毕业论文_ofdm频率偏移估计算法分析(编辑修改稿)

毕业论文_ofdm频率偏移估计算法分析(编辑修改稿)内容摘要：

最有前途的核心技术 [3]。 OFDM 技术 的优缺点 OFDM 技术 的 优点 （ 1） 通过对高速率数据流进行串 /并转换，使得每个子载波上的数据符号持续长度相对增加，从而有效地减少由于无线信道的时延弥散所带来 的符号间干扰（ ISI，兰州交通大学毕业设计（论文） 3 InterSymbol Interference） ，进而减小了接收机内均衡器的复杂度，有时甚至可以不采用均衡器，而仅仅通过插入循环前缀的方法消除 符号间干扰（ ISI） 的不利影响。 （ 2） 传统的频分多路传输方法是将频带分为若干个不相交的子频带来并行传输数据流，各个子信道之间要保留足够的保护频带。 而 OFDM 系 统由于各个子载波之间存在正交性，允许子信道的频谱相互重叠，因此与常规的频分复用系统相比， OFDM 系统可以最大限度地利用频谱资源。 当子载波个数很多时， OFDM 系统的频谱利用率趋于 2Baud/Hz。 （ 3）由于各个子信道的带宽小于无线信道的相干带宽，子信道上的信道响应可以看作是平坦变化的，因而频率选择性衰落对各个子信道的影响很小，系统的抗干扰性能大大提高，误码性能较好。 （ 4） 各个子信道的正交调制和解调可以分别通过采用离散傅里叶 逆 变换 （ IDFT，Inverse Discrete Fourier Transform） 和离散傅里叶变换 （ DFT， Discrete Fourier Transform）的方法来实 现。 在子载波 个 数很多的系统中，可以通过采用快速傅里叶 逆 变换 （ IFFT，Inverse Fast Fourier Transform） 和快速傅里叶变换 （ FFT， Fast Fourier Transform） 来实现。 而随着大规模集成电路技术与 DSP 技术的发展， IFFT 与 FFT 都是非常容易实现的。 （ 5） 无线数据业务一般存在非对称性，即下行链路中的数据传输量要大于上行链路中的数据传输量，这就要求物理层支持非对称高速率数据 传输。 OFDM 系统可以通过使用不同数据量的子信道来实现上行和下行链路中不同的传输速率。 （ 6） OFDM 技术 易于和其他多种接入方式结合使用，构成 正交频分多址接入（ OFDMA， Orthogonal Frequency Division Multiple Access） 系统，其中包括多载波码分多址 （ MCCDMA， Multi CarrierCode Division Multiple Access） 、跳频 OFDM 以及OFDMTDMA 等等，使得多个用户可以同时利用 OFDM 技术进行信息的传输。 此外，该技术还可以与 多输入多输出 （ MIMO， MultipleInput and MultipleOutput） 技术、时空编码、自适应编码等相结合，极大地提高系统的吞吐量和误码性能。 OFDM 技术 的缺 点 OFDM 系统由于存在多个正交的子载波，而且其输出信号是多个子信道信号的叠加，因此与单载波系统相比，存在以下缺点： （ 1） 易受频率偏差的影响。 由于子信道的频谱相互覆盖，这就对它们之间的正交性提出了严格的要求。 无线信道的时变性在传输过程中造成的无线信号频谱偏移，或兰州交通大学毕业设计（论文） 4 发射机与接收机本地振荡器之间存在的频率偏差，都会使 OFDM 系统子载波之间的正交性遭到破坏，导致 子 载波间干扰 （ ICI， InterCarrier Interference）。 这种对频率偏差的敏感性是 OFDM 系统的主要缺点之一。 （ 2） 存在较高的峰值平均功率比 （ PAPR， PeaktoAverage Power Ratio）。 多载波系统的输出是多个子信道信号的叠加，因此如果多个信号的相位一致，所得到的叠加信号的瞬时功率就会远远高于信号的平均功率，导致较大的峰值平均功率比 （ PAPR）。 