（通信与信息系统专业论文）ofdm系统中的同步新算法研究.pdf

南京航空航天人学硕士学位论文 摘要 o f d m 是一种高频带利用率的多载波调制技术，它在提高频带利用率的同时，也 能有效地抵抗字符间干扰。而同步技术是o f d m 系统实现的关键技术之一。本文在 现有的同步技术上提出了一种基于导频技术的同步改进算法。利用此算法，即使在低 信噪比的情况下，也能够实现精确的定时同步，获得良好的系统性能。在文章最后， 对不同算法的仿真结果从各方面进行了比较，表明了同步改进算法与其他同步算法相 比的优越性。 关键词：o f d m 系统、同步、q a m 调制、s n r a b s t r a c t o r t h o g o n mf 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 gi s a ne f f e c t i v em u l t i - c a r r i e rm o d u l a t i o n t e c h n i q u e ，i n w h i c hs y n c h r o n i z a t i o ni so n et h e k e yi n g r e d i e n t s i nt h i st h e s i s ，an e w i m p r o v e da l g o r i t h mb a s e do np i l o tt e c h n i q u ei sp r o p o s e d f o rt h es y n c h r o n i z a t i o n w i mt h e h e l p o ft h ei n t r o d u c e d f l g o f i t h m a n a c c u r a t e t i m i n gs y n c h r o n i z a t i o n a n db e t t e r p e r f o r m a n c ec a nb ea c h i e v e d e v e ni nl o ws n re n v i r o n m e n t s f i n a l l y , t h es i m u l a t i o n r e s u l t se m p l o y i n gd i f f e r e n ta l g o r i t h m sa r ec o m p a r e d ，t h ee o n c l u t i o n sa r et h u sa d d r e s s e d t h a tt h en e w a l g o r i t h m c a l lo u t p e r f o r mt h et r a d i t i o n a lo n e si nm a n y a s p e c t s k e y w o r d s ：o f d ms y s t e m ，s y n c h r o n i z a t i o n ，q a mm o d i f i c a t i o n ，s n r 南京航空航天大学硕士学位论文 第一章引言 1 10 f d m 系统的产生和应用 在各类通信过程中，普遍存在着一种很严重的干扰符号间干扰( i s i ) 。由于 信道传输特性不理想，或由于云层、山脉，特别是城市高层建筑物遮挡和反射的影响 在接收机里产生回波干扰。在以往的数字通信中，都是使用自适应均衡器来消除回波 的干扰。但在高速数字通信中，均衡器的抽头数常常要求很大，尤其是在都市内进行 无线通信，时延十几微秒的回波很常见，这使得均衡器的抽头数达几百。从而大大增 加了均衡器的复杂度和成本。近年来，随着移动通信业务和数字广播需求的不断增加， 这一矛盾变得严重。因此，出现了一种新技术以取代复杂而昂贵的自适应均衡器，这 就是正交频分复用( o f d m ) 【l o j 。o f d m 是一种多载波系统，通过延长传输符号的 周期，从而增强其抵抗回波的能力。与传统的均衡器比较，它最大的特点在于结构简 单，因此可大大降低成本，且在实际应用中非常灵活，尤其对高速数字通信是一种非 常具有前景的技术。随着d s p 芯片技术的发展，格栅编码技术、软判决技术、信道 自适应技术等成熟技术的应用，o f d m 技术的实现和完善指日可待。 o f d m 系统的英文全称为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 ，即正交频 分复用系统。o f d m 是一种无线环境下的高速传输技术，它能够同时满足高速和抗 干扰两方面的要求。用j 下交频分复用( o f d m ) 技术可以实现在5 1 5 g h z 到5 3 5 g h z 频段可靠的高速数据传输。o f d m 技术是h p a 联盟( h o m e p l u gp o w e r l i n ea l l i a n c e ) 工业规范的基础，它采用了一种不连续的多音调技术将被称为载波的不同频率中的大 量信号合并成单一的信号，从而完成信号传送。