OFDM技术及在DAB中的应用

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3.0 陈辉 2024-11-19 15 4 5.1MB 78 页 15积分
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摘 要
在现代通信系统中，如何高速和可靠地传输信息是一个极为重要的内容。随
着通信业务的发展，特别是无线通信业务的增长，可用的频带日趋紧张，因此除
了开发新的频谱资源外，采用新的高效抗干扰调制技术，提高频带的利用率一直
是人们关心的话题。OFDM 技术的出现给这些问题提供了一个很好的解决方法。
但是，OFDM 技术也存在一些缺点，一个主要缺点是对同步误差十分敏感。
载波频率的偏差会带来严重的子载波间干扰，大大降低系统的性能。而且接收端
OFDM 符号位置的确定和采样时钟偏差也会影响到系统的性能。
本文主要研究 OFDM 技术的同步问题，其中包括时间同步和频偏估计。有关
研究内容如下：
1. 在深入研究定时偏差和载波频偏对 OFDM 系统性能影响的基础上，系统
地分析了当前已有的 OFDM 同步算法。
2. 设计出了具有对称性能的训练序列，其性能优于传统的具有重复性的训
练序列。
3. 在 OFDM 的时间同步算法的研究上，深入分析了定时误差对 OFDM 系统
的影响，设计出了一种基于具有对称性训练序列的帧同步算法。在获得较高精度
的同时，简化估计器明显降低了运算的复杂度。
4. 在 OFDM 的频率同步算法的研究基础上，设计了一种新的载波频偏估计
算法，该算法包括跟踪和捕获的两个阶段。这个算法的捕获范围是整个信号带宽
的一半。仿真结果来看，该算法无论在 AWGN 信道还是在多径信道上其估计精度
都很高。
5. 将帧同步方案应用于 DAB 音频信号处理，由仿真结果可见该同步算法能
比较准确地进行帧同步和符号同步，该方法使 OFDM 系统在多径信道下性能改善
显著。
关键词：无线通信 正交频分复用 帧同步 频偏估计
极大似然估计 数字音频广播
I
ABSTRACT
How to transmit information quickly and reliably is important in modern
communication systems. The frequency resource is limited. So except new modulation
techniques to improve frequency utilization. Orthogonal frequency division
multiplexing (OFDM) is one of the expecting techniques required.
However, one of the demerits against OFDM system is that OFDM is highly
sensitive to synchronization errors. How to obtain correct OFDM symbol timing and
carrier frequency is highly critical to OFDM systems. In digital OFDM receiver, the
clock frequency synchronization of sampling is also important.
The synchronization schemes in OFDM systems are studied in this thesis,
including time synchronization and frequency offset estimation. The main contributions
of thesis include:
1: Based on the research of the influence of timing offset and carrier frequency
offset to OFDM system, the existing synchronization schemes for OFDM systems are
analyzed systemically.
2: A special training sequence of central symmetry is proposed, it is compared with
sequence composed of identical blocks.
3: A new frame synchronization scheme for OFDM systems is proposed. In this
scheme, Simplified estimators have low computational complexity and high estimation
accuracy.
4: New carrier frequency offset estimation scheme for OFDM system is proposed.
The carrier frequency offset estimation includes acquisition and tracking. Computer
simulation illustrates the superior performance of the proposed scheme with regard to
estimation accuracy in both AWGN channel and multi-path channel.
5: We design the synchronization scheme and analyze the performance of the
synchronization system in DAB system. The proposed method can greatly reduce the
resource usage.
Key Words: wireless communication, orthogonal frequency division
multiplexing, frame synchronization, frequency offset estimation,
maximum likelihood estimation, digital audio broadcasting.
