（微电子学与固体电子学专业论文）ofdm宽带无线基带接收机中的同步算法研究.pdf

摘要 摘要 o f d m 技术具有很高的频谱效率和对抗多径衰落的能力，已经被许多无线 通信标准定为物理层传输方案。但是o f d m 系统对同步误差比单载波系统更加 敏感，同步性能的好坏直接影响到基带接收机的性能。本论文主要针对o f d m 宽带无线基带接收机中的同步算法进行了深入研究，内容包括载波同步和符号同 步，并且对其性能进行了严密论证和深入分析。 以o f d m 系统的子载波间隔做归一化，载波频率偏差可以分为小数和整数 频偏。本论文针对已有算法运算复杂度高、频谱效率低和估计精度不够等问题， 提出了两种改进的小数频偏的同步算法，具体包括：1 ) 基于恒定包络调制o f d m 系统的小数载波频偏估计算法，通过最小化相邻两个o f d m 符号中相同子载波 上数据的能量差来获取频偏估计。证明了算法的可分辨性问题，在此基础上利用 曲线拟合设计了简化的搜索方法，然后理论推导了算法估计的均值和均方差。2 ) 应用于恒定包络调制o f d m 系统的载波频偏跟踪算法。算法假设接收机已知信 道频率响应，因此可以通过最小化o f d m 符号与信道频率响应的能量差来跟踪 频偏。文中证明了算法的可分辨性问题，利用多项式求根的方法简化了复杂度， 理论分析表明算法性能对信道估计误差不敏感。利用空时编码，上述两种算法都 可以应用在m i m 0 一o f d m 系统中。仿真结果表明相比于已有算法，以上两种算 法能够有效降低系统误比特率。 其次，提出了两种整数频偏的估计算法，具体包括：1 ) 利用线性预编码来 进行整数载波频偏估计。线性预编码在发送机i d f t 调制以前为某些子载波上的 数据引入相关性，接收机在d f l r 解调以后通过考察这些子载波的分布情况进行 频偏估计。文中仔细设计了这些特定子载波的选取规则以获得最好的性能。2 ) 提出一种采用恒定包络调制的o f d m 系统的整数频偏估计算法。通过能量再分 配技术放大或缩小相邻两个待发送的o f d m 符号中某些子载波上数据的能量从 而“记忆 下没有频偏的o f d m 符号结构：在接收端d f t 解调以后考察这些子 载波的分布情况可以得出频偏估计。文中设计了简化的算法，并且通过选取多个 子载波或者多个o f d m 符号来对抗多径效应。算法同样可以应用在m i m o 系统 中。以上两种算法不需要导频或是空载波，所以频谱利用率较高。 最后，设计了一种两步式的o f d m 符号同步方法，符号定时的最佳点是多 径信号中第一径的到达时间。算法借助于一个训练符号来估计第一径时延，适用 于突发型o f d m 传输系统。算法包括粗符号同步和精符号同步两部分。粗符号 同步采用基于循环前缀的最大似然算法估计出一个粗符号定时点，同时把第一径 时延限制在这个点为中心的一个搜索区间内以供精同步使用。精符号同步采用遗 摘要 传算法来进行信道估计和精定时。对于搜索区间内的每一个点，遗传算法都会将 其假想为第一径到达时刻，然后随机搜索信道冲击响应，使得信道冲击响应同训 练符号的卷积结果，与接收信号有最小均方差；最小均方差对应的点即为第一径 时延。仿真结果表明相比于已有算法，两步式方法在低信噪比情况下其估计精度 更具优势。根据搜索区间的长度，算法可以在速度和精度上折中，提高了系统设 计的灵活性。 关键词：o f d m ，宽带无线通信，载波频偏，符号同步，多输入多输出，多径衰落信道，恒定 包络调制，遗传算法 中图分类号：t n 9 1 9 3 ；t n 9 l1 7 ；t n 4 9 2 a b s t r a c t ab s t r a c t o f 【) m( o r t h o g o n a l疗e q u e n c y d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g )h a sb e e nc h o s e na st h e p h y s i c a ll a y e rt r a n s m i s s i o n s o l u t i o ni n m a n yw i r e i e s sc o m m u l l i c a t i o ns t a n d a r d s b e c a u s eo fi t sh i g hb a n d w i d t l lu t i l i z a t i o n 锄dr o b u s t n e s st ot h em u l t i p a t he 仔宅c t h o w e v e r ，o f d mi sf a rm o r ev u l n e r a b l et os y n c i l l l o n i z a t i o ne r r o r s ，w h i c hd e t e 朋1 i n e s t h ep e 墒册锄c eo ft h eb a u s e b a n dr e c e i v e r ，c o m p a r e dw i t ht