ofdm通信系統中同步技術研究畢業論文(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 主要內容是研究 OFDM 系統中的同步技術，主要研究數據輔助同步技術中基于訓練序列的符號同步算法，介紹了經典的 SC 算法及其基礎上的改進算法： Minn 算法和 Park 算法，并通過模擬仿真，比較這三種算法的優缺點。具體的研究內容如下： 第一章，緒論。主要說明了 OFDM 技術的發展與應用，及其在未來通信中所起到的作用，在此期間，闡述了同步技術的重要性。 第二章， OFDM 系統原理。主要介紹了 OFDM 系 統的基本模型，保護間隔和循環前綴，以及 OFDM 系統的主要技術及其優缺點，引出同步技術對 OFDM的影響。 第三章， OFDM 同步技術。主要介紹了 OFDM 同步技術的原理，要求，同時引出基于數據輔助的同步技術及其經典算法。 第四章， OFDM 同步算法。主要介紹了基于數據輔助同步技術中的經典OFDM 同步算法，重點研究了 SC 算法及其基礎上的兩種改進算法 Minn 算法和Park 算法，通過對三種算法的模擬仿真，進行比較，得出了三種算法的優缺點。 第五章，主要是針對本文的研究工作的總結。 OFDM 通信系統中同步技術研究 5 第 2 章 OFDM 系統原 理 OFDM 系統基本模型 OFDM 是人們為了克服頻域上出現的多徑信道選擇性衰落特性而產生的，是多載波傳輸的典型技術。因為多徑的選擇性衰落，人們很自然的就想到在信道上劃分出多個子信道傳輸，這樣每一個子信道的頻譜特性就趨于平坦，用多個相互獨立的子信號進行合并，以實現新號的頻率分集。每一個 OFDM 符號都是多個經過調制的子載波新號之和，其中的每一個載波的調制方式可以是 PSK（相移鍵控）或者 QAM（正交幅度調制） 錯誤 !未找到引用源。 。如果用 N 表示子載波的個數， T表示 OFDM 符號的寬 度， di（ i=0,1??， N1） 是分配給每一個子信道的數據符號， fc 是載波頻率，則從 t=ts 開始的 OFDM 符號可以表示為式（ 21） / 2 1/2/2 0 . 5( ) R e { e x p [ 2 ( ) ( ) ] }Ni N c siN is t d j f t tT???? ?? ? ?? π Tttt ss ??? （ ） 在 很 多 時 候 也 會 有 式 （ 22 ） 來 表 示 等 效 基 帶 信 號 ???? ? ??12/2/ 2/ )](2e x p [)(NNi sNi ttTijdts π Tttt ss ??? （ ） 其中，式（ ）的實部和虛部分別對應的是 OFDM 符號中的同相和正交分量 錯誤 !未找到引用源。 ，在實際中分別和相應的子載波的余弦和正弦分量相乘，構成最終的子信道信號和合成的 OFDM 符號。圖 給出了 OFDM 系統的基本模型框圖 。 數據入口串并轉換+d 0d 1d N 1信道d 0d 1d N 1積 分積 分積 分串并轉換輸 出 圖 OFDM 系統基本模式框圖 OFDM 通信系統中同步技術研究 6 OFDM 的保護間隔和循環前綴 保護間隔 OFDM 技術是之所以被人們采用，是 因為它 把輸入信號分配到了 N 個并行的子信道上，從而使每一個 OFDM 符號的周期擴大為了原始符號的 N 倍，以對抗多徑選擇性衰落。但與此同時，時延擴展與符號周期的比值同樣降低了 N 倍 錯誤 !未找到引用源。 。所以在 OFDM 系統中，為了最大限度地消除 ISI（符號間干擾） ，在每個 OFDM 符號之間要插入 GI（保護間隔），該保護間隔的長度 Tg 一般要大于無線信道的最大時延擴展，這樣一個符號的多徑分量才不會干擾到下一個符號。在保護間隔以內，可以不插入任何信號，即空白間隔。但是這樣的情況，由于多徑傳播的影響，會產生信道間干擾（ ICI），子載波之間的正交性遭到破壞，不同的子載波之間產生干擾。 循環前綴 為了消除空閑間隔由于多徑傳播導致的 ICI，一種方法就是將原來寬度為 T的 OFDM 符號進行周期性擴展，用擴展信號來填充保護間隔。保護間隔內的信號稱為 CP（循環前綴）。