（通信与信息系统专业论文）ofdm同步技术的研究(2).pdf

o f d m 同步技术的研究 摘要 ， ( 正交频分复用( o f d m ) 技术是当前移动通信领域的一项关键技 术，b f d m 技术具有很强的抗符号间干扰、抗多径衰落能力，适合在 无线信道中传输高速的数据业务，因而倍受关注。o f d m 采用了正交 多载波技术，频谱利用率很高，目前已被应用于无线局域网、数字音 频广播( d a b ) 、数字视频广播( d v b t ) 系统中，并且有望成为第 四代移动通信系统的核心技术。 但是o f d m 技术也存在一些缺点，一个主要缺点是对同步误差 十分敏感，当存在同步误差时，子载波之间的正交性遭受破坏，从而 引起严重的载波间干扰( i c i ) ，使解调性能大大下降，因此精确的同 步对于o f d m 系统来说十分重要。 o f d m 系统的同步往往比较复杂，难以实现，如何设计一种实现 起来简单而性能又比较好的同步方案，国内外很多学者已经对此作了 大量的研究，取得了很多成果，但仍旧需要作进一步的研究。 本文吸收了国内外在o f d m 同步实现技术方面的很多研究成果， 介绍、分析并比较了多种同步方法，对其中一些同步方法作了改进， 在白噪声信道以及多径衰落信道下，对多种同步方法的性能作了大量 的仿真，给出了多个结论。因为o f d m 的同步结构比较复杂，本文 先是对同步的几个主要组成部分分别作研究，然后介绍完整的同步方 案，并对同步的实现方案进行了探讨。、k 本文各章节的内容如下： 第一章介绍了本课题相关技术的发展情况，主要包括：o f d m 的 历史与现状；o f d m 的特点与关键技术；o f d m 同步的特征及基本 原理等。该章末尾叙述了本课题的来源和研究意义，并简介了作者的 主要工作和贡献。 第二章分析了三种主要的同步误差( 频偏、定时偏差、抽样时钟 频偏) 对o f d m 解调性能的影响，推导了三个公式来近似的估计存 在频偏、定时偏差、抽样时钟频偏时，解调端损失的信噪比。 第三章研究同步捕获，对于定时捕获，分析、比较了五种利用循 环前缀和两种利用导频序列的定时捕获方法，给出了多个结论。提出 了简化的滑动窗1 2 定时估计方法，通过仿真得出结论：当窗口长度取 未遭受i s i 破坏的c p 区间长度的2 倍左右时，定时估计性能比s c h m i d l & c o x 定时估计性能好；对于频偏捕获，分析并比较了利用导频、利 用循环前缀、以及利用虚载波的频偏捕获方法。由于利用循环前缀进 行频偏捕获，只能估计【- 0 5 ，0 5 】内的频偏，本文提出利用导频载波实 7 现频偏粗估计的方案，增大了频偏估计的范围。 第四章研究同步跟踪技术，对于频偏跟踪，分析、比较了m o o s e 方法、利用循环前缀的方法、以及判决反馈方法的性能。提出了一种 新的频域差分判决反馈方法来跟踪频偏的变化，具有实现简单、鲁棒 性好的优点，仿真结果表明新提出的方法频偏估计范围较大，精度较 高。此外，作者对一种相干判决反馈的频率跟踪方法进行了改进，提 出了频偏、相偏联合估计新算法，对频偏、相偏同时估计，这样可以 有效的提高估计精度，而原先的相干判决反馈算法在存在相偏时，频 偏估计精度下降很多。对于定时跟踪，分析并比较了去除调制数据的 定时跟踪方法以及利用导频定时跟踪的方法。 第五章分析了两种o f d m 系统的同步实现方案：i e e e 8 0 2 1 1 a 的 。 同步实现方案以及欧洲e t a e k a1 4 7d a b 的同步实现方案，最后，对 同步的实现方案进行了探讨，给出了同步实现的基本步骤。 ( 本文最后的结束语中，对作者在本文中所作贡献进行了总结，并 指出了仍有待进一步研究的若干问题、) 户 ，l 、 关键词：正交频分复用：同步，频偏估计：定时估计，符号间干 扰，。载波间干扰。 s t u d y o no f d m 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 b s t r a c t 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 gi so n eo fk e yt e c h n o l o g i e si n m o b i l ec o m m u n i c a t i o nf i e l d s ，i ti ss u i t a b l ef o rh i g hr a t ed a t at r a n s m i s s i o ni nw i r e l e s s c h a n n e l sb e c a u s ei tc a nc o m b a ti n t e r - s y m b o l i n t e r f e r e n c ea n d m u l t i p a t hf a d i n g e f f i c i e n t l y , n o wi th a sb e c o m ea na t t r a c t i v et e c h n o l o g y o f d mi sam u l t i p l ec a r r i e r