OFDM通信系统中同步技术研究Word文档格式.doc

OFDM通信系统中同步技术研究Word文档格式.doc

《OFDM通信系统中同步技术研究Word文档格式.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《OFDM通信系统中同步技术研究Word文档格式.doc（35页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

纵观通信的发展史，第一代模拟系统仅提供语音服务，不能传输数据；

第二代数字移动通信系统的数据传输速率也只有9.6bit/s,最高可达32kbit/s；

第三代移动通信系统数据传输速率可达到2Mbit/s；

而我们目前所致力研究的第四代移动通信系统的数据传输速率可达到10～20Mbit/s。

虽然第三代移动通信可以比现有传输速率快上上千倍，但是仍无法满足未来多媒体通信的要求，第四代移动通信系统的提出便是希望能满足提供更大的频宽要求。

本文主要研究了OFDM系统中的同步技术。

论文首先介绍了OFDM的基本原理，主要技术，及同步技术问题。

然后，着重对同步技术中的基于数据辅助的同步技术进行了全面的分析及算法研究，通过对其经典算法SC算法及其基础上的改进算法Minn算法及Park算法的研究及仿真，得到了定时性能上，三种算法的优劣性，及Minn算法和Park算法的定时频偏估计方差优劣。

关键词：

OFDM；

同步技术；

基于数据辅助的同步技术；

SC算法；

Minn算法；

Park算法

ABSTRACT

You,me,him,almosteverydayduringthecommunication,communicationplaysaveryimportantroleinourlives.Mobilecommunicationhasbecomethemainstreamofdevelopment,andpersonalcommunicationsandwirelesscommunicationsinjustafewdecadeshasgonefromanalogcommunicationtodigitalcommunication,fromCDMAtoOFDMgreatdevelopment,butalsotheemergenceofnewtechnologies,morethanwithCDMAasthecoreofthethirdgenerationmobilecommunicationtechnologymoresophisticated,whichwecallthe"

fourthgenerationmobilecommunicationtechnology."

ThefourthgenerationmobilecommunicationsystemplanstoOFDM（orthogonalfrequencydivisionmultiplexing）toprovidevalue-addedservicesasthecoretechnology,itsapplicationinthefieldofbroadbandhasgreatpotential.Comparedwiththethirdgenerationmobilecommunicationsystems,usingavarietyofnewtechnologies,OFDMhashigherspectralefficiencyandgoodanti-multipathinterference,itcannotonlyincreasesystemcapacity,moreimportantly,itcanbettermeettheneedsofmultimediacommunicationrequirements,whichwillincludemultimediaservicesvoice,data,videoandotherlargeamountsofinformationtransmittedviabroadbandchannelwithhighquality.

Throughoutthehistoryofthecommunication,thefirstgenerationanalogsystemsprovidevoice-onlyservicescantransmitdata;

datatransferrateofthesecondgenerationdigitalmobilecommunicationsystemisonly9.6bit/s,upto32kbit/s;

thirdgenerationmobilecommunicationsystemdatatransferrateupto2Mbit/s;

andwearecurrentlybeingstudiedfourthgenerationmobilecommunicationsystemdedicateddatatransmissionratecanreach10~20Mbit/s.Althoughthethirdgenerationmobilecommunicationcanbethousandsoftimesfasterthanthecurrenttransmissionrate,butstillcannotmeetthefuturerequirementsofmultimediacommunications,presentedthefourthgenerationmobilecommunicationsystemthatwehopetoprovidegreaterbandwidthtomeettherequirements.

ThispaperstudiestheOFDMsystemsynchronizationtechniques.PaperfirstintroducesthebasicprinciplesofOFDM,themaintechnical,andsynchronizationproblems.Then,focusingontechnology-basedsynchronousdata-aidedsynchronizationtechnologytoconductacomprehensiveanalysisandalgorithmresearch,throughitsclassicalalgorithmSCalgorithmanditsimprovedalgorithmbasedontheresearchandsimulationalgorithmsandParkMinnalgorithm,hasbeentimedperformance,thetimingoftheprosandconsofthethreealgorithms,andalgorithmsandParkMinnoffsetestimationvarianceofthemeritsofthealgorithm.

Keywords:

OFDM;

synchronization;

basedonsecondarydatasynchronizationtechnology;

SCalgorithm;

Minnalgorithm;

