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电子科技大学硕士学位论文：o f d m 系统中的同步技术研究 摘要 下一代无线移动通信系统要求能够提供高速宽带的多媒体业务，但在无线环 境下，高速数据通信受到频谱资源、功率和多径衰落等诸多因素的限制。近年来， 正交频分复用( o f d m ，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 ) 技术受到越 来越广泛的关注，其并行传输机制、内在抗符号间干扰和多径信道分集等特性， 在衰落信道中显示了很强的数据传输性能，同时由于其子载波问的诈交性， o f d m 系统具有很高的信道利用率，具有十分广阔的应用前景。 然而，o f d m 技术也存在着不足，首先，在无线环境中传输的o f d m 信号 以符号形式进行处理，对定时要求高，为了能够正确解调，必须从接收信号中提 取出f 确的符号起始位置，减少码间串扰的影响；其次，o f d m 技术的高频谱 利用率和传输可靠性均以子载波的正交性为基础，对频率偏移敏感，如果载波发 生频率偏移，失去正交性，就会导致严重的子载波间干扰，降低系统整体性能。 因此，在设计o f d m 接收机时，需要对时间、频率的偏移进行有效的估计和补 偿，尽可能减小对系统性能的影响。 当前，相当多的无线通信系统采用o f d m 作为其核心技术，各系统应用背 景、参数和数据结构均存在着差异。本文针对i e e e8 0 2 1 l a 无线局域网中的 o f d m 同步问题进行研究。在i e e e8 0 2 1 l a 无线局域网系统中，传输数据以帧 的方式突发传送，每帧的帧头都规定了由十个重复的短训练序列和两个相同的长 训练序列所构成的前导结构，为设计出有效的时间频率同步算法以及进行正确的 信道估计奠定了基础。 全文结构安排如下： 第一章绪论，介绍本文的应用背景、研究内容和意义：第二章o f d m 系统 同步技术概述，介绍o f d m 技术基本概念、o f d m 系统中存在的同步问题和已 有的同步算法；第三章i e e e8 0 2 1 l aw l a n 系统物理层仿真实现，给出本系统 物理层的设计参数，以及采用m a t l a b 工具进行实现的方法和过程；第四章符 号定时同步和频率粗同步，针对i e e e8 0 2 1 1 a 系统特有的帧结构，提出了定时和 频率粗同步的改进算法，并给出相应的仿真结果，仿真结果表明，在多径衰落和 低信噪比的信道条件下，本文提出的同步改进算法具有比较好的同步性能；第_ ! f 1 l 章整数频偏估计，给出利用长训练序列进行估计的算法描述和仿真结论，结果表 明本算法对整数频偏具有较好的估计精度。第六章全文总结。 关键字o f d mi e e e8 0 2 1 l aw l a n 训练序列时间同步频率同步 电子科技大学硕士学位论文：o f d m 系统中的同步技术研究 a b s t r a c t o n eo ft h e r e q u i r e m e n t s o fn e x t g e n e r a t i o n o fw i r e l e s sm o b i l e c o m m u n i c a t i o n s y s t e m i st o p r o v i d et h e t r a n s m i s s i o no ft h em u l t i m e d i a s e r v i c e sw i t h h i g h e rs p e e d a n dw i d e rb a n d w i d t h i nt h ew i r e l e s s e n v i r o n m e n t ，t h ef r e q u e n c yr e s o u r c e s ，p o w e ra n dw i r e l e s sf a d i n gc h a n n e l e t c 1 i m i t h i g h e rd a t at r a n s m i s s i o n i nt h e s e sy e a r s ，o f d m ( o r t h o g o n a l 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 ) t e c h n i q u eh a sb e e np a i dm o r ea n dm o r e a t t e n t i o nb e c a u s ei th a ss t r o n gt r a n s m i s s i o n a b i l i t y i nw i r e l e s s c h a n n e l s ， w h i c hc o m e sf r o mi t so w np a r a l l e lt r a n s m i s s i o n m e c h a n i s m ，i n h e r i t e d r