s t e c h n o l o g y , s u p p o r t sh i g hr a t ed a t at r a n s m i s s i o nw i t hh i g hs p e c t r u me f f i c i e n c y , a t p r e s e n t , o f d mt e c h n o l o g yh a sb e e nu s e di n m a n yf i e l d s ，s u c ha sw i r e l e s sm e a l n e t w o r k ，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 ) ，d i g i t a lv i d e ob r o a d c a s t i n g ( d v b ) s y s t e m s a n ds oo n i ti s v e r yp r o m i s i n gt ob eac o r et e c h n o l o g yo ft h ef o u r t hg e n e r a t i o n m o b i l ec o m m u n i c a t i o n s h o w e v e r o f d mh a ss o m ei n h e r e n td r a w b a c k s o n eo f t h ed r a w b a c k si st h e s e n s i t i v i t yt os y n c h r o n i z a t i o ne r r o r b e c a u s eo f d mc o n s i s t so fm a n yo v e r l a p p e d s u b c a r r i e r s ，w h e n s y n c h r o n i z a t i o n e r r o r e x i s t s ，t h e o r t h o g o n a l i t y b e t w e e n s u b - c a r r i e r sd o e s n tb ep r e s e r v e d s e r i o u si n t e r - c a r r i e ri n t e r f e r e n c ei si n t r o d u c e da n d d e m o d u l a t i o n p e r f o r m a n c ew i l lb ed e g r a d e dg r e a t l y s of i n es y n c h r o n i z a t i o ni s e s s e n t i a jt o0 f d m s y r s t e m s t ob u i l df i n e s y n c h r o n i z a t i o n ，t h es y n c h r o n i z a t i o ni m p l e m e n t a t i o n i s a l w a y sc o m p l i c a t e da n dd i f f i c u l t ，s oh o wt od e s i g na ne a s yr e a l i z e ds y n c h r o n i z a t i o n m e t h o dw i t h s a t i s f a c t o r yp e r f o r m a n c e j sa ne s s e n t i a li s s u e t h i si s s h a sb e e n i n v e s t i g a t e dd e e p l yi nt h ep a s t , s t i l lf u r t h e rr e s e a r c ho ni ti sn e e x l e d t h i st h e s i si n t r o d u c e sm a n ye x c e l l e n tr e s e a r c hr e s u l t sa c h i e v e db ym a n y p e o p l ei nt h ew o r l d ，a n a l y s e sa n dc o m p a r e sm a n ys y n c h r o n i z a t i o nm e t h o d s ，s o m e m e t h o d sa m o n gt h e ma r em o d i f i e d m a n ys i m u l a t i o n sa 他t a k e n t h ep e r f o r m a n c e sa r e g i v e nb ys i m u l a t i o nr e s u l t s ，a n ds o m ec o n c l u s i o n sa r eg i v e n b e c a u s et h es t r u c t u r eo f s y n