OFDM同步技术毕业设计

1、ANYANG INSTITUTE OF TECHNOLOGY 本 科 毕 业 论 文 基于matlab的OFDM无线通信系统中同步技术仿真与研究Synchronous Technology Study and Simulation of OFDM Wireless Communication System Based on MATLAB院（部）名称： 电子信息与电气工程学院 专业班级： 通信工程（专升本）11级2班 学生姓名： 张文龙 学 号： 5 指导教师姓名：黄媛媛（校外 ）/杨丽飞（校内） 指导教师职称：工程师（校外）/讲师（校内） 2013年5月毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明

2、原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得安阳工学院及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日期： 使用授权说明本人完全了解安阳工学院关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务

3、；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名： 日 期： 目 录摘要IAbstractII引言1第一章 绪 论21.1 课题选题的背景与意义21.2 研究OFDM 同步的分类和成果4第二章 OFDM系统概述62.1 OFDM 基本原理62.2 OFDM 中循环前缀的作用82.3 OFDM 系统中的同步10第三章 OFDM同步问题123.1 OFDM 系统同步的综述123.2 OFDM系统同步的原理133.3 OFDM系统中的同步要求133.3.1 载波同步143.3.2 符号同步143.3.3 样值同步15第四章 相

4、位补偿164.1 无导频的相位补偿算法164.2 导频辅助的相位补偿算法174.2.1 导频设置方式184.2.2 算法分析18第五章 OFDM UWB系统基于训练序列的同步算法设计与仿真215.1 系统介绍215.2 现有同步算法介绍225.2.1 时间同步算法225.2.2基于训练序列的符号定时同步235.2.3基于滑动窗的检测符号能量变化的算法235.2.4载波频偏估计算法245.3 基于训练序列的同步算法245.3.1 同步训练序列245.4 仿真结果26结 论29致谢30参考文献31基于matlab的OFDM无线通信系统中同步技术仿真与研究摘要:正交频分复用（OFDM)是一种多载波调

5、制技术，能够有效对抗多径衰落和符号间干扰，并且具有频谱利用率高的特点，被认为是下一代移动通信的关键技术。但OFDM对时间和频率同步误差很敏感，特别是载波频率偏差，对同步提出了更高的要求。本课题是对第四代移动通信系统关键技术正交频分复用（OFDM）技术进行研究。OFDM技术虽然具有前三代通信技术所不具有的优点，如频谱利用率高，数字化实现简单，抗多径干扰、抗衰落能力强等，但是也有一些缺点如峰均功率比高，同步问题敏感是需要进一步研究与改进的。主要针对OFDM的同步问题的三个部分：定时同步，频率同步，采样同步进行研究。目前这三种同步使用的算法分为非数据辅助型和数据辅助型两种。主要工作是研究定时同步和频

6、率同步的联合同步，对目前数据辅助型之中的基于训练符号的同步算法进行分析并提出改进方案。在阅读大量参考文献的基础上， 最后介绍了OFDM-UWB基于训练序列的同步算法设计与仿真，它能有效地降低BER，并验证了它的有效性。关键词 正交频分复用；时间同步；频率同步；频率跟踪；相位补偿Synchronous technology study and Simulation of OFDM wireless communication system based on MATLABAbstract：Orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) is a

7、multi-carrier modulation technique, effective against intersymbol interference and multipath fading, and has the characteristics of high frequency spectrum utilization, is considered to be the key technology of next generation mobile communication. But OFDM is sensitive to time and frequency synchro

8、nization errors, especially the carrier frequency offset, and put forward higher requirements for synchronization. This topic is the key technology of the fourth generation mobile communication system, orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) technology were studied. The OFDM technology are

9、 the first three generations did not have the advantages of communications technology, such as high spectrum efficiency, resistance to multipath interference, antifading ability, etc., but also has some disadvantages, is sensitive to synchronization problem is the need for further research and impro

10、vement. This article mainly aims at the synchronization problems of OFDM in three parts: timing synchronization, frequency synchronization and synchronization were studied. This papers main work is to study joint timing synchronization and frequency synchronization for data synchronization algorithm

11、 based on training symbol of ancillary analysis and improvement scheme is put forward. Then introduces OFDM - UWB synchronization algorithm based on training sequence design and simulation, it can effectively reduce BER, and verify the effectiveness of it.Keywods OFDM Timing Synchronization Frequenc

