（通信与信息系统专业论文）b3g时频同步算法与实现技术研究.pdf

摘要 摘要 o f d m 技术由于具有频谱效率高和抗频率选择性衰落等优点，成为b 3 g 移 动通信系统的核心技术。其基本原理是将频域中的一个宽带信道划分成多个重叠 的子信道并行地进行窄带传输，每个子信道上用一个子载波承载数据。在接收端， 只要各予信道上子载波正交，就可以将各信道上的数据正确分离。为了保证 o f d m 子载波的正交性，收端必须和发端在时域和频域上均保持同步。然而， o f d m 系统对同步误差非常敏感，因此同步技术成为b 3 g 系统的关键技术之一， 备受关注。 在国家“f u t u r e 计划”中，电子科技大学负责b 3 gt d d 方式下行链路设计 与实现。此链路基于o f d m + m i m o 构架，采用f p g a 实现，传输速率达到 1 0 0 m b p s 本文负责b 3 gt d d 下行链路时频同步算法的研究、设计与f p g a 实现。主 要包括帧同步( 时间同步) 算法的研究与设计、o f d m 频率同步算法的研究与设计 以及同步模块、o f d m 解调模块的f p g a 实现，最终实现b 3 gt d d 下行链路在 无线m i m o 环境中连通，误码率低于1 0 - 6 。 在帧同步算法研究与设计方面，本文针对频偏导致相关峰下降，致使相关峰 检测困难的问题，提出了采用自动频率跟踪的方式，在帧同步前补偿频偏，消除 了频偏对相关峰的影响；针对在无线环境中基于相关检测的帧捕获算法会出现漏 判的现象，根据b 3 gt d d 系统帧格式，设计了一种高效的锁相环，跟踪相关器 中门限判决电路输出的帧捕获脉冲序列，其结构简单，锁定快，当出现漏判时， 能在正确的时间点自动产生帧同步脉冲，输出正确、稳定的帧同步脉冲序列。 在o f d m 频率同步算法研究与设计方面，本文针对现有的基于p n 序列的频 率同步算法需在频偏估计精度与估计范围间折中的不足，提出了一种新算法。该 算法利用二阶负反馈环路，同时结合p n 序列联合进行频偏估计与补偿。在a w g n 信道下，利用环路的等效噪声带宽抑制噪声；在多径信道下，利用环路的低通特 性抑制估计频偏值剧烈的随机抖动。故该算法在保持大的频偏估计范围的同时， 使频偏估计精度得到提高，降低了系统信噪比损失。理论分析、计算机仿真与实 际测试结果均表明该算法能进行大范围、高精度的频率同步。 摘要 本文结合帧同步算法和o f d m 频率同步算法，对时频同步方案进行总体设 计，提出了一种联合同步环路结构，并运用f p g a 进行实现，现已成功运用于我 国第一套b 3 gt d d 移动通信实验系统中。 关键词：b 3 g ，帧同步，频率同步，o f d m 解调，f p g a a b s t r a c t a b s t r a c t d u et oi t sh i g hs p e c t r a le f f i c i e n c ya n dr o b u s i n c s sa g a i n s tf r e q u e n c ys e l e c t i v e f a d i n g ，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 ( o f d m ) h a sb e c o m eap r o m i s i n g t r a n s m i s s i o nt e c h n i q u ef o r t h eb 3 gs y s t e r n t h eb a s i cp r i n c i p i eo f0 f d mi st od i v i d ea w i d e b a n df r e q u e n c yc h a n n e li n t os e v e r a lo v e r l a p p i n gs u b c h a n n e l s d e s p i t es p e c t r a l o v e r l a p ，t h ed a t ai ns u b c h a n n e l sc a l lb ep e r f e c t l ys e p a r a t e da tt h er e c e i v e ra s1 0 n ga s t h es u b c h a n n e i sa r eo r t h o g o n a l i n0 f d ms y s t e m s 。