【正文】 ? ???? ???????? ))(/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?？紤]到各種不同偏差之間的乘積項(xiàng)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。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(dú)立高斯白噪聲。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(shí)同步和樣值頻率同步。針對存在的同步算法進(jìn)行分析和深入研究。 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(diǎn)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。實(shí)際應(yīng)用中，導(dǎo)頻模式的設(shè)計(jì)要根據(jù)具體情況而定。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)。大的 OFDM 的 PAR 信號通過功率放大器時(shí)會有很大的頻譜擴(kuò)展和帶內(nèi)失真。 由于發(fā)送端和接收端之間的采樣時(shí)鐘有偏差，每個信號樣本也都有一定程度的偏離它真實(shí)的采樣時(shí)間，隨偏差樣本的數(shù)量的增加而 線性增大，盡管時(shí)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(jì)。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(shí)，所得到的疊加信號的瞬時(shí)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)。 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。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。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。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。在這段保護(hù)間隔內(nèi)可以不插任何信號，即是一段空白的傳輸時(shí)段，如圖 所示。 實(shí)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(shí)現(xiàn)。如圖 所示為一個包含四個子載的 OFDM 符號的時(shí)域圖和頻域圖。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(shí)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)。 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。針對頻偏估計(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)分為兩個階段分別進(jìn)行估計(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]，被稱為類 MUSIC 算法。 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(jì)算量很大，不能應(yīng)用于具體的系統(tǒng)中。 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。 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)。 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]。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]。同步 。但是對時(shí)頻偏差非常敏感，特別是載波頻率偏差。因此，本論 文圍繞 OFDM 系統(tǒng)中的同步問題開展研究。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。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(shí)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(jìn)過程做出了巨大的貢獻(xiàn)。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。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。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(shí)同步，即找到 OFDM 符號的起始位置，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，在把信號送入 FFT 模 塊解調(diào)之前，糾正頻偏，消除 ICI(InterCarrier Interference)的影響。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 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定時(shí)漂移問題。后來文獻(xiàn) [13] 通過 計(jì)算接收信號自相關(guān)矩陣的秩來估計(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。