（信号与信息处理专业论文）research+on+synchronization+for+ofdm+system.pdf

r e s e a r c ho i ls v n c h r o n i z a i i o nf o r0 f d ms y s t e m 摘要 相干解调经常应用于正交载波频分复用( o f d m ) 系统以达到更好的传输性能，但 同时要求进行准确地同步。尽管如此，传统的添加前导训练序列的方法大幅地增加了对 带宽的占用。 在本文中，提出了一种并行的训练序列结构用于对o f d m 系统进行同步，该方法将 训练序列并行地加到信号流上。本文中，我们将采用m 序列作为训练序列对o f d m 系统 进行高效地频偏估计，在时域上将两段重复的m 序列直接加到o f d m 符号上，利用m 序 列优秀的自相关性完成系统的频率同步，与传统的方法相比有效性更高。理论分析与仿 真实验结果一致，本文提出的方法可以用于o f d m 系统的频率同步。 本文还提出了一种新的训练序列，该序列可以应用于高功率信号传输中，称为零子 载波叠加训练序列。最后，将两种训练序列应用于系统同步中，对其进行仿真比较。 关键词：o f d m ；并行训练序列结构；c a z a c m 序列；m l 估计算法 a b s t r a c t c o h e r e n td e m o d u l a t i o ni su s u a l l ya d o p t e di no 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 ( o f d m ) s y s t e mt o a c h i e v eb e t t e r p e r f o r m a n c e i tm e a n sa c c u r a t es y n c h r o n i z a t i o n a x e n e e d e d h o w e v e r , t r a d i t i o n a lp r e a m b l et r a i n i n gs e q u e n c ed e c r e a s es u b s t a n t i a l l yb a n d w i d t h u t i l i z a t i o n i nt h i st h e s i s ，as u p e r i m p o s e dt r a i n i n gs c h e m ef o rs y n c h r o n i z a t i o ni sp r o p o s e df o r o f d ms y s t e m ，w h e r et r a i n i n gs e q u e n c ea r es u p e r i m p o s e do n t od a t as t r e a mn o t et h a tw e a d d e dt h em - s e q u e n c ea n d g u a r di n t e r v a li nt h et i m ed o m a i no f d ms i g n a l i nt h i st h e s i s ，w ep r o p o s ea n da n a l y z ea l le f f i c i e n t f r e q u e n c yo f f s e ts y n c h r o n i z a t i o n m e t h o db a s e do nm s e q u e n c eo fo f d ms y s t e m r e p e a t e dm - s e q u e n c ei s s u p e r i m p o s e d d i r e c t l yt oo f d mf r a m e si nt h et i m ed o m a i n b yu t i l i z i n gt h ea u t o c o r r e l a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s o f m - s e q u e n c e ，e f f i c i e n ts y n c h r o n i z a t i o nc 锄b ea c h i e v e dw i t h o u ti m p o s i n ga d d i t i o n a l c o m p l e x i t y t h e 仃e q u e n c yo f f s e te s t i m a t o ra r ed e r i v e db a s e do nt h em a x i m u ml i k e l i h o o d c r i t e r i o nb o t ht h e o r e t i c a la n ds i m u l a t e dr e s u l t sa r ep r e s e n t e dt ov e r i f yt h ep r o p o s e df r e q u e n c y s y n c h r o n i z a t i o nm e t h o d a l s oan e wt r a i n i n gs e q u e n c ei sp r o p o s e di nt h i st h e s i sw ec a l li ts u p e ri m p o s e dt r a i n i n g s e q u e n c ew i t hz e r oa d d e di tw a sm a d et oo v e r c o m et h ep r o b l e mo fh i 【g hp o w e ro ft h e t r a n s m i t t e ds i g n a l s i m u l a t i o nw a sm a d et oc o m p a r eb e t w e e nt h et w ot r a i n i n gs e q u e n c e k e y w o r d ：o f d m ；s u p e r i m p o s e dt r a i n i n gs e q u e n c e ；c a z a c ms e q u e n c e ，m la l g o r i t h m 1 1i n t r o d u c t i o n c h a p t e r1 i n t r o d u c t i o n t h ed e m a n df o rh i g hd a t ar a t es e r v i c e sh a sb e e ni n c r e a s i n gv e r yr a p i d l ya n dt h e r ei sn