12、y Synchronization Frequency Tracking Phase Compensatio引 言本论文对OFDM系统的基本原理及在无线移动衰落信道中的同步问题进行了讨论，主要包括：阐述OFDM的基本原理，并在理想无噪条件下对OFDM带通系统进行了分析,对系统中各点信号进行时域、频域分析，在此基础上提出了OFDM等效基带系给出了同步算法中判决门限值的选取方法。分析了相位误差对解调信号的影响，并提出了两种相位补偿算法。在AWGN下进行仿真比较，简单求相位差的算法只能部分纠正信号星座图的旋转，而利用导频辅助的方法效果要更好，能很好地解决接收信号星座图旋转问题。本文首先介绍了OFDM

13、技术的发展应用及技术特点。详细介绍了OFDM的基本原理，主要包括OFDM的调制解调原理及其IFFT/FFT实现，频谱结构，以及过采样、加循环前缀等关键技术，然后对无线移动衰落信道的特性进行了介绍，提出了OFDM的等效低通信道模型。然后主要研究了OFDM系统中的同步问题，主要包括时间同步、频率同步和采样同步，并对OFDM系统的基本同步顺序进行了介绍。然后为OFDM的定时和载波同步部分，首先介绍了OFDM 时间同步和载波同步的研究现状，然后提出了一种基于训练序列的定时和频偏估计算法，对该算法的同步原理进行了分析并给出了仿真结果，最后介绍了一种基于CP的频率跟踪算法。分析了相位误差对接收信号的影响，

14、然后提出了两种相位补偿算法，其中重点分析了导频辅助的相位补偿算法，包括导频的设置方式及算法原理。最后介绍了一种OFDM-UWB基于训练序列的同步算法与仿真。第一章 绪 论1.1 课题选题的背景与意义到目前为止，开始于20世纪80年代中期的第一代模拟移动通信系统的商用，短短几十年我国的移动通信系统就经历了第二代数字移动通信系统2G从萌芽到完善的整个发展过程，直至第三代移动通信系统3G的商用开发、部署和第四代移动通信系统4G的研究和推进。移动通信的发展可谓日新月异。在温总理的政府工作报告中也重点提及了通信技术，表明其对人们的生活起了很大变化。移动通信系统按照所提供的业务可分为不同的发展阶段。移动通

15、信和无线领域有着非凡的历史，从马可尼在1899年的第一个跨大西洋传输到今天超过40亿人采用全球蜂窝移动服务，跨越了一个世纪的技术创新。第一代采用频分多址FDMA模拟调制方式，仅提供语音业务。它的频谱利用率低，信令会干扰语音业务。第二代数字移动通信系统以采用时分多址TDMA的GSM系统为代表，与第一代移动通信系统相比，采用广义最小移键控调制，编码块和时分多址TDMA实现16kb/s的电路交换比特率，100kb/s的分组数据传输速率。但是，第二代数字蜂窝系统只能提供话音和低速数据业务的服务，因具有服务种类少、掉话概率高、传输速率低、移动性差，而且不同的网络之间也无法实现资源共享等缺点，已经不能满足

16、人们日益增长的需要。以CDMA为基础的第三代3G移动无线数据和语音服务最终进入美国市场，这些3G标准使用宽带扩频，自适应调制，卷积编码和CDMA来实现峰值服务比特率。但是一些服务运营商正在其数据传输速率至少为384kbit/s的基础上，寻找更好为他们的移动宽带服务的技术，更好地推进4G移动系统。于是4G系统的核心技术正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)技术开始走入人们的视野，成为目前研究的热点。OFDM的历史可以追溯到20世纪60年代末，以减少紧挨的传输信道频率之间的干扰而作为主题的研究方法。目前，OFDM已经在数字音频

17、广播(Digital Audio Broadcasting，DAB)、地面数字视频广播(Terrestrial Digital video Broadcasting，DVB-T) 、基于IEEE802.ll标准的无线本地局域网(Wireless Local Area Network，WLAN)等系统中得到了应用。增加OFDM技术普及背后的主要驱动力是一般需求和具体运行多媒体应用的希望，这是数据密集型，从而要求更高的速度。因为OFDM只有依赖于高速数字信号处理器和DSP才成为可用的，所以OFDM广泛地使用成为现实，并且在价格上使得OFDM成为具有竞争力的技术，其应用前景将更加广阔。OFDM 之所

18、以飞速发展，是因为拥有许多显著的优点：（1）OFDM的频谱利用率非常高。一方面是由于OFDM中相邻信道间信号的频谱主瓣相互重叠，各子载波在波形上相互正交，所以频谱的增益很高；另一方面子载波上采用多进制调制（如频谱效率很高的QPSK）也有效地提高了系统的频谱利用率。（2）OFDM实现数字化，复杂度大大降低。OFDM调制过程用IFFT完成，解调过程用FFT 完成，只需使用一个专用的FFT芯片就可数字化的实现OFDM。避免了使用多组振荡源和分离信号的带通滤波器组，降低了复杂度。（3）抗多径延时扩展的干扰、抗衰落能力强。OFDM信号通过传输前的串并变换将数据调制到各个子载波分别进行并行传送，使得数据流

