（通信与信息系统专业论文）基于无线城域网物理层ofdm同步技术的研究.pdf

华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 0 f d m 以较高的频谱利用率和较强的抗衰落能力广泛应用于各种通信系统中，但 对符号和载波同步非常敏感，当存在同步误差时，子载波之间的正交性遭到破坏， 从而引起严重的子载波间干扰和符号间干扰，因此精确的同步对于o f d m 系统至关 重要。本文主要仿真了几种经典的同步算法，并对其优缺点进行了比较。然后以无 线城域网物理层0 f d m 的结构为基本模型，选择适合的算法进行了定时和频偏估计 的仿真，当定时阶段加大频偏，降低信噪比，定时变得不准确，算法失效。本文提 出了一种基于差分的算法，新算法在定时阶段能对抗频率偏差，并具有很好的性能。 关键字：w i m a x ，正交频分复用( 0 f d m ) ，符号同步，频偏估计 a b s t r a c t o f d mw i t hh i g hf r e q u e n c yu t i l i z a t i o n 锄ds t r o n ga n t i f a d i n ga b i l i t yi sw i d e l yu s e d i nav 撕e t yo fc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s ，b u ti ti sv e 巧 s e n s i t i v et ot h et i m i n ga n d f r e q u e n c y o f b e t w h e n t h e s y n c h r o n i z a t i o ne r r o re x i s t s ， t h e o r t h o g o n a l i t yo ft h e s u b c a r r i e si sd e s t r o i e d ， w h i c hc a u s e ss e r i o u s c a r r y i n t e r f e r e n c ea n d s i g n a l i n t e r f e r e n c e ，s op r e c i s es y n c h r o l l i z a t i o nf o ro f d ms y s t e m si sv e r ) ，i m p o r t 柚t t h i sp a p e r m a i n l ys i m u l a t e s 柚dc o m p a r e ss o m ec l a s s i cs y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t l l r i l s a n dt h e nt a k e t h ep h y s i c a l l a y e ro f d ms t l l l c t u r eo ft h ew i r e l e s sm a n 弱t h eb a s i cm o d e l ，c h o o s et h e a p p r o p r i a t ea l g o “t h mf o r t h et i m i n ga n df r e q u e n c yo f f s e te s t i m a t i o no ft h es i m u l a t i o n i n t h es t a g eo ft h et i m i n g ，i ft h e 舶q u e n c y o f f s e ti si n c e r a s e d 锄dt h es i g n a l - t o n o i s ei s r u d u c e d ，t h e nt h et i m i n gb e c o m ei n a c c u r a t ea n dt h ea l g o r i t h md o e sn o tw o r k t h i sp a p e r g i v e san e wm e t h o db a s e do nt h ei d e ao fd i f 诧r e n c e t h en e wm e t h o dc a nc o n f r o r l t f r e q u e n c y - o f 两e tw h e ni ti s i nt h em o m e n to ft h es y m b o lt i m i n g s y n c h r o n i z a t i o n ， p r e s e n t i n gag o o dp e r f o n n a n c e s h ih o n g m e i ( c o m m u n i c a t i o na n di n f 0 咖a t i o ns y s t e m ) d i r e c t e db yp r o f y u a nj i n s h a k e yw o r d s ：w i m a x ，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 m b o l t i m i n gs 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 te s t i m a t i o n 华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 0 f d m 以较高的频谱利用率和较强的抗衰落能力广泛应用于各种通信系统中，但 对符号和载波同步非常敏感，当存在同步误差时，子载波之间的正交性遭到破坏， 从而引起严重的子载波间干扰和符号间干扰，因此精确的同步对于o f d m 系统至关 重要。