（通信与信息系统专业论文）ofdm同步技术研究.pdf

摘要 摘要 o f d m 是b 3 g 乃至4 g 系统中的一个关键技术。o f d m 的符号定时与单载波 传输系统有着相当大的区别，要对符号进行精确的定时，找到o f d m 帧的起始点。 同时在o f d m 系统的传输过程中，无线信号的多普勒频移或者发射机与接收机本 地振荡器之间存在的频率偏差都会使o f d m 系统子载波之间的正交性遭到破坏， 从而产生信道间干扰进而降低整个系统的性能。因此在接收端必须进行频率偏移 估计和采用合理的频率同步策略。 本文研究的主要内容是o f d m 的同步技术，核心是o f d m 系统的突发同步。 本文在描述了o f d m 技术的数学原理和一般o f d m 系统的构成模型后，对载波频 率偏差，符号定时偏差，采样时钟偏差对o f d m 接收机性能的影响进行了详细分 析，同时本文还介绍了几种典型的同步方案。同时w l a n 作为一种宽带无线数据 接入技术目前愈来愈受到关注，本文在对无线局域网i e e e s 0 2 1 1 a 协议物理层规 范和o f d m 技术深入研究的基础上，介绍了一种基于i e e e s 0 2 1 l a 标准，适用于 无线局域网突发性通信系统的同步方案。对i e e e 8 0 2 1 l ao f d m 基带接收机中关 键的技术：符号定时、时间同步、载波频偏估计等问题进行了探讨。在捕获阶段 利用训练符号完成了数据帧头捕获，频偏粗估计，符号定时等任务，在跟踪阶段 利用循环前缀，导频信号完成载波频率跟踪等任务。 关键词：正交频分复用无线局域网频偏同步8 0 2 1 1a a b s t r a c t a b s t r a c t 0 f d mi sak e yt e c h n o l o g yi nb 3 ga n de v e ni n4 gs y s t e m s y m b o lt i m i n gf o ra l l o f d ms i g n a li ss i g n i f i c a n t l yd i f f e r e n tt h a nf o ras i n g l ec a r d e rs i g n a l f i n d i n gt h e s y m b o lt i m i n gr e q u i r e sa l le x a c te s t i m a t eo fw h e r et h es y m b o ls t a r t s d u r i n gt h e t r a n s m i s s i o no fo f d ms y s t e m , d o p p l e rs h i f to ft h ew i r e l e s ss i g n a lo rt h ef r e q u e n c y b i a sb e t w e e nt h e t r a n s m i t t e ra n dr e c e i v e r si o c a lo s c i l l a t o r sm a yd e s t r o yt h e o r t h o g o n a l i t yb e t w e e nt h es u b - c a r r i e r si nt h e0 f d ms y s t e m c o n s e q u e n t l yi n t e r c h a n n e li n t e r f e r e ( i c i ) i sg e n e r a t e da n dl o w e r st h es y s t e mp e r f o r m a n c e s of r e q u e n c y o f f s e te s t i m a t i o na n dr a t i o n a lf r e q u e n c ys y n e h r o n i z a t i o ns t m t e g ys h o u l db eu s e di nt h e r e c e i v e r 1 1 l i sp a p e ri ss t o d y i n gh o wt oi m p l e m e u to f d ms y n c h r o n i z a t i o n a n di tp u t e m p h a s i s o nb u r s ts y n c h r o n i z a t i o nf o r0 f d m f o l i o w i n 2t h e d e s c r i p t i o no ft h e m a t h e m a t i cp r i n c i p l eo f0 f d ma n dn e c e s s a r ye l e m e n t sf o rs e tu pa no f d ms y s t e m ， t 1 1 i st h e s i sd i s c u s s e ss o m en o n i d e a le f f e c t so nt h ep e r f o r m a n c eo f0 f d md i g i t a l c