Parkalgorithm

目录

第1章绪论 1

1.1引言 1

1.2OFDM技术的发展及应用 1

1.3OFDM技术在未来通信中的作用 2

1.4论文研究的主要内容 4

第2章OFDM系统原理 5

2.1OFDM系统基本模型 5

2.2OFDM的保护间隔和循环前缀 6

2.2.1保护间隔 6

2.2.2循环前缀 6

2.3OFDM的主要技术 7

2.3.1同步技术 7

2.3.2训练序列／导频及信道估计技术 8

2.3.3信道编码和交织技术 8

2.3.4峰均功率比控制 8

2.3.5均衡技术 9

2.3.6系统仿真参数设计 9

2.4OFDM技术的优缺点分析 9

2.4.1OFDM技术主要优点 9

2.4.2OFDM技术主要缺点 10

本章小结 11

第3章OFDM同步技术 12

3.1同步技术概述 12

3.2OFDM系统同步的原理 12

3.3OFDM系统中的同步要求 13

3.3.1载波同步 13

3.3.2符号同步 14

3.3.3样值同步 15

3.4同步技术的分类 15

本章小结 16

第4章同步算法 17

4.1SC算法 17

4.2Minn算法 19

4.3Park算法 20

4.4仿真结果分析 22

本章小结 24

总结与展望 25

参考文献 26

致谢 28

IV

第1章绪论

1.1引言

进入2l世纪以来，无线通信技术正在以前所未有的速度向前发展。

随着用户对各种实时多媒体业务需求的增加和互联网技术的迅猛发展，可以预计，未来的无线通信技术将会具有更高的信息传输速率，为用户提供更大的便利，其网络结构也将发生根本的变化。

为了支持更高的信息传输速率和更高的用户移动速度，在下一代的无线通信中必须采用频谱效率更高、抗多径干扰能力更强的新型传输技术。

在当前能提供高速率传输的各种无线解决方案中，以正交频分复用（OFDM）为代表的多载波调制技术是最有前途的方案之一。

纵观移动通信的发展史，第一代模拟系统仅提供语音服务，不能传输数据；

第二代数字移动通信系统的数据传输速率也只有9.6bit/s，最高可32kbit/s；

而我们目前所致力研究的第四代移动通信系统可以达到10Mbit/s-20Mbit/s。

虽然第三代移动通信可以比现有传输速率快上千倍，但是仍无法满足未来多媒体通信的要求，第四代移动通信系统的提出便是希望能满足提供更大的频宽需求。

第四代移动通信系统有望以OFDM为核心技术提供增值服务，它在宽带领域的应用具有很大的潜力。

较之第三代移动通信系统，采用多种新技术的OFDM具有更高的频谱利用率和良好的抗多径干扰能力，它不仅仅可以增加系统容量，更重要的是它能更好地满足多媒体通信要求，将包括语音、数据、影像等大量信息的多媒体业务通过宽频信道高品质地传送出去。

综上所述，OFDM技术是今后高速移动数据通信中的一项核心技术。

我们应该跟踪OFDM技术的最新发展，加快相关关键技术的研究，以便在高速宽带无线接入和下一代移动通信系统的研发中具有竞争力[1]。

1.2OFDM技术的发展及应用

OFDM是一种无线环境下的多载波调制技术。

该技术最早起源于20世纪50年代中期，并且在60年代形成了使用并行数据传输和频分复用的概念，1970年1月首次公开发表了有关OFDM的专利，其基本思想通过采用允许子信道频谱重叠，但相互间又不影响的频分复用方法来并行传送数据。

OFDM早期的应用有AN/GSC10（KATHRYN）高频可变速率数传调制解调器等。

第一个OFDM技术的实际应用是军用的无线高频通信链路。

在早期的OFDM系统中，发信机和相关接收机所需的副载波阵列是由正弦信号发生器产生的，傅立叶变换实现系统复杂且昂贵。

1971年Weinstein和Ebert提出了使用离散傅立叶变换在OFDM系统中的全部调制和解调功能的建议，简化了振荡器阵列以及相关接收机中本地载波之间严格同步的问题，为实现OFDM的全数字化方案作了理论上的准备。

80年代以后，OFDM的调制技术再一次成为研究热点。

例如在有线信道的研究中，Hirosaki于1981年用DFT完成的OFDM调制技术，试验成功了16QAM多路并行传送19.2kbit/s的电话线MODEM。

1984年，Cimini提出了一种适于无线信道传送数据的OFDM方案。

其特点是调制波的码型是方波，并在码元间插入了保护间隙，该方案可以避免多径传播引起的码间干扰。

进入90年代以后，OFDM的应用研究又涉及到了利用移动调频（FM）和单边带（SSB）信道进行高速数据通信、陆地移动通信、高速数字用户环路（HDSL）、非对称数字用户环路（ADSL）、超高速数字用户环路（DSL）、数字音频广播（DAB）及高清晰度数字电视（HDTV）和陆地广播等各种通信系统1999年IEEE802．1la通过了一个53Hz的无线局域网标准，其中OFDM调制技术被采用为它的物理层标准。

欧洲电信标准协会（ETST）的宽带射频接入网的局域网标准也把OFDM定为它的调制标准技术。

1999年12月，包括Ericsson.Nolda和Wi.LAN在内的7家公司发起了国际OFDM论坛，致力于策划一个基于OFDM技术的全球统一标准。

我国的信息产业部也已经参加了OFDM论坛，可见OFDM在无线通信的应用已引起了国内通信界的重视。

2000年11月，OFDM论坛的固定无线接入工作组向IEEE802.16.3的无线城域网委员会提交了一份建议书，提议采用OFDM技术作为IEEE802.16.3城域网的物理层标准。

