（通信与信息系统专业论文）基于ofdm技术的wlan传输系统的同步与信道估计.pdf

摘要 本文介绍了无线局域网发展及其标准，阐述了正交频分复用技术的基本原 理、优缺点及其在高速数字通信系统中的应用。深入地研究了无线局域网中以 i e e e 8 0 2 1 l a 为标准的定时同步、载波同步与采样钟同步的算法。在分析现有系统 同步算法的基础上对一些算法做出了改进，通过m a t l a b 仿真得出了适于高速无线 局域网的同步算法。同时本文对无线局域网中以i e e e 8 0 2 1 l a 为标准的信道估计 与均衡算法在m a t l a b 仿真的基础上进行了分析与比较，指出了优缺点及适用范围。 另外，本文还研究了无线局域网多载波传输系统利用叠加导频技术进行定时同步 与信道估计的算法，与各种基于标准数据包结构的算法进行比较得出其优缺点。 关键字：无线局域网正交频分复用同步信道估计与均衡 a b s t r a c t t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h e d e v e l o p m e n ta n d s t a n d a r do fw i r e l e s s1 0 c a la r e a n e t w o r k s ( w l a n ) a n dt h e n ，w ed e s c r i b et h ef u n d a m e n t a lp r i n c i p l e ，a d v a n t a g e sa n d d i s a d v a n t a g e so fo f d mt e c h n i q u e ，f o l l o w e db y t h et r a n s m i s s i o ns c h e m ef o rw l a n a f u r t h e rr e s e a r c ho n s y m b o lt i m i n g ，c a r r i e rf r e q u e n c y o f f s e ta n d s a m p l i n g c l o c k 厅e q u e n c y o f f s e te s t i m a t i o n a l g o r i t h m s b a s e do ni e e e 8 0 2 11ai sm a d e t h e s e a l g o r i t h m sa r e m o d i f i e db a s e do ns i m u l a t i o nw i t hm a t l a bi no r d e rt os u i t a b l ef o rw l a n t r a n s m i s s i o ns y s t e m a l s o ，t h i sa r t i c l em a k e ss o m ea n a l y s i sf o rc h a n n e le s t i m a t i o na n d e q u a l i z a t i o nt e c h n i q u eu n d e ri e e e 8 0 2 1 l as t a n d a r di nw a l ns y s t e m w ep r o v et h e a d v a n t a g e s ，d i s a d v a n t a g e s a n d a p p l i c a t i o ns c o p e s o ft h i s t e c h n i q u eb y m a t l a b s i m u l a t i o n m e a n w h i l e ，w ea l s oi n v e s t i g a t es y n c h r o n i z a t i o na n dc h a n n e le s t i m a t i o n a l g o r i t h m so fo f d ms y s t e mu s i n gs u p e r i m p o s e dp i l o tt e c h n i q u e t h ea l g o r i t h m su s i n g t h i s t e c h n i q u e a r ec o m p a r e d w i t h o t h e ra l g o r i t h m s b a s e do n i e e e 8 0 2 1 l as t a n d a r d k e y w o r d s ：w i r e l e s s l o c a la r e a n e t w o r k ( w l a n ) o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ( o f d m )s y n c h r o n i z a t i o n c h a n n e le s t i m a t i o na n d e q u a l i z a t i o n 创新性声明 本人声明所呈交的论文是我个人猩导师的指导下进行的研究工作及取得的研 究成装。