（电路与系统专业论文）特高频甚高频频段ofdm无线通信系统中同步技术的研究及fpga实现.pdf

i 1 。i 甫开大学非公开学位论文证明 i i i ii i ii i ii i i ii iii iiii 17 9 8 1 8 0 学号：z fz d o 夕p z 中中 姓名：童w 经杰- 、i 论文题目：哮葛顿甚高顿叛段9 p m 元缓通信采统一产周专赫的研究疋f 6 码宓冼 不宣公开原因( 请在口中选择) ： 、rl 、申请专利或技术转让。密级：内部 口2 、保密科研项目或课题。密级：秘密或机密 口3 、其它( 请说明) 保密期限： 内部年( 请填写保密年限，3 年) 秘密 乡年( 请填写保密年限，5 年) 细哆歹 如1 3 ，歹 机密年( 请填写保密年限， 1 0 年) 绝密年( 请填写保密年限，2 0 年) 注意：1 、非公开论文电子版全文亦需要在网上提交。呈交当年，在校园网上提供论 文目录检索、文摘浏览以及论文全文部分浏览服务( 论文前1 6 页) 。保密 期限过后，允许校园网上的读者浏览并下载全文。 2 、请在印刷本封面右上角注明具体密级和保密期限。 导师签字： 关心蚋， 单位负责人签字： 单位盖章： 日期：年月日 分类号： 密级： 学校代码：1 0 0 5 5 学号：2 1 2 0 0 5 0 2 4 4 论文题目： 特高频甚高频频段o f d m 无线通信系统 中同步技术的研究及f p g a 实现 s t u d ya n df p g ai m p l e m e n t a t i o no fs y n c h r o n i z a t i o ns c h e m e s o fo f d m b a s e dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m i 1 1v h f 八正匝b a n d 培养院系：信息技术科学学院通信工程系 一级学科：电子科学与技术 二级学科：电路与系统 论文作者：袁佳杰 指导教师：吴虹副教授 南开大学研究生院 2 0 0 8 年5 月2 0 日 南开大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解南开大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：耔茎奎 o oo 亨年争月2 f 日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在n 年解密后适用 本授权书。 指导教师签名： 关恤 学位论文作者签名： 震绣泰 解密时间： 2 0f 弓年s月25 日 各密级的最长保密年限及书写格式规定如下： 南开大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名： 表儆、 l o o 占 年5 - 月2 f 日 摘要 摘要 本文对正交频分复用( o f d m ) 系统中的同步技术进行较详细的研究与分析， 针对实际应用在甚高频和特高频频段内设计了一个以里德一索罗蒙( r s ) 编码、 多进制正交幅度调制和傅立叶变换为核心的基带无线通信系统，研究并选择了 适合该系统的基带同步算法，并利用f p g a 芯片对该系统的同步算法进行硬件 实现，为最终在1 9 5 k h z 带宽( 未含保护频带) 内能够实现有用信息传输速率为 6 7 5 k b i t s 、有效频带利用率为3 4 6 b i t s h z 的实时通信奠定了较好的基础。 本文主要目标是理论研究，软件仿真及硬件实现正交频分复用通信系统的 同步算法。经过大量分析和比较，我们采用了其中一些低复杂度但性能仍然较 好的帧同步，符号定时同步和频率同步方案。针对本系统的特点，我们对以上 几种算法均进行了改进，降低了运算的复杂度和误符号率，仿真结果表明，运 用这些同步方法以后，在信噪比2 5 分贝时，误比特率低于1 0 一，满足系统的设 计要求。 本系统同步算法的硬件实现分帧同步，小数频偏估计和补偿，整数频偏估 计和补偿三部分。在第一部分中，通过两个启动时间不同的模块分别寻找两帧 中的最小能量比值，通过最小值的位置来判断帧起始位置，然后将完整的帧信 号交替输出，达到了不间断的提供有效数据的效果。接下来我们将坐标旋转数 字计算机( c o r d i c ) 算法和快速傅立叶变换( f f t ) 算法应用到后两部分中。 通过对基四算法和基二算法占用资源进行比较，选择适合本系统的基二频率抽 取算法。在反正切与频偏补偿算法中，采用了时分复用结构的坐标旋转数字计 算机算法，同使用纯组合逻辑来实现该算法相比，节约了大量可编程资源，提 高了运算精度。