（通信与信息系统专业论文）突发ofdm同步系统设计与实现.pdf

a b s t r a c t a ft e r u l l p r o vi n g fromm a l l y asp e ct s ， o f d m t e c h n i que re c e nt l y i s b e c o m i n g the m etho d u se d in th e b lj rg e o 址 n g c o mmumc atio n s tand ar d o r p r o t o c o l s fo r its sp e c ial a d v a n t 日 g e s . the m u ltic a n i e r tr ans m i s s i o n kno wn aso f d mp r o v i des a c o n s i d e r a b 1 e s o lu tio n fo r the h u g e d at a q u a n tty fo r its r o bustue s s to m ul t ip ath s e l e c ti v e fadin g 山 记hi g h b an d w id th e fi c ie n c y . the r e fo re ， m a n y p ro to c o l ， i n c lu d ingiee e 8 0 2 .1 1 几d v b ， d a b ， i e e e8 0 2 . 1 6 and s o o n ， use it wid e l y . o f the m， the 飞 u r s t mo d e ” i s t b e o ne th ati s p ai d 】刀u c hmo re a l l e utj o n - t 】l e 朋 n c o n t ri b uti o n s fo r th i s p ape r are a s fol l o ws: 1 . i n t r 0 d u c e th e o f d mmo dul at i on a l 1 dd em o du1 at i o n t e c hni q u e i n det 缸 1 ， a l l d atthe s aj l l e t i me ， 5 加 u l ate it、 v l t bthe s o fi ware . 2 . a 们 a l y z e 们 1 e e ffec t o f th e erro r o f s y n c 11 r o n i z at i on o n tb e o f d md em o d u 1 at i o n ， and th en， s l o wth e a l g o ri t hn1 t o s o 1 vethe s e p rob l e m s . b e s i d e s t h at， s i m ul at e this al g o ri 1 hn1 to te stthe q 回 i t y o f t hem诚thmat l ab s o ft 、 v a r e . 3 ， d e s i gnthe arc hi t e c ture o f th e 0 f d mm o d u l at i o n ， d e m o dul atio n and s y n c l l r o nizati o n s y s t e 刀 1 b y f p g aa i 1 d c h e c k o utthe r e s u 1 t s o f f p g ab y l h e q u a r t o 5 s o n 、 v a r e ， and c o l l l p are the m俪tht h e mat l ab s i m ul at i o n re s ults - k 即w o r d s : o f d mb road一 a 月 d wi r e l e s s a c c e s s1 e 丑 e 8 0 2 ， 1 1 arec e iv er 5 邓c h r o 滋 朋t l o nf p g a 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本 学位论文中，除了 加以 标注和致谢的部分外，不包含其他人己 经发表或 公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的 贡献均已在论文 中作了明 确的说明。 研究生签名: 年月日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或 上网公布本学位论文的全部或部分内容，可以向 有关部门 或机构送交并 授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的全部或部分内容。对于保密 论文，按保密的 有关规定和程序处理。 