（通信与信息系统专业论文）基于ofdm系统同步算法的研究.pdf

哈尔滨下程大学硕十学位论文 摘要 正交频分复用( o f d m ) 是一种多载波调制技术。由于具有很高的频谱利 用率、很强的抗多径延迟能力，它已经广泛的应用在数字音频广播、数字电 视以及无线局域等无线高速数据传输系统中，并将会成为第四代移动通信的 关键技术之一。 o f d m 系统对同步误差非常敏感，特别是对频率偏差。当存在同步误差 时，子载之间的正交性遭到破坏，从而引起严重的子载波间干扰，使系统性 能大大下降。因而性能良好的同步方法对于o f d m 系统是至关重要的。 本文首先回顾了o f d m 技术的发展历程，介绍o f d m 技术的优缺点和 o f d m 系统关键技术。在讲述了无线信道的传播特性后，从理论上分析了定 时偏差和频率偏差对o f d m 系统的影响。其次重点研究基于训练序列和循环 前缀的同步算法。其中，最大似然( m l ) 算法利用了o f d m 信号中循环前缀的 相关性进行同步估计；s c h m i d l & c o x 、m i n n 和p a r k 算法是通过加入具有特殊 结构的训练序列实现同步估计。最后对基于循环前缀和导频的联合算法进行 了分析。传统的基于导频和循环前缀的算法虽对频偏估计很有效，但计算复 杂度较高。本文在传统算法的基础上提出了一种改进的基于导频和循环前缀 的频率同步算法。主要是牺牲了同步估计的准确性来换取计算复杂度的降低。 该算法通过简化最大似然函数，有效的提高了运算速度，克服了频偏估计计 算复杂度高的缺点。在算法的复杂性和准确性之间获取一个平衡点。分析和 仿真表明：改进算法在高信噪比下性能更接近于联合算法。 关键词：同步；正交频分复用( o f d m ) ；循环前缀；导频；最大似然准则 哈尔滨= r 程人学硕士学位论文 a b s t r a c t o r t h o g o n a l f r 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 i sa t e c h n o l o g y o f m u l t i c a r d e rm o d u l a t i o n o f d mh a sb e e n w i d e l ya p p l i e d i n h i g h d a t a t r a n s m i s s i o nw i r e l e s ss y s t e m s ，s u c ha sd i g i t a lv i d e ob r o a d c a s t ( d v b ) ，d i g i t a l t e l e v i s i o n ( d t v ) ，w i r e l e s sl o c a la l e a n e t w o r k ( w l a n ) ，d u et oi t sh i g hf r e q u e n c y u t i l i z a t i o ne f f i c i e n c ya n di t sr o b u s t n e s st om u l t i p a t hd e l a ys p r e a d o f d mw i l l p l a yak e yr o l ei nt h ef o r t hg e n e r a t i o no f m o b i l ec o m m u n i c a t i o n o f d ms y s t e m sa l em u c hs e n s i t i v et o s y n c h r o n i z a t i o ne r r o r s ，e s p e c i a l l y f r e q u e n c yo f f s e t t h es y n c h r o n i z a t i o ne r r o r sd e s t r o yt h eo r t h o g o n a l i t yb e t w e e n s u b c a r r i e so fs y s t e m ，w h i c hl e a dt oi n t e r f e r eb e t w e e ns u b - c a r r i e sa n dd e g r a d et h e s y s t e mp e r f o r m a n c e s oi ti si m p o r t a n tt oh a v eag o o ds y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h m f o ro f d m s y s t e m t h ep a p e rg i v e sab r i e fs u r v e yo ft h ed e v e l o p m e n to fo f d mt e c h n o l o g ya n d i n t r o d u c e st h ed i s a d v a n t a g ea n da d v a n t a g eo fo f d mt e c h n o l o g ya n dt h ek e y