（电路与系统专业论文）基于IEEE80211a标准的OFDM系统同步算法研究[电路与系统专业优秀论文].pdf

中文摘要 摘要 同步技术作为正交频分复用( o f d m ) 的关键技术之一，已经成为近年来研究的 热点。由于子载波间存在严格的正交性，多径衰落、多普勒频移的影响使得o f d m 对同步错误非常敏感，同步性能的优劣会对到0 f d m 系统性能造成直接的影响。 本文在系统分析同步误差对o f d m 影响的基础上，针对延时自相关定时同步算法 同步精度低的问题，提出了适用于8 0 2 1 l a 标准的改进定时相关算法。最后，对延 时自相关和e s c a 频率同步算法进行的研究，为增加频率捕获范围，本文提出了 利用8 0 2 1 1 a 前导短训练符号一个周期内前后部分的相关性进行频偏估计的频率粗 同步算法。 研究结果表明：( 1 ) 符号定时偏差只引起解调数据的相位旋转；抽样时钟偏差 会引起信号幅度衰减并造成信道间干扰；载波频率偏差引起信号幅度的衰减并破 坏子载波间的正交性，造成信道间干扰，带来较大的信噪比损失，是导致o f d m 系统性能严重下降的主要因素。( 2 ) 延时自相关定时同步算法能够较好的完成帧检 测和定时同步，但是不能准确确定o f d m 帧起始位置，定时误差较大。改进算法 增加相关窗口长度，在o f d m 帧起始位置形成单一的尖锐的相关峰值，提高了帧 检测概率和定时同步精度。( 3 ) 基于8 0 2 1 l a 标准频率同步算法分为频率粗同步和 细同步两个部分。延时自相关和e s c a 频率粗同步算法都利用短训练符号间的相 关性，最大频偏估计范围为6 2 5 k h z 。本文改进频率粗同步算法减小相关窗口宽 度，计算短训练符号内部的相关性，不但减少了计算量，而且将频偏估计范围扩 大到1 2 5 m h z ，满足了在频率捕获阶段捕获时间短、估计范围大的要求。最后 通过频率细同步算法对本文粗同步算法在频偏估计精度上的损失进行补偿。 改进定时同步算法提高了同步性能，增加的计算量在系统容忍范围内，且结构 简单，具有较好的实用性。本文频率粗同步算法结合频率细同步进行频率同步， 保证了频偏估计精度，但是在扩大估计范围，降低计算量，减小捕获时间的同时， 降低了对噪声的容忍力和抵抗多径干扰的能力。该频率粗同步算法经过进一步完 善，增强抗干扰能力后可用于8 0 2 1 l a 等o f d m 系统同步模块。 关键词：8 0 2 1 l a ，无线局域网，正交频分复用，同步，频偏估计 英文摘要 a b s t r a c t s y n c h r o n i z a t i o nt e c h n o l o g y , a so n eo ft h ek e yt e c h n o l o g i e si no f d m ，h a sb e c o m e t h eh o ts p o ti nr e c e n ty e a r s t h eo f d mi sm o r es 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 i t o r s b e c a u s eo fm u l t i - p a t hd e l a ya n dd o p p l e rs h i f t t h ea f f e c to fs y n c h r o n i z a t i o ne r r o r st o t h eo f d mr e c e i v e ri ss y s t e m a t i c a l l ya n a l y z e d b e c a u s et h ed e l a ya n da u t o - c o r r e l a t i o n t i m i n gs y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h i nh a st h ed r a w b a c ko fl o wp r e c i s i o n ，s oa l li m p r o v e d a l g o r i t h m ，w h i c hi ss u i tf o ri e e e 8 0 2 1 l as t a n d a r d ，i sp r e s e n t e d f i n a l l d e l a ya n d a u t o - c e r r e l a t i n na l g o r i t h ma n de s c ao o a l $ ef r e q u e n c yo f f s e te