由于这种技术具有在杂波干扰下传送 信号的能力，因此常常会被用在容易受外界干扰或者抵抗外界干扰能力较差的传输介 质中。o f d m 技术的主要思想是将给定信道分成许多正交的子信道，在每个子信道 上使用一个子载波进行调制。在对每个载波完成调制以后，为了增加数据的吞吐量， 提高数据传输的速度，它又采用了一种叫做h o m e p l u g 的处理技术，来对所有将要被 发送数据信号位的载波进行合并处理，把众多的单个信号合并成一个独立的传输信号 进行发送。同时，由于在字符之间引入了循环前缀，增强了系统抵抗字符间干扰的能 力。除此以外，在0 f d m 中平行引入子载波还具有使信号不易受选择性频率衰减影 响的优点。设想采用单载波发送数据，如果该频率点的通道中存在干扰，全部的信号 传输就会失败，而这种情况对多载波系统的影响将很小，因为只有少量子载波会受到 干扰。同时，还可以采用纠错码来恢复丢失信息，这样的o f d m 系统被称为编码 o f d m ( c o f d m ) 。通过在每个符号前预置保护时间，可以改善i s i 。这要求保护时 间的长度必须大于等于时延扩展。o f d m 使用的最有效的保护时间段通常称为循环 o f d m 系统中的同步新算法研究 前缀( c p ) ，实际上就是直接将符号的末尾部分复制到开始部分。符号的复制是用来 保持波形的币交性，并防止载波闷干扰( i c i ) 。从本质上讲，o f d m 将信息分布到许 多予载波上，这样一束，在每一个子载波上的信息比特的持续时间就变长了，这就大 大减少了i s l 。 o f d m 技术在2 0 世纪6 0 年代就出现了。早期的o f d m 技术主要用于军用的无 线高频通信系统，由于o f d m 系统实现起来设备比较复杂，没有得到推广。直到7 0 年代，s w e i s t e ir l 和e b e r t 0 1 提出了一个完整的o f d m 系统，包括用f f t 产生信号 以及在多径信道中加入保护间隔，简化了系统的结构，使o f d m 技术更趋于实用化。 8 0 年代，如何将它用于高速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，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 年之问增长了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( h i p e r l a n i i ) 。由于它与t d m a 及c d m a 2 2 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。到目前o f d m 技术已经被广泛 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 d s l ) 、e t s i 标准的数字音频广播( d a b ) 、数字视频广播( d v b ) 、高清 晰度电视( h d t v ) 、无线局域网( w l a n ) 等。 1 2 移动通信的主要技术问题 移动信道是通信中最复杂的信道。因为除去有线信道中存在的干扰外，无线信道 还受一些其他因素的影响。 频率选择性衰落：在任一无线传输中，信道频率响应都不是平坦的。当传输速率 较高时，信号持续时间越短，相应带宽越宽，若信号带宽超过信道相干带宽时，信道 时间弥散特性将对接收信号产生频率选择性衰落。o f d m 适用于多径环境和频率选 择性衰落信道中的高速数据传输。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。 多径衰落：多径衰落( m u l t i p a t h f a d i n g ) r | 由多径效应引起的衰落。通常，电波在移 动环境中传播时，会遇到各种物体阻挡，经反射、散射、折射和绕射等不同路径到达 接收天线，成为通过各个路径到达的合成波。由于各路径分量的幅度和相位各不相同， 因此合成波信号起伏很大，称为多径衰落。电离层短波传播、对流层微波视线和散射 传播、移动无线电信号传播均可出现明显的多径衰落。多径传播形式主要有：直射波、 南京航空航天大学硕士学位论文 漫反射、镜面反射和有阴影遮蔽的直射波。而利用o f d m 技术也可以有效地抵抗多 径衰落。 延迟扩展：从发射端接收到的信号不仅包括个直接信号，还包括有其他物体反 射回来的信号，发射信号到达的时间比直接信号要迟，因此就会扩展接收信号能量， 延迟扩展就是指第一个接收信号与最后一个接收信号之间的时间差。在数字系统中， 延迟扩展会引起i s i ，这是因为延迟的多路径信号与接下来的信号发生重叠。o f d m 系统能够大大减小符号速率，进而可以减小延迟扩展。 多普勒频移：当波源与接收机之间发生相对运动时，接收到的信号的频率将与源 信号的频率有出入。当两者相对而行时，接收到的符号频率大于源信号，当两者相互 接近时，接收到的频率小于源信号，这就叫多普勒效应。可用下式近似计算多普勒频 移： a f 。