一 定的峰均功率比，但频谱损失大。限幅滤波能够有效降低o f d m 信号的峰均功率比，而且 系统简单，但是采用限幅滤波后会产生限幅噪声，限幅噪声分为带外噪声和带内噪声，当 对奈奎斯特信号进行限幅，则限幅噪声全部处于带内，当对过取样信号进行限幅时，那么， 带内和带外噪声都将存在。使用滤波器是不可能减小带内噪声的，这样会导致误码率的增 加，同时，带外噪声会降低频谱使用效率。另一方面是从高频功率放大器的实现方面着手， 主要是利用信号处理技术扩展高频功率放大器的线形范围 1 4 h 16 1 。 3 ) 信道估计技术 一些o f d m 系统，如d a b 标准，对子载波进行差分调制( 1 7 】，在一个子载波上从一 个o f d m 符号到下一个对信息符号差分编码，或者在一个o f d m 符号内相邻子载波之间 进行差分编码，即使在衰落环境中这种调制也不需要对子载波衰减进行跟踪，但对载波频 率的跟踪还是需要的。与相干调制比较，尽管采用差分调制在性能上有所损失，但是接收 机结构相对简单，而且可以避免导频符号的使用，如果采用相干调制，如d v b 标准m 】， 那么必须对每个子载波上信道的衰减进行估计。在o f d m 系统中信道估计常常借助于导频 符号来完成【1 8 】【1 9 】，利用衰落信道的时间相关特性，测量导频符号的衰减，利用这些测量结 果对这些导频符号之间的数据符号进行估计和内插。o f d m 数据符号的时间频率栅格中插 入导频符号有二种方式，第一种是o f d m 信号中插入完全已知的o f d m 符号【2 0 h 2 ，这是 较为常用的方式。在o f d m 流中稀疏地插入完全已知的o f d m 符号，然后用信道时间相 关或者直接判决方法在连续o f d m 符号上使用估计裂2 2 】【2 3 】。第二种在一个特定的子载波 集中调制导频符号。第二种是使用分散的导频符号，如d v b 标准，一个信道估计器可以 7 南京邮电火学硕士研究生学位论文第一章绪论 利用这两个时间相关和频率相关导频的选择模式，决定了信道估计器的形式。 大多数文献中讨论的信道估计方法包括两个步骤【2 4 】：第一步在导频位置测量衰减， 利用信道的相关特性对衰减进行平滑处理，在第二步中使用这些测量值来估计内插数据符 号的复数值衰减。 4 ) 信道编码与交织技术 为了提高数字通信系统的性能，信道编码和交织是普遍采用的方法。对于衰落信道中 的随机错误，可以采用信道编码技术来避免，而对于衰落信道中的突发错误，可以采用交 织技术。在实际中，通常同时采用信道编码和交织，进一步改善整个系统的性能。在o f d m 系统中，如果信道衰落不是很严重，均衡是无法利用信道的分集特性来改善系统性能的， 因为o f d m 系统本身具有利用信道分集特性的能力，一般的信道特性信息已经被o f d m 这种调制方式本身利用了。但是o f d m 系统的结构却为在子载波间进行编码提供了机会， 形成c o f d m 方式。编码可以采用如卷积吗、分组码等形式，其中卷积码的效果要比分组 码好。 5 ) 频域均衡 如果所加的保护间隔大于信道的多径时延扩展，接收端对信号进行同步接收后，可以 认为接收信号中不存在载波间干扰( i c i ) 和码间串扰( t s i ) ，那么各并行信道的响应彼此独立。 o f d m 可以在频域对各个子信道分别进行均衡，各子信道的接收信号被乘上了一个校正因 子，故而这种均衡器可被看作是一个抽头的频域均衡器，其计算量较单载波时域多抽头均 衡器大大降低。 1 3 论文安排 1 3 1 主要工作 同步技术是o f d m 的关键技术之一，同步算法的优劣对o f d m 性能有很大的影响， 目前国内外许多学者提出了许多同步方案，但是o f d m 同步的参数多，而各种应用系统中 有各自特点，针对不同的应用系统寻找性能好、鲁棒性强、容易实现的同步方案仍旧是一 个需要研究的课题，本文研究了o f d m 传输系统的同步技术，分析了多种同步算法，并提 出了一种同步改进算法，通过仿真验证了结论。具体内容包括： 首先研究o f d m 传输系统的定时同步技术，提出了一种改进的o f d m 传输系统定时 算法，改进的算法克服了以往算法中定时测度存在引起估计模糊的平台现象和多尖峰现 南京邮电大学硕- l - r 匠 l ：究生学位论文第一章绪论 象，由于改进的定时算法使用了不同以往的训练符号结构，定时测度只有一个峰值出现， 定时估计精度也大大提高。 其次对o f d m 系统的载波频率偏差的估计算法进行研究，利用定时同步算法中的训练 符号，对载波的频率偏差进行了估计。 1 3 2 章节安排 第一章简要概述了o f d m 技术，重点地叙述了o f d m 传输系统中的同步技术。 第二章分析了o f d m 系统的基本原理和几种同步误差对o f d m 传输系统性能的影响。 第三章主要概述o f d m 系统几种算法。包括载波同步方法，符号和帧定时同步方法， 样值同步算法和联合同步算法。 第四章介绍s c h m i d l & c o x 和m i n n 算法，提出了一种改进的o f d m 时频同步算法，并 对其性能进行了仿真。 