s f i m a t i o na l g o r i t h m ，a l e s t i l d i e d i no r d e rt oe x p a n dt h ef r e q u e n c yc a p t u r er a n g e ，a ni m p r o v e dc o a r s ef r e q u e n c y o f f s e te s t i m m i o na l g o r i t h mi sp r e s e n t e d ，w h i c hi sb a s e do nt h ec o r r e l a t i o no ff i r s th a l f a n ds e c o n dh a l f o f o n ec y c l i c a ls h o r tt r a i n i n gs y m b 0 1 t h er e s u l t ss h o wt h a t ：( 1 ) s y m b o lt i m i n ge r r o rc a u s e dp h a s er e v o l u t i o no n l y ； s a m p l i n ge r r o rl e a d s t os o t o n l ya m p l i t u d ed e c r e a s eb u ta l s o t h ei n t e r - c a r r i e r i n t e r f e r e n c e ( i c o ；c a r r i e rf r e q u e n c ye r r o rb r i n g sa m p l i t u d ed e c r e a s ea n do r t h o g o n a l i t y d e s t r u c t i o n , w h i c hc a u s et h ei c ia n dt h el o s eo fs n r s oo f d mi sm o s ts e n s i t i v et ot h e c a r d e rf r e q u e n c ye r r o r ( 2 ) t h ed e l a ya n da u t o c o r r e l a t i o nt i m i n gs y n c h r o n i z a t i o n a l g o r i t h mc a ng o o dc o m p l e t et h ef r a m ed e t e c t i o na n ds y m b o lt i m i n g b u ti t c a n t d e t e r m i n et h eb e g i n n i n go fo f d mf r a m ea c c u r a t e l y , s ob r i n gb i g g e re r r o r t h e i m p r o v e da l g o r i t h mm a k e st h eb e s tu s eo f t h es h o r tt r a i n i n gs y m b 0 1 i tc a l lg e to n es h a r p c o r r e l a t i o np e a k , a n dc a ni m p r o v et h ed e t e c t i o np r o b a b i l i t ya n dp r e c i s i o no fs y m b o l t i m i n g ( 3 ) t h ef r e q u e n c ys y n c h r o n i z a t i o nb a s e do n8 0 2 1 l as t a n d a r dd i v i d ei n t oc o a r s e a n df i n ef r e q u e n c yo f f s e te s t i m a t i o n i nt h ef i r s ts t a g e , t h ed e l a ya n da u t o c o r r e l a t i o n a l g o r i t h ma n de s c aa l g o r i t h mb a s e so nt h ei d e n t i t yo ft h ec y c l i c a ls h o r tt r a i n i n g s y m b o l s t h e i rf 