本文主要仿真了几种经典的同步算法，并对其优缺点进行了比较。然后以无 线城域网物理层0 f d m 的结构为基本模型，选择适合的算法进行了定时和频偏估计 的仿真，当定时阶段加大频偏，降低信噪比，定时变得不准确，算法失效。本文提 出了一种基于差分的算法，新算法在定时阶段能对抗频率偏差，并具有很好的性能。 关键字：w i m a x ，正交频分复用( 0 f d m ) ，符号同步，频偏估计 a b s t r a c t o f d mw i t hh i g hf r e q u e n c yu t i l i z a t i o n 锄ds t r o n ga n t i f a d i n ga b i l i t yi sw i d e l yu s e d i nav 撕e t yo fc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s ，b u ti ti sv e 巧 s e n s i t i v et ot h et i m i n ga n d f r e q u e n c y o f b e t w h e n t h e s y n c h r o n i z a t i o ne r r o re x i s t s ， t h e o r t h o g o n a l i t yo ft h e s u b c a r r i e si sd e s t r o i e d ， w h i c hc a u s e ss e r i o u s c a r r y i n t e r f e r e n c ea n d s i g n a l i n t e r f e r e n c e ，s op r e c i s es y n c h r o l l i z a t i o nf o ro f d ms y s t e m si sv e r ) ，i m p o r t 柚t t h i sp a p e r m a i n l ys i m u l a t e s 柚dc o m p a r e ss o m ec l a s s i cs y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t l l r i l s a n dt h e nt a k e t h ep h y s i c a l l a y e ro f d ms t l l l c t u r eo ft h ew i r e l e s sm a n 弱t h eb a s i cm o d e l ，c h o o s et h e a p p r o p r i a t ea l g o “t h mf o r t h et i m i n ga n df r e q u e n c yo f f s e te s t i m a t i o no ft h es i m u l a t i o n i n t h es t a g eo ft h et i m i n g ，i ft h e 舶q u e n c y o f f s e ti si n c e r a s e d 锄dt h es i g n a l - t o n o i s ei s r u d u c e d ，t h e nt h et i m i n gb e c o m ei n a c c u r a t ea n dt h ea l g o r i t h md o e sn o tw o r k t h i sp a p e r g i v e san e wm e t h o db a s e do nt h ei d e ao fd i f 诧r e n c e t h en e wm e t h o dc a nc o n f r o r l t f r e q u e n c y - o f 两e tw h e ni ti s i nt h em o m e n to ft h es y m b o lt i m i n g s y n c h r o n i z a t i o n ， p r e s e n t i n gag o o dp e r f o n n a n c e s h ih o n g m e i ( c o m m u n i c a t i o na n di n f 0 咖a t i o ns