【正文】 和各種干擾，限制了信息速率的進(jìn)一步提 高。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]。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]。 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]。 1998 年 7 月，經(jīng)過多次修改之后， 標(biāo)準(zhǔn)組決定選擇 OFDM 作為 WLAN 的物理層標(biāo)準(zhǔn) [6]。 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(zhǔn)。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)。 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。最后可以進(jìn)行精確的定時同步，得到 FFT 的起始點。 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(jìn)行頻率的捕獲和跟蹤，其捕獲過程是在一定范圍內(nèi)進(jìn)行小步進(jìn)的盲搜索，由于計算量很大，不能應(yīng)用于具體的系統(tǒng)中。文獻(xiàn) [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。 利用虛擬子載波進(jìn)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。這類算法總的特點是基于子空間的方法進(jìn)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(jìn)行數(shù)據(jù)調(diào)制是對頻率資源的浪費。針對頻偏估計范圍較小的缺點，文獻(xiàn) [21][22]進(jìn)行了改進(jìn)，把頻偏估計分為兩個階段分別進(jìn)行估計。 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。 最后，對全文進(jìn)行了總結(jié)并提出了進(jìn)一步的研究工作 第 4 頁 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。如果采用循環(huán)前 綴 (CP , Cyclic Prefix)作為保護間隔，就可以完全避免符號間干擾（ ISI）和減少子載波間的干擾。在接收端，信號先經(jīng)過下變頻和 A/D (Analog /Digital)變換，然后進(jìn)行時頻同步，去除循環(huán)前綴，再進(jìn)行傅立葉變換和信號解映射，則得到各個支路上的接收比特，再經(jīng)過并串變換，得到串行的接收數(shù)據(jù)。在接收端，將接收到的同相和正交矢量映射回數(shù)據(jù)信息，完成子載波解調(diào)。如圖 所示為一個包含四個子載的 OFDM 符號的時域圖和頻域圖。因為在對 OFDM 符號的進(jìn)行解調(diào)的過程中，需要計算這些點上所對應(yīng)的每個子載波頻率的最大值，所以可以從各個相互重疊的子信道符號中提取每一個子信道符號，而不會受到其他子信道的影響。 實際上，式（ ）中定義的 OFDM復(fù)基帶信號可以采用離散逆傅里葉變換（ TDFT） L來實現(xiàn)。在接收端，將接收信號進(jìn)行相干解調(diào)，然后將基帶信號進(jìn)行 N 點 DFT 運算，即可獲得發(fā)送的數(shù)據(jù)符號 id 。在這段保護間隔內(nèi)可以不插任何信號，即是一段空白的傳輸時段，如圖 所示。為了克服 ICI，他們在保護間隔中加入的是 OFDM 符號的循環(huán)擴展，而不是使用空白保護間隔。循環(huán)前綴的插入使得信號不再是白高斯過程，而具有一定的相關(guān)性。通過插入循環(huán)前綴的方法，可以非常有效地減輕或完全消除 ISI影響。但該系統(tǒng)也存在一些技術(shù)難題，比如：同步問題、峰均比等等一些問題。串并變化后加循環(huán)前綴，然后將待傳輸?shù)男盘柦?jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (DAC)變?yōu)檫B續(xù)波形，就可以送往發(fā)射機的射端進(jìn)行高頻載波的調(diào)制，形成發(fā)射過程。