（信号与信息处理专业论文）ofdm同步技术的研究(1).pdf

南京邮电人学顾上研究生学位论文 摘要 摘要 j 下交频分复用( o f d m ) 由于具有良好的抗多径时延扩展性能和高效的频谱特性，越来 越受到人们的重视。它已经被广泛地应用于数字音频广播( d a b ) 、数字视频广播( d v b ) 、 i e e e8 0 2 1 1 a 无线局域网标准以及i e e e8 0 2 1 6 无线城域网标准等等，并且将成为b 3 g 移动 通信系统的核心技术。作为一种多载波调制技术，o f d m 对同步误差非常敏感，容易引起载 波间干扰。因此，进行精确的时频偏移估计和补偿显得极为重要，同步技术成为b 3 g 系统的 关键技术之一。 本文对基于训练符号的o f d m 同步技术进行了深入的研究。介绍了o f d m 系统的基本 原理，同步误差对系统的影响以及各种同步算法。讨论了一种基于单训练符号的同步算法， 并改变其频偏估计方法，采用了在时域进行频偏估计的算法，使得运算量减小且更容易实现。 针对基于时域p n 训练符号的o f d m 同步算法提出了一种新的训练序列，在重复结构的p n 序列上再用伪随机序列进行加权，能在多径信道下获得准确的时频同步以及较大的频偏估计 范围。 针对b 3 gt d d 系统帧格式，给出了一种同步设计方案。在定时估计中，利用伪随机因 子对训练序列加权，使符号同步判决函数在正确同步点处具有单值单峰特性：在频偏估计中， 通过两次计算求和得到频偏估计值，在时域完成频偏估计。该方案能够获得准确的时频同步 以及较大的频偏估计范围，满足b 3 g 对同步的要求。 关键词：正交频分复用；定时同步；频率同步：b 3 g 南京邮电大学硕士研究生学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t 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 ( o f d m ) i sak i n do f e f f i c i e n tm o d u l a t i o nm o d e d u e t oi t sg o o da b i l i t yi nc o m b a t i n gm u l t i - p a t hf a d i n ga n do p t i m i z i n gs p e c t r u me f f i c i e n c y ，o f d mi s w i d e l yu s e di nw i d e b a n dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n i ti sa l r e a d yw i d e l ya p p l i e di nd i g i t a la u d i o b r o a d c a s t i n g ( d a b ) ，d i g i m lv i d e ob r o a d c a s t i n g ( d v b ) ，i e e e8 0 2 1law l a n a n di e e e8 0 2 16 w c a n i tw i l lb e c o m et h ec o r et e c h n o l o g yo fb 3 gs y s t e m s a sam u l t i c a r r i e rm o d u l m i o n t e c h n o l o g y ，o f d mi sv e r ys e n s i t i v et os y n c h r o n i z a t i o ne r r o rw h i c hw o u l dp r o b a b l yp r o d u c e i n t e r c a r t i e r i n t e r f e r e n c e ，s ot h es y n c h r o n i z a t i o nm e t h o df o ro f d mi s av e r y i m p o r t a n tt a s k e s p e c i a l l yf o rb 3 gs y s t e m s i nt h i st h e s i s ，w es t u d yo no f d ms y n c h r o n i z a t i o nt e c h n o l o g i e sb a s e do nt r a i n i n gs y m b 0 1 w e i n t r o d u c et h eb a s i cp r i n c i p l eo fo f d ms y s t e m s ，t h ee f f e c t so fs y n c h r o n i z a t i o ne r r o r s ，a n ds e v e r a l s y n c h r o n i z a t i o nm e t h o d s as y n c h r o n i z a t i o nm e t h o db a s e do