经过多方面的优化，最终在f p g a 芯片e p 2 c 2 0 中占用了不到一 半的可编程资源实现了帧同步及频率同步算法。 关键词：正交频分复用频率同步符号定时同步帧同步现场可编程门阵列 a b s t r a c t a b s t r a c t t h es y n c h r o n i z a t i o nt e c h n i q u e si no f 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 n m u l t i p l e x i n g ) m o d u l a t i o na r ef u l l ys t u d i e di nt h i sp a p e r f o rp r a c t i c a la p p l i c a t i o n s ， w ed e s i g nas y s t e mi n c l u d i n gr sc o d i n g , m q a ma n df f t i f f ti n fa n du h f f r e q u e n c yb a n d w em a k eb s eo fo n ef p g ac h i p t or e a l i z et h eb a s e b a n d s y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h m s ，w h i c ha r ep r o v e nt of i tt h ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m i tc a n f u l l ys u p p o r tt h er e a lt i m ec o m m u n i c a t i o ns y s t e mw h o s es p e e di s6 7 5 k b i t s w i t h f r e q u e n c ye f f i c i e n c yo f 3 4 6 b i t s h zi n19 5 k h zb a n d w i d t h t h em a i na i mo ft h i sp a p e ri st or e s e a r c ht h et h e o r y , d os o f t w a r es i m u l a t i o n sa n d r e a l i z et h es y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h m sf o rt h eo f d ms y s t e m a f t e rm a n ya n a l y s e s a n dc o m p a r i s o n s ，w et a k es o m el o w - c o m p l e x i t ya n dg o o dp e r f o r m a n c es c h e m e sf o r f r a m es y n c h r o n i z a t i o n ，s y m b o lt i m i n gs y n c h r o n i z a t i o na n df r e q u e n c ys y n c h r o n i z a t i o n a c c o r d i n gt o t h ec h a r a c t e r i s t i c so fs y s t e m ，w em a k ei m p r o v e m e n t so nt h et h r e e a l g o r i t h m s ，d e p r e s s i n gt h ec a l c u l a t i o nc o m p l e x i t ya n ds y m b o le r r o rr a t e a f t e ru s i n g t h e s es y n c h r o n i z a t i o nm e t h o d s s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h es y s t e mb e ri sl e s s t h a n10 一w h e ns n ri s2 5 d b ，f u l f i l lt h er e q u i r e m e n t so fs y s t e md e s i g n t h eh a r d w a r er e a l i z a t i o no