研究生签名:年月日 硕士论文突发0 印m 同 步系统设计与实现 1 。 1 绪论 研究背景 正 交 频分复用 是 一 种多 载 波数 字 调 制技术， 它的 英 文 全称是: ort hog o n a l pr e q u e n c y d i y i s i o n 枷 l t l p l e x i n g ， 简 写 为o fdm。 。 f d m 最 早 起 源 于2 0 世 纪5 0 年 代 中期， 在60年代就已 经形成了使用并行数据传输和频分复用的概念。 印服技术的应 用可以 追溯到本世纪60年代， 主要用于军用高频通信系统例如k 工 n e p l ex， 胡d e ft和 以t h r y n 。 但是一个of眼系统的结构非常复杂从而限制了 其进一步推广。直到70年 代人们提出了 采用离散 傅立叶 变换来实现多个载波的 调制简化了 系统结构使得ofdm 技术更趋于实用化。 1 9 7 0 年1 月首次公开发表了 有关o f d m 的 专利。 1 9 71年， w einst e in 和ebert 把离散傅立叶变换(d ft) 应用到并行传输系统中， 作为调制和解调过程的一 部分。 这样在完成fdm 的 过程中， 可以 完全依靠执行快速傅立叶 变换(f ft) 的硬件来 实施。早在20世纪60年代， of叫技术就己 经被应用到多 种高频军事系统中。 但是 直 到20世纪80年 代中 期， 该方 法 才开始受到关 注并得到了 广 泛的 应用幻 。 ，8 0 年代人们研究如何将of服技术应用于高速m o d 甜，进入90年代以 来，o f d m 技术 的 研究深入到 无线调频信道上的宽带 数据传输。 在高 速宽带无线应用环境下of服技术 的 优势很突出 而且可以 利用有效的新技术去修正和弥补o fdm的固 有缺点， o f d m 技 术已 经被广泛应用于民 用通信系统。自 2 0 世纪80年代以来， o f d m己 经在数字音频广 播( d a b ) ， 数字 视频广 播 ( d v b)， 除 此 之外， 还在 ie ee 8 02. 11 标准的 无 线 本地局域网 ( 场 飞 a n ) 以 及有线电 话网 上基于现有铜双绞线的 非对称高比 特率数字用户线技术( 例 如a s d l)中得到了应用。欧洲的 d a b 系统使用的就是ofdm调制技术， 试验系统己 在运 行很快吸引了 大量的听 众，它明显地改善了 移动中 接收无线广播的效果。 用于d a b 的成套芯片的开发正在一项欧洲发展项目中进行， 它将使o f d m接收机的价格大大降 低， 市场前景非常看好. 其中大都利用了 o f d m可以 有效地消除信号多径传播所造成 的符号间干扰( 15 1) 这一 特征。 2 0 世纪90年代以 来， 世界各国电 信市场相继开放，电 信运营主体向 多 元化方向 发 展， 电 信竞争的焦点也由 长途骨干网转为本地接入。 宽带无线接入凭借其组网快速灵 活、 运营维护方便以 及成 本较低等竞争优势成为市场热点。 而 wl a n ( wi r e l es s loc al 户 j e 司n e two rk ，无线局域网 ) 作为一种宽带无线数据接入技术， 是计算机网 络与无线 通信技术相结合的 产物。 它不受电 缆束缚， 可移动， 能解决因 有线网 布线困 难等带来 的问 题， 并且组网灵活， 扩容方便， 与多种网 络标准兼容， 应用广泛等优点， 愈来愈 受到重视. o f d m 技术作为宽带 无线接入系统的基本实 现技术之一， 已 经成为了 认 飞 a n 的核心技术. 除此之外， 正e e8 02. 1 6e协议 ( 无线城域网协议) 也提出了 采用o f d m作为传输 硕士论文突发o fdm 同 步系统设计与实现 方式的 基于突发的 通信系统， 在这个协议中把m imo ， 空时编码和差错控制中的许多 先进技术都应用了 进来。把o f d m 技术与之结合产生了 非常大的影响。目 前以 i n t e l 、 si emens、 n o ki a 等为首的许多公司正在致力与此。 1 . 2 国内外研究现状及趋势 无线通信业务的多媒体化是无线通信的发展方向之一， 业务的多媒体化要求有高 速的数据传输来支持， 因而宽带的高速数据传输是无线通信必然的发展趋势。 由于无 线信道固 有的特点， 实现高速传输必须克服信道时延扩展的影响。 不同 应用地形、 范 围和频段的时延扩展有较大的差别，如室内环境时延扩展一般在几十纳秒到几百纳 秒， 而城市蜂窝通信中时延扩展通常在几微秒的量级。 另外， 移动通信中移动终端相 对基站的运动会带来多谱勒频率扩散，由于o f d m技术对频率偏移比较敏感，并且 o f d m解调也要求信道变化缓慢， 这是对ofd m应用的限制。 欧洲的a c t s 项目 中也使 用o fdm 技术，它使用s c h z 到61g h z 4 个频段， 分别提供20mbps、7 0 mbps、3 4 m b p s 和 巧 s mbps的 高 数据 传 输 速 率llj 。 