【正文】 號定時估計超前使解調(diào)出的數(shù)據(jù)經(jīng)歷相位偏移，通過相移補償不會對系統(tǒng)性能造成影響，而定時符號估計滯后不僅使解調(diào)后數(shù)據(jù)經(jīng)歷相位偏移，同時會使系統(tǒng)產(chǎn)生碼間干擾，將嚴重影響系統(tǒng)性能。 同步偏差對 OFDM 系統(tǒng)性能的影響 載波同步偏差分析 載波同步，即消除頻率偏差 cf? ， ?? ???? ?? kj seR ，可見相位偏差只是引起了相位旋轉(zhuǎn)，并沒有改變信號的幅度，且沒有影 響噪聲的平均功率，當(dāng)然也就不會帶來信噪比 SNR 的下降。綜合上述兩種情況，我們得到 FFT 解調(diào)信號為 ??? ??????? 10 )]/?/?([s i n)]?/?([s i n1 Nm scssscssmk NTfNkTTm TfNkTTmsNR ? ? （ ） ???? ???? ????????? )2?/?)(/11( jtfjTfNkTTmNj ycscsse 式 （ ） 即為綜合考慮載波同步、樣值同步偏差以及符號同步偏差時接收端 FFT解調(diào)后的輸出信號。假設(shè)載波頻率 cf 、載波相位 ? 、抽樣間隔 sT 的估計值分別為 ccc fff ???? 、??? ???? sss TTT ???? ，其中 cf? 為載波頻率偏差， ?? 為載波相位偏差， sT? 為抽樣間隔偏差。對 于 OFDM 系統(tǒng)，也不可避免地存在載波同步和符號同步的實現(xiàn)問題 [34]。因此，本論文就針對系統(tǒng)中的同步問題開展研究和探索。編碼方式可以是分組碼、卷積碼等多種，其中卷積碼的效果要比分組碼好。導(dǎo)頻信號之間的間隔取決于信道 的相干時間和相干帶寬，在時域上，導(dǎo)頻的間隔應(yīng)小于相干時間；在頻域上導(dǎo)頻的間隔應(yīng)小于相干帶寬。采用擾碼技術(shù)可以使生成的 OFDM 的互相關(guān)性盡量為 0，從而使 OFDM 的 PAPR 減小。 2. 降低峰值平均功率比 由于 OFDM 信號是由一系列的子信道信號重疊起來的，所以很容易造成較大的 PAR(PeaktoAverage Power)。而對于突發(fā)模式的數(shù)據(jù)傳輸，一般是通過發(fā)送訓(xùn)練序列來實現(xiàn)同步的。 2. 存在較高的峰值平均功率比。隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)與 DSP 技術(shù)的發(fā)展， IFFT 和 FFT 都是非常容易實現(xiàn)的。 QAM映射調(diào)制表 : iiii ?????????? 111,110,101,100 通過 MATLAB 仿真得到了 QAM 調(diào)制的映射星座圖： 1 0 . 5 0 0 . 5 11 0 . 8 0 . 6 0 . 4 0 . 200 . 20 . 40 . 60 . 81QuadratureI n P h a s e4 Q A M C o n s t e l l a t i o n 圖 4QAM 調(diào)制后的星座圖 本程序中還得到了（圖 ）中我們可以看到接收信號由于信道的影響已經(jīng)發(fā)生了畸變，接收端 OFDM 信號的頻譜波形，是與其發(fā)端的信號的排布有關(guān)的。正交調(diào)制和解調(diào)可以 采用快速算法（ FFT）實現(xiàn) ,因而系統(tǒng)結(jié)構(gòu)大大簡化。當(dāng)子載波數(shù)目非常大時，由中心極限定理知其近似服從高斯分布。為了最大限度地消除符號間干擾，還可以在每個 OFDM 符號之間插入保護間隔 (GI),而且該保護間隔長度 L 一般要大于無線信道中的最大時延擴展，這樣一個符號的多徑分量就不會對下一個符號造成干擾。但是，經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，上述多載波傳輸系統(tǒng)的調(diào)制 和解 調(diào)都可以利用逆離散傅立葉變換 (IDFT,Inverse Discrete Fourier Transform)和離散傅立葉變換 (DFT, Discrete Fourier Transform)實現(xiàn) ,若使用其快速算法，則可使系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)大大簡化，并在很大程度上提高系統(tǒng)的頻譜利用率。 圖 OFDM 系統(tǒng)的調(diào)制解調(diào) 另外， 各個子載波之間滿足正交性，我們既可以從時域里看出，也能從頻域里看出。一般來說，待發(fā)送的數(shù)據(jù)首先通過串并變換成 N 路并行的比特流，各支路上的信息比特數(shù)可以根據(jù)信道的頻譜特性進行優(yōu)化，然后各支路 上的信息比特流根據(jù)各自的調(diào)制方式分別進行星座映射，得到復(fù)信號，然后經(jīng)過快速傅立葉變換 (IFFT, Inverse Fast Fourier Transform),再經(jīng)過并串變換和加入循環(huán)前綴，通過 D/A(Digital/Analog)變換和上變頻調(diào)制后，送入信道進行傳輸。 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)前綴和相對應(yīng)部分的相關(guān)性， 在接收端利用最大似然算法同時估計符號定時和頻率的偏移，較好的恢復(fù)了符號定時偏差和小數(shù)倍頻率偏移。針對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 方法估計頻率偏差的算法 [16]、 還有很多文獻 [1720]都對最大似然算法進行了改進使其適合于瑞利衰落多徑信道。 該類方法中分為基于虛擬子載波的同步估計和基于循環(huán)前綴的最大似然 (ML, Maximum Likehood)估計。數(shù)據(jù)輔助的同步方法利用訓(xùn)練序列或?qū)ьl符號進行同步估計，該方法捕獲快、精度高而且一般計算量也較小， 其缺點是降低了系統(tǒng)的傳輸效率。要想實現(xiàn) OFDM 技術(shù)的一些優(yōu)點，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。 