ft h es y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h md i v i d e si n t ot h r e e p a r t s ：f r a m es y n c h r o n i z a t i o n , f r a c t i o n a la n di n t e g e rf r e q u e n c yo f f s e te s t i m a t i o na n d c o m p e n s a t i o n i nt h ef i r s tp a r t ，w ef i n dt h em i n i m u me n e r g yr a t i oi nt w of r a m e sd a t a u s i n gt w om o d u l e st h a ts t a r ta td i f f e r e n tt i m e ，a n de s t i m a t et h eb e g i n n i n go faf r a m e b yt h em i n i m u m r a t i o t h e nt h ew h o l ef r a m ed a t aa r eg i v e nb ya l t e r n a t eo u t p u t s ，t h u s t h en o n s t o pd a t at r a n s m i s s i o ni sa c h i e v e d w ea p p l yc o r d i ca l g o r i t h ma n df f t a l g o r i t h mi nt h er e m a i n i n gp a r t s a f t e rc o m p a r i s o no ft h e r e s o u r c ec o n s u m p t i o n b e t w e e nr a d i x f o u ra n dr a d i x t w oa l g o r i t h m s ，r a d i x t w od e c i m a t i o ni nf r e q u e n c y a l g o r i t h mi s c h o s e nb e c a u s ei ti sa p p l i c a b l ef o r t h es y s t e m i nr e a l i z a t i o no f a r c t a n g e n ta n df r e q u e n c yo f f s e tc o m p e n s a t i o na l g o r i t h m ， w eu s et i m ed i v i s i o n m u l t i p l e x i n gs t r u c t u r ec o r d i ca l g o r i t h mw h i c hc a n s a v em o r ep r o g r a m m a b l el o g i c e l e m e n t sa n db r i n gb e t t e rc a l c u l a t i o np r e c i s i o nt h a nc o m b i n a t i o n a ll o g i cs t r u c t u r e i i a b s t r a c t m a n yo p t i m i z a t i o n sh a v eb e e na p p l i e da n df i n a l l yw eu s el e s st h a nh a l fo ft h e p r o g r a m m a b l er e s o u r c e si ne p 2 c 2 0f p g ac h i pt oa c c o m p l i s ht h em i s s i o n k e y w o r d s ：o f d m ，f r e q u e n c ys y n c h r o n i z a t i o n ，s y m b o lt i m i n gs y n c h r o n i z a t i o n ， f r a m es y n c h r o n i z a t i o n ，f p g a i i i 目录 目录 第一章引言1 第一节o f d m 技术基本原理1 第二节o f d m 技术的主要优缺点4 第三节关于本文。