【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 主要內(nèi)容是研究 OFDM 系統(tǒng)中的同步技術(shù)，主要研究數(shù)據(jù)輔助同步技術(shù)中基于訓(xùn)練序列的符號(hào)同步算法，介紹了經(jīng)典的 SC 算法及其基礎(chǔ)上的改進(jìn)算法： Minn 算法和 Park 算法，并通過(guò)模擬仿真，比較這三種算法的優(yōu)缺點(diǎn)。具體的研究?jī)?nèi)容如下： 第一章，緒論。主要說(shuō)明了 OFDM 技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，及其在未來(lái)通信中所起到的作用，在此期間，闡述了同步技術(shù)的重要性。 第二章， OFDM 系統(tǒng)原理。主要介紹了 OFDM 系 統(tǒng)的基本模型，保護(hù)間隔和循環(huán)前綴，以及 OFDM 系統(tǒng)的主要技術(shù)及其優(yōu)缺點(diǎn)，引出同步技術(shù)對(duì) OFDM的影響。 第三章， OFDM 同步技術(shù)。主要介紹了 OFDM 同步技術(shù)的原理，要求，同時(shí)引出基于數(shù)據(jù)輔助的同步技術(shù)及其經(jīng)典算法。 第四章， OFDM 同步算法。主要介紹了基于數(shù)據(jù)輔助同步技術(shù)中的經(jīng)典OFDM 同步算法，重點(diǎn)研究了 SC 算法及其基礎(chǔ)上的兩種改進(jìn)算法 Minn 算法和Park 算法，通過(guò)對(duì)三種算法的模擬仿真，進(jìn)行比較，得出了三種算法的優(yōu)缺點(diǎn)。 第五章，主要是針對(duì)本文的研究工作的總結(jié)。 OFDM 通信系統(tǒng)中同步技術(shù)研究 5 第 2 章 OFDM 系統(tǒng)原 理 OFDM 系統(tǒng)基本模型 OFDM 是人們?yōu)榱丝朔l域上出現(xiàn)的多徑信道選擇性衰落特性而產(chǎn)生的，是多載波傳輸?shù)牡湫图夹g(shù)。因?yàn)槎鄰降倪x擇性衰落，人們很自然的就想到在信道上劃分出多個(gè)子信道傳輸，這樣每一個(gè)子信道的頻譜特性就趨于平坦，用多個(gè)相互獨(dú)立的子信號(hào)進(jìn)行合并，以實(shí)現(xiàn)新號(hào)的頻率分集。每一個(gè) OFDM 符號(hào)都是多個(gè)經(jīng)過(guò)調(diào)制的子載波新號(hào)之和，其中的每一個(gè)載波的調(diào)制方式可以是 PSK（相移鍵控）或者 QAM（正交幅度調(diào)制） 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 。如果用 N 表示子載波的個(gè)數(shù)， T表示 OFDM 符號(hào)的寬 度， di（ i=0,1??， N1） 是分配給每一個(gè)子信道的數(shù)據(jù)符號(hào)， fc 是載波頻率，則從 t=ts 開(kāi)始的 OFDM 符號(hào)可以表示為式（ 21） / 2 1/2/2 0 . 5( ) R e { e x p [ 2 ( ) ( ) ] }Ni N c siN is t d j f t tT???? ?? ? ?? π Tttt ss ??? （ ） 在 很 多 時(shí) 候 也 會(huì) 有 式 （ 22 ） 來(lái) 表 示 等 效 基 帶 信 號(hào) ???? ? ??12/2/ 2/ )](2e x p [)(NNi sNi ttTijdts π Tttt ss ??? （ ） 其中，式（ ）的實(shí)部和虛部分別對(duì)應(yīng)的是 OFDM 符號(hào)中的同相和正交分量 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 ，在實(shí)際中分別和相應(yīng)的子載波的余弦和正弦分量相乘，構(gòu)成最終的子信道信號(hào)和合成的 OFDM 符號(hào)。