no n e t r a i n i n g s y m b o li sd i s c u s s e d t h e nam e t h o do ff r e q u e n c yo f f s e te s t i m a t i o ni nt i m ed o m a i ni su s e dt or e d u c et h ec a l c u l a t i o n c o m p l e x i t y an e wk i n do fp ns e q u e n c ei sp r o p o s e df o r t h eo f d ms y n c h r o n i z a t i o nm e t h o db a s e d o nt i m ed o m a i np nt r a i n i n gs y m b o l ，w h i c hi sc o m p o s e do fr e p e a t e dp ns e q u e n c e sa n dt h e n w e i g h t e db ya n o t h e rp ns e q u e n c e i tc a ng e tw i d ef r e q u e n c yo f f s e te s t i m a t i o nr a n g ea n dh i g h a c c u r a c yf o rb o t hf r e q u e n c yo f f s e te s t i m a t i o na n dt i m i n ge s t i m a t i o ni nm u l t i p a t hc h a n n e l f o rt h ef r a m es t r u c t u r eo fb 3g s y s t e m s ，as c h e m eo fs y n c h r o n i z a t i o ni si n t r o d u c e d i nt i m i n g e s t i m a t i o n ，w ew e i g h tt h et r a i n i n gs y m b o lb yt h ep ns e q u e n c e t h et i m i n gm e t r i cw i l lo w na n o b v i o u sp e a kw h e nt i m i n ge s t i m a t i o ni sa c c u r a t e t h ef r e q u e n c yo f f s e ti se s t i m a t e db yt w os t e p s a n di m p l e m e n t e di nt i m ed o m a i n t h i ss c h e m ec a l lg e taw i d er a n g eo ff r e q u e n c yo f f s e te s t i m a t i o n a n dh i g ha c c u r a c yf o rb o t hf r e q u e n c yo f f s e te s t i m a t i o na n dt i m i n ge s t i m a t i o nw h i c hc a nm e e tt h e d e m a n d sf o rs y n c h r o n i z a t i o ni nb 3 g s y s t e m s k e y w o r d s ：o f d m ；t i m i n gs 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 ；b 3 g i l 南京邮电火学硕士研究生学位论文 缩略语 a w g n b 3 g b p s k c d m a c p d a d a b d f t d s p d v b f d m a f f t i c i i d f t i f f t i s i l d p c m c m m i m o m l n d a 0 f d m 0 f d m a p a p r p n q a m 缩略语 a d d i t i v ew h i t eg a u s s i a nn o i s e b e y o n dt h i r dg e n e r a t i o n b i n a r yp h a s es l l i j f ck e y i n g c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s c y c l i cp r e f i x d a t a a i d e d d i g i t a la u d i ob r o a d c a s t i n g d i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o r m d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g