（通信与信息系统专业论文）gbps无线通信系统频偏估计与校正研究及实现.pdf

摘要 在中国，第四代移动通信f u t u r e 计划已经被正式列入国家8 6 3 研究计划，根据国家f u t u r e 计划拟定的关于新一代蜂窝移动通信系统的研究目标。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，设计在小于1 0 0 m i i z 的传输带宽和5 0 米的传播 距离内实现无线传输速率超过1 g b p s 的通信系统。本文作为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，研究频率偏移的估计算法与实现。 本文首先对g b p s 无线传输系统的进行了总体概述，之后重点讨论了定时同步和频率同步的联合 算法，确定了传输系统的同步算法。并以此算法为基础进行浮点仿真。其后将算法进行硬件实现的 设计，考虑资源的消耗和时间的消耗。最后在对频率偏移进行捕获和初步校正之后，研究了两种残 留频偏的跟踪算法，比较两种算法的收敛速度和b e r 特性 关键字：g b p s ，频偏估计，频偏跟踪。f p g a 东南大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nc h i n a , t h ef u t u r ep l a no nt h e4 “g 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 nh a sb e e nf o r m a l l yl a u n c h e d a st h e8 6 3r e s e a r c hp r o j e e l s t om e e tt h er e s e a r c hg o a lo ft h ef u t u r e ，b a s e do nt h en a t i o n a ls c i e n c e f o u n d a t i o np r o j e c ta n dp r e v i o u s8 6 3p r o j e c t ，n a t i o n a lm o b i l ec 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 f s o u t h e a s tu n i v e r s i t ya r er e s e a r c h i n gan e wc o m m u n i c a t i o n ss 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 no f g r e a t e rt h a ni g b si na1 0 0 m h zc h a n n e lb a n d w i d t hi nt h ed i s t a n c eo f5 0m e t e r s a sap a r to ft h e8 6 3 p r o j e c t k e yt e c h n o l o g yi ng 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 m , t h i sp a p e rf o c u s e so nt h ea l g o r i t h ma n d i m p l e m e n t a t i o no f t h ee s t i m a t i o no f t h ef r e q u e n c yo f f s e t f i r s t ，t h es u m m a r i z a t i o no f t h eo b p ss y s t e ma r ep r e s e n t e d t h e nt h ec o m b i n e da l g o r i t h mo f t h et i m i n g s y n c h r o n i z a t i o na n df r e q u e n c ys y n c h r o n i z a t i o ni sd i s c u s s e d , t h es y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h mo ft h eg b p s t r a n s m i s s i o ns y s t e mi sg i v e no u t b a s e do nt h et h e o r yo f t h ea l g o r i t h m ，f l o a t i n g - p o i n te m u l a t i o nh