c h r o n i z a t i o n i s c o m p l i c a t e d t h i sp a p e r s t u d i e ss e v e r a jm a i n p a 惜o f s y n c h r o n i z a t i o nr e s p e c t i v e l y a r e rs t u d y i n gt h e s ep a r t s , s e v e r a ls y n c h r o n i z a t i o n s c h e m e so f 0 f d m s y s t e m sa r ei n t r o d u c e d t h em a i nb o d yo f t h i st h e s i sj sb a s e do nt h ew o r kd e s c r i b e da b o v e c h a p t e r li n t r o d u c e st h eh i s t o r ya n dt h er e c e n td e v e l o p m e n to f0 f d m t e c h n o l o g y , i n c l u d i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c so f 0 f d m t h eb a s i cm o d e io f t r a n s m i t t e ra n d r e c e i v e r ，t h ek e yt e c h n o l o g i e so f0 f i ) ms y r s t e m s , t h eb a s i cc h a r a c t e r i s t i c sa n d r e q u i r e m e n tf o rs y n c h r o n i z a t i o n i nt h ei a s tp a r to f t h i sc h a p t e r i td e s c r i b e st h eo r i g i n o ft h er e s e a r c ht o p i ca n ds i g n i f i c a n c eo ft h ei n v e s t i g a t i o n a n db r i e f l yi n t r o d u c e st h e m a i nw o r ka n dc o n 廿i b u t i o n so f t h ew r i t e r c h a p t e r2a n a l y s e st h ee f f e c t so fs y n c h r o n i z a t i o ne r r o r s o nd e m o d u l a t i o n p e r f o r m a n c e ，i n c l u d i n gf r e q u e n c yo f f s e t , t i m i n go f f s e ta n ds a m p l i n gf r e q u e n c y o f f s e t t 1 1 i sc h a p t e ra n a l y s e st h ee f f e c t so nd e m o d u l a t i o nr e s u l t sa n dg i v e saa p p r o a c h i n g e s t i m a t i o no fs n rd e g r a d a t i o nw h e ns y n c h r o n i z a t i o ne r r o r se x i s t c h a p t e r3 s t u d i e st h ea c q u i s i t i o no fs y n c h r o n i z a t i o n 。i n c l u d i n gf r e q u e n c y o f f s e ta c q u i s i t i o na n dt i m i n ga c q u i s i t i o n t ot i m i n ga c q u i s i t i o n ，t h i sc h a p t e ra n a l y s e s l i l a n dc o m p a r e st h ec o m p l e x i t i e sa n dt h ep e r f o r m a n c e so fm u l t i p l ee s t i m a t o r su s i n g c y c l i cp r e f i x ，s i m u l a t i o nr e s u l ba r eg i v e na n ds e v e r a lc o n c l u s i o n sa r em a d e b e s i d e s t h i s t h ec h a p t e ra n a l y s e ss c h m i d