d i g i t a lv i d e ob r o a d c a s t i n g f r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s f a s tf o u r i e rt r a n s f o r m i n t e rc a r r i e ri n t e r f e r e n c e 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 i n v e r s ef a s tf o u r i e rt r a n s f o m i n t e rs y m b o li n t e r f e r e n c e l o w - d e n s i t yp a r i t y c h e c kc o d e m u i r ic a r r i e rm o d u l a t e m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t m a x i m u ml i k e l i h o o d n o nd a t a - a i d e d 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 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 a c c e s s p e a ka v e r a g ep o w e rr a t i o p s u e d o - n o i s e q u a d r a t u r ea m p l i t u d em o d u l a t i o n v 加性高斯白噪声 超三代( 移动通信) 二相相移键控 码分多址 循环前缀 数据辅助 数字音频广播 离散傅立叶变换 数字信号处理 数字视频广播 频分多址接入 快速傅立叶变换 载波间干扰 离散傅立叶反变换 快速傅立叶反变换 符号间干扰 低密度极性校验码 多载波调制 多入多出 最大似然 无数据辅助 正交频分复用 j 下交频分多址接入 峰均比 伪随机噪声 j 下交幅度调制 南京邮电大学硕士研究生学位论文缩略语 q o s q p s k t d d t d m a w l a n q u a l i t yo fs e r v i c e q u a d r a t u r ep h a s es h i f tk e y i n g t i m ed i v i s i o nd u p l e x t i m ed i v i s i o nm u l t i p l ea d d r e s s w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k v i 服务质量 四相相移键控 时分双工 时分多址 无线局域网 南京邮电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 含为获得南京邮电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 明确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 堕堡日期：迅：1 2 南京邮电大学学位论文使用授权声明 南京邮电大学、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 南京邮电大学研究生部办理。 研究生签名：而钆开 导师签名 南京邮l 乜人学倾i ：研究生学位论义 。第一章绪论 1 1 论文研究背景 第一章绪论 无线通信与个人通信在短短的几十年间经历了从模拟通信到数字通信、从f d m a 到 c d m a 的巨大发展，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r 新月 异。已经历了从第一代模拟通信到第二代数字通信再到即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。 ， 由于第二代移动通信系统带宽有限，无法实现可视电话和多媒体业务，且世界各国的标 准并不统一，因此国际电信联盟提出了第三代移动通信系统( 3 g ) 的概念，希望能够制定全 球统一的标准，并实现无缝覆盖及支持高速多媒体业务。第三代移动通信系统的最高速率能 达到2 m b p s ( 室内环境) ，在高速移动环境下能达到1 4 4 k b p s 。然而随着多媒体业务的增长， 这种速率也难以满足用户的实际需求。因此，关于3 g 之后的下一代移动通信系统( b e y o n d 3 g ) 的研究已经广泛展开。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。 如今，在世界范围内己经有很多公司和研究机构围绕着b 3 g 展开了大量的研究工作。早 在9 0 年代中期，欧洲就己经开始对b 3 g 移动通信系统进行了研究，希望能实现速率达到 1 0 0 m b p s 的高速数据传输。