h o w e v e r , t h er e c e i v e rm u s tk e 印 s y n c h r o n i z a t i o nw i t ht h et r a n s m i t t e ri 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 nt o m a i n t a i no r t h o g o n a l i t y i na d d i t i o n ，o f d mi ss e n s i t i v et ot h es y n c h r o n i z a t i o ne r m r s ， 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 sv e r y i m p o r t a n tt ob 3 gs y s t e m i nt h e “f u 瓜ep f o j e c t ”u e s i i si nc h a r g eo fd e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no f t h eb 3 gt d dd o w n l i n ks y s t e m ss y s t e mw h i c hi sb a s e do no f d ma n dm i m oi s i m p l e m e n t e db vf p g a , a n d i t sd a t at r a n s f e rr a t ei s1 0 0 m b p s t h i st h e s i s i n v e s t i g a t e s f r a m e s y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h ma n df r e q u e n c y s y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h mi n t h eb 3 gt d dd o w n l i n ks y s t e m m o r e o v e r ，f p g a i m p l e m e n t a t i o n o f s y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h i n s a n dm u l t i c a l t i e rd e m o d u l a t i o n a l g o r i t h m sa x ea l s od i s c u s s e de x p l i c i t l y ht h et o p i eo ft h ef r a m es y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h md e s i g n i no r d e rt os o l v et h e p r o b l e mo fd e c r e a s e o fc o r r e l a t i o np e a kc a u s e db yf r e q u e n c yo f f s e t , a u t o m a t i c f r e q u e n c yc o n t r o li sa d o p t e d t os o l v et h em i s s i n gd e t e c t i o np r o b l e mo ff r a m e s y n c h r o n i z a t i o n an o v e lp h a s el o c k e dl o o pi sd e s i g n e dt ot r a c et h eo u t p u tp u l s e s e q u e n c eo fd e t e c t i o nc i r c u i t ，a n di tp r o v i d e sac o m p l e m e n t a r yp u l s ew h e nm i s s i n g d e t e c t i o no c c u i 苫 bt h et o p i co ft h ef r e q u e n c ys y n c h r o n i z a t i o na l g o f i t h md e s i g n a ne s t i m a t i o n s c h e m ec o m b i n i n gp ns e q u e n c ea n ds e c o n d o r d e rf e e d b a c k1 0 0 pi sp r o p o s e dt os t r i k e ab a l a n c eb e t w e e ne s t i m a t i o nr a n g ea n de s t i m a t i o np r e c i s i o n 1 1 l i ss c h e m eh a sw i d e e s t i m a t i o nr a n g ea n dh i 譬he s t i m a t i o np r e c