t e c h n o l o g yo fo f d ms y s t e m a f t e rp r e s e n t i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c so f t h ew i r e l e s s c h a n n e l ，t h i sp a p e ra n a l y z e st h ei m p a c to ft i m i n ge r r o ra n df r e q u e n c yo f f s e to n o f d m s y s t e m i n t h e o r y t h e n t h e p a p e r s t u d i e st h e s y n c h r o n i z a t i o n a l g o r i t h m s ，p a r t i c u l a r l yt h es y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h m su s i n gt r a i n i n gs y m b o l a n ds y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h m sb a s e do nc y c l i cp r e f i x t h e r e i n t o ，t h er e l a t i v i t yo f c y c l i cp r e f i x i su s e df o rs y n c h r o n i z a t i o ne s t i m a t i o ni nm lm e t h o d ；t r a i n i n g s e q u e n c ew i t hs p e c i a l l s t r u c t u r ei su s e df o r s y n c h r o n i z a t i o n e s t i m a t i o ni n s c h m i d l & c o x 、m i n na n dp a r km e t h o d m o r e o v e r , t h i sp a p e rd e t a i l e d l ya n a l y z e sa j o i n ts y n c h r o n i z a t i o ne s t i m a t i o ns c h e m ew h i c hc o m b i n e sc y c l i cp r e f i x ( c p ) 晰t h p i l o tc a r r i e r a l t h o u g ht r a d i t i o n a la l g o r i t h mw h i c hc o m b i n e sc y c l i cp r e f i x ( c p ) w i t h p i l o t c a r d e ri s v e r y e f f e c t i v et o f r e q u e n c y o f f s e t e s t i m a t i o n , i t s c o m p u t a t i o n a lc o m p l e x i t yi sh i g h t h i sp a p e rp r o p o s e sa ni m p r o v e df r e q u e n c y s y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h mo nt h e b a s i so ft r a d i t i o n a l a l g o r i t h m e s t i m a t i o n v e r a c i t yi ss a c r i f i c e dt og e tl o wc o m p u t a t i o n a lc o m p l e x i t y b ys i m p l i f y i n gt h e 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 m a x i m u ml i k e l i h o o df u n c t i o n ，t h ep r o p o s e da l g o r i t h mr e d u c e st h ec o m p u t a t i o n a l c o m p l e x i t yo ff r e q u e n c yo f f s e te s t i m a t i o n b a l a n c ei sa c h i e v e db e t w e e n c o m p l e x i t ya n dv e r a c i t yo ft h ep r o p o s e da l g o r i t h m n es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w t h a tt h