循環前 綴中的信號與 OFDM 系統中的符號尾部寬度為Tg 的部分相同。做循環前綴即是把每一個 OFDM 符號的后 Tg 時間長度的樣點復制到該 OFDM 符號前，形成循環前綴。 加入循環前綴后，一個 OFDM 符號的總長度變為 Tg+TFFT。其中， Tg 是循環前綴的長度， TFFT為 OFDM 符號的有效長度。假定信道的最大時延擴展為 τ m，為了消除 ICI，應滿足在一個 Tgτ m。由于循環前綴沒有任何有效信息，所以加入循環前綴帶來的是功率和信息速率的損失，其中功率的損失為： )(l og10)(log101010 FFT gFFTFFTsp T TTT T ???? （ ） 信息速率的損失為： FFTggsgp TT TTT ???? （ ） 從上兩式可以看出，雖然我們付出了一定的功率和信息速率的代價，但是通過采用循環前綴消除 ICI，相比之下，功率和信息速率的代價就相當值得，但是我們還是需要選擇適當的保護間隔長度，一般取 TgTFFT/4。 OFDM 通信系統中同步技術研究 7 OFDM 的主要技術 同步技術 在 OFDM 系統中，由于碼元寬度相對較寬，所以系統對定時偏移不是很敏感， ISI 得到了很好的抑制。但由于子載波的間隔小，所以對頻率偏移比較敏感，相位噪聲對系統也有很大的損害。 定時偏移，或者說包絡的延遲失真，并不破壞子載波的正交性，定時相位偏移引起的只是所有子載波的旋轉，合適的信道估計可以有效地消除這些影響。抽樣頻率的誤差會產生時變的定時偏移，導致時變的相位變化，也會引入少量的載波間干擾 (ICI)，實際中由于定時偏移引入的 ICI 非常小， Es/No 為 20dB 時，也只有 左右。 相位噪聲有兩個基本的影響，其一是對所有的子載波引入了一個隨機相位變量，跟蹤技術和差分檢測可以用來降低共同相位誤差的影響，其次也會引人一定量的 ICI，因為相位誤差導致子載波的間隔不再是精確的 1/T 了。 頻率偏移在 OFDM 系統中是比較有害的，它將導致 ICI，破壞子載波的正交性。 ISI 與 ICI 是矛盾的，一個減少，另一個會增大，由于在系統設計時，可以容忍一定 量的 ISI，所以，可盡量減少 ICI，以便降低系統同步實現的難度，殘留的 ISI可以通過簡單的均衡消除。頻率偏移導致 FFT的間隔周期不再是一個整數，所以變換后會產生 ICI。由資料可知， OFDM 技術可接受的最大頻偏與信道信噪比及有效信噪比之差有關，通常頻率精度必須達到頻率間隔的 1%2%。 OFDM 系統中主要涉及的同步有碼元同步，載波同步和采樣頻率同步。同步分為幾個過程：粗定時恢復 /分組 /時隙 /幀同步，粗頻偏估計 /校正，精頻率校正，精定時校正。 由于同步是 OFDM 技術中的一個難點，因此，很多人也提出了很多 OFDM同步算法，主要是針對循環擴展和特殊的訓練序列以及導頻信號來進行，其中較常用的有利用奇異值分解的 ESPRIT 同步算法和 ML 估計算法，其中 ESPRIT 算法雖然估計精度高，但計算復雜，計算量大，而 ML 算法利用 OFDM 信號的循環前綴，可以有效地對 OFDM 信號進行頻偏和時偏的聯合估計，而且與 ESPRIT算法相比，其計算量要小得多。 OFDM 技術的同步算法研究的比較多，需要根據具體的系統具體設計和研究，利用各種算法融合進行聯合估計才是可行的 [5]。 OFDM 通信系統中同步技術研究 8 訓練序列／導頻及信道估計技術 接收端使用差分檢測時不需要 信道估計，但仍需要一些導頻信號提供初始的相位參考，差分檢測可以降低系統的復雜度和導頻的數量，但卻損失了信噪比。尤其是在 OFDM 系統中，系統對頻偏比較敏感，所以一般使用相干檢測。 在系統采用相干檢測時，信道估計是必須的。此時可以使用訓練序列和導頻作為輔助信息，訓練序列通常用在非時變信道中，在時變信道中一般使用導頻信號。在 OFDM 系統中，導頻信號是時頻二維的。為了提高估計的精度，可以插入連續導頻和分散導頻，導頻的數量是估計精度和系統復雜的折衷。導頻信號之間的間隔取決于信道的相干時間和相干帶寬，在時域上，導頻的間 隔應小于相干時間；在頻域上，導頻的間隔應小于相干帶寬。