【文章內(nèi)容簡介】 子載波之間存在正交性，允許子信道的頻譜相互重疊，因此與常規(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。當(dāng)子載波個數(shù)很多時，OFDM 系統(tǒng)的頻譜利用率趨于 2Baud/Hz。（3）由于各個子信道的帶寬小于無線信道的相干帶寬，子信道上的信道響應(yīng)可以看作是平坦變化的，因而頻率選擇性衰落對各個子信道的影響很小，系統(tǒng)的抗干擾性能大大提高，誤碼性能較好。（4）各個子信道的正交調(diào)制和解調(diào)可以分別通過采用離散傅里葉逆變換（IDFT，Inverse Discrete Fourier Transform）和離散傅里葉變換（DFT ，Discrete Fourier Transform）的方法來實現(xiàn)。在子載波個數(shù)很多的系統(tǒng)中，可以通過采用快速傅里葉逆變換（IFFT ，Inverse Fast Fourier Transform）和快速傅里葉變換（FFT，F(xiàn)ast Fourier Transform）來實現(xiàn)。而隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)與 DSP 技術(shù)的發(fā)展，IFFT 與FFT 都是非常容易實現(xiàn)的。（5）無線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)一般存在非對稱性，即下行鏈路中的數(shù)據(jù)傳輸量要大于上行鏈路中的數(shù)據(jù)傳輸量，這就要求物理層支持非對稱高速率數(shù)據(jù)傳輸。OFDM 系統(tǒng)可以通過使用不同數(shù)據(jù)量的子信道來實現(xiàn)上行和下行鏈路中不同的傳輸速率。（6）OFDM 技術(shù)易于和其他多種接入方式結(jié)合使用，構(gòu)成正交頻分多址接入（OFDMA， Orthogonal Frequency Division Multiple Access）系統(tǒng)，其中包括多載波碼分多址（MCCDMA ，Multi CarrierCode Division Multiple Access） 、跳頻 OFDM 以及OFDMTDMA 等等，使得多個用戶可以同時利用 OFDM 技術(shù)進行信息的傳輸。此外，該技術(shù)還可以與多輸入多輸出（MIMO，MultipleInput and MultipleOutput）技術(shù)、時空編碼、自適應(yīng)編碼等相結(jié)合，極大地提高系統(tǒng)的吞吐量和誤碼性能。 OFDM 技術(shù)的缺點OFDM 系統(tǒng)由于存在多個正交的子載波，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，存在以下缺點：（1）易受頻率偏差的影響。由于子信道的頻譜相互覆蓋，這就對它們之間的正交性提出了嚴(yán)格的要求。無線信道的時變性在傳輸過程中造成的無線信號頻譜偏移，或蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）4發(fā)射機與接收機本地振蕩器之間存在的頻率偏差，都會使 OFDM 系統(tǒng)子載波之間的正交性遭到破壞，導(dǎo)致子載波間干擾（ICI，InterCarrier Interference） 。這種對頻率偏差的敏感性是 OFDM 系統(tǒng)的主要缺點之一。（2）存在較高的峰值平均功率比（PAPR，PeaktoAverage Power Ratio） 。多載波系統(tǒng)的輸出是多個子信道信號的疊加，因此如果多個信號的相位一致，所得到的疊加信號的瞬時功率就會遠遠高于信號的平均功率，導(dǎo)致較大的峰值平均功率比（PAPR） 。這就對發(fā)射機內(nèi)放大器的線性度提出了很高的要求，因此可能帶來信號畸變，使信號的頻譜發(fā)生變化，從而導(dǎo)致各個子信道間的正交性遭到破壞，產(chǎn)生干擾，使系統(tǒng)的性能惡化。為了使 OFDM 技術(shù)得到更為廣泛的應(yīng)用并且能夠提供更好的性能，有必要針對這一技術(shù)的缺陷加以分析并找出相應(yīng)的解決辦法，因此研究 OFDM 系統(tǒng)接收端載波頻率偏移量的估計補償算法以維持子載波間的正交性具有重大意義。 論文的主要工作和章節(jié)安排 本論文的研究方向是 OFDM 頻率偏移估計算法分析。論文在分析 OFDM 系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)和優(yōu)缺點的基礎(chǔ)上，提出進行頻率偏移估計的研究方法，同時進行了性能仿真和性能分析。