o s l o w d o w ni ns i g h t a l m o s te v e r ye x i s t i n gp h y s i c a lm e d i u mc a p a b l eo fs u p p o r t i n gb r o a d b a n d d a t at r a n s m i s s i o nt oo u rh o m e s ，o f f i c e sa n ds c h o o l sh a sb e e no rw i l lb eu s e di nt h ef u t u r e t h i si n c l u d e sb o t hw i r e d ( d i g i t a ls u b s c r i b e rl i n e s ，c a b l em o d e m s ，p o w e rl i n e s ) a n d w i r e l e s sm e d i a o f t e n ，t h e s es e r v i c e sr e q u i r ev e r yr e l i a b l ed a t at r a n s m i s s i o no v e rv e r yh a r s h e n v i r o n m e n t s m o s to ft h e s et r a n s m i s s i o ns y s t e m se x p e r i e n c em a n yd e g r a d a t i o n s ，s u c ha s l a r g ea h e n u a t i o n ，n o i s e ，m u l t i p a t h ，i n t e r f e r e n c e ，t i m ev a r i a t i o n ，n o n - l i n e a r i t y s ，a n dm u s tm e e t m a n yc o n s t r a i n t s ，s u c h a sf i n i t et r a n s m i tp o w e ra n dm o s ti m p o r t a n t l yf i n i t ec o s t o n e p h y s i c a l l a y e rt e c h n i q u et h a th a sr e c e n t l yg a i n e dm u c hp o p u l a r i t yd u et oi t sr o b u s t n e s si n d e a l i n gw i t ht h e s ei m p a i r m e n t si sm u l t i - c a r r i e rm o d u l a t i o n h i g hc a p a c i t ya n dv a r i a b l eb i t r a t ei n f o r m a t i o nt r a n s m i s s i o n w i t h h i i g h b a n d w i d t he f f i c i e n c ya r ej u s ts o m eo ft h e r e q u i r e m e n t st h a tt h em o d e r nt r a n s c e i v e r sh a v et om e e ti no r d e rf o rav a r i e t yo fn e wh i g h q u a l i t ys e r v i c e st ob ed e l i v e r e dt ot h ec u s t o m e r s b e c a u s ei nt h ew i r e l e s se n v i r o n m e n ts i g n a l s a l eu s u a l l yi m p a i r e db yf a d i n ga n dm u l t i p a t hd e l a ys p r e a dp h e n o m e n o n ，t r a d i t i o n a ls i n g l e c 湖t i e rm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m sd on o tp e r f o r mw e l d i ns u c hc h a n n e l s ，e x t r e m ef a d i n go ft h es i g n a la m p l i t u d eo c c u r sa n di n t e rs y m b o l i n t e r f e r e n c eo s i ) d u et ot h e 疔e q u e n c ys e l e c t i v i t yo ft h ec h a n n e la p p e a r sa tt h er e c e i v e rs i d e t h i sl e a d st oah i g hp r o b a b i l i t yo fe r r o r sa n dt h es y s t e m so v e r a l lp e r f o r m a n c eb e c o m e sv e r y p o o r t e c h n i q u e sl i k ec h a n n e lc o d i n ga n da d a p t i v ee q u a l i z a t i o nh a v eb e e nw i d e l yu s e da sa s o l u t i o nt ot h e s ep r o b l e m s h o w e v e r ，d u et ot h ei n h e r e n td e l a yi nt h ec o d i n ga n de q u a l i z a t i o n p r o c e s sa n dh i g hc o s to ft h eh a r d w a r e ，i ti sq u i t ed i f f i c u l tt ou s et h e s et e c h n i q u e si ns y s t e m s o p e r a t i n ga th i g hb i tr a t e s ，f o re x a m p l e ，u pt os e v e r a lm b p s a na l t e r n a t i v es o l u t i o ni st ou s ea h a r b i ne n g i n e e r i n gu n i v e r s i t ym a s t e rd e g r