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毕业论文-OFDM频率偏移估计算法分析兰州交通大学毕业设计（论文）摘要作为一种特殊的多载波调制技术，正交频分复用（OFDM，Orthogonal Frequency Division Multiplexing）因其高频谱利用率、高数据传输速率以及良好的抗多径干扰性能，广泛地应用于数字音视频广播、无线局域网等高速数据传输系统中。OFDM通信系统具备所有这些优势的前提是收发两端子载波均要保持良好的正交性，然而，在实际应用中，晶振的非理想因素以及移动通信中多径信道产生的多普勒频移将会造成OFDM系统发射机与接收机载波中心频率的偏移（CFO，Carrier Frequency Offset），而这将严重破坏子载波之间的正交性，因此OFDM系统接收机必须对载波频偏加以估计并对接收信号进行相应补偿以保证解调数据的准确性。通常，将这一操作称为载波频率同步，也可简称为频偏估计。由于OFDM系统对CFO非常敏感，微小的CFO就能造成系统误码性能的大幅下降，因此，频率同步技术是OFDM 系统的关键技术之一。本论文首先回顾了OFDM技术发展的历史，然后从基本的OFDM系统的原理出发，阐述了OFDM系统中的同步问题。接着详细阐述了定时同步偏差和载波频率偏差对系统性能的影响。最后，对现有的频率同步技术（即，盲同步算法和非盲同步算法）进行了介绍且重点介绍了三种具有代表性的载波频偏估计算法：子载波间干扰（ICI，Intercarrier interference）自消除方法，高阶子载波间干扰（ICI）自消除方法和频率偏移盲估计方法，并通过仿真比较分析了它们在加性高斯白噪声信道和频率选择性信道下的估计性能。关键词：正交频分复用；载波频率偏移；子载波间干扰；盲载波频偏估计；自消除 I兰州交通大学毕业设计（论文）ABSTRACTAs a special multicarrier modulation technique OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）has been widely used in data transmission systems such as Digital Video/Audio Broadcasting systems and wireless LAN systems, due to its high spectral efficiency, high data rate, and excellent performance to combat with multi-path interference. It is the orthogonality between the sub-carriers in OFDM systems that guarantees all those strengths mentioned above. However，the carrier frequency offset, caused by the non-ideal factors of the oscillators and the Doppler Shift introduced by the multipath channel, will destroy the orthogonality between the subcarriers. In order to get a better performance, the receiver should estimate the carrier frequency offset and then compensate the received signal, which is usually called as carrier frequency synchronization or frequency offset estimation for short. OFDM systems are very sensitive to carrier frequency offset, that is to say, a small frequency shift could degrade the system performance dramatically. Therefore, frequency