当前第三代移动通信标准的制定已经接近尾声， 一些研究机构开始筹谋新一代的 信息系统技术的研究， 其中o f d m 技术是首选的宽带高速传输技术。 o fdm 技术要应 用到新一代的信息系统中，需要研究新的蜂窝体系结构和新的频段上信道的新特点， 主要是时延扩展和多普勒频散， 以 合理设计ofd m系统参数， 发挥o f d m技术的优点， 尽量避免其缺点。 对于电 信产业而言， o fdm仍有许多问 题待解决， 不过部份标准化 制订的 工作己 经接近尾声而即将商用化( 如数字音讯广播) ， 但若要应用在移动通信领 域仍需些时日。 而选择of伽作为第四代移动通信的核心技术， 其主要理由 包括无线电 频率使用效 益高、 抗噪 声能力相当 强、 适合高速数据传输等因 素， 因而受到 无线通 信 专家的青睐。 ofd m 可以 应 用于 速率高于l o m b p s 的宽 带 无线 接入系 统. 然而， 在宽 带 无线接 入 领域， 一些公司开发的 技术虽然都基于o f d m， 但有各自 的特色， 形成一些专利技术， 如 v e ct o r 0 f d m( v 0 f dm ) ， wid e b an d o 阳m (w0 印m)， r as h 刃f d m ， c o d e d o f d m (cofd 硒，m imoo f d m 等。 ( 1 ) v o f d m v o f d m 技术通过在o f d m传输系统中采用阵列天线实现空间分集，提高了 信号 质量，是联合o f d m 和空时处理而得到的一种新技术. 它利用了时间、频率和空间 三 种分集技术， 使无线系 统对噪声、 干扰、多径的容限 大大增加阁。 v ofd m实现主要包括以 下功能 模块: o f d m 模块， 实现可编程控制的系统数据 率和时延扩展容限; 信道估计模块， 采用突发模式的训练序列:同步模块， 实现系统 硕士论文 突发o fi 翔同 步系统设计与实现 定时和频率恢复: 空域处理， 用作干扰删除和发送、 接收分集; 编码， 采用级连的 卷 积码和r eed 一 5 01姗 n 码. 把o fdm 和智能天线相结合的技术除了 v 0 f d m 外，还有美 国l osp an公司开发的 m i m 0 0 f d m 技术。 业界广泛的 共识是在下一代宽带 无线接入系 统中使用多天线技术， 多天线技术能 在有地形障碍， 如树， 建筑物等条件下， 提供可 靠的高速宽带业务。 ( 2 ) wo f d m w o f d m 是i e e e 8 02. na 的基础， wo f d m 通过扩频和前向 纠错码，降 低了 恶 劣 信道的影响， 它把信道估计与r eed 一 5 01o mon 算法配合使用， 使纠错能力增加一倍。 为 降低信号的峰平比， 和f d m 采用了随机相位的 信号白 化技术， 通过对每个wo fdm 符 号乘以一个收发端已 知的复向盆， 该向量具有单位幅度和相位， 弱化了发射信号的变 化， 降 低了 信号动态范围， 使系统对射频功率放大器线性度要求降低。 w o f d m 频谱 利用率高，用1 6 q 胡调制的商用w o fdm 系统目 前可到3 . zb/s/h2 的频谱利用率。 w 0 f d m 最 初推出 的 a s ic芯 片数 据速率为32 mb/s， 调制方式为1 6 q a m 。 如果 把 速率升至45砒/s， 只要改变d s p 中的 软件、选择64qam 的调制方式即可， 无须改变硬 件。 w o f d m目 前己 用作点对点、点 对多点的无线接入解决方案。 ( 3 ) f l as h . o f d m 相对v o f d m ， w o f d m 而言， fl a s h . o f d m 的 特点是能在移动环境下工作， 是一种 移动宽带接入i nternet 解决方案。 f 】 a s b . o f d m采用f d d 双工方式，工作频段在 2 2 0 洲2 一 3 . s ghz 之间。 上下行链路是数百个子信道组成的宽带载波( 扩频的o fdm) ， 传输数据时给每个用户分配子信道。每个子信道采用了自 适应调制和先进的编码技 术， 其频谱利用率比 c d m 峨 2 0 00系统高3 倍。 f l as h ， o f d m利用快速跳频技术把信号扩 频， 具有频率分集能力， 减小了同一小区内的用户间干扰， 它同时具有o f d m 和跳频扩 频技术的优点。除了 跳频外，为解决小区间千扰， 采用了功率控制，用户只发射能有 效通信的功率。空中接口 采用分组业务，支持全ip通信。 f 如h . o f d m的 m a c 层不但 增强了空中接口的性能， 而且支持全ip网络接口。 它的功能包括把ip包分割重组成数 百个比 特的 of哪块; 采用a rq大大降 低话音的时延; 提供丰富的ipqos 应用接口 等。 网络层提供琳c 层和骨干网的接口 ，它可支持ip会话管理，管理多种工作模式， 如 f l a s h 一 o f d m / 8 0 2 . 1 1 ，f l a s h 一 o f d m / b l u e t o o t h 双模， 可实 现 基站、 移 动台 和用 户的 授权、认证， 另外， 还提供与 a 从系统的接口、 路由管理、数据加密等。 