如今，欧盟己经将b 3 g 移动通信系统的研究作为政府的支持项目 之一，并启动了多个项目研究计划。日本则于2 0 0 0 年成立了一个特别委员会，组织有关机构 进行b 3 g 系统的研究，至今为止已投入了大量的人力和物力。韩国的电子通信研究所目前也 已经和多个国内外的大学与研究机构密切合作，研究b 3 g 系统的标准制定。我国对b 3 g 系 统的研究也很重视，在“十一五”规划中，已经将宽带移动通信系统的研究列入其中。研究 内容包括蜂窝系统，局域性短程接入系统和蓝牙技术等。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，与国际上的研究同步发展，获取具有自主知识产权的核心技 术专利，对形成新一代无线与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。 在b 3 g 系统中，一个很重要的特点就是高速的信息传输速率。但在无线信道中，由于存 在着多径衰落现象，因此通信系统中将会存在符号间干扰i s i ，当信号的传输速率很高时，i s i 南京邮i u 人学f 吹i ：研究生学位论义第一章绪论 将会扩展到很多码元，使系统性能严重下降，此时利用传统的自适应均衡方法来降低i s i 将 会变得非常的复杂。为了解决这个问题目前各国普遍在b 3 g 系统的研究中引入o f d m 技 术。这是由于o f d m 技术是将高速的串行数据传输转换为低速的并行数据传输，大大增加了 数据符号的周期，再通过加入保护时间间隔，可以有效的抵抗无线信道中的多径衰落以及符 号间干扰。同时，o f d m 技术还具有较高的频谱利用率。如今，o f d m 技术己被认为是b 3 g 系统中的主流技术。 1 2o f d m 同步的研究进展 同步对于任何数字通信系统来说都是重要的任务，没有精确的同步就不能对传送的数据 进行可靠的恢复。可以说，同步是任何通信接收机实现的基础。 由于o f d m 信号特殊的波形，很多单载波的同步算法不能适用于o f o m 系统或者性能 达不到o f d m 系统的要求，需要重新设计针对o f d m 系统的同步算法。以下主要介绍o f d m 系统定时同步、载波同步的现有技术和主要思路。 o f d m 系统符号同步的目的是寻找f f t 运算窗的正确位置。符号同步技术根据需要利用 的信息可分为三类：数据辅助方法( 基于导频或训练序列) 【1 0 1 1 2 1 5 1 1 1 6 1 ；基于循环前缀 的方法( 半盲估计) 【1 8 和非数据辅助算法( 盲估计) 【1 9 。一般以前两种方法较为常见，它 们都是利用专门的时域训练序列或循环前缀的周期重复性，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【2 0 】，文献【2 1 】【2 2 】通过改进训练序列的结 构提高了定时估计的性能。 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。一种思路是牺牲系统 的带宽效率，将同一个数据符号用特定的映射方式在若干个相邻子载波上发送，消除由载波 频率偏差引起的自干扰 2 4 】。更通用的方法是进行载波同步，即估计出载波频率偏差，然后 补偿频率偏差。 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( 基于训练序列 【1 2 2 5 1 1 2 6 2 7 或导频) ；非数据辅助算法( 盲估计) 2 8 1 1 2 9 ；基于循环前缀的方法( 半盲 估计) 【1 8 】。第一类方法利用前导来估算频率偏移，需要占用一定的资源，但是估计精度比 较高，并且可以在数据信息尚未到达之前完成，较适合突发模式高速无线传输系统。盲估计 分析频域上的接收信号，根据o f d m 系统子载波之间的正交性来估计频偏。半盲估计巧妙地 利用了循环前缀与o f d m 符号中样值之间的相关性，提取频率偏移的信息。盲估计和半盲估 2 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 计都无需消耗任何额外的资源，但是估计性能相对数据辅助算法较低，需要较长的时间才能 达到同步，较适合连续通信类型 3 0 1 1 7 5 】。 载波频偏估计算法又可分为频域估计和时域估计两类：频域方法通常发送一个具有特定 频谱特性的训练序列，进行d f t 解调之后，利用已知的频域信息估计来估计整数频偏 1 2 3 2 】， 这类方法虽然具有大的估计范围和较好的估计性能，但是延迟和计算量较大，并且只能用于 无小数频偏时的整数估计，因此需要首先补偿小数频偏。而时域处理在d f t 解调之前，因此 需要的延迟较小，适合高速通信系统 4 】 11 【1 3 】。 1 3 本文的主要工作及章节安排 本文对o f d m 同步技术作了深入的研究，对基于单训练符号的同步算法进行了研究，并 尝试对训练序列进行了改进。研究了在b 3 g 系统中如何实现o f d m 的时频同步问题。主要 内容安排如下： 1 、o f d m 原理及同步技术( 第二章) 首先介绍了o f d m 的基本原理和基本优缺点，然后介绍了各种同步误差对系统的影响， 最后介绍了各种同步算法的基本思想。 