e ed i s s e r t a t i o n m u l t ic a r r i e rs y s t e 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 ( o f d m ) i sa l le x a m p l eo f i ta n di ti su s e di ns e v e r a la p p l i c a t i o n ss u c ha sa 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 s ( a d s l ) ，a s y s t e mt h a tm a k e sh i g hb i t - r a t e sp o s s i b l eo v e rt w i s t e d p a i rc o p p e rw i r e s i th a sr e c e n t l yb e e n s t a n d a r d i z e da n dr e c o m m e n d e df o rd i g i t a la u d i ob r o a d c a s t i n g ( d a b ) i ne u r o p ea n di ti s a l r e a d yu s e df o rt e r r e s t r i a ld i g i t a lv i d e ob r o a d c a s t i n g ( d v b - d t h ei e e e8 0 2 1 1 as t a n d a r d f o rw i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k s 州i sa l s ob a s e do no f d m o nt h eo t h e rh a n d ，t h eu s eo fo f d ms y s t e m sw i t hah i g hn u m b e ro fs u b c a r r i e r sh a s s o m ed r a w b a c k s t h em a j o rd r a w b a c ki si t sh i g hs e n s i t i v i t yt os y n c h r o n i z a t i o nn o ni d e a l i t i e s b e t w e e nt h et r a n s m i t t e ra n dr e c e i v e ro s c i l l a t o r s s p e c i f i c a l l y ，i n c o r r e c tt i m i n gs y n c h r o n i z a t i o n c a nc a u s ei n t e r f e r e n c eb e t w e e ns u c c e s s i v es y m b o l sa n d ，i fn o tp e r f e c t l yc o m p e n s a t e db e f o r e t h e e q u a l i z a t i o np r o c e s s ，c a l l l e a dt os e v e r ep e r f o r m a n c ed e g r a d a t i o n i na d d i t i o n ，a c a r r i e r - f r e q u e n c yo f f s e t ( c f o ) i n d u c e sa na m p l i t u d er e d u c t i o no ft h eu s e f u ls i g n a la n d p r o v o k e si n t e r f e r e n c eb e t w e e na d j a c e n ts u b c a r d e r s ( i c i ) s e v e r a ls t u d i e sh a v eb e e nf o c u s e do np a r a m e t e re s t i m a t i o nf o ro f d ms y s t e m sb a s e do n d a t a a i d e da n dn o nd a t a a i d e d ( 0 rb l i n d ) t e c h n i q u e s i nt h ef i r s tc a s ei ti si nd e m a n dt h e t r a n s m i s s i o no fk n o w n s e q u e n c e so rt h eu s e o fat r a i n i n gs y m b o lw i t hak n o w ns t r u c t u r ew h i l e b l i n de s t i m a t i o na l g o r i t h m su s ee x c l u s i v e l yt h es t a t i s t i cp r o p e r t i e so ft h et r a n s m i t t e ds i g n a l i nt h i st h e s i sw ew i l ls t u d yd a t a a i d e ds y n c h r o n i z a t i o nu s i n gan e wm e t h o dc a l l e d s u p e r i m p o s e dt r a i n i n gs e q u e n c e ，w h e r et h et r a i n i n gs e q u e n c ea l ea d d e do n t ot h ed a t as y m b o l s b e f o r et r a n s m i s s i o n 2 1 2o b j e c t i v e t h em a i n o b j e c t i v e o ft h i st h e s i si st o i n v e s t i g a t es y n c h r o n i z a t i o no f a l lo f d m t r a n s m i s s i o n ；e s p e c i a l l yt h ef r e q u e n c yo f f s e tc o r r e c t i o nu s i n gm a t l a bs y s t e m t w os t r u c t u r eo ft r a i n i n gs e q u e n c ew i l lb es i m u l a t