移动层 的功能包括ip地址分配、 切换管理、 基站间通信等。 系统对移动性支持的关键是当 用 户从一个bs移动到另一个b s 时，能跟随用户，同时保持数据连接和ip地址。 它的移 动管理能力解决方案基于移动ip和漫游时支持切换，切换过程能保证没有分组丢弃。 从全ip的 观点看， fl ash一 o fdm 代表了 理想的空中 链路， 支持移动性和基于 q o s 的业务。 物理层和琳c 层为移动宽带数据特殊设计，基站控制信道的分配，以一定的 硕士论文突发o f d m 同 步系统设计与实 现 优先级传送不同 业务， 如基于ip的话音、 视频会议等。 空中链路使用户数据率和频谱 利用率得到提高。 它是基于ip的 分布式网 络， 支持实时的交互式业务和端到端的ip 连接，能满足业务提供商和运营商的需要，易于部署和网 络演进。 (4) c o f d m 正交频分复用是一种多 载波调制方式。 编码的正交频分复用就是将经过信道编码 后的 数据符号分别调制到频域上相互正交的大量子载波上， 然后将所有调制后信号叠 加( 复用) ， 形成o f d m 时 域符号。由 于正交频分复用是采用大量( n 个) 子载波的并 行 传输， 因此， 在相等的 传输数据率下， o f d m时域符号长度是单载波符号长度的n 倍。 这样其抗符号间 千扰( 1 51) 的能力可显著提高，从而减轻对均衡的要求。 由 于o f d m 符号是大 量相互独立信号的盈加， 从统计意义上讲， 其幅度近似服从高 斯分布， 这就造成o f d m 信号的峰均功率比高。 从而提高了 对发射机功效线性度的要求， 降 低了 发射机的功率效率。 欧洲数字电视地面传输标准d v b 采用的就是c o f d m。由 于c o f d m调制抗动态多 径干扰能力强， 使得其既可用于地面传输固定接收，而且可以 用于便携和移动接收。 ( 5 ) m以00 f d m ofd m 通过将频率 选择性多径衰落信道在频域内 转换为平坦信道， 减小了多径衰 落的影响。 而mim o 技术能够在空间中产生独立的并行信道同时传输多路数据流， 这样 就有效地提高了系统的传输速率， 即在不增加系统带宽的情况下增加频谱效率。 这样， 将o f d m和md 以 0 两种技术相结合， 就能达到两种效果: 一种是实现很高的传输速率， 另一种是通过分集实现很强的可靠性。 同时， 在mi m 00 f d m中加入合适的数字信号 处理的算法能更好地增强系统的稳定性。 近来迹象表明，“ 无线+ 宽带”己 成为未来无线通信的 重要卖点。 m imoo fdm 技术通过在o f d m 传输系统中 采用阵列天线实现空间分集， 利用时间、 频率和空间三种 分集技术， 使无线系统对噪声、 干扰、多径的容限 大大增加。 为了 进一步提高 系统传输速率， 使用o f d m技术的无线通信网要增加载波的 数 量， 而这种方法会造成系统复杂度的增加， 并增大系统的带宽， 这对今日 的 带宽受限 和功率受限的 无线通信网 系统就不太适合了。 而m n 以 0 技术能 在不增加带宽的 情况下 成倍地提高 通信系统的 容量和频谱利用率， 因此将m i m o 技术与o fdm技术相结合是 适应下一代无线局域网发展要求的 趋势。 目 前正在开发的 设备由 两组i e e e 8 02. 1 1 a 收发器、 发送天线和接收天线各两个(2 x z ) 、 负责运算处理的 m imoo fdm 系统组成， 能 够实现最大i o s m b i t/s 的 传输速率。 支持ap和客户端之间 传输的 速率为1 0 8 晚i t /s， 客户端不支持该技术时( i e e e 8 02. lla 客户端的 情卿 ， 传输速率为54 助it/s。 下一代无线局域网标准8 02. n a 采用卜 n m o o f d m 技 术 ， 传 输 速 率 高 达 3 20 m b p s ， 净 传 输 速 率 为 1 08 k 肠 p s s1 . 硕士论文突发o f d m 同步系统设计与实现 1 . 30 f d m原理概述 o f d m 技术与已 经 普 遍应用的 频分复 用( fdm ，f re q u e n c y d i v i si onm ul t ip l ex 吨) 技术十分相似。与f d m 基本原理相同， o f d m 把高速的数据流通过串并变换，分配到 速率相对较低的 若干个频率子信道中 进行传输， 不同的是， ofd m各个子载波之间是 相互正交的， 且频谱之间是相互交叠的， 这样频谱利用率大大提高了。 多载波传输和 低速码流增强了 o f d m 抗频率选择性衰落和抗窄带干扰的能力。 在单载波系统中， 单 个衰落或者干扰可能导致整条链路不可用， 但在多 载波系统中， 只会有一小部分载波 受影响， 因 此即 使在高 信道误码环境下， 通过纠错编码技术的 使用， 也可以帮助恢复 一些信道条件较差的载波上的信息， 从而使整个多载波系统的性能在频率选择性衰落 环境中呈现较好的 性能s 。 