o m m u n i c a t i o n s ，w h i c hi n c l u d ec a r r i e rf r e q u e n c yo f f s e t ，s y m b o lt i m i n go f f s e ta n d s a m p l i n gc l o c kd e v i a t i o n a n ds oo n i nt h i st h e s i s w ea l s od i s c u s st h r e et y p i c a l s y n c h r o n i z a t i o ns c h e m e s w h i c ha r eu s e dc o m p r e h e n s i v e l y a tt h es a n l et i m ew l a ni s b e i n gp a i dm o r ea n dm o r ea t t e n t i o na sab r o a d b a n dw i r e l e s sa c c e s st e e h n o l o g ya t p r e s e n t t l l i sc h a p t e rf i r s tp r e s e n t st h ep h y s i c a ll a y e rs t a n d a r do fw l a ni e e e 8 0 2 1 l a a n dt h eb a s i cp r i n c i p l eo f0 f d ms y s t e m t h e nw ep u tf o r w a r das y n c h r o n i z a t i o n s c h e m ea c c o r d i n gt o i e e e 8 0 2 1 l a , s u i t a b l ef o ru s i n gi u t h ew l a nb u r s tm o d e c o m m u n i e a t i o n ss y s t e m i nt h ea e q u i r ep h a s e i tu t i l i z e st h et r a i n i n gs y m b o l st oa c h i e v e p a c k e th e a d e rd e t e c 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 na n ds y m b o lt i m i n g d u r i n gt h e t r a c k i n gp h a s e ，i tm a k e su s eo ft h ep i l o ts i g n a la n dc y c l ep r e f i xt of u l f i l lt h et a s k so f c a r r i e rf r e q u e n c y t r a c k i n g k e y w o r d s ：o f d m w l a n s y n c h r o n i z a t i o n 8 0 2 1 l a f r e q u e n c yo f f s e t 西安电子科技大学 学位论文创新性声明 秉承学校严谨的学分和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人 在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以 标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究 成果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它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做了明确的 说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名：芏二空生日期丝2 ：! 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研 究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权 保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分 内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业 后结合学位论文研究课题再攥写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 日期! ! ! ：! ：! 日期趔 l ：i ! 呈 第1 章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景及意义 需求推动发展。当今社会快捷方便信息交流的需求推动了无线通信系统的高 速发展。移动通信的发展至今己经历了三个历史性的阶段。