synchronization technique has become one of the key techniques of OFDM systems.Firstly, this dissertation reviews the history of the development of OFDM technique. According to the basic OFDM theory, this dissertation describes synchronization of OFDM systems. Then, describes the effect of the timing offset and frequency offset to the system in（i.e. the blind algorithm detail. Finally, the frequency synchronization of existing technologiesand the non-blind algorithm）is introduced and this dissertation focus on the three typical carrier frequency offset estimation algorithm: Intercarrier Interference Self-Cancellation, High-order Intercarrier Interference Self-Cancellation and Blind Deterministic Frequency Offset Estimation Method. Performances under AWGN channel and frequency-selective channel are analyzed and compared by simulation.Keywords: Orthogonal Frequency Division Multiplexing（OFDM）; Carrier Frequency Offset; Intercarriers Interference; Blind Carrier Frequency Offset Estimation; Self-cancellatio II兰州交通大学毕业设计（论文）目录摘要 . I ABSTRACT . II1 绪论 . 11.1 引言 . 11.2 OFDM技术的历史及发展现状 . 11.3 OFDM技术的优缺点 . 21.3.1 OFDM技术的优点 . 21.3.2 OFDM技术的缺点 . 31.4 论文的主要工作和章节安排 . 42 OFDM系统基础. 52.1 无线信道特征 . 52.1.1 多径信道模型和信道参数 . 62.1.2 多径时延扩展衰落效应 . 72.1.3 Doppler扩展衰落效应 . 92.2 正交频分复用（OFDM）技术与频分复用（FDM）技术的比较 . 92.3 OFDM系统的分类 . 102.3.1 CP-OFDM 系统 . 102.3.2 ZP-OFDM系统 . 112.4 基于IFFT/FFT的OFDM系统原理 . 112.4.1 OFDM的基本原理 . 112.4.2 基于IFFT/FFT的OFDM系统 . 142.4.3 串/并变换 . 142.4.4 信号映射 . 152.4.5 利用IFFT/FFT实现OFDM符号的调制与解调 . 152.4.6 保护间隔 . 162.4.7 循环前缀 . 172.5 OFDM系统的关键技术 . 182.5.1 信道建模 . 182.5.2 时域和频域同步 . 192.5.3 信道估计 . 19 III兰州交通大学毕业设计（论文）2.5.4 信道编码和交织 . 202.5.5 降低峰值平均功率比 . 202.5.6 均衡 . 213 OFDM系统的同步技术. 223.1 OFDM系统的3种同步 . 223.2 OFDM系统中的载波频率同步 . 223.2.1 载波频率偏移的形成原因 . 223.2.2 载波频率偏移的影响 . 253.2.3 载波频率偏移的数学分析 . 254 频偏估计算法研究 . 264.1 频偏估计概述 . 264.2 OFDM移动通信系统中子载波间干扰（ICI）自消除方法 . 