ep e r f o r m a n c eo ft h i sm e t h o di sc l o s e rt ot r a d i t i o n a la l g o r i t h mi nh i g hs n r k e yw o r d s ：s y n c h r o n i z a t i o n ；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 ( 0 f d m ) ；c y c l i cp r e f i x ；p i l o t ；m a x i m u ml i k e l i h o o de s t i m a t i o n 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下， 由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献等的 引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中己经注明 引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开 发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律 结果由本人承担。 作者( 签字) ： 日期：孙孑年j 月沥日 哈尔滨t 程大学硕+ 学位论文 第1 章绪论 1 1 研究背景和意义 当m a r c o n i 一个世纪前展示无线电报时就预示了工业的重大转折点产 生。一百多年来，无线传输技术允许人们可以不使用任何物理连接进行通信。 半导体技术的进步让许多在世界各地的公众同时通话成为了现实。现在，移 动用户的数量急剧增加，数据通信和多媒体业务也随之增加。于是，下一代 无线移动通信系统对新技术的需求更加迫切，实现无所不在的、高质量的、 高数据传输速率的、高移动速率的、低功耗的无线移动多媒体传输成了目标。 移动通信系统按照所提供的业务可分为不同的发展阶段。第一代采用频 分多址( f d m a ) 模拟调制方式，这种系统主要包括n m t ( n o r d i cm o b i l e t e l e p h o n es y s t e m ) 和a m p s ( a d v a n c e dm o b i l ep h o n es e r v i c e s ) ，其主要缺点是 频谱利用率低，信令干扰话音业务。第二代蜂窝系统包括最先的采用时分多 址( t d m a ) 的g s m ( g l o b a lm o b i l ep h o n es e r v i c e s ) 、d a m p s ( d i g i t a la m p s ) 、 p d c ( p a c i f i cd i g i t a lc e l l u l a r ) 系统和采用码分多址( c d m a ) 的i s 9 5 系统。第二 代蜂窝系统主要是提供了语音通信，但是数据通信传输速率仍然非常低，而 且不同的网络之间也无法实现资源共享。第三代数字蜂窝移动通信系统的三 大主要候选方案分别是北美的c d m a 2 0 0 0 系统、欧洲和日本的w c d m a 系 统以及中国的t d s c d m a 系统。这些以c d m a 为标志的第三代数字蜂窝移 动通信系统协议已经出台，其主要特征是：支持多媒体业务，其数据传输速 率至少为3 8 4 k b i t s ，可全球漫游，接口开放，能与不同的网络互联，终端多 样化以及能从第二代平稳过渡等。然而，如果要求数据传输率再进一步提高， 3 g 中使用简单的c d m a 技术已经不能满足要求。于是，以正交频分复用 ( o f d m ) 调制技术为标志的第四代移动通信系统开始走入人们视野，并成为 目前的研究热点。 与c d m a 相比，o f d m 具有如下优点u 1 ： 对于单蜂窝和多蜂窝环境，o f d m 性能远优于c d m a 。在单蜂窝环境， o f d m 可允许同时通话的用户数为c d m a 的2 1 0 倍。对于多蜂窝环境， 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 o f d m 可允许同时通话的用户数为c d m a 的0 7 4 倍。o f d m 和c d m a 在用户容量上的差异主要在于是否使用了蜂窝分区( c e l ls e c t o r i z a t i o n ) 和语音 激活检测技术( v o i c ea c t i v i t yd e t e c t i o n ) 如：用1 2 5 m h z 的带宽和1 9 k b p s 的用 户数据率时，c d m a 在单蜂窝系统中性能较差，在每个蜂窝( c e l l ) 中仅允许7 1 6 个用户同时通话，而对于o f d m 系统则可达到1 2 8 个用户。这种c d m a 的低蜂窝容量( 1 0 wc e l lc a p a c i t y ) 是由于在反向传输链接中使用非正交码导致 了较高的用户间干扰造成的。 o f d m 可容忍较大的多径时延扩展。