上个世纪8 0 年代的第 一代移动通信系统采用模拟频分多址接a ( f d m a ) 方式，如n m t ( n o r d i cm o b i l e t e l e p h o n e ) 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 ) 等，只支持单一的话音业务。 9 0 年代，移动数字通信系统取代了模拟系统，出现了一系列的数字移动通信系统， 如基于时分复用多址接入( t d m a ) 的g s m 、d a m p s ( d i g i t a la m p s ) 和i s 5 4p d c ( p a c i f i cd i g i t a lc e l l u l a t ) 和基于码分多址接入( c d m a ) 的i s 9 5 等，系统在主要提供 话音业务的同时，也支持低速率电路交换的数据业务( 9 6 k b s ) 。这个时期互联网的 迅猛发展大大推动了数据业务的兴起。9 0 年代末，第二代移动通信的标准制定者 们纷纷推出了面向分组数据传输优化的2 5 g 系统标准，如g p r s ( g e n e r a lp a c k e t r a d i os e r v i c e ) 和c d m a 2 0 0 0i x 作为二代系统向新兴的第三代移动通信系统的演进 和过渡，能够提供速率1 4 4 k b s 的数据传输，己经投入运营。在8 0 年代后期，i t u 就开始了具有世界一致的频谱和无线接口标准的第三代移动通信系统标准的研究 工作。作为第三代移动通信系统的i m t - 2 0 0 0 标准在静止和步行环境下最大可以提 供2 m b s 的数据传输，在低速和高速移动环境下分别能够提供3 8 4 k b s 和1 4 4 k b s 的数据传输。今天，第三代移动通信系统即将在全世界范围内投入试运行或商用。 在移动通信系统从第2 代( 2 g ) 向第3 代( 3 g ) 转化的进程中，作为移动通信补充 的无线接入技术也呈现勃勃生机。新一代( b 3 g 或4 g ) 无线通信系统和技术的研究 也已开始。尽管其规范目前尚未成形，但有一点是肯定的：更高的频谱利用率， 更高的数据传输速率，达到2 0 m b p s 以上甚至百兆b p s ，能有效支持无线多媒体通信 和高速宽带i n t e r a c t 接入。要实现如此高速率、高质量的多媒体无线数据传输，无 线通信系统需要克服许多技术挑战。其中哀落和多径现象是高速率无线数据传输 需要克服的重点问题之一。对于数字传输系统，当信道的时延扩展跟数据符号的 持续时间可以比拟时，会造成符号间干扰0 s d ，严重影响数字通信系统的性能，尤 其是对高速率的数据传输系统。为克服这个问题，单载波系统使用一个具有较长 抽头的时域均衡器。而多载波正交频分复用技术( o f d m ) 由于使用并行传输加大符 号传输时间并使用循环前缀，就可以实现完全无i s i 接收，而且只需要简单的单抽 头频域均衡器，无疑大大降低了实现复杂度。正是o f d m 技术的这种抗信道时延 扩展的特性格外受到青睐，并在实际的高速率数据传输系统中得到广泛应用。同 o f d m 同步技术研究 时o f d m 技术可以方便地和各种其他技术，例如m i m o 、自适应编码调制等相结 合，可以提供时间、空间和频率等多个维度的分集，以提高频谱利用率。因此有 观点认为o f d m 是4 g 的核心技术。由于下一代无线数据通信是面向i n t e m e t 的， 而i p 数据以分组形式进行交换。分组的特点是具有突发性，因此将o f d m 作为支 撑技术应用于突发数据传输时的帧信号的捕获和同步建立是接收机中重要的一 环，快速准确而且具有低复杂性的捕获和跟踪将是论文讨论的重点。 1 2 0 f d m 简介 我们知道正交频分复用是一种多载波数字调制技术，它的英文全称是： 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 ，简写为o f d m 。o f d m 最早起源于2 0 世纪5 0 年代中期，在6 0 年代就已经形成了使用并行数据传输和频分复用的概念。 o f d m 技术的应用可以追溯到本世纪6 0 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 但是一个o f d m 系统的结构非常复杂从而限制 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。1 9 7 0 年1 月首次公开发表了 有关o f d m 的专利。1 9 7 1 年，w e i n s t e i n 和e b e r t 把离散傅立叶变换( d f t ) 应用到并行 传输系统中，作为调制和解调过程的一部分。这样在完成o f d m 的过程中，可以完 全依靠执行快速傅立叶变换( f f t ) 的硬件来实施【l l 。 8 0 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9 0 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。