OFDM同步算法研究及仿真实现.docx
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OFDM同步算法研究及仿真实现
密级:
学校代码:
10075
分类号:
学号:
20091252
工学硕士学位论文
OFDM同步算法研究及
仿真实现
学位申请人:
孙博
指导教师:
王振朝教授
学位类别:
工学硕士
学科专业:
通信与信息系统
授予单位:
河北大学
答辩日期:
二O一二年六月
ClassifiedIndex:
CODE:
10075U.D.C:
NO:
20091252
ADissertationfortheDegreeofMaster
TheResearchandSimulationonOFDMSynchronizationAlgorithm
Candidate:
Sunbo
Supervisor:
Prof.WangZhen-chao
AcademicDegreeAppliedfor:
MasterofEngineering
Specialty:
Comm.&Info.System
University:
HebeiUniversity
DateofOralExamination:
June,2012
摘要
摘要
正交频分复用（orthogonalfrequency-divisionmultiplexing,OFDM技术是一种多载波数字调制技术,它具有抗多径能力强,频谱利用率高等优点,与其他技术结合在一起应用到第四代移动通信中。
但OFDM技术的缺点是对定时同步误差和频率偏差非常敏感。
定时偏差会造成相位的旋转,而频率偏移会使OFDM各子载波间正交性遭到破坏,系统性能急剧恶化。
因此准确地时频同步对提升OFDM系统的整体性能起到非常关键的作用。
本文研究OFDM的同步算法及仿真实现,主要研究符号定时同步和频率同步算法的优化问题。
首先介绍了国内外研究OFDM同步技术的成果现状,OFDM的基本原理和系统模型,循环前缀的作用和相关无线信道的知识,并详细分析了符号定时误差和载波频率偏移对OFDM系统的影响,基于循环前缀的和基于训练符号的OFDM定时同步算法各自的优势和缺点,并用仿真图直观的呈现出定时性能的好坏。
其次,指出基于训练符号的同步算法存在训练符号的循环前缀会造成符号定时估计曲线有多个相关峰从而引起定时错误的缺点,并提出了一种改进算法。
改进方案是通过引入伪随机加权因子重新设计训练符号,利用伪随机序列的自相关性和设计之前训练符号的共轭对称结构提出相应的定时测度函数,来进行符号定时同步,并实现频率同步。
改进算法消除了由于训练符号的循环前缀引起的相关峰造成的符号定时错误,更有效地提高了频率同步的精度和捕获速度。
并在定时同步和频率校正之后对整个OFDM系统进行误码率的仿真,有效证明误码率呈下降趋势。
再次,针对CAZAC序列由于循环前缀长度不同会产生多个与正确定时位置强度相近的相关峰的问题,通过调整伪随机序列的结构,定时算法消除了多个相关峰,提高了CAZAC序列符号同步算法的定时估计性能。
关键词正交频分复用同步算法循环前缀伪随机序列CAZAC序列
Abstract
Orthogonalfrequencydivisionmultiplexing（OFDMtechnologyisamulti-carrierdigitalmodulationtechnique.Ithasadvantagesofstronganti-multipathcapabilityandhighspectrumutilizationrate,whichappliedtothefourthgenerationmobilecommunicationscombinedwithothertechniques.ButOFDMtechnologyisverysensitivetotimingsynchronizationerrorandfrequencydeviation.TimingoffsetwillcausetherotationofthephaseandfrequencyoffsetmakestheorthogonalityofeachOFDMsub-carrierdestructed,whichhasasharpdeteriorationinOFDMsystemperformance.
ThisdissertationresearchesOFDMsynchronizationalgorithmandsimulation,optimizessymboltimingsynchronizationandfrequencysynchronizationalgorithmasthemainproblems.Firstly,itintroducestheoutcomeofOFDMsynchronizationtechnologyathomeandabroad,andadetailedanalysisofsymboltimingerrorandcarrierfrequencyoffsetofOFDMsystem.Weanalyzetheirownadvantagesanddisadvantagesoftimingsynchronizationmethodsbasedoncyclicprefixandtrainingsymbolandshowintuitivelywhetherthetimingperformanceisgoodorbadbysimulationdiagram.