o f d m 系统存在如下的主要优点: 1 . o f d m 系统可以 有效地减小无线信道的时间弥散所带来的1 51，这样就减小了 接 收机内均衡的复杂度， 有时甚至不采用均衡器， 仅通过采用插入循环前缀的方法消除 151 的不利影响。 2 .ofdm系统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 此与常规的频分复用系统相比， o f d m 系统可以最大限 度地利用频谱资源。 3 .各个子信道中的这种正交调制和解调可以 采用ifft和f f方法实现。 采用数字 信号处理( dsp)技术和f ft快速算法，简化电路设计。 4 .无线数据业务一般都存在非对称性，而o f d m 系统可以 很容易地通过使用不同 数量的子载波来实现上行和下行链路中不同的传输速率。 5 .o f d m 系统可以 在某种程度上抵抗窄带干扰，同时可以通过动态比 特分配以 及 动态子信道分配的 方法，充分利用信噪比 较高的 子信道， 从而提高系统的性能。 但是o f d m 系统内由 于存在多个正交子载波， 而且其输出 信号是多个子信道信号的 叠加，因此与单载波系统相比，存在如下主要缺点: 1 .存在较高的峰 值平均功率， 对于非线性失 真比 较敏感。 2 .易受频率偏差影响， 对定时 偏差敏感。 o p d m 信号 在传输过程中出 现频率偏 移， 或者发 射机载波频率与 接收机本地振荡器之间 存在频率偏差， 或者符号定时不准， 都会使得o f d m系统子载波之间的正交性遭到破坏，从而导致子信道的 信号相互干 扰(i cl) ，这种对定时和频率偏差敏感是o f d m系统的主要缺点之一。 1 . 4 论文的主要工作 本论文从实际需要出 发，设计出了 基于f p g a的o f d m调制解调及同步系统， 出了 在理论上进行分析和在matlab中 进行仿真外， 还使用a l t era 公司的f p g a 开发 软件quar七 us h作了 设 计和仿真得到了理想的结果。 ， 硕士论文突发o f d m 同 步系统设计与实现 系统的设计模仿正 e e8 02. ll a 采用64路载波，1 /4个符号长度的 循环前缀。 参数 指标 如下: 系 统的 基带映 射 方式采 用q p s k ， 传 输比 特率为 4 m b p s ; f 盯模块设 计为 基 四的 6 4 点运算方式， 其数据输入输出时钟为2 . 5 阳2 ， 计算时 钟为1 0 阳2 ;中 频载波为 2. 5 州 h 之 ，基带成形滤波采用滚降系数为0 . 35的平方根升余弦滚降滤波器，接收端采 用同样的 平方根升余弦滤波器做接收匹配滤波器，并且采样率设为1 0 mhz 。接口 设计 为: 调制部分接口 为单路码流串 行输入、 单路己 调模拟中频信号输出， 解调部分接口 为单路已调中频模拟信号输入、单路码流串行输出。 论文的主要工作包括: 1 .介绍ofdm技术的基本原理、应用背景和发展方向。 2 ，从理论上分析各种同步误差对系统接收信号的影响，并且利用 施tlab 仿真 工具对其影响 作出仿真分析。 3 ，在对同步 误差影响 分析的 基础上， 给出了 应用在 工 eee802 ， l la系统中 实用 性强的 符号同 步及载波同 步的算法。 并对算法的性能 利用matlab 软件进行 了 仿真分析。 除此之外， 介绍了和分析了 在 i e ee 8 02. ll a 协议中 使用的 信 道估计方法ls算法。 4 ，给出了基于了ppga 的调制解调结构，重点介绍了其中的即t模块的fpg a 设计和实现. 并且，给出了 系统的硬件实现框图。 5 .在对同步方法分析的基础上， 介绍了 载波同步和符号同步的p l g a 设计实现。 并对fpga中 得到的数据与matlab仿真数据进行了比对。 其中 介绍的方法包 括利用c o r d lc算法实现的载波同步， 利用延迟自 相关实现的帧检测和符号 同步，利用本地互相关实现符号同步等方法。 本文的重点是ofdm帧检测与同步算法和频率粗同步算法的分析和他们的f p ga设 计与实现。 文章首先介绍了 一种帧检测算法， 给出了 相应的 f p g a 设计， 然后着重阐 述 了同步算法及相应的 f p g a 设计方案。 1 . 5 本章小结 本章首先分析了国内 外通信技术的 现状和发展趋势， 继而从实 用和符合国际 潮流 的角度出发， 结合现有的 科研条件确定了 本课题的 研究方向 并明 确了 本课题要完成的 任务和将要完成的任务。 另外本章还简单介绍了 一下o f d m的原理及其在应用时的 优点 和需要解决的 不 足，为本文以 后章节所要进行的介绍作了一个概括的归纳和明确方向。 硕士论文突发o f 洲同 步系统设计与实现 20 f d m原理及同步方法 o f d m的 基本原理是将串 行高 速数据流分割成大量的并行较低速率的数据流， 并 且在大量的 载波上同时 进行传输。 由 于是并行载波的低码率数据流， 符号的维持时何 变长， 因 此由 多径时 延扩展造成的时间弥散下降。 