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 ei sl e s st h a n 6 2 5 k h z t h ei m p r o v e d a l g o r i t h mr e d u c e st h ec o r r e l a t i o nw i n d o wl e n g t h ，c a l c u l a t e st h ec o r r e l a t i o ni n s i d eo n e c y c l i c a ls y m b 0 1 t h ea l g o r i t h mn o to n l yh a sl e s sc a l c u l a t i o n ，b u ta l s oe x p a n d st h e f r e q u e n c yo f f s e tr a n g et o 1 2 5 m h z d u r i n gt h ef r e q u e n c yc a p t u r es t a g e i ts a t i s f i e s t h er e q u i r e m e n to f l o wc a p t u r et i m ea n dw i d ec a p t u r ef r e q u e n c yr a n g e f i n a l l y , w i t ht h e h e l po f f i n 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 ，t h ef r e q u e n c yp r e c i s ei sa c q u i r e d a l t h o u g ht h ei m p r o v e dt i m i n gs y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h mb r i n g sm o r ec a l c u l g i o n ， i th a sc h a r a c t e r so fe x a c ts y m b o lt i m i n g , s i m p l ei ns t r u c t u r e t h ea l g o r i t h me n h a n c e s t h ep e r f o r m a n c e ，i ti ss u i tf o ra p p l i c a t i o n t 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 r i t h m ， i i l 重庆大学硕士学位论文 c o m b i n e dw i t ht h ei m p r o v e dc o a r s ef r e q u e n c yo f f s e te s t i m a t i o na l g o r i t h ma n df i n e e s t i m a t i o na l g o r i t h m ，c a l le n s u r et h ee s t i m a t i o np r e c i s e ，e x p a n dt h ee s t i m a t i o nr a n g e , r e d u c e st h ec a p t u r et i m e b u ti ti sm o r es e n s i t i v et ot h en o i s ea n dm u l t i p a t hd e l a y w h e na n t i - j a m m i n ga b i l i t yi si m p r o v e d ，t h ef i - 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 mc a l l a p p l y t oo f d m s y n c h r o n i z a t i o nm o d u l ei ni e e e 8 0 2 1l a k e y w o r d s ：8 0 2 1 l a , w l a n ，o f d m ，s y n c h r o n i z a t i o n , f r e q u e n c yo f f s e te s t i m a t i o n 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，也不包含为获得重废太堂 或其他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。 