Secondly,thedissertationpointstheshortcomingthatthemuti-correlationpeakoftimingestimationcurvecausesthetimingerrorowingtothecyclicprefixinOFDMpreamble-aidedsynchronizationalgorithms,andproposesaimprovedalgorithm.TheimprovedproposalisthatredesignthetrainingsymbolbyintroducingthePNweightedfactorandproposethecorrespondingtimingmetricusingtheautocorrelationofthePNandtheconjugatedsymmetricalstructureoftheadvancedtrainingsymboltoachievetimingandfrequencysynchronization.Afterthetimingsynchronizationandfrequencycorrection,BERoftheOFDMtransceiversystemissimulated.Theerrorratedeclinedisproofvalidly.
Thirdly,toovercomethemoresimilarstrengthcorrelationpeakwiththecorrecttimingpositionbecauseofthedifferentlengthofcyclicprefixoftheCAZACsequence,Timingalgorithmeliminatesthemultiplecorrelationpeaksbyadjustingthestructureofthepseudo-randomsequence.TimingestimationperformanceofsymbolsynchronizationalgorithmbasedCAZACsequenceisimproved.
KeywordsOrthogonalfrequencydivisionmultiplexingsynchronizationalgorithmscyclicprefixapseudo-randomsequenceCAZACsequence
目录
第1章绪论（1
1.1课题选题的背景与意义（1
1.2研究OFDM同步的分类和成果（3
1.3论文主要内容（4
1.4本章总结（5
第2章OFDM原理及同步概述（6
2.1OFDM基本原理（6
2.2OFDM中循环前缀的作用（8
2.3OFDM系统中的同步（10
2.4无线信道的基础知识（11
2.4.1无线信道的模型（12
2.5OFDM系统中同步偏差的分析（13
2.5.1符号定时同步偏差对OFDM系统的影响（14
2.5.2载波频偏对OFDM系统的影响（14
2.5.3采样频率误差对OFDM系统的影响（15
2.6本章小结（15
第3章经典同步算法研究（16
3.1基于循环前缀的最大似然估计同步算法（16
3.2基于训练序列的同步算法（18
3.2.1S&C算法（18
3.2.2Minn算法（21
3.2.3Park算法（22
3.3本章总结（24
第4章利用PN序列改进的定时与频率同步算法（25
4.1定时同步（25
4.1.1PN序列的特点（26
4.1.2新训练符号的形成（27
4.1.3利用PN序列的定时同步改进方案（27
4.2频率同步（28
4.2.1小数频偏估计（28
4.2.2整数频偏估计（29
4.3仿真结果与性能分析（31
4.4本章总结（35
第5章基于CAZAC序列的OFDM符号定时改进算法（36
5.1CAZAC序列（36
5.2基于CAZAC的定时同步改进算法（36
5.3仿真分析（39
5.4本章总结（41
第6章总结与展望（42
6.1本论文工作总结（42
6.2下一步工作展望（43
参考文献（44
致谢（48
攻读硕士学位期间发表论文情况（49
第1章绪论
第1章绪论
1.1课题选题的背景与意义