19、从高速变为低速，从而得以削弱多径时延扩展引入的符号间干扰ISI。为了让OFDM的ISI不会干扰到数据信号，OFDM引入了循环前缀CP，只要当信道的最大延迟时间小于CP，ISI就只落在CP内，不会混淆数据信号，可以有效地抵抗多径衰落的影响，高速数据也可以在多径环境和衰落信道中传输。总之，OFDM的有些优势是其它技术无法比拟的。目前使用最多的CDMA技术其核心是扩频技术，但是在宽带无线信道中，扩频因为不能保证子载波的正交性，使得频谱扩展的很宽，不适宜传输了。还有其他单纯的多幅度调制，不能与OFDM引入循环前缀抗多径衰落的优势相比较，其星座图受干扰，造成误码率很高。然而OFDM技术不存在上述的问题，

20、因为它本身的并行传输，抗ISI和ICI的能力和抗窄带干扰能力使得它可以广泛应用于高速宽带的无线信道中，在信道中体现非常强的鲁棒性。尽管 OFDM 技术有很多优点，但是也有一些问题值得我们去探讨：（1）存在峰均功率比（Peak-to-Average Power Ratio, PAPR）的问题。高PAPR是一直以来困扰OFDM 发展的一个技术难题。它产生的原因正是由于它的相互独立的经过调制的多载波性质。因为N个多载波相互叠加，如果它们的相位相同，得到的峰值就会是均值的N倍。即OFDM信号的峰值功率与平均功率之比会很高。这样一来高PAPR的OFDM信号在经过非线性功率放大器时，会产生频谱扩展。更有当

21、放大器的动态范围跟不上信号的变化，就会引起带内失真，从而使系统性能恶化。（2）同步问题。OFDM对载波频率偏移远远比单载波系统敏感，频率偏移能够造成子载波正交性的破坏，这种偏移源于例如多普勒频移或者由于发射机载波频率与接收机本地振荡器之间存在的频率偏差，会引起ICI干扰，此时严重的频偏将造成信号无法正确解调，使OFDM系统的性能会迅速下降，同时还会影响符号定时和帧同步性能。1.2 研究OFDM 同步的分类和成果由于同步技术对OFDM系统的性能有着十分重要的影响，因此OFDM系统准确的时间和频率同步一直是OFDM接收端的主要问题。在接收端OFDM同步要实现帧/符号定时同步、载波频率同步和采样时钟

22、同步三种功能。OFDM系统中的这三类同步算法按照是否需要额外的符号都可以分为非数据辅助型(non-data-aided)算法和数据辅助型(data-aided)算法。下面对这两类算法的研究现状进行分析。非数据辅助型(non-data-aided)算法，它通常利用循环前缀、虚子载波或成型滤波后OFDM 数据的循环平稳性进行估计。由于只是利用自身的特性，没有插入训练符号，传输效率提高，但是速度慢，同步精度较差，通常仅适用于连续型数据传输系统。数据辅助型(data-aided)算法，在面向分组的OFDM系统中，通常在OFDM数据开头放置一个特定的训练符号，从而完成同步参数的初步估计的获得。由于完成过

23、程捕获速度快、同步精度高，因此数据辅助型算法就被文献广泛的研究。符号定时同步算法在OFDM系统中非常重要，在好多文献中都有研究。其中vandeBeek提出的最大似然估计算法是非数据辅助型算法的基础和典型代表，此后又出现了各种演进算法。1997，Schmidl提出了一种经典的数据辅助型算法。该算法使用两个训练符号进行符号定时同步，第一个训练符号用来估计定时同步和小数频偏，第二个训练符号用来估计整数频偏。定时同步是通过在第一个训练符号中寻找前后相同两部分的最大相关值来实现的，但是由于循环前缀(CP)的存在，定时同步不正确位置也会出现较大相关值，从而出现定时估计平台现象，造成定时估计精度不高。针对S

24、chmidl同步算法存在的问题，文献都通过改变训练符号的结构，分别提出了定时同步的改进算法。但是由于训练符号的循环前缀对定时同步的影响，重新设计定时测度函数，只在正确定时位置产生尖锐的峰值，提高定时估计性能。Molrelli和Song分别在文献中设计了包含多个相互重复部分的单个训练符号，重复部分增大了单个训练符号的频偏估计范围。新的定时估计方法是灵活的，可以根据信道失真度调整。利用ML 和周期序列联合提出的定时和频率估计算法。由于CAZAC 序列恒包络自相关性的良好特性，可以提高OFDM系统同步和信道估计的性能，因此近几年的文献对基于CAZAC 序列的同步算法进行了广泛的研究，并且得到更多的应