事实上，多径信号在进行r a k e 接 收机处理后将导致接收信号加强。对应于3 0 k i n 的多径反射、低于1 0 0 x s 的 时延扩展都是可以忍受的。 o f d m 信号峰值的截除( c l i p p i n g ) 不会对系统性能产生较大影响。在错误 率较高时，信号的峰值功率可以被截除6 - - 9 d b 。这将减少对o f d m 发射端 输出阶段的动态范围要求。 所以，对于高容量、高移动速度的无线移动通信系统而言，o f d m 是一 个很好的调制技术，在今后的无线移动通信网络发展中将扮演越来越重要的 角色。 1 2o f d m 研究历史及应用 o f d m 的研究经历了一百多年曲折的发展，现在己经应用到不同的领域 中。然而，面对移动用户、移动速度、传输数据量的急剧增加，在高速移动 环境下的o f d m 无线移动通信系统关键技术仍是人们关注的热点和研究的 难点。 1 2 1o f d m 研究历史 o f d m 可以看成是一种特殊的频分复用( f 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 ，f d m ) 形式。它的发展经历了五个阶段： 第一阶段：极低频谱效率的f d m 技术阶段。该技术在一个世纪前就开 始使用。许多不同载频的低速信号在同一个宽带信道中进行并行传输，但是， 为了在接收端分离出这些信号，传统多载波系统中各载波频率要分隔开来， 并在子信道之间利用保护频带使各载波信号互不干扰，所以它的系统频谱效 2 哈尔滨工程人学硕士学位论文 率很低。 第二阶段：最早的、高频谱效率的多载波通信系统阶段。该系统是在1 9 5 7 年出现的c o l l i n sk i n e p l e x 系纠2 1 ，该系统能在严重多径衰落效应的高频无线 信道中实现无线传输。为了提高频谱利用率，可使用相互交错的正交幅度调 制技术，在3 d b 处载波频谱重叠，其复合谱是平坦的，子带的正交性通过交 错同相或正交子带的数据得到( 即将数据偏移半个周期) ，此时频谱利用率可 以提高，但子载波总数有限。由于该系统仍使用传统的多载波实现方式，各 子信道两边的保护频带仍浪费了宝贵的带宽；降低了系统频谱利用率。 第三阶段：多载波理论发展阶段。1 9 6 6 年，c h a n g 在他的文章中提出了 传输信号通过一个带宽受限的信道时无符号间干扰( i n t e rs y m b o l i n t e r f e r e n c e ，i s i ) 和子载波间干扰( i n t e rc h a n n e li n t e r f e r e n c e ，i c i ) 的原理u 1 。1 9 6 7 年，s a l t z b e r g 经过性能分析认为：设计一个有效的系统主要应该集中考虑如 何降低邻信道间干扰，而不是仅考虑每个独立的子信道情况，这是因为引起 信号失真的主要原因是信道间串扰h 1 。这是一个很重要的结论。 第四阶段：o f d m 无线移动通信系统理论形成阶段。各个子载波之间有 1 2 的重叠，但保持相互正交，在接收端通过相关解调技术分离出来，避免 使用滤波器组，同时使用频谱效率提高近1 倍。为了减少多载波系统的复杂 度，1 9 7 1 年s b w e i n s t e i n 和pm e b e r t 提出了几个思想p 1 ：( 1 ) 每个子载波的 频谱在没有经过滤波时，其频谱形状为s i n c 函数且为非带限的；( 2 ) 离散傅立 叶变换( d i s c r e t ef o u r i e r t r a n s f o r m ，d f t ) 可以完成多载波基带的调制和解调； ( 3 ) 各符号间可以采用空白时隙作为保护间隔以消除i s i 。1 9 8 0 年a p e l e d 和 a r u i z 将空白时隙改为了循环前缀以满足色散信道时各载波的正交性峥1 。 1 9 8 5 年，c i m i n i 将o f d m 思想运用到无线蜂窝移动通信系统中p 3 ，从此奠定 了o f d m 无线移动通信系统的理论基础。 第五阶段：从理论到实用阶段。近十年来，大规模集成电路技术高速发 展，高速大点数f f t 芯片的实现已经不难，从而促进了o f d m 理论的广泛 应用。 1 2 2o f d m 应用 在有线环境中，o f d m 又名离散多音频( d i s c r e t ev l u l t i t o n ，d m t ) 调制。由 3 哈尔滨 ：程大学硕士学何论文 于其对抗时间色散信道的能力和对脉冲噪声、频域噪声的抑制作用，被用于 非对称数字用户环路( a s y m m e t r i c a ld i g i t a ls u b s c r i b e rl i n e ，a d s l ) 捧1 和甚高速 数字用户环路( v e r y h i g h s p e e dd i g i t a ls u b s c r i b e rl i n e ，v d s l ) 系统p 1 0 1 。作为 调制技术，d m t 比正交幅度调制( q a m ) 能提供更高的下行速率和更远的传输 距离，因而被美国国家标准学会( a n s i ) 选定为a d s l 的传输使用标准。 