在高速宽带无线应用 环境下o f d m 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，o f d m 技术已经被广泛应用于民用通信系统。自2 0 世纪8 0 年代以 来，o f d m 已经在数字音频广播( d a b ) ，数字视频广播( d v b ) ，i e e e 8 0 2 1 1 标准的 无线本地局域网( w l 2 q ) p a 及有线电话网上基于现有铜双绞线的非对称高比特率 数字用户线技术( 例如a s d l ) 中得到了应用。w l a n ( w i r e l e s s l o c a l a r e a n e t w o r k ， 无线局域网) 作为一种宽带无线数据接入技术，是计算机网络与无线通信技术相结 合的产物。它不受电缆束缚，可移动，能解决因有线网布线困难等带来的问题， 并且组网灵活，扩容方便，与多种网络标准兼容，应用广泛等优点，愈来愈受到 重视，o f d m 已经成为了宽带无线接入系统的核心技术之一。 简单来说o f d m 就是将串行的数据流分成若干个并行数据流，分别调制在正 交的子载波上进行传输。o f d m 系统不需要线性均衡，从而避免了噪声的增加， 而且由于它的符号问隔相对变长，对多径效应、脉冲噪声和快速衰落有较强的抵 抗能力；另外由于予载波之间的正交性，其频谱允许重叠，使得它的频谱利用率 比单载波系统提高很多。o f d m 简单的系统实现框图见下图l l ： 第1 章绪论 图1 1o f d m 系统原理框图 在2 0 世纪8 0 年代，当大规模集成电路让f f t 技术的实现变得越来越容易，一 些其他度难以实现的困难也都得n t 解决时，制约o f d m 技术发展的瓶颈终于被 解开了。从此o f d m 技术成为了通信技术舞台上的主角之一，从2 0 世纪9 0 年代起， o f d m 技术被广泛应用在广播信道的宽带数据通信，数字音频广播( d a b ) 、高清晰 度电视( h d t v ) 和无线局域网( w l m 0 当中【2 】。 1 3 突发传输和突发接收 多接入( m u l t i p l e a c c e s s ) 已成为移动通信、数据通信的热点问题之一【3 】。其研 究的目标主要是在共享网络传输环境下使多个通信用户能够即时、并发、有效地 利用信道实现信息交流。在多用户环境下，单个用户对共享传输信道资源的即时 并发访问以请求对共享信道使用，首先这种请求是突发的。新一代的无线接入系 统能有效承载i n t e 加e t 接入，i n t e m e t 的特点就是互联和分组( 包) 交换，而分组交换的 特点就是突发性。 无论从多接入系统的信道资源复用机制还是从单个用户源信息特征本身来 看，多接入系统实际上面临着一个突发模式传输的问题。而传统连续传输通信系 统中，系统一旦建立，信号就连续发生，系统对接收端捕获信号的响应时间没有 严格的要求。和连续传送模式相比，突发传送模式支持基于分组包的通信模式， 可以更有效地支持突发数据源的可变比特率业务。突发传送模式以数据包为单位 传送数据，发送端通常在每个数据包前插入个约十几到几十个符号的前导字。 接收端以它作为辅助数据来进行载波恢复和位时钟恢复，载波和位时钟恢复算法 的性能与前导字的图案有关。前导字作为系统开销，其长度和系统吞吐量相关， 因此，在设计突发调制解调器时，总是要求前导字尽可能短，即接收机应具有快 速捕获能力，也就是说接收机必须在短突发包中有限的时间内完成正确的同步， 4o f d m 同步技术研究 同时误码率等性能指标保持在系统可以接受的水平。 目前突发模式的多接入系统已经广泛的存在于各种多接入通信系统中，例如， t d m a 卫星通信通常只有几百至几k 字节的突发分组长度，要求在数百个传输符号 内接收机能够完成同步。另外无线局域网也系统采用c s m a c a 多路访问技术，实 现i p 分组( i e e e 8 0 2 1 1 ，包括a 和b ) ，a t m 信元的突发传输。在w l a n 中的提高数据 传输速率的核心技术之一就是采用o f d m 调制技术 4 11 5 1 ，将o f d m 技术应用于突发 传输，但是o f d m 自身具有对载波频偏敏感的特点，因此对同步精度的要求更为严 格。突发传输信号的快速同步是突发传输解调的关键技术，高的同步精度是保持 o f d m 子载波间正交性以进行正常传输的前提。如何在有限的时间内快速捕获 o f d m 信号，快速、准确的建立同步，以及同步捕获后的进一步跟踪是很值得研究 的。 1 4 本文的主要工作及内容安排 o f d m 技术由于具有诸多优点而越来越得到人们的关注，o f d m 技术在固定 无线接入领域和移动接入领域将越来越得到广泛的应用。而突发模式传输在通信 系统中将占越来越重要的地位，随着通信系统向基于i p v 6 核心网的全i p 分组传输 方向发展，越来越多的通信系统将具有“突发模式”的特征。 所以本文主要研究的是基于o f d m 的突发通信系统的同步技术。同时对具体 应用o f d m 的w l a n 系统的同步进行了进一步的阐述，主要是对基于i e e e 8 0 2 1 l a 标准的o f d m 技术进行研究，针对o f d m 系统对同步误差较为敏感的弱点，介 绍一整套基于i e e e 8 0 2 1 l a 的o f d m 系统同步方案，并给出了方案性能及其分析。 