h es i n g l ec 硎e rs y s t e m s i nt h i st h e s i s ，t l l es y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t m l s ，c o n t a i n i n gc a r t i e rf r e q u e n c yo f r s e t ( c f o ) s y n c h l o n i z a t i o na n ds y m b o ls y n c h _ 0 n i z a t i o n ，i nb r o a d b a n dw i r e l e s sr e c e i v e r a r ed e e p l ya n a l y z e da n dr e s e a r c h e d ，t h ep e r f o 咖a n c eo ft 1 1 e s ea i g o r i t h m sa r e d e m o n s t r a t e da n de v a l u a t e di nd e p t h c f oc 锄b ed i v i d e di n t 0 锄n e g e rp a n ( i f o ) ，、 枇c hi sam u l t i p l eo ft l l es u b c a 玎i e r s p a c i n g ，锄da 丘a c t i o n a lp a r t ( f f o ) ，w i l i c hi sl e s st h 锄o n eh a l fo ft l l es u b c a r r i e r s p a c i n g s i n c e 圮e x i s t i l l ga l g o r i m m sh a v et h ep r o b l e m so fh i 曲c o m p l e x i 坝l o w b a n d 、v i d t 量le 丘i c i e n c yo 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h o d b a s e do ni i n e a rp r e c 0 d i n gi si n t r o d u c e d al i n e a rp r e c o d i n gs c h e m ei sa p p l i e do nd a l a i np r e d e f i n e ds u b c a r r i e r sb e f o r et h ei n v e r s ed i s c r e t ef o 谢e rt 啪s f o r m ( i d f t ) t o i m p o s eac o r r e l a t i o ns t m c t u r e ，w h i c hi se x p l o i t e dt 0e s t i m a t et h eo f f s e ta r e rt h e d i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o m l ( d f ni nt h e 佗c e i v e r t h ea l l o c a t i o no ft h e s ep r e d e 行n e d s u b c 枷e r si so p t i m i z e dt oo b t a i nt h eb e s tp e r f 0 咖a n c e 2 ) ai f oe s t i m a t i o nm e t h o d b a s e do nt h ep o w e rr e a l l o c a t i o ni ss u g g e s t e d t h ek e yi d e ab e h i n dt h i sm e t h o di sa p o w e rr e a l l o c a t i o nt e c h n i q u ew h i c hm o d i f i e st h ep o w e ro fd a t ai ns o m ep r e d e n n e d s u b c a l l r i e r so v e r “旧c o n s e c u t i v eo f d ms y m b o l s ，t h u st h ei f 0c a nb ee s t i m a t e di 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符号说明 w = ( ) 一1 2 e x p0 2 丌m n ) ) m ，n ：。