a sb e e n d o n ea n dt h ei m p l e m e n t a t i o nh a sb e e nd e s i g n e d ，c o n t a i n i n gt h i n k i n go ft h ec o n s u m eo ft h er e s o u r c ea n d t i m e a tl a s t ，a f t e rc a p t u r ea n dc o r r e c t i o no f t h ef r e q u e n c yo f f s e t ，t w or u d i m e n t a lf r e q u e n c yo f f s e tt r a c k i n g m e t h o d sa r er e s e a r c h e d c o m p a r i n gt h ec o n v e r g e n c es p e e da n dt h eb e rc h a r a c t e ro f t w om e t h o d s k e yw o r d ：g b p s ，f r e q u e n c y - o f f s e te g i m a t i o n ，f r e q u e n c y o f f s e tt r a c k i n g ，f p g a 1 1 图表目录 图表目录 图1 - 1g b p s 无线通信系统发射端框图，2 图卜2g b p s 无线通信系统的接收框图。3 圈1 - 3g b p s 无线通信系统的帧结构图 图2 - 1 符号定时偏差示意图 4 图2 - 2 符号定时提前的1 6 q a m 星座图s 图2 - 3 符号定时延后的1 6 q a m 星座图。 图2 4 无符号定时误差的1 6 q a m 星座图。9 图2 - 5o f d m 传输系统的结构模块 图2 - 6 在不同频率偏移情况下s i n r 与s n r 的曲线图1 2 图2 - 7 在单天线情况下不同频偏情况下的系统b e r 与s n r 关系曲线 图2 - 8 在多天线情况下不同频偏情况下的系统b e r 与s n r 关系曲线1 4 图2 - 9 相隔 0 个样值的两个时域重复训练符号 图2 一1 0 相隔m 个样值的两个频域重复训练符号。1 6 图2 - l l 双滑动窗的能量检测帧同步改进算法 图2 - 1 2 延迟相关同步算法 1 7 1 7 图3 - 1 前导符的结构图2 2 图3 - 2 定时偏移估计函数曲线 2 3 一图3 3 粗同步算法流程图2 5 ，图3 - 4 测试序列示意图2 6 j 鞫3 5 粗定时的漏捕概率曲线图2 7 ，图3 - 6 粗同步的误捕概率曲线图” 图3 7 租同步定时错误曲线图2 8 图3 8 不同小数倍频偏下的粗同步的错误率2 9 国3 - 9 不同小数倍频偏的m s e 比较3 0 图4 1 典型的设计流程图3 6 图4 - 2 定时同步模块和频偏同步模块的总体结构框图 图4 3 定时同步和频率同步联合硬件实现框图3 8 国4 4 滑动累加模块递归实现框图3 9 圈4 - 5 递归滑动平均滤波器硬件实现框图3 9 图4 - 6 相关值计算模块的设计框图4 0 图4 - 7 相同步硬件设计实现图。 4 1 图4 8c o r d i c 原理图一。4 2 图4 - 9c o r d i c 算法硬件实现模型图4 6 图4 1 0 频偏估计及校正硬件实现流程 图4 1 l 相位检测及处理硬件实现框图4 8 图4 1 2 计算相角正余弦值硬件实现框图4 9 图5 1 频偏跟踪算法实现框图5 3 图5 2 最大似然法跟踪残余频偏收敛图，5 5 图5 - 34 发6 收虽大似然跟踪频偏b e r 曲线( 理想信道) 5 6 图5 * 44 发6 收最大似然跟踪频偏b e r 曲线( 2 符号的样条插值估计信道) 一 5 7 图5 - 5m s e 法跟踪残余频偏收敛图5 9 v 东南大学硕士学位论文 图5 - 64 发6 收m s e 跟踪频偏b e r 曲线( 理想信道) 6 0 图5 74 发6 收m s e 跟踪频偏b e r 曲线( 2 符号的样条插值估计信道) 。6 1 图5 84 发6 收m l 和m s e 跟踪频偏b e r 曲线( 理想信道 6 l 图5 - 94 发6 收m l 和m s e 跟踪频偏b e r 曲线( 2 符号的样条插值估计信道) 6 2 表1 1g b p s 无线通信系统的仿真参数3 表3 1 不同整数倍频偏的m s e 的比较3 3 表5 - 1 仿真参数。5 s 表5 - 2 仿真参数5 6 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：盔! 