5 第二章o f d m 无线通信系统的同步技术性能研究6 第一节o f d m 无线通信系统同步技术概述6 第二节三种主要的偏差对o f d m 系统性能的影响7 2 2 1 符号定时偏差对o f d m 系统的影响7 2 2 2 载波频率偏差对o f d m 系统的影响9 2 2 3 采样频率偏差对o f d m 系统的影响1 0 第三节o f d m 无线通信系统常见同步算法性能研究1 1 2 3 1 定时同步1 1 2 3 2 利用循环前缀实现定时同步1 2 2 3 3 利用导频序列实现定时同步1 4 2 3 4 频率同步1 5 第四节本章小结1 5 第三章o f d m 无线通信系统方案设计及同步算法性能仿真1 6 第一节无线信道特性对o f d m 系统的设计要求1 6 3 1 1 多普勒效应1 6 3 1 2 多径延迟扩展和与循环前缀。1 7 第二节o f d m 无线通信系统的基带参数设计1 7 3 2 1 系统设计目标与系统基本参数的制定1 7 3 2 2i f f 阶f t 和m q a m 点数的确定1 8 3 2 3 帧结构的设计及信道编码选择1 9 t v 目录 第三节同步算法的设计和仿真2 1 3 3 1 帧同步2 1 3 3 2 符号定时和小数倍频偏估计2 2 3 3 3 整数倍频偏估计2 6 第四节本章小结3 2 第四章o f d m 无线通信系统同步技术的硬件实现算法研究3 3 第一节c o r d i c 算法3 3 4 1 1c o i t d i c 算法概述3 3 4 1 2c o r d i c 算法的推导3 4 4 1 3 扩大c o r d i c 算法的估计范围3 6 第二节f f t 算法3 6 4 2 1f f t 算法概述3 6 4 2 2f f t 算法的推导3 8 4 2 3 蝶形单元3 9 第三节p n 序列与相关算法4 1 4 3 1 相关运算的基本原理4 1 4 3 2 复数p n 序列在系统中的应用4 3 第四节本章小结4 5 第五章o f d m 无线通信系统同步技术的f p g a 实现4 6 第一节同步方案所选器件及电路原理图分析4 6 第二节帧同步算法5 0 5 2 1 基带信号的a d 转换模块5 0 5 2 2 补码转换为原码5 3 5 2 3 串并转换5 4 5 2 4 找帧头模块5 4 第三节小数倍频偏的估计和补偿5 8 5 3 1c o r d i c1 部分5 8 v 目录 5 3 2c o r d i c 2 部分6 1 5 3 3 小数频偏估计和补偿模块6 3 第四节整数倍频偏的估计和补偿6 6 5 4 1f f t 部分6 6 5 4 2c o r d i c 3 部分7 0 5 4 3 整数频偏估计和补偿模块7 l 第五节基带系统的f p g a 实现7 5 5 5 1 音频信号编解码器的控制7 5 5 5 2 扰码与解扰7 7 5 5 3 二进制与多进制转换7 7 5 5 4r s 编解码7 9 5 5 5 交织与解交织8 l 5 5 6q a m 调制解调一8 2 5 5 7i f f t 与f f t 8 2 5 5 8d a 与a 仍控制8 3 第六节本章小结8 5 第六章总结8 6 第一节全文总结8 6 第二节工作展望8 8 参考文献9 0 致谢9 2 附录9 3 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果9 7 v i 第一章引言 第一章引言 第一节o f d m 技术基本原理 o f d m 技术属于多载波调制( m u l t i - - c a r r i e rm o d u l a t i o n ，m c m ) 技术，见 图1 1 。m c m 与o f d m 常用于无线信道，它们的区别在于：o f d m 技术特指将 信道划分成正交的子信道，频道利用率高；而m c m ，可以是更多种信道划分方 法。 幅 度 錾 频率矽， 频率 图1 1 单一载波系统与多载波系统 o f d m 技术的推出其实是为了提高载波的频谱利用率，或者是为了改进对 多载波的调制，它的特点是各子载波相互正交，使扩频调制后的频谱可以相互 重叠，从而减小了子载波间的相互干扰。在对每个载波完成调制以后，为了增 加数据的吞吐量、提高数据传输的速度，它又对所有将要被发送数据信号位的 载波进行合并处理，把众多的单个信号合并成一个独立的传输信号进行发送。 另外o f d m 之所以备受关注，其中一条重要的原因是它可以利用离散傅立叶反 变换离散傅立叶变换( i d 肿f t ) 代替多载波调制和解调。 o f d m 增强了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个链路不可用，但在多载波的o f d m 系统中，只 会有一小部分载波受影响。