学位论文作者签名： 榔签字日期：印1 年f 月7 e l 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重庆太堂有关保留、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。本人授权重废太堂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() ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密( ) 。 ( 请只在上述一个括号内打“”) 学位论文作者签名：颥匀 签字日期：似m 7 年莎月7 日 名：嘶 签字日期：厕年f 月7 日 i 绪论 1 绪论 1 1 引言 世纪s 0 年代开始，以以太网( i e e e 8 0 2 3 ) 和令牌环网( i e e e 8 0 2 5 ) 为代表 的有线局域网得到了长足的发展。进入9 0 年代后，以无线局域网为代表的无线计 算机网络通信技术显示出越来越强劲的发展势头。1 9 9 0 年7 月，国际电子电气工 程学会( i e e e ) 成立i e e e 8 0 2 i i 无线局域网标准工作组，其目标在于创建无线局 域网标准，解决不同w l a n 设备之间的兼容性问题。该工作组在无线通信技术领 域相继推出了无线局域网i e e e 8 0 2 i i 系列标准。i e e e 8 0 2 i i 系列标准主要从 w l a n 的物理层( p h y ) 和媒体访问控制层( m a c ) 两个层面制定系列规范，物 理层标准规定了无线传输信号等基础规范，媒体访问控制层规定了在物理层上的 一些应用要求规范。i e e e 8 0 2 1 l 标准促使了中小型公司积极的进军无线网络产品 的生产领域，因为它们不必再投入大量资金进行产品的研究和开发，使所有生产 无线网络部件的公司都能从中受益。 i e e e 8 0 2 1 l a 是i e e e 8 0 2 i i 协议族中的一个高速标准版本，工作在5 g h z 频带， 物理层速率可达5 4 m b p s ，传输层可2 5 m b p s 。它采用正交频分复用( o f d m ) 调制技 术；可提供2 5 m b p s 的无线a t m 接1 3 和l o m b p s 的以太网无线帧结构接口，以及 t d d t d m a 的空中接口：支持语音、数据、图像业务；一个扇区可接入多个用户， 每个用户可带多个用户终端。 i e e e 8 0 2 1 l a 优势在于采用了正交频分复用方式来传输数据，有助于提高数据 传输速率和改进信号质量，并克服干扰。它利用许多并行的、低数据速率的子载 波来实现一个高数据速率的通信。由于每个子载波的速率比较低，则其码元的周 期相对较长，加上采用了循环前缀作为保护间隔，所以符号间干扰便可得到明显 减少。但是o f d m 系统中的存在一些关键技术，其中主要包括定时同步、信道编 码、信道估计、降低峰均比等。因为o f d m 系统对子载波是相互正交性有严格要 求，但定时同步的误差将破坏子载波的正交性，导致整个系统性能的急剧恶化， 所以定时同步技术对于o f d m 系统来说又显得尤为重要。本文着重研究在正交频 分复用系统中各种的同步算法，并提出了适合在i e e e 8 0 2 1 l a 协议环境下的同步算 法，加以仿真并研究其性能。 1 2 无线局域网的发展 无线局域网的发展是在蜂窝移动通信系统和有线局域网得以充分发展后，才逐 渐加快进程的。蜂窝系统具有移动灵活方便的优点，但是带宽较低，而局域网拥 重庆大学硕士学位论文 有较宽的带宽资源，却没有移动的灵活性。无线局域网正是二者完美的平衡点。 从概念上讲，无线局域网是指以无线信道作为通信手段，无线设备通过无线信道 进行资源共享和信息交换的局域网纠”。无线局域网的地理覆盖范围通常涵盖数十 米到数百米，可以应用在商务中心、图书馆、机场大厅、咖啡厅等地方。无线局 域网具有所有其他无线网络的一些共同的特征，相对于有线网络，无线网络具有 如下优点： 方便的连接方式和灵活的使用方式。由于免除了电缆的束缚，无线网络安 装使用的复杂度较之有线网络得以降低，而方便性得到了增强。无线网络易于扩 展，拥有多种配置方式，能够根据需要灵活选择。 降低了对建筑物和物理设施的依赖性，增加了网络技术的应用领域和范围。 在许多没有条件铺设有线网络的场合，无线技术却可以很方便的应用。 无线技术加强了通信的个人化，并且为多媒体应用和增值服务市场提供了 厂阔的平台，使得网络技术从单纯的商业和政府部门的应用进入到个人生活中。 