y s t e m ) d i r e c t e db yp r o f y u a nj i n s h a k e yw o r d s ：w i m a x ，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 m b o l t i m i n gs 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 te s t i m a t i o n 声h 爿 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于基于无线城域网物理层o f d m 同步技术的研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研 究工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育 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 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：日期： 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文：同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播 学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 导师签名： 日期： 莩址 碑碑爱 11】 氰 期 签者 ， 钙 日 华北电力大学硕士学位论文 1 1 论文背景及意义 第一章绪论 如今，在全球日益激烈竞争的通信市场中，无线通信领域依然保持着较好的增 长势头，无线新技术层出不穷，使无线通信领域呈现出勃勃生机，其迅速发展给人 类的生活带来了极大的便利，实现“任何人在任何时间、任何地点以任何方式与任 何人进行任何种类的信息高速可靠交换”，同时也带来了对容量与质量等方面更高 的要求，成为下一代通信技术中最具有发展潜力的技术之一。与此同时，传输宽带 化、业务多样化成为通信发展的大趋势，核心网由于已经具备了超高速和超容量的 特征，因此宽带接入网建设就成为电信网必须解决的瓶颈问题，在加上原有的铜线、 电缆接入技术面对这种日益丰富的需求越来越力不从心，而光纤接入技术由于设备 复杂成本高昂等因素目前也难以普及，因此宽带无线接入技术凭借经济便捷、容量 高、覆盖率广，并能提供高速宽带业务等突出优点得到广泛青睐，这使宽带无线通 信系统更加的前途光明，成为下一代无线网络重要的组成部分。 1 9 9 9 年，i e e e 8 0 2 1 6 【1j 的出现大大地推动了宽带无线接入技术在全球的发展， 特别是w i m a x 【2 j ( w b r l di n t e r o p e r a b i l i t yf o rm i c r o w a v ea c c e s s ，即全球微波接入互操 作性) 论坛的发展壮大，强烈的刺激了市场的发展。i e e e 针对特定市场需求和应用 模式提出了一系列不同层次的互补性无线技术标准，其中已经得到广泛应用的标准 系列包括无线身体域网( w b a n ) ，应用于家庭互联的无线个域网( w p a n ) i e e e 8 0 2 1 5 和应用于无线局域网( w l a n ) 的i e e e 8 0 2 1 1 ，还有应用于无线广域网( w w a n ) 的 i e e e 8 0 2 2 0 ，而l e e e 8 0 2 1 6 的提出，弥补了i e e e 在无线城域网标准上的空白，是 针对微波和毫米波频段提出的一种新的空中接口标准。这些新兴的宽带无线通信系 统，正朝宽带化、移动化、全i p 化、异构化及个性化方向发展。 形成标准的城域网对8 0 2 1 l 进行了补充，具有授权和免除授权两种选项，在固 定环境中，视距传输有3 5 k m 的覆盖，8 0 2 1 6 的峰值速率可以达到7 0 m b p s 。 i e e e 8 0 2 1 6 系列标准定义了媒体接入控制( m a c ) 层协议以支持大量的物理层规范。 在物理层根据不同的频段，存在五种不同的调制技术：单载波调制s c 、单载波增强 s c a 、正交频分复用o 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 ) 、正交频 分复用多址o f d m a ( o r t h o g o n a lf r e q u e n c y d i v i s i o n m u l t i p l ea c c e s s )和 w i r e l e s s h u m a n 。其中s c 工作在l o 6 6 g h z 的频段上，适合于视距传输。s c a 、 o f d m 、o f d m a 工作在2 一l l 的非视距范围内。w i r e l e s s h u m a n 工作在5 6 g h z 的频段。