到目前为止,开始于20世纪80年代中期的第一代模拟移动通信系统的商用,短短几十年我国的移动通信系统就经历了第二代数字移动通信系统（2G从萌芽到完善的整个发展过程,直至第三代移动通信系统（3G的商用开发、部署和第四代移动通信系统（4G的研究和推进。
移动通信的发展可谓日新月异。
在温总理的政府工作报告中也重点提及了通信技术,表明其对人们的生活起了很大变化。
移动通信系统按照所提供的业务可分为不同的发展阶段[1]。
移动通信和无线领域有着非凡的历史,从马可尼在1899年的第一个跨大西洋传输到今天超过40亿人采用全球蜂窝移动服务,跨越了一个世纪的技术创新。
第一代采用频分多址（FDMA模拟调制方式,仅提供语音业务。
它的频谱利用率低,信令会干扰语音业务。
第二代数字移动通信系统以采用时分多址（TDMA的GSM系统为代表,与第一代移动通信系统相比,采用广义最小移键控调制,编码块和时分多址（TDMA实现16kb/s的电路交换比特率,100kb/s的分组数据传输速率。
但是,第二代数字蜂窝系统只能提供话音和低速数据业务的服务,因具有服务种类少、掉话概率高、传输速率低、移动性差,而且不同的网络之间也无法实现资源共享等缺点,已经不能满足人们日益增长的需要。
以（CDMA为基础的第三代（3G移动无线数据和语音服务最终进入美国市场,这些3G标准使用宽带扩频,自适应调制,卷积编码和CDMA来实现峰值服务比特率。
但是一些服务运营商正在其数据传输速率至少为384kbit/s的基础上,寻找更好为他们的移动宽带服务的技术,更好地推进4G移动系统。
于是4G系统的核心技术—正交频分复用（OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing,OFDM技术[2]开始走入人们的视野,成为目前研究的热点。
OFDM的历史可以追溯到20世纪60年代末,以减少紧挨的传输信道频率之间的干扰而作为主题的研究方法。
目前,OFDM已经在数字音频广播（DigitalAudioBroadcasting,DAB、地面数字视频广播（TerrestrialDigitalvideoBroadcasting,DVB-T[3]、基于IEEE802.ll标准的无线本地局域网（WirelessLocalAreaNetwork,WLAN等系统中得到了应用。
增加OFDM技术普及背后的主要驱动力是一般需求和具体运行多媒体应
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用的希望,这是数据密集型,从而要求更高的速度。
因为OFDM只有依赖于高速数字信号处理器和DSP才成为可用的,所以OFDM广泛地使用成为现实,并且在价格上使得OFDM成为具有竞争力的技术,其应用前景将更加广阔。
OFDM之所以飞速发展,是因为拥有许多显著的优点[4][5]:
（1OFDM的频谱利用率非常高。
一方面是由于OFDM中相邻信道间信号的频谱主瓣相互重叠,各子载波在波形上相互正交,所以频谱的增益很高;另一方面子载波上采用多进制调制（如频谱效率很高的QPSK也有效地提高了系统的频谱利用率。
（2OFDM实现数字化,复杂度大大降低。
OFDM调制过程用IFFT完成,解调过程用FFT完成[6],只需使用一个专用的FFT芯片就可数字化的实现OFDM。
避免了使用多组振荡源和分离信号的带通滤波器组,降低了复杂度。
（3抗多径延时扩展的干扰、抗衰落能力强。
OFDM信号通过传输前的串并变换将数据调制到各个子载波分别进行并行传送,使得数据流从高速变为低速,从而得以削弱多径时延扩展引入的符号间干扰ISI。
为了让OFDM的ISI不会干扰到数据信号,OFDM引入了循环前缀CP[7],只要当信道的最大延迟时间小于CP,ISI就只落在CP内,不会混淆数据信号,可以有效地抵抗多径衰落的影响,高速数据也可以在多径环境和衰落信道中传输。
总之,OFDM的有些优势是其它技术无法比拟的。
目前使用最多的CDMA技术其核心是扩频技术,但是在宽带无线信道中,扩频因为不能保证子载波的正交性,使得频谱扩展的很宽,不适宜传输了。
还有其他单纯的多幅度调制,不能与OFDM引入循环前缀抗多径衰落的优势相比较,其星座图受干扰,造成误码率很高。
然而OFDM技术不存在上述的问题,因为它本身的并行传输,抗ISI和ICI的能力和抗窄带干扰能力使得它可以广泛应用于高速宽带的无线信道中,在信道中体现非常强的鲁棒性。
