OFDM通信系统中同步技术的研究-答辩PPT

OFDM通信系统中的同步技术的研究专业：通信工程姓名：指导教师：主要内容一、研究背景及现状二、OFDM的系统原理四、OFDM系统同步算法研究三、OFDM系统的同步技术一、研究背景及意义正交频分复用（OFDM）技术是一种多载波数字调制技术。它将高速的数据流分解成许多低速率的子数据流，利用相互正交且部分重叠的多个子载波携带信息同时进行传输。因此，OFDM系统的频谱效率高，抗多径能力强，且传输的数据速率高，从而在移动无线通信系统中得到了广泛的应用。纵观移动通信发展史，第一代移动通信系统仅仅提供语音服务；第二代和第三代数字移动通信系统的数据传输速率有限；第四代移动通信系统有希望以OFDM为核心技术提供增值服务，它在宽带领域的应用具有很大的潜力。改善了前几代无线系统中的宽带、时域均衡、频谱效率等一系列问题，成为无线通信技术的开端。二、OFDM的系统原理2.1--OFDM的系统模型OFDM系统原理框图2.2--OFDM系统原理正交频分复用（OFDM）的基本原理就是把高速的数据流通过串并变换，分配到传输速率相对较低的若干个子信道中进行传输。发送端发送数据经过串/并转换的方式使之成为N路低速数据流，然后将这N路数据流经过数字调制后成为复信号，完成多载波调制。OFDM接收机事实上是一组解调器，它将不同载波搬移至零频，然后在一个码元周期内积分。2.3--FDM的关键技术OFDM的关键技术同步技术信道估计峰值平均功率比同步技术OFDM系统因为存在多个正交子载波，并且其输出信号是多个子信道的叠加，所以对同步要求特别高，同步可以通过特殊的训练序列来进行，亦可以利用OFDM符号本身的特性。同步技术的研究是论文的主要内容在下面会做具体介绍。信道估计加长循环前缀的长度才可以保证尽可能不出现ISI，但是长度过长必然会产生能量损失，效率降低，特别对子载波个数不是特别大的系统更明显。这时考虑信道估计并且加均衡器已达到适当减少前缀长度的效果，通过增加系统复杂性得到系统频带利用率的提高的效果。此外，对采用分集接收的系统也需进行信道估计来达到最佳合并的目的。峰值平均功率比OFDM信号在时域上的形式是N个正交子载波上的信号叠加，若这N个信号正好以峰值叠加时，OFDM信号将会产生最大峰值，信号幅值超出功率放大器的线性区域将会造成严重的带内扭曲和较高的带外辐射，所以高的峰值平均功率比导致OFDM系统的性能很大幅度降低甚至于直接影响到实际的应用。如若想避免这种情况的发生，必然保证发射的OFDM信号的平均功率低于功率放大器的峰值功率，这会造成功率利用效率降低的后果。在降低PAPR的很多方法中，最经常用的方法是基于幅度限制的方法，2.4--OFDM技术的优缺点分析OFDM技术主要优点：⑴频率利用率高；⑵抗衰落能力强；⑶抗码间干扰；（ISI）能力强；⑷适合恶劣环境下的高速数据传输。OFDM技术主要缺点：⑴对频偏和相位噪声比较敏感⑵自适应调制技术、负载算法会增加系统复杂度、⑶功率峰值与均值比大，以致于射频放大器的功率效率较低。2.5--OFDM系统参数选择一般，在OFDM的各种参数中要确定的3个参数是：带宽、比特速率和时延扩展。时延扩展是保护间隔的长短的直接原因，按照惯例，保护间隔的时间长度是时延扩展的2到4倍。要求设计的系统满足如下条件：比特速率取：25Mbit/s；可容忍的时延扩展：200ns；带宽：16MHz。三、OFDM系统的同步技术3.1—OFDM系统同步简介载波同步是为了实现接收端的相干解调。符号同步的目的是使接收端确定每个OFDM符号的起止时刻，并进一步实现块同步或帧同步。样值同步包括样值定时同步和样值频率同步，样值定时同步是为了使接收端确定每个样值符号的起止时刻，样值频率同步则是为保证使接收端具有相同的样值频率而设计的。OFDM系统同步载波同步符号同步样值同步3.2--OFDM系统同步原理分析在发送端，串行发送的数据流首先经过串/并转换变成并行的数据流，进行逆傅立叶变换，再经并/串转换后得到数据流,插入循环前缀得到，再进行数模转换后得到模拟信号，调制到载波后，送到信道中进行传输。接收端的处理过程与发送端的处理过程刚好相反。ksnxtxcfnsOFDM系统同步时间同步频率同步四、OFDM系统同步算法研究4.1--基于循环前缀的最大似然估计算法最大似然估计（MaximumLikelihoodEstimation,ML）算法是利用OFDM符号中循环前缀的方法来进行同步的算法，这种算法由VandeBeek等人提出，因为循环前缀与信息符号最后一部分数据是一样的，因此可以利用与信息符号中部分数据的相关性极大这个特点来进行估计。假设信号一帧包含了N个载波，循环扩展的保护间隔长为L，这种算法是假定信道为加性高斯白噪声信道的基础上推理出的。假如传输的一个OFDM符号包含有N个子载波，循环前缀长为L，单位为抽样间隔如下图对信息符号最后一部分数据重复符号i-1符号i1dd+L-1Id+Nd+N+L-1I’2N+L符号i＋1观察最大似然算法的观察区间输出端2N+L个连续样值r(k)，这些样值中含有一个完整的N+L个样值的OFDM符号，循环前缀就是把一个数据符号(N个样值)的最后L个样值复制到数据符号前。设d为OFDM符号的起始点，则两个集合定义为第i个多载波符号循环前缀集合循环前缀复制的区域将2N+L个观察点作为一个向量，即1,...,1,LdddITLNrrrr2,...,2,11,...,1,'LNdNdNdI因为和中的元素对应一样，所以存在以下相关特性式中：和的意思分别是有用信号和加性高斯白噪声的能量；为被采样间隔归一化的小数频偏。这2N+L个样值中，仅仅集合和集合中的对应元素存在相关性，其它各点间能看成是相互独立的。定义为接收信号的条件概率密度函数，似然函数其他其elseNmmemkrkrEjsns002222IkrIkkrfNkrkrfdrfd,log,log,snI'I,drf化简后，无视与和d无关的量，从而得到式中，接收端相隔N个样值的共轭乘积(即相关值)为接收信号的能量值为相关系数所以,符号到达时间和频率偏差的最大似然联合估计算法为ddrdrd2cos,12221LddkNkrdrdNkrkrdrLddk11222SNRSNRnss式中SNR为信噪比MLMLMLdrddrd21maxargd4.2--仿真符号定时估计曲线采样点相关值子载波数N=1024循环前缀长L=128载波频率偏差=0.25，SNR=40dB。频偏估计曲线采样点载波频率偏差幅值估计范围有限算法优缺点优点：1、计算量小，算法实现简单2、频偏估计精度高缺点：1、频偏估计范围小2、ML算法只能用于AWGN信道3、CP只是对传输信号的简单复制，并不具备像PN序列或巴克码那样的尖锐的自相关特性，于是，按照ML算法计算出来的在定时点．及两旁若干点的自相关值都比较大，当有噪声影响时，将导致定时粗糙不精确。谢谢老师们！