OFDM移動(dòng)通信技術(shù) (4)同步

OFDM移動(dòng)通信技術(shù)

(第四章)課件：ofdm_bjtu_2008@163.com，PW:ofdm123456現(xiàn)代通信研究所陳霞SY913，Tel.:87270，Email:xchen@

1第四章OFDM系統(tǒng)同步4-1OFDM同步4-2OFDM同步偏差4-3OFDM定時(shí)同步4-4OFDM頻率同步2數(shù)字通信系統(tǒng)同步載波同步頻率同步頻率-相位同步定時(shí)同步符號(hào)同步數(shù)據(jù)塊同步3插入導(dǎo)頻法直接法鎖相環(huán)（PLL）頻率同步4定時(shí)插入導(dǎo)頻法直接法濾波法數(shù)字鎖相法……同步5載波同步符號(hào)同步采樣同步OFDM系統(tǒng)6數(shù)學(xué)模型載波同步——接收端本地振蕩器頻率與發(fā)送載波一致符號(hào)同步——積分區(qū)間起止時(shí)刻一致/IFFT和FFT窗口位置一致采樣同步——接收端A/D和發(fā)送端D/A時(shí)鐘頻率一致OFDM系統(tǒng)7OFDM同步vs單載波同步頻率同步OFDM：（符號(hào)調(diào)制多用PSK或QAM）必須相干解調(diào)OFDM：（是多個(gè)單載波信號(hào)疊加）不能用PLL技術(shù)符號(hào)同步和采樣同步單載波：每符號(hào)一次采樣（采樣時(shí)鐘頻率等于符號(hào)頻率）OFDM：每符號(hào)多次采樣（采樣時(shí)鐘頻率正比于符號(hào)頻率）OFDM：（是多個(gè)單載波信號(hào)疊加）不能用“眼圖”確定采樣時(shí)刻8第四章OFDM系統(tǒng)同步4-1OFDM同步4-2OFDM同步偏差頻率同步偏差9OFDM頻率同步10OFDM頻率同步造成CFO的原因（發(fā)射機(jī)和接收機(jī)）振蕩器不穩(wěn)定長(zhǎng)期穩(wěn)定度——有源器件和電路元件的老化特性短期穩(wěn)定度——環(huán)境溫度、電源電壓變化、電路參數(shù)不穩(wěn)定瞬時(shí)穩(wěn)定度——有源器件和電路內(nèi)部噪聲信道多普勒頻移偏差（CarrierFrequencyOffset）11分?jǐn)?shù)頻偏CFO為子載波間隔的分（?。?shù)倍有用信號(hào)的相位旋轉(zhuǎn)和幅度衰減導(dǎo)致ICI12整數(shù)頻偏CFO為子載波間隔的整數(shù)倍信號(hào)在頻域平移，嚴(yán)重的解調(diào)錯(cuò)誤（誤碼率50%）無(wú)ICI13頻偏敏感程度SCOFDM（相對(duì)）頻偏性能損失14第四章OFDM系統(tǒng)同步4-1OFDM同步4-2OFDM同步偏差頻率同步偏差定時(shí)同步偏差15OFDM定時(shí)同步16OFDM定時(shí)同步有保護(hù)間隔無(wú)保護(hù)間隔偏差17OFDM定時(shí)同步偏差定時(shí)偏差小于CP長(zhǎng)度定時(shí)提前子載波相位旋轉(zhuǎn)減小OFDM對(duì)多徑延遲的容忍能力定時(shí)滯后子載波相位旋轉(zhuǎn)本符號(hào)各子載波之間正交性被破壞，引起ICI受到后一個(gè)符號(hào)的干擾（IBI）的影響18OFDM定時(shí)同步偏差定時(shí)偏差大于CP長(zhǎng)度定時(shí)提前子載波相位旋轉(zhuǎn)ICI受到前一個(gè)符號(hào)的干擾（IBI）定時(shí)滯后子載波相位旋轉(zhuǎn)ICI受到后一個(gè)符號(hào)的干擾（IBI）的影響19多徑傳播最佳定時(shí)——并不總是第1條路徑最好減小OFDM對(duì)定時(shí)偏差的容錯(cuò)能力對(duì)OFDM定時(shí)同步的影響20第四章OFDM系統(tǒng)同步4-1OFDM同步4-2OFDM同步偏差頻率同步偏差定時(shí)同步偏差采樣同步偏差21OFDM采樣同步偏差采樣頻率偏大采樣頻率偏小→采樣間隔偏小→采樣間隔偏大22OFDM采樣同步偏差FFT窗口尺寸偏差采樣頻率偏大采樣頻率偏小→采樣間隔偏小→采樣間隔偏大的影響→積分區(qū)間縮短→積分區(qū)間伸長(zhǎng)→

