OFDM同步方案设计

第1章 绪论
1.1引言
早在40多年前，Collins Kineplex就提出了多载波传输原理：即将串行传送的数据分成若干个数据流，分别调制到不同的载波上，进行并行传输。OFDM技术的思想最早在1966年由Chang提出[1]，由于当时只能使用模拟滤波器分离子载波，复杂度较高，一直没有发展起来。到1971年，Weinstein提出利用离散傅里叶变换(DFT)来实现多载波的调制和解调[2]，为OFDM的实用化奠定了基础。1980年，Peled提出在OFDM符号之间插入循环前缀作为保护间隔[3]，在消除符号间干扰(ISI)的同时，使系统在多径条件下仍能保持正交。至此，形成了现在广泛使用的基于OFDM技术的现代无线通信系统基本构架。到世纪90年代，随着数字信号处理(DSP)技术和超大规模逻辑集成电路(VLSI)技术的发展，以及人们对更高速率更高质量和更多灵活性的通信方式的不断追求，世界上掀起OFDM的研究热潮。
进入21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，未来的移动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。目前普遍的观点是，下一代的无线通信网络将是基于统一的IPv6包交换方式，向用户提供的峰值速率超过100Mbit/s[4]，并能支持用户在各种无线通信网络中无缝漫游的全新网络。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，最高可达32kbit/s：第三代移动通信系统数据传输速率可达到2Mbitts；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至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。

1.2 OFDM 及其同步技术的国内外发展现状介绍
1.2.1 OFDM 通信系统的国内外发展现状介绍
OFDM通信技术是一种多载波传输技术，多载波传输的思想可以追溯到 20世纪 60 年代，从那个时间开始，逐渐有人开始提出并行化传输信息的思想。早期提出的OFDM系统是利用正弦发生器组和相关解调器组实现，这种设计既复杂又昂贵，因此只被应用于军方高频通信中。为了解决这个问题，Weinstein等人在1971 年将离散傅里叶变换（Discrete Fourier Transfer，DFT）引入到 OFDM 调制解调过程中，并且提出一个完整的OFDM通信系统包括基于 DFT的OFDM 信号产生、在多径信道环境下添加循环前缀等过程。而随着FFT 技术的发展，利用FFT的专用硬件设备即可实现全数字式OFDM 系统，这样就完全避免了OFDM调制时所需要的大量正弦波发生器组和相应的解调器组。 到 20 世纪 80 年代，OFDM技术已经被广泛用于高速调制解调器、精密测量以及数字移动通信等领域[5]。Hirosaki 等人探索了基于 DFT、多阶 QAM 的OFDM系统，在此阶段，利用 OFDM 技术研制用于电话网络的多速率调制解调器。1985年，L.J.Cimini 模拟与分析了OFDM技术在数字移动通信中的性能，显示出在突发性瑞利衰落信道环境下OFDM系统比单载波系统具有更好的抗衰落性能。1988 年，D.Decker 将网络编码技术引入到OFDM系统中，并以此获得美国国家发明专利。从 20 世纪 90 年代开始，随着 DSP 和专用集成电路的高速发展，以及对OFDM相关技术研究更加深入，妨碍 OFDM实现的技术瓶颈已经不复存在。特别是随着无线多媒体通信的快速发展，OFDM 技术被认为是实现高速无线数据通信的最优选方案，得到了非常广泛的应用。 进入 21 世纪，全球无线移动通信界研究最为热门的无非是长期演进技术（LTE）。目前，LTE 已经在欧洲部分地区实现商用，而在中国部分城市也在试点商用，LTE 的下行链路使用 OFDM调制，通信带宽可以达到 20MHz，支持城市、山区等多种信道环境，支持通信终端在高速交通工具上使用，完全实现移动多媒体通信技术，为民众生活带来方便。 而在未来的宽带通信系统研究中，OFDM 技术必然是一种关键技术，而OFDM基于与其它技术所结合的系统也会成为研究热点，比如 MIMO-OFDM、Multi- Band OFDM 等技术，以及OFDM技术与 CDMA 技术在优势互补后产生的一些新技术也将会是研究的热点。
1.2.2 同步技术的国内外发展现状介绍
一直以来，研究同步问题是研究基于OFDM技术的通信系统的重点问题。有很多文献都提出了一些用于定时同步和频率同步的算法，其中主要的分为基于辅助数据的算法和基于非数据辅助的算法，基于辅助数据的算法又分为基于时域训练序列的算法和基于导频数据的算法，而基于非辅助数据的算法分为基于循环前缀的算法和盲同步算法。早在1994 年，Meyr和Classen就提出了利用导频处理OFDM同步问题，将导频数据利用一定的排列规则插入到OFDM符号的时频分布中，在接收端的频域中提取导频进行同步，这类算法因为是在频域操作，因此主要是用于频率同步，而且利用导频进行估计的算法一般都较为复杂，后来相继出现了一系列对基于导频的同步算法方面的复杂度优化，比如 Kilbom Lee 和 Sungh n Moon等人在 2012年提出的将判决反馈法结合于导频数据进行的同步算法。到 1997 年，T.M.Schrnidl 和 D.C.Cox、Minn 以及 Park 等人开始设计特殊的时域序列（训练序列），用于定时和频率同步，这些序列一般都具有比较好的相关性能，会损失一定的通信速率[12,13,14]。后续的基于训练序列的同步算法一方面优化了对系统传输速率的影响，另一方面使得同步性能更为准确，比如在发送端插入训练序列时只是在部分子载波上插入，其余子载波上可以插入数据，在接收端同步时，将同步序列以外的数据进行滤除，从而得到同步序列，用于进行同步。因此，在研究使用训练序列进行同步的同时，Beek 在 1997 年提出了使用 OFDM中循环前缀（CP）进行符号和频率同步，这样不会损失通信速率，但同步性能没有使用训练序列的算法性能好。基于以上算法，近年来，大量的文章研究盲估计算法，使得同步算法能够一方面不损失通信系统的数据速率，另一方面又具有良好的同步性能，如 Tureli 提出的利用虚子载波的频率同步算法，此算法利用了基于子空间的概念，并利用到了阵列信号处理中的 ESPRIT 算法，此算法虽然不会影响通信系统的数据速率，但算法非常复杂，硬件的可实现性很低。未来在同步算法的研究方面需要重点考虑在不降低或较少的降低通信数据速率的条件下，同步算法尽可能的简单且易于硬件实现。
1.3 OFDM 通信技术的特点
1.3.1 OFDM 技术的优点
OFDM技术之所以应用广泛，是因为其具有很多方面的优点。首先，OFDM系统的带宽利用率很高，传统的多载波传输系统中的载波频带都是严格分离，互不交叠，在接收端利用带通滤波器针对某个载波滤除带外信号，从而接收数据；而OFDM技术的子载波间频谱可以交叠，利用子载波间的正交性实现，满足正交性的子载波间互不干扰，这样有效的提高了带宽利用率。而且，OFDM系统可以采用 FFT 技术快速实现调制和解调，首先，在发射端将经过调制的频域数据进行 IFFT 变换到时域进行发送，在接收端相应的利用 FFT 变换将接收到的时域信号变换到频域信号进行判决解调。OFDM系统还可以利用在符号与符号间插入了保护间隔，来避免因为多径衰落而出现的符号间干扰。同时，OFDM系统支持动态比特分配方法，由于在频率选择性信道条件下，每个子信道的衰落情况不同，利用动态比特分配和子载波动态分配的方法，OFDM通信系统充分利用信道衰落度小的子信道，使得通信系统的整体性能有所提高。OFDM系统也支持自适应调制，即 OFDM系统中的每个子载波可以使用各自不同的调制方式。最后，OFDM系统还支持业务非对称性，无线数据通信业务一般都存在非对称型，即上行业务和下行业务数据量可能不同，OFDM通信系统可以采用上下行载波数量不同来实现业务的非对称性。
1.3.2 OFDM 技术的缺点
OFDM技术因为诸多优点而被广泛应用，但OFDM也不是没有缺点的。OFDM系统中的子载波是完全相互正交，而且系统输出是将多个子载波上的并行数据进行并串转换，这样就导致OFDM系统存在一些缺点，主要表现为对同步偏差的敏感和峰均功率比较高。OFDM技术在发送端将数据利用IFFT 变换调制到各个子载波上，而在接收端需要使用相对应的 FFT 变换从子载波上解调数据，要进行 FFT 变换就必须知道每个OFDM符号的起始点，否则将引入符号间干扰，而要知道每个 OFDM符号的起始点，就需要准确的定时同步。又因为 OFDM系统的子载波间频谱交叠，要求子载波间需要保持严格的正交性，一旦存在频率偏差，正交性就会受到破坏，这样即会出现载波间干扰。另一方面，OFDM系统在发送端信号输出时是将多个子载波上的信号叠加（并/串转换），此时如果多个信号的相位相同时，则叠加后的信号会瞬时出现功率远远大于平均功率，导致出现较大的峰均功率比。这就会导致在射频端发射时功放需要更宽的线性范围，如果功放的线性范围不够宽，则会使得放大后的信号频谱发生畸变，这样导致子载波之间的正交性会受到破坏，最终影响系统通信性能。
 