此外，纠错码的使用还可以帮助其恢复一些载波上 的信息。通过合理地挑选子载波位置，可以使o f d m 的频谱波形保持平坦，同 时保证了各载波之间的正交。 在传统的频分复用系统中，各载波上的信号频谱没有重叠，以便接收机能 】 第一章引言 用传统的滤波器方法将其分离、提取，这样做的最大缺点是频谱利用率低，造 成频谱浪费【1 1 。o f d m 允许子载波频谱部分重叠，只要满足子载波间相互正交则 可以从混叠的子载波上分离出数据信息。当载波间最小间隔等于符号周期倒数 的整数倍时，可满足正交条件。为了提高频谱效率，一般取最小间隔等于符号 周期的倒数。o f d m 的信号频谱如图1 2 所示。 图1 2 0 f d m 信号频谱图 o f d m 尽管还是一种频分复用( f d m ) ，但已完全不同于过去的f d m 。 o f d m 系统相对于f d m 系统所节约的频带宽度见图1 - 3 。 魄l伤2c 粘c l t _a 5馐6e 1 1 7c 1 sc l i 摩c i i 1 0 频率 厂一节约的带宽- l l 频率 l 图1 3o f d m 系统相对与f d m 系统所节约的带宽 o f d m 的接收机实际上是通过f f t 实现的一组解调器。它将不同载波搬移 至零频，然后在一个码元周期内积分，其它载波信号由于与所积分的信号正交， 因此不会对信息的提取产生影响。o f d m 的数据传输速率也与子载波的数量有 关。 o f d m 每个载波所使用的调制方法可以不同。各个载波能够根据信道状况 的不同选择不同的调制方式，比如b p s k 、q p s k 、8 p s k 、1 6 q a m 、6 4 q a m 等 2 第一章引言 等 2 】，以频谱利用率和误码率之间的最佳平衡为原则。我们通过选择满足一定误 码率的最佳调制方式就可以获得最大频谱效率。无线多径信道的频率选择性衰 落会使接收信号功率大幅下降，经常会达到3 0 d b 之多，信噪比也随之大幅下降。 为了提高频谱利用率，应该使用与信噪比相匹配的调制方式。可靠性是通信系 统正常运行的基本考核指标，所以很多通信系统都倾向于选择b p s k 或q p s k 调制，以确保在信道最坏条件下的信噪比要求，但是这两种调制方式的频谱效 率很低。o f d m 技术使用了自适应调制，根据信道条件的好坏来选择不同的调 制方式。比如在终端靠近基站时，信道条件一般会比较好，调制方式就可以由 b p s k ( 频谱效率l b i t s h z ) 转化成1 6 q a m - - 6 4 q a m ( 频谱效率4 一6 b i t s h z ) ， 整个系统的频谱利用率就会得到大幅度的提高。自适应调制能够扩大系统容量， 但它要求信号必须包含一定的开销比特，以告知接收端发射信号所应采用的调 制方式。终端还要定期更新调制信息，这也会增加更多的开销比特。 信 鼻 编块频 o f d 调制 加 加 源 蔼r蠢妻( i f f t ) 螽 保 护 l 和织 数传 信道 羹 羹 鼻 蓄 模 送 器 恢 去 o f d m 解调 去去 藿 e - - 蓄 一旧 - 一 蒺 一 均 - - 一 嘉 卜_ 保 口 衡( f f t ) 可 护 图1 4o f d m 系统的实现框图 o f d m 还采用了功率控制和自适应调制相协调工作方式。信道好的时候， 发射功率不变，可以增强调制方式( 如6 4 q a m ) ，或者在低调制方式( 如q p s k ) 时降低发射功率。功率控制与自适应调制要取得平衡。也就是说对于一个发射 台，如果它有良好的信道，在发送功率保持不变的情况下，可使用较高的调制 方案如6 4 q a m ：如果功率减小，调制方案也就可以相应降低，使用q p s k 方式 3 第一章引言 等。 自适应调制要求系统必须对信道的性能有及时和精确的了解，如果在差的 信道上使用较强的调制方式，那么就会产生很高的误码率，影响系统的可用性。 o f d m 系统可以用导频信号或参考码字来测试信道的好坏。发送一个已知数据 的码字，测出每条信道的信噪比，根据这个信噪比来确定最适合的调制方式。 当然，为了进一步提高实际系统性能，通常还将增加频域交织、时域交织、导 频和信道编解码等功能模块【3 】。一个完整的o f d m 系统实现框图如图1 4 所示。 第二节o f d m 技术的主要优缺点 o f d m 技术的主要优点如下： 1 适应不同设计需求，灵活分配数据容量和功率，便于提供灵活的高速 和变速综合数据传输。 2 能提供较大的系统容量，且具有较强的抗多径干扰、抗频率选择性衰 落和频率扩散能力，适应多径和移动信道传播条件。由于它具有较强的多径能 力，故可使用于单频网( s f n ) 中。 