（通信与信息系统专业论文）正交频分复用系统频率同步技术研究.pdf

原创性声明 肿l l lliii i i i i i i ii ii l lj l l ll l l l j y 17 9 2 8 3 3 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：垂选丝日期：! 丝：兰：鳖 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本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、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：垂2 选红一导师签名 山东大学硕士学位论文 目录 中文摘要1 a b s t r a c t 3 符号说i i 归5 第一章绪论。 1 1 选题背景6 1 2o f d m 系统的发展历史及应用现状7 1 2 1o f d m 系统的发展历史7 1 2 2o f d m 系统的应用现状8 1 3 无线信道的基础知识9 1 3 1 小尺度多径传播lo 1 3 2 移动多径信道的参数1 1 1 3 3 小尺度衰落类型12 1 4 论文主要内容和章节安排1 4 第二章o f d m 系统简介 1 6 2 1o f d m 系统的基本原理1 6 2 1 1o f d m 系统离散时间收发模型l6 2 1 2o f d m 系统的信号模型1 7 2 1 3 傅立叶变换的应用1 9 2 1 4o f d m 系统的循环前缀l9 2 2o f d m 系统的优缺点2 l 2 2 1o f d m 系统的优点2 l 2 2 2o f d m 系统的缺点2 3 2 3o f d m 系统的关键技术2 3 2 4 本章小结2 6 第三章o f d m 系统的同步问题 3 1o f d m 系统的同步概述。2 7 3 1 1o f d m 系统的同步要求2 7 3 1 2 各同步偏差对o f d m 系统性能的影响2 8 3 2o f d m 系统中的各种同步算法3 l 3 2 】载波同步算法3 1 山东大学硕士学位论文 3 2 2 符号定时同步算法3 2 3 2 3 样值同步算法3 3 3 2 4 联合同步算法3 3 3 3 本章小结3 4 第四章基于相位纠正的频偏跟踪算法。 4 1 基于最大似然准则的频偏跟踪算法3 5 4 2 用相位纠正实现频偏跟踪的算法3 7 4 2 1 新算法分析3 7 4 2 2 新算法仿真与分析4 0 4 3 本章小结4 3 第五章基于导频的频率跟踪算法4 4 5 1 插入导频的o f d m 系统信号模型4 4 5 1 1 导频的插入方式4 4 5 1 2 有导频符号的o f d m 系统离散信号模型。4 5 5 2 基于导频的最大似然估计频偏跟踪算法4 7 5 2 1 时域利用导频符号结合判决反馈数据的频偏估计4 7 5 2 2 频域利用导频符号结合判决反馈数据的频偏估计4 8 5 3 基于导频的最大似然估计改进算法5 0 5 3 1 基于导频的加权最大似然估计算法5 0 5 - 3 2 基于导频的联合最大似然估计算法5 4 5 4 本章小结5 8 第六章总结与展望 5 9 6 1 总结5 9 6 2 未来工作展望5 9 参考文献 致谢。 攻读学位期间发表的学术论文目录 n 6 0 6 6 。6 7 山东大学硕士学位论文 c o n t e n t s c h i n e s ea b s t r a c t 1 e n g l i s ha b s t r a c t 3 s y m b o l s 5 c h a p t e r1i n t r o d u c t i o n 6 8 1 1b a c k g r o u n d 6 8 1 2h i s t o r ya n da p p l i c a t i o n so fo f d m 7 1 2 1h i s t o r yo fo f d m 7 1 2 2a p p l i c a t i o n so fo f d m 8 8 1 3b a s i c so fw i r e l e s sc h a n n e l 9 1 3 1s m a l l s c a l em u l t i p a t hp r o p a g a t i o n 10 1 3 2p a r a m e t e r so fm o b i l em u l t i p a t hc h a n n e l s 11 】3 3t y p e so fs m a l l - s c a l ef a d i n g 12 8 1 4g e n e r a lf r a m e w o r k 1 4 c h a p t e r2i n t r o d u c t i o no fo f d ms y s t e m s 16 8 2 1p r i n c i p l e so fo f d ms y s t e m s 16 2 i id i s c r e t e t i m et r a n s c e i v e rm o d e lo fo f d ms y s t e m s 16 2 1 2s i g n a lm o d e lo fo f d m s y s t e m s 17 2 1 3a p p l i c a t i o no f f o u r i e rt r a n s f o r m a t i o n 1 9 2 1 4c y c l i cp r e f i xo fo f d ms y s t e m s 19 8 2 2a d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so fo f d ms y s t e m s 2 1 2 2 ia d v a n t a g e so fo f d ms y s t e m s 21 2 2 