OFDM通信系统中同步技术的研究-答辩PPT

1、OFDM通信系统中的同步技 术的研究 专业：通信工程 姓名： 指导教师： 主要内容 一、一、 研究背景及现状研究背景及现状 二、二、 OFDM的系统原理的系统原理 四、四、 OFDM系统同步算法研究系统同步算法研究 三、三、 OFDM系统的同步技术系统的同步技术 一、研究背景及意义一、研究背景及意义 l 正交频分复用（OFDM）技术是一种多载波数字调制 技术。它将高速的数据流分解成许多低速率的子数 据流，利用相互正交且部分重叠的多个子载波携带 信息同时进行传输。因此，OFDM系统的频谱效率高， 抗多径能力强，且传输的数据速率高，从而在移动 无线通信系统中得到了广泛的应用。 l 纵观移动通信发展

2、史，第一代移动通信系统仅仅提 供语音服务；第二代和第三代数字移动通信系统的 数据传输速率有限；第四代移动通信系统有希望以 OFDM为核心技术提供增值服务，它在宽带领域的应 用具有很大的潜力。改善了前几代无线系统中的宽 带、时域均衡、频谱效率等一系列问题，成为无线 通信技术的开端。 二、二、OFDMOFDM的系统原的系统原 理理 2.1-OFDM2.1-OFDM的系统模型的系统模型 OFDM系统原理框图 2.2-OFDM2.2-OFDM系统原理系统原理 正交频分复用（OFDM）的基本原理就是把高速的 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传输。 发送端发送数据经过串/并

3、转换的方式使之成为N 路低速数据流，然后将这N路数据流经过数字调制 后成为复信号，完成多载波调制。OFDM接收机事 实上是一组解调器，它将不同载波搬移至零频， 然后在一个码元周期内积分。 2.3-FDM2.3-FDM的关键技术的关键技术 OFDM的关键技术 同步技术信道估计峰值平均功率比 同步技术 OFDM系统因为存在多个正交子载波，并且 其输出信号是多个子信道的叠加，所以对 同步要求特别高，同步可以通过特殊的训 练序列来进行，亦可以利用OFDM符号本身 的特性。同步技术的研究是论文的主要内 容在下面会做具体介绍。 信道估计 加长循环前缀的长度才可以保证尽可能不出现ISI， 但是长度过长必然会

4、产生能量损失，效率降低， 特别对子载波个数不是特别大的系统更明显。这 时考虑信道估计并且加均衡器已达到适当减少前 缀长度的效果，通过增加系统复杂性得到系统频 带利用率的提高的效果。 此外，对采用分集接收的系统也需进行信道估计 来达到最佳合并的目的。 峰值平均功率比 OFDM信号在时域上的形式是N个正交子载波上的信 号叠加，若这N个信号正好以峰值叠加时，OFDM信 号将会产生最大峰值，信号幅值超出功率放大器 的线性区域将会造成严重的带内扭曲和较高的带 外辐射，所以高的峰值平均功率比导致OFDM系统 的性能很大幅度降低甚至于直接影响到实际的应 用。 如若想避免这种情况的发生，必然保证发射的 OFD

5、M信号的平均功率低于功率放大器的峰值功率， 这会造成功率利用效率降低的后果。在降低PAPR 的很多方法中，最经常用的方法是基于幅度限制 的方法， 2.4-OFDM2.4-OFDM技术的优缺点分析技术的优缺点分析 OFDM技术主要优点：频率利用率高；抗衰落 能力强；抗码间干扰；（ISI）能力强；适合 恶劣环境下的高速数据传输。 OFDM技术主要缺点：对频偏和相位噪声比较敏 感自适应调制技术、负载算法会增加系统复杂 度、功率峰值与均值比大，以致于射频放大器 的功率效率较低。 2.5-OFDM2.5-OFDM系统参数选择系统参数选择 一般，在OFDM的各种参数中要确定的3个参数是： 带宽、比特速率和

