OFDM的同步技术研究

摘要

题目：OFDM的同步技术研究

作者姓名：颜小婷

摘要

正交频分多路复用（OFDM）技术已经在无线通信中被广泛应用，它利用多载波调制技术把数据流分解为若干个子数据流，从而使子数据流有低得多的传输比特速率。

时频同步技术是OFDM的关键技术之一，对于对定时和频率偏移十分敏感的OFDM系统而言，时频同步显得尤为重要。目前，时频同步技术已经得到了越来越多人的关注。

本文介绍了OFDM中同步技术，首先介绍了同步的重要性以及OFDM中的时间同步和频率同步，接着介绍了一种基于循环前缀的时频同步新算法，并重点分析了符号定时和频偏估计的方法，同步的捕捉过程和跟踪过程的步骤，以及同步性能的的分析方法。

关键字：OFDM 正交循环前缀同步

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一. OFDM中同步的重要性

同步对于任何数字通信系统来说都是重要的任务，没有精确地同步就不能对传送的数据进行可靠的恢复[1]。可以说，同步时任何通信接收机实现的基础。OFDM既可以用于广播类型的通信系统，又可以用于突发数据传输的通信系统，在同步的问题上二者可以采取的途径不尽相同。广播类型的系统传输的是连续的数据，因此最初需要经过较长的一段时间获得信息（同步捕获），之后转换成跟踪模式。突发传输系统通常采用分组的方式，需要在分组开始发送之后的很短时间获得同步[6]。

由于OFDM信号特殊结构[5]，使得很多为单载波系统设计的同步算法不能被采用，因此，必须从OFDM本身的角度出发来设计同步算法。在这里，利用了OFDM的循环前缀这一特殊结构来进行同步。

二. 同步技术

2.1 同步技术简介

在接收机对子载波进行解调之前必须进行两项同步工作[10]：第一，找出符号边界的位置和最佳的时间间隔（最佳的时间间隔一般是一个符号帧的长度），使得信道间干扰（ICI）和符号间干扰（ISI）达到最小；第二，估计和纠正接收信号的载波频率偏移，因为任何的便宜都会引入子载波间干扰和符号间干扰。尽管OFDM系统相对于单载波系统来说对相位噪声和频率偏差更为敏感，但是事实证明，利用循环前缀和加入特殊的OFDM训练符号等方法，可以获得较好的时间同步和频率同步。

符号同步的目的是为了找到FFT窗的起始位置，可以采用特殊的训练系列来进行符号定时，另外利用循环前缀的相关特性也可以用作定时[3][8]。利用循环前缀作为保护间隔一定程度上降低了对符号定时的要求，但如果误差较大，将会引入符号间干扰ISI，甚至破坏子载波间的正交性，造成严重的ICI。另外，采样时钟的同步也是个不可忽略的问题，它的目的是使接收机的采样时钟频率和发射机

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的一致，采样时钟频率误差会引起ICI，而且采样时钟误差还会导致符号定时的漂移，而使符号定时性能恶化。[2]

下面对这几种同步简要介绍：[11]

1.载波同步

载波同步，也就是频率偏移估计。OFDM符号由多个子载波信号叠加构成，各个子载波之间是利用正交性来区分。系统对由多普勒频移或收发端载波频偏产生的频率偏差非常敏感，频偏会破坏子载波之间的正交性，引入ICI，而且还会引起传输信号的相位旋转，造成系统性能大幅度降低。一般来说，MIMO-OFDM 系统的子载波之间频率间隔很小，因而所能容忍的频偏非常有限。即使很小的频偏也会造成系统性能的急剧下降，所以，载波同步对MIMO-OFDM系统尤为重要。

2.采样时钟同步

采样频率的同步是指发射端的D/A变换器和接收端的A/D变换器的工作频率保持一致。一般地，连接各个变换器之间的偏差较小，相对于载波频移的影响来说也较小，而一帧的数据如果不太长的话，只要保证了帧同步的情况下，可以忽略采样时钟不同步时造成的漏采样或多采样，而只需要在一帧数据中补偿由于采样偏移造成的相位噪声。

3.符号定时同步

符号定时同步的任务是在接受数据流中寻找OFDM符号的分界。MIMO-OFDM系统的符号定时和单载波系统有很大的区别，单载波系统传送的符号有一个最佳抽样点，也就是其眼图张开的最大点处；而OFDM的符号不存在眼图，也就没有所谓的最佳抽样点。它的特点是一个符号由N个抽样点（N为系统子载波个数）组成，符号定时也就是要确定一个符号开始的时间。符号同步的结果用来判定各个OFDM符号中用来解调符号中的各子载波。当符号同步算法定时在OFDM符号的第一个样值时，MIMO-OFDM接收机的抗多径效应的性能达到最佳。

理想的符号同步就是选择最佳的FFT窗[9]，使子载波保持正交，且ISI被完全消除或者降至最小。由于使用了循环前缀技术，MIMO-OFDM 系统能够容忍一定的符号定时误差而不受到性能上损失。所以MIMO-OFDM系统对定时偏差不像对频率偏差那么敏感。

4 OFDM 的同步技术研究

4.帧同步

帧同步是在OFDM 符号流中找出帧的开始位置，也就是常说的数据、帧头检测。在帧头被检测到的基础上，接收机根据帧结构的定义，以不同的方式处理一帧中具有不同作用的符号。当帧结构固定已知时，帧同步和符号定时同步可以认为是一样的。

2.2 OFDM 系统的时间同步和频率同步

OFDM 系统的同步技术分为时间同步和载波同步。下面将对OFDM 系统的时间同步和频率同步加以分析。

由于发送端和接收端的载波频率存在偏差，每一个在时间t 的信号样本都包含未知的相位因子t f j c e ∆π2，其中c f ∆是未知的载波频率偏差。为了不破坏子载波之间的正交性，在接收端进行FFT 变换之前，必须对这个未知的相位因子进行估计和补偿。

发送端和接收端之间的抽样时钟偏差，导致每个信号样本都会一定程度地偏离它正确的抽样时间，这个偏差随着样本数量的增加而线性增大。尽管时间偏差会破坏子载波之间的正交性，但是通常情况下可以忽略不计。当抽样错误可以被校正时，就可以用内插滤波器来控制它在正确的时间进行抽样。

（一）定时恢复概述[3]

OFDM 系统定时与单载波系统的定时恢复不同，单载波系统的定时恢复是找到眼图张开最大时刻为最佳抽样时刻。OFDM 块沿时间轴顺序到来，OFDM 块由循环前缀和有用数据信息组成，因此OFDM 块同步就是要确定OFDM 块有用数据信息的开始时刻，也可以叫做确定FFT 窗的开始时刻。抽样时钟同步主要是接收机和发射机的抽样时钟频率保持一致，抽样时钟频率偏移将导致ICI ，抽样时钟频率偏差还将影响同步，但可以假设抽样时钟同步是理想的。

（二）频偏估计概述[3]

频率偏移估计是由收发设备的本地载频之间的偏差，信道的多普勒频移等引起的，由于子载波间隔的整数倍偏移和子载波间隔的小数倍偏移构成。如图1所示，子载波间隔的整数倍偏移虽然不会破坏子载波之间的正交性，抽样点仍在顶点，但是会引起OFDM 信号的频谱结构错位，导致接收机恢复的数据码元序列的