【正文】 .............................................................. 26 參考文獻 ........................................................................................................................ 27 第 1 頁 共 33 頁 緒論 研究背景 近年來，移動通信技術(shù)發(fā)展迅速，已經(jīng)從第一代模擬通信系統(tǒng)過渡到第二代數(shù)字通信系統(tǒng)，并已經(jīng)開始第三代移動通信系統(tǒng)的商業(yè)化部署和第四代移動通信技術(shù)標(biāo)準的研究，網(wǎng)絡(luò)的不斷升級換代帶來了傳輸速率的不斷提高，第三代移動通信系統(tǒng)最大傳輸速率可達到 2Mbps。但是移動用戶對信息傳輸速率的要求不斷增加，未來移動通信將朝著高速率傳輸方向發(fā)展。 但是實際情況下由于無線信道的復(fù)雜性，存在不同程度的衰落和各種干擾，限制了信息速率的進一步提 高。 OFDM 技術(shù)可以有效克服頻率選擇性衰落和多徑傳播造成的 ISI(Intersymbol Interference)，提高信息的傳輸速率，已引起了國內(nèi)外廣泛關(guān)注和研究。 OFDM 是一種特殊的多載波傳輸方案，多載波調(diào)制本質(zhì)上是一種頻分復(fù)用 (FDM, Frequency Division Multiplex)技術(shù)。 FDM 技術(shù)早在 19 世紀以前就已經(jīng)被提出， FDM 技術(shù)復(fù)雜性高，頻譜利用率低。為了提高 FDM 技術(shù)的頻譜利用率， 等在 20 世紀 50 年代提出了 Kineplex 系統(tǒng) [1]，該系統(tǒng)提高了系統(tǒng)的頻譜利用率，但是此系統(tǒng)仍采用了傳統(tǒng)的多載波調(diào)制 [2]。美國軍方在此時也創(chuàng)建了世界上第一個 MCM(Multicarrier Modulation)系統(tǒng)，在 1970 年衍生出了采用大規(guī)模子載波和頻譜重疊技術(shù)的 OFDM 系統(tǒng)。但在很長一段時間內(nèi) OFDM 技術(shù)由理論向?qū)嵺`邁進的過程放慢了。由于 OFDM 的各個子載波之間相互正交， 和 提出了使用離散傅立葉 (DFT, Discrete Fourier Transform)實現(xiàn)多載波 的基帶調(diào)制和解調(diào) [3]，這樣便不再對每個子載波都使用模擬前端，從而降低了系統(tǒng)的復(fù)雜度，為 OFDM 的演進過程做出了巨大的貢獻。另外， Weinstein 等提出了通過插入一段空白區(qū)作為保護間隔來消除符號間干擾 (ISI)[2]，但這種辦法不能保證信號經(jīng)過色散信道后各子載波仍然保持正交，為此， 和 提出了采用循環(huán)前綴(CP , Cyclic Prefix)的方法保證信號經(jīng)過色散信道后仍然保持各子載波之間正交性 [4]。至此，現(xiàn)代 OFDM 的概念便形成了。又由于大規(guī)模集成電路和數(shù)字信號處 理 (DSP , Digital Signal Processing)的迅速發(fā)展，使得 OFDM 迅速登上了通信的舞臺，逐步邁入數(shù)字移動通信的領(lǐng)域。 OFDM 技術(shù)已經(jīng)成功地應(yīng)用于非對稱數(shù)字用戶線、無線本地環(huán)路、 數(shù)字音頻廣播、數(shù)字視頻廣播、無線局域網(wǎng)、 IEEE Broadband Wireless Access System 等系統(tǒng)中。 