o b u s t n e s st oi n t e rs y m b o li n t e r f e r e n c e ( i s l ) a n dt h e d i v e r s i t y w i t ht h e m u l t i p a t hc h a n n e l ，m e a n w h i l e ，o f d ms y s t e m h a s v e r yh i g h c h a n n e l u t i l i z a t i o nr a t i ob e c a u s eo ft h eo r t h o g o n a lp r o p e r t i e sa m o n gi t ss u bc a r r i e r s w h i l et h eo f d m t e c h n i q u ea l s oh a ss o m es h o r t c o m i n g ss u c ha sb e i n g s e n s i t i v et ot h et i m es y n c h r o n i z a t i o ne r r o ra n dt h e f r e q u e n c yo f f s e t i n d e t a i l ，a tf i r s t ，i nt h ew i r e l e s se n v i r o n m e n t ，t h er e c e i v e rh a sn ok n o w l e d g e a b o u tt h et i m ed e l a yb e t w e e nt h et r a n s m i t t e ra n di t s e l fi ng e n e r a ls i t u a t i o n i nt h eo f d m s y s t e m ，t h eo f d m d a t ai st r a n s m i t t e da so n es y m b o l ，s oi n o r d e rt od ot h ec o r r e c td e m o d u l a t i o n ，t h ec o r r e c ts t a r to fs y m b o ls h o u l db e g o tf r o mt h er e c e i v e ds i g n a l st or e d u c et h ee f f e c to fi s i s e c o n d l y ，t h eh i g h f r e q u e n c yu t i l i z a t i o na n dt h er o b u s tt r a n s m i s s i o no fo f d m a r ef o u n d e do n t h eo r t h o g o n a lp r o p e r t i e so ft h es u bc a r r i e r s ，s oi ft h ef r e q u e n c yo f f s e tis g e n e r a t e da n dt h eo r t h o g o n a lp r o p e r t i e sa m o n gs u bc a r r i e r si sl o s t ，t h a tw i l l c a u s et h ei n t e rc a r r i e ri n t e r f e r e n c e ( i c i ) a n dh i g hb e ro fs y s t e m a sa r e s u l t ，i nt h eo f d ms y s t e m ，h o wt os y n c h r o n i z ei naq u i c ka n da c c u r a t e m a n n e ri s q u i t ea ni m p o r t a n ti s s u e ，w h i c ha f f e c t st h ep e r f o r m a n c eo ft h e w h o l es y s t e m s ot h e c o r r e s p o n d i n gt i m e a n df r e q u e n c ys y n c h r o n i z a t i o n a l g o r i t h m ss h o u l db ep r o p o s e da n dr e a l i z e di nt h eo f d m r e c e i v e rd e s i g n t h i sp a p e rs t u d i e st h e s y n c h r o n i z a t i o nt e c h n i q u e i nt h eo f d ms y s t e m ， w h i c hi st od oe f f i c i e n te s t i m a