2d i s a d v a n t a g e so fo f d ms y s t e m s 2 3 8 2 3k e yt e c h n i q u e so fo f d ms y s t e m s 2 3 2 4c h a p t e rs u m m a r y 2 6 c h a p t e r3s y n c h r o n i z a t i o no fo f d ms y s t e m s 2 7 8 3 1s y n c h r o n i z a t i o no v e r v i e wo fo f d ms y s t e m s 2 7 3 1 1s y n c h r o n i z a t i o nr e q u i r e m e n t so f o f d ms y s t e m s 2 7 3 1 2i m p a c to fs y n c h r o n i z a t i o no f f s e to no f d ms y s t e m s 2 8 8 3 2s y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h m sf o ro f d ms y s t e m s 31 3 2 1f 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 31 山东大学硕士学位论文 3 2 2s y m b o ls y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h m s 3 2 3 2 3s a m p l 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 r i t h m s 3 3 ：；2 4j o i n ts y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h m s 3 3 3 3c h a p t e rs u m m a r y 一3 4 c h a p t e r4f r e q u e n c yt r a c k i n ga l g o r i t h mb a s e d o np h a s ec o r r e c t i o n 3 5 4 1f r e q u e n c yt r a c k i n ga l g o r i t h mb a s e do nm l 3 5 4 2f r e q u e n c yt r a c k i n ga l g o r i t h mb a s e do np h a s ec o r r e c t i o n 3 7 4 2 1n e w a l g o r i t h ma n a l y s i s 3 7 4 2 2n e w a l g o r i t h ms i m u l a t i o nr e s u l t s 4 0 4 3c h a p t e rs u m m a r y 。4 3 c h a p t e r5f r e q u e n c yt r a c k i n ga l g o r i t h mb a s e do np i l o t s 。4 4 5 1s i g n a lm o d e lw i t hi n s e r t i n gp i l o t s 4 4 5 1 1i n s e r tm o d e so fp i l o t s 4 4 5 1 2d i s c r e t e - t i m es i g n a lm o d e lw i t hp i l o t s 4 5 5 2m lf r e q u e n c yt r a c k i n ga l g o r i t h mb a s e do np i l o t s 4 7 5 2 1p i l o t sa n df e e d b a c ka s s i s t e dm l e a l g o r i t h mi nt i m ed o m a i n 4 7 5 2 2p i l o t sa n df e e d b a c ka s s i s t e dm l e a l g o r i t h mi nf r e q u e n c yd o m a i n 4 8 5 3i m p r o v e dm l ea l g o r i t h mb a s e do np i l o t s 5 0 5 3 1w 西g h t e dm l ea l g o r i t h mb a s e do np i l o t s 5 0 5 3 2j o i n tm l ea l g o r i t h mb a s e d0 1 1p i l o t s 5 4 5 4c h a p t e rs u m m a r y 5 8 c h a p t e r6c o n c l u s i o na n dp r o s p e c t ! ；9 6 1c o n c l u s i o n 5 9 6 2r e s e a r c hp r o s p e c t 5 9 r e f e r e n c e s 6 0 a c k n o w l e d g e m e n t 6 6 p u b l i s h e dp a p e r s 6 7 山东大学硕士学位论文 中文摘要 未来无线通信系统需要能用有限的频谱资源提供更多的通信业务、更高的通 信速率和更好的通信质量。目前3 g 规定的2 m b i t s 的传输速率已经远远不能满足 人类社会的需求，3 g 技术正朝着b 3 g 、4 g 技术方向发展。o f d m 技术是一种多 载波调制技术，被选为下一代无线移动通信系统的核心技术之一。 o f d m 具有很强的抗符号间干扰、抗多径衰落的能力，频谱利用率高，适合 高速数据传输等优点。