无线多媒体传感网OFDM系统的同步电路设计

摘要

正交频分复用(OFDM)技术具有高频谱利用率、高传输速率、抗多径干扰和均衡简单等优点，是无线多媒体传感网物理层调制技术的合适选择。但是OFDM系统对同步误差敏感:同步误差会引起载波间干扰和符号间干扰，使得系统性能严重下降。所以同步技术是OFDM系统的重要技术。本论文旨在设计一种高性能低复杂度的同步电路。
　　论文分析了现有算法的优劣，给出了改进的定时同步、载波同步和采样同步算法。对SC算法、Minn算法和Ren算法的训练序列进行改进，给出了一种改进的构造训练序列的方法和相应的定时函数。吸取基于训练序列和基于循环前缀的载波同步算法的优点，载波同步采用基于训练序列的粗载波同步和基于循环前缀的细载波同步相结合的办法。该方法能实现大范围高精度的载波频偏估计。为了便于电路实现，还给出了一种新的载波同步实现流程，将传统的两次估计两次补偿的流程调整为两次估计一次补偿。采样同步算法将采样频率偏差转化为采样相位偏差来估计。数值仿真表明，改进的同步算法能获得更好的性能。本论文还对同步算法进行了电路设计。定时同步模块通过搜索相关函数的最大值代替定时函数的最大值，避免了除法运算;通过相关函数能量值与能量函数的阈值比较，缩小了搜索范围。载波同步模块采取改进的实现流程和相位归一化处理的CORDIC算法，简化了电路实现;并共用粗细载波频偏估计的CORDIC模块，节约了硬件资源消耗。采样同步模块通过对导频点个数和间距的合理设计，避免了除法器。
　　最后，用ModelSim软件对同步电路进行功能仿真，用FPGA对同步电路进行功能验证和性能测试，并用Quartus软件分析同步电路硬件资源消耗情况。结果显示，同步电路的设计正确;当信噪比为10dB时，同步电路的定时误差平均值小于10-3，载波频偏估计误差平均值为3×10-3，采样偏差估计误差平均值为3.22×10-4，即同步电路性能满足设计指标;同步电路各模块的硬件资源消耗是现有文献的75％以下。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 无线多媒体传感网概述

1．2 国内外研究现状

1．3 论文的主要工作与设计指标

1．3．1 论文的主要工作

1．3．2 论文的设计指标

1．4 论文的内容安排

第二章 OFDM系统的基本原理和同步技术

2．1 OFDM系统概述

2．1．1 OFDM系统的基本原理

2．1．2 OFDM系统的优点与关键技术

2．2 同步误差对系统的影响

2．2．1 定时误差的影响

2．2．2 载波频偏的影响

2．2．3 采样偏差的影响

2．2．4 总偏差的影响

2．3 OFDM系统的同步技术

2．3．1 定时同步算法分析

2．3．2 载波同步算法分析

2．3．3 采样同步算法分析

2．4 本章小结

第三章 OFDM系统同步算法

3．1 OFDM系统参数

3．2 改进的定时同步

3．2．1 定时同步的算法

3．2．2 定时同步的性能

3．3 改进的载波同步

3．3．1 粗载波频偏估计

3．3．2 细载波频偏估计

3．3．3 改进的总载波频偏估计与补偿

3．3．4 载波同步算法的性能

3．4 改进的采样同步

3．4．1 改进的采样偏差估计

3．4．2 采样偏差补偿

3．4．3 采样同步的性能

3．5 本章小结

第四章 同步算法的电路实现

4．1 定时同步的电路设计

4．1．1 数据缓冲器

4．1．2 能量计算

4．1．3 帧到达检测

4．1．4 延时相关运算

4．1．5 帧开始位置搜索

4．2 载波同步的电路设计

4．2．1 CORDIC算法原理与改进

4．2．2 粗载波频偏估计

4．2．3 细载波频偏估计

4．2．4 细载波频偏调整与总载波频偏计算

4．2．5 总载波频偏补偿

4．3 采样同步的电路设计

4．3．1 导频提取

4．3．2 采样偏差估计

4．3．3 采样偏差补偿

4．4 本章小结

第五章 同步电路的ModelSim仿真与FPGA验证

5．1 同步电路的ModelSim仿真

5．2 同步电路的FPGA验证

5．3 同步电路的性能测试

5．4 同步电路的硬件资源消耗

5．5 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

致谢

参考文献

作者简介

攻读硕士学位期间的成果和发表的论文