t i o na n dc o m p e n s a t i o no ft i m ea n df r e q u e n c y 0 f f s e tt oe n h a n c et h es y s t e mp e r f o r m a n c e i i 电子科技大学硕士学位论文：o f d m 系统中的同步技术研究 b e c a u s em o r ea n dm o r ec o m m u n i c a t i o ns y s t e mh a sa d o p t e dt h eo f d m t e c h n i q u e a si t sc o r e t e c h n i q u e s a n d t h e y h a v ed i f f e r e n t a p p l i c a t i o n b a c k g r o u n d ，s y s t e mp a r a m e t e r sa n dd a t as t r u c t u r e s ，o a rp a p e ro n l yf o c u s e s o nt h e s y n c h r o n i z a t i o ni s s u e i nt h ei e e e8 0 211aw l a ns y s t e m i nt h i s s y s t e m ，t h ed a t aa r et r a n s m i t t e di nb u r s tf r a m e sa n d t h e r ee x i s t sa p r e a m b l e ， w h i c hi s c o m p o s e d o ft e n r e p e a t e d s h o r t t r a i n i n gs e q u e n c e s a n dt o w r e p e a t e dl o n gt r a i n i n gs e q u e n c e si n f r o n to fe a c hf r a m e t h i sr e d u n d a n c y p r o v i d e sp o t e n t i a l t od ot i m ea n d f r e q u e n c ys y n c h r o n i z a t i o n i ni e e e 8 0 2 11 f lo f d m s y s t e m t h i st h e s i sf o c u s e so nt h i ss p e c i a lf r a m es t r u c t u r e ， u t i l i z et i m e s y n c h r o n i z a t i o n ，f r a c t i o n a l f r e q u e n c y o f f s e tc o a r s ee s t i m a t i o n a l g o r i t h mi nt h et i m ed o m a i n a n di n t e g e r f r e q u e n c yo f f s e te s t i m a t i o ni nt h e f r e q u e n c yd o m a i nt om e e tw i t ht h eh i g hr e q u i r e m e n to fs y n c h r o n i z a t i o ni n t h eo f d m s y s t e m t h i st h e s i si so r g a n i z e da sf o l l o w s ： c h a p t e r1 i n t r o d u c e st h i st h e s i s sb a c k g r o u n da n dc o n t e n t s c h a p t e r 2 g i v e s ab r i e fi n t r o d u c t i o no fo f d mt e c h n i q u e t h e ni t d i s c u s s e st h e s y n c h r o n i z a t i o n i s s u e sa n dt h e e x i s t i n gs y n c h r o n i z a t i o n a l g o r i t h m si nt h eo f d ms y s t e m i nc h a p t e r3 ，t h ep h y s i c a ll a y e ro fi e e e8 0 2 ，11aw l a ns y s t e m ，w h i c h i sb a s e do no f d m t e c h n i q u ea n d i t sr e a l i z a t i o nb ym a t l a ba r ee x p l a i n e d c