多天线正交频分复用无线通信系统的基带同步算法研究

【摘要】：信息世界的飞速发展和多媒体数据通信的爆炸性增长，为未来无线通信技术带来了机遇和挑战。这些挑战包括移动性、实时性、用户体验性等方面的巨大需求。近年来发展起来的基于多天线（MIMO）的无线通信系统正在显示出技术上的优势。同时，正交频分复用（OFDM）技术由于可以有效地对抗多径衰落、具有较高的频谱效率等优势已经被广泛地应用于地面无线通信领域。两者的结合，即基于多天线的正交频分复用（MIMO-OFDM）无线通信系统是未来无线通信技术发展的极为重要的方向之一。 无线通信系统中基带同步算法的性能是决定数据接收可靠性的非常重要的环节之一。OFDM技术对子载波间的正交性要求十分严格。传统使用的循环前缀（CP）保护技术，可以部分地解决在单天线OFDM系统中由于采样定时偏差所引入的基带同步问题。但是，在MIMO-OFDM无线通信系统中，多天线会对基带信号处理造成天线间干扰，因而在MIMO-OFDM无线通信系统中基带同步成为在无线通信理论上和系统实现上亟待解决的问题之一。 本论文主要研究了MIMO-OFDM无线通信系统中的同步，包括定时同步和频率同步的问题。在分析了基于多天线合并的定时同步和频率同步算法的理论性能的基础上，提出了三种改进算法，包括最大比合并定时同步算法、非相干序列检测算法，以及载波频偏和采样频偏的估计算法。通过无线通信链路仿真系统和FPGA硬件平台进行了这些创新算法的实现与验证。论文的主要研究工作包括： 1.论文全面地分析了衰落信道下各种同步偏差对OFDM通信系统性能的影响以及MIMO无线信道模型，为后续章节的同步算法设计提供了理论基础。 2.论文在多天线信号定时同步研究的基础上，提出了基于改进信噪比估计算法的最大比合并的定时同步算法，给出了基于线性分集合并定时同步算法的理论分析及性能。仿真结果表明改进后的定时同步算法在四个接收天线的条件下，可以获得0.1dB的性能增益，并且可以比基于等增益合并定时同步算法改善0.5dB。 3.论文提出了一种非相干序列检测的改进算法。通过消除采样定时偏差和利用平滑序列的频域特性，该算法与目前所使用的基于不完美信道估计的相干序列检测算法相比，在高信噪比下可以保持性能相同，而在低信噪比下可以获得0.8dB的性能改善。 4.论文在捕获阶段多天线信号频率同步研究的基础上，提出了基于改进信噪比估计算法的最大比合并的载波频偏和采样频偏联合估计算法，同时分析了基于线性分集合并频率同步算法的理论性能。仿真结果表明改进后的频偏估计算法更加接近理论极限，在四个接收天线的条件下可以使性能提高0.1dB。与基于等增益合并频偏估计算法相比，改进算法的性能和理论界限的距离缩短了0.8dB，因此该算法能够在捕获阶段获得较高的估计精度。 5.论文针对在芯片硬件电路实现多天线同步算法中面积和功耗较大这一具体问题，提出了减少存储单元数量的方法，显著降低了数字电路面积（降低79%）和功耗（降低75%）。该方法还可以根据同步状态机中不同阶段选择不同功耗的模数转换器（ADC）来降低模拟前端电路功耗。 本论文通过对基带同步算法的理论研究和性能分析，为MIMO-OFDM无线通信系统的同步提供了具有创新性的三个改进算法，同时提供了基于改进算法的芯片优化设计方案。