随着IEEE802.1la和BRANHyperlan/2两个标准在局域网的普及应用，OFDM技术将会进一步在无线数据本地环路的广域网做出重大贡献。

除了在理论上的研究工作外，在一些工业控制网络中，无线通信技术已获得了应用。

由于无线网络无可比拟的优越性，加之无线通信技术自身的不断改进，无线通信技术在工业控制领域中必将具有广阔的发展空间和应用前景。

综上所述，随着人们对通信数据化、宽带化、个人化和移动化的需求，OFDM技术在综合无线接入领域将越来越得到广泛的应用。

随着DSP芯片技术的发展傅里叶变换/反变换、64/128/256QAM的高速Modem技术、网格编码技术、软判决技术、信道自适应技术、插入保护间隔、减少均衡计算量等成熟技术的逐步引用，人们已经开始集中精力开发OFDM技术在移动通信领域的应。

目前，一些研究人员提出将数据辅助与非数据辅助的同步算法结合起来使用，这将成为OFDM同步技术的发展趋势。

未来研究的重点还将放在如何在衰落信道中提高同步算法的性能，以及将OFDM系统中的时间、频率同步与信道估计联合进行等方面[2]。

1.3OFDM技术在未来通信中的作用

有人说，我们现在已经进入到一个移动通信的时代，人们完全可以用无线的通信手段代替传统的有线电话。

虽然这样的说法有些不切实际，但是毕竟近几年来无线通信的迅猛发展确实大有让人们产生上述观点之势。

一些新兴的无线传输、无线接入技术正在不断兴起，吸引了世界上众多的参与者，热点频现，如OFDM技术、MIMO技术、UWB技术以及ZigBee技术等等，它们的涌现给无线通信技术的发展注入了新的活力。

在众多的无线技术当中，OFDM以其独特的魅力成为最大的一个亮点。

从WLAN到WiMAX、Flash-OFDM，从LTE到B3G，再到超宽带无线通信技术UWB，OFDM几乎成了新一代无线通信技术的标志。

OFDM，即正交频分复用技术，以其新型信号调制复用方法在宽带无线接入领域的应用正在逐渐成为一个发展趋势。

由于OFDM在技术上存在相当大的优势，除频谱利用率高和较强的带宽扩展性外，由于其采用了子载波传输，使其在抗多径衰落性能方面的优势非常明显，另外，OFDM系统可灵活选择各子载波进行传输，使其具有灵活分配频谱资源的性能，所以它越来越得到人们的重视，各项产业化工作也在不断开展中。

如今，人们已经将OFDM技术的诸多优点与各自的研究领域结合了起来。

首先，在宽带接入系统中，由于OFDM系统具备良好的特性，将成为下一代蜂窝移动通信网络的有力支撑。

专家指出，4G等未来移动通信以数据通信和图像通信为主，数据通信的速率比3G要大大提高，还特别注重与互联网结合，通信以IP协议为基础等等。

其中就牵涉到很多关键技术，如为了达到高速传输以及高QoS的保障，必须使频谱利用率提高、信号抗衰落能力增强、抗码间干扰能力显著增强等，我们需要OFDM等先进的调制技术。

而目前正在研发的3GPPLTE技术也很可能选用OFDM及其改进型作为基本多址技术。

因此我们可以预见，OFDM技术将在未来发挥如今CDMA技术对于移动通信一样的重要作用，甚至产生更广泛的影响。

其次，在无线局域网中，OFDM等技术开始得到应用，以提升WLAN的性能。

如802.11a和802.11g都采用OFDM调制技术，提高了传输速率，增加了网络吞吐量。

802.11n计划采用MIMO与OFDM相结合，使传输速率成倍提高。

最后，在数字广播电视系统中，数字音频广播（DAB）是第一个正式使OFDM标准的。

另外，当前国际上全数字高清晰度电视传输系统中采用的调制技术就包括OFDM技术，欧洲HDTV传输系统已经采用了编码OFDM技术。

它具有很高的频谱利用率，可以进一步提高抗干扰能力，满足电视系统的传输要求。

总之，正是因为具备了显著的优势，OFDM在未来移动通信和其他宽带无线技术的发展中才如鱼得水，获得了广泛的应用。

我们有理由相信，随着人们对无线通信需求的进一步增加，OFDM必将获得更大的发展[3,4]。

1.4论文研究的主要内容

本文的主要内容是研究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。

第2章OFDM系统原理

2.1OFDM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）Error!

Referencesourcenotfound.。

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……，N-1）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（2-1）

（2.1）

在很多时候也会有式（2-2）来表示等效基带信号

（2.2）

其中，式（2.2）的实部和虚部分别对应的是OFDM符号中的同相和正交分量Error!

Referencesourcenotfound.，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2.1给出了OFDM系统的基本模型框图。

图2.1OFDM系统基本模式框图

2.2OFDM的保护间隔和循环前缀

2.2.1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Error!

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。

2.2.2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τm，为了消除ICI，应满足在一个Tg>

τm。

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：

（2.3）

信息速率的损失为：

（2.4）

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