OFDM系统的同步参数估计技术研究

1.1前言 随着移动通信的迅猛发展，人们对移动通信的要求也逐渐从一代、二代的简单的语音通信业务(二代可以提供低速率的数据业务)，逐渐向图像、高速率数据等多媒体业务过渡。在三代中己经可以提供静止2Mbps数据的能力，而在三代以后移动通信系统预计系统速率可达到20Mbps，甚至更高，对于传统的单载波技术来说，如此高的速率使符号长度大大缩短，在无线信道中就会造成严重的ISI问题，要均衡信道的影响，就要使用复杂的均衡器。而基于多载波技术的OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）技术凭借着其天生的克服ISI的性能和良好的抗多径能力，己经引起了人们的广泛关注。因此人们考虑在下一代通信系统中采用多载波技术， OFDM技术倍受青睐就是顺理成章的事了。 本文着重对OFDM技术的基本理论知识、基本系统模型和保护间隔循环前缀等相关的理论以及OFDM技术的优缺点进行介绍。并使用MATLAB仿真OFDM系统基本模型。此后，在对OFDM系统进一步了解基础上对OFDM的同步问题进行研究。本文分别对OFDM 系统当中的定时同步和频率同步所采取的算法进行了分析。然后根据一种基于周期平稳特性的联合估计算法对它的同步参数（频偏和时偏）进行估计仿真。 1.2 OFDM的发展历史和技术特点 OFDM全称为Orthogonal Frequency Division Multiplexing，中文译为正交频分复用。第一代、第二代移动通信系统主要是为支持话音和低速率的数据业务而设计的。但随着人们对通信业务范围和业务速率要求的不断提高，己有的第二代移动通信网将很难满足新的业务需求。为了适应新的市场需求，第三代(3G)移动通信系统标准应运而生。提出的标准主要CDMA2000(美国为主)，WCDMA(日本和欧洲)，TS-CDMA(中国)，但是由于3G系统的核心网还没有完全脱离第二代移动通信系统的核心网结构，所以普遍认为第三代系统仅仅是一个从窄代向未来移动通信系统过渡的阶段。目前，人们己经把目光越来越多地投向三代以后(beyond 3G)的移动通信系统中，使其可以容纳市场上庞大的用户数、改善现有通信系统品质不良的现象，以及达到高速数据传输的要求。若以技术层面来看，第三代移动通信系统主要是以CDMA为核心技术，三代以后的移动通信系统则以正交频分OFDM最受瞩目。其基本思想是:在频域内将指派的信道分成许多正交子信道，在每个子信道上进行窄带调制和传输。由于每个子信道宽度小于相关带宽，因此是平坦的，这样就能有效地对抗频率选择性衰落，减小符号间干扰〔ISI〕。众所周知，无线信道是一种非常复杂的信道，存在着严重的频率选择性衰落.各种噪声的干扰和多径传播下的码间串扰等问题.这些问题都会严重地影响着移动通信系统的性能和质量。为了克服上述缺限提高系统的性能，大多数移动通信系统都采用了对幅度抖动不敏感的移频键控(FSK)和带高斯滤波器的移频键控 (GMSK)等调制方式，并采用了降低码率及自适应反馈均街等措施。但上述调制技术的信道利用率不很高，因此随着频率资源的日趋紧张，又出现了多种新的高效的调制方式，而多载波调制技术OFDM便是其中之一。 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，且在相关接收时各副载波需要准确地同步，因此当子信道数很大时，系统就显得非常复杂和昂贵。为了简化正弦信号发生器阵列，1971年，Weinstein和Ebert就提出使用离散傅立叶变换(DFT)，如专用的硬件-----快速傅立叶变换〔FFT〕电路，实现OFDM 系统中的全部调制和解调功能的建议。因而简化了振荡器阵列以及相关接收机中本地载波之间的严格同步的问题，为实现OFDM的全数字化方案作了理论上的准备。 至80年代以后，OFDM 的调制技术再一次成为研究的热点。例如在有限信道的研究中Hirosaki于1981年用DFT完成OFDM调制技术， 16QAM多路并行传送19.2 kbitls的电话线MODEM.????? 而在无线移动信道中，尽管存在着多径传播及多普勒频移所引起的频率选择性衰落和瑞利衰落，但OFDM调制还是能够减轻瑞利衰落的影响。这是因为在高速串行传送码元时，深衰落会导致邻近的一串码元被严重的破坏，造成突发性误码。而与串行方式不同，OFDM 能将高速串行码流转变成许多低速的码流进行并行传送，使得码元周期很长， 即远大于深衰落的持续时间，因而当出现深衰落时，并行的码元只是轻微的受损，经过纠错就可以恢复。另外对于多径传播引起的码间串扰问题，其解决的方案是在码元间插入保护间隙，只要保护间隙大于最大的传播延迟时间，码间串扰就可以完全避免。正基于此，1984年，Cimini提出了一种适于无线信道传送数据的OFDM方案。其特点是调制器发送的子信道副载波调制的码型是方波，并在码元间插入了保护间隙。虽然各子信道的频谱为Sin(x)/x形，但由于码元周期很长，单路子信道所占的频带很窄，因而位于信道频率边缘的子信道的拖尾，对整个信道带宽影响不大，可以避免多径传播引起的码间串扰。同时由于省去了升余弦滤波器，使实现的方案非常简单，因此后来的大多数OFDM方案都是以此为原形实现的。目前，国内对的研究尚处于理论分析及计算机模拟阶段，与国外还有一定的距离。随着超大规模集成电路(VLSI)芯片技术的迅速发展，己经出现了高速大阶数的FFT专用芯片及可用软件快速实现FFT的数字信号处理 (DSP)的通用芯片，且价格低廉，使利用FFT来实现OFDM的技术成为可能。因此人们考虑在下一代通信系统中采用多载波技术， OFDM技术倍受青睐就是顺理成章的事了。