25、用。有些算法基于CAZAC序列提出新的定时估计函数，有的是结合已有的算法提出改进方案，有的是利用CAZAC序列设计符合瑞利信道的训练符号。频率同步的算法也可以分为数据辅助(data-aided)估计和非数据辅助(non-data-aided)估计两种。但是主要数据辅助这类算法非常多，其中比较有代表性的算法如 P. H. Moose等人提出的最大似然算法，利用连续传输的两个同步符号进行载波频偏估计。本文的重点就是研究该类算法。非数据辅助这类算法又称盲估计，是以 Jan-Jaap van de Beek 提出的最大似然算法为代表，估计范围仅限于0.5倍的子载波间隔。还有一种算法是借助虚载波进行载波

26、频偏估计，Hui Liu and Tureli提出利用虚载波即OFDM系统中没有进行调制的子载波进行载波频偏估计的算法，提高了数据传输效率。既然称为盲估计，它是利用OFDM信号的结构和循环前缀(CP)的性质,如利用数据经过成型滤波器之后的循环平稳特性估计或利用CP的冗余相关性估计。盲同步可分为全盲和半盲同步。全盲同步只可使用输出的数据，而半盲同步则除了可借助接收数据本身的信息外，还可利用其它的辅助信息。实际中通常采用基于利用二阶统计量的方法，如基于子空间分解和基于循环平稳性的同步方法。采样同步同样可以分为数据辅助和非辅助两大类。利用最大似然ML 算法来解决在实践中不好实现的二维网格搜索。很多文

27、献也利用数据辅助进行采样跟踪，用同一符号中相邻导频的相位差来进行估计，或者利用相邻不同的导频幅度和相位差分来估计。第二章 OFDM系统概述2.1 OFDM 基本原理正交频分复用OFDM是多载波调制方式的一种，OFDM发射信号的由来实质是高速率的数据流串并变换为低速率的N路并行数据流，然后用它们分别去调制N路相互正交的子载波，再将调制后的信号相加得来的。带宽为B，码元速率为R，码元周期为ts的原始基带信号经过串并变换成为N个子信号，并行传输后码元速率为R/N，码元周期为T=Nts，再用N个并行子信号去调制正交的N个子载波，最后进行叠加运算形成OFDM发射信号。 （2-1） 其中 f k 为一组正

28、交子载波，各个子载波中心频率之间的关系为fk = f0 + Tk (k = 0,1,.N1)。经过信道传输后，在接收端，输入信号分为N个支路，分别用N个子载波解调和积分。由于子载波的正交性，可以在接收端完成不受干扰的信号提取，从而实现了信号不失真传送。 （2-2）OFDM 要求各个子载波都是正交性，则要满足下式积分形式： （2-3）对式 2-1 作采样频率为t=nN/T(n=0,1,.N-1)的采样，得到 （2-4）因此OFDM调制和解调可以用有效地IFFT和FFT计算单元来简便完成。OFDM系统调制解调原理图如下所示：图 2-2中的一个OFDM时域符号包含了4个子载波。假设其中所有的子载波都

29、具有相同的幅值和相位。图 2-2 时域OFDM符号间的子载波示意图从图上可以看出，每个子载波在一个OFDM符号周期内包含各自的周期都是整数倍，而且每个相邻的子载波之间相差的周期数为1。很显然它们的中心频率满足式2-3，证明各自之间具有正交性。OFDM频谱为矩形脉冲与各个子载波函数的卷积。图2-3 给出了相互覆盖的各个子信道内经过矩形波形成型得到的符号sinc函数频谱。在每一子载波频率的最大值处，所有其它子信道的频谱值恰好为零。由于在对OFDM符号进行解调的过程中，需要计算每个子载波上取最大值的位置所对应的信号值，因此可以从多个相互重叠的子信道符号频谱中提取出每个子信道符号，而不会受到其它子信道

30、的干扰。由图2-3 中可以看出OFDM的子载波的频谱之间是1/2 交叠的，因此提高了频谱的利用率。图 2-3 OFDM 频谱之间的子载波2.2 OFDM 中循环前缀的作用OFDM的主要优点在于：该系统能非常有效地对抗多径延迟扩展。由于无线信道的时变性，该多径时延扩展会引起符号间的干扰（ISI）。为了尽可能消除ISI，在信息符号中插入保护间隔，并使保护间隔时间宽度来的比信道的最大时延扩展更大些，使ISI落在保护间隔之内。但是如果保护间隔为空，尽管两个符号间的ISI 被克服，但子载波间的正交性将不再具备，如图所示，假设第一路保持不动，由于信道时延扩展，第二子载波的频谱值在第一子载波频率最大值处，不