基于這一點(diǎn)，對 ML 算法進(jìn)行了詳細(xì)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(jìn)并進(jìn)行性能仿真。另外，在 OFDM 符號之間插入保護(hù)間隔 (GI, Guard Interval),且令其長度大于無線信道的最大時(shí)延擴(kuò)展，則可以最大限度地消除由于多徑而帶來的符號間干擾 (ISI)。圖 中給出了 OFDM 系統(tǒng)的調(diào)制和解調(diào)框圖，其中 Tiff ci /?? 。從頻域圖看，在每個子載波頻譜的最大值處，其他所有子信道的頻譜值恰好為零。通過 N 點(diǎn) IDFT 運(yùn)算， 將頻域數(shù)據(jù)符號 id 變換為時(shí)域信號 s（ k），經(jīng)過載波調(diào)制之后，發(fā)送到信道中。 圖 多徑情況下空白保護(hù)間隔在子載波間造成的干擾 Peled 和 Ruiz 對 OFDM 技術(shù)做出了一個重大的貢獻(xiàn)，即把循環(huán)前綴（ CP）引入 OFDM 以解決 正交性問題 [29]。每個子信道上的信號帶寬小于信道的相關(guān)帶寬，因此每個子信道都可以看作是一個平坦衰落信道，從而可以減輕無線信道時(shí)間彌散性所帶來的 ISI 影響。調(diào)制符號通過 IFFT處理被調(diào)制到各個子載波上，從而形成 OFDM符號。 第 9 頁 共 33 頁 6 0 4 0 2 0 0 20 40 602 1 . 51 0 . 500 . 511 . 52T r a n s m i t t e d O F D M s i g n a l s p e c t r u m 圖 發(fā)端的 OFDM 信號頻譜圖 6 0 4 0 2 0 0 20 40 60 2 0 1 5 1 0505101520R e c e i v e d O F D M s i g n a l s p e c t r u m 圖 接收端的 OFDM 信號頻譜圖 第 10 頁 共 33 頁 OFDM 技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn) 近年來， OFDM 系統(tǒng)已經(jīng)越來越得到人們的廣泛關(guān)注，其原因在于 OFDM 系統(tǒng)有如下的優(yōu)點(diǎn)： 1. OFDM 系統(tǒng)把高速數(shù)據(jù)流通過串并轉(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，從而可以有效地減 小無線信道的時(shí)間彌散所帶來的 ISI，這樣就減小了接收機(jī)內(nèi)均衡的復(fù)雜度，有時(shí)甚至可以不采用均衡器，僅通過采用插入循環(huán)前綴的方法消除 ISI 的不利影響。 5. 由于無線信道存在頻率選擇性，不可能所有的子載波都同時(shí)處于比較深的衰落情況中，因此可以通過動態(tài)比特分配以及動態(tài)信道分配的方法，充分利用信噪比較高的子信道，從而提高系統(tǒng)的性能。 OFDM 系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù) OFDM 系統(tǒng)中涉及到的關(guān)鍵技術(shù)主要有： 1. 時(shí)頻同步技術(shù) 第 11 頁 共 33 頁 在單載波系統(tǒng) 中，載波頻率的偏移只會對接收信號造成一定的衰減和相位旋轉(zhuǎn)，這可以通過均衡等方法來加以克服。無線信道時(shí)變性的一種具體體現(xiàn)就是多普勒頻移，多普勒頻移與載波頻率以及移動臺的移動速度都成正比。采用修剪技術(shù)、峰值窗口去除技術(shù)或峰值刪除技術(shù)使峰值振幅簡單地線性去除。 在系統(tǒng)采用相干檢測時(shí)，信道估計(jì)是必需的。 4. 信道編碼與交織 采用信道編碼和交織是提高數(shù)字通信系統(tǒng)性能 的常用方法。 該技術(shù)實(shí)現(xiàn)過程為，首先需要對時(shí)變的信道質(zhì)量進(jìn)行估計(jì)，得到信道狀態(tài)信息 (CSI, Channel State Information)，信道狀態(tài)信息的信道參數(shù)主要包括信噪比、均方誤差、誤比特率、誤幀率等。 OFDM 系統(tǒng)的同步技術(shù)分析 本章在上一章研究系統(tǒng)模型和系統(tǒng)原理的基礎(chǔ)上，針對 OFDM 系統(tǒng)中存在的同步問題進(jìn)行研究。接收端的處理過程與發(fā)送端的處理過 第 13 頁 共 33 頁 程剛好相反。顯然，噪聲只是使相位發(fā)生了 旋轉(zhuǎn)，而平均功率并未發(fā)生變化。由于各種偏是多由種原因引起的，所以它們本身就是隨機(jī)變量。此時(shí) ?? ???? ?? Nnkjkk fesR /2 ,可見 ft? 也只是使輸出發(fā)生了相位旋轉(zhuǎn)，既沒有帶來 ICI，也沒有引起幅度的變化，當(dāng)然也不會引起信噪比的下降。把上述同步任務(wù)分為兩個階段的好處是：每一階段內(nèi)的算法只需要考慮其特定階段內(nèi)所要求執(zhí)行的任務(wù)，因此可以在設(shè)計(jì)同步結(jié)構(gòu)中引入較大的自由度。 OFDM 系統(tǒng)中的同步方法主要有三種：基于虛擬子載波的同步算法、基于訓(xùn)練序列的同步算法和基于循環(huán)前綴的同步算法。該算法同樣是利用 OFDM 符號中的虛子載波構(gòu)造子空間模型，進(jìn)行基于子空間的載波頻偏估計(jì)，具有較高的估計(jì)精度。在接收端接收到的信號由于頻率偏移造成了失真， OFDM 系統(tǒng)的子載波之間存在正交性使得接收信號仍具有特定的幾何結(jié)構(gòu)，利用這一特性，構(gòu)造出估計(jì)頻偏的代價(jià)函數(shù)，從而可以估計(jì)頻率偏移。在粗同步模式中。在符號定時(shí)過程中，符