l & c o x t i m i n ge s t i m a t o rw h i c he s t i m a t e st i m i n g o f f s e tb y p i l o ts e q u e n c e s as i m p l i f i e ds l i d i n gw i n d o w st i m i n ge s t i m a t o ri sp r o p o s e d , w h e nt h ew i n d o w l e n 【g t hi st w o t i m e sa sl a r g ea st h el e n g t ho f t h ep a r to f c y c l i cp r e f i x w h i c hd o e s n ts u f f e ri s i t h e s i m p l i f i e ds l i d i n gw i n d o w se s t i m a t o ri s b e a e rt h a n s c h m i d l & c o x t i m i n ge s t i m a t o r t of r e q u e n c ya c q u i s i t i o n t h i sc h a p t e ri n v e s t i g a t e d s c h m i d l & c o xf r e q u e n c yo f f s e ta c q u i s i t i o n f r e q u e n c ya c q u i s i t i o nu s i n gc y c l i ca n d 丹e q u e n c ya c q u i s i t i o nu s i n gv i r t u a lc a g i e ra n e ws c h e m ei s p r o p o s e d ，t h i ss c h e m e u s e sp i l o tc a r r i e r si no f d m s y s t e m sf o rc o a r s e 厅e q u e n c y o f f s e te s t i m a t i o na f t e rf i n e f r e q u e n c ye s t i m a t i o nu s i n gc y c l i cp r e f i x c h a p t e r 4s t u d i e st h et r a c k i n gm o d eo f s y n c h r o n i z a t i o n ，t of r e q u e n c yt r a c k i n g ， t h i sc h a p t e ra n a l y s e sm o o s e e s t i m a t o r , f r e q u e n c yt r a c k i n gl o o pu s i n gc y c l i cp r e f i xa n d f r e q u e n c yt r a c k i n gl o o pb a s e do n ad e c i s i o n d i r e c t e dm o d e an e w f r e q u e n c yt r a c k i n g l o o pb a s e do nad i f f e r e n t i a ld e c i s i o n - d i r e c t e dm o d ei sp r o p o s e d s i m u l a t i o nr e s u l t s i n d i c a t ei tc a r le s t i m a t et h ef r e q u e n c yo t i s e ta c c u r a t e l yw h e nt h ef r e q u e n c yo f f s e ti s n o tl a r g e a i s o t h ec h a p t e rm o d i f i e saf r e q u e n c ye s t i m a t i o na l g o r i t h mb a s e do na c o h e r e n td e c i s i o n - d i r e c t e dm o d e ，t h em o d i f i e da l g o r i t h me s t i m a t e sf r e q u e n c yo f f s e t a n d p h a s eo f f s e ts i m u l t a n e o u s l y , s o i to v e r c o m e st h ed r a w b a c ko ft h ef o r m e r a l g o r i t h mw h i c h i ss e n s i t i v et op h a s eo f f e t t bt i m i n ge s t i m a t