1、1OFDM移動通信技術(第四章)課件：課件：ofdm_bjtu_，PW:ofdm123456現代通信研究所 陳 霞SY913，Tel.:87270，Email: 2第四章 OFDM系統同步o4-1 OFDM同步o4-2 OFDM同步偏差o4-3 OFDM定時同步o4-4 OFDM頻率同步3數字通信系統同步o載波同步n頻率同步n頻率-相位同步o定時同步n符號同步n數據塊同步4o插入導頻法o直接法n鎖相環（PLL）頻率同步5定時o插入導頻法o直接法n濾波法n數字鎖相法n同步6載波同步符號同步采樣同步OFDM系統7 數學模型 mnmnTddteetrectddetrectdtssmTttfjNntf

2、jnmtfjNnnsmnn,0,)()()(02102210 接收發射o載波同步接收端本地振蕩器頻率與發送載波一致o符號同步積分區間起止時刻一致/IFFT和FFT窗口位置一致o采樣同步接收端A/D和發送端D/A時鐘頻率一致mnmnTdedNTtetkrdedssmNnkNmnjNknsNktkfjmNnkNnjnkm,0, 110210102102 接收 發射OFDM系統8OFDM同步 vs 單載波同步o頻率同步nOFDM：（符號調制多用PSK或QAM）必須相干解調nOFDM：（是多個單載波信號疊加）不能用PLL技術o符號同步和采樣同步n單載波：每符號一次采樣（采樣時鐘頻率 等于 符號頻率）

3、OFDM：每符號多次采樣（采樣時鐘頻率正比于符號頻率）nOFDM：（是多個單載波信號疊加） 不能用“眼圖” 確定采樣時刻9第四章 OFDM系統同步o4-1 OFDM同步o4-2 OFDM同步偏差n頻率同步偏差10OFDM頻率同步 mnmnTddtetrecteddsmTttfjNntfjnmsmn,0,)(02102 接收11OFDM頻率同步o造成CFO的原因n（發射機和接收機）振蕩器不穩定o長期穩定度有源器件和電路元件的老化特性o短期穩定度環境溫度、電源電壓變化、電路參數不穩定o瞬時穩定度有源器件和電路內部噪聲n信道多普勒頻移偏差（Carrier Frequency Offset）12分數頻

4、偏oCFO為子載波間隔的分（?。当秐有用信號的相位旋轉和幅度衰減n導致ICI13整數頻偏oCFO為子載波間隔的整數倍n信號在頻域平移，嚴重的解調錯誤（誤碼率50%）n無ICI 14頻偏敏感程度SCOFDM（相對）頻偏（相對）頻偏性能損失性能損失15第四章 OFDM系統同步o4-1 OFDM同步o4-2 OFDM同步偏差n頻率同步偏差n定時同步偏差16OFDM定時同步 mnmnTdteedsmNktkfjNnnNkjnm,0, 102102102Nktkfjmtetkrdm 接收17OFDM定時同步o有保護間隔o無保護間隔偏差18OFDM定時同步偏差o定時偏差小小于CP長度n定時提前o子載波相

5、位旋轉o減小OFDM對多徑延遲的容忍能力n定時滯后o子載波相位旋轉o本符號各子載波之間正交性被破壞，引起ICIo受到后一個符號的干擾（IBI）的影響19OFDM定時同步偏差o定時偏差大大于CP長度n定時提前o子載波相位旋轉oICIo受到前一個符號的干擾（IBI）n定時滯后o子載波相位旋轉oICIo受到后一個符號的干擾（IBI）的影響20多徑傳播o最佳定時并不總是第1條路徑最好o減小OFDM對定時偏差的容錯能力對OFDM定時同步的影響21第四章 OFDM系統同步o4-1 OFDM同步o4-2 OFDM同步偏差n頻率同步偏差n定時同步偏差n采樣同步偏差22OFDM采樣同步偏差o采樣頻率偏大o采樣頻