尽我掰知，除了文孛特别热爨标注秘致遴孛驻罗残黪内容淡癸，论文孛 不包含其他人已经发表过或撰写过的研究成粜；也不包含为获得西安电子科技大 学或冀毽教弯凝梅款学位或 蒌书瑟搜嬲过鑫冬楗辩。与我一曩王 乍过懿嚣志对本磅 究所作的任何丽献均已在论文中作了明确说明并表示了谢意。 审请学位论文与资辩若鸯不实之处，本人承担一甥相关资任。 本人签名 聋遂 日期：上旦 关于论文使用授权的说明 j ，占 本人完全了舞嚣安逮子耱攘大学农关绦黧帮镬趱攀篷谂文豹裁宠，馨：骚究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕 数离援磊，发裘幸鑫文鼓搜用论文工馋娥栗嚣署名单位锯然戈溪安电予辩按大学。 学校有权保留送交的论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的 全部或帮分内容，霹娃兔 等采瓣影印、缭露戴英毽戆笈摹手段保存论文。( 保密豹 论文在解密后遵守此规定) 本学篷途文属于爨密，套一年解密惹逶用奉授较书。 本人签名；褪 一 日期 导师签名：蒸丝鉴导师签名：厘塑兰童 日期 j m l _ i $ 第一章缝论 第一章绪论 无线通信在未来的通信发展中将扮演目益重要的角色，无线局域网( w l a n ) 秘令人无线邋售网( w p a n ) 已经残兔寒寒无线遥售懿主要发矮方向。w l a n 是诗算 机网络与无线通信技术相结龠的产物。w l a n 由于安装便撼、使用灵活、缀济节 约、易予扩联等优势绘人粕豢寒懿影穗是无哿争议懿。w l a n 技零主要用予计算 机之阐的通信，它可以提供实时的声音和图像信号，用户可以具有一定的移幼性， 它使髑无线傣遂来接入网络，为透信豹移动豫、个人佳和多媒傣应熙提供了潜在 的手段，并成为宽带无线接入的有效途径之一。w l a n 既可以进行内部小区通信， 同时也可以接入公共网络。由于技术发展太快，据准跟不上技术豹发展，量蔫 w l a n 仍处于众多标准共存的时期。在这些标准中，i e e e 8 0 2 1 1 和h i p e r l a n 最 9 1 人注目。 1 。1 无线局域蜒标准橛述 1 9 9 7 竿，欧渊毫信标准纯委员会i e e e s 0 2 1 1 天线屡蠛鬻标准熬翻定是蠢线网 络技术发展的一个里程碑。i e e e 8 0 2 + 1 1 标准除了介绍无线局域网的优点及各种不 霹黪魅缝癸，还搜各耪不羁厂商戆天线产品褥鞋互涟，傻援心设备季l l 行荤芯片瓣 决方案，降低了采用无线技术的造价。同时，8 0 2 1 1 标准的颁布使无线局域网在 各秘鸯移动癸求熬嚣境孛技广泛接受。 i e e e 8 0 2 1 1 首先提出了2 4 g 频段的w l a n 标凇，分别工作于工业、科学、 医学领域，健竣速率必i m b p s 或2 m b p s 。它砖舞络匏媒震谤翊控潮象( m a c ) 鞫甥 理层进行了规定，m a c 层以下对网络成用是透明的。8 0 2 1 1 规定了三个不同的物理 层；涎耪采震射频技寒靼扩频技本襄搴豢技，| 乏，频繁必2 4 0 0 m h z - 2 4 8 3 + 5 m h z ；另 一种采用红外技术。同时扩频技术又分为溉接序列扩频和跳频两种。随后， i e e e 8 0 2 1 1 又褥到了避一步的完善积修订，壤鸯羹了薄个叛兹物理层搽准： ( 1 ) 8 0 2 1 i a 一扩充了标准的物理层。规定该层使用5 g h z 的频段，采用正交频分复 雳( o f d m ) 技术，达到6 m b p s 至5 4 m b p s 弱传竣速搴。北速率甄戆瀵足室内又畿 满足室外的要求。8 0 2 1 l a 采用正交频分多路复用( o f d m ) 技术，有助于提高速度 改进艨量，有效的克服干扰。扩频技术必须以壹按序列发送傣号，瑟o f d m 技术 则可将无线信道分为糟干低速并行传输的子傣道，从而大大提升无线局域嗣的速 度和憋体信号质量。 基予o f d m 技术的w l a n 传输系统的同步与信道估计 ( 2 ) 8 0 2 1 1 b 一8 0 2 1 1 标准的另一个扩充。规定在2 4 g h z 频段采用补偿编码键控 f c c k ) 箨为高速携瑾罄数嚣速率扩震靛藻疆，鼠嚣使数据健输逮率达到t 1 m b p s 。 8 0 2 1 1 b 对w l a n 最大的贡献熙支持5 m b p s 和1 1 m b p s 两种速率。c c k 来源于直 接淳剜扩颓技术，多逮率趣剩浆贪囊按入控期( m a c ) 确爨堂傣曝毙羝予慕个 j 艰 时，传输速率能够从1i m b p s 自动降至5 5 m b p s ，或者根据直接序列扩频技术调熬 裂2 m b p s 袭1 m b p s 。噩= l 予鹭静在不违菠f c c 勰定筑翦提下，暴援跳频技术无法键 到更高的速率，所以8 0 2 1 l b 只能采用意接序列扩频技术。 8 0 2 1 l a 标准与8 0 2 + l l b 标礁互不豢容，8 0 2 。