（通信与信息系统专业论文）gbps高速无线通信系统同步技术研究.pdf

摘要 摘要 多输入多输出( m i m o ) 技术和正交频分复用( o f d m ) 技术作为下一代移动无线通信关键技 术，充分利用空间。时间，频率分集使无线传输的速率和质量大大提高。然而o f d m 系统对同步偏 差非常敏感，因此同步技术是下一代无线通信系统关键技术之一，倍受关注。 东南大学移动通信国家重点实验室在国家自然基金重大项目和前期8 6 3 重大项目的基础上，承 担了带宽不大于1 0 0 m h z ，数据传输速率不低于1 g b p s ，传输距离不小于5 0 米的g b p s 高速无线通 信系统设计和实现。本文作为“g b p s 无线传输关键技术与试验系统研究开发”的一部分。研究了基 于m i m o - o f d m 系统的同步技术和算法实现。 本文首先介绍了g b p s 无线传输系统，接着建立了o f d m 系统模型，在此基础上分析了包括符 号定时偏差、载波频率偏差和采样时钟偏差在内的三种同步偏差对o f d m 系统的影响。针对符号定 时偏差和载波频率偏差，研究了o f d m 系统中的同步算法。在兼顾性能和计算复杂度的前提下对算 法做出改进，设计满足同步要求的前导符，提出适用于g b p s 系统的同步算法，并对其进行性能仿真。 最后，根据定点仿真结果，进行同步硬件设计和f p g a 实现。 关键字：c _ , - b p s ，o f d m ，粗同步，小数倍频偏，整数倍频偏，精同步，硬件实现 a b s t r a c t a b s t r a c t 舢t h ek e yt e c h n o l o g i e so ft h en e x tg e n e r a t i o nm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s ，m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l e o u t p u t ( m i m o ) a n do r t h o g o n a lf r e q u e n c y d i v i s i o nm u l 卸l e x i n g ( o f d m ) h a v et h ea b i l i t yt oi m p r o v et h e w i r e l e s st r a n s m i s s i o nr a t ea n dc o m m u n i c a t i o n sq u a l i t yp o w e r f u l l yd u et ot h ed i v e r s i t ya n dm u l t i p l e x m gi n s p a c e ，t i m ea n df r e q u e n c yd o m a i n h o w e v e r , o f d ms y s t e mi s s e n s i t i v et os y n c h r o n i z a t i o no f f s e t t h e r e f o r e ，s y n c h r o n i z a t i o ni nb o t ht i m ed o m a i na n df r e q u e n c yd o m a i ni so n eo fk e yt e c h n o l o g i e so ft h e n e x tg e n e r a t i o nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ss y s t e m f u n d e d b y t h en a t i o n a ls c i e n c ef o u n d a t i o na n d8 6 3r e s e a r c h p r o j e c t , n a t i o n a l m o b i l e c o m m u n i c a t i o n sr e s e a r c hl a b o r a t o r yo fs o u t h e a s tu n i v e r s i t yd e v e l o p e da na d v a n c e dc o m m u n i c a t i o n s y s t e mw h i c hc a na c h i e v et h et r a