【正文】 .............................................................. 26 參考文獻(xiàn) ........................................................................................................................ 27 第 1 頁(yè) 共 33 頁(yè) 緒論 研究背景 近年來(lái)，移動(dòng)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(guò)渡到第二代數(shù)字通信系統(tǒng)，并已經(jīng)開(kāi)始第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)的商業(yè)化部署和第四代移動(dòng)通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的研究，網(wǎng)絡(luò)的不斷升級(jí)換代帶來(lái)了傳輸速率的不斷提高，第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)最大傳輸速率可達(dá)到 2Mbps。但是移動(dòng)用戶對(duì)信息傳輸速率的要求不斷增加，未來(lái)移動(dòng)通信將朝著高速率傳輸方向發(fā)展。 但是實(shí)際情況下由于無(wú)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(jìn)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(guó)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(jì)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(jì) 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(guó)軍方在此時(shí)也創(chuàng)建了世界上第一個(gè) 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(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi) OFDM 技術(shù)由理論向?qū)嵺`邁進(jìn)的過(guò)程放慢了。由于 OFDM 的各個(gè)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(shí)現(xiàn)多載波 的基帶調(diào)制和解調(diào) [3]，這樣便不再對(duì)每個(gè)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(jìn)過(guò)程做出了巨大的貢獻(xiàn)。另外， Weinstein 等提出了通過(guò)插入一段空白區(qū)作為保護(hù)間隔來(lái)消除符號(hào)間干擾 (ISI)[2]，但這種辦法不能保證信號(hào)經(jīng)過(guò)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(hào)經(jīng)過(guò)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(hào)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(tái)，逐步邁入數(shù)字移動(dòng)通信的領(lǐng)域。 OFDM 技術(shù)已經(jīng)成功地應(yīng)用于非對(duì)稱(chēng)數(shù)字用戶線、無(wú)線本地環(huán)路、 數(shù)字音頻廣播、數(shù)字視頻廣播、無(wú)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(lái)的，它可以提 供更優(yōu)質(zhì)的語(yǔ)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(yǔ)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(zhǔn)，成為第一個(gè)使用的 ODFM 標(biāo)準(zhǔn)。接著在 1997 年，基于 OFDM 的 DVB(Digital Video Broadcasting)標(biāo)準(zhǔn)也開(kāi)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(dá) 8Mbps的數(shù)據(jù)傳輸速率。 1998 年 7 月，經(jīng)過(guò)多次修改之后， 標(biāo)準(zhǔn)組決定選擇 OFDM 作為 WLAN 的物理層標(biāo)準(zhǔn) [6]。 1999 年 通過(guò)了一個(gè) 5GHz的無(wú)線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)， OFDM 調(diào)制技術(shù)作為其物理層標(biāo)準(zhǔn)。歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì) (ETSI)的寬帶射頻接入網(wǎng) (BRAN, Broad Radio Access Network) 的局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)也把 OFDM 定為它的標(biāo)準(zhǔn)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(guó)際 OFDM 論壇，致力于策劃一個(gè)基于 OFDM 技術(shù)的全球性統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。 