其中o f d m 调制作为强制项，它要求每个符合i e e e 8 0 2 1 6 标准的设备都 要实现，0 f d m 是一种高效的调制方式，它具有天生的抗多径的能力和极高的频谱 华北电力大学硕士学位论文 利用率。 o f d m 系统存在着一些固有的缺点需要克服，这些缺点的存在将使o f d m 的优 点无法充分体现出来，同步技术是其中的关键技术之一，o f d m 对同步误差非常敏 感，微小的同步误差都可能引起码间干扰( i n t e rs y m b o l i n t e r f e r e n c e ，i s i ) 和信道 间干扰( i n t e rc h a j l n e li n t e r f e r e n c e ，i c i ) ，从而极大地损害系统性能。目前，国内 外很多学者提出了很多种同步方案，但寻找一中容易实现、性能好的同步方案仍然 需要进一步研究。本课题首先从研究o f d m 的基本同步技术入手，整理、分析、比 较几种同步方法，然后参考w i m a x 系统o f d m 的帧结构，选择适合的同步算法， 然后通过m a t l a b 软件仿真来验证。本课题对于o f d m 同步技术的研究具有一定 的理论价值和实用价值。 1 。2 国内外研究现状 ( 1 ) i e e e 8 0 2 1 6 无线城域网技术发展现状 i e e e 8 0 2 1 6 无线城域网( w m a n ) 技术指的是无线通信网络覆盖范围大于无线 局域网的一种无线通信技术，无线城域网是为了解决宽带接入“最后一英里”问题 而专门设计的，它替代了电缆m o d e m 、d s l 和t l e l ，也可以为i e e e 8 0 2 1 1 热点提供 回程，新标准规范了一个支持诸如语音和视像等低时延应用的协议，在用户终端和 基站( b s ) 之间允许非视距的宽带连接，一个基站可支持数百上千个用户，在可靠性 和q o s 方面提供电信级的性能。总之，它充分考虑了为全世界通信公司和服务提供 商设计一个可扩展、长距离、大容量“最后一英里”无线通信系统的需要，可支持 一整套的服务，从而使服务提供商能够在降低设备成本和投资风险的同时提高系统 性能和可靠性，有助于加速无线宽带设备向市场的投放以及“最后一英里 宽带在 世界各地的部署。它的推出是为了满足日益增长的宽带无线接入( b w a ) 市场需求的。 w i m a x 一一全球微波接入互操作认证联盟是由业界领先的通信设备公司及其它公 司共同成立的非盈利组织，成立于2 0 0 1 年4 月9 日，意在对基于i e e e 8 0 2 1 6 标准和 e t s ih i p e r m a n 标准的宽带无线接入产品进行一致性和互操作性认证。w i m a x 将使 用与w i f i 联盟推动无线局域网行业发展的相同方法，定义和进行互操作性测试。 w i f i 模式已经影响了整个通信产业，无线局域网的规模应用与联盟的作用是分不开 的，因此w i m a x 希望通过它的努力，加快符合技术标准的宽带无线接入设备的上市 速度，从而加速全球最后一英里宽带的部署，w i m a x 论坛与i e e e 8 0 2 1 6 之间存在着 非常紧密的联系与合作，同时又有着不同的分工，后者是标准的制定者，前者是标 准的推动者，同时前者还为后者的一致性标准作出了重要的贡献。 i e e e 8 0 2 1 6 是i e e e 8 0 2 下设的负责城域网的工作组，主要任务是负责开发 2 6 6 g h z 频带的无线接入系统空中接口物理( p h y ) 层和媒体接入控制( m a c ) 层规范， 2 华北电力大学硕士学位论文 同时还有与空中接口协议相关的致性测试，以及不同无线接入系统之间的共同规 范。i e e e 8 0 2 1 6 标准系列中目前已经发布的和正在做的标准主要有8 0 2 1 6 、 8 0 2 1 6 a 【3 1 、8 0 2 1 6 c 、8 0 2 1 6 d 【4 1 、8 0 2 1 6 e 【5 1 、8 0 2 1 6 f 、8 0 2 1 6 9 、8 0 2 1 6 h 、8 0 2 1 6 i 、 8 0 2 1 6 j 、8 0 2 1 6 k 、8 0 2 1 6 m 共1 2 个标准。根据是否支持移动性，8 0 2 1 6 、8 0 2 1 6 a 、 8 0 2 1 6 d 属于固定无线接入空中接口标准，而8 0 2 1 6 e 、8 0 2 1 6 m 属于移动宽带无线接 入空中接口标准。根据使用频段高低的不同，8 0 2 1 6 系统可分为应用于视距和非视 距两种，其中2 1 l g h z 频段的系统应用于非视距范围，而使用1 0 6 6 g h z 频段的系统 应用于视距范围。最初的8 0 2 1 6 标准就有几个工作组追随，其中一些放弃了他们对 标准的贡献，最主要的改进是：8 0 2 1 6 a ，它将标准延伸到2 1 l g h z 之间的频谱； 8 0 2 1 6 d 定义了执行8 0 2 1 6 a 的系统轮廓；8 0 2 1 6 e ，正在发展工作于2 6 g h z ，主要支 持固定无线网增加移动性，被称作移动w i m a x 的8 0 2 1 6 e ，在大规模的配置上可以 对抗基于码分多址( c d m a ) 的3 g 移动通信系统。 ( 2 ) o f d m 技术发展现状 正交频分复用【6 】( 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 ) 最早 起源于2 0 世纪5 0 年代中期，在6 0 年代初开始得到应用，当时主要用于美国军用高频 通信系统中，但是由于在早期的o f d m 系统中，发射机和相关接收机所需要的子载 波频率是由正弦信号发生器产生的，并且在相关接收时各子载波需要准确地同步， 因此当子载波数很大时，系统就显得非常复杂和昂贵，这就限制了o f d m 技术的广 泛应用和进一步发展。但是随着通信技术的不断发展，o f d m 也在不断地发展，一 些历史型的时刻列举如下： 1 9 5 8 年：动态滤波多路，一个军用多载波高频通信系统【7 】： 1 9 6 6 年：贝尔实验室的r w c h a n g 描述了并行数据传输和f d m 的概念【8 】： 1 9 7 0 年：第一个关于o f d m 的专利发表【9 1 ； 1 9 7 1 年：w 色i n s t e i n 和e b e n 以及后来的h i r o s a k i ，在1 9 8 1 年提出了用d f t 实现 f d m 的方案【1 0 1 ： 1 9 9 5 年：美国国家标准化组织( a n s i ) 标准t 1 4 1 3 ：a d s l 标准的离散多音调制 部分； 1 9 9 5 年：欧洲电信标准协会( e t s i ) d a b 标准：对数字音频广播的第一个基于 o f d m 的无线标准【1 2 1 ； 1 9 9 7 年：d v b t ：地面数字视频广播标准【1 3 】： 1 9 9 9 年：对于无线局域网的i e e e 8 0 2 1 l a 和h i p e i 也a n 2 标准； 2 0 0 4 年：对于固定宽带无线城域网的i e e e 8 0 2 1 6 a d 标准： 2 0 0 5 年：基于0 f d m 的移动蜂窝网络在i e e e 8 0 2 1 6 e 和i e e e 8 0 2 2 0 下得以发 3 华北电力大学硕士学位论文 展。 进入2 l 世纪以后，随着数字通信系统、个人通信技术、多媒体通信技术和扩 频码分多址等近代通信技术的迅速发展，以及日益走向高速、综合、大容量业务的 要求，o f d m 技术的发展步伐加快，而且出现了许多新的研究领域和新的发展动向： 一是o f d m 技术和其他多址技术的结合：正交频分多址接入( o f d m a ) 给每个用 户分配一定数量的子载波，这种技术与o f d m a 相似，但相邻的用户不需要保护频 带以抑制信道间干扰。o f d m c d m a 是将o f d m 调制技术与c d m a 结合在一起的 多载波c d m a ，同时具有o f d m 技术和c d m a 技术的优点，能够提供大容量、高 速率的数据通信，现在已成为第四代移动通信的研究热点。二是0 f d m 技术与多天 线技术相结合：m i m o 0 f dm 【1 4 】技术就是在系统中组合使用o f d m 调制技术和多输 出多输入( m i m o ) 天线技术，m i m o o f d m 技术现在是下一代互联网和多媒体业 务的关键技术。 ( 3 ) o f d m 同步技术发展现状 o f d m 中的同步主要包括符号定时同步、载波同步、采样时钟同步。常用的定 时同步算法主要包括基于前导字的同步【1 5 】【1 6 】【1 7 】【1 8 1 和基于循环前缀的同步【19 1 。基于 循环前缀的定时同步算法充分利用时域o f d m 符号特有的循环前缀的特性，通过自 相关的方法获得定时同步，不需要额外的训练序列开销，但是该方法受多径影响较 大，且与基于前导字的同步算法相比较需要更长的收敛时间，不适合突发传输系统。 基于训练序列的算法中比较经典的是文献【1 5 】提出的s c h m i d l & c o x 算法，该方法利用 前导字的周期重复特性，在获得定时同步的同时可以估计出载波频偏，它的缺点是 获得定时同步存在误差。文献【1 6 】提出的改进的s c i d l 方法能够获得精确的定时同 步，但是计算量非常大，不适合实际应用。文献【1 7 】中采用互相关的定时同步算法， 能够获得精确的定时同步，且计算量相对改进的s c l u i l i d l 方法要小；载波同步一般分 为载波频偏捕获和剩余载波频偏跟踪两个步骤，其中载波频偏捕获通常定在定时同 步阶段获得，如文献 1 9 】中的基于循环前缀的m l 方法和文献【1 5 】中基于训练序列的 s c i d l & c o x 方法，以上两种方法的频偏捕获范围比较小，一般用来捕获分数倍频 偏。文献【1 6 】中提出了频域互相关方法获得整数倍频偏估计，该方法主要利用了训 练序列的互相关特性。载波频偏跟踪方法主要分为非数据辅助【2 0 】1 2 l l 和数据辅助 【2 2 】【2 3 】【2 4 】两大类，在现有的o f d m 系统中常用的是基于导频的跟踪方法【2 2 j f 2 3 】【2 4 】；采 样频偏跟踪同样可以分为数据辅助和非辅助两大类，很多文献中提出了不同的采样 频偏跟踪方法，例如通过同一符号内相邻导频的相位差分来估计【2 5 1 ，或者同时利用 相邻导频差分的幅度和相位来估计【2 6 】，以及采用早迟门的锁相环路来跟踪采样频偏 【2 7 】等。