DAB 是在現(xiàn)有模擬 AM(Amplitude Modulation)和 FM(Frequency Modulation)音頻廣播的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，它可以提 供更優(yōu)質(zhì)的語音質(zhì)量、更新的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)以及更高的頻譜效率，它所提供的語音質(zhì)量可以與 CD(Compact Disc)音質(zhì)相媲美 [5]。 1995 年，由 ETSI(European Telemunications Standard Institute) 制定地 DAB(Digital Audio Broadcasting)標(biāo)準，成為第一個使用的 ODFM 標(biāo)準。接著在 1997 年，基于 OFDM 的 DVB(Digital Video Broadcasting)標(biāo)準也開始采用。在 ADSL(Asymmetric Digital Subscriber Line)應(yīng)用中， OFDM 被當(dāng)作典型的離散多音頻調(diào)制技術(shù)，成功地應(yīng)用于有線環(huán)境中，可以在 1MHz 帶寬內(nèi)提供高達 8Mbps的數(shù)據(jù)傳輸速率。 1998 年 7 月，經(jīng)過多次修改之后， 標(biāo)準組決定選擇 OFDM 作為 WLAN 的物理層標(biāo)準 [6]。 1999 年 通過了一個 5GHz的無線局域網(wǎng)標(biāo)準， OFDM 調(diào)制技術(shù)作為其物理層標(biāo)準。歐洲電信標(biāo)準協(xié)會 (ETSI)的寬帶射頻接入網(wǎng) (BRAN, Broad Radio Access Network) 的局域網(wǎng)標(biāo)準也把 OFDM 定為它的標(biāo)準調(diào)制技術(shù)。 1999 年 12 月，包括 Ericsson、 Nokia 和 WiLAN在內(nèi)的 7 家公司發(fā)起了國際 OFDM 論壇，致力于策劃一個基于 OFDM 技術(shù)的全球性統(tǒng)一標(biāo)準。 2020年 11月， OFDM 論壇的固定無線接入工作組向 城域網(wǎng)委員會提交了一份建議書，提議采用 OFDM 技術(shù)作為 城域網(wǎng)的物理層 (PHY , Physical Layer)標(biāo)準。隨著 和 第 2 頁 共 33 頁 BRAN HiperLAN/2 的兩個標(biāo)準在局域網(wǎng)的普及應(yīng)用， OFDM 技術(shù)將會進一步在無線數(shù)據(jù)本地環(huán)路的廣域網(wǎng)領(lǐng)域做出重大貢獻。 OFDM 由于其頻譜利用率高、成本低等優(yōu)點越來越受到人們的關(guān)注。隨著人們對通信數(shù)據(jù)化、寬帶化、個人化和移動化的需求， OFDM 技術(shù)在綜合無線接入領(lǐng)域?qū)⒃絹碓降玫綇V泛的應(yīng)用。隨著 DSP 芯片技術(shù)的發(fā)展，傅立葉變換 /反變換、 64/128/256QAM 的高速 Modem 技術(shù)、格狀編碼技術(shù)、軟判決技術(shù)、信道自適應(yīng)技術(shù)、插入保護時段、減少均衡計算量等成熟技術(shù)的引入，人們開始 集中精力開發(fā) OFDM 技術(shù)在移動通信領(lǐng)域的應(yīng)用，預(yù)計 3G(The 3rd Generation)以后移動通信的主流技術(shù)將是 OFDM 技術(shù)。但是該系統(tǒng)也存在一些缺點： 對頻偏和相位噪聲很敏感。 由于多普勒效應(yīng)及發(fā)送端和接收端的振蕩器帶來的頻率偏移，將會使子載波的正交性遭到嚴重的破壞，信噪比大幅度下降，使系統(tǒng)的誤碼率提升，解調(diào)性能很差，不能很好地恢復(fù)所要發(fā)送的信息。要想實現(xiàn) OFDM 技術(shù)的一些優(yōu)點，其同步技術(shù)是非常關(guān)鍵的一步， 已是當(dāng)今通信領(lǐng)域的研究熱點。 