第2章OFDM基本原理及同步误差对系统的影响
2.1 OFDM基本原理
根据OFDM信号的定义，可知一个符号内的OFDM基带信号是根据多个正交子载波的叠加形成的。所以一个OFDM符号可以表示为：
S(t)=1/√N ∑_(k=0)^(N-1)▒s_k e^j2πft
对上述信号按照采样间隔 Ts/N 的时间间隔进行采样，那么在子载波频率为f =k/NTs的情况下最终得到的离散的采样以后的信号可以表示为：
S(nT_s )=1/√N ∑_(k=0)^(N-1)▒s_k e^(j2πfnT_s )=1/√N ∑_(k=0)^(N-1)▒s_k e^(j2πkn/N)

对比公式的结构可以将OFDM调制看作离散傅里叶变换的逆变换（Inverse Discrete Fourier Transform，IDFT），通过 IDFT 的变换，可以将频域信号转换到时域信号，最后通过射频载波的叠加，进行发射。相应的在接收端解调过程中，对于OFDM信号的解调就对应于使用 DFT 变换就能解调出原始的信号。
由于 IDFT 的计算复杂度很高，在实际工程应用过程中，一般使用快速傅里叶变换对（FFT/IFFT）来代替 DFT/IDFT 变换对。添加循环前缀可以有效地对抗多径时延，消除符号间干扰，也可以消除子载波间干扰，具体的循环前缀在下一节中详细介绍，添加了循环前缀的OFDM通信链路框图如图 2-1 所示，输入数据流先进行串并转换，将串行数据变化成N 路并行数据，然后对 N 路并行数据进行 N 点的 IFFT 变换，此时即完成了子载波映射，然后对映射后的 N 路数据进行并串转换，转换后添加循环前缀，然后经过D/A 等变换发射到信道中,N(t )为噪声叠加，而在接收端，首先经过 A/D 变换成数字信号，然后去掉循环前缀，进行串并变换后，再利用 FFT 变换就可以恢复出发送端数据。