6、率偏小采樣間隔偏小采樣間隔偏大tfsamp123OFDM采樣同步偏差oFFT窗口尺寸偏差n采樣頻率偏大n采樣頻率偏小采樣間隔偏小采樣間隔偏大的影響積分區間縮短積分區間伸長 ICINtTNTtss24oFFT窗口漂移n采樣頻率偏大n采樣頻率偏小OFDM采樣同步偏差的影響定時逐漸提前定時逐漸滯后+ISI+ICI相位誤差25OFDM采樣同步的方法o采樣頻率偏大o采樣頻率偏小采樣點數多采樣點數少26第四章 OFDM系統同步o4-1 OFDM同步o4-2 OFDM同步偏差o4-3 OFDM定時同步n4-3-1 數據塊同步：幀同步和分組檢測27連續傳輸系統o例n數字廣播系統（DAB、DVB）n電路交換蜂窩

7、系統o特點n連續、規則的數據格式n通常允許較長捕獲時間n通常允許通過平均多次估計值逐步改善估計準確度28o在幀頭安排特殊碼組o特殊的例子（DVB）nT：幀的第一個符號為空符號nR：監測接收信號能量幀同步29分組傳輸系統o例n無線局域網WLAN（IEEE 802.11a）o特點n隨機接入n高速數據30分組檢測o多-快-好-省n精心設計引導符號n精心設計檢測算法（實現各種同步-捕獲時間短-精度高-開銷低）31滑動窗口法o原理n窗口接收的能量o優點n與信息內容無關n復雜度小、捕獲快n遞歸簡化算法o缺點n閾值設置o噪聲功率o同頻干擾o傳播損耗10210*|LkknLkknknnrrrm21211|Ln

8、nnnrrmm102110*111|LkknLkknknnrrrmnn+1nnnwsrnnwr 32雙滑動窗口法o原理n兩個（連續、相對靜止的）滑動窗口n兩個窗口的接收能量的比值o優點n與信息內容無關、遞歸簡化算法、復雜度小、捕獲快n比值獨立于接收信號的功率LllnnMmmnnrbra12102|nnnbam n33第四章 OFDM系統同步o4-1 OFDM同步o4-2 OFDM同步偏差o4-3 OFDM定時同步n4-3-1 數據塊同步：幀同步和分組檢測n4-3-2 符號定時同步34OFDM符號同步o定時偏移估計n數據輔助n非數據輔助nPre-FFT時域定時估計nPost-FFT頻域定時估計o

9、定時偏移校正TR35OFDM信號設計o數據輔助（Data-Aided，DA）n訓練符號（Training Symbol/Sequence）n導頻（Pilot Subcarrier/Tone）n疊加訓練符號/導頻（Superimposed TS/Pilot）o非數據輔助（Non-Data-Aided，NDA）n基于CPn基于空載波n盲估計36第四章 OFDM系統同步o4-1 OFDM同步o4-2 OFDM同步偏差o4-3 OFDM定時同步n4-3-1 數據塊同步：幀同步和分組檢測n4-3-2 符號定時同步n4-3-3 幾種定時同步方案37一種基于訓練符號的定時估計（Schmidl & C

10、ox，1997）12/02*)(NmNmdmdrrdP12/022|)(NmNmdrdR22)(| )(|)(dRdPdMd38o訓練符號：在相間的半數子載波上安排一個訓練序列o優點n測度與載波頻率偏移無關n測度對信道衰落不敏感n訓練符號設計巧妙o缺點n定時測度存在平臺效應一種基于訓練符號的定時估計39一種基于PN序列的定時估計方案o優點（依賴于具體PN序列）n精度高n抗多徑能力o缺點n復雜度較高n要求在定時同步之前已準確補償CFO40一種基于PN序列的定時跟蹤方案o原理nPN序列擴頻信號疊加在OFDM信號上n（PN序列擴頻信號長度是OFDM符號的整數倍）o優點n不額外使用帶寬n（長PN序列）