II
符号表
OFDM Othogonal Frequency Division Multiplexing 正交频分复用
ISI Inter-Symbol Interference 符号间串扰
ICI Inter-Carrier Interference 载波间干扰
CP Cyclic Prefix 循环前缀
DFT Discrete Fourier Transform 离散傅立叶变换
IDFT Inverse Discrete Fourier Transform 离散傅立叶逆变换
FFT Fast Fourier Transform 快速傅立叶变换
IFFT Inverse Fast Fourier Transform 快速傅立叶逆变换
MLE Maximum likelihood Estimation 极大似然估计
MSE Minimum Square Estimation 最大均方估计
DSP Digital Signal Processing 数字信号处理
QPSK Quadrate Phase Shift Keying 四相相移键控
PDF Probability Density Function 概率密度函数
SNR Signal to Noise Ratio 信噪比
AWGN Additive White Guassian Nosie 加性白高斯噪声
DAB Digital Audio Broadcasting 数字音频广播
FIC Fast Information Channel 快速信息信道
MSC Main Service Channel 从主业务信道
MUSICAM Masking pattern-adapted Universal Subband 声音掩蔽特性自
Integrated Coding And Multiplexing 适应的通用子带
III
目 录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪论1
§1.1 移动通信的发展 1
§1.2 OFDM 产生和原理概述 1
§1.3 OFDM 系统的优缺点 2
§1.4 OFDM 系统的关键技术 4
§1.5 OFDM 系统同步算法的研究现状6
§1.6 论文的主要研究方向和贡献 7
第二章 OFDM 系统的基本原理9
§2.1 OFDM 系统原理简介9
§2.2 OFDM 系统的模型 9
§2.3 OFDM 系统的数学表示 10
§2.4 保护间隔和循环前缀 11
§2.5 子载波调制 12
§2.6 OFDM 系统的实现方法 15
§2.6.1　直接实现15
§2.6.2　DSP 实现15
§2.6.3　一个完整的 OFDM 系统仿真 16
§2.7 本章小结21
第三章 OFDM 系统中的同步技术 22
§3.1 OFDM 系统简介22
§3.2 符号定时偏差 23
§3.3 抽样时钟频偏 26
§3.4 载波频率偏差 28
§3.5 同步算法 30
§3.5.1　帧和 OFDM 符号的粗同步 32
§3.5.2　精确的字符跟踪 32
§3.5.3　频率捕获 32
§3.5.4　频率跟踪 32
§3.6 本章小结33
第四章 OFDM 系统中的同步算法仿真 34
§4.1 基于循环前缀的最大似然算法 34
§4.1.1　定时同步的仿真 37
§4.1.2　频偏估计的仿真结果 38
§4.2 Schmidl&Cox 算法 40
§4.2.1　定时同步算法及仿真 40
§4.2.2　频偏估计算法及仿真 42
§4.3 H.Minn 算法 45
§4.3.1　Minn 第一种改进方法 45
§4.3.2　Minn 第二种改进方法 47
IV
§4.4 本章小结50
第五章 新的同步算法 51
§5.1 新的定时估计算法原理51
§5.2 新的定时算法 1 52
§5.3 新的定时算法 2 54
§5.4 OFDM 系统定时同步算法的比较 55
§5.5 本章小结56
第六章 OFDM 在DAB 中的应用 57
§6.1 DAB 的发展现状及意义 57
§6.1.1　DAB 简介57
§6.1.2　发展 DAB 的意义及市场前景57
§6.2 DAB 系统结构59
§6.2.1　DAB 发射机系统简介59
§6.2.2　DAB 系统协议及 MUSICAM 编码器介绍 62
§6.3 DAB 传输帧 63
§6.3.1　DAB 传输帧构成 63
§6.3.2　DAB 中OFDM 调制结构图 64
§6.3.3　DAB 中各模块实现65
§6.4 同步算法对 DAB 音频信号处理的结果 68