再發(fā)端的載波安排上， 128個載波有前后各 32 個載波是 null 載波（如果這前后各 32 個載波是帶外頻段，那么理論上他們應(yīng)該是零），中間的 64個載波是數(shù)據(jù)載波。 2. 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。 4. 無線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)一般都存在非對稱性，即下行鏈路中的傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于上行鏈路中的數(shù)據(jù)傳輸量，如 Inter 業(yè)務(wù)中的網(wǎng)頁瀏覽、 FTP(File TransferProtocol)下載等，另一方面，移動終端功率一般小于 1W，在大蜂窩環(huán)境下傳輸速率低于 10100kbits/s。 但是 OFDM 系統(tǒng)內(nèi)由于存在多個正交子載波，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，存在以下主要缺點： 1. 易受頻率偏差的影響。與單載波系統(tǒng)相比，由于多載波調(diào)制系統(tǒng)的輸出是多個子信道信號的疊加，因此如果當(dāng)多個信號的相位一致時，所得到的疊加信號的瞬時功率就會遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于信號的平均功率，導(dǎo)致出現(xiàn)較大的峰值平均功率比 (PAR)。而對于多載波系統(tǒng)來說，載波頻率偏移會導(dǎo)致子信道之間生干擾，而且對于要求子載波保持嚴(yán)格同步的正交頻分復(fù)用系統(tǒng)來說，準(zhǔn)確的同步顯得更加重要。 由于發(fā)送端和接收端之間的采樣時鐘有偏差，每個信號樣本也都有一定程度的偏離它真實的采樣時間，隨偏差樣本的數(shù)量的增加而 線性增大，盡管時間偏差破壞子載波之間的正交性，但通常情況下可以忽略不計。多普勒展寬會導(dǎo)致載波頻率發(fā)生彌散，使信號發(fā)生畸變。大的 OFDM 的 PAR 信號通過功率放大器時會有很大的頻譜擴展和帶內(nèi)失真。 (b) 編碼技術(shù)。這里的擾碼技術(shù)可以對生成的 OFDM 信號的相位進(jìn)行重置，典型的有 PTS(Partial Transmit Sequence)和 SLM(Selective mapping)。此時可以使用訓(xùn)練序列和導(dǎo)頻作為輔助信息，訓(xùn)練序列通常用在非時變信道中，而在時變信道中一般使用導(dǎo)頻信號。實際應(yīng)用中，導(dǎo)頻模式的設(shè)計要根據(jù)具體情況而定。對于衰落信道中的隨機錯 第 12 頁 共 33 頁 誤，可采用信道編碼；對于突發(fā)錯誤，可采用交織技術(shù)。 5. 自適應(yīng)技術(shù) 自適應(yīng)技術(shù)是根據(jù)信道的變化自適應(yīng)地改變調(diào)制方式（星座點數(shù)）、編碼率、發(fā)送功率等參數(shù)，以便最大限度的發(fā)送信息。然后系統(tǒng)使用參數(shù)的信令傳輸方式 (開環(huán)、閉環(huán)、盲檢測 )中的一種，則系統(tǒng)就可以改變參數(shù)分配的子載波、調(diào)制方式和發(fā)送功率，使系統(tǒng)的性能達(dá)到最佳。針對存在的同步算法進(jìn)行分析和深入研究。 OFDM 系統(tǒng)中的同步原理 同步技術(shù)是任何一個通信系統(tǒng)都要解決的實際問題，其性能好壞直接關(guān)系到整個通信系統(tǒng)的性能。但是由于每個 OFDM 符號是由經(jīng)串并轉(zhuǎn)換的 N 個樣值符號組成的，所以在 OFDM 系統(tǒng)中，除了上述數(shù)字通信系統(tǒng)中的載波同步和符號同步，還應(yīng)包括樣值同步，如圖 所示， OFDM 系統(tǒng)中的樣值同步包括樣值定時同步和樣值頻率同步。圖 中的發(fā)送端各點的信號可表示為 nkNk kn esNs?2101 ???? () ??? ????? 