OFDM宽带无线基带接收机中的同步算法研究

【摘要】： OFDM技术具有很高的频谱效率和对抗多径衰落的能力,已经被许多无线通信标准定为物理层传输方案。但是OFDM系统对同步误差比单载波系统更加敏感,同步性能的好坏直接影响到基带接收机的性能。本论文主要针对OFDM宽带无线基带接收机中的同步算法进行了深入研究,内容包括载波同步和符号同步,并且对其性能进行了严密论证和深入分析。 以OFDM系统的子载波间隔做归一化,载波频率偏差可以分为小数和整数频偏。本论文针对已有算法运算复杂度高、频谱效率低和估计精度不够等问题,提出了两种改进的小数频偏的同步算法,具体包括：1)基于恒定包络调制OFDM系统的小数载波频偏估计算法,通过最小化相邻两个OFDM符号中相同子载波上数据的能量差来获取频偏估计。证明了算法的可分辨性问题,在此基础上利用曲线拟合设计了简化的搜索方法,然后理论推导了算法估计的均值和均方差。2)应用于恒定包络调制OFDM系统的载波频偏跟踪算法。算法假设接收机已知信道频率响应,因此可以通过最小化OFDM符号与信道频率响应的能量差来跟踪频偏。文中证明了算法的可分辨性问题,利用多项式求根的方法简化了复杂度,理论分析表明算法性能对信道估计误差不敏感。利用空时编码,上述两种算法都可以应用在MIMO-OFDM系统中。仿真结果表明相比于已有算法,以上两种算法能够有效降低系统误比特率。 其次,提出了两种整数频偏的估计算法,具体包括：1)利用线性预编码来进行整数载波频偏估计。线性预编码在发送机IDFT调制以前为某些子载波上的数据引入相关性,接收机在DFT解调以后通过考察这些子载波的分布情况进行频偏估计。文中仔细设计了这些特定子载波的选取规则以获得最好的性能。2)提出一种采用恒定包络调制的OFDM系统的整数频偏估计算法。通过能量再分配技术放大或缩小相邻两个待发送的OFDM符号中某些子载波上数据的能量从而“记忆”下没有频偏的OFDM符号结构；在接收端DFT解调以后考察这些子载波的分布情况可以得出频偏估计。文中设计了简化的算法,并且通过选取多个子载波或者多个OFDM符号来对抗多径效应。算法同样可以应用在MIMO系统中。以上两种算法不需要导频或是空载波,所以频谱利用率较高。 最后,设计了一种两步式的OFDM符号同步方法,符号定时的最佳点是多径信号中第一径的到达时间。算法借助于一个训练符号来估计第一径时延,适用于突发型OFDM传输系统。算法包括粗符号同步和精符号同步两部分。粗符号同步采用基于循环前缀的最大似然算法估计出一个粗符号定时点,同时把第一径时延限制在这个点为中心的一个搜索区间内以供精同步使用。精符号同步采用遗传算法来进行信道估计和精定时。对于搜索区间内的每一个点,遗传算法都会将其假想为第一径到达时刻,然后随机搜索信道冲击响应,使得信道冲击响应同训练符号的卷积结果,与接收信号有最小均方差；最小均方差对应的点即为第一径时延。仿真结果表明相比于已有算法,两步式方法在低信噪比情况下其估计精度更具优势。根据搜索区间的长度,算法可以在速度和精度上折中,提高了系统设计的灵活性。