OFDM同步算法中的最大似然函数法

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OFDM同步算法中的最大似然函数法OFDM同步算法中的最大似然函数法
Abstract Title: RESEARCH ON SYNCHRONIZATION ALGORITHMS IN OFDM SYSTEM Major: COMMUNICATION AND INFORMATION SYSTEM Name Yao xu Signature:_140Au Supervisor: Prof Lin WANG Signature:/- abstract Orthogonal Frequency Division Multiplexing(OFDM)is the key technique of the fourth generation mobile communication. The advantage of ofDM is to resist of the multi-path channel. OFDM improves the utilization efficiency of the spectrum. It enhances the capacity of the system and meets the request of the high speed of data transmission and users movement for the next generation mobile communication OFDM is more sensitive to the frequency offset and the phase noise than the single carrie communication system, since the frequency offset will break the orthogonality of the sub-carriers, introduce the interference of the sub-carriers, and bring great influence to the system performance. Synchronization is one of the key techniques of the OFDM. This paper chiefly studies the synchronization of OFDM, and includes the algorithm and actualization. In this thesis, the OFDM model and its principle are introduced firstly in brief, then cuss strengthens and weakens of oFDM system, further more is the synchronization issues especially focuses on synchronization issues: Analysis the effects of demodulation performance, including frequency offset and timing offset, and in-depth research on symbol timing synchronization and frequency synchronization of OFDM system. a lot of computer simulations are given over awgn and frequency selective fading channels. We analyze and mpare the performance of a few synchronization methods, including their applying areas, merits and shortcomings. Furthermore, the article proposes an improved ofdm timing synchronization algorithm and frequency synchronization algorithm. the improved algorithm could find the exactly timing point and frequency offset by the character of correlation, the simulations show that this algorithm has an obviously peak at exact point and significantly reduces the mean square error of timing estimate. Using the result of timing and reset coefficient to calculate frequency offset. Simulations show that improved frequency algorithm could reach smaller mse Key words: OFDM; Symbol synchronization; Carrier frequency synchronization; PN sequence; Cyclic prefix 独创性声明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明:本人所呈交的学位论文是我 个人在导师指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知,除特别加以标注和致谢 的地方外,论文中不包含其他人的研究成果。