n s m i s s i o nr a t en ol e s st h a n1 g b p si nt r a n s m i s s i o nb a n d w i d t hl e s st h a n i o o m h za n dt r a n s m i s s i o nd i s t a n c em o r et h a n5 0m e t e r s t h ea u t h o rf o c u s e so nt h et h e o r ya n d i m p l e m e n t a t i o no fs y n c h r o n i z a t i o nt e c h n o l o g yf o rt h i ss y s t e m f i r s t ，o b p sw i r e l e s st r a n s m i s s i o ns y s t e ma n do f d ms y s t e mm o d e la r ei n t r o d u c e d b a s e do nt h e m o d e l ，t h ei n f l u e n c e so ft h r e ed i f f e r e n tk i n d so fs y n c h r o n i z a t i o ne r r o 话o no f d ms y s t e m sa r ea n a l y z e d i n c l u d i n gs y m b o lt i m i n go f f s e t ，c a r r i e rf r e q u e n c yo f f s e ta n ds a m p l i n gc l o c ko f f s e t f o rt h ef i r s tt w ok i n d s o fo f f s e t ，s y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h m sa r es t u d i e d t h e nt h ep r e a m b l ef o rs y n c h r o n i z a t i o ni sd e s i g n e d c o n s i d e r i n gt h et r a d e o f fb e t w e e np e r f o r m a n c ea n dc o m p l e x i t y ，t h es y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h m sf o rg b p s s y s t e mi sp r o p o s e d ，a n dp e r f o r m a n c es i m u l a t i o n sa r eg i v e n f i n a l l y , b a s e do nf i x e d - p o i n ts i m u l a t i o nr e s u l t s ， h a r d w a r ea r c h i t e c t u r eo ft h es y n c h r o n i z a t i o nm o d u l e si sd e s i g n e da n df p g ai m p l e m e n t a t i o no fi ti sg i v e n k e yw o r d ：g b p s ，o f d m ，c o a r s et i m es y n c h r o n i z a t i o n ，f r a c t i o n a lf r e q u e n c yo f f s e t ，i n t e g r a lf r e q u e n c y o f f s e t , f l u et i m es y n c h r o n i z a t i o n , h a r d w a r ei m p l e m e n t a t i o n i l 插图目录 插图目录 图1 1g b p s 系统发射端框图3 图1 - 2g b p s 系统接收端框图。3 图2 1o f d m 系统中的同步5 图2 - 2o f d m 系统的频域等效图7 图2 3 向前定时偏差。