OFDM移动通信技术 (4)同步

OFDM移动通信技术

(第四章)课件：ofdm_bjtu_2008@163.com，PW:ofdm123456现代通信研究所陈霞SY913，Tel.:87270，Email:xchen@

1第四章OFDM系统同步4-1OFDM同步4-2OFDM同步偏差4-3OFDM定时同步4-4OFDM频率同步2数字通信系统同步载波同步频率同步频率-相位同步定时同步符号同步数据块同步3插入导频法直接法锁相环（PLL）频率同步4定时插入导频法直接法滤波法数字锁相法……同步5载波同步符号同步采样同步OFDM系统6数学模型载波同步——接收端本地振荡器频率与发送载波一致符号同步——积分区间起止时刻一致/IFFT和FFT窗口位置一致采样同步——接收端A/D和发送端D/A时钟频率一致OFDM系统7OFDM同步vs单载波同步频率同步OFDM：（符号调制多用PSK或QAM）必须相干解调OFDM：（是多个单载波信号叠加）不能用PLL技术符号同步和采样同步单载波：每符号一次采样（采样时钟频率等于符号频率）OFDM：每符号多次采样（采样时钟频率正比于符号频率）OFDM：（是多个单载波信号叠加）不能用“眼图”确定采样时刻8第四章OFDM系统同步4-1OFDM同步4-2OFDM同步偏差频率同步偏差9OFDM频率同步10OFDM频率同步造成CFO的原因（发射机和接收机）振荡器不稳定长期稳定度——有源器件和电路元件的老化特性短期稳定度——环境温度、电源电压变化、电路参数不稳定瞬时稳定度——有源器件和电路内部噪声信道多普勒频移偏差（CarrierFrequencyOffset）11分数频偏CFO为子载波间隔的分（小）数倍有用信号的相位旋转和幅度衰减导致ICI12整数频偏CFO为子载波间隔的整数倍信号在频域平移，严重的解调错误（误码率50%）无ICI13频偏敏感程度SCOFDM（相对）频偏性能损失14第四章OFDM系统同步4-1OFDM同步4-2OFDM同步偏差频率同步偏差定时同步偏差15OFDM定时同步16OFDM定时同步有保护间隔无保护间隔偏差17OFDM定时同步偏差定时偏差小于CP长度定时提前子载波相位旋转减小OFDM对多径延迟的容忍能力定时滞后子载波相位旋转本符号各子载波之间正交性被破坏，引起ICI受到后一个符号的干扰（IBI）的影响18OFDM定时同步偏差定时偏差大于CP长度定时提前子载波相位旋转ICI受到前一个符号的干扰（IBI）定时滞后子载波相位旋转ICI受到后一个符号的干扰（IBI）的影响19多径传播最佳定时——并不总是第1条路径最好减小OFDM对定时偏差的容错能力对OFDM定时同步的影响20第四章OFDM系统同步4-1OFDM同步4-2OFDM同步偏差频率同步偏差定时同步偏差采样同步偏差21OFDM采样同步偏差采样频率偏大采样频率偏小→采样间隔偏小→采样间隔偏大22OFDM采样同步偏差FFT窗口尺寸偏差采样频率偏大采样频率偏小→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→