h a p t e r4p r o p o s e st h ei 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 m so ff l a m e a n dc o a r s ef r e q u e n c yo f f s e te s t i m a t i o n t h es i m u l a t i o nr e s u l t si l l u s t r a t et h a t t h ep r o p o s e da l g o r i t h mh a sb e t t e rs y n c h r o n i z a t i o np e r f o r m a n c ee s p e c i a l l yi n t h em u l t i p a t hf a d i n gc h a n n e lw i t hl o ws n r c h a p t e r5 d i s c u s s e st h ei n t e g e rf r e q u e n c yo f f s e te s t i m a t i o na l g o r i t h m a n di ti s p r o v e dt h a t t h i s a l g o r i t h mh a sg o o de s t i m a t i o np e r f o r m a n c eb y s i m u l a t i o n c h a p t e r6g i v e st h ec o n c l u s i o no f t h ew h o l et h e s i s k e yw o r d ：o f d m ，i e e e8 0 2 11 a ，w l a n ，t r a i n i n gs y m b o l s ，t i m e 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 n 1 1 1 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：主毛逡e t ；1 t i l ：坩二月) 日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：趄导师签名：装3 盘兰 日期：2 d bl 年岁月f 1 日 电子科技大学硕士学位论文：o f d m 系统中的同步技术研究 1 1 引言 第一章绪论 随着移动通信技术的迅猛发展，无线通信多样化的发展趋势要求无 线设备能够支持从0 - 0 1 m b p s 低速率到4 5 0 m b p s 高速率的不同数据传输 速率，也能支持不同时延要求的实时性业务和不同可靠性要求的非实时 性业务。宽带无线接入和无线局域网w l a n ( w i r e l e s sl o c a l a r e a n e t w o r k s ) 形式灵活，往往采用无需执照的工作频段，投入成本低，同 时又能支持更高速的数据传输和更大的系统容量，适合高速无线业务的 传输。因此，宽带无线接入和无线局域网作为下一代无线通信系统的不 可或缺的组成部分，逐渐成为研究热点。其中，如何有效的利用有限的 无线频率资源，在恶劣的信道环境中实现高速率、高质量的多媒体业务 传输则成为未来无线通信系统设计所要解决的主要问题之一，即如何解 决现有的频率资源紧张和确保大容量信息的高稳定性、高可靠性与高质 量传输等问题。另外，随着人们不断开发更高频段的频谱资源柬满足无 线业务的需求，在高频段进行高速移动通信时，必将面l 临严重的频率选 择性衰落。因此为提高传输信号的性能，必须研究和发展智能传输技术， 以便更有效的抑制这种衰落。 近年来随着计算机网络的普及和无线技术的发展，无线网络已经逐 渐成为提高工作和生产效率不可缺少的工具。无线网络是使用无线传输 媒体的网络，其作为有线网络的补充，可咀满足移动、重定位、特殊网 络的要求，覆盖有线网络难以涉及的范围。采用无线网络进行通信也是 移动通信最具发展前景的方向之一，作为蜂窝技术的补充，它通过微蜂 窝，微微蜂窝和极小蜂窝的结构填补特殊区域，完成对移动通信多层次 的需要，并提高有限频谱资源的利用率。今后，高速无线网络的应用范 围将如同今天的有线网络一样广泛，首先无线网络的灵活性则是有线网 络所不能比拟的，而且有线网络在升级和维护方面的费用也远高于无线 网络。所以，无线网络已经扩展到许多重要的应用领域，如机场、宾馆和 救灾等情况下的通信。与有线网络不同的是，要求无线网络必须支持高 速突发数据业务；在室内使用嗣要解决包：活多径衰落、码间干扰( i s i ， 电子科技大学硕士学位论文：o f d m 系统中的同步技术研究 i n t e rs y m b o li n t e r f e r e n c e ) 等问题。 1 2 本文的研究目标和主要内容 在移动通信系统中，可以通过许多方式来提高频带利用率，包括进 行码率压缩、采用微微蜂窝结构等方式。