1 l a 具蠢堡翥豹安全性与速度，更 多的用户可以阀时使用。目前i e e e 8 0 2 1 l g 也已经萌芽，该技术可以提供与 疆耗8 0 2 1 l a 热题麴安全牲与速度势能冬疆珏8 0 2 ，1 l b 兼容。 欧洲电信协会( e t s i ) j ：f 发茄一个高设能本蛾丽络( h i p e r l a n ) 标准，截括西个标 准：h i p e r l a n l 、设计提供q o s 用于室内无线网豹h i p e r l a n 2 、设计用于户内光 线骨干两的h i p e r l i n k 、设计为丽予固定户外应褥访闻优先赫磷设毓虢 h i p e r a c c e s s 。h i p e r l a n l 采用觉q o s 的分布式媒质接入控制，调制方式采用基于 单载波的高斯鼹，、移额键控( g m s k ) 。h i p e r l a n 2 采焉攥供q o s 鹩集中式媒质揍入 控制和正交频分复用( o f d m ) 技术。h i p e r l a n 肖几个应用特点，通过按入点遴接 鸯线爵络；蓄硗将o f d m 技术褥子w l a n 中；系统糕瘸潜步耱蘸白纠链投术；数 据链路髅是面向连接的：自动频率分配。 5 g h z 酶8 0 2 1l a 标准与h i p e r l a n 2 耘雍暴骞稳弱簿耪理滕标准，窀锯酉滋共 攀相同的部件。由于它们采用了正交频分复用( o f d m ) 技术，同步前向纠错技术， 使褥爱藤该标礁翡高速无线l a k 其畜突国羲我患。i e e e 8 0 2 1 l a 标准与h i p e r l a n 2 标准结台在一起使o f d m 技术以其良好的性自& 成为5 g h z 频黢的全球标准。 殴太溉受纂雅抟i e e e 8 0 2 1 l 技拳褥痰静阚络应爝已经开始步入巍蔫除段， i e e e 8 0 2 1 1 经过多年的应用实践，从技术上日益成熟和完善，在应用方面越来越 广泛，扶成奉上逐澈为雳户翳接受。w l a n 与b l u e t o o t h 援寒凌会残受经济、灵濯、 可靠的通信工翅。无线通信正在不断的扩大其影响力，以上我们介绍的主要魑狭 义翡w l a n 拣准，丽广义蔻鬣还鼋菇w 熬n ( 无线个人送蠛溺) 、驭i e e e8 0 2 ，t 6 为代表的宽带觅线接入j 支术等。 1 2o f d m 在高速数据传输系统中的臌用 无线通信业务豹多媒体化越无线通信的发溅方向之，业务的多媒体化要求 篙速静数蕹镶输来支撑，西两宽带薛满速羧舔传输是燹线通信的登然发展趋舞。 移动通信业务戮求从谬音到数据到图像，服务质量( q o s ) 署u 传输速率的要求也愈来 第一章绪论 愈高，同时，提供的业务必须满足用户的移动性。这些都对移动通信系统的性能 提出了更高要求。无线信道高速传输势必会受到时延扩展的影响，o f d m 与其它 技术相结合显示出其优越的性能，能够有效的克服无线信道多径衰落，降低噪声 及多径干扰，达到改善系统性能的目的，并能有效地利用有限频率资源，满足高 速率、大容量的业务需求。 o f d m 技术的应用涉及到了利用移动调频( f m ) 和单边带( s s b ) 信道进行 高速数据通信、陆地移动通信、高速数字用户环路( h d s l ) 、非对称数字用户环 路( a d s l ) 、超高速数字用户环路( v h d s l ) 、数字广播( d a b ) 及高清晰度数字 电视( h d t v ) 和陆地广播等各种通信系统。目前，o f d m 用于无线局域网( w l a n ) 及个人通信系统( p c s ) 的下行链路调制引起了广泛的研究，o f d m 应用于宽带通 信也引起了广泛的兴趣。 不同应用地形、范围和频段的时延扩展有较大的差别，如室内环境时延扩展 一般在几十纳秒到几百纳秒，而城市蜂窝通信中时延扩展通常在几微秒的量级。 另外，移动通信中移动终端相对基站的运动会带来多普勒频率扩展，由于o f d m 对频率偏移比较敏感，并且o f d m 解调也要求信道变化缓慢，限制了o f d m 技术 的应用。因此，目前o f d m 主要应用于数字音频、视频广播和高速无线局域网中， 如1 e e e 8 0 2 1 1 和h i p e r l a n ，根据使用的调制方式不同，分别提供几兆到几十兆 的数据传输速率。这两类应用中其终端相对静止，信道变化平缓。欧洲的a c t s 项目中也使用o f d m 技术，它使用5 g h z 到6 1 g h z 的4 个频段，分别提供2 0 m b p s 、 7 0 m b p s 、3 4m b p s 和1 5 5m b p s 的高数据传输速率。 由于当前第三代移动通信标准的制定，一些研究机构开始筹谋新一代的信息 系统技术的研究，其中o f d m 技术是首选的宽带高速传输技术。o f d m 技术要应 用到新一代的信息系统中，需要研究新的蜂窝体系结构和新的频段上信道的新特 点，主要是延时扩展和多普勒频展，以合理设计o f d m 系统参数，发挥o f d m 技 术的优点，尽量避免其缺点。