i s i o n s i m u l a t i o nr e s u l t sp r o v et h a tt h e p r o p o s e ds c h e m ec 姐s i g n i f i c a n t l yi m p r o v es y s t e mp e r f o r m a n c e b a s e do nt h ef r a m es 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 na l g o r i t h m s ，a j o i n ts y n c h r o n i z a t i o na r c h i t e c t u r ei sp r o p o s e da n di m p l e m e n t e do naf p g ap l a t f o r m 嗽a r c h i t e c t u r ea n di t si m p l e m e n t a t i o nh a v eb e e ns u c c e s s f u l l yu s e di nt h eb 3 g e x p e r i m e n t a ls y s t e m k e y w o r d ：b 3 gf r a m es y n c h r o n i z a t i o n , 丘e q u e n c ys y n c h r o n i z a t i o n , o f d m d e m o d u l a t i o n , f p g a i l l 图形列表 图1 - 1 图1 - 2 图1 3 图1 4 图1 5 图2 - 1 图2 2 图2 - 3 图“ 图2 5 图撕 图2 7 图2 - 8 图2 9 图2 - 1 0 图2 - 1 1 图2 1 2 图2 - 1 3 图2 - 1 4 图2 1 5 图2 1 6 图2 1 7 图2 1 8 图2 1 9 图2 2 0 图2 2 l 图2 2 2 图2 2 3 图2 - 2 4 图形列表 o f d m 系统基本模型框图。 插入循环前缀的o f d m 符号 符号定时偏差示意图。 3 符号定时提前的1 6 q a m 星座图。 符号定时延后的1 6 q a m 星座图 b 3 g t d d 下行链路的基本框架 b 3 gt d d 下行链路的系统帧结构 同步时隙结构图 下行同步码结构图 基于相关检测的帧捕获框图 频偏对相关峰的影响。：。 一比特量化后频偏对相关峰的影响 信道状况良好时一比特相关器的输出 信道状况恶劣时一比特相关器的输出 常见数字锁相环结构框图 数字锁相环电路图 数字锁相环仿真波形 频率粗同步环路结构框图 a w g n 信道下频率粗同步环路等效线性模型 a w g n 信道下粗频率同步环路模拟原型 频率租同步环路闭环传递函数幅频特性 频率粗同步环路误差传递函数幅频特性 多径信道下频率粗同步环路近似等效模型 w g n 信道下两种算法频偏估计性能比较。 r a y l e i g h 信道下两种算法频偏估计性能比较 a w g n 信道下两种算法信噪比损失 r a y l e i g h 信道下两种算法信噪比损失 频率精同步环路结构框图 a w g n 信道下两种算法频偏估计性能比较 v i 7 8 。1 3 1 4 1 4 1 4 。1 6 1 6 。1 7 1 8 1 8 。1 9 2 0 2 1 2 3 。2 3 2 4 。2 4 。2 5 2 6 。2 8 2 8 2 9 3 0 3 l 3 2 图形列表 图2 2 5 图2 2 6 图2 2 7 图2 - 2 8 图3 1 图3 - 2 图3 3 图3 4 图3 - 5 图3 - 6 图3 - 7 图3 8 图3 9 图3 1 0 图3 1 1 图3 1 2 图3 1 3 图3 1 4 图3 1 5 图3 1 6 图3 1 7 图3 1 8 图3 1 9 图3 2 0 图3 2 l 图3 - 2 2 图4 - 1 图牝 图4 3 图钳 图钙 图粕 r a y l e i g h 信道下两种算法频偏估计性能比较。3 2 a w g n 信道下两种算法信噪比损失。3 3 r a y l e i g h 信道下两种算法信噪比损失。3 4 联合同步环路结构图 b 3 gt d d 下行链路的硬件系统架构框图3 7 多天线接收板的设计框图3 8 同步模块的实现结构框图4 l 频率粗同步环路结构图。 帧同步器结构图 匹配滤波器的结构图 4 1 f p g a 中数字锁相环部分信号状态图 相关运算示意图 频率粗同步环路中鉴频器结构框图 c o r d i cv 3 0m 核的结构框图 c o r d i cv 3 0i p 核的时序波形图。 