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OFDM系统中同步问题研究.rar

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    OFDM 系统 同步 问题 研究
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    科技学院 2011届本科毕业论文OFDM 系统中同步问题研究专 业: 电 科 指导教师: 李绪诚 学生姓名: 卢 滔 学生学号: 072004111254 中国﹒贵州﹒贵阳2011年 5月贵州大学科技学院本科毕业论文(设计) 第 I 页目 录摘 要 ...........................................................IIIAbstract...........................................................IV第一章 绪论 ........................................................11.1 单载波与多载波通信系统 .......................................11.1.1 单载波传输系统 ...........................................11.2 OFDM的历史及应用 .............................................21.3 无线衰落信道的传播特征 .......................................41.3.1 无线信道的大尺度衰落 .....................................51.3.2 阴影衰落 .................................................61.3.3 无线信道的多径衰落 .......................................61.3.4 无线信道的时变性以及多普勒频移 ...........................81.4 本文的组织结构和主要工作 ..................................10第二章 OFDM 系统的基本原理 ........................................122.1 OFDM 系统模型 ................................................122.1.1 OFDM发送端 ..............................................132.2 OFDM系统 IFFT/FFT的应用 .....................................142.3 保护间隔和循环前缀 ..........................................152.4 OFDM系统的关键技术 ..........................................192.4.1 同步技术 ................................................192.4.2 信道估计 ................................................192.5 OFDM的优缺点 ..............................................202.6 OFDM系统参数选择 ............................................22第三章 OFDM 系统的同步技术 ........................................253.1 同步简介 ....................................................25贵州大学科技学院本科毕业论文(设计) 第 II 页3.2 同步偏差对 OFDM系统的影响 ...................................253.2.1 载波频率偏差对 OFDM系统的影响 ...........................263.2.2 符号定时偏差对 OFDM系统的影响 ...........................303.2.3 采样定时偏差对 OFDM系统的影响 ...........................313.3 同步算法简介 ................................................323.3.1 载波同步算法 ............................................323.3.2 定时同步算法 ............................................333.3.3 样值同步算法 ............................................33第四章 基于循环前缀的 OFDM符号定时同步和载波同步算法 ..............354.1 最大似然算法 ................................................354.1.1 算法描述 ................................................354.1.2 算法仿真 ................................................384.2 集相关算法 ..................................................424.2.1 算法描述 ................................................424.2.2 算法仿真 ................................................434.3 基于 S长度块相关的符号定时和载波联合同步算法 ................454.3.1 算法描述 ................................................454.3.2 算法仿真 ................................................484.4 三种同步算法的性能比较 ......................................50第五章 总结与展望 .................................................555.1 总结 ........................................................555.2 展望 ........................................................56参考文献 ...........................................................57致 谢 ...........................................................60贵州大学科技学院本科毕业论文(设计) 第 III 页IIIOFDM系统中同步问题研究摘 要正交频分复用(OFDM)技术是一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。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:正交频分复用;循环前缀;符号定时;载波同步贵州大学科技学院本科毕业论文(设计) 第 IV 页IVOFDM Systems Synchronization Problem ResearchAbstractOrthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) is a multi-carrier digital 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, 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 exists, 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 for 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 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 synchronization 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 results show that: ML 贵州大学科技学院本科毕业论文(设计) 第 V 页Valgorithm 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 may 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 requires a few more of the OFDM symbols, and a large quantity of calculation. So it’s 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 calculation. 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 Multiplexing,Cyclic prefix,Symbol timing synchronization,Carrier frequency synchronization贵州大学科技学院本科毕业论文(设计) 第 1 页1第一章 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。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, Inter-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 [1]。信道()gt *()gt0jte0jte图 1.1 单载波系统基本结构1.1.2 多载波传输系统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 [1]。贵州大学科技学院本科毕业论文(设计) 第 2 页2......+信道 0jtekjteNjtNjtekjt0jte()gt()tt *()gt*()tgt图 1.2 多载波系统的基本结构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。f ffnf nf nf( a ) 传 统 的 频 分 复 用( b ) 3 d B 频 分 复 用( c ) O F D M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,贵州大学科技学院本科毕业论文(设计) 第 3 页3Weinstein和 Ebert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关注。目前,OFDM 已经在数字音频广播(DAB) 、数字视频广播(DVB) 、基于 IEEE802. 11标准的无线本地局域网(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(ETSI)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/s~54Mbit/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 以及 MMAC也纷纷采用 OFDM作为其物理层的标准。此外,OFDM 还易于结合空时编码、分集、干扰(包括 ISI和 ICI)抑制以及智能天线等技术,最大程度地提高物理层信息传输的可靠性。如果再结合自适应调制、自适应编码以及动态子载波分配、动态比特分配算法等技术,可以使其性能进一步优化。OFDM改善了前几代无线系统中的宽带、时域均衡、频谱效率等问题,开启了未来无线通信技术的大门。但是单纯依赖 OFDM还不能满足后续无线发展的要求,结合 OFDM技术的多天线处理、无线资源调度、自适应编码调制(AMC) 、信道估计、自适应跳频等技术的研究,也是当前的热点,是未来的发展方向。多天线处理备受瞩目。随着业务量的增加,频谱资源的日趋减少,运营商投资成本日益升高,扩大蜂窝系统的容量、提高频谱效率已经是无线系统的首要问题。传统的小区分裂的方式,增加了基站的建设,是不经济的做法。多天线技术,利用空时处理,或者改善用户传输信道质量,或者增加分集增益,能大大增加频谱效率。由于 OFDM本身对物理层处理的要求较低,因而使得多天线技术可以结合起来,对系统总的复杂度影响不大,也将成为新兴无线通贵州大学科技学院本科毕业论文(设计) 第 4 页4信技术的必然模式。1.3 无线衰落信道的传播特征与其他通信信道相比,移动信道是最为复杂的一种。电波传播的主要方式是空间波,即直射波、折射波、散射波以及它们的合成波。再加之移动台本身的运动,使得移动台与基站之间的无线信道多变并且难以控制。信号通过无线信道时、会遭受各种衰落的影响,一般来说接收信号的功率可以表达为:(1.1)()()nPdSdR其中 表示移动台与基站的距离向量, 表示移动台与基站的距离。根据式(1.1) ,d无线信道对信号的影响可以分为三种: 电波在自由空间内的传播损耗 ,也被称作大尺度衰落,其中 一般为nd n3~4; 阴影衰落 :表示由于传播环境的地形起伏、建筑物和其他障碍物对地波的()Sd阻塞或遮蔽而引发的衰落,被称作中等尺度衰落; 多径衰落 :由于无线电波在空间传播会存在反射、绕射、衍射等,因此造()R成信号可以经过多条路径到达接收端,而每个信号分量的时延、衰落和相位都不相同,因此在接收端对多个信号分量叠加时,会造成同相增加,异相减小的现象,这也被称作小尺度衰落 [2]。图 1.4清楚地说明了以上三种衰落。此外,由于移动台的运动,还会使得无线信道呈现出时变性,其中一种具体表现就是会出现多普勒频移。自由空间的传播损耗和阴影衰落主要影响到无线区域的覆盖,通过合理的设计就可以消除这种不利影响。本节主要针对无线信道的多径衰落和时变性加以讨论,对大尺度衰落和阴影衰落只作简单介绍。
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