31、再为零，所以载波间干扰（ICI）会产生。图 2-4 多径信道时延破坏子载波正交性示意图为了更好地消除ISI和ICI，引入循环前缀替换保护间隔。循环前缀是相应OFDM符号后端数据的复制。本文中为了保证训练符号能够完整的被保留，更好的被利用其性质进行时频同步，在训练符号前端也会加入循环前缀，但是与之带来的影响，就是后来我们要着重分析和解决的。图 2-5 具有循环前缀的OFDM 信号Tg为循环前缀长度，max为最大时延扩展，在OFDM信号中加入循环前缀有效的克服了ICI，因为循环前缀是OFDM 后面一部分数据的拷贝，这样当最大时延扩展小于循环前缀时，使得在FFT 积分区间，OFDM 符号的时延副本所

32、包含的波形周期个数也是整数，这样第二子载波的时延信号就不会在解调过程中产生ICI干扰。图 2-6 T g max max时循环前缀抗 ICI说明图2.3 OFDM 系统中的同步OFDM 收发系统的整个具体工作流程是基带信号(二进制码元)经过信道编码,交织后映射到QPSK星座，这时变成了复数序列，再经过串并变换变成并行数据流，经过IFFT调制后把数据调制到正交子载波上，完成频谱的正交叠加，再通过并串变换，在符号间插入循环前缀CP，最后数模转换后把信号搬至工作频率，完成射频载波调制后对其发送。接收端做降频处理之后把收到的信号数字化，同步到符号定时点和频率偏差位置，去除CP，再经FFT解调出复数序列

33、，再经并串变换、信号逆映射、解交织、信道解码一系列变换恢复出原始数据。OFDM整个系统流程中存在符号同步，载波同步，采样同步这三种形式同步。它们在OFDM 收发系统中具体实现的位置见图2-7。图 2-7 OFDM 系统框图及同步位置在一个OFDM系统，通过利用N个子载波和N点的IFFT在信息符号k X 上，从而产生OFDM符号x(n)。长度为G的CP要比信道脉冲响应的长度要长些，用于消除符号间干扰，还可以消除由于多径传播造成的载波干扰(ICI)。它被附加在x(n)的前面，如下式所示由于使用了循环前缀(CP)，OFDM符号与信道冲击响应的线性卷积变为循环卷积，在频域，信道的作用表现为一个乘性干扰

34、和一个加性干扰，从而信道的均衡也变得极为简单。（2-5）然后，OFDM符号经过信道冲击响应为J为信道的多径数目，ka为第k径的衰减系数， k为第k径的延迟数的多径频率选择性衰落信道被传送，同时也会受加性高斯白噪声(AWGN)wn的影响。在接收端在忽略时间和频率的偏移的情况下，接收信号的形式是 （2-6）其中*表示卷积运算，若存在符号定时偏移 和频偏 ，接收信号移除CP后可以表示为r(n) = y(n ) exp( j2 n / N) + w(n) 0 n N 1 （2-7）其中 （2-8）第三章 OFDM同步问题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

35、。可以说没有准确的同步算法，就不可能进行可靠的数据传输，它是信息可靠传输的前提。当采用同步解调和相干检测时，接收端需要提供一个与发射端调制载波同频同相的相干载波，这种获取相干载波的过程就称为载波同步。对于数字通信，接收端的最佳采样时刻对应于每个码元间隔内接收滤波器的最大输出时刻，因此，对于数字通信，除了载波同步的问题，还有符号同步的问题，如图3-1所示。符号同步的目的是使接收端得到与发送端周期相同的符号序列，并确定每个符号的起止时刻，进而实现块同步或帧同步。A/D符号帧同步解码 图3-1 数字通信系统中的载波同步和符号同步3.1 OFDM 系统同步的综述对于OFDM系统，当然也不可避免的存在载

36、波同步和符号同步问题。但是由于每个OFDM符号是由经过串、并转换的N个样值符号的，所以在OFDM系统中除了上述数字通信系统中的载波同步和符号同步之外，还应包括样值同步。OFDM系统中的样值同步与一般数字通信系统中的符号同步类似，包括样值定时同步和样值频率同步。在OFDM系统中，符号同步的目的是使接收端确定每个OFDM符号的起止时刻，即确定准确的FFT窗位置，并进一步实现块同步或帧同步。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有与发送端具有相同的采样频率而设计的。3.2 OFDM系统同步的原理在发送端，串行发送的数据流首先经过串/并转换变成并行的数据流