这就对发射机内放大器的线性度提出了很高的要求，因此可能带来信号畸变，使信号的频谱 发生 变化，从而导致各个子信道间的正交性遭到破坏，产生干扰，使系统的性能恶化。 为了使 OFDM 技术得到更为广泛的应用并且能够提供更好的性能，有必要针对这一技术的缺陷加以分析并找出相应的解决办法，因此研究 OFDM 系统接收端载波频率偏移量的估计补偿算法以维持子载波间的正交性具有重大意义。 论文的主要工作和章节安排 本论文的研究方向是 OFDM 频率偏移估计算法分析。 论文在分析 OFDM 系统的关键技术和优缺点的基础上，提出进行频率偏移估计的研究方法，同时进行了性能仿真和性能分析。 本篇论文章节安排如下： 第 1 章主要介绍了 OFDM 技术的发展概况及特点，以及同步技术研究的必要性和意义； 第 2 章介绍了无线信道的基本知识，详细讲述了 OFDM 系统的基本原理和关键技术，以及 OFDM 系统的同步技术； 第 3 章详细讲述了 OFDM 系统的频率同步问题，其中包括载波频率偏移的形成原因、载波频率偏移对 OFDM 系统的影响和载波频率偏移的数学分析； 第 4 章研究了载波频率偏移估计算法，介绍了三种载波频率偏移估计算法，即子载波间干扰自消除方法、高阶子载波间干扰自消除方法和频偏盲估计方法。 并对它们做了算法分析，仿真分析。 兰州交通大学毕业设计（论文） 5 2 OFDM 系统 基础 无线信道特征 在介绍 OFDM 技术之前，我们有必要了解一下信道方面的知识，因为无线信道传输特性方面的理论是无线通信系统设计的先决条件。 在无线通信中，发射信号在传播过程中往往会受到环境中各种物体所引起的遮挡、吸收、折射和衍射的影响，形成多条路径信号分量到达接收机。 不同路径的信号分量具有不同的传播时延、相位和振幅，并附加有信道噪声，它们叠加会使复合信号相互抵消或增强，导致严重的衰落。 这种衰落会降低可获得的有用信号功率并增加干扰影响，使得接收机的接收信号产生失真、波形展宽、波形重叠和畸变，甚至造成通信 系统解调器输出出现大量差错，以至完全不能通信。 此外，如果发射机或接收机处于移动状态，或者信道环境发生变化，会引起信道特性随时间随机变化，接收到的信号由于多普勒（ Doppler）效应会产生更为严重的失真。 对于移动通信系统中的移动台来说，可以在很短的时间内快速的跨越很长的距离，所接收的能量会起伏不定，呈现明显的随机波动现象，这种现象就称为衰落。 多径传播所造成的能量波动变化较快，称为快衰落，也称小尺度衰落，它所造成的衰落效应主要表现在三个方面： （ 1）短距离或者短时间中信号功率的快速变化。 （ 2）不同多径信号的 Doppler 频移不同，会产生随机调频现象。 （ 3）多径传播时延扩展。 当接收天线向远端发射天线方向运动时，即便没有多径传播，能量也会衰减，但是这种衰减与由于多径传播所造成的能量波动相比变化得非常缓慢，因此将这种衰减称为慢衰落，也称大尺度衰落。 无线信道中很多因素会影响衰落，其中包括： （ 1）多径传播 在建筑物密集的城市地区，由于接收天线一般都不可能高于建筑物，因此收发天线之间没有视线方向上的电磁波传播，能量的传播主要依靠建筑物等障碍物的反射、衍射和散射。 这三种传播机制会产生大量的传输路径，同一个接收天线会 接收到很多电磁波，这些电磁波来自不同的传播方向，传播路径不同，相位也不同（除了传播路径不同会造成相位差异外，信道中接收天线或者反射、衍射以及散射物体的移动所产生的多普勒频移也会造成相位差异），路径损失不同，但是这些电磁波在天线处叠加在一起，构成接收信号，这种现象称为多径传播。 兰州交通大学毕业设计（论文） 6 无线信道中移动的反射体、散射体以及接收天线组成了一个不断变化的传播环境，这样一个环境造成信号在幅度、相位和到达时间上的变化。 随机分布的幅度和相位使信号的功率产生波动起伏从而引起衰落，也可能造成信号失真。 多径信号会产生码间干扰，码元周期 要长一些。 （ 2）移动台的移动速度 Doppler 频移是由于接收天线和发射天线之间的相对运动引起的，频移的大小与相对运动速度和运动方向以及载波频率有关。 