酸车 日期：盈竺必 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。 一躲烨名：李擎一硼哆 第1 章绪论 1 1 论文背景 第1 章绪论 当前，移动通信在全球范围内发展迅猛。移动用户数的增长超出了预期，移动业务正从话音业 务为主向妒接入和多媒体业务为主的方向发展，手持移动终端将逐步成为人机接口的主要设备世 界各国在3 g 系统投入商用的同时，也均在开展b 3 g 4 g 技术的研究，在概念和技术上寻求创新和突 破，从而将无线通信的传输容量和速率有十倍、甚至百倍的提高。b 3 g 的主要特征将是高速、多媒 体和宽带i n t e r n e t 接入。将桌面多媒体网络服务推向移动用户。在网络结构方面，将采用分布式的接 入方式，显著提高空间无线信道的容量。围绕b 3 g 系统的理论、关键技术与方法的研究，将是国内 外研究的重点和热点，必将产生一系列重大突破，极大的推动通信以及相关学科的发展；b 3 g 系统 的研究开发也将是通信产业界争夺的重点，其巨大的市场潜力将产生经济发展的新的机遇和挑战。 9 0 年代早期欧洲就开始b 3 g 4 g 移动通信系统的研究，其目标速率是2 0 1 0 0 m b r b ，预期在2 0 1 0 年左右投入商用。国际电信联盟i t u - r 在1 9 9 9 年成立了w p s f 工作组，主要任务是负责3 g 未来发 展和b 3 g 的研究。在2 0 0 1 年l o 月举行的第六次会议上讨论提出了“i m t - 2 0 0 0 未来发展及超i m t - 2 0 0 0 的远景框架及总目标( i m s - v i s ) ”。欧洲、北美和亚洲一些国家的公司和研究机构建立了研究4 ( 3 技术 的w w r f 组织。欧盟的w i n n e r b 3 g 研究项目作为欧盟的第六个框架项目而在中国，第四代移 动通信f u t u r e 计划列入国家“十五”8 6 3 研究计划，探索和研究适应未来移动通信发展需要的新理 论、新技术，并建立实验平台剥试。而在2 0 0 6 年8 月，东南大学提出的支持多天线的广义多载波 ( m i m o - g m c ) 无线传输技术通过了验证，取得了成功。 国际电信联盟0 t u ) 对于4 g 技术的定义是静止状态下速率为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，但是各国已经在争相研究开发4 g 通信系统，提前抢占4 ( 3 的话语权对国家 民族有着至关重要的意义。 东南大学移动通信国家重点实验室在自然科学基金重大项目和前期8 6 3 重大项目的基础上，设 计能够在小于1 0 0 m h z 的无线传输带宽内，5 0 米的传输距离之内，实现的无线传输速率超过1 g b p s 的通信系统l j j 。为我国在下一代无线通信系统的核心技术掌握、标准制定、乃至今后实际系统的建 设等方面提供技术储备，推动我国从无线通信大国到强国的跨越。本论文作为8 6 3 项目“g b p s 无线 传输关键技术与实验系统研究开发”的一部分，研究了该通信系统中频率偏移的估计与校正的算法 讨论和实现。 1 2g b p s 无线通信系统简介 1 2 1g b p s 下行链路物理层的基本指标及参数 g b p s 无线通信实验系统是基于多输入多输出正交频分复用( m i m oo f d m ) 技术，实现无线 l 銮塑奎兰堡主兰垡丝奎 传输速率超过lo b p s 的无线通信实验系统。系统采用时分双工( t d d ) 模式，工作在3 5g h z 频段， 占用带宽1 0 0 m h z 。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 f d 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，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。 信号在空间的扩展主要通过伪随机虚空映射实现。系统采用4 - 发6 收的m i m o 方案。如图1 - 1 所示，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 t ) ，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 r ) ，能够将每一时间点上的信号， 扩展到同一f f t i f f t 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。多个用户的信号复用到4 条天线通路上进行传输。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。 