全文共分五章，各部分安排如下： 第一章为绪论。简要介绍了研究背景及意义，以及o f d m 系统概要和突发传 输在未来通信系统中的重要应用。 第二章为o f d m 系统介绍。包括o f d m 的发展和历史，建立了o f d m 多载 波传输系统的数学模型，给出了其系统结构，讨论了其优点和缺点，并引出了 o f d m 系统同步的问题。 第三章为分组突发式o f d m 系统同步实现。对各种非理想同步因素对o f d m 系统造成的性能影响进行了分析，接着介绍了几种常见的同步算法，最后对突发 同步算法进行了重点介绍。 第四章基于i e e e 8 0 2 1 l a 标准的o f d m 同步技术。首先介绍了i e e e 8 0 2 1 l a 标 准，其次阐述了8 0 2 1 l a 的同步流程，在此基础上分别针对帧同步，符号同步，频 率同步提出了一系列的同步算法，同时给出了算法的仿真性能分析。 第五章总结全文，提出系统改进的方向和需要进一步研究的o f d m 技术。 第2 章0 f d m 系统介绍 第二章o f d m 系统介绍 在无线通信中克服多径衰落的一种有效方法是采用并行传输体制。该技术将 高速数据变换成几路并行的低速数据，然后在不同的子信道上进行传输。它使每 路子载波上的符号持续时间变长，当符号时间远大于最大多径扩展时延时，可以 克服频率选择性衰落。采用频分复用进行数据传输又称为多载波调制，o f d m 技 术是多载波调制技术的一种特殊情况。 2 1o f d m 系统的基本原理 o f d m 系统的数学模型 o f d m 系统是将所传输的数据符号并行调制在相互之间重叠正交的多个子载 波上来传输1 6 。一方面，数据符号串并变换会使每个子载波上的符号周期相对地增 长，可以最大限度地减轻由无线信道的多径时延扩展所产生的时间弥散性对系统 造成的影响，避免频率选择性衰落；另一方面，子载波之间正交，可以有效利用 带宽，提高系统容量。 考虑一个数据序列d = ( d o ，d l ，d 2 ，d 。) ，现在做离散傅立叶变换得到另一 向量s = ( s o ，而，j 2 ，s 一1 ) 。 多载波信号s ( t ) n - - j 写为如下的复数形式： n - i s ( f ) = d 。( f ) p 刚 式( 2 1 ) 其中国。= 国o + n a a ，为第竹个载波频率， 若设定在一个符号周期内以( f ) 为定值，有： 以( ，) = 以 以( f ) 为第 个子载波上的复数信号， 式( 2 - 2 ) 设信号采样频率为l 则有 n - i s ( k t ) = 以e j ( m o + “归 式( 2 3 ) n = o 个符号周期r 内含有个采样值，即有 f = n t 不失一般性，令= 0 ，则 s ( k t ) = 以似甜7 式( 2 - 4 ) 式( 2 5 ) 6 o f d m 同步技术研究 将其与i d f t 形式( 系数忽略) g ( k t ) = 萎h - - i g ( 寿2 “ 式( 2 - 6 ) n = u 通过比较可以看出，若把以看作是频域采样信号，则j ( 后乃就为其对应的时域 信号，如果下式 a f = 去= 二 式( 2 - 7 ) rf 成立时，贝t j ( 2 5 ) 与( 2 6 ) 两式等价。 由此可知，若选择载波频率间隔为l t ，则o f d m 信号不但保持了正交性， 而且可以用d f t 来定义。 引入d f t 技术对并行数据进行调制解调时，频谱是s i n e 函数而非带限的( 见 图2 1 ) ，频分复用通过数字信号的基带处理来实现，而不是通过带通滤波器，这 大大降低了系统实现的复杂性，同时也提高了系统实现的精确性。 为了使信号在i f f t ( f f t ) 前后功率不变，d f t 可按下式定义： d f t ：x ( k ) = 丽i 缶n - i 删e x p ( 一，等k ) ( 0 _ k n - 1 ) 式 m 砌) 去篓删喇警功( o g n _ n - 1 ) x 式, ( 2 - 9 ) 由于o f d m 采用的基带调制为离散傅里叶变换，因此我们可以认为数据的信 道编码在频域进行，经过i f f t 变换转化为时域信号再发送出去，接收端通过f f t 变换再恢复出原始的频域信号。 ( a ) 单个o f d m 子载波频谱( b ) o f d m 信号频谱 图2 1 单个子载波( a ) 和o f d m 信号( b ) 频谱 o f d m 系统结构 o f d m 系统的典型框图如图所示： 第2 章0 f d m 系统介绍 7 图2 2 典型的o f d m 系统框图 串行的输入数据绎过编码，可能包括纠错编码、交织、差分编码，然后进行 星座图映射。按系统要求的大小构成帧，这时就得到了频域数据。经过i f f t 后得 到时域数据，这相当于进行了正交频分复用，即将一帧中不同的数据搬到了不同 的载波位置上。为了便于信道传送，输出的时域数据经过d a 后送入信道。如果 进行基带传输，就不再需要上变频。接收端进行与发送端相反的过程。f f t 将时 域数据进行解频分复用，利用正交性得到发送的数据。在经过判决、译码后送到 信宿，完成通信的全部过程。