因此 ,本文圍繞 OFDM 系統(tǒng)中的同步問題開展 研究和探索分析。 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 OFDM 系統(tǒng)的同步任務(wù)包括時間同步和載波頻率同步，時間同步的目的是確定 OFDM 符號的開始位置以對數(shù)據(jù)進行多載波解調(diào)，載波頻率同步的任務(wù)是解決發(fā)射機和接收機由于載波頻率不一致或多普勒頻移造成的信號幅度衰減和子載波信道間干擾問題。其中， 時間同步通常按功能和操作過程進一步分為符號定時同步和采樣時鐘同步，符號同步就是確定 FFT 開窗位置，采樣時鐘同步是使收發(fā)兩端的采樣頻率保持一致。在一個 OFDM 系統(tǒng)中，基本的同步順序是：首先做的是符號定時同步，即找到 OFDM 符號的起始位置，然后進行頻率同步，包括細頻率同步和粗頻率同步，得到估計的頻偏值之后，在把信號送入 FFT 模 塊解調(diào)之前，糾正頻偏，消除 ICI(InterCarrier Interference)的影響。最后可以進行精確的定時同步，得到 FFT 的起始點。通常，定時粗同步和小數(shù)倍頻偏估計可以組合成一個聯(lián)合估計模塊。 OFDM 系統(tǒng)的同步方法可分為數(shù)據(jù)輔助的同步方法和非數(shù)據(jù)輔助的同步方法。數(shù)據(jù)輔助的同步方法利用訓(xùn)練序列或?qū)ьl符號進行同步估計，該方法捕獲快、精度高而且一般計算量也較小， 其缺點是降低了系統(tǒng)的傳輸效率。 在這類方法中，較早的具有代表性的一種是由 Classen 提出的方法 [7], 該方法利用散布在兩個 OFDM 符號頻域子載波上的導(dǎo)頻數(shù)據(jù)進行頻率的捕獲和跟蹤，其捕獲過程是在一定范圍內(nèi)進行小步進的盲搜索，由于計算量很大，不能應(yīng)用于具體的系統(tǒng)中。 T. M. Schmidl 和 Cox 在文獻 [7]的基礎(chǔ)上提出了一種改進的聯(lián)合載波同步和符號定時同步的算法 [8]， 在文獻 [8]中采用兩個訓(xùn)練序列，第一個訓(xùn)練序列前后兩半相同，用于符號定時和小數(shù)倍頻偏估計，第二個訓(xùn)練序列完成整數(shù)倍頻偏估計 ， FFT 將經(jīng)過小數(shù)倍頻偏補償之后的訓(xùn)練序列變換到頻域，利用前后兩個訓(xùn)練序列的差分關(guān)系，通過移位搜索估計整數(shù)倍頻偏，該算法在每個 OFDM 符號中使用了兩個訓(xùn)練序列，大大降低了系統(tǒng)的傳輸效率。由 Y. H. Kim 等人對文獻 [8]提出了一種改進算法 [9],該算法用一個訓(xùn)練序列便能完成符號定時和頻偏估計，該算法在不增加復(fù)雜度的情況下達到了同樣的性能，而且還提高了系統(tǒng)的效率，因為只使用了一個訓(xùn)練序列就完成了符號定時估計和頻率偏移估計。Baoguo Yang 提出了另一種基于導(dǎo)頻的完整時間同步方案 [10]，符號 粗同步利用循環(huán)前綴的部分相關(guān)運算完成，將粗同步后的剩余誤差看作物理路徑的第一徑時延，利用路徑時延估計的方法獲得符號精同步，同步跟蹤主要是解決采樣時鐘頻率偏差造成的符號定時漂移問題。文獻 [10]中的方案雖然估計精確度較高，捕獲速度也比較快，但是它只能估計符號定時同步，對頻偏估計無能無力。而文獻 [9]提出的算法，雖然較文獻 [8]有性能提高，但是該算法在整數(shù)倍 第 3 頁 共 33 頁 頻偏估計的時候采用了矢量和的模最大化的值作為估計值，造成了估計精確度不高，論文準備利用最大似然估計理論推導(dǎo)出整數(shù)倍頻偏估計方法，希望達到提高整數(shù)倍頻偏估計的 精確度的性能。 另一類是非數(shù)據(jù)輔助同步算法，即盲估計。 該類方法中分為基于虛擬子載波的同步估計和基于循環(huán)前綴的最大似然 (ML, Maximum Likehood)估計。 