ofdm通信系统中同步技术研究毕业论文(编辑修改稿)

ofdm通信系统中同步技术研究毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

主要内容是研究 OFDM 系统中的同步技术，主要研究数据辅助同步技术中基于训练序列的符号同步算法，介绍了经典的 SC 算法及其基础上的改进算法： Minn 算法和 Park 算法，并通过模拟仿真，比较这三种算法的优缺点。 具体的研究内容如下： 第一章，绪论。 主要说明了 OFDM 技术的发展与应用，及其在未来通信中所起到的作用，在此期间，阐述了同步技术的重要性。 第二章， OFDM 系统原理。 主要介绍了 OFDM 系 统的基本模型，保护间隔和循环前缀，以及 OFDM 系统的主要技术及其优缺点，引出同步技术对 OFDM的影响。 第三章， OFDM 同步技术。 主要介绍了 OFDM 同步技术的原理，要求，同时引出基于数据辅助的同步技术及其经典算法。 第四章， OFDM 同步算法。 主要介绍了基于数据辅助同步技术中的经典OFDM 同步算法，重点研究了 SC 算法及其基础上的两种改进算法 Minn 算法和Park 算法，通过对三种算法的模拟仿真，进行比较，得出了三种算法的优缺点。 第五章，主要是针对本文的研究工作的总结。 OFDM 通信系统中同步技术研究 5 第 2 章 OFDM 系统原 理 OFDM 系统基本模型 OFDM 是人们为了克服频域上出现的多径信道选择性衰落特性而产生的，是多载波传输的典型技术。 因为多径的选择性衰落，人们很自然的就想到在信道上划分出多个子信道传输，这样每一个子信道的频谱特性就趋于平坦，用多个相互独立的子信号进行合并，以实现新号的频率分集。 每一个 OFDM 符号都是多个经过调制的子载波新号之和，其中的每一个载波的调制方式可以是 PSK（相移键控）或者 QAM（正交幅度调制） 错误 !未找到引用源。 如果用 N 表示子载波的个数， T表示 OFDM 符号的宽 度， di（ i=0,1„„， N1） 是分配给每一个子信道的数据符号， fc 是载波频率，则从 t=ts 开始的 OFDM 符号可以表示为式（ 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 时 候 也 会 有 式 （ 22 ） 来 表 示 等 效 基 带 信 号   12/2/ 2/ )](2e x p [)(NNi sNi ttTijdts π Tttt ss  （ ） 其中，式（ ）的实部和虚部分别对应的是 OFDM 符号中的同相和正交分量 错误 !未找到引用源。 ，在实际中分别和相应的子载波的余弦和正弦分量相乘，构成最终的子信道信号和合成的 OFDM 符号。 图 给出了 OFDM 系统的基本模型框图。 数据入口串并转换+d 0d 1d N 1信道d 0d 1d N 1积 分积 分积 分串并转换输 出 图 OFDM 系统基本模式框图 OFDM 通信系统中同步技术研究 6 OFDM 的保护间隔和循环前缀 保护间隔 OFDM 技术是之所以被人们采用，是 因为它 把输入信号分配到了 N 个并行的子信道上，从而使每一个 OFDM 符号的周期扩大为了原始符号的 N 倍，以对抗多径选择性衰落。 但与此同时，时延扩展与符号周期的比值同样降低了 N 倍 错误 !未找到引用源。 所以在 OFDM 系统中，为了最大限度地消除 ISI（符号间干扰） ，在每个 OFDM 符号之间要插入 GI（保护间隔），该保护间隔的长度 Tg 一般要大于无线信道的最大时延扩展，这样一个符号的多径分量才不会干扰到下一个符号。 在保护间隔以内，可以不插入任何信号，即空白间隔。 但是这样的情况，由于多径传播的影响，会产生信道间干扰（ ICI），子载波之间的正交性遭到破坏，不同的子载波之间产生干扰。 循环前缀 为了消除空闲间隔由于多径传播导致的 ICI，一种方法就是将原来宽度为 T的 OFDM 符号进行周期性扩展，用扩展信号来填充保护间隔。 保护间隔内的信号称为 CP（循环前缀）。 循环前 缀中的信号与 OFDM 系统中的符号尾部宽度为Tg 的部分相同。 