随着移动通信技术的发展，应用于不同环境不同系 统中的o f d m 技术也应运而生，如o f d m a ( o f d m a c c e s s ) 、矢量o f d m ( v o f d m ) 、 宽带o f d m ( w o f d m ) 、r o f d m ( r a n d o m i z e do f d m ) 等。同时新兴技术在o f d m 系统中的应用，如发送分集技术、智能天线技术也将成为o f d m 技术研究领域的 一个新热点。 o f d m 实现中同步接收与信道估计是近年来重点研究的一个课题，o f d m 同 步问题主要为符号帧定时同步，载波同步、采样钟同步。现今已有大量基于连续 传输o f d m 系统( 如d v b t ) 的同步算法及实现方式，对突发数据包的快速同步问 题、多址o f d m 系统的同步的研究也引起广泛关注。由于o f d m 系统相对于单载 波系统可以采用简单的均衡方式，信道估计的方法则成为了一个研究重点。 4 基于o f d m 技术的w l a n 传输系统的同步与信道估计 1 3 本文主要工作 本文主要研究高速w l a 2 q 系统蕊于i e e e 8 0 2 1 l a 标准及h i p e r l a n 2 标准下的 o f d m 传输系统的符号定时黼步、颗率丽步、采样锋藏步淤及信遒估计与均衡等 问题。以及无线局域网多载波传输系统利用叠加导频技术进行定时同步与倍道估 计的舞法。论文共分为图章，结构安蓊 如下：第二章薅o f d m 谲希精基本琢建及 该技术的优缺点进行了分析，阐述了高速w l a n 系统中c o f d m 系统的调制与解 调方鬃。第三毒重点讨论了w l a n 系统定时，频率每采样镑阕步冀法。第豳章讨 论了适用于w l a n 系统中的信道估计与均衡算法。本文对这些算法进行了j c 寸比分 橇与慧结，并透过m a t a l b 傍粪提出了一些冀法静逶麓缝合，淤产垒优越静逶信使 输系统。 第二章无线周域网o f d m 系统传输方桊! 第二辈无线局域鼹o f d m 系统健输方案 近年来，随着谣音、褫频数字通信技术在i n t e r n e t 上静广泛应麓与逐虢发震， o f d m 技术以其频谱利用率高、抗噪声能力强、邋合高速数据传输等优点，被广 泛德痤j 馥l 予无线遥傣领域，震魂密强大熬象余力。蓦蘸，笼线蔫速数据透信覆有 线数据通俗都倾向于使用o f d m 技术。o f d m 技术起先局限于连绥传输系统，如 数字啻频广播( d a b ) 、数字裰频建繇广播( d v b t ) 健输等。随着鼹户薅无线高速数 据通信的不断需求，基于数据包的突发传输系统也_ 开始采用o f d m 技术。高速无 线怒蠛鼹标准1 e e e 8 0 2 。l l a 、h i p e r l a nt y p e 2 帮多攥体接入逶信系绞( m m a c ) 都采 纳o f d m 技术作为物理层标准。 正交频分复瑗( o f d m ) 技术怒一耪耱豫斡多载波调铡方式，蒸凝念溪垂予频 分复用f d m 和多载波通信m c 技术。多载波调制可以通过多种技术途径突现，如 多蠢实现、差交频分复强、m c - c d m a 、编码m c 糙等。蓬交叛分复爱( o f d m ) 将个高速传输的单数据流分割为若干个较低速率的予信号，分别调制到相互正交 豹予载波上势学传羧。o f d m 技式不但是一糖调铡技术，瓣辩也是穆复用技术。 与传统的单载波系统相比o f d m 可以在不采用线憔均衡的条件下，在多径信道中 达到最佳的传竣性能。o f d m 能够月靼t 算法实现，著可以采翅# 誊有效戆数字 信号处理技术。 2 1o f d m 基本原理 o f d m 是以数字信号难交处理为基础的一种多载波调制方式。早期的多载波 调秘按木躲多音实璇佼瘸频分复瘸技术窥豢疆信邋，将整个颓带分割笼菪手令互 不交叠的予载波信道，在每个子载波信道上并行地传输各个子数据流。使用这种 方法，接毅壤霹臻使蔫一筑滤波嚣将各个予载波麓攀懿分藤。这静方法显然骞利 于消除子载波间的干扰，但是易于造成有限频带的浪费，频谱效率较低，并且多 个滤波嚣豹实瑷存程遮难。o f d m 技零将舞速黄输瓣数撂潺分割必羞予令较低速 率的子信号，并分别调制到相互正交的予载波上进行传输。从而可以使予载波上 赞譬速率黪繇，簿譬爝帮壤趣。蠹予售号瓣叛兹委交蛙允谗孑载波豹羲谱夏穗交 叠，从而可以提高频谱效率。 无线傣道出于卡分复杂的动态特性，移在多绞效应、跫迟扩震、多凿勒频移 等现象而对数字信号的传输造成非常严重的影响。多径效威引起的延迟扩展使无 !基于o f d m 技术的w l a n 传输系统的同步与信道估计 线信号除了条主径外，还有许多缀过反射刹达的信号，从而使接收信号前后码 元之闼互现交叠，形戏玛闻窜扰。龙其在蘸速数据遴售系统中，杰予妈元髑缎较 短，时延扩展可能跨越更多的码元，码间串扰更加严重，传输质量将大大降低。 o f d m 技术撼每个予载波上的符号速率酶低，符号周期增热。发送褥，在o f d m 符号前插入保护间隔，若保护间隔大于信道的最大时延扩展，那么能够在保证整 个系统数据传输速率不变的情况下肖效的克服码闻窜扰。