- + f o 二( 11 ) c 一厂是两者之间的频差，f o 是源信号频率，v 是两者相对运动速度，c 是光速。在o f d m 系统中运用良好的同步技术就可以纠正由于多普勒频移而带来的频偏。 o f d m 技术不是在个时间间隔内用一个频率( 或载波) 来传输信息，而是将 传输信息分配到v 个子载波传输。每个子载波的时间间隔增加了倍( 或传输信息 减少为l n ) 。因此，尽管每个单独的子载波的数据传输率降低为1 n ，但由于有个 不同的通道并行传输，因此系统总的传输率是一样的。此外，由于分成了个子载 波，t m a x t 也下降为t m a x ( t 州) ，这意味着每个子载波所能承受的多路径和i s i 为 原来的倍。由于在o f d m 系统中引入了正交的子载波，使得它的频带利用率比以 前任何一种调制技术都要高。第四代移动通信系统计划以o f d m 为技术核心提供增 值服务，它在宽带领域有很大的应用潜力。但是，也正因为引入了正交的子载波，使 得o f d m 系统对子载波的频率偏移很敏感。因此保持正交性成为o f d m 系统中的关 键技术。同时，要保证正确接收到数据，还必需找到数据帧的起始位置。 1 3 论文研究的内容 本论文的重点是针对o f d m 系统中的同步技术的研究。同步技术是实现o f d m 技术的关键，而o f d m 之所以有一系列的优势，也正是引入了正交子载波的概念。 迄今为止，前人提出的同步算法也各种各样，在第三章中将对此详细地介绍。文章在 第四章和第五章分别描述了两种典型的同步算法：m l 估计算法和s c h m i d l & c o x 算 法，并给出了它们在a w g n 信道和多径衰落信道的仿真结果。在文章的第六章提出 了一种基于导频技术的同步改进算法，也给出了其在两种信道条件下的仿真结果。最 后对文中的三种同步算法进行了比较。比较结果表明：改进的同步算法能够实现更精 确的定时同步和频偏估计。因此，此同步改进算法与其他两种同步算法相比有优越性。 ， o f d m 系统中的同步新算法研究 2 10 f d m 系统模型 2 1 10 f d m 系统方框图 第二章o f d m 系统 o f d m 是一种无线环境下的高速传输技术。无线信道的频率响应曲线大多是非 平坦的而o f d m 技术的主要思想就是在频域内将给定信道分成许多正交的子信道， 在每个子信道上使用一个子载波进行调制，并且各个子载波并行传输。这样尽管总的 信道是非平坦的，具有频率选择性，但是每个子信道是相对平坦的，在每个子信道上 进行的是窄带传输，信号带宽小于信道的相应带宽，因此，就可以大大消除信号波形 间的干扰。由于在o f d m 系统中，各个子信道的载波相互正交，它们的频谱相互重 叠，这样不但减小了子载波间的相互干扰，同时提高了频带利用率。另外o f d m 之 所以倍受关注，其中一条重要的原因是它可以利用离散付立叶反变换离散付立叶变 换( i d f t d f t ) 代替多载波调制和解调。o f d m 增强了抗频率选择性衰落和抗窄带 干扰的能力。在单载波系统中，单个衰落或干扰可能导致整个链路不可用，但在多载 波的o f d m 系统中，只会有一小部分载波受影响。此外，纠错码的使用还可以帮助 其恢复一些载波上的信息。通过合理的挑选子载波的位置，可以使o f d m 的频谱波 形保持平坦，同时保证了各子载波之间的正交。 在o f d m 符号之间一般都加上保护间隔，也称循环前缀( c p ) ，即把一个o f d m 符号的最后面几个样本点复制到此o f d m 符号的最前面，用来抵抗由于多径衰落引 起的符号间干扰。发送的基带o f d m 符号和它的c p 部分的各个样本可表示为： 一1， s ( 七) ：三yx + e x p ( 型) j 4 n 茬q ? j n j l 冬k n 一1 ( 2 1 ) 其中越n ) 是第r t 个子载波上的调制数据，义表示o f d m 时域上的抽样点，包括长度 为工的循环前缀( c p ) 部分以及长度为的i f f t 样点。 图2 1 所示的是一个基本的o f d m 系统，其中需要传输的数据比特经数字调制 ( 如m p s k ，m q a m 等) 后成为复信号魁，通过点的i f f t 变换，完成多载波调制， 使信号能够在个子载波上并行传输，变换后的信号经并串转换，将串行数据尾部 的三个点复制到前部，作为循环前缀，构成一个长为三+ 的完整的o f d m 数据帧， 如图2 2 所示。这n + l 个抽样点经过d a 后输出。在接收端经同步算法，估计出帧 定时点和频率偏移，删去循环前缀，再经点f f t 变换后即得解调数据。 南京航空航天大学硕士学位论文 ，2 ? 。i ，一 ”3 刹 1 1 一 一 昧 ： i r m _ 一 ： l ! 拜- 摊 ： 变 茹 ： ! i 许 筷 稚 ： 一 垂 “ 缀n ，一 一 f 鬲叫 一 一 _ _ 一 图2 - l 基本o f d m 系统的方框图 丽r ll 卜| 芒，r 一 m 4 - ， - 2 1 2 发射机1 图2 - 2 循环前缀示意固 一个o f d m 信号由频率间隔为4 厂的个子载波构成。