OFDM移动通信技术 (4)同步

1、OFDM移动通信技术(第四章)课件：课件：ofdm_bjtu_，PW:ofdm123456现代通信研究所 陈 霞SY913，Tel.:87270，Email: 2第四章 OFDM系统同步o4-1 OFDM同步o4-2 OFDM同步偏差o4-3 OFDM定时同步o4-4 OFDM频率同步3数字通信系统同步o载波同步n频率同步n频率-相位同步o定时同步n符号同步n数据块同步4o插入导频法o直接法n锁相环（PLL）频率同步5定时o插入导频法o直接法n滤波法n数字锁相法n同步6载波同步符号同步采样同步OFDM系统7 数学模型 mnmnTddteetrectddetrectdtssmTttfjNntfj

2、nmtfjNnnsmnn,0,)()()(02102210 接收发射o载波同步接收端本地振荡器频率与发送载波一致o符号同步积分区间起止时刻一致/IFFT和FFT窗口位置一致o采样同步接收端A/D和发送端D/A时钟频率一致mnmnTdedNTtetkrdedssmNnkNmnjNknsNktkfjmNnkNnjnkm,0, 110210102102 接收 发射OFDM系统8OFDM同步 vs 单载波同步o频率同步nOFDM：（符号调制多用PSK或QAM）必须相干解调nOFDM：（是多个单载波信号叠加）不能用PLL技术o符号同步和采样同步n单载波：每符号一次采样（采样时钟频率 等于 符号频率） O

3、FDM：每符号多次采样（采样时钟频率正比于符号频率）nOFDM：（是多个单载波信号叠加） 不能用“眼图” 确定采样时刻9第四章 OFDM系统同步o4-1 OFDM同步o4-2 OFDM同步偏差n频率同步偏差10OFDM频率同步 mnmnTddtetrecteddsmTttfjNntfjnmsmn,0,)(02102 接收11OFDM频率同步o造成CFO的原因n（发射机和接收机）振荡器不稳定o长期稳定度有源器件和电路元件的老化特性o短期稳定度环境温度、电源电压变化、电路参数不稳定o瞬时稳定度有源器件和电路内部噪声n信道多普勒频移偏差（Carrier Frequency Offset）12分数频偏

4、oCFO为子载波间隔的分（小）数倍n有用信号的相位旋转和幅度衰减n导致ICI13整数频偏oCFO为子载波间隔的整数倍n信号在频域平移，严重的解调错误（误码率50%）n无ICI 14频偏敏感程度SCOFDM（相对）频偏（相对）频偏性能损失性能损失15第四章 OFDM系统同步o4-1 OFDM同步o4-2 OFDM同步偏差n频率同步偏差n定时同步偏差16OFDM定时同步 mnmnTdteedsmNktkfjNnnNkjnm,0, 102102102Nktkfjmtetkrdm 接收17OFDM定时同步o有保护间隔o无保护间隔偏差18OFDM定时同步偏差o定时偏差小小于CP长度n定时提前o子载波相位

5、旋转o减小OFDM对多径延迟的容忍能力n定时滞后o子载波相位旋转o本符号各子载波之间正交性被破坏，引起ICIo受到后一个符号的干扰（IBI）的影响19OFDM定时同步偏差o定时偏差大大于CP长度n定时提前o子载波相位旋转oICIo受到前一个符号的干扰（IBI）n定时滞后o子载波相位旋转oICIo受到后一个符号的干扰（IBI）的影响20多径传播o最佳定时并不总是第1条路径最好o减小OFDM对定时偏差的容错能力对OFDM定时同步的影响21第四章 OFDM系统同步o4-1 OFDM同步o4-2 OFDM同步偏差n频率同步偏差n定时同步偏差n采样同步偏差22OFDM采样同步偏差o采样频率偏大o采样频率