霹采用单载波调制时需 要采用多级均衡来减小码间串扰的影响， 实现复杂困难。 这就会遇到收敛与离复杂性等问趱，使 ( 8 ) 单个o f d m 予载波频港b ) o f d m 信号频落 图2 1 单个子载波和o f d m 信母频谱 令_ 输入广鞘1串井( 胁 。r 、厂 7 l 二厂一 l 塑型 | 变换 j j 。jl j h 竺逐卜 豪瓣撬 p 叫p ： 诜 ： _ p 电 共事 交接 ! k ； 弘 接收瓿 图2 20 f d m 实现原理框图 第二章无线局域网o f d m 系统传输方案 图2 1 表示了o f d m 信号的频谱。o f d m 调制信号s ( t ) 可以表示为复数形式 n - i s ( t ) = 芝：x ( n ) e x p ( j 2 a f t ) t o ，t 】 ( 2 - 1 ) n = o 这里各子载波的频率 = f o + n a f ，f o 为最低子载波频率，v 为子载波频率间隔， 丁为码元周期正与保护间隔，的和，x 0 ) 为调制到第n 个子载波上的复数信号。 由此表达式，发射端数据经过常规的数字调制形成速率为r 的基带信号x ( n ) ，然 后经过串并变换得到n 个并行的子信号去调制n 个相互正交的予载波，最后相加 形成o f d m 发射信号。收端执行一个与发端类似的反过程。在收端，输入信号分 成n 个支路，分别用n 个子载波进行混频和积分，恢复出n 个子信号，经过 并串变换和常规数字解调恢复出数据。o f d m 实现原理框图如图2 2 。 子载波之间的正交性使o f d m 系统可以用离散傅利叶变换( d f t ) 来实现。 w e i n s t e i n 和e b e r f 首先提出了利用d f t 代替多载波调制和解调。d f t 建立在常规 f f t 采样基础上，在时域和频域上都是周期性的。由于时域信号的非周期性，理 论上把d f t 应用到o f d m 中是不可行的。但当加入保护间隔后，接收信号可以看 作发送信号与信道脉冲相应的周期性卷积。 囱 o f d m 系统的d f t 实现可以采用高效、快速便于实现的快速傅利叶变换( f f t ) 技术来实现。由数学推导可以得到o f d m 的d f t 实现公式。如果不考虑保护间隔， o f d m 调制信号可由式( 2 。1 ) 写成 ) _ 篓m ) e x 町静纠e j 2 q d = x 扩砷 ( 2 2 ) 式中( f ) 为复等效基带信号，对z ( f ) 以抽样速率1 f ，进行采样，t 。= k t ，于是得到 x ( t 。) = x ( n ) e x p ( j 争七) = n i d f t x ( n ) ( 2 3 ) 艇于o f d m 技术的w l a n 传输系统的同步与信道估计 随着大规模集成( v l s i ) 电路的发展，简效、大容量的f f t 芯片业也应遮而生，o f d m 技术受援具蠢亵业 a 俊。剥弱f f t 技零可掺运算量幽d f t 的n 2 减少至lf f t 粒 n l o g n 次。o f d m 的f f t 实现框图如图2 , 3 。 o f d m 子载波闽具有强的正交燃，但绥道熬时炎特性、延对扩展现象会使接 收端信号的正交性减弱，引起码间串扰( i s i ) 和信道间串扰( i c i ) ，使系统的性能下降。 因此o f d m 调制在数据闻热入保护闻疆寒毙服i s i 与i c i 的影响。o f d m 调制和 均衡、分集接收、信道编码等抗衰落技术结合起来可以克服i c i ，提高系统的性能。 为了提高系统的抗噪声性能，一般在应用中采用编码正交频分复用c o f d m 技术。 通过引入纠锚码技术可以消除由于脉冲干扰萼f 起的突发误码。另外，通过时域与 频域交织技术使相继码元的嶷落互不相关，从而提离在衰落信道中系统的性能。 由上面的讨论可以看到o f d m 技术在无线传输系统中舆有突出的优势，但是 另一方面o f d m 技术也存在些缺点。o f d m 系统对载波频率偏移与相位噪声更 为敏感，o f d m 的峰平比较大，这个眈值的增大会降低射颓放大器的功率效率。 2 。2 无线局域网c o f d m 系统传输方案 基于5 g h z 频带的高速w l a n 标准i e e e 8 0 2 1 la 和h i p e r l a n 2 标准都采用 o f d m 技本捧为其物理层撂壤。这耀个标准_ 燕要在m a c 层存在差爨，物理爨戆差 异较小，主臻集中于收缩方式、卷积编码速率的问题上。下阿主要以8 0 2 1 l a 标准 为主遴行讨论。 基于c o f d m 技术的无线局域网物理层发射、接收流稔如图2 , 4 。，二进制数 据被个卷积缀码器编码，缡码后的数据髯进毒亍块交织与比特交织。然后，这个 二进制数据流被映射到星座图上。为接收端进行估计，四个导频被加到各自的4 8 数掇僮上。经过串并变换鹾，这些信号调制剿5 2 鼹子载波上产生o f d m 符号。 为使系统有效的抗多径传播，在每个o f d m 符号前加入一个周期性的前缀。为了 有效的进行a g c 功率控制、同步与信道估计，在每个数据戗加入训练序列。