2020年 11月， OFDM 論壇的固定無(wú)線接入工作組向 城域網(wǎng)委員會(huì)提交了一份建議書(shū)，提議采用 OFDM 技術(shù)作為 城域網(wǎng)的物理層 (PHY , Physical Layer)標(biāo)準(zhǔn)。隨著 和 第 2 頁(yè) 共 33 頁(yè) BRAN HiperLAN/2 的兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)在局域網(wǎng)的普及應(yīng)用， OFDM 技術(shù)將會(huì)進(jìn)一步在無(wú)線數(shù)據(jù)本地環(huán)路的廣域網(wǎng)領(lǐng)域做出重大貢獻(xiàn)。 OFDM 由于其頻譜利用率高、成本低等優(yōu)點(diǎn)越來(lái)越受到人們的關(guān)注。隨著人們對(duì)通信數(shù)據(jù)化、寬帶化、個(gè)人化和移動(dòng)化的需求， OFDM 技術(shù)在綜合無(wú)線接入領(lǐng)域?qū)⒃絹?lái)越得到廣泛的應(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(hù)時(shí)段、減少均衡計(jì)算量等成熟技術(shù)的引入，人們開(kāi)始 集中精力開(kāi)發(fā) OFDM 技術(shù)在移動(dòng)通信領(lǐng)域的應(yīng)用，預(yù)計(jì) 3G(The 3rd Generation)以后移動(dòng)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(diǎn)： 對(duì)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(lái)的頻率偏移，將會(huì)使子載波的正交性遭到嚴(yán)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(shí)現(xiàn) OFDM 技術(shù)的一些優(yōu)點(diǎn)，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(diǎn)。 因此 ,本文圍繞 OFDM 系統(tǒng)中的同步問(wèn)題開(kāi)展 研究和探索分析。 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 OFDM 系統(tǒng)的同步任務(wù)包括時(shí)間同步和載波頻率同步，時(shí)間同步的目的是確定 OFDM 符號(hào)的開(kāi)始位置以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行多載波解調(diào)，載波頻率同步的任務(wù)是解決發(fā)射機(jī)和接收機(jī)由于載波頻率不一致或多普勒頻移造成的信號(hào)幅度衰減和子載波信道間干擾問(wèn)題。其中， 時(shí)間同步通常按功能和操作過(guò)程進(jìn)一步分為符號(hào)定時(shí)同步和采樣時(shí)鐘同步，符號(hào)同步就是確定 FFT 開(kāi)窗位置，采樣時(shí)鐘同步是使收發(fā)兩端的采樣頻率保持一致。在一個(gè) OFDM 系統(tǒng)中，基本的同步順序是：首先做的是符號(hào)定時(shí)同步，即找到 OFDM 符號(hào)的起始位置，然后進(jìn)行頻率同步，包括細(xì)頻率同步和粗頻率同步，得到估計(jì)的頻偏值之后，在把信號(hào)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(jìn)行精確的定時(shí)同步，得到 FFT 的起始點(diǎn)。通常，定時(shí)粗同步和小數(shù)倍頻偏估計(jì)可以組合成一個(gè)聯(lián)合估計(jì)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(hào)進(jìn)行同步估計(jì)，該方法捕獲快、精度高而且一般計(jì)算量也較小， 其缺點(diǎn)是降低了系統(tǒng)的傳輸效率。 在這類(lèi)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(gè) OFDM 符號(hào)頻域子載波上的導(dǎo)頻數(shù)據(jù)進(jìn)行頻率的捕獲和跟蹤，其捕獲過(guò)程是在一定范圍內(nèi)進(jìn)行小步進(jìn)的盲搜索，由于計(jì)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(xiàn) [7]的基礎(chǔ)上提出了一種改進(jìn)的聯(lián)合載波同步和符號(hào)定時(shí)同步的算法 [8]， 在文獻(xiàn) [8]中采用兩個(gè)訓(xùn)練序列，第一個(gè)訓(xùn)練序列前后兩半相同，用于符號(hào)定時(shí)和小數(shù)倍頻偏估計(jì)，第二個(gè)訓(xùn)練序列完成整數(shù)倍頻偏估計(jì) ， FFT 將經(jīng)過(guò)小數(shù)倍頻偏補(bǔ)償之后的訓(xùn)練序列變換到頻域，利用前后兩個(gè)訓(xùn)練序列的差分關(guān)系，通過(guò)移位搜索估計(jì)整數(shù)倍頻偏，該算法在每個(gè) OFDM 符號(hào)中使用了兩個(gè)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(duì)文獻(xiàn) [8]提出了一種改進(jìn)算法 [9],該算法用一個(gè)訓(xùn)練序列便能完成符號(hào)定時(shí)和頻偏估計(jì)，該算法在不增加復(fù)雜度的情況下達(dá)到了同樣的性能，而且還提高了系統(tǒng)的效率，因?yàn)橹皇褂昧艘粋€(gè)訓(xùn)練序列就完成了符號(hào)定時(shí)估計(jì)和頻率偏移估計(jì)。Baoguo Yang 提出了另一種基于導(dǎo)頻的完整時(shí)間同步方案 [10]，符號(hào) 粗同步利用循環(huán)前綴的部分相關(guān)運(yùn)算完成，將粗同步后的剩余誤差看作物理路徑的第一徑時(shí)延，利用路徑時(shí)延估計(jì)的方法獲得符號(hào)精同步，同步跟蹤主要是解決采樣時(shí)鐘頻率偏差造成的符號(hào)定時(shí)漂移問(wèn)題。