3 可以实现较高的安全传输性能。它允许数据在复数、高速的射频上编 码。 4 能够持续不断地监控传输介质上通信特性的突然变化。能动态地接通 或切断相应的载波，以保证持续地进行成功的通信。 o f d m 技术的主要缺点如下： 1 信号呈现很大的峰均功率比( p a p r ) ，比单载波系统需要更宽的线性范 围。由于采用d f t 实现调制和解调，故对载波频率偏移、相位噪声和非线性放 大更为敏感。若要避免信号失真和频谱扩展，则需要动态范围很大的线性放大 器。如何降低信号的峰均功率比是o f d m 技术中的一个难点。 2 o f d m 的基础是子载波必须满足正交，如果正交性恶化，则整个系统 的性能会严重下降，产生o f d m 特有的子载波间串扰。在实际工作中由于无线 衰落信道的时变性，往往会造成频率弥散，引起多普勒频移效应，从而影响载 波频率正交性。如何实现子载波的精确同步是o f d m 技术中的另一个难点。 4 第一章引言 第三节关于本文 本文主要研究了一个工作在特高频甚高频频段的o f d m 无线通信系统，并 对其中用到的同步技术做了从理论研究到仿真验证再到硬件设计全过程的详细 描述。 本文的组织方式如下： 第一章介绍了o f d m 系统基本原理和优缺点，引出同步的概念。 第二章对o f d m 系统同步技术做了简要介绍，分析了三种主要的偏差对 o f d m 系统性能的影响，最后对o f d m 无线通信系统常见同步算法进行了性能 的研究。 第三章是o f d m 无线通信系统方案设计及同步算法性能仿真。根据无线信 道特性对o f d m 系统的设计要求，进行了o f d m 无线通信系统的基带参数设计， 这些设计参数是后来仿真的基本前提与硬件实现的最终目标。接下来根据系统 设计参数，我们选取了所需的同步算法，在a w g n ( 加性白色高斯噪声) 信道 中进行多种仿真，并对算法做了一些优化，同时对结果做了分析。 第四章是与硬件实现相关的一些算法研究，这些研究为同步技术从理论转 化为实际应用铺平了道路。 第五章是o f d m 无线通信系统同步技术的f p g a 实现。本文在第五章中对 所选用器件做了简单介绍，对同步算法的实现，仿真验证中遇到的各种问题做 了详尽的讨论，并对部分算法的多个实现方案进行了比较，总结出一些设计经 验，最后对基带系统的f p g a 实现做了全面介绍。 本文在第六章对个人工作做了简单的总结和展望。讨论了几种算法从代码 上进一步优化的可能性并给出改进方案。因为同步算法的f p g a 实现是本研究 的难点，与电脑程序不同，因为f p g a 的容量限制，很多运算都存在舍入误差。 如何在资源有限的空间中具体实现各种算法，如何在尽量小的空间中尽可能提 高运算精度，都是本文需要解决的重要问题。本系统最初的模数转换和同步算 法均采用v h d l 语言来实现，基本完成设计要求，f p g a 中的逻辑单元( l o g i c e l e m e n t ，l e ) 占用比较高。后来部分算法经过改进，采用v e r i l o g 和v h d l 语 言实现，降低了大概一半的逻辑单元占用，并且和最初方案相比一定程度上提 高了运算的精度。 ， 5 第二章o f d m 无线通信系统的同步技术性能研究 第二章o f d m 无线通信系统的同步技术性能研究 第一节o f d m 无线通信系统同步技术概述 同步技术对各种数字传输技术来说都是十分关键的，对于o f d m 系统更是 如此。由于o f d m 对同步十分敏感，同步性能的好坏直接影响到接收的性能， 一旦同步性能不好，o f d m 的整体性能将大大下降，其具有的优点也将无法得 到充分的体现。o f d m 的同步实现起来比较困难，多数通信系统是通过发送导 频序列来实现的，也有的采用非导频方式，如利用循环前缀与o f d m 符号中被 复制的部分的相关性来实现，还有的通过发送时域训练序列来实现。目前，国 内外已有大量的文献提出了各种同步实现方案，本文将在下面对比研究这些同 步实现技术。 要实现精确的同步，o f d m 接收端的本地载波需要与发送端载波保持一致， 抽样时钟也要与发送端的抽样时钟保持一致，并且需要确定o f d m 帧头位置以 及o f d m 符号的起始位置，以便准确地除去循环前缀c p ，实现正确的解调。其 具体描述如下： 由于振荡器的不稳定，以及多普勒效应等因素的影响，本地端产生的载波 与接收到的信号的载波不一致，存在频率与相位的偏差。对于相位偏差，可以 采用信道估计等方法来补偿。对于频率偏差，必须进行频偏补偿，因为当存在 频偏时，o f d m 信号的载波之间不再保持正交，引起严重的信道间干扰( i c i ) ， 与单载波系统相比，在解调端下降相同的信噪比时，o f d m 系统的频偏误差需 要降到单载波系统的频偏误差的几十分之一甚至几百分之一，因此频偏估计必 须十分精确。 