多载波OFDM信号接收机的频率偏差补偿设计与分析通信工程专业.docx

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1、才商1Abstract2前言3第一章绪论41. 1研究背景41.2 国内外现状41.3 本文主要研究内容5第二章OFDM系统的基本原理72. 1OFDM系统结构模型72. 2OFDM系统的仿真7第三章多载波OFDM系统中S&C频率同步算法的实现93. 1频率偏差对多载波OFDM系统的影响93. 2多载波OFDM系统中S&C频率同步算法的原理分析103. 3多载波OFDM系统中S&C频率同步算法的实现方法12第四章频率同步算法的仿真与分析144. 1频率偏差对多载波OFDM系统的影响与仿真分析144. 1.1小数频偏对多载波OFDM系统的的影响的仿真分析144.1. 2整数频偏对多载波OFDM系

2、统的的影响的仿真分析164. 2S&C频率同步算法的仿真与分析19第五章论文总结与研究展望235. 1论文内容总结235.2研究展望23参考文献25致谢27OFDM正交频分系统在实际应用中对由非理想因素引起的频率偏差非常敏感。因此，载波频率同步对于OFDM系统来说是十分关键的。本论文主要研究分析了多载波OFDM系统下，整数倍频率偏差和小数倍频率偏差对系统性能的影响，并完成了一个简单OFDM信号调制与传输的仿真程序设计。最后，还实现了S&C频率同步算法，在接收端可以进行频偏估计与补偿来降低频偏对系统的影响。仿真结果表明：1）在系统中提高子载波数和减少每帧含有的OFDM符号数均可以缓解小数倍频偏对

3、OFDM系统误比特率性能的影响程度；2）整数频偏虽然不会引发载波间干扰ICI,但是由于对接收数据序列产生循环移位也造成了很高的误码率；3）S&C频率同步算法仿真的频偏估计平均误差在10-5左右，精度较好，也证明了该同步算法能缓解由频率偏差造成的系统误比特率性能恶化。关键词：OFDM系统，频率偏差，频率同步，误比特率性能AbstractInpratice,OFDMsystemsareverysensitivetofrequecncyoffsetcausedbythenonidealfactors.Hence,carrierfrequencysynchronizationisthecritical

4、techniqueinOFDMsystems.ThispaperinvestigatestheeffectthatintegerfrequencyoffsetandfractionalfrequencyoffsetbringtotheOFDMsystemswithmultiplecarriers.ThenasimulationofgeneralOFDMmodulationandtransmissionisaccomplished.Finally,S&C(Schmidl&Cox)algorithem,whichisusedtoestimateandcompensatethefrequencyof

5、fsetatthereceiverside,isimplementedtoverfythevalidity.Asaresult,thesimulationsshowthat1)increasingthenumberofsubcarriersinthesystemandreducingthenumberofOFDMsymbolsineachframecanreducetheinfluenceoffractionalfrequencyoffsetonBERperformanceofOFDMsystem;2)theintegerfrequencyoffsetdoesnotcausethephenom

6、enonofICI,butitleadstoahighBERduetothecyclicshiftofthereceivingdatasequence;3)theMSEofthefrequencyoffsetestimationofS&Cfrequencysynchronizationalgorithmwhichfulfillsagoodaccuracyofestimatingthefrequencyoffsetisaround105.ItalsoprovesthatthesynchronizationalgorithmcanalleviatethedegradationofBERperfor

7、mancecausedbyfrequencyoffsetinOFDMsystems.Keywords:OFDMsystem,frequencyoffset,frequencysynchronization,BERperformance前言凭借较高的频率利用率和极强的抗多径衰落能力，正交频分复用技术(OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing,OFDM)在实际无线通信系统中扮演重要角色。然而在OFDM系统实际应用中即使极小的频率偏差也有可能破坏子载波之间的正交性，从而引入载波间干扰(Inter-CarrierSInterference,ICI),急剧恶化系统误

8、码率性能。因此，为了补偿频率偏差对OFDM系统性能的影响，提高传输效率，对系统进行频率同步的相关研究就显得尤为重要。本文以OFDM系统的基本理论为基础，对两种不同种类的频偏对OFDM系统的影响进行研究并进行仿真分析，并介绍了S&C(SehmidI和CoX提出的算法)频率同步算法的原理与实现，并在带有频偏的OFDM系统中进行仿真实现，并对仿真结果进行分析总结。论文的内容作如下的安排：第一章主要指出本论文频率同步问题的研究背景和关于OFDM系统接收机的频率同步问题的国内外研究现状，再此基础上，从理论分析至解决方案再到系统实现与测试分析的研究思路出发，展开研究内容。第二章简要介绍了本文仿真的多载波O

9、FDM系统的系统框图，并对系统在不同信道条件下的误比特率性能进行了仿真并分析结果。第三章研究了小数倍和整数倍的频率偏差对多载波OFDM系统的影响和S&C频率同步算法的原理与实现流程图。第四章对应于第三章，对不同种类的频率偏差对多载波OFDM系统的影响进行仿真，并分析仿真结果。再此基础上，实现了S&C频率同步算法，通过与理想情况和未频率同步的情况进行对比，分析频率同步后系统的性能。第五章对前面章节研究的内容进行了总结，并展望了多载波OFDM系统接收机的频率同步问题的研究前景。第一章绪论1.1 研究背景由于较高的的频率利用率和极强的抗多径衰落能力，正交频分复用OFDM技术在实际无线通信系统中获得广

