【正文】 號(hào)定時(shí)估計(jì)超前使解調(diào)出的數(shù)據(jù)經(jīng)歷相位偏移，通過(guò)相移補(bǔ)償不會(huì)對(duì)系統(tǒng)性能造成影響，而定時(shí)符號(hào)估計(jì)滯后不僅使解調(diào)后數(shù)據(jù)經(jīng)歷相位偏移，同時(shí)會(huì)使系統(tǒng)產(chǎn)生碼間干擾，將嚴(yán)重影響系統(tǒng)性能。 同步偏差對(duì) 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(jiàn)相位偏差只是引起了相位旋轉(zhuǎn)，并沒(méi)有改變信號(hào)的幅度，且沒(méi)有影 響噪聲的平均功率，當(dāng)然也就不會(huì)帶來(lái)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(hào)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(hào)同步偏差時(shí)接收端 FFT解調(diào)后的輸出信號(hào)。假設(shè)載波頻率 cf 、載波相位 ? 、抽樣間隔 sT 的估計(jì)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(duì) 于 OFDM 系統(tǒng)，也不可避免地存在載波同步和符號(hào)同步的實(shí)現(xiàn)問(wèn)題 [34]。因此，本論文就針對(duì)系統(tǒng)中的同步問(wèn)題開(kāi)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(hào)之間的間隔取決于信道 的相干時(shí)間和相干帶寬，在時(shí)域上，導(dǎo)頻的間隔應(yīng)小于相干時(shí)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(hào)是由一系列的子信道信號(hào)重疊起來(lái)的，所以很容易造成較大的 PAR(PeaktoAverage Power)。而對(duì)于突發(fā)模式的數(shù)據(jù)傳輸，一般是通過(guò)發(fā)送訓(xùn)練序列來(lái)實(shí)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(shí)現(xiàn)的。 QAM映射調(diào)制表 : iiii ?????????? 111,110,101,100 通過(guò) 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(hào)由于信道的影響已經(jīng)發(fā)生了畸變，接收端 OFDM 信號(hào)的頻譜波形，是與其發(fā)端的信號(hào)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(shí)現(xiàn) ,因而系統(tǒng)結(jié)構(gòu)大大簡(jiǎn)化。當(dāng)子載波數(shù)目非常大時(shí)，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(hào)間干擾，還可以在每個(gè) OFDM 符號(hào)之間插入保護(hù)間隔 (GI),而且該保護(hù)間隔長(zhǎng)度 L 一般要大于無(wú)線信道中的最大時(shí)延擴(kuò)展，這樣一個(gè)符號(hào)的多徑分量就不會(huì)對(duì)下一個(gè)符號(hào)造成干擾。但是，經(jīng)過(guò)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(shí)現(xiàn) ,若使用其快速算法，則可使系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)大大簡(jiǎn)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(gè)子載波之間滿足正交性，我們既可以從時(shí)域里看出，也能從頻域里看出。一般來(lái)說(shuō)，待發(fā)送的數(shù)據(jù)首先通過(guò)串并變換成 N 路并行的比特流，各支路上的信息比特?cái)?shù)可以根據(jù)信道的頻譜特性進(jìn)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(jìn)行星座映射，得到復(fù)信號(hào)，然后經(jīng)過(guò)快速傅立葉變換 (IFFT, Inverse Fast Fourier Transform),再經(jīng)過(guò)并串變換和加入循環(huán)前綴，通過(guò) D/A(Digital/Analog)變換和上變頻調(diào)制后，送入信道進(jìn)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(duì)應(yīng)部分的相關(guān)性， 在接收端利用最大似然算法同時(shí)估計(jì)符號(hào)定時(shí)和頻率的偏移，較好的恢復(fù)了符號(hào)定時(shí)偏差和小數(shù)倍頻率偏移。針對(duì)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(jì)頻率偏差的算法 [16]、 還有很多文獻(xiàn) [1720]都對(duì)最大似然算法進(jìn)行了改進(jìn)使其適合于瑞利衰落多徑信道。 