4 4 4 5 n c o 基本原理框图4 6 频率精同步环路结构框图 相关运算示意图 频率精同步环路中鉴频器结构框图 定时恢复模块示意图 定时恢复模块输出信号格式5 0 o f d m 解调结构框图 f f r 核外部引脚图 i f f t 调制前频域数据分配方式 2 0 4 8 点f f r 解调后有效数据频域排列方式 r o c k e tf o 接口仿真波形图 基带直连测试环境示意图 基带直连测试环境下f f r 后的星座图 基带直连测试环境下信道估计后的星座图 射频直连测试环境示意图 射频直连测试环境下信道估计后的星座图 射频直连测试环境下f p g a 中部分信号状态图 v 。5 7 5 8 图形列表 图4 7 图4 8 图4 - 9 无线测试环境示意图 无线测试环境下部分信号状态图 无线环境下m i m o 检测后的星座图6 2 表格列表 表2 - 1 表2 - 2 表2 - 3 表3 1 表3 2 表3 - 3 表3 - 4 表3 - 5 表3 6 表3 _ 7 表格列表 b 3 gt d d 下行链路的基本指标1 2 b 3 gt d d 下行链路的设计指标 b 3 gt d d 下行链路的系统参数1 3 c o r d i c v 3 0 核实现三角函数运算的引脚说明4 5 d d sv 5 0 核引脚说明4 7 信号a 的具体说明 f f t 核外部引脚说明 f f t v 3 1 核的主要配置说明 5 1 同步模块资源占用情况5 6 o f d m 解调模块资源占用情况。5 6 i x 缩略语对照表 缩略语对照表 a n a l o gt od i g i t a lc o n v e r t e r 模数转换器 a u t o m a t i cg a i nc o n t r o l 自动增益控制 a p p l i c a t i o ns p e c i f i ci n t e g r a t e dc i r c u i t专用集成电路 a d d i t i v ew h i t eg a u s s i a nn o i s e加性高斯白噪声 b e y o n dt h i r dg e n e r a t i o n超三代移动通信 c o n f i g n r a b l el o g i cb l o c k可配置逻辑模块 c o o r d i n a t er o t a t i o n a ld i g i t a lc o m p u t e r坐标旋转数字计算 c y c l i cp r e f i x 循环前缀 d i g i t a lc o n t r o l l e do s c i l l a t o r数字压控振荡器 c 0 d ed i v i s i o nm u l t i d l e xa c c e s s码分多址 d i r e c td i g i t a ls y n t h e s i s直接数字合成 d i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o r m离散傅立叶变换 d i g i t a lp h a s el o c k e dl o o p 数字锁相环 e l e c t r o n i cd e s i g na u t o m a t i c电子设计自动化 f r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e xa c c e s s频分多址 f a s tf o u r i e rt r a n s f o r m快速傅立叶变换 f i r s ti n p u tf i r s to u t p u t先进先出 f i n i t ei m p u l s er e s p o n s e有限冲击响应 f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t e a r r a y 现场可编程门阵列 h a r d w a r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g e硬件描述语言 i n t e g r a t e db u sa n a l y s i s片内总线分析仪 i n t e rc h a n n e li n t e r f e r e n c e信道间干扰 i n v e r s ed i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o r m离散傅立叶反变换 i n v e r s ef a s tf o u r i e rt r a n s f o r m快速傅立叶反变换 i n t e g r a t e dl o g i c a n a l y s i s片内逻辑分析仪 i n p u t 0 u t p u tb l o c k输入输出接口模块 i n t e rs y m b o li n t e r f e r e n c e符号间干扰 j o i n tt e s t