第五章为总结与展望，对本文所做的工作做了总结，并对未来的工作进行了展望。 9 与误差分析 而且正在赢得 越来越多的关注。它的基本原理就是将总的信道带宽分成多个带宽相等的子信道，每个子 信道上单独通过各自的子载波调制各自的信息符号并且各符号具有相同的符号间隔。当相 邻子信道载波间隔等于有用符号间隔的倒数时，各个子信道间频谱相互重叠且相互正交。 o f d m 的基本原理以及同步误差对o f d m 系统的影响将在本章节中详细论述。 2 1o f d m 系统的基本原理 o f d m 是一种并行数据传输系统，它将高速串行数据经过串并变换形成多路低速数据 分别对多个子载波进行调制，叠加之后构成发送信号。在接收端，用同样数量的子载波进 行相干解调，获得低速率数据流，经过并串变换恢复得到高速数据流。 在传统的频分复用( f d m ) 系统中，通过将整个频带划分为若干个不相交的子频带来传 输并行的数据流，在接收端用一组滤波器来分离各个子信道。这种方法的频带利用率比较 低，因为子信道之间要留有保护频带，而且要实现多个滤波器也有难度。o f d m 系统是由 大量在频率上等间隔的子载波构成，这些子载波的频谱可以相互重叠，这样就大大提高了 频谱的利用效率。由于各个子载波在整个符号周期上是相互正交的，因此虽然各子载波的 频谱之间存在重叠，在接收端仍然能够无失真的恢复发送数据。 在o f d m 系统中，当子载波间的最小间隔等于符号周期倒数的整数倍时，可以满足子 载波正交条件。为了实现最大频谱效率，一般取载波最小间隔为符号周期的倒数。当符号 由矩形脉冲形成时，每个调制载波的频谱为s i n x x 形状，其峰值对应于所有其它子载波 频谱中的零点，这样就能保证对每个子信道进行解调时，其它子信道的信号不会对其产生 干扰。同时，高速的数据流通过串并变换被分配到速率相对较低的若干个子信道中并行传 输，每个子信道中的符号周期相对增加，可以减轻由于无线信道的多径时延扩展对系统造 成的码间干扰( i s i ) 影响。此外，o f d m 中还引入了保护间隔( g u a r di n t e r v a l ) 。当保护间隔 长度大于最大多径时延扩展时，可以完全消除由于多径带来的码间干扰影响。如果采用循 环前缀( c p ) 作为保护间隔，还可以避免由于多径传播带来的信道间干扰( i c i ) 。 i o 南京邮电大学硕上研究生学位论文第二章o f d m 基本原理与误差分析 图2 1o f d m 的系统模型 o f d m 的系统模型如图2 1 所示，串行数据信息经过编码成为符号率为1 z 的数据符 号，然后经过串并转换，形成了个数据符号向量，表示为品& 一。此时并行数据符号 率为1 ( n o r , ) ，就是说，并行符号的持续时间是串行时间的n 倍。数据向量品一。， 经过离散傅立叶反变换后得到s 。一。如果鼠i 表示第甩个符号，第k 个子载波的i d f t 输出，则上述过程可表示为 s 咄= 丽1n 瓷- ik 2 珧n ( 2 1 ) 再经过并串转换，添加时间为乙的保护间隔，数模转换，便被送入信道部分。保护间 隔的长度应大于信道的最大时延扩展，这样可以消除符号问干扰( i s i ) 和多径所造成的载波 间干扰( i c i ) 影响，但同时也将符号的传输效率降为乙( i + i ) 。这样所有的o f d m 符号 构成的表达示为 s ( f ) = 寺量。p 口础佤g ( t - n ( t + i ) ) ( 2 2 ) v vn = ok = 0 在接收部分，信道中的o f d m 信号经过模数转换，去除保护间隔，然后串并转换，通 过点的离散傅立叶变换( d f t ) ，再经过并串转换和相应的解码便得到输出数据。接收端 的采样信号为 ，一l ，( ，z e ) = 红( ，z c ) j ( 甩丁一1 ) + 7 7 ( ，l e ) ( 2 3 ) i = 0 l l 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章o f d m 基本原理与误差分析 其中，7 7 ( 甩z ) 为采样的高斯白噪声。 2 2 符号定时偏差对o f d m 系统的影响 在接收端，需要找到o f d m 符号的个样点进行f f t 变换。o f d m 定时估计通过找 到接收到的o f d m 符号的起始位置，使f f t 窗口起始位置为o f d m 的起始点，从而使f f t 窗口包含当前o f d m 符号的个样点，实现正确的解调。如果定时估计不准确，位置不 在第一个样点上，那么f f t 窗口就会包含相邻两个o f d m 符号的样点，从而引起符号间 干扰。 2 2 1 符号定时偏差对o f d m 系统的影响 由于在o f d m 符号中插入了循环前缀，因此o f d m 符号定时同步的起始时刻可以在 保护间隔内变化，而不会造成i s i 和i c i 。因此，o f d m 系统对符号定时的要求会相对宽 松，但在多径环境中，为了获得最佳的系统性能，需要确定最佳的符号定时时刻。尽管符 号定时的起点可以在保护间隔内任意选择，但容易得知，任