OFDM系统中同步算法的研究硕士学位论文.doc
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1、分 类 号 密 级_ U D C_ 编 号 1 0 4 8 6 武 汉 大 学 硕 士 学 位 论 文 OFDM 系统中同步算法的研究 The Research of Synchronization Algorithm for OFDM Systems Li Peng Fei 郑郑 重重 声声 明明 本人的学位论文是在导师指导下独立撰写并完成的,学位论文没有剽窃、 抄袭、造假等违反学术道德、学术规范和侵权行为,否则,本人愿意承担由此 而产生的法律责任和法律后果,特此郑重声明。 学位论文作者(签名): 年 月 日 目 录 摘摘 要要 .I ABSTRACT II 1 1 绪论绪论1 1.1 单载
2、波与多载波通信系统.1 1.1.1 单载波传输系统 .1 1.1.2 多载波传输系统 .1 1.2 OFDM 的历史及应用 2 1.3 无线衰落信道的传播特征.3 1.3.1 无线信道的大尺度衰落 .4 1.3.2 阴影衰落 .5 1.3.3 无线信道的多径衰落 .5 1.3.4 无线信道的时变性以及多普勒频移 .7 1.4 本文的组织结构和主要工作.9 2 OFDM 系统的基本原理系统的基本原理 10 2.1 OFDM 系统模型 .10 2.1.1 OFDM 发送端11 2.1.2 OFDM 接收端11 2.2 OFDM 系统 IFFT/FFT 的应用 12 2.3 保护间隔和循环前缀13
3、2.4 OFDM 系统的关键技术 .16 2.4.1 同步技术 16 2.4.2 信道估计 17 2.4.3 峰值平均功率比 17 2.5 OFDM 的优缺点 .18 2.6 OFDM 系统参数选择 .19 3 OFDM 系统的同步技术系统的同步技术 22 3.1 同步简介22 3.2 同步偏差对 OFDM 系统的影响.22 3.2.1 载波频率偏差对 OFDM 系统的影响 .23 3.2.2 符号定时偏差对 OFDM 系统的影响 .27 3.2.3 采样定时偏差对 OFDM 系统的影响 .28 3.3 同步算法简介29 3.3.1 载波同步算法 29 3.3.2 定时同步算法 29 3.3.
4、3 样值同步算法 30 4 基于循环前缀的基于循环前缀的 OFDM 符号定时同步和载波同步算法符号定时同步和载波同步算法31 4.1 最大似然算法31 4.1.1 算法描述 31 4.1.2 算法仿真 34 4.2 集相关算法37 4.2.1 算法描述 37 4.2.2 算法仿真 39 4.3 基于 S 长度块相关的符号定时和载波联合同步算法 .40 4.3.1 算法描述 40 4.3.2 算法仿真 43 4.4 三种同步算法的性能比较44 5 总结与展望总结与展望.49 5.1 总结49 5.2 展望50 参考文献参考文献.51 致致 谢谢.54 I 摘 要 正交频分复用(OFDM)技术是一
5、种多载波数字调制技术。它将高速的数 据流分解成许多低速率的子数据流,利用相互正交且部分重叠的多个子载波携 带信息同时进行传输。因此,OFDM 系统的频谱效率高,抗多径能力强,且传 输的数据速率高,从而在移动无线通信系统中得到了广泛的应用。 OFDM 系统中必须解决的首要问题是符号定时同步、载波同步和样值同步。 当上述同步失误时,如载波失步,则将会引起载波频率偏差,子载波之间的正 交性遭到破坏,从而导致严重的子载波间干扰(ICI,Inter-Carrier Inference) , 降低系统的误比特性能。因而精准的同步是 OFDM 系统正常工作的前提,也是 OFDM 系统中必须解决的关键问题之一
6、。论文针对 OFDM 系统中符号定时同步 和载波同步展开研究具有重要的理论意义和实用价值。 论文首先介绍了OFDM的历史及应用,分析了无线衰落信道的传播特征, 建立了OFDM系统的基本模型,然后分析了符号定时同步偏差、载波同步偏差 和样值同步偏差对OFDM系统的影响,在此基础上仿真验证了基于循环前缀的 最大似然(ML)算法、集相关算法、块相关连续符号算法,并分析了三种算法 的性能。实验结果表明:ML算法具有算法实现简单,计算量小,可迅速建立同 步的优点,在AWGN信道中具有良好的估计性能,但是当在多径信道中时,符 号定时均方误差较大,定时位置甚至可能在数据区内,并且频偏估计精度较小; 集相关算
7、法在AWGN和多径信道中可以实现良好的符号定时和载波频偏估计, 可以分辨多径信道,给出时延信息,但是算法所需的OFDM符号数较多,计算 量大,不利于实现快速同步,并且不能跟踪信道的时变信息;块相关连续符号 算法所需的符号数较少,计算量小,可以快速的建立起比较精确的符号定时和 载波频偏估计,能够分辨多径信道,给出多径时延信息,跟踪时变信道,能够 很好的应用于无线移动信道。 关键词关键词:正交频分复用;循环前缀;符号定时;载波同步 II Abstract Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) is a multi-carrier dig
8、ital modulation technology. It breaks High-speed data streams down into many sub-low-rate data streams, and transmits information at the same time using a number of orthogonal and overlapped subcarriers. Therefore, OFDM system, which has been widely used in the mobile wireless communication systems,