尽管OFDM技术有很多优点,但是也有一些问题值得我们去探讨:
1、存在峰均功率比（Peak-to-AveragePowerRatio,PAPR的问题。
高PAPR是一直以来困扰OFDM发展的一个技术难题。
它产生的原因正是由于它的相互独立的经过调制的多载波性质。
因为N个多载波相互叠加,如果它们的相位相同,得到的峰值就会是均值的N倍。
即OFDM信号的峰值功率与平均功率之比会很高。
这样一来高PAPR的OFDM信号在经过非线性功率放大器时,会产生频谱扩展。
更有当放大器的动态范围跟不上信号的变化,就会引起带内失真,从而使系统性能恶化。
第1章绪论
2、同步问题。
OFDM对载波频率偏移远远比单载波系统敏感,频率偏移能够造成子载波正交性的破坏,这种偏移源于例如多普勒频移或者由于发射机载波频率与接收机本地振荡器之间存在的频率偏差,会引起ICI干扰,此时严重的频偏将造成信号无法正确解调,使OFDM系统的性能会迅速下降,同时还会影响符号定时和帧同步性能。
本论文主要是对OFDM系统中存在的同步问题进行研究。
1.2研究OFDM同步的分类和成果
由于同步技术对OFDM系统的性能有着十分重要的影响,因此OFDM系统准确的时间和频率同步一直是OFDM接收端的主要问题。
在接收端OFDM同步要实现帧/符号定时同步、载波频率同步和采样时钟同步三种功能。
OFDM系统中的这三类同步算法按照是否需要额外的符号都可以分为非数据辅助型（non-data-aided算法和数据辅助型（data-aided算法。
下面对这两类算法的研究现状进行分析。
非数据辅助型（non-data-aided算法[8][9],它通常利用循环前缀、虚子载波或成型滤波后OFDM数据的循环平稳性进行估计。
由于只是利用自身的特性,没有插入训练符号,传输效率提高,但是速度慢,同步精度较差,通常仅适用于连续型数据传输系统。
数据辅助型（data-aided算法,在面向分组的OFDM系统中,通常在OFDM数据开头放置一个特定的训练符号,从而完成同步参数的初步估计的获得。
由于完成过程捕获速度快、同步精度高,因此数据辅助型算法就被文献广泛的研究。
符号定时同步算法在OFDM系统中非常重要,在好多文献中都有研究。
其中vandeBeek[10]提出的最大似然估计算法是非数据辅助型算法的基础和典型代表,此后又出现了各种演进算法[11-12]。
1997,Schmidl[13]提出了一种经典的数据辅助型算法。
该算法使用两个训练符号进行符号定时同步,第一个训练符号用来估计定时同步和小数频偏,第二个训练符号用来估计整数频偏。
定时同步是通过在第一个训练符号中寻找前后相同两部分的最大相关值来实现的,但是由于循环前缀（CP的存在,定时同步不正确位置也会出现较大相关值,从而出现定时估计平台现象,造成定时估计精度不高。
针对Schmidl同步算法存在的问题,文献[14-16]都通过改变训练符号的结构,分别提出了定时同步的改进算法。
但是由于训练符号的循环前缀对定时同步的影响,文献[17-20]重新设计定时测度函数,只在正确定时位置产生尖锐的峰值,提高定时估计性能。
Molrelli和Song分别在文献[21][22]中设计了包含多个相互重复部分的单个训练符号,重复部分
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增大了单个训练符号的频偏估计范围。
文献[23]中新的定时估计方法是灵活的,可以根据信道失真度调整。
文献[24]是利用ML和周期序列联合提出的定时和频率估计算法。
由于CAZAC序列恒包络自相关性的良好特性,可以提高OFDM系统同步和信道估计的性能,因此近几年的文献对基于CAZAC序列的同步算法进行了广泛的研究[25]-[32],并且得到更多的应用[27]。
有些算法基于CAZAC序列提出新的定时估计函数[25][26][29],有的是结合已有的算法提出改进方案[28][30][31],有的是利用CAZAC序列设计符合瑞利信道的训练符号[32]。
频率同步的算法也可以分为数据辅助（data-aided估计和非数据辅助（non-data-aided估计两种。
但是主要数据辅助这类算法非常多,其中比较有代表性的算法如P.H.Moose等人提出的最大似然算法[33],利用连续传输的两个同步符号进行载波频偏估计。