8 图2 4 向后定时偏差8 图2 - 5 定时偏差对b e r 的影响9 图2 - 6 载波频率偏差1 0 图2 - 7 不同载波频偏对b e r 的影响1 2 图2 8 不同信噪比下载波频偏对b e r 的影响1 3 图2 9 采样间隔偏差1 4 图3 1 相隔虬个样值的两个时域重复训练符号。1 8 图3 2 带有循环前缀的o f d m 符号结构图1 9 图3 3 最大似然符号同步和载波频率同步方框图2 1 图3 4 双滑动窗的能量检测帧同步改进算法2 3 图3 - 5 延迟相关同步算法。2 4 图4 1g b p s 系统帧结构2 5 图4 _ 2 前导符时域结构示意图( 1 0 f d m ) 2 6 图4 3 同步算法整体框图2 6 图4 _ 4 不同s n r 时的粗同步相关值曲线2 8 图4 5 粗同步算法流程图2 9 图4 - 6 精同步相关值曲线3 2 图4 7 测试序列示意图3 2 图4 - 8 链路仿真流程图3 3 图4 9 系统子载波分配图3 6 图4 1 0 不同信道环境下粗同步错误率3 7 图4 1 l 不同信道环境下小数倍频偏估计m s e 3 7 图4 1 2 不同信道环境下精同步错误率3 8 图4 1 3 不同天线数下粗同步错误率3 9 图4 1 4 不同天线数下小数倍频偏估计m s e 3 9 图4 t 5 不同天线数下精同步错误率4 0 图4 1 6 不同频偏下粗同步错误率4 l 图4 1 7 不同频偏下小数倍频偏估计m s e 4 1 图4 墙不同频偏下精同步错误率4 2 图4 秘频偏对系统性能影响( 归一化频偏：o 0 1 ) 4 3 v 东南大学硕士学位论文 图4 2 0 频偏对系统性能影响( 归一化频偏：0 4 2 ) 4 3 图5 1 基带硬件平台设计方案p a t t i 。4 6 图5 2 基带硬件平台设计方案p a r t i i 。4 6 图5 3 同步算法硬件实现流程4 7 图5 _ 4 改进后的粗同步算法流程图4 8 图5 5 滑动累加模块4 9 图5 - 6 相关值计算模块4 9 图5 7 递归滑动平均滤波器模块4 9 图5 8 粗同步比较判决模块5 0 图5 - 9 向量旋转坐标图5 1 图5 1 0c o r d i c 算法原理图5 2 图5 1 l 频偏估计模块：c o r d i c l 5 3 图5 1 2 频偏校正模块：c o r d i c 2 5 3 图5 1 3 频偏估计及校正流程图5 4 图5 1 4 相角处理模块5 4 图5 1 5 频偏校正模块5 4 图5 1 6 数据处理模块5 5 图5 1 7 精同步模块5 6 图5 1 8 已知时域前导符前5 1 2 点5 6 图5 1 9 经过补零反转得到的1 0 2 4 点前导符5 6 图5 2 0 时域接收序列6 3 9 点5 7 图5 - 2 1 时域补零后的接收序列1 0 2 4 点5 7 图5 2 2 已知时域1 0 2 4 点前导符5 7 图5 2 3 经过反转后的1 0 2 4 点前导符5 8 图5 2 4 精同步定点化方案f f r 实现、相关实现比较5 8 图5 2 5 精同步硬件实现( 改进) 。5 9 图5 2 6 加减法组合逻辑控制框图5 9 图5 2 7 粗同步定点化方案浮点、定点结果比较6 0 图5 2 8 频偏估计定点化方案浮点、定点结果对比。6 1 图5 2 9 精同步定点化方案浮点、定点结果对比6 1 v i 表格目录 表格目录 表4 l 系统仿真参数3 4 表4 2s u i 3 信道模型3 径抽头延迟线参数3 4 表4 3s c m d 信道模型6 径抽头延迟线参数3 5 表4 4s c m - d 信道模型1 8 径抽头延迟线参数3 5 表4 - 5 不同信噪比下的归一化残留频偏4 2 表5 - 1 同步f p g a 资源使用情况6 2 v l i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，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，也不包含为获得东南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 己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：么脚导师签名： 第1 章绪论 1 1 论文背景 第1 章绪论 移动通信由最初的第一代模拟移动通信系统、第二代数字移动通信系统发展到了目前正逐步大 规模商用的第三代宽带数字移动通信系统，正向着大系统容量、高速率、高服务质量、多业务的方 向发展【l 】【2 1 ，未来的移动通信系统一后三代( b 3 g ，b e y o n d3 g ) 移动通信系统或称第四代( 4 g ) 移动通信 系统的研究工作也已展开。 