9、 has advantage of high spectrum efficiency, anti-multipath capability and high data rate transmission. The first and foremost problems that OFDM system must be addressed are symbol timing synchronization, carrier frequency synchronization and sample synchronization. When the synchronization error ex
10、ists, such as carrier frequency synchronization out-of-step, it will cause the carrier frequency deviation and subcarriers orthogonality destruction, resulting in severe inter-carrier interference (ICI) and lowering the BER performance in the system. Thus accurate synchronization is a prerequisite f
11、or the normal work of OFDM system, as well as one of the key issues that OFDM systems need to be addressed. This paper which focuses on symbol timing synchronization and carrier synchronization in OFDM system has important theoretical and practical value. In this paper, I will introduce the history
12、and application of OFDM and fading channel characteristics of wireless transmission at first, and then give the basic model of the system, focusing on the basic principle. Then I will analyze how the deviation of symbol timing synchronization, carrier frequency synchronization and sample synchroniza
13、tion impacts on the OFDM system. Based on the analysis, I will simulate three algorithms based on the cyclic prefix, such as the maximum likelihood (ML) algorithm, Karthik algorithms and symbolic algorithm for block-related, and then analyze the performance of three algorithms. The experimental resu
14、lts show that: ML algorithm has benefits of simpleness, having a small amount of calculation and quickly establishing the synchronization. It has a good performance in AWGN channel, but when in the multi-path channel, the symbol timing synchronization has larger mean square error, timing position ma
15、y even be in the data area, and frequency offset estimation is not accurate. Karthik algorithm has a good performance in symbol timing and carrier frequency offset estimation in AWGN and multipath channel. It can distinguish multi-path channel, and give time-delay information, but the algorithm III
16、requires a few more of the OFDM symbols, and a large quantity of calculation. So its not conducive to the realization of fast synchronization, and can not track time- varying channel information. Symbolic algorithm for block-related algorithm requires to a small amount of OFDM symbols and calculatio