但是，o f d m 技术中仍有许多需要继续研究的问题。其中， o f d m 系统中的载波频率同步技术是一个研究的热点和难点，因为o f d m 系统对 载波频偏极为敏感，载波频率同步误差可以破坏子载波间的正交性，从而引起系 统性能的大大降低。已经提出的频率同步算法有：基于循环前缀的频率同步算法， 因多径的影响致使估计性能不佳；基于训练序列的频率同步算法，频域内只能估 计整数频偏，时域内不能同时满足估计范围和估计精度的要求，并且需要额外的 插入训练序列，致使系统的数据传输效率有所降低；在无线移动通信系统中，信 道经常是时变的，一般需要对信道进行估计，因而插入了已知的导频符号，这些 导频符号在携带信道信息的同时也携带了频率偏移的信息，故可以使用导频符号 进行频偏估计，结果表明这种算法能使系统达到不错的跟踪性能，也不会对数据 传输效率有大的影响。 本文吸收了国内外在o f d m 同步实现技术方面取得的许多研究成果，对 o f d m 系统中频率同步技术进行了进一步的研究，并提出了几种改进算法，理论 分析和仿真实验都显示，改进算法具有更好的频率跟踪性能。本文首先对无线通 信信道进行了简单的介绍，在简单阐述了o f d m 系统基本原理和特点的基础上， 对其关键技术进行了概述。然后对o f d m 系统子载波间的正交性、d f t 的应用和 循环前缀的插入等知识进行了简单阐明。其次，在介绍了o f d m 系统对同步要求 的基础上，说明了各同步偏差对系统的影响，并对各同步算法作了简单概括。最 后，在介绍了基于最大似然准则的频偏跟踪算法的基础上，提出了一种基于相位 纠j 下的频偏跟踪算法；在总结了几种基于导频的最大似然估计频率跟踪算法的基 础上，提出了两种改进算法。一种是根据不同幅值的接收信号在变化时对频偏估 山东大学硕士学位论文 计结果会产生不同的影响，提出的加权改进算法，并通过分析得到信噪比可以作 为加权系数；另一种是在分析原有几种算法优缺点的基础上，使它们取长补短， 提出了联合跟踪算法( 把跟踪范围大而精度低的算法与跟踪精度高而范围小的算 法相结合) 。采用m a t l a b 搭建了o f d m 系统仿真平台，通过仿真实验，证明了 本文提出的算法与传统的算法相比在不同的方面各有所提高，可以改善系统的跟 踪性能。 关键词：正交频分复用系统；频率跟踪；导频；最大似然估计算法；相位纠正。 2 a b s t r a c t lh ef u t u r e w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s y s t e m s a lee x p e c t e d t o p r o v i d em o r e c o m m u n l c a t l o n s e r v i c e s ，h i g h e l q u a l i t ya n dh i g h e rt r a n s m i s s i o nr a t ew i t h l i m i t 。d s p e c t r u mr e s o u r c 璐c u r r e n t l y , t h et r a n s m i s s i o nr a t e2 m b i t sp r o j p o s e d i n3 gc 铋n o t s a t l s f yt h es u b s c r i b ，e r s t h e3 g t e c h n i q u ei so nt h ew a yo fe v o l u t i o nt o w a r db 3 g o r4 g o f d mi sam u l t i c a r r i e rm o d u l a t i o nt e c h n i q u e ，w h i c hh a sb e 朗r e g a r d e d 鹤o n e o fm e k e yt e c h n i q u e si n p h y s i c a ll a y e rf o r t h en e x t g e n e r a t i o no fw i r e l e s sm o b i l e c o m m u n i c a t i o n s u fd m s y s t e m sa r es u i t a b l ef o rh i g hr a t ed a t at r a n s m i s s i o na n dr o b u s t a g a i n s t f f e q u e n c ys e i e c t i v ef a d i n g , a n dh a v e h i g hs p e c t r u m e f f i c i e n c y t h ei n t e l - s 砌b o l i n t e 嘲舶c ec a nb ee a s i l ye l i m i n a t e d h o w e v e r , t h e r e a r es t i l ls o m e p r o b l e i i l sn e e dt 0b e s o l v e di no f d ms y s t e m s a m o n gt h e s ep r o b l e m s ，f r e q u e n c ys y n c h r o n i z a t i o n i st h e m o s t1 m p o n 锄ta n dd i f f i c u l t ，f o ro f d ms y s t e m sa r e e x t r e m e l ys 朋s i t i v et 0t 1 1 ec a 币e r f r e q u e n c yo f f s e tt h a td e s t r o y st h eo r t h o g o n a l i t yo ft h es u b c 硎e r s 1 1 h 