i o n ；t h i sc h a p t e rs t u d i e s t w ok i n go ft i m i n gt r a c k i n gl o o p s ，o n ee s t i m a t e st i m i n go f f s e tb ye l i m i n a t i n g m o d u l a t e dd a t a , t h eo t h e re s t i m a t e st i m i n go f f s e tb yp i l o td a t a , t h e i rp e r f o r m a n c e sa r c i n v e s t i g a t e da n dc o m p a r e d c h a p t e r5i n t r o d u c e st h es y n c h r o n i z a t i o ns c h e m e so ft w ok i n d so fo f d m s y s t e m s o b ei si e e e 8 0 2 1 1 。t h eo t h e ri se u r e k a1 4 7d a b ，a t t h ee n do f t h i sc h a p t e r , s y n c h r o n i z a t i o ni m p l e m e n t a t i o n s a r ci n v e s t i g a t e d t h es u m m a r ys e c t i o nc o n c l u d e st h em a i nw o r k si nt h i st h e s i sw h i c ht h e w r i t e rb e l i e v e sa sc o n t r i b u t i o n s a n dt h e nl i s t ss e v e r a l s s u e sd e s e r v e sf u r t h e rr e s e a r c h 【k e y w o r d 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 ) ，s y n c h r o n i z a t i o n ， 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 ，t i m i n g o f f s e t e s t i m a t i o n 。i n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c e ， i n t e r - c a r r i e ri n t e r f e r e n c e l v t 上海交通大学硕士学位论文 一、绪论 i o f d m 系统：历史与现状 ( 1 ) o f i m 系统的发展过程 o f d m 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 i 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，采用了多个模拟调制解调器，限制了其进一步推广直到7 0 年代， 人们提出了采用离散傅立叶变换( d f t ) 来实现多个载波的调制，简化了系统结 构，使得o f d m 技术更趋于实用化。八十年代，人们研究如何将o f d m 技术应 用于高速m o d e m 。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。如h d s l 、a d s l 、v d s l ，d v b 和d a b 、h d t v 等系统。近年 来，由于数字信号处理( d s p ) 技术的飞速发展，o f d m 作为一种可以有效对抗 信号波形间干扰的高速传输技术，更引起了广泛关注，o f d m 技术被认为极有 可能成为第四代移动通信系统的核心技术之一。 ( 2 ) o f b m 的基本原理 o f d m 是一种多载波技术，可以在多个载波上分别调制数据，并行发送， 为了节省带宽，各个载波之间是正交的，设各个载波上的码元周期为r ，那么相 邻载波的频率间隔为l t ，因此各路信号的频谱实际上是重叠的，接收端利用这 些子载波之间的正交性，可以把每一路信号分离出来，从而实现解调，所以o f d m 系统的频谱利用率很高。由于各个子载波之间是正交的。因此在发送端，可以采 用快速富里叶反变换( i f f t ) 来实现调制，在接收端，可以采用快速富里叶交换 ( f f t ) 来实现解调对调制在子载波上的个数据作| 点i f f t 运算，得到的 结果作为o f d m 符号的个时域样点，样点之间的间隔为t n 为了避免由于多径干扰引起的符号闻干扰( i s l ) ，在o f d m 符号之间一般都 加有保护问隔，也称循环前缀( c p ) ，即把o f d m 符号的最后几个样点复制到 o f d m 符号的最前面。