本篇論文章節(jié)安排如下：第 1 章主要介紹了 OFDM 技術(shù)的發(fā)展概況及特點，以及同步技術(shù)研究的必要性和意義；第 2 章介紹了無線信道的基本知識，詳細講述了 OFDM 系統(tǒng)的基本原理和關(guān)鍵技術(shù)，以及 OFDM 系統(tǒng)的同步技術(shù)；第 3 章詳細講述了 OFDM 系統(tǒng)的頻率同步問題，其中包括載波頻率偏移的形成原因、載波頻率偏移對 OFDM 系統(tǒng)的影響和載波頻率偏移的數(shù)學(xué)分析；第 4 章研究了載波頻率偏移估計算法，介紹了三種載波頻率偏移估計算法，即子載波間干擾自消除方法、高階子載波間干擾自消除方法和頻偏盲估計方法。并對它們做了算法分析，仿真分析。蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）52 OFDM 系統(tǒng) 基礎(chǔ) 無線信道特征在介紹 OFDM 技術(shù)之前，我們有必要了解一下信道方面的知識，因為無線信道傳輸特性方面的理論是無線通信系統(tǒng)設(shè)計的先決條件。在無線通信中，發(fā)射信號在傳播過程中往往會受到環(huán)境中各種物體所引起的遮擋、吸收、折射和衍射的影響，形成多條路徑信號分量到達接收機。不同路徑的信號分量具有不同的傳播時延、相位和振幅，并附加有信道噪聲，它們疊加會使復(fù)合信號相互抵消或增強，導(dǎo)致嚴(yán)重的衰落。這種衰落會降低可獲得的有用信號功率并增加干擾影響，使得接收機的接收信號產(chǎn)生失真、波形展寬、波形重疊和畸變，甚至造成通信系統(tǒng)解調(diào)器輸出出現(xiàn)大量差錯，以至完全不能通信。此外，如果發(fā)射機或接收機處于移動狀態(tài)，或者信道環(huán)境發(fā)生變化，會引起信道特性隨時間隨機變化，接收到的信號由于多普勒（Doppler）效應(yīng)會產(chǎn)生更為嚴(yán)重的失真。對于移動通信系統(tǒng)中的移動臺來說，可以在很短的時間內(nèi)快速的跨越很長的距離，所接收的能量會起伏不定，呈現(xiàn)明顯的隨機波動現(xiàn)象，這種現(xiàn)象就稱為衰落。多徑傳播所造成的能量波動變化較快，稱為快衰落，也稱小尺度衰落，它所造成的衰落效應(yīng)主要表現(xiàn)在三個方面：（1）短距離或者短時間中信號功率的快速變化。（2）不同多徑信號的 Doppler 頻移不同，會產(chǎn)生隨機調(diào)頻現(xiàn)象 。（3）多徑傳播時延擴展。當(dāng)接收天線向遠端發(fā)射天線方向運動時，即便沒有多徑傳播，能量也會衰減，但是這種衰減與由于多徑傳播所造成的能量波動相比變化得非常緩慢，因此將這種衰減稱為慢衰落，也稱大尺度衰落。無線信道中很多因素會影響衰落，其中包括：（1）多徑傳播在建筑物密集的城市地區(qū)，由于接收天線一般都不可能高于建筑物，因此收發(fā)天線之間沒有視線方向上的電磁波傳播，能量的傳播主要依靠建筑物等障礙物的反射、衍射和散射。這三種傳播機制會產(chǎn)生大量的傳輸路徑，同一個接收天線會接收到很多電磁波，這些電磁波來自不同的傳播方向，傳播路徑不同，相位也不同（除了傳播路徑不同會造成相位差異外，信道中接收天線或者反射、衍射以及散射物體的移動所產(chǎn)生的多普勒頻移也會造成相位差異） ，路徑損失不同，但是這些電磁波在天線處疊加在蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）6一起，構(gòu)成接收信號，這種現(xiàn)象稱為多徑傳播。無線信道中移動的反射體、散射體以及接收天線組成了一個不斷變化的傳播環(huán)境，這樣一個環(huán)境造成信號在幅度、相位和到達時間上的變化。隨機分布的幅度和相位使信號的功率產(chǎn)生波動起伏從而引起衰落，也可能造成信號失真。多徑信號會產(chǎn)生碼間干擾，碼元周期要長一些。（2）移動臺的移動速度Doppler 頻移是由于接收天線和發(fā)射天線之間的相對運動引起的，頻移的大小與相對運動速度和運動方向以及載波頻率有關(guān)。具體為： （???coscosmcd fvff ???）其中 表示 Doppler 頻移， 表示運動速度與電磁波傳播方向之間的夾角， 表示載df cf波頻率， 表示光速， 表示最大 Doppler 頻移， 表示移動臺的運動速度?？梢钥吹?，cmf vDoppler 頻移與載波頻率和移動臺的運動速度成正比。接收天線和發(fā)射天線之間的相對移動會產(chǎn)生 Doppler 頻移，各個多徑信號的Doppler 頻移不會是相同的，這樣由于 Doppler 頻移所產(chǎn)生的調(diào)頻也就不同。（3）信道中障礙物的移動速度如果信道中有移動的物體，那么這些物體也同樣會造成多徑信號的 Doppler 頻移的差異。如果物體的移動速度大于接收天線的移動速度，那么就要考慮這些移動物體的影響，如果是小于接收天線的速度，那么移動物體所造成的影響可以忽略不計。（4）信號的帶寬如果信號帶寬大于多徑信道帶寬，那么接收信號就會失真，但是接收信號的能量在很小的范圍內(nèi)變化不是很大。如果發(fā)射信號的帶寬遠小于信道帶寬，那么信號的幅度變化會很快。 