实际的o f d m 系统中，采样频偏和载波频偏是同时存在的，文献【2 8 】【2 9 】中提 出了联合的载波频偏和采样频偏跟踪方法。采样时钟同步是指发射端的d a 变换器 4 华北电力大学硕士学位论文 和接收端的刖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，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。 1 3 本文研究的主要内容 在无线信道中，o f d m 技术可以有效的克服多径衰落，但是它同时也面临着许 多技术挑战，大的峰值平均功率比，信道估计和对同步误差的高度敏感性是o f d m 系统需要解决的主要难题。本文主要以0 f d m 系统中的同步为主要内容展开研究， 具体安排如下： 第一章简要介绍了课题的来源及意义，无线城域网、o f d m 以及同步技术的发 展状况，引出了本论文的主题基于无线城域网物理层o f d m 同步技术的研究， 它是本论文研究的主要内容。 第二章介绍了o f d m 的基本原理，o f d m 系统的基本模型，讨论了o f d m 系 统的发射机和接收机的基本组成，描述了同步的过程，分析了符号定时同步、载波 频率同步和采样率同步各自的特点，介绍了定时误差和频率偏差对o f d m 系统的影 响。 第三章详细给出了几种经典的同步算法，讨论了s c i h n i d l & c o x ，m i l u l 【3 0 3 1 1 以及 p a r k 【3 2 】等提出的基于训练序列的同步算法，m l 基于循环前缀的同步算法，分析了 这些算法的优缺点，并对其进行了仿真。 第四章介绍了基于无线城域网物理层o f d m 的帧结构，根据其前导结构找出了 适合的算法实现最基本的同步过程，改变外在条件下对其算法进行改进，并用 m a t l a b 进行了仿真实验。 第五章对全文的工作进行了总结，并对未来进行展望。 华北电力大学硕士学位论文 第二章0 f d m 系统的同步 正交频分复用( 0 f d m ) 技术是一种多载波数字通信调制技术，它由多载波调制 ( m c m ) 技术发展而来。它可以被看成是一种调制技术也可以看成是一种复用方案， 本章主要介绍了o f d m 系统的基本原理，收发框图，接着对o f d m 系统的同步进 行了详细的概述，最后分析了同步误差对o f d m 系统的影响。 2 10 f d m 系统概述 2 1 10 f d m 系统的基本原理 o f d m 的基本思想是把高速的数据流通过串并变换，变换为多个低速率码流， 并分配到传输速率相对较低的n 个子信道中，然后将这n 路数据分别调制到n 个 相互正交的子载波上进行传输。由于每个子信道中的符号周期会相对增加，因此可 以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。并且可 以在o f d m 符号之间插入保护间隔，令保护间隔大于无线信道的最大时延扩展，这 样就可以最大限度的消除由于多径而带来的符号间干扰( i s i ) 。而且，一般采用循 环前缀( c p ) 作为保护间隔，从而可以避免由多径带来的信道间干扰( i c i ) 。 o f d m 采用一组相互正交的子载波构成的信道传输数据流，这些子载波在频率 上等间隔分布，载波间隔一般为码元周期的倒数。设原始基带数据信号带宽为b ， 码元速率为r ，码元周期为t 。现将原始信号分割成n 路子信号，分割后的码元速 ， 率为r ，n ，码元周期为n t 。设 ， 为一组正交子载波，各个子载波中心频率之间 | _ 的关系为以= 兀+ 去( k = 0 ，1 n 1 ) ，其中l n t 为相邻两个子载波间的频率间隔。 v o f d m 系统的基本模型框图如图2 1 。 6 华北电力大学硕士学位论文 皇2 _ 厅 v _ 上厂 o 一旷l j 缉 u lp 叫聊。，_ s p+倒 。q ! rp s 如一。l le 吖2 p ! 一 u 叫一j 图2 1o f d m 系统的基本模型框图 在芨送端合成的传输佰号d ( ，) 的1 氐通夏包络表不为： 天掣，f ，2 翮f 、 西( ，) - 萎以e 坤【、竽j 协。) 打1 0 f ，一1 、 调制到高频的待发送o f d m 信号d ( ，) 表示为： 。( r ) = r e 西( 咖x p ( 歹2 刀缸) ) = r e 篓以e x p ( _ ，2 万席) ) ( 2 2 ) 接收端接收到信号后进行如下的解调： 无= 跏刚啦嗍肛簿m 华户 协3 ) 由式( 2 3 ) 可以看出，当n = m 时，调制载波与调制载波厶为同频载波，满 足相干解调的条件，此时积分值为t ，可以恢复出原始信号丸= 吃：当n m 时， 调制载波五与调制载波厶为不同频率载波，它们之间互不干扰，无法解调出信号， 这样即在接收端完成了信号的提取，从而实现了信号的传送。 o f d m 要求各个子载波都是正交性，则要满足： 加咖x p ( 川噼= ( 2 - 4 ) 可以证明。