圖 給出了 OFDM 系統(tǒng)的基本模型框圖 。 數(shù)據(jù)入口串并轉(zhuǎn)換+d 0d 1d N 1信道d 0d 1d N 1積 分積 分積 分串并轉(zhuǎn)換輸 出 圖 OFDM 系統(tǒng)基本模式框圖 OFDM 通信系統(tǒng)中同步技術(shù)研究 6 OFDM 的保護(hù)間隔和循環(huán)前綴 保護(hù)間隔 OFDM 技術(shù)是之所以被人們采用，是 因?yàn)樗?把輸入信號(hào)分配到了 N 個(gè)并行的子信道上，從而使每一個(gè) OFDM 符號(hào)的周期擴(kuò)大為了原始符號(hào)的 N 倍，以對(duì)抗多徑選擇性衰落。但與此同時(shí)，時(shí)延擴(kuò)展與符號(hào)周期的比值同樣降低了 N 倍 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 。所以在 OFDM 系統(tǒng)中，為了最大限度地消除 ISI（符號(hào)間干擾） ，在每個(gè) OFDM 符號(hào)之間要插入 GI（保護(hù)間隔），該保護(hù)間隔的長(zhǎng)度 Tg 一般要大于無(wú)線信道的最大時(shí)延擴(kuò)展，這樣一個(gè)符號(hào)的多徑分量才不會(huì)干擾到下一個(gè)符號(hào)。在保護(hù)間隔以內(nèi)，可以不插入任何信號(hào)，即空白間隔。但是這樣的情況，由于多徑傳播的影響，會(huì)產(chǎn)生信道間干擾（ ICI），子載波之間的正交性遭到破壞，不同的子載波之間產(chǎn)生干擾。 循環(huán)前綴 為了消除空閑間隔由于多徑傳播導(dǎo)致的 ICI，一種方法就是將原來(lái)寬度為 T的 OFDM 符號(hào)進(jìn)行周期性擴(kuò)展，用擴(kuò)展信號(hào)來(lái)填充保護(hù)間隔。保護(hù)間隔內(nèi)的信號(hào)稱為 CP（循環(huán)前綴）。循環(huán)前 綴中的信號(hào)與 OFDM 系統(tǒng)中的符號(hào)尾部寬度為Tg 的部分相同。做循環(huán)前綴即是把每一個(gè) OFDM 符號(hào)的后 Tg 時(shí)間長(zhǎng)度的樣點(diǎn)復(fù)制到該 OFDM 符號(hào)前，形成循環(huán)前綴。 加入循環(huán)前綴后，一個(gè) OFDM 符號(hào)的總長(zhǎng)度變?yōu)?Tg+TFFT。其中， Tg 是循環(huán)前綴的長(zhǎng)度， TFFT為 OFDM 符號(hào)的有效長(zhǎng)度。假定信道的最大時(shí)延擴(kuò)展為 τ m，為了消除 ICI，應(yīng)滿足在一個(gè) Tgτ m。由于循環(huán)前綴沒(méi)有任何有效信息，所以加入循環(huán)前綴帶來(lái)的是功率和信息速率的損失，其中功率的損失為： )(l og10)(log101010 FFT gFFTFFTsp T TTT T ???? （ ） 信息速率的損失為： FFTggsgp TT TTT ???? （ ） 從上兩式可以看出，雖然我們付出了一定的功率和信息速率的代價(jià)，但是通過(guò)采用循環(huán)前綴消除 ICI，相比之下，功率和信息速率的代價(jià)就相當(dāng)值得，但是我們還是需要選擇適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)間隔長(zhǎng)度，一般取 TgTFFT/4。 