a c t i n n g r o u p 联合测试行动小组 l o w d a n s r yp a r i t y c h e c kc o d e低密度极性校验码 x 一觥一一差基一口呦一啷肿吼一肿肿矾一眦姒贼一唧姒m研一一 缩略语对照表 l u t m a c m g t m i m o m l m s b o f d m o f d m a l i a p r p n q o s r t l s n r s r t d d t d m a t d - s c d m a w c d m a l o o k - u p t a b l e m u l t i p l y a c c u m u l a t o r m u l t i - g i g a b i tt r a n s c e i v e r m u l t i p l e - i n p u tm u l t i p l e - o u t p u t m a x i m u ml i k e l i h o o d m o s ts i g n i f i c a n tb i t o r t h o g o n a l f r e q u e n c y m u l t i p l e x i n g 查找表 乘累加器 多吉比特收发器 多入多出 最大似然 最高有效位 d i v i s i o n 正交频分复用 o r t h o g o u s lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e a t x ? 懿s p e a k - t o - a v e r a g ep o w e rr a t i o p s e u d o r a n d o mn u m b e r q u a l i t yo fs e r v i c e r e g i s t e rt r a n s f o r m a t i o nl e v e l s i g n a lt on o i s er a t i o s e a l c dr a d i a n s t h n ed i v i s i o nd u p l e x t u n ed i v i s i o nm u l t i p l e xa c c e s s t u n e d i v i s i o n s y n c h r o n o u s c o d e d i v i s i o nm u l t i p l e xa e c e s s w i d e b a n dc o d ed i v i s i o nm u l 卸l ea c c e s s x i 正交频分复用多址 峰值平均功率比 伪随机数 业务质量 寄存器传输级 信噪比 弧度归一化 时分双工 时分多址 时分同步码分多址 宽带码分多址 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。 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：乏i ! 盘士 导师签名： 日期：2 q 0 6 年2 月2 日 第一章引言 第一章引言 1 1 移动通信系统的发展现状 在过去的2 0 多年里，移动通信技术在全球范围内得到了迅猛的发展及应用， 各种全新的无线通信概念层出不穷、各种新的体制及其关键技术日新月异。已经 历了从第一代模拟通信到第二代数字通信再至t j r p 将在全世界范围内大规模商用的 第三代多媒体通信的三个阶段。每一代移动通信的发展都带来了技术的突破以及 人们消费观念的更新。 目前，在网运营的移动通信系统仍然是第二代移动通信系统，其缺点是全球 无线技术各自为营，没有统一的标准，而且只支持话音和低速率的数据业务。第 三代移动通信系统具有宽带化、智能化、综合化的特点，支持话音和多媒体数据 通信，可以提供各种宽带信息业务。然而，第三代移动通信系统并不是真正意义 上的个人通信和全球通信，其通信标准有w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 和t d s c d m a 三大分支，成员间存在相互兼容的问题。该系统的频谱利用率较低，不能充分地 利用宝贵的频谱资源；其支持的最大传输速率2 m b p s 仍不能满足人们对高速数据 传输和多媒体业务需求的不断增长。 为了适应未来的通信发展需求，世晃各国都已经把研究重点转入未来新一代 移动通信技术的先期研究。国际电信联盟已经开始研究制订未来新一代移动通信 标准，并已达成共识：把移动通信系统同其他无线系统结合起来，产生超三代( b 3 g ： b e y o n dt h i r dg e n e r a t i o n ) 技术。b 3 g 将最终实现商业无线网络，局域网，蓝牙， 广播电视网，卫星通信网的无缝衔接并相互兼容。