ICI23FFT窗口漂移采樣頻率偏大采樣頻率偏小OFDM采樣同步偏差的影響→定時(shí)逐漸提前→定時(shí)逐漸滯后+ISI+ICI→相位誤差24OFDM采樣同步的方法采樣頻率偏大采樣頻率偏小→采樣點(diǎn)數(shù)多→采樣點(diǎn)數(shù)少25第四章OFDM系統(tǒng)同步4-1OFDM同步4-2OFDM同步偏差4-3OFDM定時(shí)同步4-3-1數(shù)據(jù)塊同步：幀同步和分組檢測(cè)26連續(xù)傳輸系統(tǒng)例數(shù)字廣播系統(tǒng)（DAB、DVB）電路交換蜂窩系統(tǒng)特點(diǎn)連續(xù)、規(guī)則的數(shù)據(jù)格式通常允許較長(zhǎng)捕獲時(shí)間通常允許通過(guò)平均多次估計(jì)值逐步改善估計(jì)準(zhǔn)確度27在幀頭安排特殊碼組特殊的例子（DVB）T：幀的第一個(gè)符號(hào)為空符號(hào)R：監(jiān)測(cè)接收信號(hào)能量幀同步28分組傳輸系統(tǒng)例無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)WLAN（IEEE802.11a）特點(diǎn)隨機(jī)接入高速數(shù)據(jù)29分組檢測(cè)多-快-好-省精心設(shè)計(jì)引導(dǎo)符號(hào)精心設(shè)計(jì)檢測(cè)算法（實(shí)現(xiàn)各種同步-捕獲時(shí)間短-精度高-開(kāi)銷(xiāo)低）30滑動(dòng)窗口法原理窗口接收的能量?jī)?yōu)點(diǎn)與信息內(nèi)容無(wú)關(guān)復(fù)雜度小、捕獲快遞歸簡(jiǎn)化算法缺點(diǎn)閾值設(shè)置噪聲功率同頻干擾傳播損耗nn+131雙滑動(dòng)窗口法原理兩個(gè)（連續(xù)、相對(duì)靜止的）滑動(dòng)窗口兩個(gè)窗口的接收能量的比值優(yōu)點(diǎn)與信息內(nèi)容無(wú)關(guān)、遞歸簡(jiǎn)化算法、復(fù)雜度小、捕獲快比值獨(dú)立于接收信號(hào)的功率n32第四章OFDM系統(tǒng)同步4-1OFDM同步4-2OFDM同步偏差4-3OFDM定時(shí)同步4-3-1數(shù)據(jù)塊同步：幀同步和分組檢測(cè)4-3-2符號(hào)定時(shí)同步33OFDM符號(hào)同步定時(shí)偏移估計(jì)數(shù)據(jù)輔助非數(shù)據(jù)輔助Pre-FFT時(shí)域定時(shí)估計(jì)Post-FFT頻域定時(shí)估計(jì)定時(shí)偏移校正TR34OFDM信號(hào)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)輔助（Data-Aided，DA）訓(xùn)練符號(hào)（TrainingSymbol/Sequence）導(dǎo)頻（PilotSubcarrier/Tone）疊加訓(xùn)練符號(hào)/導(dǎo)頻（SuperimposedTS/Pilot）非數(shù)據(jù)輔助（Non-Data-Aided，NDA）基于CP基于空載波盲估計(jì)35第四章OFDM系統(tǒng)同步4-1OFDM同步4-2OFDM同步偏差4-3OFDM定時(shí)同步4-3-1數(shù)據(jù)塊同步：幀同步和分組檢測(cè)4-3-2符號(hào)定時(shí)同步4-3-3幾種定時(shí)同步方案36一種基于訓(xùn)練符號(hào)的定時(shí)估計(jì)（Schmidl&Cox，1997）d37訓(xùn)練符號(hào)：在相間的半數(shù)子載波上安排一個(gè)訓(xùn)練序列優(yōu)點(diǎn)測(cè)度與載波頻率偏移無(wú)關(guān)測(cè)度對(duì)信道衰落不敏感訓(xùn)練符號(hào)設(shè)計(jì)巧妙缺點(diǎn)定時(shí)測(cè)度存在平臺(tái)效應(yīng)一種基于訓(xùn)練符號(hào)的定時(shí)估計(jì)38一種基于PN序列的定時(shí)估計(jì)方案優(yōu)點(diǎn)（依賴(lài)于具體PN序列）精度高抗多徑能力缺點(diǎn)復(fù)雜度較高要求在定時(shí)同步之前已準(zhǔn)確補(bǔ)償CFO39一種基于PN序列的定時(shí)跟蹤方案原理PN序列擴(kuò)頻信號(hào)疊加在OFDM信號(hào)上（PN序列擴(kuò)頻信號(hào)長(zhǎng)度是OFDM符號(hào)的整數(shù)倍）優(yōu)點(diǎn)不額外使用帶寬（長(zhǎng)PN序列）估計(jì)準(zhǔn)確度可以很高40基于CP的定時(shí)同步原理CP與數(shù)據(jù)最后部分完全一樣優(yōu)點(diǎn)高頻譜效率復(fù)雜度低缺點(diǎn)精度不高取得高精度需要多個(gè)符號(hào)在多徑信道中性能惡化41一種基于CP的定時(shí)同步方案42一種基于類(lèi)CP訓(xùn)練序列的定時(shí)同步方案同一信號(hào)的多個(gè)復(fù)制以規(guī)律間隔出現(xiàn)43性能M=2，同基于CP方法M>2，小信噪比的估計(jì)準(zhǔn)確度有明顯改善代價(jià)訓(xùn)練序列的冗余觀(guān)察時(shí)間增加信噪比估計(jì)方差44一種基于空載波的定時(shí)同步方案空載波（nullsubcarrier）