因此，系统总带宽b 被 分成个等距离的子信道。所有的子载波在一个间隔长度为t , = 1 1 4 厂的时间内相互 正交。第个子载波信号用函数孰( ) ，c = - i ，_ 1 来描述。 引归l e j 2 a l c z x f i vv川to一，,瓦ts0t oj z ， l v f 诺 ，jj 既然系统带宽b 被分成个窄带子信道，所以o f d m 组的持续时间疋就是相同带宽 的单载波传输系统的倍。对于一个给定的系统带宽，子载波个数的选取要满足符 号持续时间大于信道的最大延迟。子载波信号孰( r ) 加上一个长度为危的循环前缀 ( 称为保护间隔) 得到下面的信号： o f d m 系统中的同步新算法研究 刚归r 掷0 瓣t 驯g ， f v g 卜，o jj 保护间隔的作用是避免多径信道上产生i s i 。在接收机，删去保护间隔而只估计 时间间隔 0 ，列。从这点看，保护间隔是纯粹的系统开销。整个o f d m 组的持续时 间是t - - t s + t o 。 o f d m 传输技术的一个重要优势是可以明显降低由多径信道引起的i s i 。如果保 护间隔t c 比无线信道最大延迟还大，那么就既不产生i s i 也不影响子载波的正交性。 仅在保护间隔内才出现与先前已传信息的干扰，但在估算的时间间隔内，多径信道 仅仅改变子载波信号的幅度和相位。 每个子载波可以由复调制信号品 独立调制，这里下标n 表示时1 1 司间隔，而女表 示子载波在该o f d m 组的序号。因而在符号持续时间t 内，第”个o f d m 组可表示 为： o 卜专留m 肌。叫n ( 2 4 ) 由所有o f d m 组构成的时间连续信号是： 她卜者互奢础黜。州d ( 2 5 ) 因此，每个子载波都采用矩形脉冲。由于采用矩形脉冲成形，子载波的频谱是s i n c 函数，例如，对于第k 个子载波： o k ( f ) = t s i n c ，r t ( f 一蟛 ( 2 1 6 ) 其中 s i nc ( x 、：s i n ( x ) 子载波虽然有频谱交叠。但是信号相互正交，调制符号最女可以通过相关技术恢 复： ( g ，) = 5 引f ) g l ( t ) d t = 乃如，z( 2 ，7 ) 女= 等( 蹦n 虿万= 面) ( 2 8 ) 其中，g ( ，) 是g k ( t ) 的共轭。在实际应用中，发射机的数字信号处理部分首先产生 南京航空航天人学硕士学位论文 离散的o f d m 信号& 例。因为o f d m 系统的带宽是b = n a f , 所以信号必须在抽样 时间间隔4 t = i b = i n 4 f 抽样。信号的抽样写作，i = 0 ，l ，1 ，而且可以进行如 下计算： s 蚶：喜笠1 s n , k e 2 疵v ( 2 9 ) s 蚶= 去 7 拥纠 ( 2 9 ) v o ”= 0 上面等式实现了离散傅立叶逆变换( i d f t ) ，一般用i f f t 实现。在i f f t 后，应用进一 步的信号处理来避免带外辐射。如果功率放大器限制了o f d m 信号的复制峰值，则 可能引起子载波频谱的带外辐射和子载波频谱的副瓣。 2 1 3 接收机3 假定保护间隔长度砀的值大于信道最大多径延迟，并且首先考虑一个时不变信 道。这样，在接收机估计的时间间隔内，对所有传播路径的接收信号的贡献乘以各自 的复信道传输因子，加到原始的被调制的子载波信号上。这样，子载波的正交性在无 线信道的输出端得到了保证。对于一个时变信道，在相干时间比符号持续时间r 大时， 上述假设也是一个很好的近似。因此，采用( 2 8 ) 式的相干技术可以把接收信号r 。 分解为f 交的子载波： 肝 r m = 等( h ( f ) 百i i 丽) ( 2 1 0 ) 接收机的相关可以等效地用离散傅立叶变换( d f t ) 或f f t 实现，分别为： ，一1 r n , 女= 去1 协8 0 2 删 ( 2 1 1 ) i = 0 其中，h ，是接收信号r 。的第i 个抽样值，尺枞是接收到的第k 个子载波的复调制符 号。f f t 和i f f t 算法可以非常高效地实现。 如果选取的符号持续时间丁比信道的相干时间小得多，b g q 在每个调制符号晶 的持续时间内无线信道的传输函数硼砂可以认为是恒定的。无线信道的作用仅仅是 将每个子载波信号舒乘上一个复传输因子风f ( 女a u , n t ) 。结果，接收的调制符 号r 础在f f t 变换之后为： r n , k = h 月k s n , k + n n , k ( 2 1 2 ) 这里心 是信道的加性噪声。这个等式显示了应用o f d m 传输技术最大的优越性： 既使在最大延迟大到在单载波系统里足以导致非常严重的i s i 的情况，我们仍可以保 证每个被传输的调制符号仅被一个复传输因子和加性噪声所影响，根本不存在i s i 。 式( 2 1 2 ) 假定接收机实现了理想的同步，同步在o f d m 系统中是一个重要的问 题，因为时间和频率同步误差将影响子载波的正交性从而大大降低信噪比。式( 2 1 2 ) o f d m 系统中的同步新算法研究 没有考虑的另一个问题是放大器非线性引起的信号失真。