无线局域网纵然有诸多优点，但目前无法完全取代有线的局域网，它存在以下 的局限性： 无线局域网的传输距离有限，受干扰的可能性比较大，因此没有有线网络 稳定可靠。 虽然i e e e 8 0 2 1 l a 及其后续标准由于高带宽能够提供最高5 4 m b p s 的速率， 但从实际应用来看，到目前为止，在国内最高传输速率为1 1 m b p s 的i e e e 8 0 2 1 1 b 仍然是w l a n 的主流标准。无线局域网设备之间的兼容性仍是亟待解决的问题。 在无线局域网中，尽管带宽得到了较大的提升，频率资源仍较为稀缺，无 线设备之间存在射频干扰问题。 以安全为首的应用瓶颈，也是对宽带无线技术的有力挑战。 正是无线局域网的技术特点决定了无线局域网的应用范围。目前，无线局域网 的应用已经十分广泛，如果将其应用划分为室内和室外的话，室内应用包括大型 办公室、车问、智能仓库、临时办公室、会议室、证券市场等；室外应用包括城 市建筑群问通信、学校校园网络、工矿企业厂区自动化控制与管理网络、银行金 融证券城区网、矿山、水利、油田、港口、码头、野外勘查实验、军事流动网、 公安移动网等。 1 3 不同局域网标准之间的比较 目前存在多种无线局域网标准，如i e e e 8 0 2 1l a 族，h i p e r l a n 2 ，h o m e r f 等。 这些标准都有各自的特点，其应用领域也不尽相同。 i e e e 8 0 2 1 1 是第一代无线局域网标准之一，主要用于解决办公室局域网和校园 1 绪论 网中用户与用户终端的无线接入。该标准定义物理层和媒体访问控制( m a c ) 规范， 允许无线局域网及无线设备制造商建立互操作网络设备，业务主要限于数据访问， 数据速率最高只能达到2 m b p s 。由于在速率和传输距离上不能满足人们的需求， 所以很快被i e e e 8 0 2 1 1 b 取代。 i e e e 8 0 2 1 l b 标准是在8 0 2 1 l 的基础上的补充和改进，增加了5 5 m b p s 和 l1 m b p s 两种更高的通信速率，规定w l a n 工作频段在2 4 2 4 6 3 5 g h z ，传输距离 控制在5 0 - - 1 5 0 英尺。该标准采用补偿编码键控( c c k ) 调制方式，采用点对电模 式和基本模式两种运作模式，在数据传输速率方面可以根据实际情况在不同速率 间自动切换，并向下兼容8 0 2 1 1 。8 0 2 1 l b 已经成为当前主流的w l a n 标准，被多 数厂商采用。 1 9 9 9 年i e e e 还制定完成了i e e e 8 0 2 1 l a ，该标准规定w l a n 工作频段在 5 1 5 巧8 2 5 g h z ，数据传输速率达到5 4 m b p s ，传输距离控制在1 0 1 0 0 m 。8 0 2 i l a 标准的设计初衷取代是8 0 2 1 l b 。然而，2 4 g h z 频带属于公开的，不需要执照：而 工作于5 1 5 5 8 2 5 g h z 频带需要申请和审批。 目前较新的是8 0 2 1 l g 标准，该标准提出拥有8 0 2 1 l a 的传输速率，安全性较 8 0 2 1 l b 好，采用两种调制方式，含8 0 2 1 l a 中采用的o f d m 和8 0 2 1 i b 中采用的 c c k ，做到与8 0 2 1 l a 和8 0 2 1 l b 兼容。 高性能局域网( h i p e r l a n 2 ) 是欧洲电信标准化协会( e t s i ) 针对欧洲市场制定的 较完善的无线局域网协议。在物理层上h i p e r l a n 2 和8 0 2 1 1 a 几乎完全相同；采 用o f d m 技术，最大数据传输速率为5 4 m b p s 。h i p e r l a n 2 标准详细定义了w l a n 的检测功能和转换信令，用以支持许多无线网络，并支持动态频率选择、无线信 元转换、链路自适应、多束天线和功率控制等。它和8 0 2 1 l a 最大的不同是 h i p e r l a n 2 不是建立在以太网基础上的，而是采用t d m a 结构，形成一个面向连 接的网络。h i p e r l a n 2 标准是对目前无线接入系统的补充，与其他蜂窝系统比较， 它的户外移动性虽然受到限制，但适用面广，可在典型的应用环境如办公室、家 庭、机场、火车站等热点地区，向终端用户提供高速数据传输。 h o m e r f 技术是为了满足家庭用户独特网络应用而开发设计的，旨在家庭范围 内，使计算机与其他电子设备之间实现无线通信的开放性工业标准，适用于小公 司或家庭组建小无线局域网。