与我一同工作的同志对本文所研究的工 作和成果的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并已致谢 本论文及其相关资料若有不实之处,由本人承担一切相关责任 论文作者签名: 络说y年月忍日 学位论文使用授权声明 本人说,在导师的指导下创作完成毕业论文。本人已通过论文的答辩, 并已经在西安理工大学申请博士/硕士学位本人作为学位论文著作权拥有者,同意 授权西安理工大学拥有学位论文的部分使用权,即:1)已获学位的研究生按学校规定 提交印刷版和电子版学位论文,学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生 上交的学位论文,可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索;2)为 教学和科研目的,学校可以将公开的学位论文或解密后的学位论文作为资料在图书馆、 资料室等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。 本人学位论文全部或部分内容的公布(包括刊登)授权西安理工大学研究生部办 理 保密的学位论文在解密后,适用本授权说明 论文作者签名受。导师签名以xB年3月日 1绪论 1绪论 随着 Intermet商用化所带动的视频、音频及数字通信技术的发展,无线通信也得到了 进一步的重视和发展。在任何地点,任何时间能够方便地进行话音、数据、图像、视频等 各种信息的通信是人类的美好愿望。为此,在过去的十多年中,向第三代无线标准发展的 全球性浪潮使各个厂商纷纷参与了新技术的标准化工作。然而,信息产业在新一代技术推 动通信系统所带来的优质服务的同时,第四代移动通信系统的最新技术也在不断的研究 中,并开始向市场进军。随着人们需求的不断增高,多媒体和计算机通信在当今社会扮演 着日益重要的角色,对通信系统的发展不断提出新的要求和挑战。世界各国目前都已把研 发的焦点聚集到了“无线宽带多媒体通信系统( WBMCS”上来,以欧洲地面数字电视广播 (DB-T)、无线本地环路(WLAN,WMAX和超宽带(UWB等为代表的新的通信理念及 技术已逐步走入商用化阶段,进一步推动了信息化社会的发展 11课题研究背景 现代无线通信技术的发展始于20世纪20年代,但直到20世纪70年代中期,才得到 蓬勃发展。1978年底,美国贝尔实验室研制成功AMPS( Advanced mobile Phone System, 先进移动电话系统)系统,建成了蜂窝模拟无线通信网。欧洲和日本也相继开发出模拟的 蜂窝移动通信网。这阶段诞生的模拟移动通信统称为第一代移动通信系统,简称1G(the 1 st Generation)。1G系统采用频分多址(FDMA和模拟技术,在发展初期得到较为广泛的 应用,它的缺点是容量小、频谱利用率低、抗干扰能力差、系统保密性差,仅达到模拟话 音一般质量的要求,不能满足日益增长的用户的需求。从20世纪80年代中期开始,数字 移动通信系统进入发展和成熟时期。欧洲率先推出了GSM( Global System for the Mobile communications,全球移动通信系统),随后美国和日本也相继推出了各自的数字移动通 信系统。20世纪90年代初,美国 Qualcomm(高通)公司推出了窄带的 CDMA(Code Division Multiple Access,码分多址蜂窝移动通信系统),从此,CDMA这种新的无线接入技术在 无线通信领域占有越来越位。这些目前正在广泛使用的数字无线通信系统被称为第二代移 动通信系统,简称2Gthe2 nd generation)。2G系统以GSM系统和IS95系统为代表,达 到了高质量的话音通信要求,传输速率为96kbps。被视为二代到三代过渡技术的 GPRS( General Packet Radio System)和EDGE( Enhanced Data Rate for Evolution等系统增强 了分组数据业务的传输能力,将最大传输速率分别提高到160kbps,384kbps。既提供了 话音通信服务,又提供了无线数据通信业务。随着人们对通信业务的范围和速率的不断提 高,已有的2G通信网很难满足新的业务需求。为了适应市场的需求,业界开始研制第三 代移动通信系统3G(he3 rd generation)。3G系统要支持视频、互联网接入及其它更高速 西安理工大学硕士学位论文 率的业务,它以CDMA技术为核心,其最大传输速率为2Mbps,可在话音业务基础上提 供互动多媒体业务,如多媒体视频会议、国际互联网接入、文件传输和电子邮件等多种业 务。