OFDM 通信系統(tǒng)中同步技術(shù)研究 7 OFDM 的主要技術(shù) 同步技術(shù) 在 OFDM 系統(tǒng)中，由于碼元寬度相對(duì)較寬，所以系統(tǒng)對(duì)定時(shí)偏移不是很敏感， ISI 得到了很好的抑制。但由于子載波的間隔小，所以對(duì)頻率偏移比較敏感，相位噪聲對(duì)系統(tǒng)也有很大的損害。 定時(shí)偏移，或者說(shuō)包絡(luò)的延遲失真，并不破壞子載波的正交性，定時(shí)相位偏移引起的只是所有子載波的旋轉(zhuǎn)，合適的信道估計(jì)可以有效地消除這些影響。抽樣頻率的誤差會(huì)產(chǎn)生時(shí)變的定時(shí)偏移，導(dǎo)致時(shí)變的相位變化，也會(huì)引入少量的載波間干擾 (ICI)，實(shí)際中由于定時(shí)偏移引入的 ICI 非常小， Es/No 為 20dB 時(shí)，也只有 左右。 相位噪聲有兩個(gè)基本的影響，其一是對(duì)所有的子載波引入了一個(gè)隨機(jī)相位變量，跟蹤技術(shù)和差分檢測(cè)可以用來(lái)降低共同相位誤差的影響，其次也會(huì)引人一定量的 ICI，因?yàn)橄辔徽`差導(dǎo)致子載波的間隔不再是精確的 1/T 了。 頻率偏移在 OFDM 系統(tǒng)中是比較有害的，它將導(dǎo)致 ICI，破壞子載波的正交性。 ISI 與 ICI 是矛盾的，一個(gè)減少，另一個(gè)會(huì)增大，由于在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，可以容忍一定 量的 ISI，所以，可盡量減少 ICI，以便降低系統(tǒng)同步實(shí)現(xiàn)的難度，殘留的 ISI可以通過(guò)簡(jiǎn)單的均衡消除。頻率偏移導(dǎo)致 FFT的間隔周期不再是一個(gè)整數(shù)，所以變換后會(huì)產(chǎn)生 ICI。由資料可知， OFDM 技術(shù)可接受的最大頻偏與信道信噪比及有效信噪比之差有關(guān)，通常頻率精度必須達(dá)到頻率間隔的 1%2%。 OFDM 系統(tǒng)中主要涉及的同步有碼元同步，載波同步和采樣頻率同步。同步分為幾個(gè)過(guò)程：粗定時(shí)恢復(fù) /分組 /時(shí)隙 /幀同步，粗頻偏估計(jì) /校正，精頻率校正，精定時(shí)校正。 由于同步是 OFDM 技術(shù)中的一個(gè)難點(diǎn)，因此，很多人也提出了很多 OFDM同步算法，主要是針對(duì)循環(huán)擴(kuò)展和特殊的訓(xùn)練序列以及導(dǎo)頻信號(hào)來(lái)進(jìn)行，其中較常用的有利用奇異值分解的 ESPRIT 同步算法和 ML 估計(jì)算法，其中 ESPRIT 算法雖然估計(jì)精度高，但計(jì)算復(fù)雜，計(jì)算量大，而 ML 算法利用 OFDM 信號(hào)的循環(huán)前綴，可以有效地對(duì) OFDM 信號(hào)進(jìn)行頻偏和時(shí)偏的聯(lián)合估計(jì)，而且與 ESPRIT算法相比，其計(jì)算量要小得多。 OFDM 技術(shù)的同步算法研究的比較多，需要根據(jù)具體的系統(tǒng)具體設(shè)計(jì)和研究，利用各種算法融合進(jìn)行聯(lián)合估計(jì)才是可行的 [5]。 OFDM 通信系統(tǒng)中同步技術(shù)研究 8 訓(xùn)練序列／導(dǎo)頻及信道估計(jì)技術(shù) 接收端使用差分檢測(cè)時(shí)不需要 信道估計(jì)，但仍需要一些導(dǎo)頻信號(hào)提供初始的相位參考，差分檢測(cè)可以降低系統(tǒng)的復(fù)雜度和導(dǎo)頻的數(shù)量，但卻損失了信噪比。尤其是在 OFDM 系統(tǒng)中，系統(tǒng)對(duì)頻偏比較敏感，所以一般使用相干檢測(cè)。 在系統(tǒng)采用相干檢測(cè)時(shí)，信道估計(jì)是必須的。