这样，当信道的最大延迟时间小于c p 的长度时，o f d m 符号之间的干扰只发生在c p 区间，因而在接收端通过去掉c p 部分。可以使 o f d m 符号不受i s i 的影响”j 根据以上分析，可以得到o f d m 的发送端模型、接收端模型，如图l - i 、图 1 - 2 所示。 在发送端，首先对数据进行串并变换，把一路信号分成并行的路，为了 克服随机噪声的影响，需要对数据进行编码，为了克服突发噪声的影响，需要对 编码的数据进行交织然后通过点i f f t 变换把数据调制到多个相互正交的子 载波上并行发送，把i f f t 变换后得到的 ，个样点称作一个o f d m 符号，然后把 一、绪论 o f d m 符号的最后。个样点复制到最前面，作为c p ，用于抵抗由多径衰落引 起的符号间干扰( i s i ) 。再经过脉冲成形，i 、q 路调制，把信号输入到前端放大 器，放大后通过发射机发送出去。 图1 - 10 f d m 发送端的基本模型 f i g1 - 1 t h eb a s i cm o d e lo f o f d mt r a n s m i t t e r 接收端执行与发送端相反的过程，对r f 信号下变频后。进行l 、q 路抽样， 得到离散的样点，然后进行定时估计找到o f d m 符号的起始位置，除去c p 部分， 对c p 后面的个样点作点f f t 变换，然后进行判决解调，如果采用相干解 调，那么还需要估计信道参数来辅助解调，解调后数据进行解交织、解码，得到 的结果再进行并串变换恢复原先的数据。 圈1 - 20 f 瑚接收端基本模型 f i g1 - 2 t h eb a s i cm o d e lo f o f d mr e c e i v e r ( 3 ) 0 f d t l 技术的特点 o f d m 是一种多载波技术，采用多个正交的子载波来并行传输数据，并使用 离散快速傅里叶变换技术实现信号的调制与解调。它的主要优点为： 1 ) 带宽利用率很高。 在传统的并行传输系统中，整个带宽经分割后被送到子信道中，各子信道频 带之间严格分离，接收端通过带通滤波器滤除带外的信号来接收每个子倍道上的 数据，这种方法最大的缺点是频谱利用率很低，造成频谱浪费所以，人们提出 了频谱可以重叠的多载波系统。在o f d m 系统中各个子信道的载波相互正交， 它们的频谱相互重叠，这样不但减小了子载波间的相互干扰，同时又提高了频谱 利用率。可以证明。当子载波个数很大时，系统的频带利用率趋于n y q u i s t 极限。 2 ) 采用了快速离散傅里叶变换技术( o f t ) 在发送端采用了快速傅里叶反变换( i f f i ) ，把频域的调制数据转化为时域 的信号发送出去，在接收端，通过快速傅里叶变换( f f t ) 把接收到的时域信号 转化为频域信号，然后进行判决解调，恢复频域的调制信息，采用d f t 技术大 ， 上海交通大学顶士学位论文 大降低了o f d m 的实现复杂性，原先o f d m 的实现需要多个调制解调器。电路 十分复杂，采用d f t 技术，可以快速的实现调制与解调，而且电路也变得十分 简单，近年来，随着数字信号技术的迅速发展，许多d s p 芯片的运算能力越来 越快，更进一步推动了o f d m 技术的发展。 3 ) 可以有效地对抗符号间干扰和突发噪声 o f d m 系统采用多个正交的子载波并行传输数据，原先速率很高的数据流 经过串并变换后，调制到各个子载波上进行并发传输，这样在每一路上的数据速 率大大降低了，那么在衰落信道中所受到的i s i 干扰就相对小多了，此外，o f d m 采用了添加保护间隔的方法。即复制o f d m 符号中最后面的样点到最前面，这 样可以有效的抵抗多径衰落的影响，适用于多径环境和衰落信道中的高速数据传 输瞄】。当信道中因为多径传输而出现频率选择性衰落时，只有落在频带凹陷处的 子载波以及其携带的信息受影响，其他的子载波未受损害，因此系统总的误码率 性能要好得多。o f d m 技术抗窄带干扰性很强。因为这些干扰仅仅影响到很小 一部分的子信道【3 】。 4 ) 具有很强的抗衰落能力 通过各子载波的联合编码，具有很强的抗衰落能力。o f d m 技术本身已经利 用了信道的频率分集，如果衰落不是特别严重，就没有必要再加时域均衡器。通 过将各个信道联合编码，则可以使系统性能得到提高【3 】。 ( 4 ) 0 f o m 的关键技术 虽然o f d m 技术具有很多优点，但也存在着一些固有的缺点，主要有两个 缺点：第一个缺点是o f d m 信号的包络变化剧烈，一般采用峰值功率与平均功 率的比值( p a p r ) 来衡量信号的包络特性，o f d m 信号具有很高的p a p r ，这是因 为o f d m 是种多载波技术，由很多个正交豹子载波叠加而成，输出信号的包 络起伏很大，当载波数目较大时，o f d m 信号具有类似高斯噪声的特性，因此它 的p a p r 近似的服从瑞利分布【j ，p a p r 的大小等于载波总数n 。所以当n 越大 时，p a p r 也越大，很高的f a f r 对发送端前端高功率放大器( h p ：a ) 的线性度 提出了很高的要求。即要求h p a 具有很宽的线性动态范圉，降低了i i p a 的功率 使用效率p j 。