然而伴随着每一代新的移动通 信系统的产生，系统数据传输速率和传输带宽不断提高，对传输技术的 发展提出了新的要求，要求传输技术的改进能够进一步提高频带利用率， 同时保证其在衰落信道中仍能保持良好的传输性能。 在新兴的传输技术中，正交幅度调制( q a m q u a d r a t u r e a m p l i t u d e m o d u l a t i o n ) 可以实现高速传输速率和高效频带利用率，但是q a m 固有 的抗二r 扰性能差的特点制约了它在无线高速通信领域的进一步应用。尽 管c d m a 技术通过扩展频谱的方式提供良好的抗干扰性，然而，单纯的 c d m a 不足之处在于其频带利用率不高，无法更有效的利用频带，也无 法支持更高的传输率。 o f d m 技术作为多载波传输技术的一种，其并行传输机制、内在抗 符号问干扰和多径信道分集等特性，在衰落信道中显示了很强的数据传 输性能，同时由于其子载波间的正交性，o f d m 系统具有很高的信道利 用率，具有十分广阔的应用前景。这种技术早在6 0 年代就已被提出，但 由于其当时实现过于困难和昂贵，并未广泛应用。9 0 年代起，数字信号 处理技术的迅猛发展为o f d m 技术在无线数据通信领域的应用提供了 良好的基础。o f d m 技术已被欧洲数字电视标准d v b t 和数字音频广 播d a b 标准所采纳，目前已经作为w l a n ( h i p e r l a n 2 和i e e e8 0 2 1 1 a ) 和宽带无线接入( i e e e8 0 2 1 6 ) 的核心技术。 然而，o f d m 技术仍然存在一些固有的问题，影响其在无线通信领 域的深入发展。这些问题包括：对载波频率偏移和定时同步误差比单载 波更敏感；由于o f d m 信号的峰值和平均值的功率l b ( p a p r p e a k t o a v e r a g ep o w e rr a t i o ) 高，有比较大的动态范围要求，所以对放大器的线 性要求比较高。只有这些问题必须彻底解决后，o f d m 技术才能成为一 种实用的、经济的、能解决多径干扰的数据传输技术。 电子科技人学硕士学位论文：o f d m 系统中的同步技术研究 基于以上考虑，本文主要任务是研究o f d m 系统的定时同步和载波 同步问题。在i e e e8 0 2 】1 a w l a n 环境下，比较几种定时和频偏粗同 步算法的性能，并在此基础上提出了相应的改进算法，同时完成了整数 频偏估计算法并给出相应的仿真结论。 1 3 本文创新点和意义 本文的创新点和主要研究工作包括： ( 1 ) 利用仿真工具m a t l a b 及其s i m u l i n k 仿真工具箱，实现i e e e 8 0 2 1 1 aw l a n 系统物理层的数据发送、信道传输、同步接收和数据统 计等功能模块，搭建系统仿真平台： ( 2 )阐述了良好的定时和频偏估计算法的代价函数应该具各的四点特 性，以此提出了利用i e e e8 0 2 1 1 aw l a n 系统的训练序列，实现定时同 步和粗略频率偏移估计的改进算法；在实现的w l a n 系统仿真平台上进 行相应仿真，仿真结果表明即使在多径衰落和低信噪比的信遭条件下， 本文提出的同步改进算法仍具有比较好的同步性能。 ( 3 ) 实现利用长i j i 练序列的整数频率偏移估计算法并进行相应的仿真 工作，结果表明本算法具有较高的估计精度：同时还通过仿真分析了定 时误差、分数频偏估计误差和整数频偏估计误差对系统性能的影响，指 出下一步工作的方向。 本文的研究成果不仅为进一步研究i e e e 8 0 2 1 1 ao f d m 系统的物理 层提供了软件仿真平台，且对所提出的同步算法的估计性能进行分析的 结果对进步研究o f d m 系统中的同步问题有着借鉴意义。 电子科技大学硕士学位论文：o f d m 系统中的同步技术研究 第二章o f d m 系统中的同步技术概述 2 1o f d m 调制技术简介 2 1 1o f d m 基本原理 正交频分复用o f d m 是一种多载波调制方式，其基本思想是把高速 率的信源信息流通过串并变换，变换成低速率的n 路并行数据流，然后 将这n 路数据流分别调制到n 个相互正交的子载波上，然后将n 路调 制后的信号相加即得发射信号。 从频域上观察，o f d m 技术将所给信道分成n 个正交的子信道，在 每个子信道上使用一个子载波进行调制，并且这n 个正交的子载波并行 传输，即用多个窄的正交子带的和占据了整个分配的信道。尽管总的信 道是具有频率选择性，但是每个子信道则是相对平坦的，并且在每个信 道上进行的是窄带传输，信号带宽小于信道相关带宽，这样o f d m 技术 便可以克服信道的频率选择性衰落。 从时域上观察，o f d m 采用并行方式传输多个符号可以相应的增加 码的持续时间，这样就可减少瑞利衰落环境带来的码问干扰( i s i ) 的影 响。 设基带调制信号的带宽为b ，码元调制速率为r ，码元周期为t s ， 且信道的最大迟延扩展am t s 。