下一代移动通信系统0 3 3 g 4 g 系统) 需要在有限的无线频率资源范围内，提供比现有的第二代 ( 2 g ) 移动通信系统和第三代( 3 g ) 移动通信系统更高的传输速率，更大的覆盖范围，更稳定的性能， 而且还要能够满足各种业务的传输要求吼 国际电信联盟( i n j ) 对于4 g 技术的要求是静止状态下速率1 g b p s ，高速移动状态1 0 0 m b p s 。目 前“4 g 标准”尚未成型，但各国已经在争相研究开发4 g 通信系统。我国在“十五”8 6 3 计划中也 投入了大量资金着手研究新一代移动通信系统。 东南大学移动通信国家重点实验室在国家自然科学基金重大项目和前期8 6 3 重大项目的基础 上，研究并实现了能够在小于1 0 0 m h z 传输带宽内，传播距离不少于5 0 米。传输速率超过1 g b p s 的无线通信系统。本论文作为国家8 6 3 项目“g b p s 无线传输关键技术与试验系统研究开发”的一部 分，研究了同步技术理论、同步算法及其硬件实现。 1 2o f d m 系统同步技术概述 o f d m 系统内存在多个正交子载波。其输出信号是多个子信道信号的叠加，由于子信道相互覆 盖，这就对它们之间的正交性提出了严格的要求。对于移动无线通信系统来说。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接收机与发射机载波频率 之间存在频率偏差，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i c i ，严重影响 系统性能，因而o f d m 系统需要载波同步，以保证子载波之间的正交性。由于o f d m 符号由循环 前缀( c p ) 和有用数据信息组成，因此在接收端需要确定o f d m 符号有用数据信息的开始时刻，也 可以叫做确定n 叮窗的开始时刻，以便对接收信号进行正确地o f d m 解调，因而o f d m 系统需要 o f d m 符号同步。由于接收机和发射机的采样时钟频率有可能不同，采样时钟频率偏差将导致i c i ， 还将影响o f d m 符号同步，因而o f d m 系统也需要进行采样时钟频率同步。解决上述问题，是o f d m 系统得到广泛应用的前提条件之一。 针对o f d m 系统对各种同步的要求，许多专家和学者已经开展了o f d m 系统同步技术的研究， 并提出各自优良的同步算法。p m o o s e l 4 1 最先提出频率偏移的最大似然估计，假设o f d m 符号定时同 步已经完成；通过发送端两个相同的o f d m 符号，根据f f t 的性质得到最大似然函数，但是这种最 1 东南大学硕士学位论文 大似然估计的捕获的范围为+ _ 1 2 子载波间隔，如果增大捕获的范围，要以牺牲同步精度为代价。接 着，d l a n d s t r o m 5 】提出同时利用导频符号和循环前缀估计定时同步，并给出了同时利用导频符号和 循环前缀的最大似然、r o b u s t 估计器和只采用循环前缀的估计器对定时同步的性能比较。后来， t m s c h m i d l n 提出用两个特殊结构的训练o f d m 序列来做定时和频偏估计，第一个训练o f d m 符 号是仅在偶子载波上发送伪随机序列，在时域上得到的o f d m 符号的前一半和后一半完全相同，利 用这个性质来进行定时估计，如果存在频率偏移，那么经过信道后o f d m 符号的前一半与后一半只 差一个相位关系，利用这个性质做子载波间隔的小数倍偏移量( 小数倍频偏) 的估计，子载波间隔 的整数倍偏移量( 整数倍频偏) 根据前后两个训练o f d m 符号的同一子载波数据符号的差分关系得 到，因此这种方法的频率捕获范围不受限于5 ：1 2 子载波间隔。需要说明的是，在这里用伪随机序列 没有特别的意义，没有利用其优良的自相关特性，只是为了易于实现和降低峰均比。y h k i m 7 1 1 8 1 提 出用一个o f d m 符号完成定时、小数倍频偏估计和整数倍频偏估计，它的优点是只用一个训练o f d m 符号，节省了开销，而且计算复杂度和频率捕获范围与用两个训练o f d m 符号一样，确切地说，它 的改进是用一个训练o f d m 符号同时给出了小数倍频偏估计和整数倍频偏估计，但是没有给出有关 导频符号如何选择的解决方法，实际上，导频符号的选取对所估计的方差是有影响的。 