，一1 ) d i a g a ) ( ( ) ) 1 i 冗 ) ，9 a r g m a x ( ) z ，垡 列向量 矩阵 矩阵的转置 矩阵的共轭转置 维i d f t 矩阵 复共轭 以向量a 为对角线的对角矩阵 对取模运算 求绝对值 取变量的实部和虚部 使括号里面表达式取值最大的z 属于和不属于一个集合 英文缩写表 3 g 3 g p p 4 g a d c a m p s b 3 g b e r c d m l a c f o c f r c l r c l t c m c o s t c p c s i d a b d a c d 兀 d f 卜s o f d m d m 丌 d s l d s p d v b e d g e e t s i f d m a f f o 英文缩写表 3 r dg e n t i o nm o b i l ec o m m u n i c a t i o n 3 r dg e n m t i o np a 咖e 娼h i pp 怕j e c t 4 t hg e 北r a t i o nm o b n ec o m m u n i c a t i o n 加a 1 0 9 - t 0 d i 百t a lc o n v e n e r a d v a n dm o b i l ep h o s y s t c m a d d i t i v ew h i t eg a u 鼹i a nn o i s e b e y 蚰d 一3 gm o b i l ec o m 咖n i t i o n b i t e 仃o rr a t c c ( ) d ed i v i s i m u l t i p l ea c 鼹 c a r r i e rf r e q u e 们y0 触t c h 锄e lf k q u e n c yr e s p o n c h 锄e l l m p u l r e s p o n c e n t 】mu m i tt l h e 0 舱m ( ：b n s t a n tm 0 d u l u s c p e r a t i v ef o rs c i e n t 迈c 锄d1 & h n i 酬r e a r c 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m c m m i m o m 儿 n e m s e n l o s n s c o f d m o 阳m 匕 附r p d f p d p p s k g e 北心o r i t h i n g 豇i e r a lp a c l 汜tr a d i 0s i r v i o e g 1 0 b a ls y s t e mf b rm o b 订ec o m m 眦i i d o n h i 曲p e f f o m 姗c er a d i oid 】a 他an e t w o r k i n d e p e n d e n ta n di d e n t i c a u yd i s t r i b u t e d i n t e r ：a r r i e ri n t e r l f e m n h v e r d i s c 佗t cf b m i c r1 r 嗣m s 五咖 l l 畸t i t t i t co fe l e c t i i c a l 柚de l e c 仃o n i 璐e 蟛n 墙 i n t e g r a lf r e q u e n c yo 妇陆t i n t e g r a t e ds e r v i c c sd i g i t a ln e t w o r k i n t 盯s y m b o li n t e r f e r e n c e i n t e t n a t i o n a lt b l e c o m m u n i c a t i o n su n i o n l 抽e0 f s i g h t l 0 n g t c 册e v o l u t i m l l l t i p l ec 删c rc o d ed i v i s i 伽m l l l t i p l ea 嗽鼹 m u l t i c a i e rd i r c c t s c q 眦n c o d cd i v i s i m u l t i p ka o 鼹 m i i l t i c a r r i e rm o d l l l a t i m m t i p kl n p u tm u l 卸l e0 u 咖t m 扣【i m u m 陆l i h o o d m 锄【i m u 加卜l i k e l i h o o de s t i m a t i o n m e 柚s q u a 豫e i t 0 r n 伽l j n eo f s i g h t n l d is u b ：疵r o n h o g a lf 晒一e n c ) rd i v i s i m u l t i p l e x i l 培 o r t h 0 9 0 n a lf 呐u 如c yd i v i s i o nm i n t i p l ca o 路 p e a l 【t 0 a v e m g ep o w e r r a 曲 p m b a b i l i t ) rd i s h 协u 6 0 nf h n c t i 衄 p 0 w e r d e h yp m 舭 p h a s 鹃h i f ll m 系统的基本原理，对o m m 基带传输模型用数学公式进行了表征，为后续章节 的同步算法设计提供了理论基础。 