只要适当选择载波之间的频率间隔鲈。使v ：1 t ，即可使各载波在 7 华北电力大学硕士学位论文 整个0 f d m 信号的符号周期内满足正交性。这种正交性还可以从频域角度来解释， 当o f d m 荷号出矩形时问脉冲组成时，每个调制载波的频谱为s i n x ，。形状，其峰 值相当于所有其他载波的频谱中的零点，如图22 所示。 圈22 0 f d m 的频谱圈 从图22 中可以看出，o f d m 符号中各个子载波的频谱互相重叠，但是在每个 子载波频谱最大值处，所有其他子信遒的频谱值恰好为零。因为在对o f d m 符号进 行解调的过程中，需要计算这些点上所对应的每个子载坡额率的最大值，所以可以 从多个相互重叠的子信道符号中提取每一个子信道莉号而不会收到子信道的干 扰避免出现子信道间干扰( i c i ) 的出现。当所有载波组合在一起时，总的频谱非 常接近于矩形频谱，频谱利用率理论上可以达到s ha r i n o n 信息论极限，这一点同单 载波比具有明显的优越性。在实际应用中，由于难以制作适当的奈奎斯特滤波器， 单载波系统的带宽利用率很少超过8 0 ，而o f d m 系统可能实现接近1 0 0 的频谱 效率。o f d m 的这一性质也可以从时域得以证明，由于每个载波上的信息是不相关 的在时域内的台成信号是非常类似于白蜂声的。 从上述分析可以看出o f d m 系统的调制和解调可以分别由l d i 可d f t 柬完成。 在实际应用中，可以采用更加方便快捷的快速傅立叶变换( i f f t ，f f t ) 。 212 保护间隔和循环前缀 为了最大限度的消除符号间干扰( i s i ) ，可以在每个o f d m 符号之日j 插入保护 间隔( b u a r d i n t e r v a l ) ，而且该保护间隔长度t 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。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，但是这样只能克服两个符号之间的i s i ， 不能恢复该符号内部追到破坏的子载波阿的正交性信道问干扰( i c i ) 仍然存在， 这种效应可见凹23 。由于每个o f d m 符号中都包括所有的非零了载波信号，而且 华北电力大学硕士学位论文 也会出现该o f d m 符号的时延信号，因此图2 3 中给出了第一个子载波和第二个子 载波的时延信号，从图中可以看出，由于在f f t 运算时间长度内，第一子载波与带 有时延的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，第二子载波会对其造成干扰。同样，当接收机对第二子载波进行 解调时，也会存在来自第一子载波的干扰。 第二子载波对第一子载 渔带来的l c i 千扰 f f t 积分时问长度一l ，子载波问啊 图2 3 空闲保护间隔对子载波之间造成的干扰 为了消除由于多径所造成的i c i 【3 3 ，3 4 1 ，引入循环前缀( c p ) 作为保护间隔，即 将o f d m 符号的最后几个样点复制到符号的最前面，在信道最大时延时间小于c p 长度时，o f d m 符号间干扰只会发生在循环前缀内。循环前缀的存在将信道与信号 的线性卷积转换为循环卷积，从而消除了符号间的i s i 和信道间的i c i ，o f d m 循环 前缀结构如图2 4 所示。 循环前被复带! j 卜一缀窨b 分叫卜一 部分叫 图2 4o f d m 的循环前缀结构图 加入循环前缀后的o f d m 符号为： q = 嘉篓枷p ( - ，等) ，婷，o ，m 协5 ， 其中心是保护样点数，峨是第拧个子载波上的调制数据，是快速傅立叶变换 ( i f f t ) 点数，= 厅，采样周期是删，子载波间隔是j 厅。 为了消除由于多径所造成的i c i ，o f d m 符号需要在其保护间隔内填入循环前 9 华北电力大学硕士学位论文 缀信号，见图25 。这样就可以保证在f f t 周期内，o f d m 符号的延时副本内所包 含的波形的周期个数也是整数。这样，时延小于保护间隔t 的时延信号就不会在解 调过程中产生i c i 。 时问 + i 孑 m ”符。娜 目2 5 加循环酣缀信号 加入保护间隔后基于i f f t 的o f d m 要统框旦塑皂2 6 所示。 ( ) f d m t 通兰篁l 皇三耍耳 田26 加入保护间隔，利用l f f t 实施的o f d m 系统框图 2 20 f d m 收发系统结构 o f d m 收发系统框图如图27 所示 华北电力大学硕士学位论文 一 送数据 并 流 数 插 串 丹 审 编交字 导 并 码织调 频 变变 制换挟 接 解 解 数 去 并 廿 由 交 字 导 富 并 码解 变 变 织额 调 换 换 图2 7o f d m 收发系统框图 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n 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，然后进行数字调制。