e da n dt h er e s u l tw o u l db ec o m p a r e d a n da n a l y z e d 1 3o u t l i n e c h a p t e r1o ft h i st h e s i sp r o j e c tc o n t a i n st h eg e n e r a li n t r o d u c t i o nt ot h et h e s i sw o r k ， o b j e c t i v e sa sw e l la st h eo u t l i n e c h a p t e r2c o n t a i n st h eb a c k g r o u n do fo f d m ；i ti n c l u d e st h ed i f f e r e n c e sb e t w e e ns i n g l e c a r r i e r ( f d m ) a n dm u l t i c a r r i e r ( o f d m ) m o d u l a t i o ns c h e m e s ab a s i co f d ma r c h i t e c t u r e f i g u r ea n dd e s c r i p t i o no fi t sv a r i o u sb l o c k si n c l u d i n go f d ms y m b o lc o n s t r u c t i o na n ds y m b o l m a p p i n ga r ea l s op r e s e n t e d 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 ( q 削) i si n t r o d u c e da sa n a p p r o p r i a t em o d u l a t i o nt e c h n i q u ef o r t h eo f d m s u b c a n i e l 怎 c h a p t e r 3 a n a l y z e v a r i o u s s y n c h r o n i z a t i o n t e c h n i q u es p e c i a l l yf r e q u e n c y s y n c h r o n i z a t i o n c h a p t e r 4w eu s ei n t h i sc h a p t e ras p e c i a lt r a i n i n gs e q u e n c ec a l l e dz e r oa d d e dt r a i n i n g s e q u e n c e 1 4o f d m h i s t o r y t h ec o n c e p to fu s i n gp a r a l l e ld a t at r a n s m i s s i o nb ym e a n so ff 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 ) w a sp u b l i s h e di nm i d6 0 s s o m ee a r l yd e v e l o p m e n tc a nb et r a c e db a c ki n t h e5 0 s au s p a t e n tw a sf i l l e da n di s s u e di nj a n u a r y ，1 9 7 0 t h ei d e aw a st ou s ep a r a l l e l d a t as t r e a m sa n df d mw i t ho v e r l a p p i n gs u bc h a n n e l st oa v o i dt h eu s eo fh i g hs p e e d e q u a l i z a t i o na n dt oc o m b a ti m p u l s i v en o i s e ，a n dm u l t i p a t hd i s t o r t i o na sw e l la st of u l l yu s et h e 3 h a r b i ne n g i n e e r i n gu n i v e r s i t ym a s t e rd e g r e ed i s s e r t a t i o n a v a i l a b l eb a n d w i d t h t h ei n i t i a la p p l i c a t i o n sw e r ei nt h em i l i t a r yc o m m u n i c a t i o n s i nt h e t e l e c o m m u n i c a t i o n sf i e l d ，t h et e r m so fd i s c r e t em u l t i t o n e ( d m d ，m u l t i c h a n n e lm o d u l a t i o n a n dm u l t i c a r r i e rm o d u l a t i o n ( m c m ) a r ew i d e l yu s e da n ds o m e t i m e st h e ya r ei n t e r c h a n g e a b l e w i t ho f d m i no f d m ，e a c hc a r r i e ri s o r t h o g o n a lt oa l lo t h e rc a r r i e r s h o w e v e r , t h i s c o n d i t i o ni sn o ta l w a y sm a i n t a i n e di nm c m o f d mi sa l lo p t i m a lv e r s i o no fm u l t i c a r r i e r t r a n s m i s s i o ns c h e m e s1 1 1 f o ral a r g en u m b e ro fs u bc h a n n e l s ，t h ea r r a y so fs i n u s o i d a lg e n e r a t o r sa n dc o h e r e n t d e m o d u l a t o r sr e q u i r e di nap a r a l l e ls y s t e mb e c o m eu n r e a s o n a b l ye x p e n s i v ea