37、，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。发送端各点的信号可表示为 （3-1） （3-2） （3-3） 其中为所加循环前缀的样值符号数，一般应不少于信道多径时延扩散的符号数；为发送端的脉冲成形波形；为发送符号的抽样间隔（样值频率的倒数，即），为OFDM符号的持续时间。为了便于研究，可假设满足理想抽样定理，且若不考虑循环前缀影响，则有近似表达式 （3-4）3.3 OFDM系统中的同步要求在单载波系统中，如果存在频率偏差，会使接收信号产生一定的衰减和相位旋转，这种不利

38、的影响当然可以通过均衡器来消除。而对于多载波系统来说载波频率的偏移所带来的影响比单载波系统严重的多。尤其在OFDM系统中，要求各个子载波互相正交。如果有频率偏移，这种正交性会遭到严重的破坏，所以OFDM系统对载波同步的要求比较高。OFDM系统中存在三个方面的要求: 1.载波同步；2.符号同步；3.样值同步。3.3.1 载波同步1.当只存在载波相位偏差时， 且时，有， (3-5) (3-6) 可见，载波相位偏差只带来输出信号相位偏转，不会带来ICI。2.当只存在载波频率偏差时， 且时，有， (3-7) （3-8） 所以的存在不仅带来输出信号的相位偏转，而且使输出的期望信号的幅度随从发生变化，这将

39、破坏各载波之间的正交性，还会带来其它子载波对期望子载波的干扰，引起ICI。根据文献：当载波频率偏差从不随时间变化时，损失的SNR与各子载波无关，仅与载波总数N有关。对于OFDM系统，为了使SNR的损失尽量小，需使。3.3.2 符号同步1.当只存在符号定时偏差时，且时，有 （3-9） （3-10） 因此，符号定时偏差和载波相位偏差一样，只带来输出信号相位偏转，不会带来ICI。2.当只存在样值频率偏差时，且时，有， （3-11） （3-12） 可见，样值间隔偏差的存在使得期望信号的幅度发生了变化，破坏了子载波之间的正交性.而且，由于，使得接收端的采样频率和发送端的采样频率不一致，接收端按照为周期进

40、行采样，与发送端实际的样值之间就存在一个小偏差。3.3.3 样值同步当只存在样值相位偏差时，且时，有， （3-13） (3-14) 可见，此时样值相位偏差只会带来期望信号的相位偏转，不会带来ICI。综上所述，当和时，无论、取何值，均有和，即载波相位偏差、样值定时偏差和符号定时偏差对系统性能的影响基本是一致的，只引起接收信号相位偏转；而载波频率偏差和样值间隔偏差对系统性能的影响也是一致的，不但引起接收信号的相位偏转，而且导致符号幅度发生变化，从而导致子载波之间的ICI。因此，在OFDM系统中，载波频率偏差和样值频率偏差的估计比相位偏差和定时偏差的估计更重要。第四章 相位补偿接收端对OFDM信号进

41、行频率跟踪后，频率偏差控制在很小的范围内，能够满足OFDM系统载波同步的要求，但此时系统中还存在着相位偏差，利用锁频环路只能纠正频率的偏差，不能纠正相位偏差。相位偏差的存在会影响接收信号的相位和幅度，此时直接进行解调会出现比较高的误比特率。在实际系统中，产生相位偏差的原因有两方面：一方面由于无线信道的时变性，特别是在高速移动信道中，不同时刻到达接收端的信号相位不同，随时间变化的相位对信号中各个子载波的影响相同，具体表现是星座图的整体相位旋转；另一方面，由于信号源的不稳定性，输出信号中存在相位噪声，在相干解调中对信号会造成干扰，不仅会引起星座图的相位偏移，还会破坏子载波间的正交性，引起载波间的信

42、号干扰（ICI），但是当相位噪声的方差比较小时，子载波干扰可以忽略，而由此引起的相位旋转对系统的影响更为严重。接下来重点对相位偏差的补偿进行研究。在同一个OFDM符号内，不同的子载波受到同一个公共相位旋转因子的影响，表现为整个信号星座的旋转。在不同的符号之间，相位旋转因子不同，因此必须在时间上对相位偏差进行连续的估计和补偿。频率跟踪后，在频域完成相位偏差的估计与补偿，其中一种简便的方法是对FFT之后的数据进行硬判决，然后求取判决前后子载波数据的相位差，将每个符号内的平均相位差作为补偿因子，另一种是用插入导频的方法来估计相位偏差，下面对两种方法分别进行介绍。4.1 无导频的相位补偿算法该算法的基