h o m e r f 有效工作区域在1 5 0 英尺的范围内，采用跳 频扩频技术，工作频率为2 4 g h z ，支持高质量的语音和数据业务。 在众多无线局域网的标准中i e e e 8 0 2 1 l a 无疑是一个研究热点，尽管8 0 2 1 l a 和8 0 2 1 i b 产品非常相似，但是8 0 2 1 l a 采用了正交频分复用( o f d m ) 方式来传输数 据，代替了8 0 2 1 1 b 的直接序列扩频( d s s s ) 。可以在整个覆盖范围内提供了更高的 速度和更好的信号质量，根据选用的信道编码速率和调制方式的不同组合，信息 3 重庆大学硕士学位论文 数据传输速率可达6 5 4 m b p s ，比任何其他w l a n 解决方案都更快。另外8 0 2 1 l a 工作在5 g h z 频带，该频带的使用者较少，因此，干涉和信号争用情况也较少。虽 然8 0 2 1 l a 未能得到广泛采用，但是对它的研究，有利于掌握无线局域网技术，研 发适合移动高速接入的新型网络产品，加大我国自主知识产权和技术的开发力度。 1 4o f d m 技术简介 4 0 多年前，c o l l i n sk i n e p l e x 就提出了多载波传输原理，即将串行传送的数据 分成若干个数据流，分别调制到不同的载波上进行并行传输【2 1 。正交频分复用 ( 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 ) 技术的应用可以追溯到上世纪六十年 代，主要用于军用高频通信系统，例如k 1 n e p l e x ，a n d e f t 和k a t h r y n 。但 是，早先的o f d m 系统的结构非常复杂。对大量的子信道而言，串行系统所要求 的正弦阵列发生器和相应解调器过于昂贵和复杂，接收器需要解调载波的精确相 位和采样率，来使子信道间可以相互通信，限制了其进一步推广。直到7 0 年代， w e i n s t e i n 和e b e r t 将d f t 用于串行数据传输系统的调制解调处理部分，简化了系 统结构，使得o f d m 技术更趋于实用化【3 1 。p e l e d 和r u i z t 4 1 于1 9 8 0 年提出了循环 前缀c p ( c y c l i cp r e f i x ) 的概念。他们不是在符号问插入空的保护间隔，而是插入 o f d m 符号的周期扩展。这种做法有效的将信道和传送符号间的线性卷积近似成 循环卷积，当循环前缀长度大于信道冲激响应时，o f d m 子信道之间仍保持很好 的正交特性。尽管这会造成一定程度的能量损失，且能量损失正比于循环前缀长 度，但可以有效消除信道见干扰( i c d ，这种能量损失是可以接受的。8 0 年代，o f d m 技术被研究用于高速调制解调器，数字移动通信等领域。1 9 8 7 年，欧洲采用了 o f d m 技术应用于数字语音广播系统。进入九十年代以来，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，o f d m 作为一种宽带无线传输技术的优势 很突出，而且可以利用有效的新技术去修正和弥补o f d m 的固有缺点，因而被广 泛应用于民用通信系统中。 因为o f d m 技术可以有效的消除信号多径传输所造成的码间干扰( i s i ) 现象， 所以在移动通信中的运用也是大势所趋【5 1 。同时，随着个人移动多媒体接入业务需 求的不断增长，人们认识到第二代移动通信系统并不能满足数据通信宽带接入的 需要，而第三代移动通信系统对于高速数据业务来说，又存在着较大的缺陷：对 于单载波t d m a 系统来说，因为高速数据流的符号宽度短，符号问存在着严重的 符号间干扰，这对接收机均衡器的设计提出了很高要求。而c d m a 系统也因为扩 频增益和数据速率之间的矛盾，闭环功率控制对于分组业务存在较大时延，多址 干扰严重等问题不能真正适合为用户提供宽带多媒体业务接入。在新一代3 g 系统 中，o f d m 由于本身具有抗频率选择性信道影响，频谱利用率高等特点而引起了 4 1 绪论 高度关注。随着人们对通信数据化、宽带化、个人化和移动化需求的不断提高， o f d m 技术在综合无线接入领域将得到越来越广泛的关注。i e e e 8 0 2 1 l a 采用了 o f d m 调制技术并将其作为的物理层标准，此后，e t s i ，b r a n 以及m m a c 也 纷纷采用o f d m 作为其物理层的标准【5 】。此外，o f d m 还易于结合时空编码、分 集、干扰抑制以及智能天线等技术，最大程度地提高物理层信息传输地可靠性。 