通过对每个o f d m 符号引入保护间 隔可以完全消除符号间干扰15 0 。在保护间隔内，o f d m符号周期性扩展可以避免载 波间干扰( icl)。 o f d m信号的产生过程以 及推理将在下面的章节中详细论述。 2 . i o f d m 基本原理 一个典型的带通o f d m信号 可以 记作以 下形式旧 : .k 5 ( t ) u( t ) =艺 艺x ， 尸” “ f.+“ 厂 )tr， (t 一 it) 0 t t 其他 ( 21 . 1 ) 仁冈、 一一 式 中 为 传 输 数 据 符 号 ， 它 在 第汁o fdm符 号 的 第k 个 子 信 道 上 传 输 ; fc为 载波频率; d 产 二 1 汀为子信道的频宽， 犷 = 万t ， 为 各个子信道上的 数据符号的周期时间， k 从 从式 ( 2 . 1 . 1) 中可得到o f d m信号的等效低通信号为: 目【 5 (t)二 艺 艺x， 沪 夕 汹 ilr(t 一 i t) ( 2 . 1 . 2 ) 1 . k 一 k 若令 5 ， ( t ) = 艺x ， : e 户 趟 ( 2 . 1 . 3 ) 则有 5 (t ) = 艺5 ， ( ， ) u ( t 一 it ) ( 21 4 ) 对5 ， (t)求傅 立叶 变换， 将 得到离 散的 频谱 (f)= 艺x，.洲厂 一 kaf) ( 21 5 ) 在 实 际的 信号 传 输时 ， 不 可 能 是 时 间 无限 的 ， 必 须 对5 ， (t)加 上 一 个 长 度为t 的 时间窗，从而得到 凡 ，. (t ) = 5 ， (t ) 认( t 一 it)( 2 1 . 6 ) 该信号不再是周期函数。 其时域波形如图2 ， 1 . 1 所示。 从以 上分析我们可以 知道连续 时间域的o f d m传输系统的 基带发送端结构，如图2 . 1 . 2 所示。 考虑式 ( 2 . 1 .2) 第1 =0个o f d m符号的情况，为分析方便，将其用基带等效信 号记和加入循环前缀后的发送基带等效信号为: 硕士论文突发o pi 翔同步系统设 计与实现 .e，盆 几da几 吕 。 赢 贯芍燕双。 图2 . 1 . 1非周期信号的时域波形 图21 . 2连续时间域o f 以信号的形成 5. (t)= 5 彻 (t)=艺 从创 娜 ， 艺x * e ，娜 ， 0t t( 21 . 7 ) t 。 (t)= ro.(t)=一 孔 t t ( 2 . 1 8 ) 如果将式 ( 2. 1 .6) 的信号以兀为采样周期对其进行采样得 、 一 畏 元 (t)l 、= 介 1人了 2 鱼 亩乞戈e扮 止， 众二名 刀 = 0 ，1 ， ， n-1( 21 .9 ) 式中拓 即 为 离散的 有 用基带等效 信号， 它以n为 周期， 可以 视作厦 瓜 的 离散傅立叶 变换 ( idf t )。 这里的idft 可以 使用f f t 来实现。同 样在接收端可以 利用f pt对 接收信号进行处理。 为防止在多径传播条件下icl 在o f d m系统中还引入了 独特的循环前缀， 再加入 了循环前缀后，发送的 基带等效信号为: 硕士论文 突发o fi 期同步系统设计与实现 咐= 艺艺 xl. gr (t 一 n 兀 刁 叽 阳 工 ) ( 21 . 1 0 ) 月 . 曰 . 日 份 凡 式 中 、 ， = 专 ti ，。 (t ， it- 。 凡月 去 口 飞 为 循 环 前 缀的 采 样 数目 小 乞 = 刃 干 凡为 一个o f d m符号 总 的 采 样 数目 ， 9 洲为 发 送端脉冲成形 滤波器的 响 应函 数。 从而可以 知道o f i ) m的实现框图如图2. 1 .3 : 图2 . 13基于r 门 ， 的0 日 加实现框图 2 . 2 同 步偏差对o f d m 信号的 影响分析 本小节在前一小节的基础上 样时钟相位偏差、 载波频率偏差 综合考虑了符号定时偏差、 载波相位偏差等对接收端 采样时钟频率偏差、 采 o f d m信号 解调带来的 影响。 为 方 便 起见， 下 文的 分析 暂时 不 考虑噪 声的 影响151 。 记接收 端 用于 恢 复 第1 个o fdm符号的 采 样点 序列为八 = 仇 人 1，二 八 枯 j ，根据上 述参数定义，有 硕士论文突发o f d m同步系统设计与实现 2 . 4 . 1 基于训练序列的符号 ( 帧)定时同步 由 于路径延时， 接收连续数据或突发帧时， 如果错误估计了 符号或帧的开始位置 ( 符号间 隔位置) ， 则会引起f ft窗口 的偏移， 引入数据误差。 根据使用的同步资 源 的不同， 符号 ( 帧) 定时同 步可以 粗略地分为数据辅助型和非数据辅助型两种。 下文 所讨论的都是基于 前者的阂 。 训练序列一般都具有较理想的相关特性，可以选择的对象包括伪随机pn序列、 而l s h 序列等， 也可以 是这些序列的某种组合， 并要求他们的包络尽量平稳， 并有利 于信号的 捕获。 训练序列的 一种特殊类型是全空符号， 接收机通过检测功率的降 低来 判断一个帧的开始， 但这个方法不适合突发数据传输系统， 因为空符号和两个突发数 图2 . 