骶a r em 锄v a l g o r i t h m sp r o p o s e di nt h el i t e r a t u r e t h ee s t i m a t i o np e r f o r m a n c eo ft h ea l g o t h m s b a s e d0 nt h e c y c l i cp r e f i xi sn o ta g r e e a b l ed u et ot h e i m p a c to fm u l t i p a t h s o m e a j g o r i t h m su t i l l z es p e c i a l t r a i n i n gs e q u e n c ei nf r e q u e n c yd o m a i n0 rt i m ed o m a i n a 1 9 0 n t h m sm f r e q u e n c yd o m a i nj u s to n l yc a ne s t i m a t et h ei n t e g e ro f f s e t a 1 9 0 r i t 蚰si n t l m ed o m a i nc a nn o tg i v e a c c e p t a b l ea c q u i s i t i o nr a n g e 锄dt l l ee s t i m a t ea c c u r a c v s l m u l t a n e o u s l y b e c a u s eo fi n s e r t i n gt h et r a i n i n gs e q u e n c e , t h ed a t a 仃如湖i s s i o nr a t e d 黜硒懿i nw i r e l 麟m o b i l ec o m m u n i c a t i o n s y s t e m s ，t h ec h a n n e li so f t e nt i m e - v 删n g 【j 锄啪l l y , s o m ep i l o ts y m b o l sa l ei n s e r t e df o rc h a n n e le s t i m a t i o n 1 1 1 e s e p i l o ts y m b 0 1 s 舯t0 n j yr e f l e c tt h ec h a n n e li n f o r m a t i o nb u ta l s o c a r r yt h ei n f o r m a t i o no ff r e q u e n c v o f f s e t t h e r e f o r e , p i l o ts y m b o l sc a nb eu s e dt o e s t i m a t e f r e q u e n c yo 凰e t 1 1 1 e a j g 鲫t n i n sb a s e do np i l o ts y m b o l sc a na c h i e v ea g r e e a b l et r a c k i n gp e 响m 柚c e 锄d d o n o tl a r g e l yd e c r e a s et h ed a t at r a n s m i s s i o nr a t e i nt h i st h e s i s ，w es t u d ys y n c h r o n i z a t i o nt e c h n o l o g yo f o f d m s y s t e m sa c h i e v e db y m 锄1 yp e o p l emt h ew o r l d i na d d i t i o n ，t h e r ea r es o m ef u r t h e rs t u d i e sa b o u tf r e q u c v s ”c h r o n i z a t i o na n ds e v e r a l i m p r o v e da l g o r i t h m sf o rs ”c h r o i l i z a t i o no fo f d m s y s t e n l sa r ep r o p o s e d t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ei m p r o v e da 1 9 0 r i t h m sh a v e 3 山东大学硕士学位论文 b e t t e rf r e q u e n c yt r a c k i n gp e r f o r m a n c e f i r s t l y , t h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nc h a n n e li s i n t r o d u c e d t h ek e y t e c h n i q u e so fo f d ms y s t e m sa r eb r i e f l yd e s c r i b e da f t e ri l l u s t r a t i n g b a s i cp r i n c i p l e sa n dc h a r a c t e r i s t i c so fo f d ms y s t e m s t h e n ，t h eo r t h o g o n a l i t yo f i n t e r - c a r r i e ra n dt h ec y c l i c p r e f i xo fo f d ms y s t e m sa lep r e s e n t e d s e c o n d l y , t h e i n f l u e n c eo fs y