文獻(xiàn) [10]中的方案雖然估計(jì)精確度較高，捕獲速度也比較快，但是它只能估計(jì)符號(hào)定時(shí)同步，對(duì)頻偏估計(jì)無(wú)能無(wú)力。而文獻(xiàn) [9]提出的算法，雖然較文獻(xiàn) [8]有性能提高，但是該算法在整數(shù)倍 第 3 頁(yè) 共 33 頁(yè) 頻偏估計(jì)的時(shí)候采用了矢量和的模最大化的值作為估計(jì)值，造成了估計(jì)精確度不高，論文準(zhǔn)備利用最大似然估計(jì)理論推導(dǎo)出整數(shù)倍頻偏估計(jì)方法，希望達(dá)到提高整數(shù)倍頻偏估計(jì)的 精確度的性能。 另一類(lèi)是非數(shù)據(jù)輔助同步算法，即盲估計(jì)。 該類(lèi)方法中分為基于虛擬子載波的同步估計(jì)和基于循環(huán)前綴的最大似然 (ML, Maximum Likehood)估計(jì)。 利用虛擬子載波進(jìn)行同步估計(jì)最早是由 Hui Liu 和 Ufuk Tureli 提出的算法 [11]，被稱(chēng)為類(lèi) MUSIC 算法。 類(lèi) MUSIC 頻率同步算法估計(jì)精度高，但計(jì)算復(fù)雜度高，而且會(huì)造成系統(tǒng)效率的下降。 Ufuk Tureli 等人為了降低類(lèi) MUSIC 算法的復(fù)雜度，又提出了 ESPRIT 算法 [12]。后來(lái)文獻(xiàn) [13] 通過(guò) 計(jì)算接收信號(hào)自相關(guān)矩陣的秩來(lái)估計(jì) OFDM 系統(tǒng)的定時(shí)偏差；文獻(xiàn) [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(jì)頻率偏差。這類(lèi)算法總的特點(diǎn)是基于子空間的方法進(jìn)行盲估計(jì)，充分利用 OFDM 信號(hào)的內(nèi)在特點(diǎn)，不需要額外的輔助數(shù)據(jù)用于頻率估計(jì)，但計(jì)算量較大，且虛擬子載波不能進(jìn)行數(shù)據(jù)調(diào)制是對(duì)頻率資源的浪費(fèi)。 基于循環(huán)前綴的最大似然（ ML）估計(jì)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(duì)應(yīng)部分的相關(guān)性進(jìn)行同步估計(jì)的。 ML 估計(jì)具有算法簡(jiǎn) 單、可以同時(shí)估計(jì)定時(shí)和頻率偏移、沒(méi)有降低系統(tǒng)效率的情況下達(dá)到了估計(jì)性能等優(yōu)點(diǎn)，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(jì)時(shí)只能估計(jì)小數(shù)倍頻偏估計(jì)。針對(duì)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(jì)頻率偏差的算法 [16]、 還有很多文獻(xiàn) [1720]都對(duì)最大似然算法進(jìn)行了改進(jìn)使其適合于瑞利衰落多徑信道。針對(duì)頻偏估計(jì)范圍較小的缺點(diǎn)，文獻(xiàn) [21][22]進(jìn)行了改進(jìn)，把頻偏估計(jì)分為兩個(gè)階段分別進(jìn)行估計(jì)。為了降低計(jì)算的復(fù)雜度， 文獻(xiàn) [2325]把 ML 迭代算法和迭代算法結(jié)合起來(lái)，使得很快就可以實(shí)現(xiàn)時(shí)頻同步估計(jì)，文獻(xiàn) [2628]也針對(duì)降低復(fù)雜度進(jìn)行了改進(jìn)。本文針對(duì)在 ML 算法中，在對(duì)利用循環(huán)前綴和其相對(duì)應(yīng)部分的相關(guān)性來(lái)完成同步的過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)此類(lèi)算法中沒(méi)有完全利用兩者之間的相關(guān)性，造成了估計(jì)性能的降低?；谶@一點(diǎn)，對(duì) ML 算法進(jìn)行了詳細(xì)研究分析的基礎(chǔ)上，對(duì)原有的基于循環(huán)前綴的同步算法改進(jìn)并進(jìn)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(guó)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(diǎn)。 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(duì)系統(tǒng)性能的影響，并對(duì)已有的幾類(lèi)同步算法進(jìn)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(duì)應(yīng)部分的相關(guān)性， 在接收端利用最大似然算法同時(shí)估計(jì)符號(hào)定時(shí)和頻率的偏移，較好的恢復(fù)了符號(hào)定時(shí)偏差和小數(shù)倍頻率偏移。 最后，對(duì)全文進(jìn)行了總結(jié)并提出了進(jìn)一步的研究工作 第 4 頁(yè) 共 33 頁(yè) OFDM 系統(tǒng)原理及關(guān)鍵技術(shù) OFDM 系統(tǒng)原理 OFDM 是一種無(wú)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(guò)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(kuò)展了符號(hào)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(hào)之間插入保護(hù)間隔 (GI, Guard Interval),且令其長(zhǎng)度大于無(wú)線信道的最大時(shí)延擴(kuò)展，則可以最大限度地消除由于多徑而帶來(lái)的符號(hào)間干