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，在時(shí)變信道中一般使用導(dǎo)頻信號(hào)。在 OFDM 系統(tǒng)中，導(dǎo)頻信號(hào)是時(shí)頻二維的。為了提高估計(jì)的精度，可以插入連續(xù)導(dǎo)頻和分散導(dǎo)頻，導(dǎo)頻的數(shù)量是估計(jì)精度和系統(tǒng)復(fù)雜的折衷。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。圖 3 是導(dǎo)頻信號(hào)在時(shí)間和頻率上的一般模式，但實(shí)際中，導(dǎo)頻的模式的設(shè)計(jì)要根據(jù)具體情況而定，導(dǎo)頻信號(hào)的功率也可以適當(dāng)大一些。 信道估計(jì)器根據(jù)導(dǎo)頻就可以估計(jì)出信道的脈沖響應(yīng)，估計(jì)的方法比較多，匹配 濾波器 法、最小均方值法、最大后驗(yàn)概率法等都可以根據(jù)具體的系統(tǒng)要求選用[69]。 信道編碼和交織技術(shù) 在 OFDM 系統(tǒng)中，由于碼間串?dāng)_不是很嚴(yán)重，所以隨機(jī)誤碼得到了一定的限制，但對(duì)于突發(fā)誤碼，尤其是在軍用場(chǎng)合，信道編碼和交織技術(shù)還是必須的。由于 OFDM 信號(hào)具有時(shí)域和頻域的二維結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，因此信道編碼可以很好地利用此特點(diǎn)，得到更好的糾錯(cuò)性能。此時(shí)通過(guò)合理設(shè)計(jì)時(shí)域和頻域的交織器，可以很好地對(duì)抗突發(fā)錯(cuò)誤和人為干擾。 因此在 OFDM 系統(tǒng)中，信道編碼和交織器結(jié)構(gòu)要根據(jù) OFDM 信號(hào)的特點(diǎn)來(lái)設(shè)計(jì)，編碼的碼率和交織器的長(zhǎng)度與 OFDM 系統(tǒng)的參數(shù)密切相關(guān) [9]。 峰均功率比控制 根據(jù)中心極限定理， N 個(gè)等載波間隔的 OFDM 信 號(hào)可等效成均值為 0、方差為 02 的高斯分布隨機(jī)過(guò)程 (足夠大，如廳 100)。因此在某些極限時(shí)刻，不同子載波在相位和時(shí)間上可能線性疊加，可能產(chǎn)生一些很大的幅度脈沖峰值，隨著子載波數(shù) N 的增大，脈沖峰值發(fā)生的概率會(huì)減少，但峰值會(huì)增大。所以在 OFDM系統(tǒng)中，信號(hào)的峰值平均功率比 (PAPR)起伏較大，對(duì)射頻的線性 功放 提出了很高的要求，發(fā)送端對(duì)高 功率放大器 (HPA)的線性度要求很高且發(fā)送效率極低，接收端對(duì)前端 放大器 以及 A/D 變換器 的線 性度要求也很高，因此應(yīng)該盡可能地降低信號(hào)的 PAPR。 OFDM 通信系統(tǒng)中同步技術(shù)研究 9 為消除這種因?yàn)檫^(guò)高的峰均功率比信號(hào)而使功率放大器產(chǎn)生的限幅非線性失真，提出了很多方法、如限幅加窗選擇映射方法、基于 Golay 序列的選擇映射方法、循環(huán)碼方法、部分發(fā)送序列相位反轉(zhuǎn)方法和基于 m 序列方法等。通過(guò)選擇合適的方法， PAPR 的控制目前基本可以達(dá)到特定系統(tǒng)的要求，不再是限制OFDM 技術(shù)應(yīng)用的主要障礙。對(duì) PAPR 的要求一般控制在 3dB 左右，通過(guò)合適的算法可以達(dá)到此要求 [9]。 