41 o f d m系统的同 步实现框图 据块之间的空闲时期是没有差别的， 无法依据功率的下降来检测帧的开始。 在突发数 据传输的 系统中， 帧同 步是系统第一个完成地同 步过程， 后续的 其他同 步过程都依赖 于其完成地质量。 训练 序列不同， 可选用的同 步方法也不尽相同， 这里还是以ie ee 8 0 2 . ll a 为 例，分析如 何利用训练序列实现o f d m的 帧同 步。 硕士论文突发o f 服同 步系统设 计与实现 在上文中己 经描述了工 e ee 8 02. l la系统的长短序列的形成。帧检测正是利用上 述的短 序列来完成的。 这里所使用的方法是延时相关算法。 它利用了短序列的周期性， 其实现框图 如图2. 4. 1 . 1 所示， 其中 滑动窗口c 计算接收信号和接收信号延时d个采 样点的 互相关系数， 延时d等于短序列的 周期 ( 此处为1 6) ; 滑动窗口p 计算接收 信号的 能 量。图2. 4. l i 中 的参数q 和几 通过下式计算得到 乙 【 几 = 艺 骊r* ( 2 . 4 . 1 1 ) 笔 几 =邑袱， = 习 输 ( 2 . 4 . 1 2 ) 式中l 为短序列的长度 ( 此处为1 6) 。 图2 . 4 . 1 . 1延时相关算法的 框图 帧检测的判决函数为 cn ， 叹 =丁钾万 气 只: f ( 2 4 . 1 . 3 ) 由于经过了归一化处理， 上述判决函数的大小与接收信号功率无关。图2 . n为 高斯白 噪声信道下和理想情况下延时相关帧检测的仿真结果， 其中上图信噪比s nr二 1 0 db，当数据帧开始接收时，判决函数风迅速跳变为最大值，并保持一个1 44点的 大平台，使得帧开始的位置得到不错的估计。 硕士论文突发o f 川 同步系统设计与实现 在图2 . 4 . 1 . 2 中， 从最大值下降到噪声 平台的 过程中， 有几个点的值较大， 甚至接近 于最大值， 从而影响 帧同 步的效果， 特别是在噪声 和干扰的 共同 作用下。 为 进一 步提 高帧同 步的精度， 可以 在上述帧检测的基础上将接收信号与本地存储的 短训练符号进 行互相关运算，以确定f 盯窗口的位置。 记本地存储的短序列为 s-shortl:j 舰 1.， ， l 一 ，互相关检测的判决函数为 书_ nzn= 乙乓 卡 月 5 i k 二 幻 一 ”rl 正1 ( 2 . 4 . 1 . 4 ) 式中l 为本地存储的短训练符号长度 ( 此处为16).图2. 4 . 1 . 3 中上图为多径信道下 的互相关检测的仿真结果，其中信道为功率相同的 六径，比 特信噪比为1 0 db时的 情况， 其中的绿线为没有经过归一化的 延迟自 相关曲 线， 而红线为本地自 相关的曲 线。 利用两个联合估计出f ft的开窗位置。 从图中 可以 看出第九个峰值处应该对应的是延 迟自 相关的平台开始下降处，16个符号后也就是f ft的开窗位置。图2 .4.1 .4是不同 信噪比下的检测概率. 在多径以及信.比为1 伪 . 时的植月 二:经 采样点 无.声和多径的位翻 刁!j朋 止的 上幼 j栩 杏翻 山助 8 d 叉禅点 图2 . 4.1 . 26 径高斯白噪声下检测 ( 上图为噪声情况:下图为理想情况) 2 . 4 . 2 基于训练序列的时 域频偏估计 发送端和接收端振荡器频率的不匹配性或因为热飘逸产生振荡频率的 抖动， 导致 接收中频信号或基带信号的相位与对应的发送信号之间存在相位差， 率偏差有关。 频率偏差量大， 相位差也大; 频率偏差小， 相位差也小 这种相位差与频 。 而且这种频差 硕士论文突发o fi 期同步系统设计与实现 对相差的 影响具有累加性， 前一个符号的相位差会直接传递给后一个符号。 对一般的 单载波系统来说， 载波频率同 步是通过锁相环来实 现的， 一般都能 达到所需的技术指 标。 但是多 载波系统和单载波系统有所不同， 他对频率偏移的的 校正要求要高的多， 为的 是能 保证子载波之间的正 交性。 这种情况下， 锁相环不能 很好地满足多 载波传输 系统的 要求， 他具有以 下缺点: 锁相环是通过回路反馈实现载波频率的同 步， 频率捕 获和频率跟踪都需 要一定的时间， 不适合高速数据传输系统; 即 使锁定的 情况下， 锁 相环输入信号与输出 信号间 还存在着一定的 相位差， 对正交频分复用系统来说， 虽然 可以 通过下一级的 信道估计和信道补偿来校正， 但是这样对信道估计和信道补偿模块 提出了 更高的要求1l。 根据使用的同 步资 源不同， 频率同步也可以 分为 数据辅助和非数据辅助两大类 型。下文 将分析的各种频率同步算法都属于前者。 1 . 基于训练序列的 时 域频偏估计 此处训练序列至少需要包括两个连续重复的符号。在发送时域数据信号儿时， 复的通频带等效信号为 在多径以 及信肠比为1 众 旧 时的 帕检. 公习 采样点 理想 情况核枪洲 、j.twej.wej.lresj加 下占的 节上翔 下上栩 甲上匆 下助 嫩团幽叨叫吐。 侧. 果样点 图2 . 4 . 1 . 