随着移动通信和数据通信的飞速发展,移动用户对业务种类和通信速率的要求不断增 加,未来移动通信将朝着高速率传输、多业务种类的方向发展。 第四代移动通信系统计划以OFDM( Orthogonal Frequency Division Multiplexing,正交 频分复用)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,作为一种高效 的并行传输技术,OFDM将高速数据流并行在多个子载波上传输,大大增长了符号周期, 增强了抗码间干扰和信道衰落的能力,适用于恶劣的无线多径衰落信道中,从而被认为是 下一代移动通信中极具发展前景的技术之一。 12OFDM技术的发展与前景 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技术的第一个实际应用是军用无线高频通信链路。 在早期的OFDM系统中,发射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,傅立叶变换的实现系统复杂且昂贵。1971年 Weinstein和Ebet提出了使用离 散傅立叶变换实现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 192 kbit/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3。其特点是调制波的码型是方波,并在码元之间插入了保护间隙,该方案可 以避免多径传播引起的码间千扰。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( VHDSL)、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 因此,这种多载波传输技术在双向无线数据方面的实际应用是近十年来的趋势。经过 多年的发展,该技术在广播式的音频和视频领域已得到广泛的应用。主要的应用包括:非 对称的数字用户环路(ADSL),ETSI标准的音频广播(DAB),数字视频广播(DVB等。1999 年TEEE80211a通过了一个5GHz的无线局域网标准,其中OFDM调制技术被采用为它 1绪论 的物理层标准。欧洲电信标准协会ETST的宽带射频接入网(BRAN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, Nokia和WLAN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经参加了 OFDM论坛,可见OFDM在无线通信的应用己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IEEE802163的无线城域网委员会提交了一份建议 书,提议采用OFDM技术作为上IEE802163城域网的物理层标准。随着IEE80211a 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 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,傅立叶变换/ 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,人们己经开始集中精力开 发OFDM技术在移动通信领域的应用。 13本文的主要工作及内容安排 论文的研究方向是OFDM系统的同步算法分析。论文在分析OFDM系统的关键技术 和优缺点的基础上,提出了改进的定时同步和频率偏移佔计的研究方法,同时进行了模拟 仿真和性能分析测试 本论文的内容主要分为以下几部分 第一章简要介绍了正交频分复用技术的研究背景,OFDM的起源、发展和前景,及其 当前在国内外的发展状况。 第二章分析OFDM的基本原理和数学模型、数据的串并变换、子载波的调制以及DFT 在OFDM调制解调中的应用,对其关键技术进行了阐述,并同其他传输方式进行了分析 比较。 第三章讨论OFDM的系统原理。根据系统模型对OFDM系统中载波同步和符号定时 同步的基本原理进行了分析。 第四章基于前一章的分析,介绍了几种常用的定时同步算法:包括基于循环前缀的最 大似然同步算法、基于训练序列的定时同步算法,最后作者介绍了本文的改进定时同步算 法并通过 MATLAB仿真验证。 第五章介绍了几种经典的频率同步算法:基于循环前缀的载波频率同步算法、 Moose 的频率同步算法、基于训练序列的频率同步算法和本文改进的频率同步算法,也分别通过 仿真进行验证 最后一章对全文进行了总结,陈述了本论文所涉及工作的主要贡献,并指出了继续进 行的相关研究工作和未来可能的研究方向。 西安理工大学硕士学位论文 2OFDM系统基本原理和同步性能分析 21OFDM系统的基本原理 经过40多年的发展,OFDM技术因其独特的优势获得了广泛的应用,而且正在赢得 越来越多的关注。它的基本原理就是将总的信道带宽分成多个带宽相等的子信道,每个子 信道上单独通过各自的子载波调制各自的信息符号并且各符号具有相同的符号间隔。当相 邻子信道载波间隔等于有用符号间隔的倒数时,各个子信道间频谱相互重叠且相互正交 21.1OFDM系统的基本模型 OFDM是一种并行数据传输系统,它将高速串行数据经过串/并变换形成多路低速数 据分别对多个子载波进行调制,叠加之后构成发送信号。