43、本思想是根据接收信号的星座图，在每个OFDM符号内，利用每个子载波数据的自身相位特征来直接提取相位差，然后求平均值作为该符号的相位旋转因子，最后进行反方向旋转。首先，对接收到的N 点的数据进行FFT 运算，然后利用最小距离准则对 FFT之后的N个数据 m,k Y 进行硬判决，计算每个子载波数据判决前后的相位差m(k)： (4-1)其中real、imag分别表示求复数的实部和虚部，定义f(x)如下 (4-2)a( i =1，2，3 n) 对应于相应数字调制的星座点。例如采用16QAM调制调制时， ai的范围为(1,3)，QPSK调制时为(1,1)，d表示星座图上相邻点之间的距离。公式所求得相位差

44、包括公共相位偏差和热噪声两部分，其中热噪声是独立的随机过程。在一个OFDM 符号内，用N 个相位差的平均值作为公共相位偏差，在一定程度上可以抵消热噪声对相位的影响。N越大，热噪声的影响越小，平均相位差越接近于真实的公共相位偏差。 (4-3)这样就估计出了第 m个OFDM符号的公共相位误差，然后对FFT输出的所有子载波数据进行相位补偿，即在星座图上进行反方向相位旋转。图4-1给出了用此算法进行相位补偿前后的星座图，调制方式为16QAM，信噪比为12db。图 4-1 简单相位补偿前后的信号星座图由以上结果可知，直接求相差然后取平均的方法实现简单，易于操作，但是估计的范围比较小，精度不够高，主要是由

45、于随机热噪声的存在，用平均的方法只能部分抵消而不能完全消除其对信号相位的影响。4.2 导频辅助的相位补偿算法目前OFDM系统中广泛采用一种导频辅助的传输技术，其基本思想是在分组数据中放置一定量的导频符号，接收机根据导频来估计相位偏差，然后进行补偿恢复出正确的信息。此种方法具有同步时间短，复杂度低的特点，适用于高速实时通信系统。4.2.1 导频设置方式在导频辅助传输系统中，系统的性能决定于发送端的导频设置方式和接收端的估计算法。导频的设置方式包括导频的个数和放置的位置，不同的导频设置方式对信道的跟踪能力不同，适用于不同的信道传输环境。在实际中根据信道的特点来决定导频的设置方式，同时还要考虑系统在

46、传输效率上的要求。目前最典型的两种导频设置方式是块状导频方式和梳状导频方式。块状导频方式是指在时域上周期性地插入OFDM符号中，频域中每个频点都插入导频符号，如图4-2所示。 图 4-2 块状导频方式 图4-3 梳状导频方式根据分析，块状导频方式适用于慢衰落的无线信道，算法简单易于实现，而且对频率选择性不是很敏感。但是在快衰落信道中，基于该方式的估计算法性能会急剧下降，此时采用梳状导频设置方式效果更好。梳状导频设置方式与块状导频设置方式正好相反，它在时域上每个采样点都插入导频，在频域上导频符号以一定的周期均匀分布在每个OFDM块中，如图4-3所示，梳状导频设置方式适用于复杂的无线信道，对时变信

47、道的跟踪能力强。在慢衰落信道条件下，系统采用以上两种导频方式进行估计和跟踪，能达到相同的性能，但在系统实现复杂度方面，块状导频方式算法简单，易于实现。然而，现实中的无线信道除了受到大尺度衰落外，还受到多径传输和多普勒效应的影响，尤其是在接收机与发送机之间以较高的速度相对运动时，信道的时变性和快衰落性更加明显。在这种情况下，信道必须具备快速的实时跟踪能力，对剩余同步误差进行跟踪和补偿。因此，在多径、移动、衰落的无线信道中，我们选用梳状导频设置方式来完成相位噪声的估计和跟踪。4.2.2 算法分析本振中的相位噪声和无线信道引入的相位偏差对接收信号的相位具有相同的影响，即对符号中每个子载波都造成了相同

48、角度的相位旋转。将二者综合起来考虑，记残余的相位偏差为，那么经过FFT 之后得到： Ym k = Pm kHm ke (4-4)其中m为OFDM的符号数，k为第 m个符号的第 k个子载波数据，Pm, k为导频，Hm, k为信道的冲击响应。在这里，假设接收信道估计完全正确，定义中间变量： (4-5)对 R取相角，便可以得到剩余相位偏差的估计值：= R。在实际OFDM通信系统中，插入的导频符号的内容没有固定的要求，它可以是PN序列，也可以是常数，但是每个OFDM符号内插入的导频符号必须相同，插入的间隔可以根据实际信道的不同进行调整。同时，还要考虑估计精度与同步开销之间的关系，因为插入的导频越多，估