接收端还需要进行定时估计，来确定o f d m 符号的起始位置。由于在o f d m 符号之间插入了循环前缀c p 而降低了对定时估计的要求，所以当定时估计点处 于未遭受符号间干扰( i s i ) 破坏的c p 区间时，o f d m 符号就可以避免受到i s i ， 解调结果只是偏转了一个线性相位，通过采取相应的措施，可以补偿这个线性 相移。当定时估计点处于其它区间时，o f d m 符号就遭受了i s i 破坏，但如果定 时偏差较小，遭受的i s i 破坏较小，可以通过定时跟踪进一步降低定时偏差。 6 第二章o f d m 无线通信系统的同步技术性能研究 此外，接收端的抽样时钟周期与发送信号的抽样间隔也不一致，存在着频 率与相位的偏差，频率偏差将破坏子载波之间的正交性，引起i c i ，相位偏差将 使o f d m 的解调结果产生线性相移，序号越大的子载波相位偏转得越大，因此 需要进行定时估计，减小接收端的抽样时钟与发送端的抽样时钟之间的频偏与 相偏。 根据以上的分析可知，o f d m 的同步误差主要包括频率偏差、定时偏差、 抽样时钟偏差。当然，这三种同步并不是孤立的，它们之间相互影响，相互制 约。由于抽样时钟偏差可以归到频率偏差和定时偏差中，所以o f d m 的同步主 要考虑频偏估计和定时估计。 第二节三种主要的偏差对o f d m 系统性能的影响 2 2 1 符号定时偏差对o f d m 系统的影响 在接收端，为了正确的解调数据，必须确定好o f d m 符号的起始点，然后 使f f t 窗口起始位置对准o f d m 符号的起始点，从而使其包含当前o f d m 符 号的个样点，实现正确的解调。如果起始点估计不准确，f f t 窗口的起始位 置不在当前o f d m 符号的第一个样点上，那么f f t 窗口就会包含相邻两个 o f d m 符号的样点，从而引起了符号间干扰。 假定定时偏差为护。秒是归一化了的，单位为采样间隔。，为接收端接收到 的信号，下标f 为符号编号，为同一符号内抽样点编号。接收f f t 窗口中包含 了第f 1 个o f d m 符号的样点( o 到0 1 ) 以及第i 个o f d m 符号的样点( 0 到 一1 ) ，对一组抽样点进行作f f t 变换，有： = 万1l ( 刍o - i 0 肛胁口一2 舳削 r + 篓0 一口e 一，2 舢纠) c 2 ， z ，= 百i 乙，；- l 心+ 。口12 舳削+ 扩口e 。2 舢纠i ( 2 1 ) v 菩 n = 2 专嚷z r i , n e - j 2 xnk l n e - j2 x0 k i n + 荟( r i - l , n - o + n - - r , n a _ i“刖j q 2 ) 1厂 疗一1 、 7 第二章o f d m 无线通信系统的同步技术性能研究 其中， = h i 岸t f j 2 4e k f n + i k + z 0 - 1 厶= ( h 脚+ 。一弓一。户2 舢削 ( 2 3 ) ( 2 4 ) 可见定时偏差使接收信号产生了2 n o k n 的相位旋转，同时产生i s i 干扰。 如果不考虑相关性，我们可以得到损失的信噪比d ： 咆) = 1 0 1 0 9 l o ( ，+ _ 2 0 每) 图2 1 定时偏差引起的信噪比衰减 ( 2 5 ) 图2 1 给出了o f d m 系统在存在定时偏差秒的情况下损失的信噪比 4 1 。 8 第二章o f d m 无线通信系统的同步技术性能研究 2 2 2 载波频率偏差对o f d m 系统的影响 o f d m 是一种多载波调制技术，各个子载波之间相互正交，并行传输数据， 它的调制解调采用d f t 来实现，当接收端与发送端的载波存在频偏时，o f d m 各子载波之间的正交性受到破坏，引起严重的载波间干扰( i c i ) ，每个子载波上 的数据都将遭受其余子载波上的数据的干扰，使解调性能大大恶化，与单载波 系统相比，在下降同样的信噪比条件下，对o f d m 的频偏要求是单载波系统的 频偏的几十分之一或几百分之一。 频偏一般采用相对频偏f ( 实际频偏与子载波频率间隔的比值) 来表示，它 可以分成两部分，整数部分和小数部分。整数部分使解调端f f t 变换结果产生 了周期移位，可通过估计进行补偿；小数部分频偏使解调端f f t 变换后的结果 产生i c i 。因为整数频偏对解调结果的影响是周期移位，下面具体分析小数频偏 对解调性能的影响。 