n dc o m p l e x t h e r e c e i v e rn e e d sp r e c i s ep h a s i n go ft h ed e m o d u l a t i n gc a r r i e r sa n ds a m p l i n gt i m e si no r d e rt o k e e pc r o s s t a l kb e t w e e ns u bc h a n n e l sa c c e p t a b l e w e i n s t e i na n de b e r ta p p l i e dt h ed i s c r e t e f o u r i e rt r a n s f o r m ( d f r ) t op a r a l l e ld a t at r a n s m i s s i o ns y s t e ma sp a r to ft h em o d u l a t i o na n d d e m o d u l a t i o np r o c e s s i na d d i t i o nt oe l i m i n a t i n gt h eb a n k so fs u b c a r r i e ro s c i l l a t o r sa n d c o h e r e n td e m o d u l a t o r sr e q u i r e db yf d m ，ac o m p l e t e l yd i g i t a li m p l e m e n t a t i o nc o u l db eb u i l t a r o u n ds p e c i a l p u r p o s eh a r d w a r ep e r f o r m i n gt h ef a s tf o u r i e rt r a n s f o r m ( h 唧r e c e n t a d v a n c e si nv l s it e c h n o l o g ye n a b l em a k i n go fh i g h s p e e dc h i p st h a tc a np e r f o r ml a r g es i z e f f fa ta f f o r d a b l ep r i c e 2 1 i nt h e1 9 8 0 s ，o f d mh a sb e e ns t u d i e df o r h i i g h - s p e e dm o d e m s ，d i g i t a l m o b i l e c o m m u n i c a t i o n sa n dh i g h - d e n s i t y r e c o r d i n g o n eo ft h es y s t e m su s e d ap i l o tt o n ef o r s t a b i l i z i n gc j a l t i e ra n dc l o c kf r e q u e n c yc o n t r o la n dt r e l l i sc o d i n gw a si m p l e m e n t e d v a r i o u s f a s tm o d e m sw e r ed e v e l o p e df o rt e l e p h o n en e t w o r k s i n1 9 9 0 s ，o f d mh a sb e e ne x p l o i t e df o r w i d e b a n dd a t ac o m m u n i c a t i o n so v e rm o b i l er a d i of mc h a n n e l s ，h i g h b i t r a t e d i g i t a l s u b s c r i b e rl i n e s ( h d s l , 1 6m b s ) ，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 s ( a d s t , 1 , 5 3 6m b s ) ， v e r yh i g h - s p e e dd i g i t a ls u b s c r i b e rf i n e s ( v h d s l1 0 0m b s ) ，d i g i t a la u d i ob r o a d c a s t i n g o ) a b ) a n dh d t v t e r r e s t r i a lb r o a d c a s t i n g i 4 1 5q u a l i t a t i v ed e s c r i p t i o no fo 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 nm u l t i p l e x i n g ( o f d m ) i ss i m p l yd e f i n e da saf o r mo f m u l t i c a r r i e rm o d u l a t i o nw h e r et h ec a r r i e rs p a c i n gi sc a r e f u l l ys e l e c t e ds ot h a te a c hs u bc a r r i e r i so r t h o g o n a lt ot h eo t h e rs u bc a r r i e r s t w os i g n a l sa r eo r t h o g o n a li ft h e i rd o tp r o d u c ti sz e r o t h a ti s ，i fy o ut a k et w os i g n a l sm u l t i p l yt h e mt o g e t h e ra n di ft h e i ri n t e g r a lo v e ra ni n t e r v a li s z e r o ，t h e nt w os i g n a l sa r eo r t h o g o n a li nt h a ti n t e r v a l o r t h o g o n a l i t yc a nb ea c h i e v e db y c a r e f u l l ys e l e c t i n gc a r r i e rs p a c i n g ，s u c ha sl e t t i n gt h ec a r r i e rs p a c i n gb ee q u a lt ot h er e c i p r o c a l o