2 、基于单训练符号o f d m 同步算法( 第三章) 利用共轭对称结构的训练符号获得准确的定时同步位置，其定时度量函数曲线非常尖锐， 具有很高的定时同步精度。克服了利用重复训练符号结构的算法的定时度量函数曲线存在着 峰值平台、定时模糊度较高的问题。为了提高文献 2 3 】算法的频偏估计精度，本文采用文献 1 3 】 中的频偏估计算法对该算法的频偏估计部分做出了改进：当定时同步完成后，用本地p n 序 列与接收到的训练符号样点进行相关，消去训练序列对频偏估计的影响，通过调整参数l ， 可以调整频偏估计范围和频偏估计精度。最后在多径衰落信道下对算法进行了性能的理论分 析。 针对多径信道下基于时域p n 训练符号的o f d m 同步方法提出了一种新的训练序列。该 训练序列具有重复性。在定时同步中利用伪随机序列加权，使得定时判决函数具有尖峰；在 频偏估计中，利用训练序列的重复性可以在时域完成频偏估计和补偿。 3 、一种b 3 g 系统中的o f d m 同步方案( 第四章) 针对b 3 gt d d 系统帧格式，介绍了一种同步设计方案，能够获得准确的时频同步以及 较大的频偏估计范围，满足b 3 g 对同步的要求。在定时同步算法中，使用p n 序列对训练序 3 南京i i l l l f l 人学硕 ：研究生学位论文 第一章绪论 列进行加权，利用p n 序列的相关性以及训练符号前后两部分的重复性，使符号定时偏移估 计函数在训练符号正确起始点处的峰值远大于其它点，消除了s c h m i d l 算法中的判决函数存 在的高原区，显著地提高了符号同步的估计精度。在频偏估计算法中，针对b 3 g 系统应 用，将接收数据中的p n 序列做共轭相乘后相加，利用相加后的相位进行频率偏移估计。该 算法利用了多径的能量，在r a y l e i g h 多径信道下频偏估计的精度较t u f v e s s o n 的算法有较大 提高，同时可以获得较大的频偏估计范围。 4 、总结与展望( 第五章) 对全文进行了概括性的总结，指出了本文的主要贡献和创造性之处以及需要进一步研究 的内容。 4 南京邮i 【1 人学顾i j 研究生学位论义 第二章o f d m 原理及州步技术 第二章o f d m 原理及同步技术 在无线信道中，信号从发射天线到达接收天线时，由于信道中的云层、山脉以及建筑物 等的影响，会产生多径衰落现象。多径衰落现象会引起符号间干扰i s i ，降低系统性能。当系 统的传输数据较低时，如2 g 和3 g 系统，可以采用自适应均衡技术或r a k e 接收机进行接收 就能够满足系统的要求。然而，在b 3 g 系统中，信息传输速率大幅度增加，可分离的径数也 随之增加，均衡器的设计会变得越来越复杂。因此，在b 3 g 系统的研究中，为了克服多径衰 落引起的i s i ，可以采用o f d m 技术。 o f d m 技术是一种特殊的频分复用机制，它的基本思想是将高速的串行数据流转换为多 个低速的并行数据流，再调制到多个正交的子载波上进行传输，每个子载波上的数据流经历 的是一个几乎平坦的衰落信道。o f d m 技术增加了数据符号的时间周期长度，再通过在o f d m 符号前加入一个长度大于信道最大时延扩展的循环前缀，就能够很好的克服由多径衰落引入 的符号间干扰，因此该技术具有很强的抗多径衰落特性。， 本章介绍了o f d m 技术的基本原理，并对o f d m 同步技术进行了讨论。 2 1o f d m 的基本原理 2 1 1o f d m 的调制解调原理 正交频分复用( o f d m ) 是多载波调制( m c m ) 技术的一种。m c m 的基本思想是把数 据流串并变换为n 路速率较低的子数据流，用它们分别去调制n 路子载波后再并行传输。因 子数据流的速率是原来的1 n ，即符号周期扩大为原来的n 倍，远大于信道的最大延迟扩展， 这样m c m 就把一个宽带频率选择性信道划分成了n 个窄带平坦衰落信道( 均衡简单) ，从 而“先天”具有很强的抗多径衰落和抗脉冲干扰的能力，特别适合于高速无线数据传输。o f d m 是一种子载波相互混叠的m c m ，因此它除了具有上述m c m 的优势外，还具有更高的频谱利 用率。o f d m 选择时域相互正交的子载波，它们虽然在频域相互混叠，却仍能在接收端被分 离出来。o f d m 系统框图如图2 1 所示。 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章o f d m 原理及同步技术 兰q 汕 p 一墨坌p ，ip ，蝴 串并啦 + _ 日 并串 ； 叫金q掌 图2 1o f d m 系统框图 图2 1 中n 表示子载波个数，d 。