图l - 2 为系统接收端框图o i t ”。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 一个数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 电路迸行自动频率控制( a f c ) 需要的频偏信号，再进行精同步，找到o f d m 解调中进行f f t 变换 的起始样值位置。f i 呵变换后，在频域进行信道估计和信号检测。检测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。数据解复用后分配到各个用户，每个用户进行解交织、1 1 1 盯、符号逆映射和信道解码后，得 到发射信息的估计。 导频序爿h c 锄捎o 、? 爿i f f i h + 口卜 囊 一 【ji - j 。 缓 一蛎司佩 【ji j 冲 复用 殴 一咂拇 、。 j l 、 一币可f 计 ) 、 一时域信号：一频域信号号：时域信号 图l ，lo b p s 无线通信系统发射端框图 2 第1 章绪论 图1 2g b p s 无线通信系统的接收框图 表1 1 为每一天线通道的基本参数配置。每一发射通道采用o f d m 调制，i f f t 点数为1 0 2 4 ， 即共有1 0 2 4 个子载波信道，每个子载波信道带宽为1 2 0k h z 。其中7 6 8 个子载波信道传输数据，3 2 个子载波信道传输导频，其它子载波信道未用。传输的数据采用1 6 进制正交幅度调制( 1 6 - q a m ) ， 信道编码采用l d p c 码编码速率为8 9 或5 6 。 表l - ig b p s 无线通信系统的仿真参数 参数数值 子载波间隔f 1 2 0k h z i f m f t 周期t i f f r = 1 a f 8 3 3 3 z s 子载波总数n l f h 1 0 2 4 传输数据的子载波数n d 7 6 8 传输导频的子载波数n p 3 2 使用的子载波数n u = n d + n p 8 0 0 零频率附近未用子载波数n z 4 带宽b = ( n u + n z ) + a f 9 6 4 8m h z 循环前缀长度t c p 1 0 4 2 z s ( = 1 8 t w o 符号长度t s y m = t i r r r + t c p9 3 7 5 z s 3 东南大学硕士学位论文 帧长 5 m s 每帧内数据o f d m 符号数 5 l o 每个子载波的传输速率r 0 = 1 i s y m 1 0 2 ko f d ms y m b o l s s 调制方式( 调制因子m i ) 1 6 一q a m ( 4 ) 每o f d m 符号携带的编码后比特数n b = 3 0 7 2 b i 协 n d x m i 编码后数据速率r = r o n b 3 1 3 3 4 4m b p s 编码速率5 6 ( 7 8 ) 单天线有效数据传输速率r d 呲= r 2 6 1 1 2 m b p s ( 2 7 4 1 7 6m b p s ) 四天线通路有效数据速率r d = 4 x 尽 1 0 4 4 4 8 ( 1 0 9 6 7 0 4 ) m b p s 1 2 2g b p s 无线通信仿真系统的帧结构 g b p st d d 无线通信系统的帧结构如图1 - 3 所示每个物理帧的长度为5 m s ，每个帧分为两个子 帧，下行链路子帧( d o w n l i n ks u b f r a m e ) 和上行链路子帧叫p l i n ks u b f r a m e ) ，分别对应于t d d 双工模式 的下行和上行物理传输链路。每个下行子帧包括一个下行前导符( d o w n l i n kp r e a m b l e ) ，若干个( 1 至9 个) 下行时隙和1 个d u s p ( 下行上行切换点) 。每个上行子帧包括1 个上行前导符( u p l i n kp r e a m b l e ) ， 若干个( 1 至9 个) 上行时隙和1 个u d s p ( j = 行下行切换点) 。每个时隙的长度为4 8 7 5 u s ，其中包括2 个符号的m i d a m b l e ，1 个o f d m 符号的控制字( c o n t r o lw o r d ) 和4 9 个o f d m 符号的数据符号( d a t a s y m b 0 1 ) 。1 个o f d m 符号的长度为9 3 7 5 u s 。 乜o f 瞳0 ( 1o f d i o ( 棹o p 喇b ，- b 0 1 ) 10 m r w t3 图1 3g b p s 无线通信系统的帧结构图 每个帧中的p r e a m b l e 用来进行定时同步和频偏估计等，m i d a m b l e 用来进行当前时隙的信道估 计c o n t r o i w o r d 用来传输当前链路的控制和反馈信息。