11、估計準確度可以很高 41基于CP的定時同步o原理nCP與數據最后部分完全一樣o優點n高頻譜效率n復雜度低o缺點n精度不高n取得高精度需要多個符號n在多徑信道中性能惡化42CPNddkNkkrrd22|)(一種基于CP的定時同步方案)(15 . 0| )(|max argdSNRSNRdddMLCPNddkNkkrrd*)(43一種基于類CP訓練序列的定時同步方案o同一信號的多個復制以規律間隔出現44性能oM=2，同基于CP方法oM2，小信噪比的估計準確度有明顯改善o代價n訓練序列的冗余n觀察時間增加信噪比估計方差45一種基于空載波的定時同步方案o空載波（null subcarrier）46第四

12、章 OFDM系統同步o4-1 OFDM同步o4-2 OFDM同步偏差o4-3 OFDM定時同步o4-4 OFDM頻率同步47OFDM頻率同步o頻率偏移估計n數據輔助（DA）n非數據輔助（NDA）nPre-FFT時域頻偏估計nPost-FFT頻域頻偏估計o頻率偏移校正TR48基于重復訓練符號的頻偏估計 P. H. Moose，1994121,.,2 , 1 , 012KNNneXNxKKkkNnjkno系統模型n一種常用子載波安排ok-K,KoN2K+11, 1 , 02, 0 , 121IDFTDFT2122102NnNNkeXNxexXNNkkNnjknNnnNkjnk：1, 1 , 01,

13、 1 , 01IDFTDFT102102NnNkeXNxexXNkkNnjknNnnNkjnk：49基于重復訓練符號的頻偏估計 P. H. Moose，1994o系統模型n一種常用子載波安排n例：IEEE 802.11a50基于重復訓練符號的頻偏估計 P. H. Moose，1994121,.,2 , 1 , 012KNNneXNxKKkkNnjknnKKkNnjkkNnjknweHeXNy221o信道模型n離散時間信道模型 nnyxh51基于重復訓練符號的頻偏估計 P. H. Moose，1994121,.,2 , 1 , 012KNNneXNxKKkkNnjknkkNNjkkkWIeNNH

14、XY1sinsino信道模型n離散時間信道模型n等效頻域信道模型NkljNNjKklKlllkeeNklNHXI1)(sinsin kkYXH nnyxhnKKkNnjkkNnjknweHeXNy22152kkRR12基于重復訓練符號的頻偏估計 P. H. Moose，1994NnkjNnnkerR2101NnkjNNnnkerR2122 2jnNnerr 212jkkeRRo訓練符號12,.,1 , 012NneXNrKKkkNnjknNnkjNnNnkerR210212,.,1 , 01)(2NnweHXNrnKKkkNnjkkn53基于重復訓練符號的頻偏估計 P. H. Moose，19

15、94kkkWRY111kjkkWeRY2212KKkkkKKkkkYYYYReImtan21*12*121*1211*121221*11221*12kkkkkjkjkkkkjkkkWWWRWeReRWRWeRYYo頻偏估計計算54基于重復訓練符號的頻偏估計 P. H. Moose，1994o性能n準確估計（捕獲）范圍 0.5fn隨著符號變短，估計性能變壞n符號周期減小程度受多徑限制相對頻偏估計值Es/No估計偏差（解決：更短訓練符號）55基于重復訓練符號的頻偏估計 Schmidl and Cox，1997捕獲范圍fsT jNmmdmdjNmmdmdNmNmdmderrerrrrdP 12/0*

16、12/0*12/02/*)(ssTT22)(dPangleo頻偏估計56t2基于重復訓練符號的頻偏估計 Schmidl and Cox，1997捕獲范圍fo分數頻偏估計2sssTzTT57基于重復訓練符號的頻偏估計 Schmidl and Cox，1997捕獲范圍fo分數頻偏估計2sssTzTT58基于重復訓練符號的頻偏估計 Schmidl and Cox，1997o頻域訓練序列o在第1個符號的偶序號子載波上發射一個PN序列s1,ko在第2個符號的偶序號子載波上發射另一個PN序列s2,kkkkssv, 1, 2kkksvs, 2, 159基于重復訓練符號的頻偏估計 Schmidl and Cox，1997o估計整數頻偏22, 222, 2*2, 12maxargXkkXkgkkgkgxxvxgkkksvs, 2, 160基于導頻的頻偏