如果再结合自适应调制，自适应编码以及动态子载波分配，动态比特分配等技术， 其性能可以进一步得到提高。总而言之o f d m 技术市场前景广阔，已经成为下一 代无线通信的主要技术之一。 o f d m 系统存在如下的主要优点： 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i s i ，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i s i 的不利影响。 o f d m 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。 各个子信道中的这种正交调制和解调可以采用i f f t 和f f t 方法实现。采 用数字信号处理( d s p ) 技术和f f t 快速算法，简化电路设计。 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。 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。 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： 存在较高的峰值平均功率，对于非线性失真比较敏感。 与单载波系统相比，由于o f d m 信号是由多个独立的经过调制的子载波信号 相加而成的，这样的合成信号就有可能产生比较大的峰值功率，也就会带来较大 的峰值功率与均值功率之比，简称峰均值比( p a p r ) 。高峰均值比会增大对射频放 大器的要求，导致射频信号放大器的功率效率降低。 易受频率偏差影响，对定时偏差敏感。 o f 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 c i ) ，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。 5 重庆大学硕士学位论文 1 5 论文研究内容和结构 本文为“宽带无线接入终端的射频及基带处理部件设计和实现”的前期研究课 题。研究目标是研发基于i p v 6 的宽带无线接入领域的，具有自主知识产权的技术， 包括支持i p v 6 的基于i e e e 8 0 2 1 1 a 协议的无线通信射频和基带处理核心部件设计 技术，提供具有自主知识产权的可量产化的无线通信基带和r f 处理器件组和无线 手持终端的参考方案。使我国掌握具有自主知识产权的无线宽带网核心技术，从 而打破国外大公司大集团在无线宽带网技术上垄断性优势，提升我国在国际上的 综合竞争力。 本文主要研究的是高速无线局域网8 0 2 1 l a 系统中基于数据辅助原理的同步算 法。利用仿真软件m a t l a b 搭建系统仿真平台，实现i e e e 8 0 2 1 l aw l a n 系统物理 层的数据编码调制、发送、信道传输、接收、同步和解调等功能。并根据i e e e s 0 2 1 l a 协议中前导序列的特殊结构，提出定时同步和频率同步改进算法，在仿真平台上 对改进算法进行仿真分析。论文主要内容包括八章，其中第一章绪论，主要介绍 无线局域网和o f d m 技术的发展历史和应用现状；第二章简要介绍了o f d m 的数 学原理和关键技术；第三章分析无线信道的传播特征和非理想同步对系统的影响； 第四章介绍8 0 2 1 l a 协议物理层帧结构及仿真平台的搭建；第五章分析各种同步错 误对o f d m 系统性能的影响，并介绍了已有o f d m 算法的分类；第六章研究基于 短训练序列的定时同步算法；第七章研究基于8 0 2 1 l a 前导序列的粗频率同步和细 频率同步算法；第八章总结全文工作，并为进一步的研究提出建议。 6 2o f d m 原理及其关键技术 2o f d m 原理及其关键技术 2 1o f d m 系统基本模型 一个o f d m 符号之内包含多个经过调制的子载波的合成信号，其中每个子载 波都可以受到相移键控( p s k ) 或者正交幅度调$ 1 j ( q a m ) 符号的调制。如果表示子 信道的个数，丁表示o f d m 符号的宽度，d ，( i = 0 , 1 n 1 ) 是分配给每个子信道 的数据符号。当h i 2 i 对r e c t ( t ) = 1 ，则从t = t s 开始的o f d m 符号复等效基带信 号可以表示为1 6 ： 啪= 篓d i r e “( 一身d 伽扣r 铎嘲+ r s 婶) = ot f j + r ( 2 1 ) j ( f ) 的实部虚部分别对应于o f d m 符号的同相和正交分量，在实际中可以分别 与相应子载波的s 和s i n 分量相乘，构成最终的子信道合成o f d m 符号。