在无线环境中，o f d m 应用比有线环境更加广泛。 由于o f d m 具有很好的抗多径能力，在单频网( s i n g l ef r e q u e n c yn e t w o r k s e n ) 的地面广播系统中具有强大优势。1 9 9 5 年，欧洲电信标准协会( e t s i ) 采用o f d m 制定了数字音频广播系统( d i g i t a la u d i ob r o a d c a s t i n g ，d a b ) 标准 n u 2 1 ，该标准可以提供与c d 媲美的语音质量、更新的数字业务以及更高的 频谱效率m 1 。1 9 9 7 年，基于o f d m 的地面数字视频广播系统( d v b t ) 标准4 1 也开始使用。 1 9 9 8 年7 月，基于i e e e 8 0 2 1 1 a 的无线局域网( w i r e l e s sl o c a la r e a n e t w o r k ，w e a n ) 标准把o f d m 作为其物理层传输方法，它是工作于2 4 g h z g s m 频段的第一个w l a n 标准，用于5 g h z 频段内支持6 m b p s 到5 4 m b p s 的高速无线传输。后来，h i g h - p e rf o r m a n c el a nt y p e2 ( h i p e r l a n 2 ) m u l t i m e d i am o b i l ea c c e s sc o m m u n i c a t i o n ( m m a c ) 也把o f d m 作为其物理 层传输方法1 5 1 1 6 1 ”1 。 o f d m 还被用于宽带固定无线接入系统l m d s 叼( l o c a lm u l t i p o i n t d i s t r i b u t i o ns y s t e m s ) 中，作为在非视线( n o n - l i n e - o f - s i g h t ，n o n - l o s ) 环境的传 输方法。o f d m 不仅可作为传输方法，而且在多用户环境可以作为接入方式 1 9 1 2 0 1 。尤其是o f d m 可以解决高速移动环境的i s i 问题，被作为第四代无线 移动通信的候选方案之一1 阿，用于实现超过2 m b p s 的移动无线多媒体和数 据通信。 1 3 同步技术的研究现状 在高速移动环境中，由于发射机和接收机两端振荡器器件的不稳定和多 普勒效应导致了载波频率发生偏移；同时由于多径现象以及各种噪声干扰等 导致了定时偏移。因此，需要进行时间同步和频率同步，以实现系统的良好 性能。 4 哈尔滨工程人导：硕十学位论文 常规的时间同步和频率同步方法如下： 1 保护间隔进行同步 用保护间隔的循环特性伫3 2 4 1 来进行同步时，可以不需要训练序列，同时 避免了导频的使用，减少了计算复杂度。 基于 2 3 】【2 4 的改进算法【2 5 通过多个保护间隔的信号进行累积来获得更 优的同步信号。【2 3 的改进算法 2 6 】是通过加权的方式来减小i s i 的影响，这 在一定程度上仍然不够理想。【2 7 是通过减小对采样时钟频率偏移的敏感性， 用高的运算量和运算复杂性来换取性能的提高。一种较简单且常用的保护间 隔算浏2 引能获得精确的细频偏估计。通过减少符号间干扰并利用保护间隔获 得同步信号的算法胆明可以获得整数倍频偏。 3 0 】在时域引入保护间隔并应用到 清华大学提出的国家数字广播电视候选方案之一的d m b t 系统中进行同步。 2 4 是采用保护间隔进行同步的m l 算法， 3 1 是 2 4 1 的改进算法，它在 2 4 】 的基础上引入了自适应权重和信噪比进行加权，从而改善了算法性能。 通过融合保护间隔的相关性和p n 序列的相关性，【3 2 可以改善时间同步 性能，但是该算法所获得的同步性能仍不理想。 总之，通过保护间隔进行同步的算法简单，运算量小，在a w g n 信道 条件下性能较好，但是，在高速移动多径衰落信道中不易保证精确的时间同 步。如果时间同步的时间误差超过保护间隔，还会破坏子载波间的正交性。 而频率同步与时间同步同时进行，实现虽简单，但易受时间同步误差的影响 1 3 3 1 a 2 导频进行同步 传统的采用导频进行同步的方法都遵循最大似然估计( m l ) 原理p5 1 。这类 m l 算法搜索的时间较长，估计也不够精确。在d v b t 系统中，采用导频进 行同步获得了较好的效果p q 。实质上，算法的性能与导频的设计有关。在 d v b t 系统中，导频分布方式有两种：分布导频和连续导频。 但是这些导频因为占用了宝贵的系统带宽资源而在使用中受到限制。而 且，即使在d v b t 系统中，采用导频和保护间隔联合进行同步，其性能也 不理想。一般在移动速度超过l o o k m h 时，d v b t 的同步就会出现问题。虽 然欧洲也一直试图改善d v b t 系统的移动接收性能，但是，至今仍没有公 开的相关技术报道。所以，在高速移动环境下如何改善d v b t 系统的同步 s 哈尔滨i ：程大学硕士学位论文 性能仍是学术界研究的难点和重点。 3 训练序列进行同步 利用训练序列进行同步，其理论依据是m l 原理，采用的序列是具有优 良自相关属性的p n 序列。