子信道调制可能采用q a m 调制也可能m p s k 调制， 同时可以采用网格编码调制( t c m ) 改善系统性能。 保护间隔和循环前缀 为了最大限度地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，而且该保护间隔长度t s 一般要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对下一个符号造成干扰1 7 】。在这段保护间隔内，可 以不插入任何信号，即是一段空闲的传输时段。然而在这种情况中，由于多径传 播的影响，则会产生子载波间干扰( i c i ) ，即子载波之间的正交性遭到破坏，不同 8 o f d m 同步技术研究 的子载波之间产生干扰。这种效应可见图2 3 ，从图中可以看出，由于在f f t 运算 时间长度内，第一子载波和第二子载波之间的周期个数之差不再是整数，所以当 接收机试图对第一子载波进行解调时，第二子载波会对第一子载波造成干扰。同 样，当接收机对第二予载波进行解调时，也会存在来自第一子载波的干扰嘲。 第二子载波对第一子 保护问隔f f t 积分时间 图2 3 多径情况下，空闲保护问隔在子载波间造成的干扰 在这种情况下引入了循环前缀，即将每个o f d m 符号的后几个样点复制到 o f d m 符号的前面，形成前缀，在交接点没有任何的间断。因此将一个符号的尾 端复制并补充到起始点增加了符号时间的长度。图2 4 显示了保护间隔的插入。 7 复制 ，1。 保护 i f f t 输出! 保护 i f f t 间隔 i f f t 间隔 n 心it , 骗 i 兰 符号n 1符号n符号n + 1 图2 4 加入保护间隔的o f d m 符号 2 2o f d m 系统的关键技术 o f d m 系统中的关键技术有： 信道编码和交织。为了提高数字系统的性能，信道编码和交织是通常采用的 方法。对于衰落信道中的随机错误，可以采用信道编码；对于衰落信道中的突发 错误，可以采用交织。在o f d m 系统中，如果信道哀落十分严重，就必须采用编 码和交织的方式，在子载波间进行编码，形成c o f d m 方式。编码可以采用各种 第2 章o f i ) m 系统介绍 9 码，如分组码和卷积码等，卷积码的效果要比分组码好。最近提出的空时码，相 比于上述的传统编码方式，充分利用了分集技术，与0 f d m 技术相结合，在快衰 落信道中的性能更佳。 较大的峰平比问题。信号的峰值功率与平均功率之比简称为峰平比( p a r p ) 。 o f d m 信号是由若干个正弦调制信号相加构成的，它的分布随着n 的增加逐步趋 于高斯分布。一般情况下p a r p = 1 0 1 0 9 1 0 ( n ) ，因此n 越大，p a r p 就会越大。高的 峰平比要求射频放大器具有较大的动态范围，如果放大器的动态范围不能满足信 号变化的要求，则接收信号就会产生畸变，破坏各子载波的正交性，产生带内或 带外噪声，从而降低系统的性能。 信道估计。在o f d m 系统中，信道估计要解决两个问题：一是导频信号的选 择；二是既有较低复杂度又有良好的导频跟踪能力的信道估计器的设计。在实际 设计中，导频信号的选择和最佳估计器的设计通常是相互关联的，因为估计器的 性能与导频信号的传输方式有关。 符号和频率同步。o f d m 系统在发送端利用一组相互正交的载波进行调制， 在频偏存在的情况下，接收端载波发生偏移，这样就造成了载波间的相互干扰。 正确地找到符号的起始位置是通信的首要任务，但是o f d m 系统对符号同步有很 高的要求，因为时域上的微小差别反映在频域上，会使接收信号星座发生旋转。 均衡。在一般的衰落环境下，o f d m 系统中的均衡不是有效改善系统性能的 方法。因为均衡的实质是补偿多径信道引起的码问干扰，而o f d m 技术本身已经 利用了多径信道的分集特性，因此在一般情况下，o f d m 系统就不必再做均衡。 但在高度散射的信道中，信道记忆长度很大，循环前缀( c y c l i cp r e f i x 。c p ) 的长 度必须很大，才能够使i s i 尽可能被消除。但是，c pk 度过长必然导致能量大量 损失，尤其当子载波个数不是很大时，这时，可以考虑加均衡器使c p 的长度适当 减小，即通过增加系统的复杂性来换取系统频带利用率的提高。 除了上述5 种关键技术外，o f d m 与智能天线和m i m o 技术的结合也倍受关 注，也是下一代移动通信系统相关技术。 2 3o f d m 系统的优缺点 从上面的论述我们可以看到0 f d m 系统与单载波系统相比具有很大的优势【9 】。 例如o f d m 系统可以有效地对抗多径信道中的符号间干扰和窄带干扰，且实现复杂 度较低。同时由于无线数据业务一般存在非对称性，即下行链路中传输的数据量 要大于上行链路中传输的数据量，o f d m 系统可以通过使用不同数量的子信道来实 现上行和下行链路中不同的传输速率。在下行链路中，基站向各个移动终端广播 式发送同步信号，所以下行链路同步相对简单、较易实现。在上行链路中，来白 1 0o f d m 同步技术研究 不同移动终端的信号必须同步到达基站才能保证子载波间的正交性。基站根据各 移动终端发来的子载波携带信息进行时域和频域同步信息的提取，再由基站发回 移动终端，以便让移动终端进行同步。