如果对o f d m 信号进行非线性放大，又会使o f d m 信号产生较大 失真，引起较大的功率谱带外分量。并且接收端误码率上升。第二个缺点是o f d m 对同步误差十分敏感，o f d m 信号的解调是通过f f t 变换实现的，要求各个载 波之间保持正交，才能解调得到每一路的数据，而当存在同步误差时，各个子载 波之间的正交性受到破坏，引起严重的载波间干扰( i c l ) ，每一个子载波上的数 据都将受到其余多个子载波上数据的干扰，解调性能迅速恶化与单载波系统相 比，o f d m 对同步误差敏感的多，接收端需要与发送端保持精确的同步1 6 】 因此。相应的，降低o f d m 的p a p r 和同步技术成为o f d m 的两大关键技 术，这两种关键技术如果解决得不好，就会使o f d m 整体性能下降，所具有的 各种优点也无法得到充分的体现。 1 ) 降低p a p r 的技术 目前，降低o f d m 的队p r 的技术主要有三类： 第一类是采用信号非线性畸变方法【q 喁】，最简单的方法是采用剪切滤波的方 法，对o f d m 信号中幅度超过规定值的部分进行剪切，但是剪切使o f d m 信号 产生了失真，频谱的带外辐射分量较大，因此剪切后需要滤波，滤除频谱的带外 分量，滤波后又会使o f d m 信号的p a p r 回升，同时接收端误码率( b e r ) 上 升，因此需要选择合适的剪切门限以及合适的滤波器，兼顾o f d m 信号的频谱、 p a p r 、b e r ，在三者之间进行折衷。根据文献【8 】的仿真结果。对于1 2 8 个子载 波，当剪切率为】4 ，采用1 0 4 个抽样系数的带通滤波器后，可以使p a p r 降到 9 d b ，同时接收端信噪比下降不到l d b 。此外。也可以采用u 率变换的方法进行 非线性畸变，即对大信号进行压缩，对小信号进行放大。这样可以有效的降低 o f d m 信号的p a p r l 9 1 ，但是采用这种方法实现起来较为复杂，而且当o f d m 信 号通过严重的多径衰落信道后，接收端进行u 率反变换后失真很大，性能会有 很大下降。 第二类是编码的方法，采用g o l a y 互补码可以显著的降低o f d m 的p a p r ， 使p a p r 小于3 d b ，并且接收端可以利用冗余信息进行纠错。降低b e r t l 0 】【l i 】，但 是采用编码的方法大大降低了信息速率，有用信息速率正比于i n ( n ) n ，当n 很大时，编码效率非常低，目前提出的很多编码方法都只是针对载波数目较小的 o f d m 系统，对于载波数目很大的o f d m 系统，尚未找到有效的编码方案 第三类是采用s l m 方案1 1 2 】和p t s 方案【1 3 】，这两种方案都是以减少o f d m 大信号出现的概率为目标，发送端产生包含同一信息序列的多个序列，从中寻找 p a p r 最小的序列作为发送序列，这样可以有效的降低o f d m 信号中出现过高的 p a p r 的概率。同时只需要发送很少比特的额外信息来通知接收端发送端采用了 哪个序列，使接收端正确的恢复原先的数据。文献 1 4 】对s l m 、p t s 方案进行了 仿真，对于1 2 8 个子载波、q p s k 调制的o f d m 系统，对于p t s 方案。对发送 序列随机分割成4 个子块，即需要作4 次i f f t 运算得到4 个序列，然后对这4 个序列，各自旋转一个角度( 在一。，”，矿，“2 中选择一个) ，然后相加，得到。 6 4 个序列。从中选择p a p r 最小的序列发送，通过这种方案，o f d m 信号的p a p r 大于7 2 d b 的概率小于1 0s ，比原先o f d m 信号的p a p r 降低了5 d b 左右，因此 采用p t s 方案大大降低了0 f d m 信号的p a p r ，作为比较，对于s l m 方案，当 采用“个p n 序列，即需要作“次i f f t 运算，o f d m 信号的p a p r 大于7 1 d b 的概率小于1 0 一。因此，达到同样的性能，采用s l m 方案比p t s 方案复杂， p t s 方案一般比s l m 方案好。可见，降低o f d m 的p a p r 的这三类方法各有优 缺点，在实际应用中，应该根据需要作出合理的选择。 2 ) 同步技术 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，因为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o f d m 的同步实现起来比 较困难，一般是通过发送导频序列来实现的，也可以采用循环前缀与o f d m 符 号中被复制的部分的相关性来实现，目前。国内外已有大量的文献提出了各种同 步实现方案，本文将在后面几章中具体讨论同步技术 ( 5 ) 0 f d m 技术的应用前景 o f d m 因为具有极高的频谱利用率和优良的抗多径、抗符号间干扰、抗突 发噪声的能力，目前已成为最引入注目的关键技术之一最近普遍认为，o f d m 是“b e y o n d3 g ”或“4 g ”移动通信系统中必不可少的技术目前人们正在研究 上海交通大学硕士学位论文 o f d m 在高速率、大容量的数字移动通信系统中的应用。