274.2.1 标准OFDM系统中子载波间干扰（ICI）的原理 . 284.2.2 消除子载波间干扰（ICI）的调制原理 . 294.2.3 消除子载波间干扰（ICI）的解调原理 . 314.2.4 子载波间干扰（ICI）自消除的性能仿真 . 334.2.5 子载波间干扰（ICI）自消除的性能分析 . 344.3 高阶子载波间干扰（ICI）自消除方法 . 354.3.1 cubic方法 . 354.3.2 quadric方法 . 354.3.3 高阶子载波间干扰（ICI）自消除的性能仿真 . 364.4 OFDM移动通信系统中有效的频偏盲估计方法 . 384.4.1 盲载波频率偏移（CFO）估计的代价函数 . 384.4.2 无噪声情况下，代价函数的余弦函数模型 . 414.4.3 有噪声情况下，代价函数的余弦函数模型 . 434.4.4 盲估计载波频率偏移（CFO） . 454.4.5 频偏盲估计方法性能分析 . 46结论 . 47致谢 . 48参考文献 . 49附录 . 50 IV兰州交通大学毕业设计（论文）1 绪论1.1 引言自二十世纪初意大利科学家马可尼在人类历史上第一次实现了无线电通信，一个多世纪以来，无线通信技术取得了极大的发展。至今，移动通信技术的发展已经经历了三代，即第一代的模拟通信系统，第二代能够支持话音业务以及低速率数据业务的全球移动通信系统（GSM，Global System for Mobile Communication）以及第三代移动通信系统。数据的传输速率也由2G系统的9.6Kbps 发展到3G 系统的2Mbps。不过，随着人们对移动通信中高速移动数据业务以及多媒体业务需求的增加，数据传输速率的要求也大大提高，3G系统中使用的以码分多址接入（CDMA，Code Division Multiple Access）为核心的复用技术已经不能满足要求。当传统的多载波调制（MCM，Multi-Carrier Modulation）技术以及数字调制技术在实际应用中遭遇瓶颈时，正交频分复用技术（OFDM，Orthogonal Frequency Division Multiplexing）以其高频谱利用率、高数据传输速率以及良好的抗干扰性能给移动通信注入了新鲜血液，在世界范围内得到了广泛应用，例如欧洲于上世纪90年代投入使用的数字音频广播系统（DAB，Digital Audio Broadcasting System）、数字视频广播系统（DVB，Digital Video Broadcasting System）及随后制定出的IEEE802.11标准系列，日本也于1999年提出地面综合业务数字广播标准ISDB-T等等1。近年来我国在这一领域的研究成果也很多，据国家知识产权局公布的信息，我国目前已是OFDM专利技术的第四大原创国。我国的数字电视地面广播及移动数字电视广播标准DMB-T/H中，使用时域同步正交频分复用（TDS-OFDM）技术，在一个带宽为 8MHz的广播电视频道中，数据的传输速率可达32.48Mbps，在传输数字电视节目的同时还能进行丰富多样的数据业务服务。除了在移动通信领域带来的技术革命外，为了满足智能电网的发展需求，OFDM技术也引发了全球电力线载波技术的研发热潮。总的来看，OFDM技术在移动通信以及电力线通信领域都具有良好的应用前景。由于人们对通信数据化、宽带化、个人化以及移动化的迫切需求，以OFDM技术为核心的第四代移动通信系统开始逐渐融入人们的日常生活中。1.2 OFDM技术的历史及发展现状实际上，OFDM技术从最初的思想萌芽到理论成熟再到实际应用也经历了长达一个世纪的曲折发展。1兰州交通大学毕业设计（论文）OFDM技术最早起源于20世纪50年代中期，并在20世纪60年代形成了使用并行数据传输和频分复用的概念2，1970年1月首次公开发表了有关OFDM的专利。第一个OFDM技术的实际应用是军用的无线高频通信链路。最初的OFDM技术频谱效率很低，它使用多个载频在同一个信道中并行传输，而子信道之间通过保护频带加以分隔从而使各个载波携带的信号不会产生干扰，这些保护频带就造成了一定的浪费，系统的频谱效率很低；接着，在1957年，出现了一种能在高频无线信道中实现数据传输的多载波通信技术，它使用相互交错的正交调幅技术，使得载波的频谱相互重叠一部分，这样系统的频谱利用率得到了较大提升，但是各个子载波两边仍留有保护频带，因此仍然存在了一定程度的频谱浪费；随后，在20世纪60年代后期，Chang在他的论文中提出了带限信道中传输数据不产生符号间干扰与载波间干扰的理论；Saltzberg通过分析指出多载波系统中引起信号失真的主要原因是信道间串扰。