o f d m 的基本原理是将原信号通过串并 转换分割为n 个子信号，转换后码元速率变为r n ，周期为t s = n t s ，然 后用n 个子信号分别调制n 个相互正交的子载波。所谓正交子载波即是 每个载波的频谱峰值与所有其它载波的过零点相对应，如图2 1 所示。 由于子载波的频谱相互重叠，因而可以得到较高的频谱效率。 电子科技大学硕士学位论文：o f d m 系统中的同步技术研究 图2 1 正交子载波示意图 当调制信号通过无线信道到达接收端时，由于信道多径效应带来的 码间串扰的作用，子载波之间不能保持良好的正交状态。因而，通常在 o f d m 系统中，传输前在码元前插入循环前缀( c p - - c y c l i cp r e f i x ) ，循 环前缀是将o f d m 符号的末尾部分拷贝至符号前端，如图2 2 所示： 图2 2 插入保护间隔的o f d m 符号 这样的复制方法保证了传输符号的周期性和连续性。这时，如果估 计到的符号起始位置位于保护间隔内，由于c p 的保护作用，每个符号 内的f f t 输出子载波信号仅会产生相位偏移，而不会受到前后o f d m 符 号的影响。如果估计的符号起始位置位于保护间隔外，数据间隔内，那 么当前采样的o f d m 符号就会包括一些其它o f d m 符号采样点，会造 成码间串扰，从而影响系统的误码率特性。 电子科技大学硕士学位论文：o f d m 系统中的同步技术研究 信道脉冲响应 飘号w 0 f i j m 符号i 图2 3c p 的抗1 s 1 性和定时估计要求 同时，在实际信道中，由于多径效应，o f d m 符号会受到因时延扩 展的其他o f d m 符号的影响，造成了码问干扰。如果c p 间隔6 大于信 道脉冲响应长度r n ，则所有时延小于6 的多径信号将不会延伸到下一 个码元期间，如图2 3 所示。由于在接收端，会将接收到的保护间隔除 去，不作为接收到的有效信号进行解调和译码，所以只要满足上述条件， 便能有效的消除或减少色散瑞利衰落环境所带来的码问串扰的影响。所 以保护间隔c p 在o f d m 系统中是系统设计需要考虑的个重要参数。 图2 4 和图2 5 分别给出了o f d m 系统最基本的发射和接收原 理图。在发射端，发射数据经过普通q a m 调制形成速率为r 的基带信 号。然后经过串并变换成为n 个子信号，再去调制相互e 交的n 个子载 波，最后相加形成o f d m 发射信号。 电子科技大学硕士学位论文：o f d m 系统中的同步技术研究 串 并 变 换 图2 4o f d m 发射原理框图 在接收端，输入信号分为n 个支路，分别用n 个子载波混频和积分， 恢复出子信号，再经过并串变换和普通q a m 解调就可以恢复出原始数 据。由于子载波的正交性，混频和积分电路可以有效地分离各个予信道。 1 出骘 一一：q 帛 并 i 1 1 变 换 1 一俨 图2 5o f d m 接收原理框图 7 电子秘技大学琰七学位论文：o f d m 系统中鲍嗣步技术磷究 2 1 2o f d m 的f f t 实现 o f d m 最早起源于6 0 年代中期，首先应阁于军事调频( f h ) 邋信 系统中，但是由于传统的多载波方案建立在精密的滤波器组之上，实现 的复杂度高，执衙限翩了它的进步椎广。直到9 0 年代，根据o f d m 中进行调制的n 个子载波具有相互正交的特性+ 人们提出了采用离散傅 立时交换 d f t ) 来实现多个载波的调制，这样避免了直接生成n 个载 波时由于频率偏移而产生的交调。同时可以采用快速傅立叶炎换( f f t ) 技术实现，隧着数字信弓处理技术韵飞涟发震，大大释低了o f d m 技术 实现的复杂程度，使得o f d m 技术越来越广泛的应用在各种移动通信系 统浚及捐应静电力线传输系统中。 o f d m 调专信d ( t ) 号可以写成( 2 一1 ) 式，其中x ( t ) 为爱等效基带 信号( 2 2 ) 式。 n i d ( r ) = d ( n ) e x p ( j 2 z n t n t 。) k 肛埘= z ( f ) p 。2 嘶 ( 2 1 ) n = o 一1 z ( r ) = d ( n ) e x p ( j 2 z n t n t ，) ( 2 - - 2 ) = o 对x ( t ) 进行抽样，抽样速率为1 t s ，即t k = k t 。，则有： 一】 x ( t ) = d ( n ) e x p ( j 2 ：c n k n ) = n f f w ( n ) 】 ( 2 3 ) * = 0 其中0 女( 一n ，由( 2 3 ) 式可以看出，o f d m 调制可以通过发 端i f f t 变换和收端f f t 变换束实现。 o f d m 系统静离散辩润基繁等效模滚如图2 6 繇示。 电子科技大学硕七学位论文：o f d m 系统中的同步技术研究 图2 6o f d m 的f f t 实现框图 但是，潮予在时交信邀中，予信遒豹多普勒扩震使予信道豹正交申耋 恶化，就会使o f d m 接收信号经过f f t 解复用后日i 起信道闻串扰i c i ，使 系统瞧麓f 降。