理论研究证明o f d m 有可能成为下一代( 4 g ) 移动通信系统中的一项多址接入技术。o f d m 技术目 前也被大力的应用到数字音频广播( d a b ) ( 1 5 1 和高清晰度数字电视广播标准 ( d v b - t ) ”叫中去。d a b 广播起源于欧洲，目前已在伦敦、巴黎、德国的巴 伐利亚和柏林建成d a b 广播试验网，d a b 接收机预计在未来1 0 1 5 年内d a b 接收机将首先在汽车上推广使用。年需求量约1 0 0 一2 0 0 万台，全面地普及推广 将由沿海地区向内地扩展逐步更新现有的收音机和录音机，这将带来巨大的商 机。在数字电视领域，目前，世界上有三种数字电视地面广播标准：欧洲的d v b 、 美国的a t s c 和日本的i s d b - t ( 综合业务数字广播) 系统的d t t b ( 数字地面 电视广播) 方案。数字电视地面广播的关键技术是编码正交频分复用c o f d m ， 该技术可有效地解决数字地面广播中所存在的多径接收、邻频干扰等问题。这可 消除在模拟电视广播系统中由于多径接收造成的图像重影现象总而言之， o f d m 技术市场前景广阔，具有非常重要的研究价值。 2 0 f d m 同步技术的特征与原理 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0 f d i i 帧头位置以及 o f d m 符号的起始位置，以便准确的除去c p ，实现正确的解调。 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 信道估计的方法来补偿。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i c i ，与单载波系统相比。在解 调端下降相同的信噪比下，0 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“ 接收端需要进行定时估计，来确定0 f 叫符号的起始位置，由于在0 f i ) m 符号 之间插入了c p ，降低了对定时估计的要求，当定时估计点处于未遭受i s i 破坏 的c p 区间时，o f i ) 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，通过信道估计。可以补偿这个线性相位。当定时估计点处于其它区间时，0 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 定时跟踪进步降低定时偏差。 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0 f d m 的饵调结果产生线性相移，序号越大的子载波相位偏转的越大，因此器要进行定 时估计，减小接收端的抽样时钟与发送端的抽样时钟之闻的频偏与相偏 根据以上的分析可知，0 f d m 的同步误差主要包括频率偏差、定时偏差、抽 样时钟频偏。0 f 蹦的同步需要进行定时估计和频偏估计 0 f 嘲的同步可以分成两个阶段，同步捕获阶段和跟踪阶段。同步捕获是指 建立同步，因为在建立同步之前，接收端与发送端存在着较大的频偏，因此频偏 的估计般分两步进行，频偏细估计和频偏粗估计，分别对应于对小数频偏( 子 一、绪论 载波频率间隔的小数倍) 和整数频偏( 子载波频率间隔的整数倍) 的估计。定时 估计一般是一步完成，也可以采用两步完成“。来进一步降低定时估计的误差 同步的捕获比较困难，一般是通过发送导频序列来实现“”1 ，也可以利用o f d m 符 号的c p 特性来实现“”1 ，同步的跟踪是指维持同步，由于振荡器的不稳定，以及 多普勒效应的影响，0 f d m 的本地载波与接受到的信号的载波又会不一致，存在 频率的漂移，使接收机性能下降。甚至不能接收。同步跟踪也包括定时跟踪和频 偏跟踪，分别跟踪定时偏差的变化和频偏的变化，使定时误差和频偏误差始终保 持在较小的范围内。跟踪可以采用判决反馈的方法实现，也可以利用循环前缀来 实现。 o f 蹦同步的实现方案很多，图卜3 给出了一种基本的实现原理图。首先是 检测抽样得到的信号，如果是通过发送训练序列进行同步，那么判断是否接收到 的信号是训练序列，如果通过循环前缀进行同步，那么判断接收到的信号是否是 循环前缀，当检测到后，可以得到频偏、定时偏差的估计值，对接收割的信号进 行频偏补偿，确定帧的起始位置，o f d m 符号的起始位置，然后去除c p ，进行i f f t 运算，这一阶段也就是同步的捕获阶段，完成同步的捕获后，进入跟踪状态，可 以采用判决反馈的方法进行定时跟踪和频率跟踪，估计得到频偏、定时偏差的误 差信号，通过环路滤波器。去控制产生本地载波的v c x o ，以及产生抽样时钟的 v c x o ，来跟踪频率、定时偏差的变化。 图1 - 3o p b m 的同步实现的基本框图 f i g1 - 3 b l o c k d i a 舒a mo f s y n c h