( i = o ，1 ，2 ，n 1 ) 表示分配给每个子信道的数据符号， z = i t 表示第i 个子载波的载波频率，t 表示o f d m 符号的宽度，z 满足： ；r e x p ( ，2 顽f ) e x p ( - 2 须r = 0 ；二； 如果设r e c t ( t ) ：l ，i t l _ t 2 表示矩形函数，则从f = 开始的以复等效基带信号描述的 o f d m 符号为： 妁= 篓啦( 一三) e 文伽亍i ，) ) 铎，+ r 在接收端，对( 2 ) 式中的第j 个子载波进行解调，然后在时间长度t 内进行积分，即： z = ；r 州e x p 卜2 矾( f 一以) 崖i - - o4 e x p 0 2 砺( ，一灿= 哆 ( 3 ) 由( 3 ) 式可以看到，对第j 个子载波进行解调可以恢复出期望的符号，而对其他子载波 来说，由于在积分间隔内，频率差别( i j ) t 可以产生整数倍个周期，所以几分结果为零。 因此o f d m 信号频谱实际上是满足奈奎斯特准则的，即多个子载波之间不存在互相干扰。 o f d m 复等效基带信号可以采用离散傅立叶反变换( i d f t ：i n v e r s ed i s c r e t ef o u r i e r t r a n s f o r m ) 来实现。令= 0 ，忽略矩形函数，对信号s ( t ) 以t n 的速率进行抽样，即令做嗍 ( k = o ，1 ，n 1 ) ， ( 2 ) 式变为： 铲篓ze x p ( 百2 n k ) t 6 ( 4 ) 南京邮电人学硕1 ：研究生学位论文 第二章o f d m 原理及刚步技术 瓯等效为对z 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z ，可以对 进行离散傅立叶变换( d f t ：d i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o r m ) ： 喀= x p ( 一歹百2 z r k ) o t 以减小损失。尽管循 环前缀的引入带来了这些不利的因素，但它能够克服多径干扰，并使接收机中均衡器的设计 变得简单，因此还是很值得的。 2 1 3o f d m 技术的优缺点 o f d m 技术具有如下一些优点： 1 ) 频谱利用率高 在传统的并行传输系统中，整个传输带宽被划分为多个子信道，各子信道频带之间严格 分离，设有一定的保护频带，以避免子信道之间的相互干扰，而接收机则通过带通滤波器来 获得每个子信道上的数据。这种方法不但降低了频谱利用率，而且对滤波器的设计要求较高， 增加了系统的复杂度。而在o f d m 通信系统中，各个子载波是正交的，频谱之间相互混叠， 因此具有很高的频谱利用率。 2 ) 利用f f t 技术进行调制解调 ， 在发端和收端，分别采用i f f t 和f f t 技术，就可以将数据调制到各个正交的子载波上 或完成解调功能，因此只需要一个专用的执行i f f t 和f f t 变换的芯片就可以在基带完成频 分复用，实现起来非常简单，避免了使用多个调制解调器和高性能的滤波器。近年来，随着 数字信号处理技术和d s p 芯片的飞速发展，许多d s p 芯片的运算速度越来越快，处理能力 越来越强，更进一步推动了o f d m 技术在实际系统中的应用和发展。 3 ) 有很强的抗多径衰落和窄带噪声的能力 o f d m 技术将高速的数据流经过串并转换，形成多个低速的并行数据流，并同时在多个 子载波上传输，从而增加了数据符号的周期，减少了系统对多径时延扩展的敏感程度。同时， 在o f d m 符号前插入循环前缀作为保护间隔，当选择循坏前缀的长度大于信道的最大时延扩 展时，就可以进步消除多径衰落信道效应所带来的符号间干扰i s i 。同时，对处于深度衰落 处的子载波上携带的信息，o f d m 系统可以采用信道估计、编码和交织技术，利用邻近子载 波上的信息进行纠正，即o f d m 系统有着很强的抗窄带噪声的能力。 南京邮电入学硕士研究生学位论文 第二章o f d m 原理及i 叫步技术 4 ) 易与其它技术的结合 o f d m 的特殊性质使得它非常容易与其它技术相结合，在多用户系统中，它能很好的与 其它多址机制相结合构成o f d m a 3 5 1 1 3 6 3 7 3 8 系统，如o f d m c d m a 3 9 1 1 4 0 4 1 】， o f d m - t d m a 4 2 】 4 3 4 4 】以及o f d m s d m a 4 5 4 6 等。同时，o f d m 还可以和时空编码、 自适应编码与调制和多输入多输出( m i m o ) 等技术结合使用，大幅度的提高了物理层信息 传输的可靠性和容量。因此，o f d m 技术是一种使用起来非常灵活的技术。 然而由于存在多个f 交的子载波，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 ) 峰均比问题 o f d m 技术的一个主要缺点是峰均比( p e a ka v e r a g ep o w e rr a t i o ，p a p r ) 过高。o f d m 信号是大量互相f 交子载波上信号的叠加，当大多数信号的幅度同时处于波峰或波谷时，叠 加后得到的o f d m 信号功率会远远大于信号的平均功率，形成了很高的p a p r 值。子载波数 为n 的o f d m 系统p a p r 值理论上限为1 0 l o g 。n d b 4 7 。