ICI23FFT窗口漂移采样频率偏大采样频率偏小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24OFDM采样同步的方法采样频率偏大采样频率偏小→采样点数多→采样点数少25第四章OFDM系统同步4-1OFDM同步4-2OFDM同步偏差4-3OFDM定时同步4-3-1数据块同步：帧同步和分组检测26连续传输系统例数字广播系统（DAB、DVB）电路交换蜂窝系统特点连续、规则的数据格式通常允许较长捕获时间通常允许通过平均多次估计值逐步改善估计准确度27在帧头安排特殊码组特殊的例子（DVB）T：帧的第一个符号为空符号R：监测接收信号能量帧同步28分组传输系统例无线局域网WLAN（IEEE802.11a）特点随机接入高速数据29分组检测多-快-好-省精心设计引导符号精心设计检测算法（实现各种同步-捕获时间短-精度高-开销低）30滑动窗口法原理窗口接收的能量优点与信息内容无关复杂度小、捕获快递归简化算法缺点阈值设置噪声功率同频干扰传播损耗nn+131双滑动窗口法原理两个（连续、相对静止的）滑动窗口两个窗口的接收能量的比值优点与信息内容无关、递归简化算法、复杂度小、捕获快比值独立于接收信号的功率n32第四章OFDM系统同步4-1OFDM同步4-2OFDM同步偏差4-3OFDM定时同步4-3-1数据块同步：帧同步和分组检测4-3-2符号定时同步33OFDM符号同步定时偏移估计数据辅助非数据辅助Pre-FFT时域定时估计Post-FFT频域定时估计定时偏移校正TR34OFDM信号设计数据辅助（Data-Aided，DA）训练符号（TrainingSymbol/Sequence）导频（PilotSubcarrier/Tone）叠加训练符号/导频（SuperimposedTS/Pilot）非数据辅助（Non-Data-Aided，NDA）基于CP基于空载波盲估计35第四章OFDM系统同步4-1OFDM同步4-2OFDM同步偏差4-3OFDM定时同步4-3-1数据块同步：帧同步和分组检测4-3-2符号定时同步4-3-3几种定时同步方案36一种基于训练符号的定时估计（Schmidl&Cox，1997）d37训练符号：在相间的半数子载波上安排一个训练序列优点测度与载波频率偏移无关测度对信道衰落不敏感训练符号设计巧妙缺点定时测度存在平台效应一种基于训练符号的定时估计38一种基于PN序列的定时估计方案优点（依赖于具体PN序列）精度高抗多径能力缺点复杂度较高要求在定时同步之前已准确补偿CFO39一种基于PN序列的定时跟踪方案原理PN序列扩频信号叠加在OFDM信号上（PN序列扩频信号长度是OFDM符号的整数倍）优点不额外使用带宽（长PN序列）估计准确度可以很高40基于CP的定时同步原理CP与数据最后部分完全一样优点高频谱效率复杂度低缺点精度不高取得高精度需要多个符号在多径信道中性能恶化41一种基于CP的定时同步方案42一种基于类CP训练序列的定时同步方案同一信号的多个复制以规律间隔出现43性能M=2，同基于CP方法M>2，小信噪比的估计准确度有明显改善代价训练序列的冗余观察时间增加信噪比估计方差44一种基于空载波的定时同步方案空载波（nullsubcarrier）

45第四章OFDM系统同步4-1OFDM同步4-2OFDM同步偏差4-3OFDM定时同步4-4OFDM频率同步46OFDM频率同步频率偏移估计数据辅助（DA）非数据辅助（NDA）Pre-FFT时域频偏估计Post-FFT频域频偏估计频率偏移校正TR47基于重复训练符号的频偏估计

①P.H.Moose，1994系统模型一种常用子载波安排k∈[-K,K]N≥2K+148基于重复训练符号的频偏估计

①P.H.Moose，1994系统模型一种常用子载波安排例：IEEE802.11a49基于重复训练符号的频偏估计

①P.H.Moose，1994信道模型离散时间信道模型50基于重复训练符号的频偏估计

①P.H.Moose，1994信道模型离散时间信道模型等效频域信道模型51基于重复训练符号的频偏估计

①P.H.Moose，1994训练符号52基于重复训练符号的频偏估计

①P.H.Moose，1994频偏估计计算53基于重复训练符号的频偏估计

①P.H.Moose，1994性能准确估计（捕获）范围0.5f随着符号变短，估计性能变坏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）54基于重复训练符号的频偏估计

②SchmidlandCox，1997捕获范围f频偏估计55基于重复训练符号的频偏估计

②SchmidlandCox，1997捕获范围f分数频偏估计56基于重复训练符号的频偏估计

②SchmidlandCox，1997捕获范围f分数频偏估计57基于重复训练符号的频偏估计

②SchmidlandCox，1997频域训练序列在第1个符号的偶序号子载波上发射一个PN序列{s1,k}在第2个符号的偶序号子载波上发射另一个PN序列{s2,k}58基于重复训练符号的频偏估计

②Schmidl