当存在频率偏差f 时，接收端f f t 后的结果可表示为： k = 而s 而i n ( z 孝) e j a f ( n - 1 ) n ( 吼五) + 厶+ 乙( 七= 0 ，1 ，一1 ) ( 2 6 ) 警中仁，黑。而希岛两加借( ，) + p 置) 7 ) 乙是复数白嗓声项，县表示第i 个子载波上的信道传输系数，厶是由于善引 起的载频间干扰( i c i ) 。可见：当存在频偏时，有用信号幅度衰减了= 兰坠警乓， ns i n c 芒n 、 相位偏移了硝( 一1 ) ，同时子载波的正交特性被破坏了，引起了i c i ，使信 噪比降低。文献【4 】推导出了一个简化公式来近似的估计在频偏f 下的信噪比： s n r - ( e o n o ) s m ( 硝) ( 砖) 2 ，+ 0 5 7 9 4 ( e o n o ) ( s i i l ( 蟛) ) 2 ，蚓o 5 上式中e o , n o 表示原先的信噪比。当善较小时，上式比较接近实际情况下的 信噪比。图2 2 是存在不同频偏f 时解调端损失的信噪比曲线。 9 第二章o f d m 无线通信系统的同步技术性能研究 图2 2 频偏与信噪比关系图 从图可见：当存在同样的频偏孝时，信噪比e 。n 。越高，损失的信噪比也越 大。在同样的信噪比e 。n 0 下，频偏越大，损失的信噪比也越大，当频偏大于4 时，损失的信噪比比较大，因此一般需要使善降到4 之内，为了获得更好的性 能，需要进一步降低善，控制在1 之内【5 1 。 2 2 3 采样频率偏差对o f d m 系统的影晌 采样率同步的目的是使接收端的采样时钟频率与发射端一致，采样时钟误 差主要来自两个方面，时钟的相位误差和时钟的频率误差。时钟相位误差的影 响与符号定时误差的类似，即会产生某种相位的旋转。但采样时钟频率的误差 就会产生i c i 。 一般利用f f t 之后的数据获得采样率误差的估计值，再利用锁相环控制 v c o 的输出，调整接收端的采样频率，这种方法通常称为直接方法。实际应用 中，实现采样率同步还可以采用间接的补偿方法：采样率误差对信号的影响包括 定时相位偏差和频率偏差两部分，相位偏差的影响和符号偏差的影响相似，因 此可以将其归并到符号同步中：而频率偏差对信号的影响可用下式表示： 匕。女= p 72 川( 矧置一e m ( 2 8 ) 1 0 第二章o f d m 无线通信系统的同步技术性能研究 对接收信号在频域内估计各子载波上的频偏，并加以补偿，这样就会减小 采样率失步造成的影响。 由于采样率误差和符号误差对信号的影响是相似的，因此在一些文献 6 】【刀 中，往往提出将采样率同步和符号同步联合在一起进行，其中一种方法就是将 符号同步分为两步，第一步用路径时延估计方法来提高初同步的准确性，第二 步用数字锁相环( d l l ) 进行采样率的同步和保持符号同步；还有一种则是利用 相邻导频信号之间的相位差的整数部分去进行同步，利用其小数部分进行采样 率同步。 由以上的分析可知，对于采样误差在实际应用中可通过锁相环来控制压控 振荡器，从而在硬件上控制采样频率；又由于采样率偏差对系统造成的影响与 符号定时偏差、频率偏差的影响相似，因此可将采样同步归并到符号同步中和 频率同步中。本文后面的讨论将以符号同步和载波频率同步为重点。 第三节o f d m 无线通信系统常见同步算法性能研究 上面分析了三种主要的同步误差对o f d m 系统性能的影响，可知o f d m 系 统对同步误差十分敏感，尤其是频偏和定时偏差。同步的步骤是先进行帧同步， 然后再进行符号定时同步，最后是载波频率同步。本文主要介绍符号定时同步 和载波频率同步。 2 3 1 定时同步 o f d m 系统的定时同步和单载波系统的定时恢复不同，单载波系统的定时 恢复是找到眼图张开最大时刻为最佳抽样时刻，o f d m 符号沿时间轴顺序到来， o f d m 符号是由循环前缀和有用数据信息构成，因此o f d m 符号同步就是要确 定o f d m 符号有用数据信息的开始时刻，也可以叫确定f f t 窗的开始时刻。采 样时钟同步主要是接收机和发射机的采样时钟频率要保持一致，采样时钟的频 率偏差将导致i c i ，采样时钟频率偏差还将影响同步，单可以假设采样时钟同步 是理想的，一般研究定时同步的算法都基于此假设，这有助于简化问题而把更 多的注意力放在核心的算法上。定时的偏移会因起子载波的相位的旋转，而且 相位的旋转角度与子载波的频率有关，频率越高，旋转角度越大，这可以由傅 第二章o f d m 无线通信系统的同步技术性能研究 立叶变换的角度来解释：在时域的偏移对应与频域的相位旋转。如果定时的偏 移量与最大时延扩展的长度之和仍小于循环前缀的长度，此时子载波之间的正 交性仍然成立，没有i s i 和i c i 影响，对解调出来的数据信息符号的影响只是一 个相位的旋转。如果定时的偏移量与最大时