1 3g b p s 系统简介p 1 g b p s 试验系统基于多输入多输出正交频分复用( m i m o o f d m ) 技术，实现无线传输速率超过 1 g b p s ；系统采用时分双工( t d d ) 模式，工作在3 5 g h z 频段，占用带宽不大于1 0 0 m h z 。 与传统m i m o o f d m 系统不同，g b p s 系统采用空时频一信号扩展一正交频分多址 ( s t f s s o h ) m a ) 的方式，将信号能量尽可能均匀地在空域、时域和频域扩散，以获得更多的分 集增益，并降低峰均比( p a r ) ，使得系统能以较低的复杂度对信号进行接收，获得良好的性能。 系统采用4 发6 收的m i m o 方案。图1 - 1 为系统发射端框图。用户数据经过信道编码和符号映 射后，进行快速傅立叶变换( f f r ) ，变换到频域，并进行交织。这里的f f t 、交织，再加上后面的 反向快速傅立叶变换( i f f t ) ，能够将每一时间点上的信号，扩展到同一f f r i f f r 数据块内的各个 时间点上，也能将每一时间点上的信号，扩展到频域的各处，也即进行了信号的时域和频域扩展， 为获得更大的分集增益提供了基础。复用的方式依据信道条件、业务要求等改变。在每一条天线通 路上，采用了典型的o f d m 调制技术。 2 第l 章绪论 晤| 1 s h 圈件叠峭 幅卧固闻： 确 圈怍蘧瞄 譬三i 叠三譬昱 川“叫一4 0 “9 一 卜 圈1 - 1g b p s 系统发射端框图”“ 图1 为系统接收端框图从6 条天线通路上收到的信号先进行帧检测和粗同步，找到每一个 鼓据帧的大致起始位置，然后进行频偏检测和校正，去除收发端频偏带来的影响，并提供射频电路 进行自动频率控制c a f c ) 需要的额偏信号，再进行精同步，精确找到o f d m 解调中进行f f r 变换 的起始样值位置，f f t 变换后，在频域进行信道估计和信号检测。检铡出的信号需要对其相位进行 校正。校正后的信号的数据部分进入解复用模块导频部分用来对频偏进行跟踪更新相位校正的 信息数据解复用后进行解交织、研、符号逆映射和信道解码后，得到发射信息的估计。 润 册 堡豳 一一一，一卜一一”，4 卜”* * ，一 1 4 论文工作安排 图1 2g b p s 系统接收端框图“ 本文是作者在攻读硕士学位期间参与移动通信国家重点实验室国家8 6 3 项目“o b p s 无线传输 关键拄术与试验系统研究开发”t 对同步技术的研究。主要研究g b p s 无线通信系统中的同步算法， 在阅读文献和报告的基础上对各种已有的同步算法进行仿真、分析、比较和改进，最终寻求了一种 性能优良且易于硬件实现的同步方案。 第1 章介绍了论文的研究背景o f d m 系统同步技术概述，g b p s 系统简介以及论文的工作安排。 3 几- 圉杆平1一 一 一 碾叠pii=_=_*0上i 鼹翠 i互 曩臣 十j萋也碑【jl 东南大学硕士学位论文 第2 章介绍了o f d m 系统中的同步类型，建立o f d m 系统模型，在此基础上分析了各种同步 偏差对系统性能的影响，给出并分析了仿真结果。 第3 章主要是介绍了o f d m 系统中的一些常用同步算法，包括载波同步算法，符号帧同步算法。 第4 章首先给出了g b p s 系统中同步算法原理和实现方法，然后搭建系统仿真平台，在各种条件 下对同步方案进行性能仿真。并对仿真结果进行比较和分析。 第5 章在试验系统总体框架下，对同步算法稍加改进，进行了定点仿真。根据系统需求和同步 仿真结果设计了同步硬件实现方案并进行f p g a 实现，分析了各模块的延迟及所占用的f p g a 资源。 第6 章对论文工作做出总结，给出下一步工作建议。 4 第2 章同步偏差对o f d m 系统性能的影响 第2 章同步偏差对o f d m 系统性能的影响 同步技术是任何通信系统都需要解决的实际问题，其性能直接关系到整个通信系统的性能n 1 1 。 对于o f d m 系统，包括三个方面的同步要求，如图2 - 1 所示( 图中虚线表示接收端和发送端所需同 步相对应位置的示意，而不是真实实现时同步在系统接收端所处的位置) 。 懿p 卜，( 2 刀z ，+ ) 】 图2 - 1o f d m 系统中的同步 载波同步：当采用同步解调或相干检测时，接收端需要提供一个与发射端调制载波同频同相的 相干载波 符号同步；使接收端确定每个o f d m 符号的起止时刻，即确定准确的h 可窗位置，并进一步实 现块同步或帧同步 样值同步：为了使接收端确定每个样值符号的起止时刻，并保证接收端与发送端具有相同的采 样频率。 