调制方式采用b p s k 或者是q p s k ，编码方 式采用低码率的信道纠错码。 1 3 论文的主要内容和结构 本文是作者在攻读硕士学位期间，参加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”， 在该无线通信系统中下行频率同步技术研究所做的工作的总结。主要研究了g b p s 无线传输系统中符 号同步与频率同步的联合实现的算、法，在阅读文献和技术报告的基础上对同步算法进行分析、仿真 4 第1 章绪论 和比较，寻求一种性能优良并且适应硬件实现的方案，文章主要分为六章，主要内容如下： 第1 章简要的介绍了论文的研究背景，g b p s 无线通信系统的基本框架和主要性能指标，以及论 文的工作安捧。 第2 章主要研究了移动通信中的定时同步和频率同步的基础概念、性能影响以及理论，并且介 绍了各种定时同步和频率同步的算法模型。 第3 章主要介绍了g b p s 线通信系统下行定时同步和频率同步联台实现的算法，原理以及流程， 并且进行了系统的仿真和比较 第4 章主要研究了基于第三章的算法的硬件实现方案，分别考虑了整体的实现框图以及内部细 节的实现设计 第5 章主要研究在进行了频率同步的基础上对残留的频偏进行跟踪算法，分别介绍两种方法 并且进行了系统的性能仿真比较。 第6 章对论文工作做了总结。 第2 章数字通信技术中的同步技术 第2 章数字通信技术中的同步技术 对于无线移动通信系统而言。多普勒频偏，收发设备的本地载波偏差均可能破坏o f d m 系统子 载波之间的正交性，从而导致i c i ，影响系统的性能。另外，由于o f d m 系统大多采用i f f t f f t 实 现调制解调，因此在接收方确定f f t 的起点对数据的正确解调也至关重要。同步技术即是针对系统 中存在的定时偏差、频率偏差进行定时、频偏的估计与跟踪来减少各种同步偏差对系统性能的影 响。 2 1 同步误差分析 同步误差”主要包括三个部分：符号定时偏差，载波频率偏差和采样时钟偏差，同步的任务就 是估计并补偿这些误差使数据得到正确的解调。下面分别分析符号定时偏差、频率偏差和采样时 钟偏差对系统带来的影响。 2 1 1 符号定时偏差 在o f d m 接收端，每个o f d m 符号都包括一个循环前缀，在对信号进行f f t 运算之前，必须 保证f f t 窗的正确位置。如果对于符号中数据部分的起始位置判断不正确，这样就会引入符号定时 的偏差。这种偏差包括两种情况1 2 h 州，如图2 - 1 符号定时偏差示意图所示 n gl o n 图2 - l 符号定时偏差示意图 第一种情况是定时提前嘲，即口满足一 ，g 口 0 时，进行f f t 变换的信号就包括了前后两个o f d m 符号中 的数据，各个子载波间的正交性遭到了破坏，在不考虑频率偏移和噪声的情况下，得到： j ( m ，f ) = x ( 所，1 ) e 可 + 专善芝k = o 删弘枷+ 一争 仁：， + 专= 芝n - o 篁k = 0 x ( 脚+ ，弘。等妒m 町e 一等“ 可以看出，接收频域信号由有用信号、i s i 和i c i 组成，其星座图如图2 - 3 所示： 8 第2 章数字通信技术中的同步技术 图2 3 符号定时延后的1 6 q a m 星座图 而没有定时误差的1 6 q a m 星座图如图2 4 所示： 2 1 。2 载波频率偏差 图2 4 无符号定时误差的1 6 q a m 星座图 o f d m 是一种多载波调制技术，各个子载波之间互相正交，并行传输数据，它的解调采用f f t 来实现，由于本地振荡器的不稳定以及移动台移动引起的多普勒频移都会使接收端和发送端的载 波频率不一致，当接收端与发送端的载波存在频偏时，o f d m 系统中的子载波之间的正交性受到破 坏引起严重的子载波间干扰，每个子载波都将受其余子载波上的数据干扰，使调制性能大大恶化。 9 载波的频偏实际上可以分解为两部分，整数部分和小数部分。这里的整数部分9 和小数部分脚 是相对于子载波间隔而言的。发射机和接收机之间的频率偏差如果是子载波间隔的的整数倍，频率 采样值偏移了整数倍个子载波的位置，这时的误码率高达0 , 5 。如果载波偏差不是整数倍，那么子载 波问的正交性遭到破坏，从而在子载波问引入干扰，产生i c l | 3 0 l ，使得误码率恶化。载波同步就是 要消除载波偏差匀：对系统系能的影响 图2 - 5o f d m 传输系统的结构模块 进行d f t 处理之前的附加有载波频率偏移和相位偏移的信号形式是 r ( f ) = y ( t ) e x p ( j 2 r a f d ) + n ( t ) ( 2 3 ) 载波频率偏移蜕对系统系性能的影响 单天线( ，= 0 = 1 ) 的情况 r 睁吉窆，( ne - j 2 等+ ( 女) ：百l 乙n - ij ，( n ) 。