3多 径情况下的 本地互相关 ( 上为多径高斯白 噪声情况; 下为理想情况) 硕士论文突发0 即m 同步系统设计与实现 口07654a2， do.众0.几以ddo- 份:岛.周 信 噪 比 ，db 图2 . 414多径情况下不同 信噪比的检测概率 5 二 二x 舌 e j z 叽kta 式中 几为 发 送载波频 率。 在 接收端， 在忽略噪 声的 情 况下， rk = x k e j z 硫 kt. e 一 j z kt，= x * 。 j z 耐 1 汾 ( 2 ，4 2 . 1 ) 复的基带等效信号为 ( 2 .4 .2 2 ) 式中 爪为接收 载波频 率 重复符号之间的延时为 ， 5 = 入 兀 ta = 从瓜 获) 兀为归 一化载波频率 偏差。 定义两个连续 d个采样点，符号的长度为l ，定义中间变量 一 z j 初乙 _ 12 d x x l-l艺k:0 rkrk + d 一j 兀 d e =en = 。 一 下 一 艺x * 1 ( 2 4 .2 .3 ) l-l艺k=0 一一 从而得到归一化载波频率偏差的估计值为 奋 = 一 竺 一 二 r(2.4.2.4) 2刃 d 频偏估计范围为1 ， n/2 几 以工 e ees o zl l a 为例， 若取其短序列为上述连续重复的符号，则牟 = 6 4 、 刀 =1 6 、 l =16， 因 此频偏估计范围 为1 君 t 后，各样值点之间又增加了一个0 点， 使信号 拖尾随时间延长而加速衰减。 这对消除码间干扰和减弱定时抖动很有利。 3 、升余弦 滚降 信号 在各取样点处的串 扰值始终为0 ，因 此它满足取样值无失真传输 条件。 以 越小， 波形拖尾的振荡起伏越大， 但传输所需要的带宽 减少，即频带利用 率 高; 反之， a越大， 拖 尾 振荡起伏越小， 传输所需要的 信道带宽 增大， 即 频带利用率 变低， 极限 情况是。 = 1 ， 此时的滚降 特性所占 带宽比a = 0 时 增加一倍， 这时其频带 利用率只有极限情况下的一半。 考虑到 接收波形在再生判决中 还要再进行取样才能实现无失 真传输， 而在实际 取 样时， 取样时 刻不可能 完全没有误差， 加之取样脉冲宽度不可能为 零， 因此， 为了 减 硕士论文突发o f 姗 同步系统设计与实现 少取样定时的脉冲所带来的 影响， a值不能取得太大， 通常 选择叱0 . 16。 本系统选用 的滚降系数为a = 0. 3 5. 对于 本系统， 基带 信号生成以 后，先要对它进行一次4 倍内 插， 数据速率达到 200k，以 便对基带信号进行信道成型滤波， 滤波器选择平方根升余弦成型滤波器， 其 中s r r c 滤波器的系数利用撇t l a b 的平方根升余弦滤波器系数设计函数: 9 = r cos ine( 1 ， 4 ， ， 介肠 ， 对 . ， 0 . 3 5)( 3 . 1 3 . 1 ) 生成。 经过平方根升余弦滤波器后信号仍然会存在码间串 扰， 但如果发送滤波器和接 收滤波器都是平方根升余弦滤波器，那么整个系统的输出 信号之间将不存在码间串 扰。 因为两个平方根升余弦滤波器正好组成了一个升余弦滤波器。 由这个函数设计出 的滤波器的幅频、相频响应如图3 . 1 .3 .2所示。 口二月几1【.1 ， ， ， 勺 一 ， ， 户 ， ， 分 ， ，苍愁忿乍三营是_ 一 一 一1- - - 一 - 一飞 丈 一 下 - - -一 - - - - - 一;一 一t - 一 . 下 - - .- -一 犷- - 一 - - .一 1一一 r. 一 -一， - - i 一 冲 自 污 甲补两沐一 :一 不 一 犷洋 一 j 吓 丫一丫 ! - 一 r. - . - . . 一!-. . 一， - 1 - - 一， 一 r! 一- - -. 一 .- . 一 一 !- . - - 一 里月毛1 峪.m州加口 月 叨 峥 . ，卜月 .岁别曰喇峋 . l 吕 留 一 !一 .ll - - - - . 气丫 妥一 一一下 、 r 户 .范.，氏 口. . . 已 .dr. 自 . . .奋 . 细 .曰翻州呻自， (a) 幅频、 相频响应 从图3. l 3 .3可以 看出， 在通过s rrc 滤波器之前， 信号频谱是无限宽的，它扩展 到了整个频带， 各个码元之间的 频谱都会产生馄叠， 而在经过了平方根升余弦滤波器 进行滤波之后， 信号的 频谱己 经被限制在了 某个范围之内。 实际上此时信号的带宽为 _1 +r_ 万 =人。 2 ( 3 . 1 . 3 . 2 ) 其中凡为 输入成型 滤 波 器的 码元 速率， r 为 所 用的 平 方 根升 余弦滤 波 器的 滚降 系 数。 硕士论文突发o fi 洲同步系统设计与实现 一 0_ 1 71 5 (b)冲激响应 图3. 1 .3. za= 0 . 35的s r r c滤波器的幅频、 相频响 应、冲激响 应 ， .12洲 】2 日刀月 口忽口月 j j 掣 图3. 1 .3. 3 通过s r r c滤波器前后的 信号 频谱对比( 频率单位一 侧2 ) 为了 节约 fpg a 的 资 源，以 及提高整个系统的 运算速度， 滤波器中的乘法运算全 用移位