該類(lèi)方法中分為基于虛擬子載波的同步估計(jì)和基于循環(huán)前綴的最大似然 (ML, Maximum Likehood)估計(jì)。數(shù)據(jù)輔助的同步方法利用訓(xùn)練序列或?qū)ьl符號(hào)進(jìn)行同步估計(jì)，該方法捕獲快、精度高而且一般計(jì)算量也較小， 其缺點(diǎn)是降低了系統(tǒng)的傳輸效率。要想實(shí)現(xiàn) OFDM 技術(shù)的一些優(yōu)點(diǎn)，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(diǎn)。 1999 年 12 月，包括 Ericsson、 Nokia 和 WiLAN在內(nèi)的 7 家公司發(fā)起了國(guó)際 OFDM 論壇，致力于策劃一個(gè)基于 OFDM 技術(shù)的全球性統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。 OFDM 技術(shù)已經(jīng)成功地應(yīng)用于非對(duì)稱數(shù)字用戶線、無(wú)線本地環(huán)路、 數(shù)字音頻廣播、數(shù)字視頻廣播、無(wú)線局域網(wǎng)、 IEEE Broadband Wireless Access System 等系統(tǒng)中。 FDM 技術(shù)早在 19 世紀(jì)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(duì)基于循環(huán)前綴的同步算法進(jìn)行了理論分析和仿真實(shí)現(xiàn)，提出了一種充分利用循環(huán)前綴和相對(duì)應(yīng)部分相關(guān)性的改進(jìn)算法，這是以后研究的重點(diǎn) 最后，對(duì)本畢業(yè)設(shè)計(jì)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(qiáng)、調(diào)制和解調(diào)容易實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)。本文所做的工作主要有： 首先，介紹了 OFDM 系統(tǒng)原理，對(duì)系統(tǒng)存在的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了探討，建立了 OFDM 仿真系統(tǒng)。 但是實(shí)際情況下由于無(wú)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(jìn)一步提 高。另外， Weinstein 等提出了通過(guò)插入一段空白區(qū)作為保護(hù)間隔來(lái)消除符號(hào)間干擾 (ISI)[2]，但這種辦法不能保證信號(hào)經(jīng)過(guò)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(hào)經(jīng)過(guò)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(guò)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]。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(hù)時(shí)段、減少均衡計(jì)算量等成熟技術(shù)的引入，人們開(kāi)始 集中精力開(kāi)發(fā) OFDM 技術(shù)在移動(dòng)通信領(lǐng)域的應(yīng)用，預(yù)計(jì) 3G(The 3rd Generation)以后移動(dòng)通信的主流技術(shù)將是 OFDM 技術(shù)。最后可以進(jìn)行精確的定時(shí)同步，得到 FFT 的起始點(diǎn)。文獻(xiàn) [10]中的方案雖然估計(jì)精確度較高，捕獲速度也比較快，但是它只能估計(jì)符號(hào)定時(shí)同步，對(duì)頻偏估計(jì)無(wú)能無(wú)力。這類(lèi)算法總的特點(diǎn)是基于子空間的方法進(jìn)行盲估計(jì)，充分利用 OFDM 信號(hào)的內(nèi)在特點(diǎn)，不需要額外的輔助數(shù)據(jù)用于頻率估計(jì)，但計(jì)算量較大，且虛擬子載波不能進(jìn)行數(shù)據(jù)調(diào)制是對(duì)頻率資源的浪費(fèi)。 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(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀。如果采用循環(huán)前 綴 (CP , Cyclic Prefix)作為保護(hù)間隔，就可以完全避免符號(hào)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?cái)?shù)據(jù)信息，完成子載波解調(diào)。因?yàn)樵趯?duì) OFDM 符號(hào)的進(jìn)行解調(diào)的過(guò)程中，需要計(jì)算這些點(diǎn)上所對(duì)應(yīng)的每個(gè)子載波頻率的最大值，所以可以從各個(gè)相互重疊的子信道符號(hào)中提取每一個(gè)子信道符號(hào)，而不會(huì)受到其他子信道的影響。