【正文】 .....................................................................................................................47致謝...........................................................................................................................................48參考文獻...................................................................................................................................49蘭州交通大學畢業(yè)設計（論文）V附錄...........................................................................................................................................50蘭州交通大學畢業(yè)設計（論文）11 緒論 引言自二十世紀初意大利科學家馬可尼在人類歷史上第一次實現(xiàn)了無線電通信，一個多世紀以來，無線通信技術取得了極大的發(fā)展。至今，移動通信技術的發(fā)展已經(jīng)經(jīng)歷了三代，即第一代的模擬通信系統(tǒng)，第二代能夠支持話音業(yè)務以及低速率數(shù)據(jù)業(yè)務的全球移動通信系統(tǒng)（GSM ，Global System for Mobile Communication）以及第三代移動通信系統(tǒng)。數(shù)據(jù)的傳輸速率也由 2G 系統(tǒng)的 發(fā)展到 3G 系統(tǒng)的 2Mbps。不過，隨著人們對移動通信中高速移動數(shù)據(jù)業(yè)務以及多媒體業(yè)務需求的增加，數(shù)據(jù)傳輸速率的要求也大大提高，3G 系統(tǒng)中使用的以碼分多址接入（ CDMA，Code Division Multiple Access）為核心的復用技術已經(jīng)不能滿足要求。 當傳統(tǒng)的多載波調(diào)制（MCM，MultiCarrier Modulation）技術以及數(shù)字調(diào)制技術在實際應用中遭遇瓶頸時，正交頻分復用技術（OFDM，Orthogonal Frequency Division Multiplexing）以其高頻譜利用率、高數(shù)據(jù)傳輸速率以及良好的抗干擾性能給移動通信注入了新鮮血液，在世界范圍內(nèi)得到了廣泛應用，例如歐洲于上世紀 90 年代投入使用的數(shù)字音頻廣播系統(tǒng)（DAB，Digital Audio Broadcasting System） 、數(shù)字視頻廣播系統(tǒng)（DVB ，Digital Video Broadcasting System）及隨后制定出的 標準系列，日本也于 1999 年提出地面綜合業(yè)務數(shù)字廣播標準 ISDBT 等等 [1]。近年來我國在這一領域的研究成果也很多，據(jù)國家知識產(chǎn)權局公布的信息，我國目前已是 OFDM 專利技術的第四大原創(chuàng)國。我國的數(shù)字電視地面廣播及移動數(shù)字電視廣播標準 DMBT/H 中，使用時域同步正交頻分復用（TDSOFDM）技術，在一個帶寬為 8MHz 的廣播電視頻道中，數(shù)據(jù)的傳輸速率可達 ，在傳輸數(shù)字電視節(jié)目的同時還能進行豐富多樣的數(shù)據(jù)業(yè)務服務。