遗憾的是，o f d m 信号有 很高的功率峰均比，为了避免带外的干扰，功率放大器的输入需要很大的回退。例如， 如果相邻频带的干扰比o f d m 频带的能量谱密度低4 0 d b 以上，那么输入回退需要大 于7 5 d b 。然而，可以用编码或信号处理的办法减少o f d m 信号的幅度变化范围，从 而降低需要的输入回退量。 2 2o f d m 的调制技术 o f d m 系统的各个子载波可以根据信道的条件来使用不同的调制，例如b p s k ， q p s k ，8 p s k ，1 6 q a m ，6 4 q a m 等等，以频谱利用率和误码率之间的最佳平衡为准 则。选择满足一定误码率的最佳调制方式可以获得最大频谱效率。多径信道的频率选 择性衰缀会导致接收信号功率大幅下降，达到3 0 d b 之多，信嗓比也大幅下降，使用 与信噪比相匹配的调制方式可以提高频谱利用率。众所周知，可靠性是通信系统运行 是否良好的重要考核指标，因此系统通常选择b p s k 或q p s k 调制，这样可以确保在 信道最坏条件下，系统也能获得很好的性能。但是这两种调制的频谱效率太低。如果 使用自适应调制，那么在信道好的时候终端就可以使用较高的调制，同样在终端靠近 基站时，调制可以由b p s k ( 1 b i t s h z ) 转化为1 6 - 6 4 q a m ( 4 - 6b i t s i - i z ) ，整个系统 的频谱利用率大幅度的改善，自适应能够使系统容量翻倍。 2 30 f d m 子载波间的正交性 因为引入了正交的子载波，使得o f d m 系统对子载波的频率偏移很敏感。因此 保持系统子载波的正交性成为o f d m 系统中的关键技术，在o f d m 系统中，通常的 调制方案有p s k 和q a m 。正交性源于组成一个o f d m 符号的子载波之间的精确关 系。 a 在给定的时问间隔t 内，每个子载波正好有整数个周期宽度，也就是每个子载波 频率是基本频率的整数倍： b 一个符号时间段内。两个檑邻子载波阁的周期数严格地相差一个周期，此特性保 证了两个子载波间的正交性，允许每个子载波能被接收并独立地解调，而不会受 其他副载波产生的干扰影响。 上述两个特性解决了子载波间的正交性问题。要保持正交，o f d m 的子载波必须具 有c p 保护时f j ，必须认真控制或同步处理子载波之间的精确关系。 要满足正交性还需要时间同步。o f d m 信号的频谱见图2 - 3 。在o f d m 接收机能 解调子载波前。必须找到符号边界。此信息用于发射机和接收机的时间同步，这是解 调时正确去除c p 和保证适当的f f t 持续时间所必须的，另一个与时间相关的问题涉 及到采样时钟同步。为实现时间和频率的同步，o f d m 系统采用特殊的训练符号， 它们经发射机发射，在接收机端将接收到的信号与它们的原值圮较，依据这个眈较结 8 南京航空航天大学硕士学位论文 果，可获得期望的系统时序和频率偏移信息。 k o1234 图2 30 f d m 信号的频谱 2 4 o f d m 与f d m 、t d m a 、c d m a 的比较 0 f d m 与f d m ：f d m a ( f r e q u e n c y d i v i s i o n m u l t i p l e x i n g a c c e s s ) ，即频分复用 技术，也是多载波调制技术，它与o f d m 技术非常相似。它也是把可利用的频段分 成若干个子信道，在每个子信道上使用一个子载波进行调制，且子载波之间并行传输。 但是在f d m a 中，每个子信道的宽度为1 0 k h z 3 0 k h z ，而在实际数据传输中，只需 要3 k h z 就可以进行可靠的传输。而f d m a 中之所以增加了额外的带宽是为了防止 信道间干扰，滤去邻近信道的信号，且允许发射机和接收机的中心频率发生一定的偏 移。但是这样做，5 0 的频带被浪费了。而o f d m 技术中允许载波间相互正交，因 此o f d m 所分的信道比f d m a 邻近。o f d m 也正是利用了载波间的正交性，在抵抗 信道间干扰的同时，也提高了频带利用率。 0 f d m 与t d m a ：t d m a 是t i m e d i v i s i o nm u l t i p l e a c c e s s 的缩写，这是一种用 t i m e d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g 来提供无线数字服务的技术。t d m a 把一个传输帧分成多 个时隙，再把这些时隙分给多个用户使用。由于使用了不同时隙传输多个用户的数据， 这就需要增加额外的信息( o v e r h e a d ) 用来区分不同的用户使用的是哪些时隙，从而 使得传输的效率降低。由于不同用户使用不同时隙也就使得系统整体的数据传输速率 很高，数据传输速率越高则引起的多路径干扰越严重。而o f d m 技术能够有效的抵 抗多路径干扰，这一点我们在前面也已经提及。 