在接收端,用同样数量的子载波 进行相干解调,获得低速率数据流,经过并/串变换恢复得到高速数据流。 在传统的频分复用(FDM)系统中,通过将整个频带划分为若干个不相交的子频带来传 输并行的数据流,在接收端用一组滤波器来分离各个子信道。这种方法的频带利用率比较 低,因为子信道之间要留有保护频带,而且要实现多个滤波器也有难度。OFDM系统是 由大量在频率上等间隔的子载波构成,这些子载波的频谱可以相互重叠,这样就大大提高 了频谱的利用效率。由于各个子载波在整个符号周期上是相互正交的,因此虽然各子载波 的频谱之间存在重叠,在接收端仍然能够无失真的恢复发送数据。 在OFDM系统中,当子载波间的最小间隔等于符号周期倒数的整数倍时,可以满足 子载波正交条件。为了实现最大频谱效率,一般取载波最小间隔为符号周期的倒数。当符 号由矩形脉冲形成时,每个调制载波的频谱为sinx/x形状,其峰值对应于所有其它子载 波频谱中的零点,这样就能保证对每个子信道进行解调时,其它子信道的信号不会对其产 生干扰。同时,高速的数据流通过串/并变换被分配到速率相对较低的若干个子信道中并 行传输,每个子信道中的符号周期相对增加,可以减轻由于无线信道的多径时延扩展对系 统造成的码间干扰(Sn)影响。此外,OFDM中还引入了保护间隔( Guard interva)当保护 间隔长度大于最大多径时延扩展时,可以完全消除由于多径带来的码间干扰影响。如果采 用循环前缀(CP)作为保护间隔,还可以避免由于多径传播带来的信道间千扰(ICD OFDM的系统模型如图2-1所示,串行数据信息经过编码成为符号率为7的数据 符号,然后经过串并转换,形成了N个数据符号向量,表示为S~SM。此时并行数据符 号率为∥(NTs),就是说,并行符号的持续时间是串行时间的N倍。数据向量S~SM经 过离散傅立叶反变换后得到s~syr如果Snk表示第n个符号,第k个子载波的DFT输 出,则上述过程可表示为 2OFDM系统基本原理和同步性能分析 么keny 再经过并串转换,添加时间为T的保护间隔,数模转换,便被送入信道部分。保护 间隔的长度应大于信道的最大时延扩展,这样可以消除符号间干扰(S)和多径所造成的载 波间干扰CD影响,但同时也将符号的传输效率降为rg/(T+)。这样所有的OFDM符 号构成的表达示为: 0)、C>,m((+) (22) 在接收部分,信道中的OFDM信号经过模数转换,去除保护间隔,然后串并转换, 通过N点的离散傅立叶变换DFT),再经过并串转换和相应的解码便得到输出数据。接收 端的采样信号为: r(mr)=∑(m)5(m-)+m(m) (23) 其中,n(m;)为采样的高斯白噪声。 串行数 据输入 串/并变换 编码映射 IFFT 并/串变换 插入循环前缀 数模转换 信道 串行数并 据输出」串 均衡 FFT 变换 串/并变换 去掉循环前缀 模数转换 图2-10FDM系统的基本模型 Fig 2-1 The Basic Model of OFDM system 212申并变换 数据的串/并变换就是将串行数据流变换成并行数据流同时进行传输。这与传统的串 行数据传输形式是不一样的。 OFDM在发送端进行IDFT之前必须进行串并转换,其中的目的之一是为了更方便的 进行调制,同时由于数据符号传输时间的相应延长,可以减少多径无线信道的影响。当一 西安理工大学硕士学位论文 个OFDM符号在多径无线信道中传输时,频率选择性衰落会导致某几组子载波受到相当 大的衰减,从而引起比特错误。这些在信道频率响应上的零点会造成在临近的子载波上发 射的信息受到破坏,导致在每个符号中出现一连串的比特错误。与一大串错误连续出现的 情况相比较,大多数前向纠错编码(FEC)在错误分布均匀的情况下会工作的更有效。所以, 为了提高系统的性能,大多数系统采用数据加扰作为串并转换上作的一部分。这可以通过 把每个连续的数据比特随机地分配到各个子载波上来实现。在接收机端,进行一个对应的 逆过程解出信号。这样,不仅可以还原出数据比特原来的顺序,同时还可以分散由于信道 衰落引起的连串的比特错误使其在时间上近似均匀分布。这种将比特错误位置的随机化可 以提高前向纠错编码(GEC)的性能,并且系统的总的性能也得到改进 为了更加清晰的看到OFDM系统的优越性,表2-1列出了单载波和多载波传输方式 在符号时间、速率、频率带宽和对IsI敏感度等几个方面的比较。其中,N为子载波个数, T为一个OFDM符号的持续时间。 表21单载波和多载波传输方式的比较 Table2-1 Comparison of transmission between single carrier and multi-carriers 传输方式 系统参数 单载波 多载波 符号时间 T/N T 速率 N/T 1T 总频带带宽 2*N/T 2*N/+N*05/(假设保护带宽为0.5T) IsI敏感度 较敏感 较不敏感 2.1.3子载波调制 OFDM符号是由多个经过调制的子载波信号叠加组成。如果用N表示子信道的个数, T表示OFDM符号的宽度,d1=(i=0,1,…,N-1)是分配给每个子信道的数据符号,」是 序号为0的子载波的载波频率,rer()=1,H≤T/2为矩形窗函数,则从r=,开始的OFDM 符号可以用下式表示: T Re rect f-t exp j2 f C+3( ,t≤t≤l+T 1=0 (t)=0t<t或t>t+T 在多数文献中,通常采用复等效基带信号形式来描述OFDM信号,如下所示: 【实例截图】
【核心代码】