利用虛擬子載波進行同步估計最早是由 Hui Liu 和 Ufuk Tureli 提出的算法 [11]，被稱為類 MUSIC 算法。 類 MUSIC 頻率同步算法估計精度高，但計算復(fù)雜度高，而且會造成系統(tǒng)效率的下降。 Ufuk Tureli 等人為了降低類 MUSIC 算法的復(fù)雜度，又提出了 ESPRIT 算法 [12]。后來文獻 [13] 通過 計算接收信號自相關(guān)矩陣的秩來估計 OFDM 系統(tǒng)的定時偏差；文獻 [14]利用冗余信息，即在接收端連續(xù)接收到的塊之間的互相關(guān)特性估計頻率偏差。這類算法總的特點是基于子空間的方法進行盲估計，充分利用 OFDM 信號的內(nèi)在特點，不需要額外的輔助數(shù)據(jù)用于頻率估計，但計算量較大，且虛擬子載波不能進行數(shù)據(jù)調(diào)制是對頻率資源的浪費。 基于循環(huán)前綴的最大似然（ ML）估計同步算法 [15]由 Vanbe Beek J, Sandell M 等人首先提出的，該算法是利用循環(huán)前綴與其對應(yīng)部分的相關(guān)性進行同步估計的。 ML 估計具有算法簡 單、可以同時估計定時和頻率偏移、沒有降低系統(tǒng)效率的情況下達到了估計性能等優(yōu)點，但是該算法在 AWGN 性能較好，不適合應(yīng)用于瑞利多徑信道，而且， ML 算法在頻偏估計時只能估計小數(shù)倍頻偏估計。針對不適合瑞利多徑信道， Yangseok Choi 等人提出的在瑞利衰落信道中利用 ML 方法估計頻率偏差的算法 [16]、 還有很多文獻 [1720]都對最大似然算法進行了改進使其適合于瑞利衰落多徑信道。針對頻偏估計范圍較小的缺點，文獻 [21][22]進行了改進，把頻偏估計分為兩個階段分別進行估計。為了降低計算的復(fù)雜度， 文獻 [2325]把 ML 迭代算法和迭代算法結(jié)合起來，使得很快就可以實現(xiàn)時頻同步估計，文獻 [2628]也針對降低復(fù)雜度進行了改進。本文針對在 ML 算法中，在對利用循環(huán)前綴和其相對應(yīng)部分的相關(guān)性來完成同步的過程中，發(fā)現(xiàn)此類算法中沒有完全利用兩者之間的相關(guān)性，造成了估計性能的降低?；谶@一點，對 ML 算法進行了詳細研究分析的基礎(chǔ)上，對原有的基于循環(huán)前綴的同步算法改進并進行性能仿真。 本文的主要工作及內(nèi)容安排 論文主要工作及內(nèi)容如下： 第一章主要講述了論文的研究背景以及國內(nèi)外研究現(xiàn)狀。 第 二章給出了 OFDM 系統(tǒng)模型并分析了和研究了系統(tǒng)原理、關(guān)鍵技術(shù)及系統(tǒng)的技術(shù)特點。 第三章研究了 OFDM 系統(tǒng)中的同步原理并分析了同步偏差對系統(tǒng)性能的影響，并對已有的幾類同步算法進行了分析和歸納。 第四章分析了基于循環(huán)前綴的 ML 同步算法 [15]， 基于循環(huán)前綴的同步算法利用循環(huán)前綴和相對應(yīng)部分的相關(guān)性， 在接收端利用最大似然算法同時估計符號定時和頻率的偏移，較好的恢復(fù)了符號定時偏差和小數(shù)倍頻率偏移。 最后，對全文進行了總結(jié)并提出了進一步的研究工作 第 4 頁 共 33 頁 OFDM 系統(tǒng)原理及關(guān)鍵技術(shù) OFDM 系統(tǒng)原理 OFDM 是一種無線環(huán)境下的高速傳輸技術(shù)，其原理是把高速的數(shù)據(jù)流通過串并變換為若干路低速的數(shù)據(jù)流，并分配到若干子信道上，即用這些低速的數(shù)據(jù)流去調(diào)制相應(yīng)的子載波。這種并行傳輸體制擴展了符號的脈沖寬度，提高了抗多徑衰落的性能。這些子載波是相互正交的， 調(diào)制后的頻譜可以互相重疊， 從而提高了頻譜利用率。另外，在 OFDM 符號之間插入保護間隔 (GI, Guard Interval),且令其長度大于無線信道的最大時延擴展，則可以最大限度地消除由于多徑而帶來的符號間干