p a p r 值过大会给实现带来许多困 难和不利，这就要求系统内的一些部件，如功率放大器、a d 、d a 转换器等具有很大的线 性动态范围【4 8 【4 9 】，从而增加了系统实现的复杂度。此外，过高的p a p r 值还会降低射频放 大器r f 的功率。 2 ) 对载波频偏和相位噪声十分敏感 在o f d m 技术中，接收机能够从频谱相互重叠的子载波上恢复数据，是因为这些子载波 是正交的，而在无线传输的过程中，接收机的本地载波振荡器与发射端产生的载波频率不可 避免地存在着偏差，而在移动通信中无线信号也会受到多普勒频偏的影响，这些都破坏了子 载波| 日j 的f 交性，引起子载波问干扰i c i ，使系统的性能迅速下降。与单载波系统相比，o f d m 系统对载波频偏更加敏感。而接收端和发送端的载波振荡器的不匹配除了引入了载波频偏外， 同时还引入了相位噪声，此外信号在无线信道传输中，也会受到信道随机相位噪声的影响， 相位噪声也会破坏子载波间的f 交性【5 0 】【5 1 5 2 】。 2 2o f d m 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 聊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 9 南京邮电人学硕士研究生学位论文第二章o f d m 原理及同步技术 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。 2 2 1 各种同步误差对系统的影响 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f 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。 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f 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2 3 所示。 r l 。7 。i l 、，i c p l 数据部分1 | c p 2i 数据部分2 l 图2 3 符号定时偏差示意图 第一种情况是定时提前，即日满足一n o ；o 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i 目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 5 3 ： l o 南京邮i u 人学颂l j 研究生学位论文第二章o f d m 坂理及i 州步技术 ，z ) e7 百 似，炉帅) p 净 ( 8 ) + 三y n - i n - i 1,l，塑n)-x(m+1z ) e m 吡似r 等”， + 寺 一”一一”p ，一“ 可以看出，接收频域信号由有用信号、i s i 和i c i 组成。正确的信号信息被干扰信号淹没， i c i 和i s i 对系统性能影响极大。 2 ) 载波偏差 o f d m 系统对载波偏差十分敏感，为了j 下确解调o f d m 信号，必须保证各个子载波的j 下 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s ( 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f 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 解调自i 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s 表示分数倍频偏，n 为所作f f t 的点数。则f f t 解调后得到【1 】： 撕) _ e x 舰) 专端e x 嬲等) 跏) + ，( ， ( 9 ) 鼽一舰墨专舞等绱唧( 万掣) 砘f ) 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。 3 ) 采样时钟偏差 在o f 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 钟失步会破坏子载波间的正交性，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 5 4 。 聊 z b x x 留 卜岳ri却班脚 似，万 x + 南京邮i 乜大学硕i ：研究生学位论文第一二章o f d m 原理及i 司步技术 2 2 2 各种同步算法介绍 由于o f d m 信号特殊的波形，使得很多为单载波系统设计的同步算法不能被采用，因此 必须从o f d m 本身的角度出发来设计同步算法。o f d m 接收系统的同步包括符号( 帧) 定时 同步、载波频率同步和采样时钟同步等三个部分。 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。一般来说，从同步利用的不 同的数据方面，o f d m 同步算法分为三大类： 第一，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，基于循环前缀的方法( 半盲估计) 。