o f d m 与c d m a ：c d m a 2 2 】为码分多址接入技术，它的原理是基于扩频技术， 即将需传送的具有一定信号带宽信息数据用一个信号带宽的高速伪随机码进行调制， 使原数据信号的带宽被扩展，再经载波调制并发送出去。接收端使用完全相同的伪随 机码，与接收的带宽信号作相关处理，把带宽信号换成原信息数据的窄带信号即解扩， 以实现信息通信。由于所使用的伪随机码的数量有限，造成c d m a 系统的容量有限， 而o f d m 不存在这个问题，即o f d m 系统可以克服c d m a 容量有限的缺陷。 o f d m 技术可以与c d m a 技术相结合起来，进一步提高系统的性能。到目前为 o f d m 系统中的同步新算法研究 止，有三种结合技术：m c c d m a ( y e e ，l i n n a r t z ，f e t t w e i s ) ( 见图2 4 ) ，m c d s c d m a ( d a s i l v aa n ds o u s a ) ( 见图2 5 ) ，m t - c d m a ( v a n d e n d o r p e ) ( 见图2 - 6 ) 。将o f d m 调制技术应用于c d m a 系统的优点： 1 ) 具有更大的灵活性； 2 ) 高容量、高性能： 3 ) 高抗干扰性； 4 1 不需要均衡。 卜卜 i - c jf c os2 硝 譬它 p 俨 图2 _ 4o f d m c d m a 高鬈焉 帛 弋氍 并 鬻 图2 ：5m c d s c d m a 屯 由 屯 并 屯 图2 - 6m t - c d m a 南京航空航天大学硕士学位论文 2 5 o f d m 技术的特点 o f d m 技术的优点： ( 1 ) 能够实现高速数据传输； ( 2 ) o f d m 技术能够持续不断地监控传输介质上通信特性的变化； ( 3 ) 可以自动地检测到哪一个特定的子载波存在高的信号衰减或干扰脉冲，然后 采取合适的调制措施避免使用这些子载波，实现成功通信； ( 4 ) 特别适合用于在高层建筑物，居民密集和地理上突出的地方以及信号撒播的 地区，以及需要删除多径影响( 例如高速的数据传输及播音) 的地方； ( 5 ) 允许子载波间相互重叠，提高了频带利用率； ( 6 ) 可以有效抵抗频率选择性衰减，用信道编码和i n t e r l e a v i n g 可以恢复由于频率 选择性衰减而丢失的信号； ( 7 ) 几乎不需要均衡技术，简化了系统的结构； ( 8 ) 用f f t 技术简化了计算； ( 9 ) 有效抵抗i c i 和i m p u l s i v ep a r a s i t i cn o i s e 。 o f d m 技术的缺点： ( 1 ) 对频率偏移和相位噪声敏感： ( 2 ) 峰值与均值功率比相对较大，这个比值的增大会降低射频放大器的功率效 率。 ( 3 ) o f d m 自适应跳频技术会相应增加发射机和接收机的复杂度，当终端移动速 度每小时高于3 0 k m 时，自适应跳频就不是很适合了。 o f d m 系统中的同步新算法研究 第三章o f d m 系统的同步 3 1o f d n i 系统同步的综述 在o f d m 传输系统中，需完成帧结构、o f d m 分组结构和载波频率上的同步。o f d m 接收机的设计牵涉到两个问题，第一，o f d m 字符的到达时间未知，即接收机不知道 什么时候接收到的数据为发射机发送的数据。第二，接收机与发射机内的震荡器失配。 因为频率偏移会导致所有子载波上的i c i ，所以o f d m 系统的频率同步必须比单载波 系统更精确。o f d m 的缺点之一在于对频率偏移非常敏感，一般需要使频偏小于子载 波间隔的o o l 。频偏会带来两个弊端，其一是信号幅度的减小，其二是引入了i c i ， 破坏了子载波之间的f 交性。在o f d m 系统中，同步问题包括载波频率同步和时间同 步，而时间同步又可以进一步分为码元同步和采样时钟同步。码元同步的目的是找到 f f t 窗的f 确位置，可以用专用的训练序列来进行码元同步，保护间隔的循环特性也 可以用作码元同步，这样就不需要训练序列了。但是在多径衰落信道中，保护间隔通 常会受到干扰，o f d m 信号的周期特性也就被破坏了，因此在i s i 环境中不能保证正 确的码元同步，如果码元同步的时间误差超过保护间隔，还会破坏子载波间的正交性。 采样时钟同步的目的是使接收机的采样时钟频率与发射机一致。采样时钟频率误差会 引起i c i ，采样时钟频率误差进一步还会导致码元定时的漂移并使码元同步问题变得 更坏。o f d m 中的码元同步与帧同步密切相关，如果码元定时建立，帧同步也就随之 完成。o f d m 系统中载波频率同步的误差使得接收信号发生频域偏移，破坏子载波间 的正交性，造成i c i 。 o f d m 传输对载波频率偏差( c f o ) 非常敏感，因此许多文献讨论了频率同步问题。 一类是利用导频信号或训练序列完成o f d m 载波同步，这种方法的性能很好，但会造 成带宽和功率的损失。