在接收端，將接收信號(hào)進(jìn)行相干解調(diào)，然后將基帶信號(hào)進(jìn)行 N 點(diǎn) DFT 運(yùn)算，即可獲得發(fā)送的數(shù)據(jù)符號(hào) id 。為了克服 ICI，他們?cè)诒Ｗo(hù)間隔中加入的是 OFDM 符號(hào)的循環(huán)擴(kuò)展，而不是使用空白保護(hù)間隔。通過(guò)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?hào)經(jīng)過(guò)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(jī)的射端進(jìn)行高頻載波的調(diào)制，形成發(fā)射過(guò)程。 2. 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(gè)正交子載波，而且其輸出信號(hào)是多個(gè)子信道信號(hào)的疊加，因此與單載波系統(tǒng)相比，存在以下主要缺點(diǎn)： 1. 易受頻率偏差的影響。而對(duì)于多載波系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，載波頻率偏移會(huì)導(dǎo)致子信道之間生干擾，而且對(duì)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(lái)說(shuō)，準(zhǔn)確的同步顯得更加重要。多普勒展寬會(huì)導(dǎo)致載波頻率發(fā)生彌散，使信號(hào)發(fā)生畸變。 (b) 編碼技術(shù)。此時(shí)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(shí)變信道中，而在時(shí)變信道中一般使用導(dǎo)頻信號(hào)。對(duì)于衰落信道中的隨機(jī)錯(cuò) 第 12 頁(yè) 共 33 頁(yè) 誤，可采用信道編碼；對(duì)于突發(fā)錯(cuò)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(kāi)環(huán)、閉環(huán)、盲檢測(cè) )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。 OFDM 系統(tǒng)中的同步原理 同步技術(shù)是任何一個(gè)通信系統(tǒng)都要解決的實(shí)際問(wèn)題，其性能好壞直接關(guān)系到整個(gè)通信系統(tǒng)的性能。圖 中的發(fā)送端各點(diǎn)的信號(hào)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(hào)數(shù)，一般應(yīng)不小于信道多徑時(shí)延擴(kuò)散的符號(hào)數(shù)；p(t)為發(fā)送端的脈沖成型波形； sT 為發(fā)送信號(hào)的抽樣間隔（樣值頻率 sf 的倒數(shù) ), SNTT? 為OFDM 符號(hào)的持續(xù)時(shí)間。 2. 在上面所介紹情況的基礎(chǔ)上，再來(lái)考慮存在定時(shí)偏差時(shí)的情況，樣值定 時(shí)偏差 yt 和符號(hào)定時(shí)偏差 ft 都存在的情況 ，如圖 所示。事實(shí)上， mkI, 所引起的接收信號(hào)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(gè)子載波之間的正交性，使得信號(hào)的幅度也發(fā)生了變化，帶 來(lái)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(jī)變化部分之和，那么捕獲階段就是主要針對(duì)各偏差變量相對(duì)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(bǔ)償后各偏差變量的偏差限定在一 個(gè)非常小的范圍之內(nèi)，而無(wú)需考慮后面 跟蹤的性能如何；跟蹤階段主要針對(duì)各偏差變量隨機(jī)變化部分所引起的抖動(dòng)，如多普勒頻移、相位抖動(dòng)和定時(shí)抖動(dòng)等，需要對(duì)它們隨時(shí)進(jìn)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(méi)有用來(lái)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(hào)為零或很小。與類(lèi) MUSIC 算法不同的是，類(lèi) ESPRIT 算法給出了載波頻偏估計(jì)的閉合表達(dá) 第 19 頁(yè) 共 33 頁(yè) 式，從而有效的降低了計(jì)算復(fù)雜度。類(lèi) MUSIC 算法利用虛擬子載波構(gòu)造子空間模型進(jìn)行載波頻偏估計(jì)。一般地，為了獲得較好的同步性能，捕獲階段又可進(jìn)一步細(xì)分為兩種模式，即粗同步和細(xì)同步。因此，在 OFDM 系統(tǒng)中，載波頻率偏差對(duì)系統(tǒng)的影響最大。 為 了 便 于 定 量 考 察 同 步 偏 差 對(duì) 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