均衡技術(shù) 由于 OFDM 技術(shù)本身利用了衰落信道的分集特性，系統(tǒng)的碼間串 擾問(wèn)題已得到了很好的抑制，而均衡技術(shù)主要就是為了補(bǔ)償多徑信道引起的碼間干擾，因此一般情況下， OFDM 系統(tǒng)可以不用均衡措施，但在一些時(shí)延擴(kuò)展較嚴(yán)重的信道中，循環(huán)擴(kuò)展的長(zhǎng)度要很長(zhǎng)，才能有效克服 ISI，此時(shí)可以采用一些簡(jiǎn)單的均衡技術(shù)來(lái)減少循環(huán)擴(kuò)展的長(zhǎng)度，而通過(guò)均衡克服殘留的 ISI[9]。 系統(tǒng)仿真參數(shù)設(shè) 計(jì) OFDM 系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)計(jì)是許多需求的一個(gè)折衷。在參數(shù)設(shè)計(jì)時(shí)，首先需要明確系統(tǒng)的 3 個(gè)主要的指標(biāo)：帶寬、比特率和時(shí)延擴(kuò)展。 時(shí)延擴(kuò)展直接影響保護(hù)時(shí)間的設(shè)計(jì)，保護(hù)時(shí)間的長(zhǎng)度應(yīng)該是均方根延遲擴(kuò)展的 24 倍，實(shí) 際設(shè)計(jì)時(shí)，保護(hù)時(shí)間一般取大于等于信道的最大時(shí)延擴(kuò)展。保護(hù)時(shí)間確定后， OFDM 符號(hào)幀的寬度也可以定下來(lái)。為了降低保護(hù)時(shí)間引起的信噪比損失，符號(hào)寬度希望遠(yuǎn)大于保護(hù)時(shí)間，但是符號(hào)的寬度過(guò)大意味著更多的子載波數(shù)和更小的子載波間隔，增大了實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度，使得系統(tǒng)對(duì)相位噪聲和頻率偏移更加敏感，而且會(huì)增加峰均值功率比。因此實(shí)際的設(shè)計(jì)選擇是使符號(hào)寬度至少是保護(hù)時(shí)間的 5 倍，此時(shí)保護(hù)時(shí)間會(huì)帶來(lái)大約 1dB 左右的信噪比損失。符號(hào)寬度和保護(hù)時(shí)間確定后，子載波的間隔就是去掉保護(hù)時(shí)間后的符號(hào)寬度的倒數(shù)，此時(shí)根據(jù)系統(tǒng)的帶寬就可以確定子載波的 數(shù)目，每個(gè)子信道的帶寬應(yīng)小于信道的相干帶寬，子載波的數(shù)目也可以根據(jù)需要的比特率和每個(gè)子載波上的比特率來(lái)確定。每個(gè)子載波的比特率由調(diào)制的類型、信道編碼的碼率和符號(hào)率確定。同時(shí)還要使每個(gè) OFDM 的符號(hào)時(shí)間小于信道的相干時(shí)間，避免產(chǎn)生時(shí)間選擇性衰落 [9]。 OFDM 技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)分析 OFDM 技術(shù)主要優(yōu)點(diǎn) OFDM 存在很多技術(shù)優(yōu)點(diǎn)見(jiàn)如下，在 3G、 4G 中被運(yùn)用，作為通信方面其有很多優(yōu)勢(shì)： (1)在窄帶帶寬下也能夠發(fā)出大量的數(shù)據(jù)。 OFDM 技術(shù)能同時(shí)分開(kāi)至少 1000 個(gè)數(shù)字信號(hào)，而且在干擾的信號(hào)周圍 可以安全運(yùn)行的能力將直接威脅到OFDM 通信系統(tǒng)中同步技術(shù)研究 10 目前市場(chǎng)上已經(jīng)開(kāi)始流行的 CDMA 技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展壯大的態(tài)勢(shì)，正是由于具有了這種特殊的信號(hào)“穿