6、时延扩展。时延扩展是保护间 隔的长短的直接原因，按照惯例，保护间隔的时 间长度是时延扩展的2到4倍。 要求设计的系统满足如下条件： 比特速率取：25Mbit/s； 可容忍的时延扩展：200ns； 带宽：16MHz。 三、OFDM系统的同步技术 3.1OFDM3.1OFDM系统同步简介系统同步简介 载波同步是为了实现接收端 的相干解调。 符号同步的目的是使接收端 确定每个OFDM符号的起止时 刻，并进一步实现块同步或 帧同步。 样值同步包括样值定时同步 和样值频率同步，样值定时 同步是为了使接收端确定每 个样值符号的起止时刻，样 值频率同步则是为保证使接 收端具有相同的样值频率而 设计的。 OF

7、DM系统同步系统同步 载波同步载波同步 符号同步符号同步 样值同步样值同步 3.2-OFDM3.2-OFDM系统同步原理分析系统同步原理分析 在发送端，串行发送的数据流 首先经过串/并转换变 成并行的数据流，进行逆傅立叶变换，再经并/串转换后得 到数据流 ,插入循环前缀得到 ，再进行数模转换后得 到模拟信号 ，调制到载波 后，送到信道中进行传输。 接收端的处理过程与发送端的处理过程刚好相反。 k s n x txc f n s OFDM系统同步系统同步 时间同步时间同步 频率同步频率同步 四、OFDM系统同步算法研究 4.1-4.1-基于循环前缀的最大似然估计算法基于循环前缀的最大似然估计算法

8、 最大似然估计（Maximum Likelihood Estimation, ML）算法是利用OFDM 符号中循环前缀的方法来进行 同步的算法，这种算法由Vande Beek 等人提出，因 为循环前缀与信息符号最后一部分数据是一样的，因 此可以利用与信息符号中部分数据的相关性极大这个 特点来进行估计。假设信号一帧包含了N 个载波，循 环扩展的保护间隔长为L，这种算法是假定信道为加 性高斯白噪声信道的基础上推理出的。 假如传输的一个OFDM符号包含有N个子载波，循环 前缀长为L，单位为抽样间隔如下图 对信息符 号最后一部分数据重复 符号i-1 符号i 1 dd+L-1 I d+Nd+N+L-1

9、I 2N+L 符号i1 观察 最大似然算法的观察区间 输出端2N+L个连续样值r(k)，这些样值中含有一个完整的 N+L个样值的OFDM符号，循环前缀就是把一个数据符号(N 个样值)的最后L个样值复制到数据符号前。设d为OFDM符 号的起始点，则两个集合定义为 第i个多载波符号循环前缀集合 循环前缀复制的区域将2N+L个观察点作为一个向量，即 1,.,1,LdddI T LNrrrr2,.,2,1 1,.,1,LNdNdNdI 因为 和 中的元素对应一样，所以存在以下相关特性 式中： 和 的意思分别是有用信号和加性高斯白噪声的 能量； 为被采样间隔归一化的小数频偏。这2N+L个样值 中，仅仅集

10、合和集合中的对应元素存在相关性，其它各点 间能看成是相互独立的。定义 为接收信号的条件概 率密度函数，似然函数 其他其else Nm m emkrkrE j s ns 0 0 22 22 IkrIk krfNkrkrfdrfd,log,log, s n I I , drf 化简后，无视与 和d无关的量，从而得到 式中，接收端相隔N个样值的共轭乘积(即相关值)为 接收信号的能量值为 相关系数 所以,符号到达时间 和频率偏差 的最大似然联合估计 算法为 ddrdrd2cos, 1 22 2 1 Ld dk Nkrdrd Nkrkrdr Ld dk 1 1 22 2 SNR SNR ns s 式中SNR为信噪比 MLML ML dr ddrd 2 1 maxarg d 4.2-4.2-仿真仿真 符号定时估计曲线 采样点 相关值 子载波数N=1024 循环前缀长L=128 载波频率偏差=0.25， SNR=40dB。 频偏估计曲线 采样点 载波频率偏差 l幅值 l估计范围有限 算法优