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宽带无线通信系统中的载波同步及天线校准研究

谢玉堂  
【摘要】:下一代无线通信系统中,为了实现大带宽、高传输速率、高频谱利用率等关键技术指标,多载波多天线是一种重要的体系结构。在这种体系结构中,为了克服大带宽情况下无线信道的频率选择性衰落,正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)是一种高频谱效率的形式,是非常有前途的一种多载波调制技术。在OFDM系统中,可以认为对每个子载波而言,信道是平坦衰落的。但是,OFDM技术应用于无线通信系统中,存在的致命问题是对载波同步非常敏感,并且峰均比较高。因而,载波同步技术是OFDM的核心技术之一。 在下一代无线通信系统中广泛使用多天线技术,如多输入多输出(Multiple Input Multiple Output,MIMO)、智能天线及分布式天线等,是提高频谱利用率的非常有效的手段。特别是,作为ITU-R技术发展趋势中定义的智能天线技术和MIMO技术,能在不增加带宽的情况下成倍地提高通信系统的容量和频谱利用率。因此,将MIMO技术与OFDM技术相结合,适应下一代系统发展趋势的要求。MIMO-OFDM技术是通过在OFDM传输系统中采用阵列天线实现空间复用或分集,提高了信号质量,它利用了时间、频率和空间三种分集技术,使无线系统对噪声、干扰、多径的容限大大增加。但是,这种结合并非是两种技术简单的叠加堆积,它们的有机结合,引出了诸多新的技术问题。因为在MIMO情况下,存在多条并行的特性各异的无线信道,使得问题变得非常复杂。 在多天线系统中,为了保证系统性能的实现,工程上要求天线阵列及射频通道之间的幅度和相位与理论设计相比,具有较小的误差;而作为核心技术的智能天线,为了准确形成波束,对天线阵列和通道有更高的要求。但是,由于加工、器件老化、温度变化等原因,天线、馈线和由模拟器件组成的射频通道往往需要校正才能满足需求。 本文从OFDM的载频同步技术入手进行研究,针对MIMO-OFDM系统的特点,提出了子波段算法,简化载波同步的复杂度;在多天线系统的天线通道校准方面,本文以要求最为严格的智能天线为研究对象,对该技术展开了深入的研究,从而可以满足所有多天线系统的校正需求。通过在实验平台上的实际验证,证明了所提出算法是有效的、实用的。 本文的主要贡献如下: (1)对OFDM系统的载波同步进行了深入的研究,分析了载波频率偏移对OFDM系统性能的影响。在此基础上,提出了一种基于导频的频率偏移的估计算法,分别估计小数倍的


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