【正文】 .....................................................................................................................47致謝...........................................................................................................................................48參考文獻(xiàn)...................................................................................................................................49蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）V附錄...........................................................................................................................................50蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）11 緒論 引言自二十世紀(jì)初意大利科學(xué)家馬可尼在人類歷史上第一次實(shí)現(xiàn)了無線電通信，一個(gè)多世紀(jì)以來，無線通信技術(shù)取得了極大的發(fā)展。至今，移動(dòng)通信技術(shù)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(wù)以及低速率數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的全球移動(dòng)通信系統(tǒng)（GSM ，Global System for Mobile Communication）以及第三代移動(dòng)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(dòng)通信中高速移動(dòng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)以及多媒體業(yè)務(wù)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(fù)用技術(shù)已經(jīng)不能滿足要求。 當(dāng)傳統(tǒng)的多載波調(diào)制（MCM，MultiCarrier Modulation）技術(shù)以及數(shù)字調(diào)制技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中遭遇瓶頸時(shí)，正交頻分復(fù)用技術(shù)（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(dòng)通信注入了新鮮血液，在世界范圍內(nèi)得到了廣泛應(yīng)用，例如歐洲于上世紀(jì) 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(biāo)準(zhǔn)系列，日本也于 1999 年提出地面綜合業(yè)務(wù)數(shù)字廣播標(biāo)準(zhǔn) ISDBT 等等 [1]。近年來我國在這一領(lǐng)域的研究成果也很多，據(jù)國家知識產(chǎn)權(quán)局公布的信息，我國目前已是 OFDM 專利技術(shù)的第四大原創(chuàng)國。我國的數(shù)字電視地面廣播及移動(dòng)數(shù)字電視廣播標(biāo)準(zhǔn) DMBT/H 中，使用時(shí)域同步正交頻分復(fù)用（TDSOFDM）技術(shù)，在一個(gè)帶寬為 8MHz 的廣播電視頻道中，數(shù)據(jù)的傳輸速率可達(dá) ，在傳輸數(shù)字電視節(jié)目的同時(shí)還能進(jìn)行豐富多樣的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)服務(wù)。除了在移動(dòng)通信領(lǐng)域帶來的技術(shù)革命外，為了滿足智能電網(wǎng)的發(fā)展需求，OFDM 技術(shù)也引發(fā)了全球電力線載波技術(shù)的研發(fā)熱潮?？偟膩砜?，OFDM 技術(shù)在移動(dòng)通信以及電力線通信領(lǐng)域都具有良好的應(yīng)用前景。由于人們對通信數(shù)據(jù)化、寬帶化、個(gè)人化以及移動(dòng)化的迫切需求，以 OFDM 技術(shù)為核心的第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)開始逐漸融入人們的日常生活中。 OFDM 技術(shù)的歷史及 發(fā)展現(xiàn)狀實(shí)際上，OFDM 技術(shù)從最初的思想萌芽到理論成熟再到實(shí)際應(yīng)用也經(jīng)歷了長達(dá)一個(gè)世紀(jì)的曲折發(fā)展。蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）2OFDM 技術(shù)最早起源于 20 世紀(jì) 50 年代中期，并在 20 世紀(jì) 60 年代形成了使用并行數(shù)據(jù)傳輸和頻分復(fù)用的概念 [2]，1970 年 1 月首次公開發(fā)表了有關(guān) OFDM 的專利。第一個(gè) OFDM 技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用是軍用的無線高頻通信鏈路。 最初的 OFDM 技術(shù)頻譜效率很低，它使用多個(gè)載頻在同一個(gè)信道中并行傳輸，而子信道之間通過保護(hù)頻帶加以分隔從而使各個(gè)載波攜帶的信號不會(huì)產(chǎn)生干擾，這些保護(hù)頻帶就造成了一定的浪費(fèi)，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(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)亩噍d波通信技術(shù)，它使用相互交錯(cuò)的正交調(diào)幅技術(shù)，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(gè)子載波兩邊仍留有保護(hù)頻帶，因此仍然存在了一定程度的頻譜浪費(fèi)；隨后，在 20 世紀(jì)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?dāng)_。這一時(shí)期，多載波通信理論得到了快速發(fā)展；20 世紀(jì)年代 70 年代以來OFDM 移動(dòng)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(shí)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(shí)保持各個(gè)子載波在色散信道中的正交性；接著，OFDM技術(shù)被成功運(yùn)用到無線蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)中，使得 OFDM 技術(shù)實(shí)現(xiàn)了從理論到應(yīng)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(gè)人化和移動(dòng)化的要求和一系列無線通信新標(biāo)準(zhǔn)的制定，再加上集成芯片技術(shù)，高速數(shù)字調(diào)制解調(diào)技術(shù)、信道估計(jì)技術(shù)、均衡技術(shù)以、編碼技術(shù)、軟判斷技術(shù)及插入保護(hù)間隔等成熟技術(shù)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(shù)在移動(dòng)通信、電力線通信等諸多領(lǐng)域的應(yīng)用。 目前國內(nèi)外的學(xué)術(shù)界與工業(yè)界已經(jīng)達(dá)成共識，OFDM 技術(shù)和多輸入多輸出（MIMO，Multiple Input Multiple Output）技術(shù)將會(huì)成為新一代無線移動(dòng)通信系統(tǒng)最有前途的核心技術(shù) [3]。 OFDM 技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn) OFDM 技術(shù)的優(yōu)點(diǎn) （1）通過對高速率數(shù)據(jù)流進(jìn)行串/并轉(zhuǎn)換，使得每個(gè)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(shí)延彌散所帶來的符號間干擾（ISI ，Inter蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）3Symbol Interference） ，進(jìn)而減小了接收機(jī)內(nèi)均衡器的復(fù)雜度，有時(shí)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(gè)不相交的子頻帶來并行傳輸數(shù)據(jù)流，各個(gè)子信道之間要保留足夠的保護(hù)頻帶。