2 1o f d m 系统模型 假设o f d m 系统子载波数为，第，个o f d m 符号上第k 个子载波上的数据符号为五。，其中 ，表示o f d m 符号序号，k 表示子载波序号。采样间隔为互= 瓦，其中瓦为有效符号周期。o f d m 符号长度t = 瓦+ 其中为循环前缀c p 的长度。现定义载波频率为丘，o f d m 符号点数为 l ，c p 点数为，则i v , = + 第z 个o f d m 符号可表示为【1 2 】： rn 1 2 一l 锄耻m 委，2 i x e i 2 c l c + r x t - t r - t c r ) 艮坯( f “妒 ( 2 1 ) 10 d t h e r w i s e 因此它的连续发送信号为： 5 其等效低通模型为： 其中： s t ( t t t ) = 东南大学硕士学位论文 ( 2 2 ) ( 2 3 ) 五。l p 7 2 f 。佤x 。仃一7 ，r f ( ，+ 1 ) 丁 ( 2 4 ) 通过等效低通时变冲击响应信道h ( r ，t ) 后得到接收信号： o t h e r w i s e f i 一 ，( ) = j 1 2 ( f ，) 幸s ( ) + 召( f ) = ，7 2 ( f ，t ) s ( t - 彳沙+ 彳( ) ( 2 5 ) o 其中，r ( t ) 为均值为零，每维方差为j v o 2 的独立高斯白噪声。 在接收端解调有，第，个o f d m 符号，第七个子载波为： r ( t ) e 一2 。一。r 一珞7 r , d t r ) d r + r l ( t ) e 一7 2 o 一7 r 一7 b 7 r d t 若 d 。i v l l - - i m = o = - n 1 2 五q e 叩州m + 砀j v tl厶li， = 五i q i + r h i 由式( 2 1 1 ) 可见，o f d m 系统可以看成由个子系统组成，每个子系统受到平坦衰落信道和高斯 噪声的影响，系统可以表示为一系列平行高斯信道，如图2 2 所示。所以o f d m 系统可以使用单抽 头的频域均衡器，信道均衡变得相对简单。 图2 - 2o f d m 系统的频域等效图 2 2 定时偏差的影响 定时同步的目的在于准确地找到o f d m 符号的开始位置，使接收端可以获得理想的h 叮窗口。 由于多径信道和噪声的影响，估计定时点往往偏离准确定时点，带来定时偏差。定时偏差可以分为 向前偏差和向后偏差【n 】。下面我们将分别分析这两种偏差的影响。 图2 3 给出了向前定时偏差的情况。假设定时偏差为d 且满足矗 占鸯h 若 ，+ 未+ t 锄+ ) p 每 暑鬟t m ，占j 争如叫，基。j 如，。等两二三j | q 。l s 蛰+ t t 嘲+ n 一一n f 。哪 苴凼暑心鳓+ 姬 陪j 2 爿n i v 其中， 一。7 胆爿 留2 s 定耐编差了8 e r 的影晌 东南大学硕士学位论文 2 3 载波频率偏差的影晌 载波频率同步的目的是使接收端的载波频率和发送端保持一致，但是由于接收端和发送端的晶 振不匹配，以及由移动产生的多普勒频移，导致接收端和发送端的载波频率出现差异。假设存在载 波频率偏差够，如图2 - 6 所示( 这里只显示了3 个子载波) ： 似卯 7 、吣厂 乡v l v 一，咪卵 v 、厂沁厂 ，：7 v v ( ) 图2 6 载波频率偏差 幽2 - 6 中给出了带有抽样点的o f d m 符号频谱，我们抽样点得到的值应是三个子载波在这一点 上的和，( i ) 是收发机之间不存在载波频率偏差的情况，( ) 是收发机之间存在载波频率偏差蜕的 情况。由图2 - 6 可见，载波频率偏差的影响主要有两种：首先是衰减了有用信号，其次是产生了严 重的i c i 。 现将带有频偏的接收信号建模为： ，( f ) = r ( t ) e s 2 卿+ 亏( 2 1 7 ) 其中，口为载波相位偏移 由式( 2 。6 ) 可以得到第z 个o f d m 符号，第k 个子载波为： 巧，i = f 1 ，( f ) 一2 雄+ e ) e - j 2 z k ( t - t t - t c ，) l t 出 鲫+ ：。， ( 2 1 8 ) ， ( j + 1 ) rf - 矗 、 = e 声軎，【j f z ( f f ) s ( t - r ) d f + ，7 ( f ) 】p 7 2 喊p 川州，- 肛驯l 国 ut = t t + t c e0 若f 眦 珞，则不存在 s i ，所以s ( t ) 可以用s t ( f ) 表示- 且考虑信道是q u a s i s t a t i c ，对式( 2 1 8 ) 以i2 茜采样，用求和代替积分可得 l o 第2 章同步偏差对o f d m 系统性能的影响 1 ( f + 1 ) m - l 巧t = 軎 r ( n t , ) e 且2 用皈4 瓦柑e 。