除了在移動通信領域帶來的技術革命外，為了滿足智能電網(wǎng)的發(fā)展需求，OFDM 技術也引發(fā)了全球電力線載波技術的研發(fā)熱潮?？偟膩砜?，OFDM 技術在移動通信以及電力線通信領域都具有良好的應用前景。由于人們對通信數(shù)據(jù)化、寬帶化、個人化以及移動化的迫切需求，以 OFDM 技術為核心的第四代移動通信系統(tǒng)開始逐漸融入人們的日常生活中。 OFDM 技術的歷史及 發(fā)展現(xiàn)狀實際上，OFDM 技術從最初的思想萌芽到理論成熟再到實際應用也經(jīng)歷了長達一個世紀的曲折發(fā)展。蘭州交通大學畢業(yè)設計（論文）2OFDM 技術最早起源于 20 世紀 50 年代中期，并在 20 世紀 60 年代形成了使用并行數(shù)據(jù)傳輸和頻分復用的概念 [2]，1970 年 1 月首次公開發(fā)表了有關 OFDM 的專利。第一個 OFDM 技術的實際應用是軍用的無線高頻通信鏈路。 最初的 OFDM 技術頻譜效率很低，它使用多個載頻在同一個信道中并行傳輸，而子信道之間通過保護頻帶加以分隔從而使各個載波攜帶的信號不會產(chǎn)生干擾，這些保護頻帶就造成了一定的浪費，系統(tǒng)的頻譜效率很低；接著，在 1957 年，出現(xiàn)了一種能在高頻無線信道中實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)亩噍d波通信技術，它使用相互交錯的正交調(diào)幅技術，使得載波的頻譜相互重疊一部分，這樣系統(tǒng)的頻譜利用率得到了較大提升，但是各個子載波兩邊仍留有保護頻帶，因此仍然存在了一定程度的頻譜浪費；隨后，在 20 世紀60 年代后期，Chang 在他的論文中提出了帶限信道中傳輸數(shù)據(jù)不產(chǎn)生符號間干擾與載波間干擾的理論；Saltzberg 通過分析指出多載波系統(tǒng)中引起信號失真的主要原因是信道間串擾。這一時期，多載波通信理論得到了快速發(fā)展；20 世紀年代 70 年代以來OFDM 移動通信理論逐漸成熟。首先是 Weinstein 等人提出利用快速傅里葉逆變換（IFFT，Inverse Fast Fourier Transform）和快速傅里葉變換 （FFT，F(xiàn)ast Fourier Transform）實現(xiàn)多載波信號的調(diào)制和解調(diào)；然后，Peled 等人提出利用循環(huán)前綴代替空白間隔來消除符號間干擾同時保持各個子載波在色散信道中的正交性；接著，OFDM技術被成功運用到無線蜂窩移動通信系統(tǒng)中，使得 OFDM 技術實現(xiàn)了從理論到應用的首次跨越。 最近 20 年來，隨著人們對通信數(shù)據(jù)化、寬帶化、個人化和移動化的要求和一系列無線通信新標準的制定，再加上集成芯片技術，高速數(shù)字調(diào)制解調(diào)技術、信道估計技術、均衡技術以、編碼技術、軟判斷技術及插入保護間隔等成熟技術的不斷引入，人們已經(jīng)開始集中越來越多的精力來開發(fā) OFDM 技術在移動通信、電力線通信等諸多領域的應用。 目前國內(nèi)外的學術界與工業(yè)界已經(jīng)達成共識，OFDM 技術和多輸入多輸出（MIMO，Multiple Input Multiple Output）技術將會成為新一代無線移動通信系統(tǒng)最有前途的核心技術 [3]。 OFDM 技術的優(yōu)缺點 OFDM 技術的優(yōu)點 （1）通過對高速率數(shù)據(jù)流進行串/并轉(zhuǎn)換，使得每個子載波上的數(shù)據(jù)符號持續(xù)長度相對增加，從而有效地減少由于無線信道的時延彌散所帶來的符號間干擾（ISI ，Inter蘭州交通大學畢業(yè)設計（論文）3Symbol Interference） ，進而減小了接收機內(nèi)均衡器的復雜度，有時甚至可以不采用均衡器，而僅僅通過插入循環(huán)前綴的方法消除符號間干擾（ISI ）的不利影響。 （2）傳統(tǒng)的頻分多路傳輸方法是將頻帶分為若干個不相交的子頻帶來并行傳輸數(shù)據(jù)流，各個子信道之間要保留足夠的保護頻帶。而 OFDM 系統(tǒng)由于各個子載波之間存在正交性，允許子信道的頻譜相互重疊，因此與常規(guī)的頻分復用系統(tǒng)相比，OFDM 系統(tǒng)可以最大限度地利用頻譜資源。當子載波個數(shù)很多時，OFDM 系統(tǒng)的頻譜利用率趨于 2Baud/Hz。（3）由于各個子信道的帶寬小于無線信道的相干帶寬，子信道上的信道響應可以看作是平坦變化的，因而頻率選擇性衰落對各個子信道的影響很小，系統(tǒng)的抗干擾性能大大提高，誤碼性能較好。（4）各個子信道的正交調(diào)制和解調(diào)可以分別通過采用離散傅里葉逆變換（IDFT，Inverse Discrete Fourier Transform）和離散傅里葉變換（DFT ，Discrete Fourier Transform）的方法來實現(xiàn)。在子載波個數(shù)很多的系統(tǒng)中，可以通過采用快速傅里葉逆變換（IFFT ，Inverse Fast Fourier Transform）和快速傅里葉變換（FFT，F(xiàn)ast Fourier Transform）來實現(xiàn)。而隨著大規(guī)模集成電路技術與 DSP 技術的發(fā)展，IFFT 與FFT 都是非常容易實現(xiàn)的。（5）無線數(shù)據(jù)業(yè)務一般存在非對稱性，即下行鏈路中的數(shù)據(jù)傳輸量要大于上行鏈路中的數(shù)據(jù)傳輸量，這就要求物理層支持非對稱高速率數(shù)據(jù)傳輸。OFDM 系統(tǒng)可以通過使用不同數(shù)據(jù)量的子信道來實現(xiàn)上行和下行鏈路中不同的傳輸速率。（6）OFDM 技術易于和其他多種接入方式結合使用，構成正交頻分多址接入（OFDMA， Orthogonal Frequency Division Multiple Access）系統(tǒng)，其中包括多載波碼分多址（MCCDMA ，Multi CarrierCode Division Multiple Access） 、跳頻 OFDM 以及OFDMTDMA 等等，使得多個用戶可以同時利用 OFDM 技術進行信息的傳輸。此外，該技術還可以與多輸入多輸出（MIMO，MultipleInput and MultipleOutput）技術、時空編碼、自適應編碼等相結合，極大地提高系統(tǒng)的吞吐量和誤碼性能。 OFDM 技術的缺點OFDM 系統(tǒng)由于存在多個正交的子載波，而且其輸出信號是多個子信道信號的疊加，因此與單載波系統(tǒng)相比，存在以下缺點：（1）易受頻率偏差的影響。由于子信道的頻譜相互覆蓋，這就對它們之間的正交性提出了嚴格的要求。無線信道的時變性在傳輸過程中造成的無線信號頻譜偏移，或蘭州交通大學畢業(yè)設計（論文）4發(fā)射機與接收機本地振蕩器之間存在的頻率偏差，都會使 OFDM 系統(tǒng)子載波之間的正交性遭到破壞，導致子載波間干擾（ICI，InterCarrier Interference） 。這種對頻率偏差的敏感性是 OFDM 系統(tǒng)的主要缺點之一。（2）存在較高的峰值平均功率比（PAPR，PeaktoAverage Power Ratio） 。多載波系統(tǒng)的輸出是多個子信道信號的疊加，因此如果多個信號的相位一致，所得到的疊加信號的瞬時功率就會遠遠高于信號的平均功率，導致較大的峰值平均功率比（PAPR） 。