OFDM系统的频率偏移估计算法研究

摘要

工业控制系统的网络化为无线技术在工业控制系统中的应用提供了基础和可能，除了在理论上的研究工作外，在一些工业控制网络中，无线通信技术已获得了应用。正交频分复用(OFDM)是一种无线通信环境下的多载波调制技术，其基本思想就是将高速的串行数据流转换成低速的并行子数据流，从而增加整个OFDM码元的持续时间，有效的抵抗多径信道引起的码间串扰。 由于硬件技术的飞速发展和OFDM技术本身所具有的较好的抗多径衰落、频谱利用率高等优点，该技术有可能被下一代移动通信系统采用。无线网络无可比拟的优越性，可以免去大量的线路连接，节省系统的构建费用和维护成本，还可以满足一些特殊场合的需要，与此同时，大大增强了系统构成的灵活性。加之无线通信技术自身的不断改进，无线通信技术在工业控制领域中必将具有广阔的发展空间和应用前景。但由于OFDM技术对频率偏移非常敏感，所以较小的频率偏移也可能使通信质量受到较大的影响，导致系统性能大幅度下降。 本文利用OFDM系统中不同的已知信息和结构，深入研究了OFDM技术中的频率偏移估计问题，改进并提出了进行频率偏移估计的以下研究方法。 1．分析总结了载波频率偏移对OFDM系统的影响OFDM技术区分各个子信道的方法是利用各个子载波之间严格的正交性。由于无线信道的时变特性，在传输过程中出现的无线信号频谱偏移，或发射机与接收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，导致子信道间干扰。因此，对频率偏移的敏感性是OFDM系统的主要缺点。 2．改进了循环前缀算法的性能基于时频数据结构的算法包括循环前缀算法和类MUSIC法。在基于循环前缀的算法中，首先对该算法在白噪声条件和多径条件下的性能分别进行仿真，然后通过对两组实验结果的比较，得出当信道最大时延扩展比较大，出现码问干扰时，算法性能下降较快的结论。通过进一步分析该算法的跟踪性能以及它对信道时延和多普勒频率扩展等参数变化的敏感性，对算法和系统参数进行修正和优化。通过仿真实验可以看出，在最大时延扩展较小的情况下，优化后的算法对多普勒频率扩展的大小变化不敏感； 3．优化了类MUSIC算法的性能在类MUSIC算法中，通过逐步改进实验结果的方法将算法和系统参数进行最优化，分析了改进算法在白高斯噪声信道中的性能。通过仿真实验可知，在出现码间干扰的情况下，即使信噪比比较高，改进算法的性能仍下降得很快。 4．提出了基于最大似然估计的加权估计算法虽然基于时域导频码元的方法精度较高，性能也较其他算法优良，但由于占用资源太多，一般不被用于频率偏移的跟踪，只能用于粗频率偏移估计；而最大似然估计算法却能利用导频因子，在加性白高斯噪声信道中获得较好的效果，但由于在多径衰落信道中，不同位置的导频因子有不同的信噪比，OFDM符号受到的影响也不一样，所以最终的频偏估计效果并不是很好；鉴于此，本文在最大似然估计算法的基础上提出了适合于多径衰落信道下的加权估计算法，这种算法通过使频偏估计的方差最小的方法来确定加权因子。算法中联合不同OFDM符号中的导频因子进行频偏估计，以此来减少多径衰落信道的影响，通过计算机的仿真验证分析，该算法在无线系统中确实具有良好的性能。 5．解决了OFDM的同步问题，使得通过无线局域网对工业设备进行精确的控制成为可能

目录

文摘

英文文摘

论文说明：符号说明

声明

第1章 绪论

1.1论文研究的背景及意义

1.2 OFDM技术的历史和发展现状

1.3论文的主要工作和章节安排

第2章 OFDM系统基础

2.1无线信道的基本知识

2.1.1多径信道模型和信道参数

2.1.2多径时延扩展衰落效应

2.1.3 Doppler扩展衰落效应

2.2 OFDM系统的基本原理

2.2.1 OFDM系统的基本模型

2.2.2数据的串并变换

2.2.3子载波调制

2.2.4傅立叶变换的应用

2.2.5保护间隔、循环前缀

2.3 OFDM技术的优缺点

2.3.1 OFDM技术的优点

2.3.2 OFDM技术的缺点

2.4 OFDM系统中的峰值平均功率比问题

2.5本章小结

第3章 OFDM系统的频率同步及校正算法分析

3.1同步简介

3.2载波频率同步误差对OFDM系统的影响

3.3载波频率偏差造成的信噪比损耗

3.4 OFDM系统频偏估计算法及分析

3.5本章小结

第4章 基于CP的频率偏移估计及改进

4.1 CP算法介绍

4.2移动信道的特点及信道模型

4.2.1移动信道的特点

4.2.2无线信道的Clarke模型

4.3CP频率偏移估计算法及其改进

4.3.1利用CP跟踪频率偏移

4.3.2相位差的极大似然估计利用

4.3.3利用CP对频率偏移进行极大似然估计

4.4仿真分析

4.4.1基于CP算法的估计性能分析

4.4.2多径环境中基于CP算法的改进性能

4.4.3仿真结论

4.5本章小结

第5章 盲估计算法的研究及扩充

5.1信号模型

5.2类MUSIC频偏估计算法

5.3仿真分析

5.4本章小结

第6章 基于导频的频偏估计算法分析及改进

6.1利用导频序列在多径条件下估计频率偏移

6.1.1导频序列的两种加法

6.1.2利用导频估计频率偏移

6.1.3利用导频序列跟踪频率偏移

6.1.4信道估计和均衡

6.2加权算法分析

6.2.1基于导频的最大似然估计算法

6.2.2利用权函数进行频偏估计算法

6.3仿真结果及性能分析

6.3.1 MATLAB仿真

6.3.2性能分析

6.4本章小结

第7章 论文总结与展望

7.1论文总结

7.2论文展望

参考文献

附录：主要程序代码

攻读学位期间发表的学术论文目录

致谢