1999 年 12 月，包括 Ericsson、 Nokia 和 WiLAN在內(nèi)的 7 家公司發(fā)起了國際 OFDM 論壇，致力于策劃一個基于 OFDM 技術(shù)的全球性統(tǒng)一標準。 OFDM 技術(shù)已經(jīng)成功地應(yīng)用于非對稱數(shù)字用戶線、無線本地環(huán)路、 數(shù)字音頻廣播、數(shù)字視頻廣播、無線局域網(wǎng)、 IEEE Broadband Wireless Access System 等系統(tǒng)中。 FDM 技術(shù)早在 19 世紀以前就已經(jīng)被提出， FDM 技術(shù)復(fù)雜性高，頻譜利用率低。 第三，對基于循環(huán)前綴的同步算法進行了理論分析和仿真實現(xiàn)，提出了一種充分利用循環(huán)前綴和相對應(yīng)部分相關(guān)性的改進算法，這是以后研究的重點 最后，對本畢業(yè)設(shè)計做出了總結(jié)和展望 [關(guān)鍵詞 ]正 交頻分復(fù)用（ OFDM)。該技術(shù)具有頻譜利用率高、抗衰落能力強、調(diào)制和解調(diào)容易實現(xiàn)等優(yōu)點。本文所做的工作主要有： 首先，介紹了 OFDM 系統(tǒng)原理，對系統(tǒng)存在的關(guān)鍵技術(shù)進行了探討，建立了 OFDM 仿真系統(tǒng)。 但是實際情況下由于無線信道的復(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一步提 高。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]。 1998 年 7 月，經(jīng)過多次修改之后， 標準組決定選擇 OFDM 作為 WLAN 的物理層標準 [6]。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)。最后可以進行精確的定時同步，得到 FFT 的起始點。文獻 [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。這類算法總的特點是基于子空間的方法進行盲估計，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行數(shù)據(jù)調(diào)制是對頻率資源的浪費。 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。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，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)。因為在對 OFDM 符號的進行解調(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。在接收端，將接收信號進行相干解調(diào)，然后將基帶信號進行 N 點 DFT 運算，即可獲得發(fā)送的數(shù)據(jù)符號 id 。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。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。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)射機的射端進行高頻載波的調(diào)制，形成發(fā)射過程。 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。 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。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格同步的正交頻分復(fù)用系統(tǒng)來說，準確的同步顯得更加重要。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。 (b) 編碼技術(shù)。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。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)。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)的性能達到最佳。 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。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。 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。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, 。 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。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，需要對它們隨時進行調(diào)整，以獲得更高精度的同步。 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。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 第 19 頁 共 33 頁 式，從而有效的降低了計算復(fù)雜度。類 MUSIC 算法利用虛擬子載波構(gòu)造子空間模型進行載波頻偏估計。一般地，為了獲得較好的同步性能，捕獲階段又可進一步細分為兩種模式，即粗同步和細同步。因此，在 OFDM 系統(tǒng)中，載波頻率偏差對系統(tǒng)的影響最大。 為 了 便 于 定 量 考 察 同 步 偏 差 對 系 統(tǒng) 性 能 影 響 ， 定 義 信 噪 比 損 失)(dBDnf , S N RNES N RS N RD xid e a lr e a lnf 0/lo g10lo g10 ?? , idealSN 和 realSN