2 础加瓦叫卜7 b y lz 上un = l 虬+ = 专笺【弘蚋即m 妒鳓砷伽砸一纠叱 1 ( ，+ 1 ) m l f 譬 = 土【f 岛( f n。，赤。，土卜7 + 机 1 n 其中 ，2 一l 七置一，2 n 2 - 1 七i 一，2五，7 2 瓜“一r 一珏一7 7 毛d r e 朋碱喝+ 一7 2 “- 仃一佤( 2 1 9 ) ( “1 ) i i 五，q e - j 2 x ( k - k , x n - l n , - y p 丘2 喊嘎柑+ 以t h = t n l + n g p ( ，+ 1 ) l _ 1 1 饥= p 归百 刁( 以乙) e 归蛳c p 叩础伽h 制佤 b = l 。+ m ， 令扰= 捍一玑一上式化为 其中， 1n 2 - 1 n-11 = 百五，局 ，p 。2 “卜r 加p “2 域瓦伽+ 毗+ 怯卜们+ 破i vk t n 2 m = 0 1n 1 2 - 1n l = 2 码祝叭+ 峙y + 田二五q p 。2 “扣r 一域驯+ 巩ni 兰焉，2 “l 怠 “一 = e j c 2 毗+ ) ，柑五。皿，。专 + p ( 2 硒脯叭+ 如) ，+ 口) 土 n r - i m = 0 p 嚏磷副t n l z 一1 2m = 0 k i d ( 2 妮( f l 怕m 艘( - 州专未夏凳揣 + ( i i - ) + 饥 肚，2 。码觎叭+ y 蚋亩。，互：五q 枷艺e - i 1 n 1 2 - 1 2 烈扣卜瓴驯 - ， 2 蜊吣删专磊n 1 2 - 1 q 芦 = ( 2 码：砜+ 如) ，_ 呐专 定义归一化频偏 k 上 r ，2 一i 1 一e - j 2 彳( 叫一雠五) 1 一e 一，2 ”( k - c - 坼艺) 7 x t r h l r e k = 一，2 f 毒七 j 。啦一r 一曦t i 炎n i ) n 壁垒逛堕二堡一 = 蝎j 。 l l 蜕瓦) 】 s i n n ( k k 一鹭j ) i ( 2 2 0 ) ( 2 2 1 ) ( 2 2 2 ) ( 2 2 3 ) 东南大学硕士学位论文 则式( 2 。2 1 ) 口- j 变为： 巧t = 五t q 。e x p j 0 + 2 n s ( ( n , + b + ( 一1 ) 2 ) n ) ) 1s i n q r 6 ) ， ( 2 2 4 ) 一n s i n ( z 6 n ) + 气l 。1 7 ) + 咧。l 式( 2 2 4 ) 右边笫项为有用数据项，其相位发生了旋转，并且幅度也受到衰减。频偏和定时偏差 都引起相位旋转，不同的是，由频偏引起的相位旋转是随符号的序号而累加的，而由定时偏差引起 的相位旋转则与子载波序号成正比。第二项为i c i 干扰，反映了其它子载波数据对目标子载波的干 扰。易看到载波频率偏差馘破坏了各子载波问的正交性，使得信号的幅度也发生了变化，带来了 信噪比的下降。图2 7 给出了信噪比在2 0 d b 时有载波频偏和载波频偏为零时的b e r 对比曲线，可 以看出，当一帧数据中的o f d m 符号过多时( 仿真时一帧有2 6 0 个o f d m 符号) ，频偏的累积效应 很严重，即使频偏很小的情况下也会带来较大的b e r ，因此o f d m 系统对频偏比较敏感。图2 8 给出了不同信噪比下，频偏对系统性能的影响，从图2 8 中可以看到即使是在很小的频偏下( 归一 化频偏0 0 1 ) ，载波频率偏差所带来的这种信道间干扰( i c i ) 会对系统性能带来非常严重的地板效 应，即无论如何增加信号发射功率，也不能显著地改善系统的性能。 正 山 帛 t c ￥ ￥ 、 ； e 有频偏 ij 1 v 儿州毋 归一化小数倍频偏 图2 7 不同载波频偏对b e r 的影响 1 2 第2 章同步偏差对o f d m 系统性能的影响 正 山 篱 弋? j + 归一化频偏：0 0 0 i 一h i ，l ! ；，自o j 归。，烈刖。v 、 lt 、 、 弋。 t ： ) 孓 、 。 