另一类是盲估计方法，其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4 、5 提出了载波频偏的最大似然估计( m l e ) 方法，前者利用保护间隔进行频偏估计， 估计的范围被限制在码元速率的1 2 ，我们在第四章中将对此算法进行进一步的分 析；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 e ，可以达到更宽的估计范围和更高的准确性。子空间方法的研究在文献6 中有描 述。文献7 则提出了基于导频予载波的定时恢复方法( 导频子载波大多数用于相干 o f d m 系统的同步和信道估计) ，用基于保护间隔的相关方法进行粗码元同步，进一步 用路径时延估计方法来提高粗同步的准确性，最后用数字锁相环( d l l ) 进行采样时钟 频率的同步和保持码元定时。文献 8 提出了o f d m 系统中下行链路基于参考码元的时 间和频率联合同步捕获算法。m s p e t h 9 1 分析了码元( 帧) 、载波和采样频率时钟偏差 的影响，还进一步给出了o f d m 接收机中同步技术的设计。 在接收端，需要进行定时估计找到o f d m 符号的起始位置，由于定时估计存在 1 2 南京航空航天大学硕士学位论文 着一定的误差，f f t 窗口的位置与实际o f d m 符号的位置存在定的偏差，f f t 窗 口的起始位置一般都落在c p 区间，所以抽样得到的样点是实际样点的周期移位，假 设接收端与发送端频率无偏差，那么f f t 变换后的结果可表示为： ：h 女x t p 一，2 x k , u n + z 女 ( 3 1 ) 其中y k 为f f t 变换后第个数据，风表示第个子载波频带上的信道增益，厨表示 第k 个子载波上的调制数据，俄示定时偏差，单位为抽样时间间隔，z 表示复白噪 声，均值为o ，方差一2 = m 2 ，m 为单边功率谱密度。当接收端与发送端存在着频偏 时，f f t 后的结果可表示为： 玖= p 9 竺警e j n ( ( n - 1 ) n ( 圾x k e - j 2 掣n ) + ，+ z t ( 3 2 ) “ ns i nc ( f ) 、“ 。 “ “ 其中 忙。羔! 。而杀丽川“_ 1 ) + h ) ( 日n 磊p 一2 掣n ) ( 3 3 ) 上式中，；表示频偏，单位是相邻子载波间隔，口表示载波相位，五是由于f 引起的 载频间干扰( i c i ) 可见当存在频偏时，有用信号幅度衰减了，相位偏移了一f 伊北 同时子载波的正交特性被破坏了，引起了i c i 3 2 帧和时间同步 首先要进行的是帧同步。一个简单的解决方法是在传输帧的开始插入一个零数 据组。这个零数据组不传信号。接收机能根据此数据组检测帧的起始位置。文献 1 0 1 中给出了一种合理的同步方法，此概念也可以用来获得粗略的定时同步。 定时同步的其他方法是采用训练数据组或者周期信号来代替零数据组或同零数 据组一起使用。文献 1 1 】提出的方案是采用啁啾信号作为训练突发脉冲，此训练脉冲 串可以用相关技术来检测。同理，定时同步也可以建立在周期信号的基础上。文献 1 2 1 中，在一帧的开始传输一个附加的零数据组和一个参考数据组，该数据组包含一个周 期性重复的训练序列，可以用于定时和频率的获取。由相关技术来估计这些训练数据 组。 粗略的定时同步建立之后，就可以通过计算o f d m 组的保护间隔获得更加精确 的同步。这种情况下保护间隔必须大于信道的最大延迟。文献 1 3 ，1 2 中的结果表明 在a w g n 信道中s n r 高于1 0 d b ，或者在衰落无线信道中s n r 高于1 5 d b 时都可以 o f d m 系统中的同步新算法研究 获得良好的同步。 3 3 载波频率同步 频率同步误差向导致所有子载波上的i c i 。文献 2 0 给出了每个子载波上的干扰 功率： 竹= s i n c 2 【万( 七一，一i o z r ) k ， ( 3 4 ) 大于o 14 厂的频率偏移将导致大于一1 5 d b 的干扰功率，因此频率同步必须非常精确。 频率偏移向可以写做： j o l s2n a f + 厂o f f ( 3 5 ) 也就是晚，频率偏移包含整数部分 和剩余偏移o f f 。文献 2 0 1 给出的载波同步方案 由两个阶段组成。第一个阶段补偿频率偏移的整数部分，第二阶段消除比子载波距离 的一半还小的厂o f f 。频率偏移的补偿通过在时间信号上乘以e x p ( 4 2 巧；神来实现。 3 4同步算法 我们知道调制解调器的时域和频域同步系统的精确度严重影响着系统的b e r 性 能。由于i s i ，一个o f d m 系统的发射机与接收机的载波频率的差异将引起频域内信 号的额外的衰减；时域内f f t 窗口的错位将引起子载波之间相位的差异。这两种影 响都会使系统的性能恶化，必须利用一个同步系统使得这些影响降低到最低限度。 对于一个基于t d m a 的o f d m 系统，必须保持主站( 在蜂窝系统中通常指基站) 和移动终端之间的帧同步。在这些系统中，通常用一个参考字符来标志一个新的时间 帧的丌始。如果这个参考字符选取的合适的话，这些增加的冗余信息可以帮助频率同 步和f f t 窗口位置的确定。 