10、泛应用。与此同时:OFDM技术仍具有两大缺点，除了信号在传输过程中可能会产生很高的峰均值比(Peak-to-AveragePowerRatio,PAPR)之外，OFDM系统由于使用了多载波调制技术，对接收端与发送端之间载波频率偏差非常敏感。实际应用中，即使微小的频率偏差也能导致子载波的能量泄露，从而使子载波间失去正交性，引入了载波间干扰ICI,急剧恶化系统误码率性能。为了消除频偏对OFDM系统的影响，对频偏进行估计与补偿的研究是解决问题的关键。1.2 国内外现状目前的在多载波OFDM系统中的频率同步算法主要有两大类：数据辅助类算法(非盲同步算法)和非数据辅助类算法(盲同步算法)。目前大部分研究

11、的频率同步算法可分为基于循环前缀(CyclicPrefixCP)同步、基于训练序列同步和基于导频的同步。第一类算法属于盲同步，传输速度高，同步速度快。但频偏估计性能较差，定时估计性能也不够稳定。第二种算法基于训练序列，虽然有了系统开销，但估计精度较高，延时小，另外可进行比较可靠的信道估计。其中基于导频的同步算法常用于连续传输系统，尤其是在DVB-T等系统中。通常情况下对于高速移动的接收机，其同步效果是不理想，故本次课题不讨论。国外学者对OFDM系统频率同步方法的研究，提出了很多方法：在基于训练序列的算法方面，主要是通过构造不同的具有相关特征的结构，提出不同的测度或者代价函数及其计算方法，来不断

12、改进系统性能。例如，Sehmidl和COX提出一种利用两个训练符号进行定时和频率同步的算法皿，其整数倍频偏估计范围大，可以覆盖完整信号带宽，且计算复杂度不高。但使用了两个训练符号，增加了系统的额外开销，且算法定时估计性能在低信噪比时的下降影响了频偏估计的性能。YunHeeKim等人提出了一个只使用一个训练符号进行频偏估计U纥一个训练符号被用来同时进行定时估计和频偏估计，在没有提高复杂性的同时，在高斯加性白噪声和时变多径信道均表现出更好的性能。Minn.H和V.K.Bhargava提出一种算法”引在一定程度上改善了文献11在定时同步时的问题，但定时估计性能仍然较差，从而影响到频偏估计的性能。Pa

13、rk等人构造了新的四段共挽对称的训练序列U3定时估计与小数频偏估计的性能较好，但没有提出估计整数频偏的方法。在基于循环前缀的频率同步算法方面，文献15,16都是采用循环前缀进行频偏估计介绍了一种定时偏差和频率偏移的联合估计算法。但由于用循环前缀进行频偏估计，仅能估计出小数倍频率偏移，无法估计整数倍频偏。国内许多学者也有很多类似的研究，文献8对文献11进行了改进，改变了训练符号的结构和估计方法，在频偏范围和性能得到改善的同时.，算法实现的复杂度并没有增加。在对三种算法方】印川进行分析对比后，郭漪等人网采用时频联合设计，设计了新的训练符号，获得了比文献14更好的定时同步性能，在频偏估计性能良好的前

14、提下，获得了更大的频偏估计范围。由此可见，关于OFDM频率同步的方案在不断地优化与发展，对OFDM频率同步算法进行研究具有良好的前景。1.3 本文主要研究内容本次毕业设计主要是多载波OFDM信号接收机的频率偏差补偿设计与分析。掌握OFDM系统的仿真模型；在此基础上，利用MATLAB仿真来研究两类的频率偏差对不同载波数的OFDM系统的影响，同时实现一种频率同步算法，来实现接收端的频偏估计与补偿；通过仿真结果来对算法的性能进行分析。本论文的研究内容结构如图1-1所示，论文从理论分析至解决方案再到系统实现与测试分析的研究思路，分别进行全面分析两种频率偏差对OFDM系统的影响，研究分析频率同步的具体实

15、现方法和在系统中进行频率同步，分析结果与算法性能。存在问题仁二研究目标仁=研究内容理论分析解决方案频率偏差对OFDM系统的影响的具体分析不充分全面分析两种频率偏差对OFDM系统的影响频率偏差对OFDM系 统的影响（3.1节） 及其仿真（4.1节）假收机设计中频函同步的具体实现方法不明确研究分析频率同步的具体实现方法S&C频率同步算法的、原理及其实现（3.2、3.3节）系统实现与测试分析缺少在系统中实 现频率同步后的 性能测试与分析在系统中进行频率同步，分析结果与算法性能S&C频率同步算法的仿真与分析（4.2节）图1-1OFDM频偏问题的研究内容结构第二章OFDM系统的基本原理2.1 OFDM系统结构模型图2本文研究的OFDM系统发射机部分系统结构框图图2-2本文研究的OFDM系统接收机部分系统结构框图本文研究的OFDM系统接收机和发射机的框图分别如图2-1和图2-2所示。图中，首先将随机信号源数据（数组大小为：”1536）产生并送入OFDM系统，通过串并转后生成并行数据（数组大小为：128x12）,之后进行QPSK（QuadraturePhaseShiftKeying,正交相移键控）调制，比特数据信号映射成复数信号（数组大小为：1286）,为了将数据调制到多载波中，对复信号进行快速傅里叶逆变换（Invers