数字调制有多种方式，如b p s k 、m q a m 等。 然后通过n 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n 个样点称作一个0 f d m 符号。然后把o f d m 符号的最后几个样点 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 ) 。再经过数模 转换把信号输入到前端放大器，放大后通过发射机发送出去。 接收端执行与发送端相反的处理过程，对射频( r f ) 信号下变频后，进行抽样， 得到离散的样点，除去c p 部分，然后进行定时估计找到o f d m 符号的起始位置并 对频偏进行补偿，对c p 后面的n 个样点作n 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。 2 30 f d m 系统同步概述 同步技术是任何一个通信系统都需要解决的实际问题，其性能直接关系到整个 通信系统的性能，可以说没有准确的同步算法，就不能进行可靠的数据传输，它是 数字通信系统可靠传输的关键前提条件。而对于0 f d m 系统来说，其对于同步的要 求相对更高。 因为o f d m 符号由多个子载波信号叠加而成，各个子载波之间保持正交性，而 各种同步误差引入i c i 、i s i ，并且还会破坏o f d m 系统内各子载波的正交性，使得 在接收端无法正确接收数据，因此o f d m 系统中同步技术的研究至关重要。o f d m 同步技术主要有三种形式：符号同步，即保持i f f t 和f f t 起始时刻一致；采样率 同步，即保持接收端和发射端的抽样频率一致；载波频率同步，即使接收端的振荡 频率与发送载波同频同相。图2 8 大概给出了各种同步在系统中所处的位置。 华北电力大学硕士学位论文 图2 8o f d m 系统的同步示意图 ( 1 ) 载波同步 载波频率同步是指接收端本地载波的振荡频率要与发送载波同频同相。o f d m 符号由多个子载波信号叠加构成，各个子载波之间利用正交性来区分。系统对由多 普勒频移或收发端载波频偏产生的频率偏差非常敏感，频偏会破坏子载波之间的正 交性，引入i c i ，而且还会引起传输信号的相位旋转，造成系统性能大幅度降低。 在单载波系统中，载波频率的偏移只会对接收信号造成一定的衰减和相位旋 转，这可以通过均衡来加以克服：而对于多载波系统来说，o f d m 符号由多个子载 波信号叠加构成，各个子载波之间利用正交性来区分，载波频率偏差会破坏这种正 交性，从而对o f d m 系统的性能产生严重影响，因此对频率偏差敏感是o f d m 系 统的主要缺点之一。 一般把载波频率同步分成两个过程：跟踪模式和捕获模式【6 】。在跟踪模式中， 只需要处理很小的频率波动；但是当接收机处于捕获模式时，频率偏差可以较大， 可能是子载波间隔的若干倍。跟踪阶段的任务是能够锁定并且执行跟踪任务，而捕 获阶段的任务是要尽快地进行偏差变量估计。把同步任务分为两个阶段的好处是： 由于在每个过程内的算法只需要考虑其特定阶段内所要求执行的任务，因此可以在 设计同步结构中引入较大的自由度。 厥埝 、z ，、， 7 气i 八，八楚 l ：毒i | c b 】 图2 9 载波频率同步与载波频率不同步情况的示意图 1 2 华北电力大学硕士学位论文 图2 9 给出了o f d m 信号的频谱示意图，其中图2 9 ( a ) 表示没有频率偏差的 情况，而图2 9 ( b ) 则表示存在频率偏差时的情况，从图中可以看到，当没有频率 偏差时，各子载波之间不存在干扰，而当存在频率偏差时，子载波之间就会存在相 互的干扰。 因为载波频率偏移可以用来对接收端载波频率进行校正，尽量保持接收端的子 载波正交性，提高系统性能，所以人们研究开发了多种估算载波频率偏移的算法。 己经开发出的关于o f d m 系统中估算载波频率偏移的各种算法被分成了三种类型： 类型l 数据辅助算法，这些方法基于嵌入传输信号的特定训练信息： 类型2 非数据辅助算法，分析了频域内的接收信号； 类型3 基于采用由循环前缀提供的o f d m 信号遗传结构算法的循环前缀。 在分组传送系统中，类型l 最为重要，而类型2 和3 的算法对于广播或者连续 通信类型的o f d m 系统比较适合。 ( 2 ) 采样时钟同步 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。如图3 1 所示，在接收机中，经过载波解调的o f d m 连续信号必须进行抽样和d 变换， 然后才能利用f f t 变换到频域，进行各子载波上信号的解调。如果接收机和发射机 中的样值频率存在偏差，则会存在两方面的影响：第一，产生时变的定时偏差，导 致接收机必须跟踪时变的相位变化；第二，样值频率的偏差就意味着f f t 周期的偏 差，因此经过抽样的子载波之间不再保持正交性，从而产生子载波之间的信号干扰。 o f d m 接收机的采样可以分为两种：同步采样系统和非同步采样系统【6 1 。在同 步采样系统中，为了保持接收机时钟与发射机时钟的同步，需要采样定时算法去控 制压控振荡器( v c x o ) 的频率；在非同步采样系统中，采样速率保持固定，由采 样定时算