1]NL[ L ,n 1]L[ 0 ,kn, LnLNn ssx () ???? ??10 )()()(LNn snTtpnxtx () 圖 OFDM 系統(tǒng)中的同步結(jié)構(gòu)圖 其中， L 為所加循環(huán)前綴的樣值符號數(shù)，一般應(yīng)不小于信道多徑時延擴散的符號數(shù)；p(t)為發(fā)送端的脈沖成型波形； sT 為發(fā)送信號的抽樣間隔（樣值頻率 sf 的倒數(shù) ), SNTT? 為OFDM 符號的持續(xù)時間。為了研究方便，不妨以 AWGN(Additive White Gaussion Noise)信道為例來進(jìn) 行討論（衰落信道可通過類似方法進(jìn)行分析），假設(shè) )(t? 為均值為 0，每維方差為 2/0N 的獨立高斯白噪聲。 2. 在上面所介紹情況的基礎(chǔ)上，再來考慮存在定時偏差時的情況，樣值定 時偏差 yt 和符號定時偏差 ft 都存在的情況 ，如圖 所示?？紤]到各種不同偏差之間的乘積項很小，將其忽略后上式變?yōu)椋? ??? ??????? 10 )]/?/?([s i n)]?/?([s i n1 Nm scssscssmk NTfNkTTm TfNkTTmsNR ? ? （ ） ???? ???? ????????? )2?/?)(/11( jtfjTfNkTTmNj ycscsse 為了得到所期望的符號，分解上式得到 : )]/?/?([s in )]?/?([s in1NTfNTTk TfNTTmsNR scss scsskk ?? ??? ? ? ???? ???? ????????? )2?/?)(/11( jtfjTfNkTTmNj ycscsse （ ） ????????? 10 ,Nkmmmkmkkk ISIS ? 其中 ]/)?/?(s in [ )]?/?(s in [, NTfNkTTmN TfNkTTmI scss scssmk ??? ???? ?? ???? ???? ????????? )2?/?)(/11( jtfjTfNkTTmNj ycscsse 表示其他子信道符號對期望符號的干擾。事實上， mkI, 所引起的接收信號的相位旋轉(zhuǎn)為 : )?/?)(/11()( scsm TfNkTTmNm ????? ?? （ ） ??? ?????? NknNTtm fsy /2)/(2 加權(quán)系數(shù)為 mkI, 。 當(dāng) 0??? 時 xc TfNjscsckk eTf TfNSNR ?????? )1()s in ( )s in (1 ??? ??? ? ? ?????? ???? ???????? ))(/11(10 ]/)(s i n[ )](s i n[1 sc TfNkmNjsc ScNkmmm eNTfNkTfNkmsN （ ） 由于載波頻率偏差 cf? 破壞了各個子載波之間的正交性，使得 信號的幅度也發(fā)生了變化，帶來了信噪比的下降，所以在 OFDM 系統(tǒng)中，載波同步較相位同步更重要一些。 從上面分析可以看到， 載波頻率偏差破壞了各個子載波之間的正交性，使得信號的幅度也發(fā)生了變化，帶 來了信噪比的下降， 導(dǎo)致系統(tǒng)性能下降。 因此，本文研究的算 法同時考慮了符號定時和頻率偏移估計。如果把這些偏差變量都看成是它們的均值和隨機變化部分之和，那么捕獲階段就是主要針對各偏差變量相對穩(wěn)定部分（即均值）的同步，既要在比較寬的范圍內(nèi)捕捉到參數(shù)，又要使補償后各偏差變量的偏差限定在一 個非常小的范圍之內(nèi)，而無需考慮后面 跟蹤的性能如何；跟蹤階段主要針對各偏差變量隨機變化部分所引起的抖動，如多普勒頻移、相位抖動和定時抖動等，需要對它們隨時進(jìn)行調(diào)整，以獲得更高精度的同步。同步器將各偏差變量的較大初始偏差減小到一個較小范圍內(nèi)，如細(xì)同步的范圍之內(nèi)，但并不要求實現(xiàn)完全精確的同步。 1. 基于虛擬子載波的同步算法 虛擬子載波是指在系統(tǒng)中為易于濾波而沒有用來傳輸數(shù)據(jù)的子載波，在接收端這些虛擬子載波信道上的信號為零或很小。類 MUSIC 算法繼承了子空間算法估計精度高的優(yōu)點，但該算法需要在單位圓上搜索使代價函數(shù)最小的 z 值，計算復(fù)雜度較高。與類 MUSIC 算法不同的是，類 ESPRIT 算法給出了載波頻偏估計的閉合表達(dá) 第 19 頁 共 33 頁 式，從而有效的降低了計算復(fù)雜度。