做循环前缀即是把每一个 OFDM 符号的后 Tg 时间长度的样点复制到该 OFDM 符号前，形成循环前缀。 加入循环前缀后，一个 OFDM 符号的总长度变为 Tg+TFFT。 其中， Tg 是循环前缀的长度， TFFT为 OFDM 符号的有效长度。 假定信道的最大时延扩展为 τ m，为了消除 ICI，应满足在一个 Tgτ m。 由于循环前缀没有任何有效信息，所以加入循环前缀带来的是功率和信息速率的损失，其中功率的损失为： )(l og10)(log101010 FFT gFFTFFTsp T TTT T  （ ） 信息速率的损失为： FFTggsgp TT TTT  （ ） 从上两式可以看出，虽然我们付出了一定的功率和信息速率的代价，但是通过采用循环前缀消除 ICI，相比之下，功率和信息速率的代价就相当值得，但是我们还是需要选择适当的保护间隔长度，一般取 TgTFFT/4。 OFDM 通信系统中同步技术研究 7 OFDM 的主要技术 同步技术 在 OFDM 系统中，由于码元宽度相对较宽，所以系统对定时偏移不是很敏感， ISI 得到了很好的抑制。 但由于子载波的间隔小，所以对频率偏移比较敏感，相位噪声对系统也有很大的损害。 定时偏移，或者说包络的延迟失真，并不破坏子载波的正交性，定时相位偏移引起的只是所有子载波的旋转，合适的信道估计可以有效地消除这些影响。 抽样频率的误差会产生时变的定时偏移，导致时变的相位变化，也会引入少量的载波间干扰 (ICI)，实际中由于定时偏移引入的 ICI 非常小， Es/No 为 20dB 时，也只有 左右。 相位噪声有两个基本的影响，其一是对所有的子载波引入了一个随机相位变量，跟踪技术和差分检测可以用来降低共同相位误差的影响，其次也会引人一定量的 ICI，因为相位误差导致子载波的间隔不再是精确的 1/T 了。 频率偏移在 OFDM 系统中是比较有害的，它将导致 ICI，破坏子载波的正交性。 ISI 与 ICI 是矛盾的，一个减少，另一个会增大，由于在系统设计时，可以容忍一定 量的 ISI，所以，可尽量减少 ICI，以便降低系统同步实现的难度，残留的 ISI可以通过简单的均衡消除。 频率偏移导致 FFT的间隔周期不再是一个整数，所以变换后会产生 ICI。 由资料可知， OFDM 技术可接受的最大频偏与信道信噪比及有效信噪比之差有关，通常频率精度必须达到频率间隔的 1%2%。 OFDM 系统中主要涉及的同步有码元同步，载波同步和采样频率同步。 同步分为几个过程：粗定时恢复 /分组 /时隙 /帧同步，粗频偏估计 /校正，精频率校正，精定时校正。 由于同步是 OFDM 技术中的一个难点，因此，很多人也提出了很多 OFDM同步算法，主要是针对循环扩展和特殊的训练序列以及导频信号来进行，其中较常用的有利用奇异值分解的 ESPRIT 同步算法和 ML 估计算法，其中 ESPRIT 算法虽然估计精度高，但计算复杂，计算量大，而 ML 算法利用 OFDM 信号的循环前缀，可以有效地对 OFDM 信号进行频偏和时偏的联合估计，而且与 ESPRIT算法相比，其计算量要小得多。 OFDM 技术的同步算法研究的比较多，需要根据具体的系统具体设计和研究，利用各种算法融合进行联合估计才是可行的 [5]。 OFDM 通信系统中同步技术研究 8 训练序列／导频及信道估计技术 接收端使用差分检测时不需要 信道估计，但仍需要一些导频信号提供初始的相位参考，差分检测可以降低系统的复杂度和导频的数量，但却损失了信噪比。 尤其是在 OFDM 系统中，系统对频偏比较敏感，所以一般使用相干检测。 在系统采用相干检测时，信道估计是必须的。 此时可以使用训练序列和导频作为辅助信息，训练序列通常用在非时变信道中，在时变信道中一般使用导频信号。 在 OFDM 系统中，导频信号是时频二维的。 为了提高估计的精度，可以插入连续导频和分散导频，导频的数量是估计精度和系统复杂的折衷。 导频信号之间的间隔取决于信道的相干时间和相干带宽，在时域上，导频的间 隔应小于相干时间；在频域上，导频的间隔应小于相干带宽。 图 3 是导频信号在时间和频率上的一般模式，但实际中，导频的模式的设计要根据具体情况而定，导频信号的功率也可以适当大一些。 