6、偏小采样间隔偏小采样间隔偏大tfsamp123OFDM采样同步偏差oFFT窗口尺寸偏差n采样频率偏大n采样频率偏小采样间隔偏小采样间隔偏大的影响积分区间缩短积分区间伸长 ICINtTNTtss24oFFT窗口漂移n采样频率偏大n采样频率偏小OFDM采样同步偏差的影响定时逐渐提前定时逐渐滞后+ISI+ICI相位误差25OFDM采样同步的方法o采样频率偏大o采样频率偏小采样点数多采样点数少26第四章 OFDM系统同步o4-1 OFDM同步o4-2 OFDM同步偏差o4-3 OFDM定时同步n4-3-1 数据块同步：帧同步和分组检测27连续传输系统o例n数字广播系统（DAB、DVB）n电路交换蜂窝系

7、统o特点n连续、规则的数据格式n通常允许较长捕获时间n通常允许通过平均多次估计值逐步改善估计准确度28o在帧头安排特殊码组o特殊的例子（DVB）nT：帧的第一个符号为空符号nR：监测接收信号能量帧同步29分组传输系统o例n无线局域网WLAN（IEEE 802.11a）o特点n随机接入n高速数据30分组检测o多-快-好-省n精心设计引导符号n精心设计检测算法（实现各种同步-捕获时间短-精度高-开销低）31滑动窗口法o原理n窗口接收的能量o优点n与信息内容无关n复杂度小、捕获快n递归简化算法o缺点n阈值设置o噪声功率o同频干扰o传播损耗10210*|LkknLkknknnrrrm21211|Lnn

8、nnrrmm102110*111|LkknLkknknnrrrmnn+1nnnwsrnnwr 32双滑动窗口法o原理n两个（连续、相对静止的）滑动窗口n两个窗口的接收能量的比值o优点n与信息内容无关、递归简化算法、复杂度小、捕获快n比值独立于接收信号的功率LllnnMmmnnrbra12102|nnnbam n33第四章 OFDM系统同步o4-1 OFDM同步o4-2 OFDM同步偏差o4-3 OFDM定时同步n4-3-1 数据块同步：帧同步和分组检测n4-3-2 符号定时同步34OFDM符号同步o定时偏移估计n数据辅助n非数据辅助nPre-FFT时域定时估计nPost-FFT频域定时估计o定

9、时偏移校正TR35OFDM信号设计o数据辅助（Data-Aided，DA）n训练符号（Training Symbol/Sequence）n导频（Pilot Subcarrier/Tone）n叠加训练符号/导频（Superimposed TS/Pilot）o非数据辅助（Non-Data-Aided，NDA）n基于CPn基于空载波n盲估计36第四章 OFDM系统同步o4-1 OFDM同步o4-2 OFDM同步偏差o4-3 OFDM定时同步n4-3-1 数据块同步：帧同步和分组检测n4-3-2 符号定时同步n4-3-3 几种定时同步方案37一种基于训练符号的定时估计（Schmidl & Cox，19

10、97）12/02*)(NmNmdmdrrdP12/022|)(NmNmdrdR22)(| )(|)(dRdPdMd38o训练符号：在相间的半数子载波上安排一个训练序列o优点n测度与载波频率偏移无关n测度对信道衰落不敏感n训练符号设计巧妙o缺点n定时测度存在平台效应一种基于训练符号的定时估计39一种基于PN序列的定时估计方案o优点（依赖于具体PN序列）n精度高n抗多径能力o缺点n复杂度较高n要求在定时同步之前已准确补偿CFO40一种基于PN序列的定时跟踪方案o原理nPN序列扩频信号叠加在OFDM信号上n（PN序列扩频信号长度是OFDM符号的整数倍）o优点n不额外使用带宽n（长PN序列）估计准确度