這就對發(fā)射機內(nèi)放大器的線性度提出了很高的要求，因此可能帶來信號畸變，使信號的頻譜發(fā)生變化，從而導致各個子信道間的正交性遭到破壞，產(chǎn)生干擾，使系統(tǒng)的性能惡化。為了使 OFDM 技術得到更為廣泛的應用并且能夠提供更好的性能，有必要針對這一技術的缺陷加以分析并找出相應的解決辦法，因此研究 OFDM 系統(tǒng)接收端載波頻率偏移量的估計補償算法以維持子載波間的正交性具有重大意義。 論文的主要工作和章節(jié)安排 本論文的研究方向是 OFDM 頻率偏移估計算法分析。論文在分析 OFDM 系統(tǒng)的關鍵技術和優(yōu)缺點的基礎上，提出進行頻率偏移估計的研究方法，同時進行了性能仿真和性能分析。本篇論文章節(jié)安排如下：第 1 章主要介紹了 OFDM 技術的發(fā)展概況及特點，以及同步技術研究的必要性和意義；第 2 章介紹了無線信道的基本知識，詳細講述了 OFDM 系統(tǒng)的基本原理和關鍵技術，以及 OFDM 系統(tǒng)的同步技術；第 3 章詳細講述了 OFDM 系統(tǒng)的頻率同步問題，其中包括載波頻率偏移的形成原因、載波頻率偏移對 OFDM 系統(tǒng)的影響和載波頻率偏移的數(shù)學分析；第 4 章研究了載波頻率偏移估計算法，介紹了三種載波頻率偏移估計算法，即子載波間干擾自消除方法、高階子載波間干擾自消除方法和頻偏盲估計方法。并對它們做了算法分析，仿真分析。蘭州交通大學畢業(yè)設計（論文）52 OFDM 系統(tǒng) 基礎 無線信道特征在介紹 OFDM 技術之前，我們有必要了解一下信道方面的知識，因為無線信道傳輸特性方面的理論是無線通信系統(tǒng)設計的先決條件。在無線通信中，發(fā)射信號在傳播過程中往往會受到環(huán)境中各種物體所引起的遮擋、吸收、折射和衍射的影響，形成多條路徑信號分量到達接收機。不同路徑的信號分量具有不同的傳播時延、相位和振幅，并附加有信道噪聲，它們疊加會使復合信號相互抵消或增強，導致嚴重的衰落。這種衰落會降低可獲得的有用信號功率并增加干擾影響，使得接收機的接收信號產(chǎn)生失真、波形展寬、波形重疊和畸變，甚至造成通信系統(tǒng)解調(diào)器輸出出現(xiàn)大量差錯，以至完全不能通信。此外，如果發(fā)射機或接收機處于移動狀態(tài)，或者信道環(huán)境發(fā)生變化，會引起信道特性隨時間隨機變化，接收到的信號由于多普勒（Doppler）效應會產(chǎn)生更為嚴重的失真。對于移動通信系統(tǒng)中的移動臺來說，可以在很短的時間內(nèi)快速的跨越很長的距離，所接收的能量會起伏不定，呈現(xiàn)明顯的隨機波動現(xiàn)象，這種現(xiàn)象就稱為衰落。多徑傳播所造成的能量波動變化較快，稱為快衰落，也稱小尺度衰落，它所造成的衰落效應主要表現(xiàn)在三個方面：（1）短距離或者短時間中信號功率的快速變化。（2）不同多徑信號的 Doppler 頻移不同，會產(chǎn)生隨機調(diào)頻現(xiàn)象 。（3）多徑傳播時延擴展。當接收天線向遠端發(fā)射天線方向運動時，即便沒有多徑傳播，能量也會衰減，但是這種衰減與由于多徑傳播所造成的能量波動相比變化得非常緩慢，因此將這種衰減稱為慢衰落，也稱大尺度衰落。無線信道中很多因素會影響衰落，其中包括：（1）多徑傳播在建筑物密集的城市地區(qū)，由于接收天線一般都不可能高于建筑物，因此收發(fā)天線之間沒有視線方向上的電磁波傳播，能量的傳播主要依靠建筑物等障礙物的反射、衍射和散射。這三種傳播機制會產(chǎn)生大量的傳輸路徑，同一個接收天線會接收到很多電磁波，這些電磁波來自不同的傳播方向，傳播路徑不同，相位也不同（除了傳播路徑不同會造成相位差異外，信道中接收天線或者反射、衍射以及散射物體的移動所產(chǎn)生的多普勒頻移也會造成相位差異） ，路徑損失不同，但是這些電磁波在天線處疊加在蘭州交通大學畢業(yè)設計（論文）