西藏，o f d m 调潮通常露要帮箕健抗信遒衰落镀术结合 起来克服i c i ，改善系统性能。一方面，通过跟踪时变的信道冲激响应， 爰均鬻来鬻糕i c i ：勇一方藿 结合穆遴缡玛技术来提高在衰落信道中静 系统性能。 2 1 。3o f d m 技术的优缺点 2 1 3 o f d m 技术的主要优点 传输。 ( 1 ) 鼗有羧翡对藐i s i ，透瘸子多经环境黎衰落若道中弱窳速鼗掇 它将高速串行数据分割成多个子信号，降低码元速率，相应延长了 码元周期；当传输的符号周期大予最大延迟时间时就能够有效鲍减弱多 径扩展的影响。所以o f d m 对信道中因多径传输而出现的i s i 肖很强的 鲁棒性( r o b u s t n e s s ) ，系统总的b e r 性能好； ( 2 ) 可具有很强的抗信道衰落能力。 在o f d m 中由于并行数据码元周期很长，般大于深衰落的延续时 闻。通常衰湛发生在莱个子载波上， 便可恢复。如果衰落不是特别严重， 这列逶过冬令子载波懿联合编码， 简单的均衡器结构魑o f d m 的突出 电子科技大学硕士学位论文：o f d m 系缆中麴嗣步技术觋究 优点之一。由于o f d m 在每个子信道上通常经历的是平坦衰落，所以可 以方便鲍对冬个予信道进行频域均衡。暹霉，一蹬撞头滤波器缝构黪均 衡器便可满足要求。这对接收机的复杂度是个很大的简化； ( 3 ) 萋予d f t 的o f d m 有快速算法，尤其在子载波数鞠多的情况 下，采用f f t 算法能大大减少系统的复杂度，简化系统结构，使得o f d m 技术更趋予实用纯。 ( 4 ) 信遂裁耀事毫。由于o f d m 系统中舔个子载波阉建歪交懿。 当璐元麦矩形熬狰缀或瑟雩，每令予载波豹频谱鏊盖繁，其漳值掰在楚 为其它子载波的零点。当子载波个数很大时，所有子载波频谱叠加在一 起，接近甄形，困丽其颓港稍用缀高，理论上可达到香农信息论的极限。 2 + 1 。3 2o f d m 技零豹圭簧缺陷 ( 1 ) 对系统瓣a 线性闻题敏感，对救大爨懿线瞧要求鑫； ( 2 ) 对定时和频率偏移敏感。 总之，o f d m 的有些优势凳其它技术无法眈按的。我们翔道，无线 信邋中所袋用的披术很多，如扩频( 抗窄带干扰能力强) ，多幅度调制( 频 带利用率简) 等。但如果臻求基带信号速率在2 m h z 以一上，则扩频技术 就不合适了，因为扩频厝豢宽缀寒。在离度衰溪鳇绩邋中，袋忍多蠖凄 调制也不台适，因为其星座图将被改变，导致误码率很高，性能达不到 要求。瑟o f d m 自予其势行黉输穰裁，痰在静抗i s i 瓣链力霸肉在豹秘 用多径信邋的分集特性的能力，在衰落信道高速数据传输中盥示了很强 靛餐棒幢。茏其怒在高速无线数据传输静系统中，o f d m 技术被广泛采 用。 电子科技大学硕士学位论文：o f d m 系统中的同步技术研究 2 2o f d m 系统中同步问题 2 2 1o f d m 系统中的同步概述 在o f d m 系统中需要考虑三部分同步：符号定时同步、频率同步和 采样时钟同步。 符号定时同步就是确定o f d m 符号的起始位置，即每个f f t 窗的 位置。如果符号同步的起始位置在循环前缀( c p ) 长度内，载波间的正 交性仍然保持，在这种情况下，符号同步的偏差可以看作是由信道引入 的相位旋转，而这一旋转角度可由信道均衡器来求出；如果符号同步的 偏差超过了保护间隔，就会引入载波间干扰( i c i ) 。子载波的频率越高， 旋转角度就越大，因此在频带的边缘，相位的旋转最大。 频率同步是估计并校正数据流中存在的频率偏移，设调制后的信号 为。( f ) = s ( f ) e 胁门，则由于通信双方上下变频的本振不匹配，加上多普 勒效应导致接收信号的载波频率发生偏差，收到的信号解调为 ，( ，) = s ( f ) e m 7 p m 门= s ( f ) g m 虮，= 厂一f 即为调制载波和解调 载波之间存在的频偏。载波的频率偏移毫无疑问会直接影响载波的正交 性，它对码元的直接影响是导致信号幅度衰落，并且给系统带来载波间 的干扰，从而直接影响系统的性能。 在频偏估计中，通常将频率偏移划分成分数部分和整数部分。这里 是以子载波间隔作为归一化的标准，子载波间隔的整数倍的频偏称为整 数部分频偏，剩余的小于一个子载波间隔的频偏称为分数部分频偏。二 者对接收信号的影响分别为，分数频偏大小往往与信号相位偏移有着一 一对应的关系，经过i f f t 变换后，整数频偏通常表现成对应子载波标 号的偏移。 电子科技大学硕士学位论文：o f d m 系统中的同步技术研究 2 2 2 o f d m 系统中已有的同步算法概述 以f f t 为分界，o f d m 同步可以分为时域和频域上的同步。一般而 言，从同步利用的数据不同，o f d m 同步算法的发展沿袭两条思路： 第1 ，数据辅助型，引入特殊的同步块，采用训练符号或导频等附 加信息，通过改变导频或训练符号的结构、码型，以便更容易进行同步 信息的提取和提高同步准确度。 第二，非数据辅助型，从发送信号已有的结构( 如c p ) 、接收机其 他处理部分( 如信道估计处) 、或者对经过f f t 变换后信号本身进行处 理，进一步提取同步信息，可分为全盲和半盲两种同步方法。 