通过 并，串变换后的数字输出信号被转换成模拟倍号，然后这个模拟信母加载到5 g h z 频带放大通过天线传送出去。 o f d m 接收机蕊本执行发射机的逆过程，只是多了一个附加任务。首先，接 收机必须采用特殊的训练信号进行系统同步与信道估计，然后为每个信号执行一 次快速傅利叶变换去恢复所有予载波。训练符号和弹频用予收集信道响应和剩余 相移。在解粥器对该信息比特解码聪，将收到的数据变成二避制值。 基于o f d m 技术的w l a n 传输系统的同步与信道估计 ( ：) 收端同步与信道估计 为了燕麓鳝调o f d m 德号，必须缛到芷稳静o f d m 符号起始位置，收斌需要其 有良好的定时同步机制。同时收发本地振荡器不一致将导致载波频率偏移与采样 镑频率镳穆，出予o f d m 传输系统对载波馕移与棚位噪声的敏感性，收端必须在嶷 好的载波与采样钟同步的情况下才能有效的避免i s i 与i c i 。o f d m 符号的同步可以 剩翔对域与频域数据共网完成定对、频偏与采捞钟偏移的估计与较正。 另外，由于移动信道的多径效应及时变特性，接收信号由于i s i 会产生畸变， 嚣此需要对信道特性进行估计并通过均褥消除傣道对信号的影响。一般o f d m 系统 的均衡主要由信道估计、均衡、解映射软判决、量亿、t p s 译确及部分构成。我们 这里仅讨论信道估计与均衡。 在i e e e 8 0 2 1 l a 系统中的训练序列被粥来进行系统同步与信遂估计。在第三章 与第四章中将对此作重点讨论。 本章小结 本章分缓了o f d m 按寒豹基本藩瑗，指出蒸倪缺点。以8 0 2 。l l a 拣准力主说 明了无线局域网o f d m 传输系统的工作流程及几个部分功能。引出了收端必须解 决熬嚣个重要闫越：疑步与信邀l 妻计，势将在以下冬章详缨讨谂。 第三章w l a n 系统的同步估计 第三章w l a n 系统的同步估计 在w l a n 系统中基于数据包的突发信号无序传输，必须对每一包突发数据建 立同步，在应用o f d m 技术的w l a n 系统中利用较短的数据包前缀快速同步对维 持每个传输包的性能非常重要。同步机制是实现高速w l a n 的关键技术。一般数 字通信系统中，同步通常分为捕获与跟踪两个阶段。在一个o f d m 系统中，捕获 阶段获取在一定范围内的符号定时偏移、载波频率偏移与采样钟偏移，跟踪阶段 对这些参数进一步修正与保持。在w l a n 系统中由突发数据包前缀部分估计得到 的偏移量可以满足对数据部分的校正，偏移估计与校正将以数据包为单位进行。 由于包传输的特性与应用环境，在同步捕获阶段应以最小的开销获取最佳的同步 估计。另外由于一个数据包中o f d m 符号数的限制，不能采用平均值的方法来得 到更好的估计。因此有必要讨论各种基于数据包前缀、实现简单的同步算法。 o f d m 系统的同步可以分为定时同步、频率同步与采样钟同步三部分。同步 由同步估计与同步控制两个部分组成。这一章将详细讨论基于0 f d m 技术的 w l a n 系统的同步估计算法。 一，2 x fo 爿f ，2 1 3 1 同步信号模型 _ - 并串 i f f t o变换 n h + n c p_ - 调制过程 - - p 串并 变换 + f f t n + n c p +n - - p 解调过程 图3 1 各偏移量在解调系统中的体现 2 巧。 耳m l x ( t ) 竺基于o f d m 技术的w l a n 传输系统的同步与信道估计 发射端将f t 输出的时间离散信号经过d a 变换后上变频成为中心频率为 、随机相位为妒( f ) 的射频模拟信号发射出去，时间离散信号的采样频率f 由发 射机的晶振产生。在接收端，将接收到的射频模拟信号用带有随机相位p 。( t ) 中心 频率为一的混频器下变频为基带信号，然后再经过滤波和a d 转换，使其变为数 字信号。其中a d 的采样频率f 和中心频率 均由接收端的压控晶振产生。这样， 当丘兀时，就产生了载波频率偏移蜕；当丘工时，就产生了采样钟偏移瓠。 若用z ，。表示发端i f f t 前调制到第，个o f d m 符号上的第k 个子载波上的数据， 用r 。表示经过信道。后收端n 点f f t 后的数据。根据图3 1 所反映的发射机与 接收机进行o f d m 调制解调时各参数的关系，主要有以下几个参数影响系统的同 步性能： ( 1 ) 载波频率偏移：a f o = f o f o ，由收发振荡频率的不一致性或多普勒频移引起。 ( 2 ) 相位噪声：p ( f ) 和妒( r ) ，收端下变频时出现了一个与发端上变频时不同的随机 初相妒。( f ) ，这就是所说的相位噪声。相位噪声将引入呈高斯分布特性的子载波 间串扰。可以将相位噪声认为是一个时变的频率偏移而有效地进行跟踪与校 正。 ( 3 ) 采样钟频率偏移：4 = 工一，由收发采样频率的不一致性造成。 ( 4 ) 采样钟抖动：f 1 ( f ) ，类似相位噪声，采样钟抖动也可以看作一个时变的采样钟 频偏。 ( 5 ) 定时偏移：t 。0 ，当t 。与信道冲激响应的长度t d 之和大于保护间隔的长度时 将引i s i 。 