多徑信道模型和信道參數(shù)由于信道中接收天線或障礙物運動，因此無線信道是一個時變系統(tǒng)，可以認為是一個時變線性濾波器。利用時變線性系統(tǒng)的原理可以得到無線信道的脈沖響應(yīng)： ??? ??10 )()],(2(exp[),(),(Ni iiic ttfjtath ???????（）其中 表示信道的沖擊響應(yīng)， 表示到達接收天線的第 個多徑信號與第),(?th?)(i i一個到達的多徑信號的時間之差， 表示時間間隔。 表示時延的間隔數(shù)。 表?N),(?tai蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）7示第 個多徑信號的振幅。 表示第 個多徑信號的相位， 為載波頻率。i ),(2???tfiic?i cf從這個模型脈沖響應(yīng)可以看出，它是按照時間將各個多徑信號統(tǒng)一表示出來的，因此，在某一個延遲時間內(nèi)，可能沒有多徑信號到達接收天線，此時 為零。在多),(?tai徑信道中，定義一個物理量：功率延遲分布 。這個物理量表示的是接收到的信),(?tP號功率隨時間的變化。當(dāng)發(fā)射信號可以近似為 函數(shù)時， 其中 發(fā)射?2),(),(?thkt?k功率有關(guān)。（1）時間擴散函數(shù)寬帶多徑信道的時間擴散特性通常用平均附加時延 和 （ 有時也稱為 rms)(???時延擴展）來定量描述： ??kkkkPa)(2?（） 2)(?????（） kkkkPa)(222?（）（2）相干帶寬在頻率域中使用最多的一個參數(shù)是相干帶寬 ，它表示了各頻率分量之間有很強cB的相關(guān)性的頻率范圍。在相關(guān)帶寬 之內(nèi)，信號的各頻率分量受到的信道影響很相似，c而在這一范圍之外，信號受到的影響大不一樣。相干帶寬與頻率相關(guān)函數(shù)的閾值有關(guān)，當(dāng)閾值變小時相干帶寬變大，反之，相干帶寬變小。（3）Doppler 擴展和相干時間在描述 Doppler 頻移時往往采用 Doppler 擴展 和相干時間 ， 是頻率中的一DBCTDB個參數(shù)，表示的是一個頻率范圍，信號頻譜擴展與 Doppler 頻移有關(guān)，因此可以用它來描述 Doppler 效應(yīng)。對 Doppler 擴展進行理論分析非常困難，一般是在實際中測量，這個參數(shù)反映了信道隨時間的變化。如果基帶信號的帶寬大于 ，那么可以忽略DDoppler 擴展的影響。相干時間 是 Doppler 擴展在時域內(nèi)的表示：CT mCfT1?（）蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）8是最大 Doppler 頻移。mf在相干時間內(nèi)到達信號的相關(guān)性很強。如果基帶信號帶寬的倒數(shù)大于信道相干時間，那么經(jīng)過信道后基帶信號就有可能發(fā)生改變。 多徑時延擴展衰落效應(yīng)由于多徑時延擴展產(chǎn)生的衰落效應(yīng)分為兩類，一個是平坦衰落，另一個是頻選擇性衰落。（1）平坦衰落如果無線信道帶寬大于發(fā)射信號帶寬，相位為線性，那么信號的頻譜會保持不變，衰落稱為平坦衰落。在平坦衰落信道中，信道的脈沖響應(yīng) 可近似為是一個 函數(shù)。),(?th?平坦衰落的條件可以概括為： CSB? ???ST（）其中， 、 分別是相關(guān)帶寬和時延擴展， 。CB??S1?（2）頻率選擇性衰落如果信道的帶寬小于信號的帶寬，那么接收信號中各頻率分量的增益不同，信號波形失真，這種衰落稱為頻率選擇性衰落。當(dāng)多徑時延超過發(fā)送信號的周期時，前一個信號就會落入后面的信號中，產(chǎn)生頻率選擇性衰落，引起符號間干擾。頻率選擇性衰落的產(chǎn)生條件是： CSB? ???ST（）（3）瑞利分布和萊斯分布在移動通信中，瑞利分布通常用來描述平坦衰落接收信號的包絡(luò)的統(tǒng)計時變特性。瑞利分布的概率密度函數(shù)為： ?????????)0(0)2exp()(rrP?（）其中， 表示接收信號的振幅， 為包絡(luò)的均方根。r?在瑞利衰落信道中所有多徑分支都是獨立的，沒有一個占優(yōu)勢的分支路徑。當(dāng)多徑傳播中有一個直接的視距射線或有特別強烈的反射波段起主要作用時，它將改變信蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）9號包絡(luò)的統(tǒng)計時變特征，使其不再服從瑞利分布，而服從萊斯分布，萊斯分布的概率密度函數(shù)給出如下： ?????????)0(0,)2exp()( 202 rsJsrrP??（）式中， 表示接收信號的振幅， 為第 1 類零階修正貝塞爾函數(shù)， 是信號中占支r)(0?J 2s配作用的直接分量的平均功率。萊斯分布經(jīng)常用參數(shù) 來描述，稱為萊斯因子，表示K為： 2?s?（）