o f d m 系统中为了克服多径效应引入了循环 前缀作为保护间隔，基于循环前缀的方法就是利用循环前缀与信息符号中的一部分数据的相 关性进行同步估计。 第三，非数据辅助算法( 盲估计) 。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。 下面分别介绍这三大类o f d m 同步方法。 数据辅助型方法 1 基于训练符号 基于训练符号的同步方法，通常是是在时域将已知信息加入待发o f d m 符号。一般置于 o f d m 符号前或者帧的前部。训练符号可以同时拥有同步和信道估计两部分的功能。 这方面最早由m o o s e 提出【8 】，其基本思想是构造两个完全相同的o f d m 符号，利用相 同的结构之间的时域相关性来进行频偏估计。此频率偏移估计方法的前提条件是时间同步已 精确完成。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。 此方法的优点是估计精度很高，缺点是估计范围有限，而且系统效率不高。后来，出现 了将频偏划分为整数频偏和小数频偏两部分进行的两级估计算法。s c h m i d l 提出利用两个训练 符号进行时间频率同步【1 2 】，它的训练符号的结构是：第一个训练符号由6 仃后完全相同的两 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时| 日j 同步和 小数部分频偏估计；小数部分频偏补偿后，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，进行整数部分的频偏估计。 1 2 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章o f d m 原理及同步技术 该方法有很强的时间频率同步能力，而且复杂度也不高。 t u f v e s s o n 提出了利用重复p n 序列进行时间频率同步的算法 9 】，本算法利用时域p n 序 列的优良相关特性，可实现o f d m 的时间频率同步。让接收与本地p n 序列进行相关运算， 同步时有明显的尖峰输出，就找到了时间同步点。然后将此时的相关值求幅角，就得到了频 率偏移值。 与其它同步方法比，它具有虚警概率和漏报概率低的优点，缺点是加入同步数据，降低 了系统数据传输效率。 2 基于子载波导频 基于子载波的导频又称为频域导频，即将导频符号插入特定的子载波位置。目的主要是 为了在收端对信道进行估计和数据恢复，同时也可以被用于同步。需要说明的是，之前需要 进行时间粗同步。 m i c h a e ls p e t h 提出利用循环前缀进行时域粗估计 1 7 。这样在频域上，就可以采用导频 的相关特性来完成对整数频偏估计和时间精同步。 这种方法的优点是只需要循环前缀和导频，并不需要其他资源，数据传输效率高，缺点 是算法的跟踪时间较长。 基于循环前缀的方法( 半盲估计) o f d m 信号的同步可以充分利用o f d m 符号的特点展开。由于o f d m 符号间存在循环 前缀，它本身就是对一个o f d m 符号后端数据的复制。 此同步方法由v a nd eb e e k 在文献 1 8 中提出，其基本原理是利用循环自仃缀的冗余信息通 过最大似然的估计方法进行o f d m 的时间频率同步。可以看出，此方法是一个典型的利用相 关运算进行o f d m 同步的时域处理算法。 本算法的优点在于：不需要发送额外的信息，系统没有带宽的损失：计算复杂度低，易 于实现；频率偏移的估计精度较高。缺点是用于时间同步的相关函数值不够尖锐，导致时i 日j 同步精度很低，而且频率偏移估计范围小。 非数据辅助算法( 盲估计) 由于训练序列和导频会增加传输开销，从而降低数据传输效率，于是出现了盲估计。盲 估计只需利用传输数据便可以进行同步处理，进行自我恢复，提高了传输速率，带宽利用率。 目前，o f d m 盲估计的研究已经成为一个热点。 南京邮电大学硕十研究生学位论文 第二章o f d m 原理及同步技术 盲估计的一个通病是复杂度高。因此，如何更有效的降低盲估计算法的复杂度，是未来 盲估计研究面临的一个重要挑战。 2 3 本章小结 本章首先介绍了o f d m 的基本原理和基本优缺点，之后对各种同步误差对系统的影响进 行了讨论，最后介绍了各种同步算法的基本思想，分析了它们的优缺点。 1 4 南京邮i 【i 人学烦i j 研究生学位论文第三章第于单训练符0 的o f d mh 步算法 第三章基于单训练符号的o f d m 同步算法 早期的频偏估计大多是在假定定时同步比较准确的情况进行的，随着对o f d m 技术研究 的深入，出现了很多联合时i 日j 频率同步算法。其中较经典的是s c h m i d l 于1 9 9 7 年提出的联合 同步算法，之后的很多同步算法都是在其基础上进行的改进。但这种算法的定时同步精度不 高，并且需要使用两个训练符号。 如果多径信道中第一径是最强径，可以考虑在不影响同步精度的情况下，只使用一个训 练符号来完成o f d m 的联合时间频率同步，从而降低冗余度，并提高信息的传输效率。由于 同步过程一般是在接收到完整的训练符号后完成的，因此使用较