目前，美国a t & t 公司已经在 实验室中研究b 3 g 移动通信技术，其研究目的是提高蜂窝电话和其他移动装置无 线访问因特网的速率。大约还需要五年，这项技术才能发布。日本d o c o m o 移 动通信公司也已在进行b 3 g 移动通信的研究。瑞典的爱立信公司也开始着手研制 b 3 g 移动通信技术，其研究机构负责人表示，b 3 g 移动通信技术不仅可以将上网 速度提高到第三代移动通信技术上网速度的5 0 倍，而且届时人类将首次实现三维 图像的高质量传输。 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。 l 电子科技大学硕士学位论文 其目的是在b 3 g 移动通信发展初期即着手开展相关的研究与开发，与国际上同步 发展，获取具有自主知识产权的核心技术专利，对形成新一代无线移动通信知识 产权和体制标准做出较大贡献，为国家培养一支有一定规模的具有国际竞争力的 超前研究队伍，为实现我国未来无线通信产业的跨越式发展创造条件。 1 2b 3 g 移动通信系统的主要特点 b 3 g 移动通信技术的概念可称为宽带接入和分布网络，可以在不同的固定、 无线平台和跨越不同的频带的网络中提供无线服务，可以在任何地方宽带接入互 联网，能够提供信息通信之外的定位定时、数据采集、远程控制等综合功能。同 时，b 3 g 移动通信系统还应该是多功能集成的宽带移动通信系统，是宽带接入口 系统。未来b 3 g 移动通信要求实现全球统一的标准，真正实现一部手机在全球的 任何地点都能进行通信。b 3 g 移动通信系统的主要特点是1 1 1 2 ： ( 1 ) 技术基础先进。采用正交频分复用( o f d m ：o r t h o g o n a lf r e q u e n c y d i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ) 技术、多输入多输出( m 1 m o ：m u l t i p l e - i n p u tm u l t i p l e - o u t p u t ) 技术、软件无线电技术、光纤通信技术、智能天线技术。 ( 2 ) 传输速度提高，数据传输率远远超过第三代移动通信系统，从2m b p s 提 高到1 0 0m b p s 。支持更为丰富的移动通信业务，包括高分辨率实时图像 业务，电视会议虚拟现实业务等。 ( 3 ) 无缝通信。可在不同接入技术( 包括蜂窝、无绳电话、无线局域网、短距 离连接1 之间进行全球漫游与互通，实现无缝通信，让所有移动通信运营 商的用户享受共同的b 3 g 服务。既有水- v ( 系统内) 切换，又有垂直( 系统 间1 切换，还可以在不同速率间进行切换。 ( 4 ) 网络频谱宽、无线频谱利用率高。蜂窝组网的概念将被突破，以达到更 完美的覆盖，核心网将全面采用分组交换，使得网络根据用户的需要分 配带宽，从而大大提高了无线频谱的使用效率，将实现真正的宽带通信。 ( 5 ) 发射功率比现有移动通信系统降低1 0 1 0 0 倍，能够较好地解决电磁干 扰问题。 2 第一章引言 1 3o f d m 基本原理 1 3 1o f d m 系统基本模型 o f d m 的基本原理是把高速的数据流通过串并变换，分割为着干路低速的数 据流，然后采用相互正交的子载波调制每路数据，并叠加在一起构成发送信号。 在接收端用同样数量的子载波对发送信号进行相干接收，得到低速的数据信息后， 再通过并串变换得到原来的高速数据流。o f d m 传输系统结构框图如图1 - 1 所示。 二耶_ 州积分p 并串 妥协廖 串，并 + ( 莶p ，( r ) 厂_ + 廿 d 天e z # s q t _ 谯h 积分p一x 卜_ 图1 1o f d m 系统基本模型框图 图1 - 1 中n 表示子载波个数，4 ( f - 0 , 1 , 2 ，n 1 ) 表示分配给每个子信道的 数据符号，z f r 表示第i 个子载波的载波频率，r 表示o f d m 符号的宽度，z 满足： 吾f oo x j 2 # , 咖x 州狮叫：；：； m - ， 如果设r e 甜( f ) 一l ，i f i t r 2 表示矩形函数，则从f t 开始的以复等效基带信 号描述的o f d m 符号为； ) 。j 善7 - 1 枷( 一三) 唧( ，勋扣乞) ) 印r ( 1 - 2 ) 1 0f f + t 在接收端，对第，个子载波进行解调，在时间长度t 内积分，即： i ，- 知嵋e x p ( 一，知( ) ) 善? - 1 或c x p ( j 幼正( ) ) 毋一d ，0 - 3 ) o f d m 复等效基带信号可以采用离散傅立叶反变换o d f t ：i n v e r s ed i s c r e t e f o u r i e rt r a n s f o r m ) 来实现。