肛警e - 1 2 等+ ( 女) ：专n - i 。，f n “矿, i ”- 1 日( ，) 工( ，) 2 1 ( t - r k ) n + ( t ) 。 = 吉日( ，) x ( ，) s ( ，一i ) + ( 七) 其中i c i 的系数s 鳓有下式2 5 得到 s ( 女) = 丙 n r - i 警e - ，2 f 鲁 o ( 25 ) 第2 章数字通信技术中的同步技术 则式2 5 可以写成： n - i r ) = s ( o ) 日( 七) 石( t ) + s ( ，一t ) 日( ，) x ( ，) + ( t ) ( 2 6 ) 嚣 由篆n - i ”i = 苌等煅l - e ，= 之弘如s ；n 伊可以将删转换为如下形式： 以及有： s ( t ) = n - ! s ! 主i ! ! i ! ! ；兰e x 一( 历( ，一专 ( 七+ a e ) c z 乃 n 专( 女+ 蜕) l “7 s c 。) = j 薏三；! ；i 击唧( ，万( 一专 馘) 心“专( m ) 、。州7 7 可以看出s ( o ) 使得信号的幅度削弱并且附加上相位的旋转，带来了信噪比的下降。s ( o ) 成为常 相位误差( c p e ) 。式2 7 中的第二项表示为1 c i ，造成了接收子载波间的正交性遭到了破坏。在c p e 未校正下的第k 个子载波上的平均信干比为： ( t ) = 所有子载波的信干比为 ：丢芝( ) vt t o ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) 在图2 - 6 中，归一化的小数倍载波频率偏移分别是0 i 、o 0 8 、o 0 5 、0 0 3 、0 0 2 ，0 0 1 和0 ， 的情况下信干比与信噪比的关系曲线。可以从图2 - 6 看出，如果频率偏移掣是不可避免的，在信 噪比比较大的情况下，会出现天花板效应，意味着即使增加信号功率，s i n r 也不会上升而是趋向于 一个固定的值，并且随着频偏的增大，其天花板效应就越明显。 东南大学硕士学位论文 已 芷 z s i n r s n r w i t hd i f f e r e n tf t e q u e n c yo f f s e t 图2 - 6 在不同频率偏移情况下s i n k 与s n r 的曲线图 图2 7 在单天线情况下不同频偏情况下的系统b e r 与s n r 关系曲线给出了在单天线情况 下，基于1 6 。q a m 调制的系统的b e r 曲线。当没有频率偏移的时候，瑞利衰落无线信道对接收信号 的影响为使得信号的幅度下降。从匿中可以看出随着频率偏移的增大，对于系统误比特率的破坏也 越明显，系统的误比特率也在不断的提高。另外，载波频率偏移所带来的这种信道间干扰( 1 c 1 ) 会对 系统带来严重的地板效应，即无论如何增加信号的发射功率，也不能显著的改善系统的性能，可以 看到随着频率偏移的不断增大，其地板效应也越明显。 第2 章数字通信技术中的同步技术 比 山 图2 7 在单天线情况下不同频偏情况下的系统b e r 与s n r 关系曲线 多天线( f = l = 尺) 的情况： 上面的式2 7 可以修改成； r ( 女) = 砸g s ( o ) ) h ( t ) x ( 女) + e d i a g s ( 1 - k ) h ( 1 ) x ( 1 ) + n ( k ) ( 2 1 1 ) 嚣 = d f 馏 s ( o ) ) h ( ) x ( i ) + z ( ，) + n ( 女) 其中x = 阮，五，鼍】f h = 喝 ： q 。 ，r ( i ) = 硭”，巧”，巧脚 是凡j 的 第k 个子载波上的接收信号，是并且假设所有接收天线上的频偏是一样的。则包括所有子载波在内 的接收信号可简单的表示为： r = s h x - 4 - n ( 2 1 2 ) 其中r = y ( o ) ，j ，( 1 ) ，y ( 一1 ) ，n = 。( o ) ，n ( 1 ) ，( ，一1 ) 以及厅是 1 3 、l l ，： 东南大学硕士学位论文 一个对角块矩阵为 s 为： s = h = 凼曙 日( 女) d i a g i s ( o ) )旃孵 s ( 1 ) ) d i 口g s ( n - o ) 堍 s ( o ) ) ； d i a g s ( 1 ) ) 纰p ( 2 ) ) ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) 图2 - $ 是在4 x 6 的m i m oo f d m 情况下，频偏在不同的s n r 的情况下的b e r 曲线。