§6.5 本章小结70
第七章 论文工作总结71
参考文献72
V
第一章 绪论
第一章 绪论
§1.1 移动通信的发展
二十一世纪被人们命名为信息时代，今天我们所接触和使用到的信息远远的
超过了前人，随着通信的发展，移动通信成为现代通信中不可缺少的组成部分。
目前使用的第二代移动通信系统即以 GSM 系统和 IS95 系统为代表，主要是支持
语音和低速率的数据业务而设计的，随着人们对通信业务的范围和速率要求不断
提高，现有的第二代移动通信网将很难满足新的业务的要求。尽管目前有关于第
三代移动通信系统的研究和标准化工作十分引人注目，第三代移动通信系统是以
CDMA 技术为核心，其最大传输速率为 2Mbps，可在语音业务基础上提供互动的
多媒体业务，如多视频媒体视频会议、国际互联网的接入、文件传输和电子邮件等
多种业务。但是第三代移动通信系统仅仅从一个窄带向未来移动通信系统过渡的
一个阶段，随着移动通信和数据通信的快速发展，移动用户对业务种类和通信速
率的要求不断地增加。未来移动通信将朝着高速率传输、多业务种类的方向发展，
目前人们已经把视线投向了三代以后的移动通信系统中去[1, 3, 4]。
第四代移动通（4G）中系统的速率可以达到10M-20Mbps，甚至可以达到
100Mbps 以上，能够实现全球无缝漫游。未来的移动通信业务将从话音扩展到图
像、视频等多媒体业务，因此，对服务质量要求和传输速率的要求也越来越高。这
对移动通信系统的性能提出了更高的要求。而带宽在移动通信中是非常稀缺的资
源，因此必须采用先进的技术有效地利用宝贵的频率资源，以满足高速率、大容
量的业务需求，同时克服高速数据在无线信道下的多径衰落，降低噪声和多径干
扰，达到改善系统性能的目的。故正交频分复用（OFDM）在众多技术中显示出
优越的性能。
§1.2 OFDM 产生和原理概述
OFDM 是由多载波调制（MCM）发展而来。美国军方在上世纪 50、60 年代就
创建了世界上第一个 MCM 系统，由于 1970 年衍生了采用大规模子载波和频率重
叠技术的 OFDM 系统。但以后在相当长的时间内，OFDM 理论迈向实践的脚步缓
慢下来。这是因为 OFDM 在实际应用当中，实现傅立叶变换设备的复杂度、发射
机和接受机振荡器的稳定性以及射频功率放大器的线性要求等因素都成为了
OFDM 技术实现的制约条件。后来经过大量的研究，终于在 20 世纪 80 年代，
MCM 获得了突破性的进展，大规模集成电路让 FFT 技术的实现成为可能。自此
1
OFDM 技术及在DAB 中的应用
20 世纪 90 年代OFDM 开始被欧洲和澳大利亚广泛应用于广播信道的宽带数据通
信，数字音频广播（DAB ） 、 高清 晰 度数字电视（HDTV ）和无线局域网
（WLAN）。随着 DSP 芯片技术的发展，编码技术、软判决技术、信道自适应技术
的发展和应用，OFDM 技术的实现和完善指日可待[2, 5]。
OFDM 全称为正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）是
一种新型高效的编码技术， OFDM 在频域把信道分成了许多正交的子信道，各子
信道间保持正交，频谱相互重叠，这样减少了子信道间的干扰，提高了频谱利用
率，同时在每个子信道上信号带宽小于信道带宽，虽然整个信道的频率选择性是
非平坦的，但是每个子信道是平坦的，这大大减少了符号间的干扰。此外通过加
入循环前缀可增加其抗多径衰落的能力。由于 OFDM 把整个信道分成了相互正交
的子信道，因此抗窄带干扰能力很强，因为这些干扰仅仅影响到一部分子信道。
如果采用差分检测时，可以不需要做信道均衡；采用相关检测时，所需的信道均
衡也要比串行系统简单，只需要简单的自适应算法就能够使每个子信道的均方误
差达到最小化。正因为 OFDM 具有抗多径能力强，频谱利用率高的优点，因此受
到广泛的关注，目前普遍认为在宽带无线接入输入领域采用 OFDM 是今后的发展
趋势，而且它将成为未来移动通信系统的关键技术。
§1.3 OFDM 系统的优缺点
近年来OFDM 技术如此受到人们的关注，主要的原因是由于 OFDM 技术具
有以下的优点：
（1）高速率数据流通过串并变换，使每个子载波上的数据符号持续长度相
对增加，从而可以有效地减少由于无线信道的时间弥散所带来的 ISI，这样就减小
了接收机内使用均衡器的复杂度，甚至可以不采用均衡器，仅通过采用插入循环
前缀的方法就可消除ISI 的不利影响。
（2）传统的频分多路的传输方法是将频带分成若干个不相干的子频带来传