ft h eu s e f u ls y m b o lp e r i o d a st h es u bc a r r i e r sa r eo r t h o g o n a l ，t h es p e c t r u mo fe a c hc a r r i e r h a san u l la tt h ec e n t e rf r e q u e n c yo fe a c ho ft h eo t h e rc a r r i e r si nt h es y s t e m t h i sr e s u l t si nn o i n t e r f e r e n c eb e t w e e nt h ec a r r i e r s ，a l l o w i n gt h e mt ob es p a c e da sc l o s ea st h e o r e t i c a l l yp o s s i b l e t h em a j o ra d v a n t a g e so fo f d ma r ei t sa b i l i t yt oc o n v e r ta f r e q u e n c ys e l e c t i v ef a d i n gc h a n n e l i n t os e v e r a ln e a r l yf l a tf a d i n gc h a n n e l sa n d h i g hs p e c t r a le f f i c i e n c y h o w e v e r ，o n eo ft h em a i n d i s a d v a n t a g e so fo f d mi s i t ss e n s i t i v i t ya g a i n s tc a r r i e rf r e q u e n c yo f f s e tw h i c hc a u s e s a t t e n u a t i o na n dr o t a t i o no fs u b c a r r i e r s ，a n di n t e rc a r r i e ri n t e r f e r e n c e ( i c i ) t h eu n d e s i r e dl c i d e g r a d e st h ep e r f o r m a n c eo ft h es y s t e m1 3 1 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 ( o f d m ) i se m e r g i n ga st h ep r e f e r r e d m o d u l a t i o ns c h e m ei nm o d e mh i g hd a t ar a t ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s o f d mh a s b e e na d o p t e di nt h ee u r o p e a nd i g i t a la u d i oa n dv i d e ob r o a d c a s tr a d i os y s t e ma n di s b e i n g i n v e s t i g a t e df o rb r o a d b a n di n d o o rw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s s t a n d a r d ss u c ha sh i p e r l a n 2 ( h i g hp e r f o r m a n c el o c a la r e an e t w o r k ) a n d1 e e e8 0 2 1l aa n di e e e8 0 2 11 9h a v ee m e r g e d t os u p p o r ti p - b a s e ds e r v i c e s s u c hs y s t e m sa r eb a s e do no f d ma n da r ed e s i g n e dt oo p e r a t ei n t h e5g h zb a n d o f d mi sas p e c i a lc a s eo fm u l t i - c a r r i e rm o d u l a t i o n m u l t i - c a r r i e r m o d u l a t i o ni st h ec o n c e p to fs p l i t t i n gas i g n a li n t oan u m b e ro fs i g n a l s ，m o d u l a t i n ge a c ho f t h e s en e ws i g n a l st os e v e r a lf r e q u e n c yc h a n n e l s ，a n dc o m b i n i n gt h ed a t ar e c e i v e do nt h e m u l t i p l ec h a n n e l sa tt h er e c e i v e r1 3 i 5 i no f d m ，t h em u l t i p l ef r e q u e n c yc h a n n e l s ，k n o w na ss u b - c a l t i e r s ，a r eo r t h o g o n a lt o e a c ho t h e r aw e l lk n o w np r o b l e mo fo f d m ，h o w e v e r ，i si t ss e n s i t i v i t yt of r e q u e n c yo f f s e t b e t w e e nt h et r a n s m i t t e da n dr e c e i v e ds i g n a l s ，w h i c hm a yb ec a u s e db yd o p p l e rs h i f ti nt h e c h a n n e l ，o rb yt h ed i f f e r e n c eb e t w e e nt h et r a n s m i t t e ra n dr e c e i v e rl o c a lo s c i l l a t o rf r e q u e n c i e s t h i sc a r r i e rf r e q u e n c yo f f s e tc a u s e sl o s so fo r t h o g o n a l i