总体而言，采用训练序列进行同步的技术可概括 为以下几类方法： 通常的采用p n 序列进行同步的方法p 。 利用短p n 序列重复构造形成长p n 序列获得同步信号的方法3 3 1 d 明删。 该类方法的优点在于：将每个短p n 序列的相关信号进行多次累积，有效地 提高了接收信号与本地p n 序列时间零偏移处的相关峰值，同时可对其余有 时间偏移位置时的相关信号作一定程度抵消。 利用选择的p n 序列在频域进行特殊构造，在经过i f f t 后，在时域获得 某些特殊性质，由此产生同步信掣4 2 1 4 3 1 。该类方法优点在于：方法简单、计 算量小。但同步性能不太理想。 利用特殊构造的具有较好的优良自相关性的新序列进行同步的方法酬说 明：在同步算法中，所选用的序列对于同步算法的性能有至关重要的作用，其 实质类似于对导频进行设计。 在以上所有的利用p n 序列来进行同步的方法中，大部分方法所应用p n 序列都是与信号串行排列的，只有 3 8 】【3 9 】【4 0 中的p n 序列与信号是并行排 列的。其中，性能较好的串行p n 序列同步算法都存在一个较大的弱点，即： 同步信号在零时间偏移处附近出现了平台，而不是尖峰，即使 3 8 】方法相对 更优而 4 1 】方法还针对此问题做了深入探讨，但最终效果都不令人满意。而 且串行p n 序列同步算法中p n 序列占用了宝贵的带宽资源，只在具有专用 同步符号的4 g 、w l a n 等系统中才能适用，而对于d v b t 系统则没法使用。 对于并行p n 序列同步算法，由于p n 序列叠加在信号上造成了对信号的干 扰，虽然 3 9 1 提出了一种消除部分干扰的方法，但该方法隐含了一个条件： 即对接收机结构的改变；而 3 8 】采用在不同同步阶段选用不同能量因子以调 整叠加p n 序列能量的方法确实能够实现同步，但是造成了对系统性能的影 响，尤其是在高速移动环境下需要快速同步，这个方法更不适合。 4 盲同步 盲估计方法中最简单的是直接判决，它利用解调后码元速率数据检测相 6 哈尔滨工程人学硕士学何论文 位或频率误差。因此，估计的范围不超过码元速率的1 2 。文献【4 5 】 4 6 提出 的载波频偏的最大似然估计( m l e ) 方法，前者利用保护间隔进行频偏估计； 后者利用多载波信号原有的结构，提出了频率选择性瑞利衰落信道中载波频 偏的m l e ，可以达到更宽的估计范围和更高的准确性。 文献 4 7 提出了o f d m 系统中下行链路基于参考码元的时间和频率联合 同步捕获算法。m s p e t h h 剐分析了符号( 帧) 、载波和采样频率时钟偏差的影响， 【4 8 4 9 】【5 0 】还进一步给出了o f d m 接收机中同步技术的设计。 子空间方法的研究在文献 5 1 】 5 2 】【5 3 】中有描述，这些算法分别是m u s i c 算法、e s p r i t 算法，它们不需要浪费带宽，但要求时间同步性能要好。 总之，盲同步方法性z 月匕l - 比利用先验知识的序列进行同步的性能要差。而 就采用保护间隔、导频和p n 序列进行同步的性能相比较，采用p n 序列进 行同步性能更佳。所以，在实际工程中，一般选用同步性能较好的、算法性 能较稳定的、计算复杂度较低的快速p n 序列同步方法。 1 4 论文安排 o f d m 具有抗多径衰落、抗多径延迟和频谱利用率高等特点，其应用前 景广阔。但o f d m 固有缺点的存在，使得o f d m 的优势无法充分得以体现， o f d m 系统对同步误差十分敏感就是其主要缺点之一。很小的频率、定时同 步误差就会引起i s i 和i c i ，从而导致系统性能的严重下降。因此，同步技术 是o f d m 的关键技术之一，对o f d m 系统有着举足轻重的作用。 本文比较全面、深入地研究了o f d m 的同步技术，整理分析并比较了多 种同步方法，对其中的一些改进算法的性能进行了分析，并进行了算法仿真。 本文的章节安排如下： 第l 章简单介绍正交频分复用( 0 f d m ) 的发展历史和背景、发展现状。 阐述了开展本课题的重要意义。 第2 章主要介绍了o f d m 的基本原理、关键技术及主要优缺点，同时介 绍了无线通信信道的特征。详细地介绍了o f d m 系统的各种同步，并对整个 同步的过程进行了描述，概括性的分析了符号定时同步、载波频率同步和采 样率同步目前所采用的主要方法以及各种方法的优缺点。由分析知可以把 7 哈尔滨i ：程大学硕十学位论文 o f d m 定时同步和载波频率同步的方法分为：利用导频或者训练符号的数据 辅助算法和不使用导频或训练序列的非数据辅助算法两类。为后面几章对各 种同步方法的分析进行铺垫。 第3 章首先介绍了基于循环前缀的m l ( m a x i m u ml i k e l i h o o d ) 算法，基于 循环前缀的方法属于一种盲同步算法，它是利用了循环前缀引入的相关性联 合估计符号定时同步和载波频率同步。随后在此基础上介绍了几种能降低计 算复杂度的算法，此算法的优势在于其计算复杂度较低，有利于在实际应用 中实现，最后对m l 算法和改进算法进行了仿真比较。 第4 章主要介绍了基于训练序列的同步算法，首先给出了s c h m i d l 和c o x 提出的基于训练序列的同步算法，这种同步算法是使用了插入的训练序列的 相关性来进行符号定时偏差估计的，利用符号定时估计的结果进行载波频偏 的小数部分的估计。