49、计精度越高，但是同步开销也越大，实际中要在二者之间折中考虑。仿真时采用复常数1+j作为导频符号，每50个数据插入一个导频符号，数据的中间位置不插入导频，800个子载波数据插入14个导频后，一个OFDM 符号长度为814，然后在数据中间补零进行1024点IFFT运算，循环前缀长度为146。在接收端进行FFT之后，将接收到的每个OFDM符号中的导频数据分别与1j相乘，然后根据式4-5求得相偏的估计值，最后对OFDM 符号中的每个子载波数据进行相位补偿。图4-4 给出了利用导频做相位补偿前后的星座图，调制方式为16QAM，信噪比为12db。通过对比可以发现，在高斯信道下用插入导频的方法做相位补偿，能

50、很好的消除本振中的相位噪声和信道相位偏差对信号星座图的影响。图 4-4 利用导频做相位补偿前后的信号星座图相位补偿后对信号进行数字解调，最终得到接收到的二进制码流，与发射端信源产生的码元序列相比较，可以得到不同信噪比下的误比特率。图4-5分别给出了不经过相位补偿进行解调、使用无导频的相位补偿算法和利用导频做相位补偿三种情况下系统的误比特率，其他条件均相同。采用16QAM调制，没有进行纠错编码和交织，信道为高斯白噪声信道。由图可以看出，在这三种情况下，利用导频作相位补偿后系统的性能最好。图 4-5 相位补偿前后系统解调的误比特率根据结果，利用导频作相位补偿后，当信噪比为0db时系统的误比特率比较

51、高，达到了15.14%，在5db时为4.86%，10db 时为0.28%，之后随着信噪比的增加，系统误比特率随之下降至0。如果在发射端对信号进行纠错编码和交织编码，在接收端相应地进行纠错解码和解交织，系统的性能会更好，误比特率会更低。第五章 OFDM UWB系统基于训练序列的同步算法设计与仿真5.1 系统介绍 在OFDM-UWB系统中，每个OFDM符号根据时-频码依次切换传输子带。图5-1显示了采用TFI2传送OFDM符号时的时频图（占用子带顺序：1，3，2，l，3，2）。其中，每个OFDM符号前面插入60.6ns的零前缀和9.5ns的保护间隔，其目的是为了克服多径效应并提供足够的时间供发送和

52、接收端切换跳频。 图5-1 OFDM符号传送时频图 如图5-2和图5-3所示为802.15提议中采用的多带时频交织技术的OFDM-UWB通信系统发送端和接收端框图。其中，OFDM合成信号的产生方法与传统的OFDM系统类似，FFT尺寸选为128点，它是性能与复杂度的极佳平衡。基带OFDM调制采用128点IFFT完成，有效子载波数为100，其余子载波用于导频数据传输和频谱调整。为满足FCC对辐射谱密度的限制并减弱峰均比问题，OFDM-UWB系统只用到QPSK和DCM(16QAM)调制。图5-2 OFDM-UWB系统发射端框图 图5-3 OFDM-UWB系统接收端框图OFDM-UWB系统中的同步问题

53、主要表现为确定每个OFDM-UWB符号起始时刻，即准确的FFT窗函数位置的符号同步；为避免产生载波间干扰ICI而使接收端振荡器的频率要与发送载波同频同相的载波频率同步；为了保证使接收端与发送端具有相同采样频率的采样同步这三个方面的同步要求。其中载波频率偏移对系统性能的影响是最严重的，因为频率偏移将使接收端解调出来的所有子载波偏移正常的正交位置，正交性被破坏，载波间相互干扰。一般在设计频偏估计算法时通常以估计精度达到子载波间隔的1-2为目标。要保证数据在接收端能够进行正确的解调，就必须找到数据符号的正确起始位置，这就是OFDM-UWB符号定时同步问题。在多径衰落环境中，虽然符号定时的起点可以在保

54、护间隔内任意选择，但是符号定时提前会增加系统对时延扩展的敏感程度，使系统所能容忍的时延扩展低于其设计值，所以在OFDM-UWB系统中应该尽量减小符号定时的同步误差。而超宽带极高的信号带宽和采样速率提高了系统对定时同步捕获速度和精度的要求，增加了定时同步的实现难度。5.2 现有同步算法介绍现有时间同步和频率同步技术根据需要利用的信息可分为三类：数据辅助方法（基于导频或训练序列）、基于循环前缀方法（半盲估计）和非数据辅助算法（盲估计）。5.2.1 时间同步算法基于循环前缀的时间同步算法对于连续通信模式，可以利用循环前缀的周期性，采用最大似然（ML）同步算法，可以同时进行载波频偏和符号定时同步。第n个采样接收信号有： (5-1)这里d是符号定时同步点，观察N个连续样值r(n)，其中包含一个长度的完整符号。对数似然函数定义为概率密度函数的对数，从表示给定符号到达时刻d和频偏f条件下， N个抽样点的联合概率密度函数。除循环前缀点具有相关性外，其他抽样