信道估计器根据导频就可以估计出信道的脉冲响应，估计的方法比较多，匹配 滤波器 法、最小均方值法、最大后验概率法等都可以根据具体的系统要求选用[69]。 信道编码和交织技术 在 OFDM 系统中，由于码间串扰不是很严重，所以随机误码得到了一定的限制，但对于突发误码，尤其是在军用场合，信道编码和交织技术还是必须的。 由于 OFDM 信号具有时域和频域的二维结构特点，因此信道编码可以很好地利用此特点，得到更好的纠错性能。 此时通过合理设计时域和频域的交织器，可以很好地对抗突发错误和人为干扰。 因此在 OFDM 系统中，信道编码和交织器结构要根据 OFDM 信号的特点来设计，编码的码率和交织器的长度与 OFDM 系统的参数密切相关 [9]。 峰均功率比控制 根据中心极限定理， N 个等载波间隔的 OFDM 信 号可等效成均值为 0、方差为 02 的高斯分布随机过程 (足够大，如厅 100)。 因此在某些极限时刻，不同子载波在相位和时间上可能线性叠加，可能产生一些很大的幅度脉冲峰值，随着子载波数 N 的增大，脉冲峰值发生的概率会减少，但峰值会增大。 所以在 OFDM系统中，信号的峰值平均功率比 (PAPR)起伏较大，对射频的线性 功放 提出了很高的要求，发送端对高 功率放大器 (HPA)的线性度要求很高且发送效率极低，接收端对前端 放大器 以及 A/D 变换器 的线 性度要求也很高，因此应该尽可能地降低信号的 PAPR。 OFDM 通信系统中同步技术研究 9 为消除这种因为过高的峰均功率比信号而使功率放大器产生的限幅非线性失真，提出了很多方法、如限幅加窗选择映射方法、基于 Golay 序列的选择映射方法、循环码方法、部分发送序列相位反转方法和基于 m 序列方法等。 通过选择合适的方法， PAPR 的控制目前基本可以达到特定系统的要求，不再是限制OFDM 技术应用的主要障碍。 对 PAPR 的要求一般控制在 3dB 左右，通过合适的算法可以达到此要求 [9]。 均衡技术 由于 OFDM 技术本身利用了衰落信道的分集特性，系统的码间串 扰问题已得到了很好的抑制，而均衡技术主要就是为了补偿多径信道引起的码间干扰，因此一般情况下， OFDM 系统可以不用均衡措施，但在一些时延扩展较严重的信道中，循环扩展的长度要很长，才能有效克服 ISI，此时可以采用一些简单的均衡技术来减少循环扩展的长度，而通过均衡克服残留的 ISI[9]。 系统仿真参数设 计 OFDM 系统的参数设计是许多需求的一个折衷。 在参数设计时，首先需要明确系统的 3 个主要的指标：带宽、比特率和时延扩展。 时延扩展直接影响保护时间的设计，保护时间的长度应该是均方根延迟扩展的 24 倍，实 际设计时，保护时间一般取大于等于信道的最大时延扩展。 保护时间确定后， OFDM 符号帧的宽度也可以定下来。 为了降低保护时间引起的信噪比损失，符号宽度希望远大于保护时间，但是符号的宽度过大意味着更多的子载波数和更小的子载波间隔，增大了实现的复杂度，使得系统对相位噪声和频率偏移更加敏感，而且会增加峰均值功率比。 因此实际的设计选择是使符号宽度至少是保护时间的 5 倍，此时保护时间会带来大约 1dB 左右的信噪比损失。 符号宽度和保护时间确定后，子载波的间隔就是去掉保护时间后的符号宽度的倒数，此时根据系统的带宽就可以确定子载波的 数目，每个子信道的带宽应小于信道的相干带宽，子载波的数目也可以根据需要的比特率和每个子载波上的比特率来确定。 每个子载波的比特率由调制的类型、信道编码的码率和符号率确定。 同时还要使每个 OFDM 的符号时间小于信道的相干时间，避免产生时间选择性衰落 [9]。 OFDM 技术的优缺点分析 OFDM 技术主要优点 OFDM 存在很多技术优点见如下，在 3G、 4G 中被运用，作为通信方面其有很多优势： (1)在窄带带宽下也能够发出大量的数据。 OFDM 技术能同时分开至少 1000 个数字信号，而且在干扰的信号周围 可以安全运行的能力将直接威胁到OFDM 通信系统中同步技术研究 10 目前市场上已经开始流行的 CDMA 技术的进一步发展壮大的态势，正是由于具有了这种特殊的信号“穿。