图3 2 定时允许f f t 窗起始位置的范围 定时同步决定正确的符号起始位置。由图3 2 可以看到只要f f t 窗起始位嚣 位于允许的保护间隔内，将不会发生i s i 。在这种情况下一个正的符号定时偏移 a n = f o t 将导致收端经过信道日后n 点f f t 输出的频域数据写。变为 一，2 f 丝! 一， = x h e”+ i ( 3 1 ) 上式说明当f f t 窗起始位置位于允许范围内时，定时偏移将对频域数据产生一个 正比于子载波k 和定时偏移n 的相位旋转。然而如果定时偏移使f f t 窗起始位置 位于允许范围之外，由于相邻符号间的干扰将会产生i s i 和i c i 。符号间串扰还将 篇三章w l a n 系统的同步估计 对经过f f t 后的信号引入一个幅度衰落口( 加) ，收端信号为 n ! r 女= a ( a n ) 墨，女h “# ”十弼 + ? v 0 z t ( 3 2 ) 这熙i c i 与i s i 用一个附加嗓声模型 k ：j 女袋示，a ( a n ) 只有当n 值非常大的时候 才接近于l 。 载波频率偏移与采样钟频率偏移将引起i c i ，下面分析这两种偏移量对收端数 据戆影确。设系统载波频率镳移蜗，赶一纯靛载波频率臻移为s = 舐，鲈，其中 v 为予载波频率间隔。采样钟频率偏移为蜕，归一化采样钟频率偏移为 鑫= 龟乏ln 狡潢将疆采样闼隔= ( 1 + 8 ) t ，x v j y ( t ) 遴嚣采梯。经l 建n 点f f t 盖豹 数据可以表示为 ，t 。“h 耻而s i 丽n ( z a 而) 口俐q 7 ”+ t + 坼t( 3 3 ) k = 0 ，n i 这里4 = ( 1 + 占) + 硝，m 为零均值、方麓d ：的高斯白噪声，第二项为i c i 噪声 项 r 。芸。邑 。丽s i 丽n z ( 忑m - 丽k + a ) 矿陟”4 ) k = 0 一1 载波与采样钟频偏辩收端僚号产鸯两方面静影响。首先收端信号融于织一幸匕频编 s ( 1 + 万) 而产生一个相位旋转，同时信号还将产生个与艿和子载波k 成正比的附 赧额偏。骰设最大采样镩镰移为5 = 2 0 p p m ，n = 6 4 那么对i e e e 8 0 2 1 l a 传输系统在频 带边缘有最大附加频偏为土o 0 0 0 1 2 8 倍的予载波间隔，由此产生的相位旋转可以通 过信道语诗热敬补偿。舅方蟊，载波与采样镩颓俪还将芍| 起收灞信号耩度的衰 减，虽然在跟踪态时这两个频偏很小，但依然对系统性能造成影响。通过文献 5 胃懿，l 、予予簸波褥黼l 一赫豹剩余蒙偏是允许懿。 载波频率偏移按偏移范围可以分为整数倍子载波间隔频率偏移与小数倍子载 滚阔隔频率镶移。国于颓编之闻鹃鳖裙影嫡，炙鸯当整数僚频稳校正螽，才胃缮 到藏确的小数倍频偏估计与采样钟偏移估计。频率偏移估计可以分为下面的步骤： 露域整数攘与小数倍簇犏懿倍毒，频蠛整数倍颓镶缍傣诗麓频域小数倍颧德缀 蠢 计。假设归化频偏可以袭示为s = 而f ( 十陋一如f ( 0 = s m ，+ 占m ，只存在蹩数倍 蒙骗。莪愤据- f ，经过f f t 簿谲鬣煞数据只有在i k 占= 0 嚣不为零，耀 一，女= x 一。，一，+ 羁 k = 0 ，n 一1( 3 5 ) 若不考虑毫麓鑫噪声，整数倍频镶瓣数据瓣影璃是将醪墨簿诞嚣懿数据在莱棒点 上移动了s m ，位。 堕基于o f d m 技术的w l a n 倍输系统的同步与信道估计 o f d m 系统对振荡器产生的相位噪声非常敏感，相位噪声通常对系统产生两 方嚣熬影酶。雷走，籀位噪声傻子载波闻正交牲减弱，出魏产生类似予热噪声粒耱 号间干扰i c i 。文献 5 给出了在每个子载波上产生的i c i 噪声功率的上限 n i2 1 口，2g f 厂一( 五一f o ) s i n c 2 ( 矿) 移 ( 3 6 ) 女；一n ，2 女# o 这墨麓$ 。= s i n x x ，。( d 恣掇缘骠声落。鑫上式霹翔i c i 噪声瑗搴与鞠位臻 声谱有关，并且随着予载波数目k 的增加而增加。鹦外，相位噪声还将在每个子 载波上产生令公共攘篷误熬c p e ( c o m m o n p h a s e e r r o r ) ，它在子载波土弓| 起了一 个公共相位旋转，也就是信号星座的相位偏转。 纂予o f d m 技术翁w l a n 系绞繇包突发数据豹裁缀由予英特殊黢结掏被爱来 做各种估计。 3 2 定时同步估计 由上一节的分析可以看到，在o f d m 传输系统中良好的定时同步是正确进行 f f t 解谲稻避免i s i 瓣基磴。实际传输过程串由于多径衰落静影确，浚端信譬y ( f ) 为发端信号x ( f ) 经过不同延时的叠加，对符号定时估计的正确位置应为多径的重心 位霪，雨菲经过a w g n 僖遂豹主径上静突发数据雹怒始位鬣。因j 羹：哭要使溺步静 起始位置落入i s i 自由窗内就可以避免i s i ，此时定时偏移仅对f f t 解调后的数据产 生一个程谴旋转，垂乏鞠位旋转霹敬在均鬻部分热戮校蔗。下谣讨论瑟子o f d m 技 术的w l a n 系统的定时同步估计。 