令o ，忽略矩形函数，对信号s ( f ) 以r ，的速率进 3 电子科技大学硕士学位论文 行抽样，即令t - k t n ( k 一0 1 ，f i r1 ) ，式( 1 2 ) 变为： 吒一s - i p ( j 警】呲；n - - ( 1 - 4 ) 等效为对t 进行i d f t 运算。同样在接收端，为了恢复出原始的数据符号面， 可以对吼进行离散傅立叶交换( d f r d i s c r e t ef o u r i e r t r a n s f o r m ) ： a , - 薹s ke x p ( 一，警) 一t c t 固 由此可以看到，o f d m 系统的调制和解调可以分别由d f r 和d f t 代替，在 实际应用中，往往采用更方便快捷的快速傅立叶反变换( i f f r i n v e r s ef a s tf o u r i e r t r a n s f o r m1 和快速傅立叶变换( f r - r ：f a s tf o u r i e rt r a n s f o r m ) 。 1 3 2 保护间隔和循环前缀 从频域上观察，o f d m 技术将所给信道分成个正交的子信道，在每个子信 道上使用一个子载波进行调制，并且这个正交的子载波并行传输，即用多个窄 的正交子带占据整个分配的信道。由于每个子信道上进行的是窄带传输，信号带 宽小于信道相关带宽，所以o f d m 技术可以克服频率选择性衰落。 从时域上观察，o f d m 系统把输入的数据流串并变换到个并行的子信道， 使得每个用于去调制子载波的数据符号周期扩大为原始符号周期的倍，因此， 时延扩展与符号周期的比值也降低倍，这样可以减少无线信道多径时延扩展的 影响。同时，为了最大限度地对抗多径传播导致的符号间干扰( i s i ：i n t e r - s y m b o l i n t e r f e r e n c e ) ，在o f d m 符号之间插入保护间隔，令其大于无线信道的最大时延 扩展。通常采用循环前缀( c p ：c y c l i cp r e f i x ) 作为保护间隔，从而避免多径而带来 的载波间干扰( i c i ：i n t e r - c h a n n e li n t e r f e r e n c e ) 。循环前缀的构造方法如图1 2 所示。 保护间隔数据间隔一个o f d m 符号 图1 - 2 插入循环前缀的o f d m 符号 循环前缀是将o f d m 符号的末尾部分拷贝至符号前端。这样，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，每个符号的输出子载波信号仅 4 第一章引言 会产生相位偏移，而不会受到前后o f d m 符号的影响，从而降低对符号定时的要 求。 1 3 3o f d m 系统的优缺点【3 l o f d m 技术具有以下优点： ( 1 ) 将高速数据流通过串并变换，使得每个子载波上的数据符号持续长度相 对增加，从而有效减少由于无线信道的时间弥散带来的i s i ，减小了接收 机内均衡的复杂度，有时仅利用插入循环前缀的方法而不采用均衡器即 可 ( 2 ) 由于各个子载波之间存在正交性，允许子信道的频谱相互重叠，因此与 传统频分复用系统相比，o f d m 系统可以最大限度地利用频谱资源。 ( 3 ) o f d m 的正交调制和解调可以通过快速傅立叶变换来实现。随着大规模 集成电路技术与d s p 技术的发展，i f f t 和f f t 都是非常容易实现的。 ( 4 ) o f d m 系统可以通过使用不同数量的子信道来实现上行和下行链路中不 同的传输速率。这可以满足无线数据业务非对称性传输的要求。 ( 5 ) o f d m 易于和其他多种接入方法结合使用，构成0 f d m a 系统，其中包 括多载波码分多址( m c - c d m a ) ，跳频o f d m 以及o f d m - t d m a 等等， 使得多个用户可以同时利用o f d m 技术进行信息的传输。 然而由于存在多个正交的予载波，且输出信号是多个子信道的叠加，因此与 单载波系统相比，o f d m 系统存在以下缺点； ( 1 ) 易受频率偏差的影响。由于子信道的频谱相互覆盖，对它们之间的正交 性提出了严格要求。由于无线信道的时变性，在传输过程中出现的无线 信号频谱偏移或发射机与接收机本地振荡器之间存在的频率偏差，都会 使o f d m 系统子载波间的正交性遭到破坏，导致i c i 。 ( 2 ) 存在较高的峰值平均功率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 ) 。多载波 系统的输出使多个子信道信号的叠加，如果多个信号的相位一致时，所 得到的叠加信号的瞬时功率会远远高于信号的平均功率。这就对发射机 内放大器的线性度提出了很高的要求，可能带来信号畸变，产生干扰， 使系统性能恶化。 