因此，对于广播应用省略了上行链路同步 的o f d m 系统是非常具有吸引力的单频网络。 另一方面，我们也应该看到o f d m 系统存在的一些主要缺点。首先系统容易受 到频率偏差的影响【1 0 l 。由于子信道的频谱相互覆盖，这就对它们的正交性提出了 严格的要求。由于无线信道的时变性，在传输过程中出现无线信号的频谱偏移或 发射机与接收机本地振荡器之间存在的频率偏差都会使o f d m 系统子载波之间的 正交性遭到破坏，从而产生i c i 。 第二，o f d m 系统存在较高的峰值平均功率比( p a r ) 【1 1 1 。多载波系统的输出 是多个子信道信号的叠加，因此如果多个信号的相位一致，那么所得到的叠加信 号的瞬时功率会远远高于信号的平均功率，出现较大的峰值平均功率比。这对发 射机内放大器的线性提出了很高的要求，否则会带来信号畸变，使信号的频谱发 生变化，从而导致各个子信道间的正交性遭到破坏。发送端对高功率放大器( h i g l l p o w e r a m p l i f i e r , h p a ) 的线性要求很高而且发送效率极低，接收端对前端放大器以 及a d 变换器的线性度要求也很高人们提出了基于信号畸变技术、信号扰码技术 和信号空间扩展技术等降低o f d m 系统p a r 的方法。 2 4o f d m 系统同步问题概述 o f d m 传输系统中的需要解决的关键技术之一就是同步技术，通常它又反映 为两个方面： ( 1 ) 接收端必须获得正确的定时信息，以减弱符号问干扰( i n t e r s y m b o l i n t e r f e r e n c e ，i s i ) 和载波间干扰( i n t e r c a r f i e ri n t e r f e r e n c e ，i c i ) 。 ( 2 ) o f d m 系统中，只有当发射端和接收端之间的载波频率保持一致，子载波 才满足正交的关系，因此接收端需要估计并纠正载波频偏。 因此在实际通信系统中应用o f d m 技术，就必须解决o f d m 技术中的同步这 个关键技术。o f d m 系统中的同步技术主要包括3 个方面【1 2 1 ：符号同步( s y m b o l s y n c h r o n i z a t i o n ) 包括符号粗同步和符号细同步；载波同步( c a r d e rs y n c h r o n i z a t i o n ) 和采样率同步( s a m p l i n gs y n c h r o n i z a t i o n ) 。 o f d m 信号波形使得大多数为单载波系统设计的同步算法不再适用，这些区 别表现在对各种同步错误的敏感性。下面将对这几种同步简单介绍： 1 载波同步 载波频率不同步会破坏子载波之间的正交性，不仅造成解调后输出的信号幅 度衰减以及信号的相位旋转，更严重的是带来子载波问的干扰i c i ，同时载波不同 第2 章o f d j d 系统介绍 步还会影响到符号定时和帧同步的性能。一般来说。o f d m 系统的子载波之间的 频率间隔很小，因而所能容忍的频偏非常有限，即使很小的频偏也会造成系统性 能的急剧下降，所以载波同步对o f d m 系统尤为重要。 载波频率的同步分为捕获和跟踪阶段。在捕获阶段，系统需要对抗的载波频 偏大，要求频偏估计算法可估计频偏范围大，估计精度高；在跟踪阶段由于只需 对抗由于多普勒频移或者载频晶振微小变化带来的载波频率较小的偏差，则跟踪 估计算法重点要求估计精度高，可估计范围相对较小。捕获阶段估计算法主要有： 基于循环前缀的载频和定时偏差联合估计的m a x i m u ml i k e l i h o o d ( m l ) 估计法， 算法实现简单，对频偏估计范围大，但抗噪声能力不强；对时域信号叠加扩频信 号估计频偏的算法抗噪声能力强，但实现复杂，在衰落信道下估计精度不高；跟 踪阶段的频偏估计算法有：基于符号判决的差分相关算法，系统频谱效率较高， 但同样算法实现复杂，且不适于高阶调制系统；利用频域训练符号的差分相关频 偏跟踪算法估计精度高，但算法实现需要接收端已知训练符号的内容，降低了系 统的灵活性。 2 采样时钟同步 采样频率的同步是指发射端的d a 变换器和接收端的a d 变换器的工作频率 保持一致。一般地，两个变换器之间的偏差较小，相对于载波频偏的影响来说也 较小。考虑到实际系统中，上万个数据才有可能偏一个，而一帧的数据如果不太 长的话，只要保证了帧同步的情况下，可以忽略采样时钟不同步时造成的漏采样 或多采样，而只需在一帧数据中补偿由于采样偏移造成的相位噪声。 3 符号定时 在接收数据流中寻找o f d m 符号的分界是符号定时的任务。理想的符号同步 就是选择最佳的f f t 窗，使子载波保持正交，且i s i ( 符号问干扰) 被完全消除或 者降至最小。使用了循环前缀技术后，o f d m 系统能够容忍一定的符号定时误差 而不受到性能上损失。所以o f d m 系统对定时偏差不像对频率偏差那么敏感。 4 帧同步 帧同步是要在o f d m 符号流中找出帧的开始位置，在8 0 2 1 l a 这样的突发性 通信系统中就是我们常说的数据帧头检测。