归一化的 载波频率偏移分别匈是o i ，0 0 8 、0 0 5 、0 0 3 ，0 0 2 、0 0 1 和0 。多天线的情况下，频偏对于系统误 比特率的影响同样明显，随着频偏的增大，系统的误码率不断的变大。系统的性能变差。多天线在与 单天线比较时，在匀o 0 2 时，多天线的b e r 特性优于单天线，v 0 0 3 时，多天线的b e r 特性 差于单天线，在高信噪比情况下，地板效应更明显。说明天线间干扰使得系统b e r 特性变差。 j ：；：! ；i ：；：- 一：! ：j j 末；誓：；：! ；：；： 登斓镝童巍童毒裔蠢商螽喜囊杀三 ；：；i ；! ：! ! ：! ! j ! ! ：；! i 三踺j 至；莩翌鲑却三寻兰辱j ；墓戛戛裹戛戛：；：涎：氍戛塞- 薹；基 ；i ! ：! i 装i 末! 装! ：；：2 二；：二；! 二 e 一仁0 ；：；：；酞圭；i ；：；囊七若 = = ) = = 3 = 二 = c 二一= c 二二【= e f = 0 0 1 j j j ：j ：二j ：一：强! j ：! ! ：! ：! 一# n 0 2；i ；i ；i 鹭i 冀i i 茧荛i i i ；i i ；i i ；霎 a 一仁0 0 3 ：j ：i ：= ：= ：= 堵：；：；：；： 卜t = 00 5 争一仁n 0 8 日一仁0 1 $ n r 删 图2 - 8 在多天线情况下不同频偏情况下的系统b e r 与s n r 关系曲线 2 1 3 采样时钟偏差 在o f d m 系统中，由于采用晶振源振荡频率不稳定还可能导致采样时钟失步。采样时钟失步 会破坏子载波间的正交性，造成子载波问干扰。同时，采样时钟失步的累积效应会使得符号定时发 生偏差。 1 4 矿h ，阱 “m ；州 堍二董f 幽 第2 章数字通信技术中的同步技术 2 2 传统的同步方法论述 2 2 1 载波同步算法 2 2 1 1 基于训练符号的时域相关算法 假设发送的两个时域重复符号是葺( h ) 和屯( 珂) 之间有d 个样值的延迟，重复符号的长度为l 。 如图2 - 9 所示 _ 卜l 卜l ( 一)x 2 ( ”) 一 虬 - 图2 - 9 相隔蜥个样值的两个时域重复训练符号 接收到的两个训练符号分别表示为 ( 雄) = ，( h ) = _ ( ) f 叫2 域峨+ 却+ 刁ln ) ( 2 i s ) ( ) = ，( n + n , ) = x zc n ) e - j 2 域”心犯+ 却) 十( n ) ( 2 ，1 6 ) 两个训练符号的时域相关可以得瓢中间变量 墨= ( ”k n ) = ，( ”y 0 + h ( 2 1 7 ) = p 口雠m ( n ) x * 2 ( ”) + ，7 不考虑噪声的情况下，可以得到 蜕鲁z = 舞= 可a r g ( r f ) n a f ( 2 1 8 ) 可 + 2 、j 扣 m 心啡 p = 东南大学硕士学位论文 2 212 基于训练符号的频域相关算法 l 一。卜l l lx i ( i ) x ，( i ) 卜一虬一 图2 1 0 相隔帅个样值的两个频域重复训练符号 进行f f t 处理后得到的两个频域训练符号分别为： 其中有 ( 2 1 9 ) ( 2 2 0 ) y ( 。) ：i 1 乙n - i x ( 女) 日( 咖棚i 一懈v 】- a ，+ q ( 月) ( 2 2 1 ) k = o k = 0 1 ，上- 1 ，以= 0 1 ，一1 两训练序列的频域相关得到的中间变量为 巧：l - i r ( 女) ( 女) ：r ，：似t 艺旧( 女) 1 2 + 叮 可以得到载波频域偏差为： 馘每正= 黜= 百a r g ( r , ) n a f ( 2 z ，) 2 2 2 帧定时同步算法 2 2 2 1 基于空符号能量检测的帧定时同步算法 采用一个滑动窗e l ，以窗内l 个符号的总能量作为判决变量t 用以平滑噪声 1 6 们 州 删 h p h 0 + 1 “ ：= 州f 厶脚 砷 = r 墨 第2 章数字通信技术中的同步技术 坂：篁蚶 根据实际系统的要求以及噪声的情况设定一个蠲值，一旦肘。超出明值就判断帧出现，否则没 有出现帧其改进的方法是双滑动窗的能量检测同步方法，如图2 1 l 所示： 图2 - 11 双滑动窗的能量检测帧同步改进算法 可见在最佳帧定时时刻之前，以逐渐增加，最维持不变；在最佳定时时刻之后，4 维持不变 加，e 开始逐渐增加；而在最佳定时时刻，4 达到最大值。e 仍为最小值；所以定义 = 4 e ， 最大值出现的时刻即为最佳定时时刻。 2 2 2 2 基于训练符号的帧同步算法 如图2 1 2 所示： 囱 一掣【 广 i 可以得到相关值为 为了归化，定义变量 图2 - 1 2 延迟相关同步算法 1 7 “。k10 = 0 东南大学硕士学位论文 定义判决变量为 帆= i o n 2 i ( p 3 鸩达到最大值的时刻即为最佳定时时刻。 