5 电子科技大学硕士学位论文 1 40 f i ) m 系统的同步技术 对于无线移动通信系统而言，多普勒频移、收发设备的本地载频偏差均可能 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h 啊的起点 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、频偏的估计与补偿，来减少各种同步偏差对系统性能的影响。 1 4 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。 a 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如图1 - 3 所示。 ” i 。7 。i _ 、7 i c p l 数据部分1 l c p 2 l 数据部分2 l 图i - 3 符号定时偏差不意图 第一种情况是定时提前，即p 满足一肌；s o t 0 时，因为接收时域信号中循环 前缀部分为数据部分的最后 k 个数据的重复，所以此时f f t 的输入端信号，是 发送信号的循环移位。设x ( m ，f 1 表示第m 个o f d m 符号周期内第f 个子信道传 输的数据，根据傅立叶变换的性质，在f f r 后得到【4 】： 2 m j ( m ，小- x ( m ，矽了 ( 1 - 6 ) 此时频域接收信号的幅度不变，仅相位发生了旋转，而各子载波信号的相位 旋转呈线性递增关系，其星座图如图1 4 所示。 6 第一章引言 图1 - 4 符号定时提前的1 6 q a m 星座图 这种符号偏移带来的误差对系统的性能影响可以利用信道估计来补偿，而不 会对o f d m 系统性能造成损失。 第二种情况是定时延后，即一，0 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1 4 】： 2 枷 雪( 卅，f ) 。石( 肼，咖了 + 专萼1 蓦盖( 吣枷“归 ( 1 - 7 ) + 万1 。花, v - i 薹x ( m 州e j 警* ( - n a + e - n 乙净 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1 - 5 所 示。 7 电子科技大学硕士学位论文 图1 - 5 符号定时延后的1 6 q a m 星座图 由图1 - 5 可以看出，正确的信号信息已经被干扰信号淹没，i c i 和i s i 对系统 性能影响极大。 b 载波偏差 o f d m 系统对载波偏差十分敏感，为了正确解调o f d m 信号，必须保证各 个予载波的正交性，但是由于信道的多普勒频移和收发设备振荡器的频率偏差， 接收端会存在一定载波偏差，下面就载波偏差对解调的影响进行分析。 载波频率偏差一般用归一化频偏g ( 载波频率偏差与子载波间隔的比值) 来表 示载波频率偏差。这样载波频偏又可分为整数倍频偏和分数倍频偏。整数倍频偏 虽然不会破坏子载波间的正交性，但频率采样值已经偏移了整数倍的子载波位置， 解调出来的信息符号的错误概率为5 0 。而分数倍频偏则会引起i c i 干扰，导致 系统性能下降，所以在进行f f t 解调前一定要补偿频偏，下面就具体分析分数倍 频偏对解调数据造成的影响。 设e 表示分数倍频偏，为所作f f r 的点数。则f f t 解调后得到【3 l ： 萱( m ，f ) = 唧( 佩) 隶熹鼍蹁唧( 加等) x ( 肼，f ) + ( 卜8 ) 肌刊川篓专端e x p ( 掣卜卜 第一章引言 。表示子载波间干扰引入的噪声，致使接收端信噪比降低，这将严重影响系统 的性能。 c 采样时钟偏差 在o b d m 系统中，由于采样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予载波间的正交性，造成子载波间干扰。同时，采样时 钟失步的累积效应会使符号定时发生偏差。目前，晶振精度普遍都能达到5 p p m ， 有些甚至可以达到l p p m ，因此一般采样时钟偏差都是非常微小的，其引起的误 差可以忽略不计，故通常o f d m 系统中不考虑采样时钟同步的问题1 5 。 1 4 2o f d m 常用同步技术 同步是数字通信系统的重要组成部分，没有精确的同步算法不能对传送的数 据进行准确地接收。由于o f d m 系统对子载波正交性的严格要求，其同步技术更 是至关重要的。在o f d m 系统中，同步技术主要包括定时同步、频率同步。 o f d m 系统符号同步的目的是寻找f f i 运算窗的正确位置。符号定时同步技 术根据需要利用的信息可分为两类：数据辅助方法睁1 0 l 和基于循环前缀的方法【1 1 1 。 它们都是利用专门的时域训练序列或循环前缀的相关性，通过延迟相关的方法进 行定时，这类算法的性能与判决准则和训练序列的结构有关l 捌。 现有文献对解决o f d m 系统中频率偏差的问题开展了广泛的研究。载波频率 偏移估计算法根据需要利用的信息可分为三类：数据辅助方法川【9 】【1 0 1 【1 3 1 1 1 4 1 1 堋、基 于循环前缀的方法【1 1 】和盲估计【1 6 】【1