这一时期，多载波通信理论得到了快速发展；20世纪年代70年代以来OFDM移动通信理论逐渐成熟。首先是Weinstein等人提出利用快速傅里叶逆变换（IFFT，Inverse Fast Fourier Transform）和快速傅里叶变换（FFT，Fast Fourier Transform）实现多载波信号的调制和解调；然后，Peled等人提出利用循环前缀代替空白间隔来消除符号间干扰同时保持各个子载波在色散信道中的正交性；接着，OFDM技术被成功运用到无线蜂窝移动通信系统中，使得OFDM技术实现了从理论到应用的首次跨越。最近20年来，随着人们对通信数据化、宽带化、个人化和移动化的要求和一系列无线通信新标准的制定，再加上集成芯片技术，高速数字调制解调技术、信道估计技术、均衡技术以、编码技术、软判断技术及插入保护间隔等成熟技术的不断引入，人们已经开始集中越来越多的精力来开发OFDM技术在移动通信、电力线通信等诸多领域的应用。目前国内外的学术界与工业界已经达成共识，OFDM技术和多输入多输出（MIMO，Multiple Input Multiple Output）技术将会成为新一代无线移动通信系统最有前途的核心技术3。1.3 OFDM技术的优缺点1.3.1 OFDM技术的优点（1）通过对高速率数据流进行串/并转换，使得每个子载波上的数据符号持续长度相对增加，从而有效地减少由于无线信道的时延弥散所带来的符号间干扰（ISI， 2兰州交通大学毕业设计（论文）Inter-Symbol Interference），进而减小了接收机内均衡器的复杂度，有时甚至可以不采用均衡器，而仅仅通过插入循环前缀的方法消除符号间干扰（ISI）的不利影响。（2）传统的频分多路传输方法是将频带分为若干个不相交的子频带来并行传输数据流，各个子信道之间要保留足够的保护频带。而OFDM系统由于各个子载波之间存在正交性，允许子信道的频谱相互重叠，因此与常规的频分复用系统相比，OFDM系统可以最大限度地利用频谱资源。当子载波个数很多时，OFDM系统的频谱利用率趋于2Baud/Hz。（3）由于各个子信道的带宽小于无线信道的相干带宽，子信道上的信道响应可以看作是平坦变化的，因而频率选择性衰落对各个子信道的影响很小，系统的抗干扰性能大大提高，误码性能较好。（4）各个子信道的正交调制和解调可以分别通过采用离散傅里叶逆变换（IDFT，Inverse Discrete Fourier Transform）和离散傅里叶变换（DFT，Discrete Fourier Transform）的方法来实现。在子载波个数很多的系统中，可以通过采用快速傅里叶逆变换（IFFT，Inverse Fast Fourier Transform）和快速傅里叶变换（FFT，Fast Fourier Transform）来实现。而随着大规模集成电路技术与DSP技术的发展，IFFT与FFT都是非常容易实现的。（5）无线数据业务一般存在非对称性，即下行链路中的数据传输量要大于上行链路中的数据传输量，这就要求物理层支持非对称高速率数据传输。OFDM系统可以通过使用不同数据量的子信道来实现上行和下行链路中不同的传输速率。（6）OFDM技术易于和其他多种接入方式结合使用，构成正交频分多址接入（OFDMA，Orthogonal Frequency Division Multiple Access）系统，其中包括多载波码分多址（MC-CDMA，Multi Carrier-Code Division Multiple Access）、跳频OFDM以及OFDM-TDMA等等，使得多个用户可以同时利用OFDM技术进行信息的传输。此外，该技术还可以与多输入多输出（MIMO，Multiple-Input and Multiple-Output）技术、时空编码、自适应编码等相结合，极大地提高系统的吞吐量和误码性能。1.3.2 OFDM技术的缺点OFDM系统由于存在多个正交的子载波，而且其输出信号是多个子信道信号的叠加，因此与单载波系统相比，存在以下缺点：（1）易受频率偏差的影响。由于子信道的频谱相互覆盖，这就对它们之间的正交性提出了严格的要求。