2 2 3 样值同步算法 2 2 3 1 基于导频的样值频率同步算法 仅存在样值间隔偏差7 = 时”， ( 2 2 6 ) r 22 7 ) r = 专墨端e j t o - i n p a r f r 4 - f 利用发送导频信号墨来进行相位修正，得到修正信号g = r k i s k 。可以得到 吃驴斋最端e j f f l - t l ，x * , - h ) a r , i r + f ( 2 ：，) 根据其相位可以得到样值间隔偏差a t , 的估计 帚c ( k ，) 蝇。而豸前尚 2 2 3 2 基于导频的样值定时同步算法 仅存在样值定时偏差0 的时候同样的可以得到州 = g 。9 2 = p 叫m 雌脾 可以根据其相位来得到样值定时偏差a t y 的估计 牛一翕 1 8 ( 2 3 0 ) ( 2 3 0 2 心 + = “ 肿 h +“ l i h p 第2 章数字通信技术中的同步技术 2 3 系统对同步的要求 本系统的核心技术是m i m o - o f d m 技术，在本系统中。当各个发射天线到各接收天线的距离差 不大于2 4 m ，发送天线到达每根接收天线的时间差就会小于一个数据符号所占的时间，因此假定每 根发射天线发出的信号到达每根接收天线的传播时闻是相同的：假定每路接收信号的频偏是相同的。 系统的同步可以分为帧同步和频率同步。在帧同步方面，要求找准每一帧放入帧头，为整个移 动台提供稳定的时基。在频率同步方面，要求进行大范围精度的频率同步。同时，设计系统同步方 案时，必须考虑硬件实现的难度。在同步性能符合要求的情况下，结合考虑硬件实现上的问题，使 同步方案更有利于硬件实现。 本章小结 本章主要介绍了在o f d m 通信系统中存在的同步问题，先介绍了存在的偏差包括符号定时偏 差，载波频率偏差、样值频率偏差等，就这些偏差分别研究了其对系统的性能的影响，随后研究了 各种文献中所提出的各种共同步的算法，给出了算法的模型， 1 9 第3 章符号同步和频率同步的联合实现 第3 章符号同步和频率同步的联合实现 符号定时的任务就是要寻找o f d m 数据符号和数据帧的起止时刻。一般把同步分为两个阶段： 捕获阶段( a c q u i s i t i o n ) 和跟踪阶段( t r a c k i n g ) 。第一阶段( 捕获) 的任务是要尽快的进行偏差变量估计，解 决其捕获问题；第二阶段( 跟踪) 的任务就是能够锁定并且执行跟踪任务。符号同步实现是频偏估计和 信道估计的前提，因此需要先行完成。 对于载波频率同步，由于o f d m 各子信道带宽较小，对载波频率偏差的敏感程度非常高，因此 需要非常精确的载波同步。为了能够有效的利用有限的数据，在比较宽的范围内捕捉到参数，并对 其实现高精度的同步。如前所述，载波同步过程可以分为两种模式：粗同步模式和精同步模式。在 相同步模式中，同步器将参数的较大的初始偏差减小到一个较小的范围：在细同步模式中，同步器 将参数的剩余误差进一步减小，提高估计的精度。另外，当精确的估计出频率偏差后由于多普勒 效应以及振荡器不稳定等因素的影响，频率又会产生漂移，因此还需要对频率进行跟踪。 频率偏差实际上可以分解为两个部分：整数部分和小数部分，这里整数部分和小数部分是相对 于子载波间隔而言的。所谓整数部分是等于子载波间隔的整数倍的那部分频率偏差；小数部分是指 小于子载波问隔的那一部分频率偏差。整数部分仅使信息符号在子信道上平移。并不破坏各个子载 波闻的正交性，但它却导致整个解调结果完全错误，系统的误码率几乎为0 5 ；而小数部分则会造成 子信道干扰，破坏各子载波之间的正交性，导致系统的误码率下降。 3 1 符号同步 本小节主要介绍了基于训练符号辅助的o f d m 同步捕获算法。训练符号辅助的o f d m 符号同 步捕获算法，比较经典的是s c h m i d l 提出的采用两个训练符号的联合定时和载波频率偏移同步算法， 但是s c h m i d l 同步算法的性能不是十分的理想，尤其是定时偏差估计存在的误差较大，而且采用蘸 个训练符号会降低系统的传输效率。针对s c h m i d l 同步算法出现的问题，于是在g b p s 无线通信系统 中的同步模块中，进行了一系列的算法的改进，并且由于c a z a c 序列具有恒包络和零相关性质， 可以克服o f d m 系统的峰均比问题。 3 1 1 符号同步的实现方法 3 1 1 1 传统的s c h m i d l 算法 经典的s c h m i d l 算法【”1 是利用i f f t 变换的性质，设计训练符号，并提出了符号定时偏移和载波 频率偏移估计算法。s c h m i d l 设计的训练符号包括两个训练符号，第一训练符号定时偏移估计与载波 频率偏移细估计，第二个训练符号仅用于载波频率偏移的估计范围。s c h m l d l 提出通过在序数为偶数 的子载波