第三章研究了o m m 系统中的小数载波频偏同步算法，同时考虑了单输入 单输出( s i s o ) o f d m 系统和m i m 0 o f d m 系统。首先分析了传统同步算法的 不足之处，包括复杂度高，频谱利用率低等。在此基础上提出了改进的应用于恒 定包络调制o f d m 系统的载波频偏估计和载波频偏跟踪算法。相比已有算法， 这两种方法可以有效地降低运算复杂度，同时能够提高估计精度。 第四章研究了o f d m 系统中的整数载波频偏估计算法。首先介绍整数载波 频偏产生的原因，然后分析了其对接收机性能的影响。在此基础上论文提出了两 种算法：基于线性预编码和能量再分配的整数载波频偏估计算法。两种算法的频 谱利用率都很高，其有效性在多径信道下得到了验证。 第五章研究了多径信道下o f d m 系统的符号同步算法。首先分析了已有符 9 复旦大学博士学位论文 号同步方法的不足之处，然后提出了一种两步式的同步方案。粗符号同步采用基 于c p 的最大似然估计，得到一个粗符号同步点，并且把第一径延迟限制在一个 较小的搜索区间内。精符号同步采用遗传算法来完成，利用接收信号与发送信号 的卷积特性来进行信道估计和精符号同步。两步式结构可以提供系统设计的灵活 性。 本文的研究成果和创新点主要包括以下几个方面： i 、提出了一种改进的基于恒定包络调制o f i ) m 系统的小数载波频偏估计 算法。研究发现如果没有载波频偏，两个相邻的o f d m 符号中相同子 载波上的数据能量相同，因此可以通过最小化相邻两个o f d m 符号中 相同子载波上符号的能量差来获取频偏估计。本文提出的算法不需要导 频( p i l o t ) 和空载波( n s c ) ，所以有很高的频谱利用率。文中证明了算 法的可分辨性问题，利用曲线拟合设计了简化的搜索方法，减小了运算 量。文中从理论上分析了算法的性能，包括估计的均值和均方差，仿真 结果证明了性能分析的有效性。 i i 、提出了一种基于恒定包络调制o f d m 系统的小数载波频偏跟踪算法， 研究发现如果没有载波频偏，o f d m 符号中某个子载波上的数据与相应 的信道频率响应有相同幅值，因此可以通过最小化o f i m 符号与信道 频率响应的能量差来跟踪载波频偏。文中证明了算法的可分辨性问题， 并且利用多项式求根的方法简化了复杂度。 i i i 、提出了一种利用线性预编码来进行整数载波频偏估计的方法。具体做法 是首先在m f t 调制以前，发送机选取某些子载波，通过线性预编码为 其中的数据引入相关性：在接收端d 兀解调以后通过考察这些子载波 的分布情况进行频偏估计。文中仔细设计了这些特定子载波的选取规则 以获得最好的性能。 i v 、提出了一种基于恒定包络调制0 f d m 系统的整数载波频偏估计算法。 算法利用能量再分配技术放大或缩小相邻两个待发送的o f d m 符号中 某些子载波上数据的能量从而“记忆 下没有频偏的o f d m 符号结构； 在接收端d f r 解调以后考察这些子载波的分布可以得出频偏估计。文 中设计了简化的算法，并且针对多径效应的影响进行了优化。利用空时 编码，算法同样可以应用在m i m o o f d m 系统中。 v 、提出了一种多径信道下的o f d m 符号同步方法。这种方法适用于突发 型o f d m 传输系统。通过在每个o f i ) m 数据包前面添加一个接收端已 知的训练符号( t r a i n i n gs y m b 0 1 ) ，然后接收机利用接收信号和训练符号， 可以正确估计出第一径时延。所提出的同步方法包括粗符号同步和精符 l o 第1 章绪论 号同步。粗符号同步采用传统的基于c p 的最大似然估计算法。这种算 法可以估计出一个粗符号同步点，把第一径时延限制在粗符号同步点附 近的一个较小的搜索区间之内以供精符号同步使用。精符号同步采用遗 传算法来进行信道估计和精定时。选取不同搜索区间的长度，算法可以 在速度和精度上折中，提高了符号同步方法的灵活性。 1 4 参考文献 【1 】ts r a p p a p o 鸭“w l e 鼹c o 删咖n i t i o 船：p 血c i p l c s 柚dp n c t i ，2 n d e d p 托m t i h a l l 2 0 0 2 【2 】w r y 0 u n g ，“a d v 觚c c d 删曲n ep h o 北r v i ：i n t d u d i 蛐，b a 咄g u n d ，a n do b j e c t i 、髑，” & 盯跏砌坫融厅泐f 如m 瑚f ，v 0 1 5 8 ，p p 1 1 4 ，j 柚u a r y1 9 7 9 【3 】佟学俭，罗涛0 f 【) m 移动通信技术原理与应用【m 】北京：人民邮电出版社，2 0 0 3 【4 】胡星波基于o f d m 的宽带无线基带接收机的关键算法及其v 】l s l 实现架构研究【d 】上 海：复旦大学。