17、n. It can quickly establish the more precise symbol timing and carrier frequency offset estimation, and distinguish the multi-path channel, give the multi-path delay information, and track time-varying channel. It can be very good for wireless mobile channel. Key Words:Orthogonal Frequency Division
18、Multiplexing;cyclic prefix; symbol timing synchronization;carrier frequency synchronization 1 1 绪论 1.1 单载波与多载波通信系统 1.1.1 单载波传输系统 单载波方案通信系统如图 1.1 所示。图中,g(t)是匹配滤波器。该系统在数 据传输速率不太高的情况下,多径效应对信号符号之间造成的干扰不是特别严 重,可以通过使用合适的均衡算法使得系统能够正常工作1。但是对于宽带、 高速率业务而言,由于数据传输速率较高产生的时延扩展会造成数据符号之间 的相互交叠,从而产生了符号间的串扰(ISI, Inte
19、r-Symbol Interference) ,这对 均衡提出了更高的要求,需要引入复杂的均衡算法,同时必须考虑到算法的可 实现性和收敛速度。从另一个角度去看,当信号的带宽超过和接近信道的相干 带宽时,信道的时间弥散将会造成频率选择性衰落(frequency-selective fading) , 使得同一个信号中不同的频率成分体现出不同的衰落特性。 信道( )g t *( ) gt 0 jt e 0 jt e 图 1.1 单载波系统基本结构 1.1.2 多载波传输系统 . . . . . . +信道 0 jt e k jt e N jt e N jt e k jt e 0 jt e ( )g
20、 t ( )g t ( )g t *( ) gt *( ) gt *( ) gt 图 1.2 多载波系统的基本结构 多载波传输通过把数据流分解为若干个子比特流,这样每个子数据流将具 2 有低得多的比特速率,用这样的低比特率形成的低速率多状态符号再去调制相 应的子载波,从而构成多个低速率符号并行发送的传输系统。在单载波系统中, 一次衰落或者干扰就可以导致整个链路失效,但是在多载波系统中,某一时刻 只会有少部分的子信道会受到深衰落的影响。图 1.2 中给出多载波系统的基本 结构示意图。 多载波传输系统中的子载波间存在 3 种不同的设置方案,如图 1.3 所示。 第 1 种是传统的频分复用,将整个频
21、带划分成 N 个不重叠的子带,在接收端用 滤波器组进行分离,这种方法的优点是简单、直接,缺点是频谱的利用率低, 子信道之间要留有保护频带,而且多个滤波器的实现也有不少困难;第 2 种采 用偏置 QAM (SQAM)技术,在 3dB 处载波频谱重叠,其复合谱是平坦的, 子带的正交性通过交错同相或正交子带的数据得到(即将数据偏移半个周期) ; 第 3 种方案即 OFDM,各子载波有 1/2 的重叠,但保证相互正交,在接收端通 过相关解调技术分离出来,避免使用滤波器组,同时使频谱效率提高近一倍。 fff n f n f n f (a)传传统统的的频频分分复复用用(b)3dB频频分分复复用用(c)OF
22、DM 图 1.3 子载波频率设置 1.2 OFDM 的历史及应用 OFDM 的思想最早可以追溯到 20 世纪 50 年代末期。60 年代,人们对多载 波调制做了许多理论上的工作,论证了在存在符号间干扰的带限信道上采用多 载波调制可以优化系统的传输性能;1970 年 1 月有关 OFDM 的专利被首次公 开发表;1971 年,Weinstein 和 Ebert2在 IEEE 杂志上发表了用离散傅立叶变 换实现多载波调制的方法;80 年代,人们对多载波调制在高速调制解调器、数 字移动通信等领域中的应用进行了较为深入的研究,但是由于当时技术条件的 限制,多载波调制没有得到广泛的应用;90 年代,由于
23、数字信号处理技术和大 规模集成电路技术的进步,OFDM 技术在高速数据传输领域受到了人们的广泛 3 关注。 目前,OFDM 已经在数字音频广播3(DAB) 、数字视频广播4(DVB) 、 基于 IEEE802. 11 标准的无线本地局域网5(WLAN)以及有线电话网上基于 现有铜双绞线的非对称高比特率数字用户线技术(例如 ADSL)中得到了应用。 其中大都利用了 OFDM 可以有效地消除信号多径传播所造成符号间干扰 (ISI)的这一特征。DAB 是在 AM 和 FM 等模拟广播基础上发展起来的,其 中可以提供与 CD 相媲美的音质,以及其他的新型数据业务。1995 年,由欧洲 电信标准协会(E
24、TSI)制定了 DAB 标准,这是第一个使用 OFDM 的标准。接 着在 1997 年,基于 OFDM 的 DVB 标准也开始投入使用。在 ADSL 应用中, OFDM 被当作典型地离散多音调制(DMT modulation),成功地用于有线环境 中,可以在 1MHz 带宽内提供高达 8Mbit/s 的数据传输速率。1998 年 7 月,经 过多次的修改之后,IEEE802. 11 标准组决定选 OFDM 作为 WLAN(工作于 5GHz 波段)的物理层接入方案,目标是提供 6Mbit/s54Mbit/s 的数据速率, 这是 OFDM 第一次被用于分组业务通信当中。而且此后,ETSI、BRAN
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