随后介绍了对该算法的几种改进算法，这些改进的算法 主要是就其训练的序列的结构进行了改进以获得更好的相关性，从而得到更 精确的定时估计点。本章还对这些算法的性能进行了仿真比较。 第5 章介绍了一种基于循环前缀和导频联合的频率同步算法，该算法通过 简化最大似然函数降低了频偏估计的计算复杂度并提高了估计性能。通过仿 真表明，在信噪比较高时，改进的算法频偏估计性能更接近传统算法。此算 法的优势在于其计算复杂度较低，有利于在实际应用中实现。 最后对本文的工作进行了总结和同步算法研究的展望。 8 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章无线通信信道和o f d m 同步技术 2 1 无线通信信道 2 1 1 传播路径与信号衰落 无线信道是影响无线通信系统性能的一个基本因素。 电波传播的主要方式是空间波，包括直射波、折射波、散射波以及它们 的合成波。再加上移动台本身的运动，使得移动台与基站之间的无线信道多 变并且难以控制。当信号通过无线信道传输时，会遭受各种衰落的影响，一 般情况下接收信号的功率可以表达为： e ( d ) = i d ”s ( d ) r ( d )( 2 - 1 ) 其中d 表示移动台与基站的距离向量，蚓d 表示移动台与基站的距离。根 据上式，无线信道对信号的影响一般分为三种： 1 ) 电波在自由空间内的传播损耗例，也被称作大尺度衰落，其中r l 一般为3 - 4 。 2 ) 阴影衰落s ( d ) 当电磁波在空间传播受到地形起伏、高大建筑物的阻 挡时，这些障碍物后面会产生电磁场的阴影，造成场强中值的变化，引起衰 落，被称为阴影衰落。与下面要提到的多径衰落相比，阴影衰落是一种宏观 衰落，是以较大的空间尺度来衡量的，其衰落特性符合对数正态分布。接收 信号的局部场强中值变化的幅度取决于信号频率和障碍物状况，频率较高的 信号比频率较低的信号更加容易穿透障碍物，而低频信号比高频信号具备更 强的绕射能力。阴影衰落也被称作中等尺度衰落。 3 ) 多径衰落，( d ) ：由于无线电波在空间中传播会存在反射、绕射、衍 射等，因此造成信号可以经过多条路径达到接收端，而每个信号分量的延时、 衰落和相位都不同，因此在接收端对多个信号分量叠加时，同相叠加则会使 信号幅度增强，而反相叠加则会使信号幅度削弱。这样接收信号的幅度会发 生急剧的变化，从而产生衰落。多径衰落也被称作小尺度衰落。 9 哈尔滨i ：程大学硕士学何论文 假设信道冲击响应具有时不变性，至少在短时问或短距离内具有不变性， 那么小尺度衰落信道的冲击响应为： 一i h ( t ，f ) = p 纸一 ( 2 - 2 ) 而 其中，为传播路径的个数，口。为第n 条传播路径的幅度衰减，丸为信号经 第n 条路经传播后与直射信号的相位差，f 。为第咒条传播路径的时间延迟。 其中，a 。和f 。分别为直射路径的幅度衰减和传输时延，o = 0 。 2 1 2 多径衰落 无线信道的主要特征就是多径传播。 。 假设发射端发送一个窄脉冲信号，则在接收端可以收到多个窄脉冲，每 一个窄脉冲的衰落和时延都是不同的。对应一个发送脉冲信号，图2 1 给出 了接收端接收到的信号情况，这样就造成了信道的时间弥散性( 即时延扩展) ， 其中彳一为最大时延扩展。 功 图2 1 多径衰落及其对接收信号的影响 在传输过程中，由于时延扩展，接收信号中的一个符号的波形会扩展到 其他符号当中，造成符号间干扰( i s l ) 。为了避免产生i s i ，应该使得符号宽 度远远大于最大时延扩展，或者符号速率要小于最大时延扩展的倒数。 由于移动环境十分复杂，不同地理位置，不同时间所测量到的时延扩展 都可能是不同的，因此需要采用大量测量数据的统计平均值。在室内环境下， 最大时延扩展一般为4 0 n s , - - 一2 0 0 n s ，最大的到达路径差一般为1 2 m 一- 6 0 m ；在 室外环境下，最大时延扩展一般为1 d s 2 0 t s ，最大的到达路径差一般为 3 0 0 m - 6 0 0 0 m 。 在频域内，与时延扩展相关的另一个重要概念是相干带宽，通常用最大 1 0 哈尔滨t 程大学硕十学何论文 时延扩展的倒数来定义相关带宽： ( 衄) 。：j 【_ ( 2 - 3 ) r “ 从频域的角度观察，多径信号的时延扩展可以导致频率选择性衰落 ( f r e q u e n c ys e l e c t i v ef a d i n g ) ，即针对信号中不同的频率成分，无线传输信道 会呈现出不同的随机响应，由于不同的频率分量衰落不一致，所以衰落后信 号波形会发生畸变。由此可以看到，当信号的频率较高，信号带宽超过无线 信道的相干带宽时，信号中各频率分量通过无线信道发生的变化是不一样的， 引起信号波形的失真，造成符号间的干扰，形成了频率选择性衰落：而当信 号传输速率较低，信号带宽小于相关带宽时，信号通过无线信道后，各频率 分量都收到相同的衰落，则衰落波形不会发生失真，没有产生符号问干扰， 则可以认为信号只是经历了平坦衰落，即非频率选择性衰落。相干带宽是无 线信道的一个特性，至于信号通过无线信道时，是出现频率选择性衰落还是 平坦性衰落，这要取决于信号本身的带宽。 