2 0 0 7 【5 】d c c 魄，“w i r e l e 鼹p e r n a l m m u n i c a t i o n s ：w h a ti si t ? ，z 醯陋心r 厅口，c 聊删期妇f 蛔铬 肘a 酗z 跏e ，即2 0 3 5 ，a p r i l1 9 9 5 【6 】a j t e i b i ，“i c d m ap 血c i p l e so fs p i 弓a ds p e c t 咖c o 咖u n i c a t i o n ，”a d d i s o n - 1 响e y ，1 9 9 5 7 阴j e p a d g c 坞c gg 岫t h e r ，柚dth a t t o r i ，“o v c r v i e wo f 、 ，i 聆l e 鼹p c 瑚l n a l 姗吼i t i o 璐，” ，e 晒c d ，棚姗泐砌丛 r 口g 凯，v 0 1 3 3 ，p p 2 蹦l ，j 柚u a r ) r1 9 9 5 【8 】r lp i c k h o 饵d ls c h i l i n g 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i n ge n v i i d n m e n t w h e nu s i i 喀m u l t i p l e 姐t c 皿嬲，”髋陀如脚心啪朋j d 煳伽l 妇砌肿，1 6 ，即3 1 1 - 3 5 5 ， 1 1 复旦大学博上学位论文 m 铀c h l 9 9 8 【1 6 】ap a 讪两，r n a b 码蛆dd g 0 惩，“h 昀d u c 曲nt 0s p a 1 白mw h l e s sc 0 珊瑚l i l i c a 曲璐，” ( 御n b r i d g c ，e n 酉蛆d ：c 锄曲瑚g eu n i v e r s i 锣p r e 豁，2 0 0 3 【1 7 】s b w r e i n 妣i na n dem e b e n ，d a t at r a n s m i 醛i o 酗b y 丘明u e n c y 埘v i s i 蚰m i l l t i p l e x i n g u 凼gt h ed i s c 托t ef 0 u i i e rt 啪s f 0 加，”脚乃册船c 砌船册咖姗触磁d 船瑟幽m 岫秽，、u 1 9 ， p p 6 2 8 6 3 4 ，o c t o b 盯1 9 7 1 【1 8 】a p e l e d 粗d 八r u i z ，“f h q u e n c ) ，d 0 础血d a t at 砌s m i 鼹i 鸺i n g 陀d u c e d m p u t a t i o n a l m p l e x n ya 1 9 0 r i t h l m ，”i nn 睨尼e e 如l 饧旺4 c d 嬲厶，口以蜀陴e c 躏妒口z 跏c 咖， 删洲，v 0 1 5 ，p p 9 6 4 1 9 6 7 ，a p m1 9 踟 【1 9 】b h i r o s a h ，o n h 0 9 0 n a u t ) rm i l l t i p k x e dq a ms y s t e m s 璐i n gt h ed i s c 舱t ef 0 u r i c r 仃a 脚如锄，正醯陋乃口脚c f 蛔岱鲫嘲删撕c 口砌凇，、税2 9 ，p p 9 8 2 - 9 8 9 ，j u l y1 9 8 1 - 【2 研lj c 轴l i n i ，a l y s i s 觚ds i n l u l a t i ( mo fad i 西t a lm o b 讹c h 锄e l 吣i n go n h 0 9 0 n a l 舭q y d i v i s i o nn m l t i p l e x i n g ，”厄磁胁脚c 砌煅伽c 锄棚h ，l 豇礁f 蛔培，v 0 1 3 3 ，p p 6 6 6 - 6 7 5 ，j u l y1 9 8 5 【2 1 】e 观砌d 幻6 脚d c 口s 砌g 妙s 细鸠口喀妇f 口h 始撕砒础g 五d 肿曲如胛6 如口以豇耐 脱e 眈船，e u r o p e 姐t e l e c o m m u n i t i 伽s t 柚d 砌，e t s3 0 0 1 ，f e b m a 哆1 9 9 5 【2 2 】d 函f f 口，p 姚db 嗍如口s 砌g ：胁肌现g 勋1 l c m 喝劬口舢dc c 渤l g ，船d 朋施肠砌疗加，啪f 死m 吲砌f 瑟切豳玉研，e u m p e 粗t e l e c 0 删硼n i c a t i o 船s t 蛆d 缸d sl n s t i t u t e ，e n3 0 07 4 4 ，a u g i l s l 1 9 9 7 【2 3 j 仰j ：绷绷f 细脚跏以如瓜，打伽胁f 而册瑟幽加幻秽册d 瑟k 伽姗姗豇谊砌臌口耐 妞