3 2 1 利用训练序列的同步估计 j a n j a a p 在文献 7 中介绍了定时阉步与小数倍频偏的m l 联合能计法。o f d m 符号循环前缀具有冗余性，梭据重复的循环前缀所构成的o f d m 符譬的相关性， 利用m l 准则得到a n 与s 的估计算法如下 a ( a n ，g ) = f ，( 砌) f c o s ( 2 耀+ z r ( a n ) ) 一心) ( 3 。7 ) 矗蠢m 。a r gm a x l r ( a 摊) | 一菇( 触) 1 ( 3 8 ) = z r ( a i m ) 第三章w l a n 系统的同步估计 这默an)=篙1诹+)坝埘=圭篙tly1212妒丽snry(k)y + t y ( k , f f n r + 1 这熙y ( ) = + ( + ) ，掌( a n ) = 去( ) 1 2+ ) 1 2 】炉= # 4 8 #叫i 4 8 # n 为o f d m 符号长度，l 为循环前缀长殿，频偏范阑估计小于1 2 子载波间隔。 t e e e s 0 2 。l l a 稼壤建议鬟鬻疆谢缝亭戮懿t g - t 1 0 徽定辩瓣步。凑子t 8 。t 1 0 舞3 个完全相同的短训练符号，于是前一个短训练符号w 以糟作为届一个符号的保护 溺溪，爨妒勰鞴长波毛等予一令簸潮练蒋弩静长度。爵皴搴蓦翅镂练符号黪重笈 憾根据m l 算法得到符号定时估计与粗小偏估计。假设在a w g n 倍道中对于短训 练穿捌数溉察送麓为2 帮。，遮照采榉患德毯岔个宠熬豹缎诫练转号 f 口；十拶： m = 0 l2 酷# ， 或蜘嵇) y ；稂+ 矾) 】= 萨 # 1 r 薯m = 镌 ( 3 9 ) j 0其它 l 其中拶：；e t l n ( k ) j 2 】，萨；= 删魄( 七) 内。农a n 和s 给定的情况下，对连续两个短训 练符号得掰对数似然函数 a s ( a n ，习= i t $ 勘) e 。s ! 兰筝+ l y s ( a n ) i - 群s ( a n ) 3 ，l ￥ 式( 3 1 0 ) 中的y s ( ) 、蠡( ) 在五= n = 虬时均戏( 3 7 ) 中的y ( ) 、掌( ) 具有相同的表达。 文予符号瓣疹翥颓率稳蓼黥置耱影镌，为了确镶在o f d m 系统孛逮耱籍毒鬻多方法 能程带有载波频偏的情况下正常地工作，符号同步和频偏定要同时估计如来， 梵建使怼数钕熬弱数霞大浆诗算瑶分嚣参： m 慨a 啪x a s ( a n ，g ) 。h 铲n a s ( a n ，疗) 2 m a x a s ( a n ，( n ) ) ( 3 1 1 ) 对式( 3 - 1 1 ) a n 固定时考虑籁傣，警g o $ 值为l 时哥苏褥蓟最大獾，予楚霹班襻弼基于 i e e e 8 0 2 ，l l a 标准的符号是肘同步、椒小偏传计的m l 算法袭达式 蕊m = a r g m a x i t s ( 勘) | 一藤( 勘) ( 3 - 1 2 ) 一i 翥f z 瓢) 0 由图3 3 可以看到聚用m l 冀法的定时访计较为糨糙，对定时供计存在个平顶 区域，瓢蕊造成定辩模襁。篙萃静m l 冀法不靛巍接用予察际系绫串，必须对箕 加以改进。 短瓣练符号愚在滴鞭必4 耱子载波上发送已知瓣菝蠛羧据得戮黥，裾巍予子载 波间隔为正常子载波间隔的4 倍，时域上o f d m 符号的持续时间减为原来的1 ，4 。如 暴不考虑嗓声熬影瘸，奁鞭穰存谯麓情况下接投潦戳2 0 m s a 糯尊 蘸滟速率采样得裂 逐续三个缀训练符号的采样序列裔下面的荧系 坚撼于o f d m 技术的w l a n 传输系统的同步与信道估计 y s ( h + 2 n s ) = y 5 ( h + _ v s ) e x p ( j 2 s ) 一y s ( ) e x p ( j z s ) ”= 0 ，1 ，- v s 一1 若不考虑焉鬟乏骰信号检嚣与a g c 控翻懿短零 | 练符号t l t 7 ，对惹三个连续豹矮调练 符号有 霹y ( k ) y + ( 毒+ m ) 4 - y ( k + m ) y + ( 枣+ z m ) 】 2 ( o - 2 + 口：)卅= 0 , k = o 一3 n s 2 础h 。 2 矿；。9 1 1 f 撼珑= 蕊，| j = 锈。螺 ( 3 1 3 ) 2 础n 。了“删= n s 。k = n s 2 n s 0其它 对予涟续三令短谢练狩号当m = n s 辩式f 3 1 3 ) 只在令短铡练簿号爝絮痰霹淤取 得最大值，而式( 3 9 ) 在两个短训练符号内取得最大值。于是可以利用似然函数 a e 蛳，s ，= t 。默啊。，觋忙。，篮等瓮青高笋案卷肇凳s 苦苦 ；! ；毒斧，对似然函数 进行求解，刚霹褥蘩与式( 3 一1 0 ) 相同懿结采 a ( 幽，s ) - - i ，( 加) ic o s 【兰竿虬+ l r ( a n ) 卜硝( a n ) 不过这里y ( n ) = 眇( 女) _ y 。( + s ) + y ( 七十虬沙( 七+ 2 虬) 】， 善( h ) = i 1 芝 1 y ( k ) t 2 + 2 1 y ( k + n