输数据流，子信道之间要保留足够多的保护频带。而 OFDM 系统由于各个子载波
间存在正交性，允许子信道的频谱相互重叠，因此与常规频分复用系统相比 ，
OFDM 系统可以最大限度利用频谱资源。当子载波个数很大时，系统的频谱利用
率趋于 2Baud/Hz。传统的多载波系统为了避免产生载波间干扰 ICI（Inter-Carrier-
Interference），各个子载波在频带上是不重叠的，接收机可以用传统的滤波器加
以分离和提取，但是这样频带利用率很低。在 OFDM 系统中，各个子载波的频谱
是重叠的，每个子载波都采用矩形脉冲成型，其频谱是 sinc 函数，在频域上可以
很好的保证不同的子载波信号的正交性，而没有信道间干扰(ICI)的发生。同时提
高了系统的频带利用率。可以证明，只要相邻子载波的频率相差1/T，就可以满足
正交条件。而当各个子载波在整个码元周期上是正交的时候，只要接收机用各子
2
第一章 绪论
载波对接收信号在码元周期 T上做相关积分，就可以无失真的恢复出各个子载波
上的数据。OFDM 信号的合成频谱非常近似于矩形，其频带利用率可以接近100%
。
（3）在N个子信道中的正交调制和解调可以通过采用 IDFT 和DFT 的方法
来实现。对于正交子载波信号个数 N很大的系统，可以通过采用快速傅立叶
（FFT）来实现。而随着大规模集成电路技术和 DSP 技术的发展，IFFT 与FFT 都
是非常容易实现的。
（4）无线数据业务一般存在非对称性，即下行链路中传输的数据量要大于
上行链路中传输的数据量。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量的子信道来实现上行和下行链路中不同的传输速率。
（5） 由于无线信道存在频率选择性，不可能所有的子载波都同时处于比较
深的衰落情况中，因此可以通过动态比特分配以及动态子信道分配的方法，充分
利用信噪比高的子信道，从而提高系统的性能。同单载波系统相比OFDM 传输技
术最重要的优越性体现在频率选择性信道上。由于 OFDM 子载波的正交性在无线
信道传输之后还被保留，信道干扰的影响就被减小为在某个子载波上乘一个复传
输因子。因而它的信号均衡很容易。这种情况下接收机的信号处理过程将会非常简
单。而在相同的带宽下，传统的单载波传输进行均衡难度就要大一些了。并且，由
于OFDM 的均衡是在频域进行，与普通单载波调制方式相比，虽然OFDM 系统
中的均衡和是要受到相同的限制(如残余错误和噪声增强)，在理论上具有相同的
性能。然而，OFDM 系统中均衡器的复杂性本质上是要小于单载波系统(OFDM 是
单抽头，而单载波则需要多抽头)，而均衡器的运算复杂度与抽头数量的平方成正
比。随着信号数据传输率的提升，信号带宽的进一步提高，多径造成的影响会越
来越明显，使用单载波方式，均衡器的计算负荷将极大的影响系统的传输能力。
（6）OFDM 可以容易地与其他多种接入方法结合使用构成 OFDM 系统，其
中包括多载波码分多址MC-CDMA，跳频OFDM 以及 OFDM-TDMA 等，使多个
用户可以同时利用 OFDM 技术进行信息的传输。
（7）因为窄带干扰只能影响其中的一小部分的子载波，因此 OFDM 系统可
以在某种程度上抵抗这种窄带干扰。
但是 OFDM 系统内由于有多个正交子载波，而其中输出信号也是多个子载波
的叠加，因此与单载波系统相比，存在如下缺点：
（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。由于无线信道的时变性，在传输过程中出现无线信号
的频谱偏移或发射机与接收机本地振荡之间存在的频率偏差都会使 OFDM 系统子
3
摘要：

摘要在现代通信系统中，如何高速和可靠地传输信息是一个极为重要的内容。随着通信业务的发展，特别是无线通信业务的增长，可用的频带日趋紧张，因此除了开发新的频谱资源外，采用新的高效抗干扰调制技术，提高频带的利用率一直是人们关心的话题。OFDM技术的出现给这些问题提供了一个很好的解决方法。但是，OFDM技术也存在一些缺点，一个主要缺点是对同步误差十分敏感。载波频率的偏差会带来严重的子载波间干扰，大大降低系统的性能。而且接收端OFDM符号位置的确定和采样时钟偏差也会影响到系统的性能。本文主要研究OFDM技术的同步问题，其中包括时间同步和频偏估计。有关研究内容如下：1.在深入研究定时偏差和载波频偏对OFD...

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