而 OFDM 系統(tǒng)由于各個(gè)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(fù)用系統(tǒng)相比，OFDM 系統(tǒng)可以最大限度地利用頻譜資源。當(dāng)子載波個(gè)數(shù)很多時(shí)，OFDM 系統(tǒng)的頻譜利用率趨于 2Baud/Hz。（3）由于各個(gè)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(yīng)可以看作是平坦變化的，因而頻率選擇性衰落對各個(gè)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(gè)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(shí)現(xiàn)。在子載波個(gè)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(shí)現(xiàn)。而隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)與 DSP 技術(shù)的發(fā)展，IFFT 與FFT 都是非常容易實(shí)現(xiàn)的。（5）無線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)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(shí)現(xiàn)上行和下行鏈路中不同的傳輸速率。（6）OFDM 技術(shù)易于和其他多種接入方式結(jié)合使用，構(gòu)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(gè)用戶可以同時(shí)利用 OFDM 技術(shù)進(jìn)行信息的傳輸。此外，該技術(shù)還可以與多輸入多輸出（MIMO，MultipleInput and MultipleOutput）技術(shù)、時(shí)空編碼、自適應(yīng)編碼等相結(jié)合，極大地提高系統(tǒng)的吞吐量和誤碼性能。 OFDM 技術(shù)的缺點(diǎn)OFDM 系統(tǒng)由于存在多個(gè)正交的子載波，而且其輸出信號是多個(gè)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(diǎn)：（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(yán)格的要求。無線信道的時(shí)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(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）4發(fā)射機(jī)與接收機(jī)本地振蕩器之間存在的頻率偏差，都會(huì)使 OFDM 系統(tǒng)子載波之間的正交性遭到破壞，導(dǎo)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(diǎn)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(gè)子信道信號的疊加，因此如果多個(gè)信號的相位一致，所得到的疊加信號的瞬時(shí)功率就會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于信號的平均功率，導(dǎo)致較大的峰值平均功率比（PAPR） 。這就對發(fā)射機(jī)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(dǎo)致各個(gè)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(shù)得到更為廣泛的應(yīng)用并且能夠提供更好的性能，有必要針對這一技術(shù)的缺陷加以分析并找出相應(yīng)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(jì)補(bǔ)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(jì)算法分析。論文在分析 OFDM 系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)和優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出進(jìn)行頻率偏移估計(jì)的研究方法，同時(shí)進(jìn)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(shù)的發(fā)展概況及特點(diǎn)，以及同步技術(shù)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(xì)講述了 OFDM 系統(tǒng)的基本原理和關(guān)鍵技術(shù)，以及 OFDM 系統(tǒng)的同步技術(shù)；第 3 章詳細(xì)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(xué)分析；第 4 章研究了載波頻率偏移估計(jì)算法，介紹了三種載波頻率偏移估計(jì)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(jì)方法。并對它們做了算法分析，仿真分析。蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）52 OFDM 系統(tǒng) 基礎(chǔ) 無線信道特征在介紹 OFDM 技術(shù)之前，我們有必要了解一下信道方面的知識，因?yàn)闊o線信道傳輸特性方面的理論是無線通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(huì)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(dá)接收機(jī)。不同路徑的信號分量具有不同的傳播時(shí)延、相位和振幅，并附加有信道噪聲，它們疊加會(huì)使復(fù)合信號相互抵消或增強(qiáng)，導(dǎo)致嚴(yán)重的衰落。這種衰落會(huì)降低可獲得的有用信號功率并增加干擾影響，使得接收機(jī)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(cuò)，以至完全不能通信。此外，如果發(fā)射機(jī)或接收機(jī)處于移動(dòng)狀態(tài)，或者信道環(huán)境發(fā)生變化，會(huì)引起信道特性隨時(shí)間隨機(jī)變化，接收到的信號由于多普勒（Doppler）效應(yīng)會(huì)產(chǎn)生更為嚴(yán)重的失真。對于移動(dòng)通信系統(tǒng)中的移動(dòng)臺來說，可以在很短的時(shí)間內(nèi)快速的跨越很長的距離，所接收的能量會(huì)起伏不定，呈現(xiàn)明顯的隨機(jī)波動(dòng)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(dòng)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(yīng)主要表現(xiàn)在三個(gè)方面：（1）短距離或者短時(shí)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(huì)產(chǎn)生隨機(jī)調(diào)頻現(xiàn)象 。（3）多徑傳播時(shí)延擴(kuò)展。當(dāng)接收天線向遠(yuǎn)端發(fā)射天線方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，即便沒有多徑傳播，能量也會(huì)衰減，但是這種衰減與由于多徑傳播所造成的能量波動(dòng)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(huì)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(jī)制會(huì)產(chǎn)生大量的傳輸路徑，同一個(gè)接收天線會(huì)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(huì)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(dòng)所產(chǎn)生的多普勒頻移也會(huì)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(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）