设，：是 第0 个子载波的载波频率，则发射的o f d m 符号表示为： 娟) = k 謦n - i r e 甜( 。一身d ，z 如+ 护。) ) 钳丁 j p j = 0t+r(22) 式中z = 丘+ 矿r 表示第i 个子载波的载波频率。在理想环境中，传输过程没有 干扰，在接收端收到的( f ) 信号经过高频解调后可以还原基带信号s ( f ) 。 o f d m 信号的频谱是一组s i n e 函数，函数的零点出现在频率的整数倍位置上， 如图2 1 所示。因为o f d m 系统要求各子载波之间有严格的正交性，所以一个 o f d m 符号内每一个子载波都包含了整数倍个周期，而且相邻子载波之间相差一 个周期，即： ；r 唧魄r ) e x p ( - 帆r = 惦：i ： ) 7 重庆大学硕士学位论文 图2 1o f d m 符号频谱示意图 f i g2 1f r e q u e n c ys p e c t r ao f o f d ms y m b o l 如图2 1 ，于是对式( 2 1 ) 的第k 个子载波进行解调，在时间长度为t 内进行积分， 即： 珏e x p ( 叩石争) ) , , v - ir 吲( 一吾) c x 忙争归 = 7 1n 刍- 1 d ，厂d 叩石竽h ) 出 亿4 ) = d t 由式( 2 3 ) 可知，对于f k 的子载波，在积分间隔内，频率偏差( f 一七) r 可以产生整 数倍个周期，所以积分为零。因此式( 2 4 ) 通过积分的方法可以对第k 个子载波进行 解调恢复出数据符号d 。 ”支 刮竺竺p _ + 迭卜 描 p s d 、| e 鲰 占o ) 静 s 伊 +古 “，广。 蟮薄 静 图2 2o f d m 系统基本模型框图 f i g2 2m o d e lo f t h eo f d ms y s t e m 假设出现频率偏移，予载波不能保持正交性，则不能满足式( 2 3 ) ，那么就不能 2o f d m 原理及其关键技术 正确解调，由此可以看出频率同步技术对o f d m 的重要性。图2 2 给出了o f d m 系统的基本模型框图。 2 2o f d m 中的关键技术 2 2 1 循环前缀和保护间隔 o f d m 系统通过把输入的比特流串并转换到个子信道中，使得每个用于调 制子载波的数据符号周期可以扩大为原始数据符号周期的倍，因此时延扩展与 符号周期的比值也降低了倍。为了最大限度的消除多径时延扩展引起的符号间 干扰，可以在每个o f d m 符号之间插入保护间隔( g u a r di n t e r v a l ) t n ，而且保护间隔 长度大于无线信道的最大时延扩展，这样一个符号的多径分量就不会影响到下 一个符号造成码间干扰。z 为码元间隔，毛为f f t 周期，疋为保护间隔，它们之 间的关系可以表示为： = 瓦+ t ( 2 5 ) 设z 为采样起点，f 一为最大多径延时，只要满足： t w x b w 即要求信道为平坦衰落信道。从时域上讲，就是要求码元周期大于最大时延扩 展f 一，如果接收机中没有均衡器的话，信道的相干带宽就决定了传输速率的上限。 此外，虽然频率非选择性信道的衰落与频率无关，但它仍是随时间变化的时变信 道，其衰落取决于相干时间或多普勒扩展。平坦衰落信道最常见的幅度分布是瑞 利( r a y l e i g h ) 分布。 另外一种情况是，如果信号带宽大于信道相干带宽，传输信号中的不同频率分 量的衰落就会不同，从而产生频率选择性衰落，即某些频率成分信号的幅值被加 1 6 3 无线信道传播特征 强，而另一些频率成分信号的幅值被衰减。这种信道称为频率选择性信道，信道 冲击响应具有多径时延扩展，接收信号中包含经历了不同衰减和时延的多径波形 的叠加，因此接收信号会产生失真。 3 4 3 多普勒扩展和相干时间 时延扩展和相干带宽是用于描述本地信道时间色散特性的两个参数。然而，它 们并未提供描述信道时变特性的信息。这种时变特性或是由发射机和接收机的相 对运动引起的，或是由信道路径中物体的运动引起的。多普勒扩展和相干时间就 是描述小尺度内信道时变特性的两个参数。 j s f i g3 2d o p p l e rs h i f t 当设备在运动中进行通信时，接收信号的频率会发生变化，称为多普勒效应， 这是任何波动过程都具有的特性。多普勒效应所引起的附加频率偏移可以称为多 普勒频移( d o p p l e rs h i f t ) 。如图3 2 ，当移动台以恒定速度v 在长度为d ，端点为x 和y 的路径上运动时，收到