2 1 3 多普勒频移 当移动台在运动中通信时，接收信号频率会发生变化，称为多普勒效应， 这是任何波都具有的特性。多普勒效应引起的附加频移称为多普勒频移，可 以用下式表示： 厶：要 c o s t ；t = v f c c o s g g = 厶c o s o ! ( 2 4 ) 以f 其中，口表示入射电波与移动台运动方向的央角，v 表示移动台的运动 速度，允表示波长，六表示载波频率，c 表示光速，厶= v 2 表示最大多普 勒频移。 从式( 2 4 ) 0 0 可以看到，多普勒频移与载波频率以及移动台运动速度成正 比。当移动台向入射波方向移动时，多普勒频移为正，即移动台接收到的信 号频率会增加；如果背向入射方向运动，则多普勒频移为负，即移动台接收 到的信号频率会减小。 信道的时变性是指信道的传递函数是随时间变化的，即在不同时刻发送 相同的信号，在接收端收到的信号可能是不同的。时变性在移动通信系统中 1 1 哈尔滨_ t 程大学硕士学位论文 的具体体现之一就是多普勒频移。由于存在多普勒频移，单一频率信号以频 率磊到达接收端时，其频谱不再是位于频率轴厶处的单一频率信号，而是分 布在( 厶一厶，五十厶) 内的，存在一定宽度的频谱。也就是说，单一频率信 号经过时变衰落信道之后会呈现为具有一定带宽和频率包络的信号，这也被 称为信道的频率弥散性( 即频率扩展) 。图2 2 给出了无线信道时变性的示意 图。 发送接收 _- _ ii 频率 一石接收机 五 公公蝴率 一l q 氏 c a ) 由于多径造成的信遁时变性( b ) 由于多晋勒频移造成的信道频率弥散性 图2 2 无线信道的时变性示意图 从时域角度来看，与多普勒频移相关的另外一个概念就是相干时间，即： 1 ( a 丁) 。= ( 2 5 ) jm 相干时间是信道冲击响应维持不变的时间间隔的统计平均值。也就是说， 在一段时间间隔内，两个到达信号有很强的幅度相关性。如果符号宽度大于 无线信道的相干时间，那么信号的波形可能会发生变化，造成信号的畸变， 产生时间选择性衰落，也称为快衰落；如果符号宽度小于相干时间，则认为是 非时问选择性衰落，即慢衰落。 2 2o f d m 系统的基本模型 正交频分复用( o f d m ) 的基本原理是把高速的数据流通过串并变换，分 配到传输速率相对较低的若干个子信道中进行并行传输。由于每个子信道中 1 2 哈尔滨丁程大学硕十学何论文 的符号周期会相对增加，因此可以减轻无线信道的多径时延扩展对系统造成 的影响。通过在o f d m 符号之间插入循环前缀作为保护间隔，并且令保护间 隔大于无线信道的最大时延扩展，这样就可以最大限度的消除符号间干扰 ( i s i ) ，从而可以避免多径信道导致的子载波间干扰( i c i ) 。 一个o f d m 符号是多个经过调制的子载波的合成信号，其中每个子载波 可以采用相移键控( p s k ) 或者正交幅度调制( q a m ) 。如果表示子载波的个 数，z ，表示o f d m 符号的长度，硅( i ：0 , 1 ，二，2 n1 ) 是分配给每个子信道的数 据符号，丘是第。个子载波的载波频率。r e c t ( t ) = 1 ，i t i 瓦2 ，则采用等效基 带信号进行描述的o f d m 符号可以表示为： n 一- i t ： s ( f ) = d i r e c t ( t 一詈) e x p ( j 2 n 亭- t ) ，0 ，l ( 2 - 6 ) t = 0 “ 图2 - 3 中给出了o f d m 系统基本模型的框图，其中= z + 瓦。 p j 2 矾 d o 之 ， 叫卜 瘟 e j 2 矾 d i r 弋卜 1 卿 串并 + 叫竺兰p 叫参讲 并串 。j 2 碍k 0 d n ij ， 府 1卜 图2 3o f d m 系统基本模型框图 o f d m 系统中每个子载波在一个o f d m 符号周期内都包含整数倍个周 期，而且各个相邻子载波之间相差一个周期。这一特性可以用来解释子载波 之间的正交性，即： 哈尔滨工程大学硕士学何论文 寺r 唧( 地帆x p ( 肌r ) d r = 0 1 ：二：( 2 - 7 ) 这种正交性还可以从频域角度来理解，经过矩形波形成型得到的符号的 s i n c 函数频谱中在每一个子载波的频谱最大值处，所有其它子载波的频谱值 恰好为零。若对( 2 6 ) 式中的第歹个子载波进行解调，然后在时间长度瓦内进 行积分，即： 嘭= 专r “e x p ( 一j 2 n 专( f 一) ) 荟n - t 谚e x p ( j 2 7 t j l ：- ( t - ) ) 衍 = f 1 乙n - i z f + r 。e x p ( 一j 2 n 孚。一) 渺( 2 - 8 ) = d j 根据式( 2 8 ) 可以看出，对第个子载波解调可以恢复出期望符号。对其 他载波来说，由于在积分间隔内，频率差别( f j ) t , 可以产生整数倍个周期， 积分结果是零。 这种正交性还可以从频域角度解释。根据式( 2 6 ) ，每个o f d m 符号在其 周期互。内包括多个非零的子载波。因此其频谱可以看作是周期为f 的矩形脉 冲的频谱与一组位于各个子载波频率上的万函数的卷积。矩形脉冲的频谱幅 值为s i n c ( j t ) 函数，这种函数的零点出现在