本文的重点就是研究该类算法。
非数据辅助这类算法又称盲估计,是以Jan-JaapvandeBeek提出的最大似然算法为代表[10],估计范围仅限于±0.5倍的子载波间隔。
还有一种算法是借助虚载波进行载波频偏估计,HuiLiuandTureli[34]提出利用虚载波即OFDM系统中没有进行调制的子载波进行载波频偏估计的算法,提高了数据传输效率。
既然称为盲估计,它是利用OFDM信号的结构和循环前缀（CP的性质,如利用数据经过成型滤波器之后的循环平稳特性估计或利用CP的冗余相关性估计。
盲同步可分为全盲[35]和半盲同步[36]。
全盲同步只可使用输出的数据,而半盲同步则除了可借助接收数据本身的信息外,还可利用其它的辅助信息。
实际中通常采用基于利用二阶统计量的方法,如基于子空间分解和基于循环平稳性的同步方法。
采样同步同样可以分为数据辅助和非辅助两大类。
文献[37]利用最大似然ML算法来解决在实践中不好实现的二维网格搜索。
很多文献也利用数据辅助进行采样跟踪,文献[38]用同一符号中相邻导频的相位差来进行估计,或者例如文献[39]利用相邻不同的导频幅度和相位差分来估计。
1.3论文主要内容
第一章明确了本文的选题背景和研究意义,分析了OFDM同步的国内外研究现状,给出了本文的研究内容和结构安排。
第二章首先介绍了OFDM的基本原理,OFDM系统的基本模型,其次介绍了无线信道的基础知识,然后分析了符号定时同步,载波同步和采样同步的特点,介绍了符号定时同步偏差和载波频偏对OFDM系统的影响。
第1章绪论
第三章详细介绍了几种经典算法,包括基于循环前缀的同步算法和基于训练序列的同步算法,其中包括SC算法,Minn算法以及Park算法,分析了这些算法的优缺点并分别对其进行算法仿真,比较几种算法的性能。
第四章首先分析了训练符号的循环前缀的起始位置会出现与正确定时位置处强度相近的相关峰,从而造成定时错误的问题,然后介绍了PN序列的特点,最后利用PN序列对训练符号重新进行了设计,提出了改进算法,并用Matlab进行了仿真实验,证明了所提算法在AWGN信道和多径衰落信道下的有效性。
第五章介绍了常用的CAZAC序列即Zadoff-Chu序列,并分析了基于CAZAC序列的同步算法,指出这种算法由于训练符号循环前缀的影响,而有定时误差的问题,进行了符号定时同步算法的改进,并仿真对比了改进算法和CAZAC算法的定时同步性能。
第六章对本研究的全部工作做简要的总结,并对课题的进一步发展提出设想。
1.4本章总结
本章总结了课题的来源和研究意义,简单概括了移动通信的发展历程和OFDM技术的优缺点,分析了OFDM同步技术的研究现状,明确了本文的研究目的和意义,给出了本文的研究内容和结构安排。
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第2章OFDM原理及同步概述
2.1OFDM基本原理
正交频分复用OFDM是多载波调制方式的一种,OFDM发射信号的由来实质是高速率的数据流串并变换为低速率的N路并行数据流,然后用它们分别去调制N路相互正交的子载波,再将调制后的信号相加得来的。
带宽为B,码元速率为R,码元周期为ts的原始基带信号经过串并变换成为N个子信号,并行传输后码元速率为R/N,码元周期为T=Nts,再用N个并行子信号去调制正交的N个子载波,最后进行叠加运算形成OFDM发射信号。
（1
0（exp2NkkkxtXjftπ−==∑（2.1
其中{}kf为一组正交子载波,各个子载波中心频率之间的关系为0（0,1,...1kkffkNT=+=−。
经过信道传输后,在接收端,输入信号分为N个支路,分别用N个子载波解调和积分。
由于子载波的正交性,可以在接收端完成不受干扰的信号提取,从而实现了信号不失真传送。
（（（1
000
10011（exp2exp2exp212（expNTTjjkkjkNTkkXxtjftdtXjftjftdtTTjkjXtdtTTππππ−=−==−=−−⎛⎞=⎜⎟⎝⎠∑∫∫∑∫（2.2
OFDM要求各个子载波都是正交性,则要满足下式积分形式:
（（011exp2exp20TkjkjjftjftdtkjTπ
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