11、可以很高 41基于CP的定时同步o原理nCP与数据最后部分完全一样o优点n高频谱效率n复杂度低o缺点n精度不高n取得高精度需要多个符号n在多径信道中性能恶化42CPNddkNkkrrd22|)(一种基于CP的定时同步方案)(15 . 0| )(|max argdSNRSNRdddMLCPNddkNkkrrd*)(43一种基于类CP训练序列的定时同步方案o同一信号的多个复制以规律间隔出现44性能oM=2，同基于CP方法oM2，小信噪比的估计准确度有明显改善o代价n训练序列的冗余n观察时间增加信噪比估计方差45一种基于空载波的定时同步方案o空载波（null subcarrier）46第四章 OFD

12、M系统同步o4-1 OFDM同步o4-2 OFDM同步偏差o4-3 OFDM定时同步o4-4 OFDM频率同步47OFDM频率同步o频率偏移估计n数据辅助（DA）n非数据辅助（NDA）nPre-FFT时域频偏估计nPost-FFT频域频偏估计o频率偏移校正TR48基于重复训练符号的频偏估计 P. H. Moose，1994121,.,2 , 1 , 012KNNneXNxKKkkNnjkno系统模型n一种常用子载波安排ok-K,KoN2K+11, 1 , 02, 0 , 121IDFTDFT2122102NnNNkeXNxexXNNkkNnjknNnnNkjnk：1, 1 , 01, 1 ,

13、01IDFTDFT102102NnNkeXNxexXNkkNnjknNnnNkjnk：49基于重复训练符号的频偏估计 P. H. Moose，1994o系统模型n一种常用子载波安排n例：IEEE 802.11a50基于重复训练符号的频偏估计 P. H. Moose，1994121,.,2 , 1 , 012KNNneXNxKKkkNnjknnKKkNnjkkNnjknweHeXNy221o信道模型n离散时间信道模型 nnyxh51基于重复训练符号的频偏估计 P. H. Moose，1994121,.,2 , 1 , 012KNNneXNxKKkkNnjknkkNNjkkkWIeNNHXY1si

14、nsino信道模型n离散时间信道模型n等效频域信道模型NkljNNjKklKlllkeeNklNHXI1)(sinsin kkYXH nnyxhnKKkNnjkkNnjknweHeXNy22152kkRR12基于重复训练符号的频偏估计 P. H. Moose，1994NnkjNnnkerR2101NnkjNNnnkerR2122 2jnNnerr 212jkkeRRo训练符号12,.,1 , 012NneXNrKKkkNnjknNnkjNnNnkerR210212,.,1 , 01)(2NnweHXNrnKKkkNnjkkn53基于重复训练符号的频偏估计 P. H. Moose，1994kkk

15、WRY111kjkkWeRY2212KKkkkKKkkkYYYYReImtan21*12*121*1211*121221*11221*12kkkkkjkjkkkkjkkkWWWRWeReRWRWeRYYo频偏估计计算54基于重复训练符号的频偏估计 P. H. Moose，1994o性能n准确估计（捕获）范围 0.5fn随着符号变短，估计性能变坏n符号周期减小程度受多径限制相对频偏估计值Es/No估计偏差（解决：更短训练符号）55基于重复训练符号的频偏估计 Schmidl and Cox，1997捕获范围fsT jNmmdmdjNmmdmdNmNmdmderrerrrrdP 12/0*12/0*

16、12/02/*)(ssTT22)(dPangleo频偏估计56t2基于重复训练符号的频偏估计 Schmidl and Cox，1997捕获范围fo分数频偏估计2sssTzTT57基于重复训练符号的频偏估计 Schmidl and Cox，1997捕获范围fo分数频偏估计2sssTzTT58基于重复训练符号的频偏估计 Schmidl and Cox，1997o频域训练序列o在第1个符号的偶序号子载波上发射一个PN序列s1,ko在第2个符号的偶序号子载波上发射另一个PN序列s2,kkkkssv, 1, 2kkksvs, 2, 159基于重复训练符号的频偏估计 Schmidl and Cox，1997o估计整数频偏22, 222, 2*2, 12maxargXkkXkgkkgkgxxvxgkkksvs, 2, 160基于导频的频偏