无线信道的时变性在传输过程中造成的无线信号频谱偏移，或 3兰州交通大学毕业设计（论文）发射机与接收机本地振荡器之间存在的频率偏差，都会使OFDM系统子载波之间的正交性遭到破坏，导致子载波间干扰（ICI，Inter-Carrier Interference）。这种对频率偏差的敏感性是OFDM系统的主要缺点之一。（2）存在较高的峰值平均功率比（PAPR，Peak-to-Average Power Ratio）。多载波系统的输出是多个子信道信号的叠加，因此如果多个信号的相位一致，所得到的叠加信号的瞬时功率就会远远高于信号的平均功率，导致较大的峰值平均功率比（PAPR）。这就对发射机内放大器的线性度提出了很高的要求，因此可能带来信号畸变，使信号的频谱发生变化，从而导致各个子信道间的正交性遭到破坏，产生干扰，使系统的性能恶化。为了使OFDM技术得到更为广泛的应用并且能够提供更好的性能，有必要针对这一技术的缺陷加以分析并找出相应的解决办法，因此研究OFDM系统接收端载波频率偏移量的估计补偿算法以维持子载波间的正交性具有重大意义。1.4 论文的主要工作和章节安排本论文的研究方向是OFDM频率偏移估计算法分析。论文在分析OFDM系统的关键技术和优缺点的基础上，提出进行频率偏移估计的研究方法，同时进行了性能仿真和性能分析。本篇论文章节安排如下：第1章主要介绍了OFDM技术的发展概况及特点，以及同步技术研究的必要性和意义；第2章介绍了无线信道的基本知识，详细讲述了OFDM系统的基本原理和关键技术，以及OFDM系统的同步技术；第3章详细讲述了OFDM系统的频率同步问题，其中包括载波频率偏移的形成原因、载波频率偏移对OFDM系统的影响和载波频率偏移的数学分析；第4章研究了载波频率偏移估计算法，介绍了三种载波频率偏移估计算法，即子载波间干扰自消除方法、高阶子载波间干扰自消除方法和频偏盲估计方法。并对它们做了算法分析，仿真分析。4兰州交通大学毕业设计（论文）2 OFDM系统基础2.1 无线信道特征在介绍OFDM技术之前，我们有必要了解一下信道方面的知识，因为无线信道传输特性方面的理论是无线通信系统设计的先决条件。在无线通信中，发射信号在传播过程中往往会受到环境中各种物体所引起的遮挡、吸收、折射和衍射的影响，形成多条路径信号分量到达接收机。不同路径的信号分量具有不同的传播时延、相位和振幅，并附加有信道噪声，它们叠加会使复合信号相互抵消或增强，导致严重的衰落。这种衰落会降低可获得的有用信号功率并增加干扰影响，使得接收机的接收信号产生失真、波形展宽、波形重叠和畸变，甚至造成通信系统解调器输出出现大量差错，以至完全不能通信。此外，如果发射机或接收机处于移动状态，或者信道环境发生变化，会引起信道特性随时间随机变化，接收到的信号由于多普勒（Doppler）效应会产生更为严重的失真。对于移动通信系统中的移动台来说，可以在很短的时间内快速的跨越很长的距离，所接收的能量会起伏不定，呈现明显的随机波动现象，这种现象就称为衰落。多径传播所造成的能量波动变化较快，称为快衰落，也称小尺度衰落，它所造成的衰落效应主要表现在三个方面：（1）短距离或者短时间中信号功率的快速变化;（2）不同多径信号的Doppler频移不同，会产生随机调频现象;（3）多径传播时延扩展。当接收天线向远端发射天线方向运动时，即便没有多径传播，能量也会衰减，但是这种衰减与由于多径传播所造成的能量波动相比变化得非常缓慢，因此将这种衰减称为慢衰落，也称大尺度衰落。无线信道中很多因素会影响衰落，其中包括：（1）多径传播在建筑物密集的城市地区，由于接收天线一般都不可能高于建筑物，因此收发天线之间没有视线方向上的电磁波传播，能量的传播主要依靠建筑物等障碍物的反射、衍射和散射。这三种传播机制会产生大量的传输路径，同一个接收天线会接收到很多电磁波，这些电磁波来自不同的传播方向，传播路径不同，相位也不同（除了传播路径不同会造成相位差异外，信道中接收天线或者反射、衍射以及散射物体的移动所产生的多普勒频移也会造成相位差异），路径损失不同，但是这些电磁波在天线处叠加在一起，构成接收信号，这种现象称为多径传播。5兰州交通大学毕业设计（论文）无线信道中移动的反射体、散射体以及接收天线组成了一个不断变化的传播环境，这样一个环境造成信号在幅度、相位和到达时间上的变化。随机分布的幅度和相位使信号的功率产生波动起伏从而引起衰落，也可能造成信号失真。多径信号会产生码间干扰，码元周期要长一些。（2）移动台的移动速度Doppler频移是由于接收天线和发射天线之间的相对运动引起的，频移的大小与相对运动速度和运动方向以及载波频率有关。具体为：vfv