圖 3 是導頻信號在時間和頻率上的一般模式，但實際中，導頻的模式的設計要根據具體情況而定，導頻信號的功率也可以適當大一些。 信道估計器根據導頻就可以估計出信道的脈沖響應，估計的方法比較多，匹配 濾波器 法、最小均方值法、最大后驗概率法等都可以根據具體的系統要求選用[69]。 信道編碼和交織技術 在 OFDM 系統中，由于碼間串擾不是很嚴重，所以隨機誤碼得到了一定的限制，但對于突發誤碼，尤其是在軍用場合，信道編碼和交織技術還是必須的。由于 OFDM 信號具有時域和頻域的二維結構特點，因此信道編碼可以很好地利用此特點，得到更好的糾錯性能。此時通過合理設計時域和頻域的交織器，可以很好地對抗突發錯誤和人為干擾。 因此在 OFDM 系統中，信道編碼和交織器結構要根據 OFDM 信號的特點來設計，編碼的碼率和交織器的長度與 OFDM 系統的參數密切相關 [9]。 峰均功率比控制 根據中心極限定理， N 個等載波間隔的 OFDM 信 號可等效成均值為 0、方差為 02 的高斯分布隨機過程 (足夠大，如廳 100)。因此在某些極限時刻，不同子載波在相位和時間上可能線性疊加，可能產生一些很大的幅度脈沖峰值，隨著子載波數 N 的增大，脈沖峰值發生的概率會減少，但峰值會增大。所以在 OFDM系統中，信號的峰值平均功率比 (PAPR)起伏較大，對射頻的線性 功放 提出了很高的要求，發送端對高 功率放大器 (HPA)的線性度要求很高且發送效率極低，接收端對前端 放大器 以及 A/D 變換器 的線 性度要求也很高，因此應該盡可能地降低信號的 PAPR。 OFDM 通信系統中同步技術研究 9 為消除這種因為過高的峰均功率比信號而使功率放大器產生的限幅非線性失真，提出了很多方法、如限幅加窗選擇映射方法、基于 Golay 序列的選擇映射方法、循環碼方法、部分發送序列相位反轉方法和基于 m 序列方法等。通過選擇合適的方法， PAPR 的控制目前基本可以達到特定系統的要求，不再是限制OFDM 技術應用的主要障礙。對 PAPR 的要求一般控制在 3dB 左右，通過合適的算法可以達到此要求 [9]。 均衡技術 由于 OFDM 技術本身利用了衰落信道的分集特性，系統的碼間串 擾問題已得到了很好的抑制，而均衡技術主要就是為了補償多徑信道引起的碼間干擾，因此一般情況下， OFDM 系統可以不用均衡措施，但在一些時延擴展較嚴重的信道中，循環擴展的長度要很長，才能有效克服 ISI，此時可以采用一些簡單的均衡技術來減少循環擴展的長度，而通過均衡克服殘留的 ISI[9]。 系統仿真參數設 計 OFDM 系統的參數設計是許多需求的一個折衷。在參數設計時，首先需要明確系統的 3 個主要的指標：帶寬、比特率和時延擴展。 時延擴展直接影響保護時間的設計，保護時間的長度應該是均方根延遲擴展的 24 倍，實 際設計時，保護時間一般取大于等于信道的最大時延擴展。保護時間確定后， OFDM 符號幀的寬度也可以定下來。為了降低保護時間引起的信噪比損失，符號寬度希望遠大于保護時間，但是符號的寬度過大意味著更多的子載波數和更小的子載波間隔，增大了實現的復雜度，使得系統對相位噪聲和頻率偏移更加敏感，而且會增加峰均值功率比。因此實際的設計選擇是使符號寬度至少是保護時間的 5 倍，此時保護時間會帶來大約 1dB 左右的信噪比損失。符號寬度和保護時間確定后，子載波的間隔就是去掉保護時間后的符號寬度的倒數，此時根據系統的帶寬就可以確定子載波的 數目，每個子信道的帶寬應小于信道的相干帶寬，子載波的數目也可以根據需要的比特率和每個子載波上的比特率來確定。每個子載波的比特率由調制的類型、信道編碼的碼率和符號率確定。同時還要使每個 OFDM 的符號時間小于信道的相干時間，避免產生時間選擇性衰落 [9]。 OFDM 技術的優缺點分析 OFDM 技術主要優點 OFDM 存在很多技術優點見如下，在 3G、 4G 中被運用，作為通信方面其有很多優勢： (1)在窄帶帶寬下也能夠發出大量的數據。 OFDM 技術能同時分開至少 1000 個數字信號，而且在干擾的信號周圍 可以安全運行的能力將直接威脅到OFDM 通信系統中同步技術研究 10 目前市場上已經開始流行的 CDMA 技術的進一步發展壯大的態勢，正是由于具有了這種特殊的信號“穿