1 k = ： 东南大学硕士学位论文 rk ! f ， 年 i + 1 1 l ，1i 1l 1i1 1 l 1r ，卜ijjlj | rj、r 1， j 图2 9 采样间隔偏差 定义发送端采样时钟周期为i ，接收端采样时钟周期为t ，记归一化采样时钟频偏为f = a t r , ， l i p - = ( 一i ) 肛 接收端以采样间隔= 互( 1 + o = z + f i 对接收信号进行采样，对于第z 个o f d m 符号，将采样 得到的以下数据 做d f t ，则有： 巧。= 丙1 缶n - ! 乃一矿，2 脯， 令，l = 拧+ + 以，在没有i s i 的情况下，由式( 2 1 7 ) 有： ( 2 2 7 ) 巧。= r ( ，z ) 一2 毗一宅柑 = ，( n ( 1 + f ) 正) e 2 喊“w + 印 = ( 7 n12-1：五，f一2石f(一(i+f)一fr一砭=pf)，毛df+z1(rt0 c + f ，乏， 口_ ，( 2 和虻一( i + f ) + 口) q 2 8 ， = 五，f 一2 时b ”+ f 一卜珏叶7 毛d f + ( 1 + f ) 乏) 口“2 2 轭一a 柑 ( 2 2 8 2l = 五一2 稚1 棚卜川一怕y 一。喊矿o 皿柏+ 磋。 其中 税。= r d ( n7 ( 1 + f ) 互) g 2 8 蜣”1 + a + ( 2 2 9 ) 带入式( 2 2 7 ) 得： 1 4 回q 卅哪0 p + 们“ _ r = 。 第2 章同步偏差对o f d m 系统性能的影响 k = 万i 她- if ( 笙 - - n i ：h e j 2 = k ( n ( t + ) - v - n 口) t 9 卜确卅。卜硎纠 z ，t 2 万刍1 t 。：_ 2 域一。w 珥钳+ 磁。 矿口椭纠 1n - in 1 2 - i = 专置马但双“伽增川+ y 肌鲫2 喇1 默- 七y vn - oi i 一2 + 丙1 刍n - i 磁。矿胁州 = 2 矾( 毗+ 舀) ，+ 鳓p 向t ( - 1 ) ，五。q 。丙蔷i 乏5 ；凳去万 q 3 + n y l 2 - 1y 日p ，1 2 4 h ( z j + _ c p ) ，+ 田鲰，( 一i ) ，s 垦：n 生( n y 止k , r )+ + k ：荟2 五几2 州吣柑p 鲰“。脚丽五两而 + 帆 = 一 y o 工1 k ，if ， = 加( 牡螂舢1 p 艄- 1 ) ，五 蜀 而s i n 瓦( z t k 而) + , 7 5 其中： 巩。= 万1 刍n - i 礼矿，2 础 ( 2 3 1 ) 以f = ( 1 + f ) ( 七+ e ) - k 以：以。i ：( 1 + f ) ( 七+ 占) 一j j ：f ( 1 + f ) + f 七( 2 3 2 ) 7 以项包含了i c i 项。所以，偏转的相位为： 仇：p + 垫坐盟壁罂攀鲢螋( 2 3 3 ) v 由式( 2 3 0 ) 可见，时钟频率偏差不仅使输出信号发生了相位旋转，更严重的是破坏了各子载波间 的正交性，带来了i c i ，使得信号的幅度发生了变化。由式( 2 3 3 ) 可知，由采样频率偏差引起的相位 旋转不仅和子载波有关，也和符号的序号有关。 简要分析下采样频率偏差的校正问题。 假设第一个样值定时时刻已对准。由于r 0 而使得接收端和发送端的采样频率不一致，这是 接收端后面按为周期得到的样值与实际发送端的样值间就存在一个小偏差r ，这种小偏差累积到 一定程度就会多出一个样值或者遗漏一个样值，如图2 - 9 所示。这种样值间隔偏差效应一般可通过 数字锁相环来进行校准，即分别通过扣除或内插一个样值来校正。 下面章节中的同步算法和结论均是基于采样时钟理想同步下得到的。 第3 章o f d m 系统中的同步算法 第3 章o f d m 系统中的同步算法 在o f d m 系统中为了能有效地利用有限的数据获得更准确的同步，一般可把同步过程分为两个 阶段：捕获阶段和跟踪阶段。第一阶段( 捕获) 的任务就是要尽快地进行偏差变量估计，解决其捕 获问题：第二阶段( 跟踪) 的任务就是能够锁定并执行跟踪任务。把上述同步任务分为两个阶段的 好处是：每一阶段内的算法只需要考虑其特定阶段内所要求执行的任务，因此可以在设计同步结构 中引入较大的自由度。如果把这些偏差变量都看成是它们的均值和随机变化部分之和，那么捕获阶 段就是主要针对各偏差变量相对稳定部分( 即均值) 的同步，即既要在比较宽的范围内捕捉到参数， 又要使补偿后各偏差变量的偏差限定在一个非常小的范围之内，而无需考虑后面跟踪的性能如何； 跟踪阶段主要针对各偏差变量随机变化部分所引起的抖动，如多普勒频移、相位抖动和定时抖动等， 需要对它们随时进行调整，以获得更高精度的同步。一般地，为了获得较好的同步性能，捕获阶段 又可进一步细分为两种模式，即粗同