图3 - i同步系统模块图 南京航空航天大学硕士学位论文 如果事先知道随机频率和时间错误的特性，就可以通过使得在接收端利用最小的 计算量，以及使增加的冗余的信息量最少来选择同步算法。通常把同步过程分为两个 阶段，捕获阶段和跟踪阶段。在捕获阶段，通过较复杂的算法和大量的数据信号中的 冗余信息获得一个错误估计量的初始值，而在跟踪阶段仅仅需要纠正小的偏差。 图3 1 是一个能够实现的同步系统的模块图。采样和时钟恢复模块( d s ) 决定 什么是采样的最佳时刻。时间同步( t s ) 控制频率捕获f a ，频率跟踪( f t ) 以及通 过去除循环前缀( r p ) 来确定f f t 窗口的位置。这些操作将在我们接下来的讨论中 详细讲解。 在同步过程的初始阶段，频率错误和时间错位都是未知的，因此同步算法首先必 须要找到定时和频率错误的初始估计。 3 4 1 帧和o f d m 字符的粗同步 各种文献中提出的粗略帧和字符同步算法都依赖于传输的数据流中插入的额外 的冗余信息。欧洲d v b 系统使用一个零字符作为时间帧中第一个o f d m 字符。传输 零字符时，不传输任何的能量，通过在时域内监测接收到的基带信号的能量检测到它， 而不引起f f t 的处理。 c i abe 1 1 l l4 j 提出了在一个时间帧至少含有三个o f d m 字符的 o f d m 同步算法。其中两个o f d m 字符包含用于传输已知字符的同步子载波，伴随 正常的数据传输载波一起传输。但是三个o f d m 字符中其中一个字符是另外两个字 符其中之一的拷贝。在a l o h a 环境下，w a r n e r b o l 提出了利用功率检测器和植入数据 字符中的一套同步子载波的相关检测。利用在每个抽样间隙内不断更新同步子载波的 迭代算法来从接收到的时域信号中提取接收的同步子载波。 3 4 2 精确的字符跟踪 精确的字符跟踪通常都是基于时域或频域内的相关运算实现的。w a n l e r 【1 0 1 和 b i n g h a m 17 1 利用了事先插入的导频信号在频域内的相关特性，c o u a s n o n 1 8 】贝0 利用了循 环前缀所包含的冗余信息。s a n d e l l 2 3 1 提议利用时域内接收到的信号的自相关性来实现 精确的时域跟踪。 3 4 3 频率捕获 进行频率捕获算法必须提供一个初始的频率错误估计量。这个估计量必须足够精 确，以便接下来的频率捕获算法能够可靠的实施。通常起始的估计量必须精确到相邻 子载波间隔的一半。s a r i 1 提议利用植入数据字符的导频信号来进行频率捕获。 m o o s e 15 1 提出使用缩短长度的重复的o f d m 字符对。c l abe n 1 4 ，2 0 建议在同步子 载波上传输二进制伪随机序列或称为c a z a c 的训练字符，这种算法同样可以用于频 o f d m 系统中的同步新算法研究 率跟踪。然而，频率捕获的过程实际上就是在频域内搜寻训练字符。这可以通过把 练序列与接收到的字符在频域内进行相关运算获得。 3 4 4 频率跟踪 频率跟踪通常建立在已经取得粗略的频率估计的基础上，且这个初始的估计值小 于相邻子载波间隔的一半。为了估计出相邻子载波一半的频偏值，m o o s e 1 5 】提出利用 重复o f d m 之问的相位差。c l abe n 1 4 1 提出由于连续o f d m 之间的相位差可以测量， 可以利用在数据字符中插入的频域子载波。d a f f a r a t 2 1 1 和s a d e l l 2 3 1 建议利用接收信号的 自相关函数的相位来跟踪频率，这个相位代表接收的o f d m 字符中循环前缀与字符 中被拷贝的那部分字符之间的相位差。 南京航空航天大学硕士学位论文 4 1m l 算法的分析 第四章m l 估计算法 m l 估计算法 “，即最大似然估计算法，是由s a n d e l l 提出的一种用于o f d m 系 统中实现同步的一种算法。我们已经知道一种避免字符间干扰( i s i ) 的方法以及保 持正交性的方法为加入循环前缀。考虑o f d m 字符接收机中的两个不确定因素， o f d m 字符到达时间的不确定性和载频的不确定性。这两个不确定因素在a w g n 信 道中产生如下接收信号： r ( 七) ：j ( 七一e ，2 昭七+ 胛( ( 4 1 ) 接收信号r 似不是一个白高斯过程，由于它的特殊结构，它包含定时偏移0 和频率偏 移s 的信息。利用这一点可以进行联合估计。o f d m 系统的循环前缀示意图在第二 章中曾详细介绍过，示意图见图2 2 。 0 b s e r v a t i o ni n t e r v a l 广一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一l 0 、 2 再十l 图4 1m l 算法的观察区间 假设我们观察接收字符的2 + 三个连续的样本值，如图4 1 所示。这些观察样本 中，含有一个包括+ 三个样本的完整的o f d m 字符。但是，这个完整的o f