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OFDM系统中基于线性调频信号的同步及信道估计与均衡

刘琦  
【摘要】: 随着现代社会的发展,人们开始了对第四代无线通信系统的研究,希望其能够提供更多的业务种类、更高的传输质量和更快的传输速率。但是,无线通信所面邻的传播环境却是十分复杂,诸如传播距离的增加导致信号平均功率的下降,多径效应带来信号的频率选择性衰落,多普勒频移造成信号的时间选择性衰落等等,这些都限制了无线通信系统性能的提高。 正交频分复用(OFDM)作为一种多载波并行传输技术,能够有效对抗多径信道的频率选择性衰落,同时具有较高的频谱利用率,接收端的均衡也很简单,非常适合于高速率数据传输。但是,相比于单载波系统,OFDM技术对同步偏差比较敏感,其发送信号的峰值平均功率比偏高,这些也是采用OFDM技术的系统所主要需要解决的问题。多输入多输出(MIMO)技术在不增加带宽的情况下能够大幅度提高系统容量和频谱利用率。MIMO技术和OFDM技术的结合,能将二者的优点有机结合起来,是下一代无线通信系统的核心技术之一。 本文主要研究OFDM系统中和MIMO OFDM系统中的同步以及信道估计与均衡技术,这也是一个无线通信系统接收端的基本组成部分。 首先,本文描述了无线信道的传输特性和OFDM系统的基本原理,讨论了定时同步误差、载波频率偏差和采样时钟频率偏差对OFDM系统性能的影响,并给出了研究人员业已提出的解决方法。之后,本文介绍了分数阶傅立叶变换的定义、性质和离散算法,并着重分析了线性调频信号在进行分数阶傅立叶变换时所具有的特性以及在分数阶傅立叶域中实现OFDM系统中的同步所具有的优势。 然后,利用多个具有不同调频率的线性调频信号,本文设计了两种不同结构的训练序列,将其叠加在数据信号上,并相应的提出了两种不同的OFDM系统中基于分数阶傅立叶变换的联合定时同步与频率同步算法。随后,本文将该算法加以推广,分别应用于分布式MIMO OFDM系统和集中式MIMO OFDM系统中。理论分析和仿真结果表明,与已有方法相比,无论是在OFDM系统中,还是在MIMO OFDM系统中,本文所提出的基于分数阶傅立叶变换的联合定时同步与频率同步算法均具有较好的定时同步性能,而且最大可估计的载波频偏接近系统有效带宽的一半。同时,由于训练序列是叠加在数据信号上的,训练序列的发送也不会降低系统有用数据的传输速率。 接下来,从保持发送信号的循环特性出发,本文对前文所使用的两种不同结构的训练序列分别加以了改进,使其同样能够用于实现基于分数阶傅立叶变换的联合定时同步与频率同步,并根据改进后训练序列的结构提出了OFDM系统中和MIMO OFDM系统中的信道估计与均衡方法,从而可以与前文所提出的同步算法构成一个完整的系统接收端。 最后,本文研究了基于自相关匹配原理的MIMO信道均衡算法,通过在各个发送天线的数据信号前添加不同结构的前缀,各个发送信号的自相关函数满足自相关独立条件,接收端即可完成基于自相关匹配原理的信道均衡。理论分析和仿真结果表明,与传统的基于自相关匹配原理的信道均衡方法相比,采用添加前缀的方式,系统实现的复杂度可以大大降低,而且误比特率性能有了明显改善。 文末,本文总结了全文内容,并展望了无线通信今后的发展趋势。


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