2 2 3 数据辅助型算法 2 23 1 基于训练符号 基于训练符号的同步方法是在时域上将已知信息加入待发o f d m 符号。通常置于o f d m 符号前或者由多个o f d m 符号构成的帧的前部。 训练符号的引入可以同时完成同步要求和信道估计的要求。对于基于训 练符号同步方法的研究通常分为如下两个方向： 训练符号的结构组成 最早由p m o o s e 提出口j ，其基本思路是构造完全相同的两个o f d m 训练块置于分组或帧的头部，利用相同的结构之间的时域相关性来进行 频偏的估计。然而p m o o s e 的算法的只能估计分数频偏，估计范围有 限。p m o o s e 同时指出，使用的训练符号越短，利用最大似然法进行频 偏估计的范围越大。基于这个思路，不少算法采用在单个o f d m 符号内 进行2 k 重复的方法来增大频偏估计的范围【】3 j 【l “，但是这种方法存在一 些缺陷：估计的精度会随重复数的增加而降低；训练符号可用的子载波 数减少，导致后继信道估计的准确度下降：对信道的衰落更加敏感 4 1 。 电子科技大学硕士学位论文：o f d m 系统中的同步技术研究 因此，就需要进一步提出同时能够增大频偏估计范围和同时保证估计精 度的同步算法。 如前所述，分数频偏和整数频偏对o f d m 符号的接收具有不同的影 响，从这一点出发，出现了将频偏划分成分数频偏和整数频偏两部分进 行“分而治之”的多级估计算法，其中分数频偏用时域技术完成，而整 数频偏则由f f t 变换后的频域上的频偏估计技术完成。文献 5 利用两个 训练符号完成了时频同步，这种方法可适用于连续和分组传输系统。它 采用的结构是第一个训练符号由前后完全相同的两部分组成，利用这两 部分的相关性，通过寻找其最大相关值及其相位信息来完成符号同步和 分数频偏估计；进行了分数频偏修正后，对第二个训练符号与第一个训 练符号之间进行差分编码，构成估计代价函数，进行整数部分的估训。 该方法有很强的时频估计能力，并且计算复杂度也不高。 文献 6 则在此基础上进步改进，只需利用一个前后相同的o f d m 符号，如图2 7 所示，将文献 5 在两个符号间进行差分改进成在同一 符号的前后两部分间进行差分，在完成时频同步的同时，仍能保持 5 的性能，同时它提出的分数估计的算法的前提是要求相邻子载波的信遭 响应保持不变，比文献 5 要求相邻训练符号对应的子载波的信道响应相 同的条件更容易满足，且能够适应快衰落环境。文献 7 则利用f f t 变换 后的相关的相位信息来完成时间细同步，可进一步提高系统性能。 o f d m 训练符号 r “1 h ，2 个采样点2 个采样点 图2 7o f d m 训练符号结构图 基于 5 的训练符号结构，可将受到频偏和时偏影响后的符号分别表 示为下两式。接收到的前半段训练符号如式( 2 4 ) 所示： 电子科技大学硕士学位论文：o f d m 系统中的同步技术研究 r ( n ) = 而1 刍n - i 五日和吲+ w ( ”) 接收到的后半段训练符号如式( 2 5 ) 所示 咖+ n = 击弘即和勺q m 争删 ( 2 4 ) ( 2 5 ) 其中x k 为发送的数据，h k 则是信道冲激响应经过 f f t 变换后的 采样值，7 ) 代表接收到的数据，5 ，t 分别代表分数和整数频偏。口代 表定h , i 偏差，”j 则为信道引入的加性白高斯噪声。由于前后两部分传 送的数据完全相同，则在不考虑噪声影响的条件下，有 信道最大时延值) ，6 条多径。其相应参数 设置为： 采样时间为：5 0 纳秒。 而大量数据表明，多径时延谱可以近似为指数函数。如式( 4 一1 ) 所 刁i ： p ( 力= ( 】z - d ) e 1 “ 其中平均时延f 和均方时延扩展r m s 盯r 都等于“。 ( 4 1 ) 所以我们可以由多径时延谱，以及多径传播造成的脉冲展宽时间来 得到相应的信道响应。在特定的时延值处，便可以得到特定的功率时延 潜对于的功率值，便可以通过独立的复高斯随机过程，并具有平坦衰落 信道冲激响应的特性的瑞利衰落，经过抽头时延构成6 抽头的频率选择 电子科技大学硕士学位论文：o f d m 系统中的同步技术研究 性衰落的多径衰落模型。 其中7 k 为相对时延，权重1 权重6 为平均功率，各个分路上的 瑞利衰落是归一化的服从瑞利分布的幅度因子，且相互独立。我们这里 采用的多径功率时延分布如表3 3 所示： 表3 3 瑞利衰落信道的多径功率时延分布 多径数 1 2 3 456 i 抽头时延0 纳秒5 0 纳秒1 0 0 纳秒1 5 0 纳秒2 0 0 纳秒2 5 0 纳秒 l 抽头增益 od b一8 6 8 5 91 7 3 7 1一2 6 0 5 7一3 4 7 4 3一4 3 4 2 9 d b8d b7d b6d b4d b 本文实现的i e e e8 0 2 1 l a 系统物理层模型主要分为一下几个组成 部分： ( 1 ) 发送部分 发送部分又分为，原始信号源、基带的调制与编码部分，长、短训 练序列的产生、导频符号的产生，经过i f