在帧头被检测到的基础上，接收机根 据帧结构的定义，以不同的方式处理一帧中具有不同作用的符号。 2 5 本章小结 在本章中主要进行了o f d m 系统的介绍，包括o f d m 的发展和历史，o f d m 系统的数学模型，o f d m 系统结构，o f d m 系统的关键技术，o f d m 系统的优缺 点，使我们大致了解了o f d m 技术的知识背景和发展动态；其次对o f d m 系统的 o f d m 同步技术研究 同步问题进行了简单的阐述，一般情况下o f d m 系统的同步主要是载波同步，符 号同步，抽样时钟同步等。 第3 章分组突发式0 f o m 系统同步文现 第三章分组突发式o f d m 系统同步实现 新一代的无线接入系统能有效承载i n t e m e t 接入，i n t e m e t 的特点就是互联和 分组( 包) 交换，而分组交换的特点就是突发性，对物理层而言数据是在毫无前兆的 情况下，间歇或者说突然发生，而且持续的时间也比较短，单个用户的数据可以 模型化为一定参数的随机到达、随机长度的突发源。物理层必须为每次数据到达 重新占有信道，建立连接，因此说对共享信道的使用是突发的。突发模式传输的 接收比对连续系统传输的接收有着更为严格的同步要求。具体表现为：由于每个不 同的突发包通常来自不同的用户终端，在不同的时间里产生，这些数据包无论是 信号电平还是噪声统计特性都各不相同，因此对每个接收的数据包，接收机都需 要重新估计同步参数，解调前一个数据包所得到的同步信息不能为解调下一个数 据包所利用。突发接收存在着信号捕获，同步建立的过程，而且捕获过程必须在 尽可能短的时间里建立，因此每个突发包通常有前导字( p r e a m b l e ) 或者训练符号以 加速捕获和同步过程，即突发包的捕获与同步通常是基于数据辅助的。而传统的 锁相环技术由于存在环路稳定建立时间需要将难于直接用于突发系统。将o f d m 技术应用于突发传输，因为o f d m 自身具有对载波频偏敏感的特点，因此对同步 精度的要求更为严格。另外，分组突发式o f d m 系统的同步工作主要利用帧头数 据完成，帧头的设计也决定了同步工作的实现。 3 1 同步误差的定量分析 存任何的通信系统中收发方的同步都是很重要的，如果不能很好的建立同步 就不能进行信息的恢复。对于o f d m 系统来说，理想同步时相邻子载波间保持正 交，不存在i c i 干扰，也不存在i s i 干扰。同步误差的存在破坏了正交性，引入了 i s i 和i c i ，导致有用信号的幅度衰减和相位旋转，降低了s n r ，增加了误码率。 这一节将对各种同步误差进行定量分析，包括其对系统性能造成的影响。同步误 差主要包括符号定时偏差( f f t 窗口偏差) ，载波频率偏差和采样时钟偏差，对同 步误差的定量分析有助于提出合理的同步算法和指导接收机的设计。下面我们将 分别对载波偏差，符号定时偏差和采样点偏差做出分析。 3 1 1 载波偏差对系统性能的影响 无线信道存在时变性，存传输过程中会出现无线信号的频率偏移，例如多普 勒频移，或者由于发射机与接收机载波频率之间存在的频率偏差，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i c i 。如果频域偏差是子载波间隔n ( n o f d m 同步技术研究 为整数) 倍，虽然子载波之间仍然能够保持正交，但是频率采样值已经偏移了n 个子 载波的位置，造成映射在o f d m 频谱内的数据符号的误码率高达0 5 1 ”】。如果载波 偏差不是子载波间隔的整数倍，则在子载波之间就会存在能量的“泄漏”，导致子 载波之间的正交性遭到破坏，从而在子载波之间引入干扰，使得系统的误码率性 能恶化。 假设发送端经i f f t 变化后的信号表达式为： 咖) = 丙1 冰n - i 。e 砸_ ，争肌：o ，l ，- l 扪- 1 ) 信号通过慢时变信道，收发端的绝对频率偏差为厂，相对于子载波间隔的频 偏系数定义为占= a f 以n ) ，：为采样频率。则接收到的信号为： j 2 口堑i ! ! i ! ! ! 丝 只( 聊) = ( 晶( 埘) 圆厅( 掰) + 。弦 ：p m n “+ l n e 百1 乙n - i 最 巩p 伽竺铲+ ，。 式( 3 2 ) 经f f t 变换后得到： r n , i = 芝( 坍弦掣f 等：。m 可n + l 一专n - i 鼠，。以( 乞, v - t 。j 2 f 旦生产) + ， = 一n + l n e s 。h i n s i 瓣n i r e ! e ：* 等+ i 。隅( 3 - 3 ) 从上式可以看出只有第一项为有用信息，但是它受到了频率偏移s 的影响，导 致了接收信号幅度的衰减和相位的旋转。因为n 远远大于昭，所以s i n 等可以简化 “ w + 1n d 为等，那么第一项也可以表示为h r q s 砸c ( 刀矿”。第二项是由于频率 偏差引起的子载波之间的干扰，第三项为加性高斯白噪声。当占为整数时， = p 口。w ”嘞。蝎。，为零，在这种情况下没有引入i c i ，只是存在信号值得 循环移位。占不为整数时，存在子载波的干扰，使有用信息产生幅度的衰减和相位 的旋转。从图3 1 中可以看出非整数倍载波偏差对接收信号的影响。 第3 章分组突发式o f d m 系统同步实现 a ( f )