45第四章OFDM系統(tǒng)同步4-1OFDM同步4-2OFDM同步偏差4-3OFDM定時(shí)同步4-4OFDM頻率同步46OFDM頻率同步頻率偏移估計(jì)數(shù)據(jù)輔助（DA）非數(shù)據(jù)輔助（NDA）Pre-FFT時(shí)域頻偏估計(jì)Post-FFT頻域頻偏估計(jì)頻率偏移校正TR47基于重復(fù)訓(xùn)練符號(hào)的頻偏估計(jì)

①P.H.Moose，1994系統(tǒng)模型一種常用子載波安排k∈[-K,K]N≥2K+148基于重復(fù)訓(xùn)練符號(hào)的頻偏估計(jì)

①P.H.Moose，1994系統(tǒng)模型一種常用子載波安排例：IEEE802.11a49基于重復(fù)訓(xùn)練符號(hào)的頻偏估計(jì)

①P.H.Moose，1994信道模型離散時(shí)間信道模型50基于重復(fù)訓(xùn)練符號(hào)的頻偏估計(jì)

①P.H.Moose，1994信道模型離散時(shí)間信道模型等效頻域信道模型51基于重復(fù)訓(xùn)練符號(hào)的頻偏估計(jì)

①P.H.Moose，1994訓(xùn)練符號(hào)52基于重復(fù)訓(xùn)練符號(hào)的頻偏估計(jì)

①P.H.Moose，1994頻偏估計(jì)計(jì)算53基于重復(fù)訓(xùn)練符號(hào)的頻偏估計(jì)

①P.H.Moose，1994性能準(zhǔn)確估計(jì)（捕獲）范圍0.5f隨著符號(hào)變短，估計(jì)性能變壞符號(hào)周期減小程度受多徑限制相對(duì)頻偏估計(jì)值Es/No估計(jì)偏差（解決：更短訓(xùn)練符號(hào)）54基于重復(fù)訓(xùn)練符號(hào)的頻偏估計(jì)

②SchmidlandCox，1997捕獲范圍f頻偏估計(jì)55基于重復(fù)訓(xùn)練符號(hào)的頻偏估計(jì)

②SchmidlandCox，1997捕獲范圍f分?jǐn)?shù)頻偏估計(jì)56基于重復(fù)訓(xùn)練符號(hào)的頻偏估計(jì)

②SchmidlandCox，1997捕獲范圍f分?jǐn)?shù)頻偏估計(jì)57基于重復(fù)訓(xùn)練符號(hào)的頻偏估計(jì)

②SchmidlandCox，1997頻域訓(xùn)練序列在第1個(gè)符號(hào)的偶序號(hào)子載波上發(fā)射一個(gè)PN序列{s1,k}在第2個(gè)符號(hào)的偶序號(hào)子載波上發(fā)射另一個(gè)PN序列{s2,k}58基于重復(fù)訓(xùn)練符號(hào)的頻偏估計(jì)

②Schmidl