n c h r o n i z a t i o ne r r o r so no f d ms y s t e m si ss h o w e da f t e rd e s c r i b i n g s y n c h r o n i z a t i o nr e q u i r e m e n t so fo f d ms y s t e m s a f t e r w a r d s ，s y n c h r o n i z a t i o nm e t h o d s a r es u m m a r i z e d f i n a l l y , an e wa l g o r i t h mb a s e do np h a s ec o r r e c t i o nf o rf r e q u e n c y t r a c k i n gi sp r o p o s e da f t e rs t u d y i n gm a x i m u ml i k e l i h o o dc r i t e r i af o rf r e q u e n c yt r a c k i n g t h e n ，t w oi m p r o v e da l g o r i t h m sa lep r o p o s e da f t e rs u m m a r i z i n gs e v e r a le s t i m a t i o n a l g o r i t h m sb a s e do np i l o ts y m b o l s o n ei sw e i g h t e da l g o r i t h mw h i c hd e p e n d so n d i f f e r e n t a m p l i t u d e so fr e c e i v e ds i g n a l sh a v ed i f f e r e n te f f e c t so nt h ee s t i m a t i o n m o r e o v e r , t h ew e i g h t e dc o e f f i c i e n ta n a l y z e di ss n r a n o t h e ri sj o i n ta l g o r i t h mt h a t c o m b i n e st h el a r g er a n g ea l g o r i t h mw i t ht h eh ig ha c c u r a c ya l g o r i t h m o f d ms y s t e m s s i m u l m i o np l a t f o r mi sb u i l ti nm a t l a ba n dt h ep r o p o s e da l g o r i t h m sa r es i m u l a t e d t h es i m u l a t i o nr e s u l t si l l u s t r a t et h a tt h ep r o p o s e da l g o r i t h m si n t h i st h e s i sh a v eb e e n a d v a n c e di nd i f f e r e n ta s p e c t sa n dt h e yc a ni m p r o v et h et r a c k i n gp e r f o r m a n c eo ft h e s y s t e m k e yw o r d s ：o f d ms y s t e m s ；f r e q u e n c y t r a c k i n g ；p i l o ts y m b o l ；m a x i m u m l i k e l i h o o de s t i m a t i o n ；p h a s ec o r r e c t i o n 4 一 山东大学硕士学位论文 符号说明 a m p s a d v a n c e dm o b i l ep h o n es y s t e m ，先进移动电话系统 t a c s t o t a la c c e s sc o m m u n i c a t i o n ss y s t e m ，全入网通信系统 l t u i n t e r n a t i o n a lt e l e c o m m u n i c a t i o nu n i o n ，国际电信联盟 f p l m t s f u t u r ep u b l i cl a n dm o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o ns y s t e m s ，公众陆地移动通信系统 i m t i n t e r n a t i o n a lm o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o n s ，国际移动通信 ( w ) c d m a( w i d e b a n d ) c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ，( 宽带) 码分多址 t d s c d m at i m ed i v i s i o n s y n c h r o n o u sc o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ，时分的同步码分多址 w i m a x w o r l d w i d ei n t e r o p e r a b i l i t yf o rm i c r o w a v ea c c e s s ，全球微波互联接入 o f d m o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i “s i o nm u l t i p l e x i n g ，正交频分复用 m c m m u l t i c a r r i e rm o d u l a t i o n ，多载波调制 c p c y c l i cp r e f i x ，循环前缀 d a b d i g i t a la u d i ob r o a d c a s t i n g ，数字音频广播 d v b d i g i t a lv i d e ob r o a d c a s t ，数字视频j “播 a d s l a s y m m e t r i cd i g i t a ls u b s c r i b e rl i n e ，- i t 对称高比特率数字用户线 w l a n w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k ，无线本地局域网 e t s i e u r o p e a nt e l e c o m m u n i c a t i o ns t a n d a r d si n s t i t u t e ，欧洲电信标准协会 b r a n b r o a d b a n dr a d i oa c c e s sn e t w o r k ，宽带射频接入网 i e e e i n s t i t u t eo fe l e c t r i c a la n de l e c t r o n i c se n g i n e e r s ， 电气电子工样师协会 3 g p p3 r dg e n e r a t i o np a r t n e r s h i np r o i e e t 毓_ 代合作伙伴计量j i l t e l o n gt e r me v o l u t i o n ，长期演进 q a m 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 ，正交调幅 册s r o o tm e a ns q u a r e ，均方根 d a a d d i # m la n a l o g ，数字模拟 ( i ) d f t ( i n v e r s e ) d i s c r e t ef o u r i e r t r a n s f o r m a t i o n ，( 反) 离散傅立叶变换 ( 1 ) f f t ( i n v e r s e ) f a s tf o u r i e rt r a n s f o r m a t i o n ，快速傅立叶( 反) 变换 g i g u a r di n t e r v a l ，保护间隔 i c i i n t e r - c a r r i e ri n t e r f e r e n c e ，载波间信道间干扰 i s i i n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c e ，符号问干扰 d s p d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ，数字信号处理 o f d m a o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i 讥s i o nm u l t i p l ea c c e s s ，正交频分多址 m c c d m a m u l t i - c a r r i e rc o d ed i 访s i o nm u l t i p l ea c c e s s ，多载波c d m a o f d m t d m 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 t i m ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ，正 a 交频分复用时分多址 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 ，峰值平均功率比，简称峰均比 m m s e m i n i m u mm e a n s q u a r ee s t i m a t i o n ，最小均方估计 m l e m a x i m u ml i k e l i h o o de s t i m a t e ，最人似然估计 s n r s i g n a lt on o i s er a t i o ，信噪比 q p s k q u a d r a t u r ep h a s es h i f tk e y i n g ，正交相移键控 c r l b c r a m e r - r a ol o w e rb o u n d ，克拉美罗卜界 5 山东大学硕士学位论文 第一章绪论 现代社会已步入飞速发展的信息化时代，人们期望可以随时随地进行可靠的 信息交流。由于人类社会对通信的需求越来越高，世界各国均致力于现代通信技 术的研究与开发以及现代通信网络的建设。 1 1 选题背景 无线移动通信作为通信技术的重要组成部分，越来越受到人们的重视。现代 移动通信技术的发展始于2 0 世纪2 0 年代，但是直到2 0 世纪7 0 年代中期，移动 通信才得到蓬勃发展。1 9 7 8 年，美国贝尔实验室成功研制先进移动电话系统 ( a m p s ) ，建立了模拟移动蜂窝状通信网。与此同时，其他发达国家也相继开发 出蜂窝式公用移动通信网。第一代蜂窝移动通信系统出现于2 0 世纪8 0 年代早期， 采用频分多址和模拟技术，包括模拟蜂窝和无绳电话系统。典型的系统有美国的 a m p s 、英国的t a c s 、前西德的c - 4 5 0 等。由于模拟系统存在很多致命缺点，模 拟蜂窝技术不适合未来多媒体通信业务的需求，在激烈的市场竞争中被逐渐淘汰。 数字移动通信系统从2 0 世纪8 0 年代中期