具体为：  c o sc o sc o smcd fcvfvf  （ ） 其中 df 表示 Doppler 频移，  表示运动速度与电磁波传播方向之间的夹角， cf 表示载 波频率， c 表示光速， mf 表示最大 Doppler 频移， v 表示移动台的运动速度。 可以看到，Doppler 频移与载波频率和移动台的运动速度成正比。 接收天线和发射天线之间的相对移动会产生 Doppler 频移，各个多径信号的 Doppler频移不会是相同的，这样由于 Doppler 频移所产生的调频也就不同。 （ 3）信道中障碍物的移动速度 如果信道中有移动的物体，那么这些物体也同样会造成多径信号 的 Doppler 频移的差异。 如果物体的移动速度大于接收天线的移动速度，那么就要考虑这些移动物体的影响，如果是小于接收天线的速度，那么移动物体所造成的影响可以忽略不计。 （ 4）信号的带宽 如果信号带宽大于多径信道带宽，那么接收信号就会失真，但是接收信号的能量在很小的范围内变化不是很大。 如果发射信号的带宽远小于信道带宽，那么信号的幅度变化会很快。 多径信道模型和信道参数 由于信道中接收天线或障碍物运动，因此无线信道是一个时变系统，可以认为是一个时变线性滤波器。 利用时变线性系统的原理可以得到无线信道的 脉冲响应：  10 ))(() ) ],()(2(e x p [),(),(Ni iiici tttfjtath  （ ） 其中 ),(th 表示信道的冲击响应，   )1(ii 表示到达接收天线的第 i 个多径信号与第一个到达的多径信号的时间之差，  表示时间间隔。 N 表示时延的间隔数。 ),( tai 表示第 i 个多径信号的振幅。 ),()(2  ttf iic  表示第 i 个多径信号的相位， cf 为载波频率。 从这个模型脉冲响应可以看出，它是按照时间将各个多径信号统一表示出来的，因此，在某一个延迟时间内，可能没有多径信号到达接收天线，此时 ),( tai 为零。 在多径兰州交通大学毕业设计（论文） 7 信道中，定义一个物理量：功率延迟分布 ),( tP。 这个物理量表示的是接收到的信号功率随时间的变化。 当发射信号可以近似为  函数时， 2),(),(  thktP  其中 k 发射功率有关。 （ 1）时间扩散函数 宽带多径信道的时间扩散特性通常用平均附加时延 )( 和  （  有时也称为 rms 时延扩展）来定量描述：  k kk kkk kk kk PPaa)()(22 （ ） 22 )(  （ ）  k kk kkk kkkkPPaa)()( 22222  （ ） （ 2）相干带宽 在频率域中使用最多的一个参数是相干带宽 cB ，它表示了各频率分量之间有 很强的相关性的频率范围。 在相关带宽 cB 之内，信号的各频率分量受到的信道影响很相似，而在这一范围之外，信号受到的影响大不一样。 相干带宽与频率相关函数的阈值有关，当阈值变小时相干带宽变大，反之，相干带宽变小。 （ 3） Doppler 扩展和相干时间 在描述 Doppler 频移时往往采用 Doppler 扩展 DB 和相干时间 CT ， DB 是频率中的一个参数，表示的 是一个频率范围，信号频谱扩展与 Doppler 频移有关，因此可以用它来描述 Doppler 效应。 对 Doppler 扩展进行理论分析非常困难，一般是在实际中测量，这个参数反映了信道随时间的变化。 如果基带信号的带宽大于 DB ，那么可以忽略 Doppler扩展的影响。 相干时间 CT 是 Doppler 扩展在时域内的表示： mC fT1 （ ） mf 是最大 Doppler 频移。 在相干时间内到达信号的相关性很强。 如果基带信号带宽的倒数大于信道相干时间，那么经过信道后基带信号就有可能发生改变。 多径时延扩展衰落效应 由于多径时延扩展产生的衰落效应分为两类，一个是平坦衰落，另一个是频选择性衰落。 兰州交通大学毕业设计（论文） 8 （ 1）平坦衰落 如果无线信道带宽大于发射信号带宽，相位为线性，那么信号的频谱会保持不变，衰落称为平坦衰落。 在平坦衰落信道中，信道的脉冲响应 ),(th 可近似为是一个  函数。 平坦衰落的条件可以概括为： CS BB  ST （。