宽带OFDM系统中的同步技术研究与FPGA实现

论文摘要

OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)技术因为频谱效率高,抗多径衰落能力强,抗窄带干扰性能好等众多突出的优势而被广泛应用于宽带无线接入系统中,并作为未来移动通信系统的关键技术而成为当今无线通信领域的研究热点。但OFDM技术对频偏、定时和相位噪声敏感,较小的同步偏差即会导致系统的误码性能恶化,甚至通信失效。因此同步性能的好坏直接影响到宽带OFDM系统的无线数据传输性能。基于IEEE 802.11a标准的WLAN系统采用OFDM作为其物理层接入技术,并作为一种典型的突发分组传输系统而得到极大的关注。因此研究基于IEEE 802.11a标准的OFDM同步技术不失一般性,可以方便的扩展到其它基于OFDM的宽带无线接入系统之中。本文简要介绍了OFDM技术的发展历史与研究现状,详细阐述了OFDM技术的基本原理、特点及技术优势。通过理论推导与仿真详细分析了定时偏差、载波偏差以及采样偏差等多种非理想因素对OFDM系统的影响。以IEEE 802.11a标准为基础,利用OFDM PPDU帧的特殊结构,从时、频域两方面设计了简单易行的OFDM同步算法,通过仿真对算法的估计性能及补偿前后OFDM系统的误码性能进行了详细的分析与比较,并对频域定时偏差估计等算法的捕获范围与估计精度进行了性能上的改进。根据系统的同步性能要求,在充分考虑同步算法的性能及实现复杂度的基础上,设计并实现了一种时、频域分步的OFDM同步系统。在所设计的同步系统中,采用基于CORDIC算法的复数相位提取方法有效的保证了频率估计的提取精度;设计的时域多峰值搜索策略有效的提高了OFDM符号定时的可靠性;提出了一种基于频域长前导符号的定时偏差与信道频率响应的联合估计与补偿算法,在保证估计性能的同时,显著的降低了系统实现的复杂度;与此同时,还设计并实现了基于IEEE 802.11a标准的PHY收、发基带处理系统,使用ALTERA Cyclone和Cyclone II系列FPGA及MAX2829射频收发器等硬件构建一套完整的OFDM无线传输实验平台。最后通过在室内无线环境下的数据传输,对帧检测、符号定时、载波频偏估计、定时偏差估计以及OFDM PPDU帧的解调解码输出电路进行测试与分析,验证了整个OFDM同步系统的有效性及系统进行无线传输的可靠性。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 无线通信系统简介
• 1.1.1 无线通信系统现状
• 1.1.2 无线宽带接入系统
• 1.2 单载波与多载波通信系统
• 1.2.1 单载波通信系统
• 1.2.2 多载波通信系统
• 1.3 OFDM 系统的发展历史
• 1.3.1 历史
• 1.3.2 现状与前景
• 1.4 OFDM 的主要优缺点
• 1.5 本文主要工作和内容安排
• 2 无线信道特性
• 2.1 无线信道的传播特征
• 2.1.1 信道衰落
• 2.1.2 多径效应
• 2.1.3 时变特性
• 2.2 论文所使用的信道模型
• 2.2.1 AWGN 信道
• 2.2.2 多径衰落信道
• 2.3 本章小结
• 3 OFDM 基本原理及同步误差影响
• 3.1 OFDM 基本原理
• 3.1.1 OFDM 信号
• 3.1.2 保护间隔和循环前缀
• 3.1.3 加窗技术
• 3.1.4 OFDM 系统的峰均比
• 3.1.5 OFDM 系统结构
• 3.2 同步误差对OFDM 系统的影响
• 3.2.1 OFDM 同步的基本原理
• 3.2.2 同步偏差对OFDM 系统性能的影响
• 3.3 本章小结
• 4 OFDM 同步算法与仿真
• 4.1 IEEE 802.11a 标准的物理层参数
• 4.1.1 系统参数
• 4.1.2 帧格式
• 4.1.3 基带处理
• 4.1.4 时域加窗
• 4.1.5 OFDM PHY 结构
• 4.2 OFDM 同步算法设计
• 4.2.1 同步系统的性能要求
• 4.2.2 帧检测
• 4.2.3 时域定时估计
• 4.2.4 频域定时估计
• 4.2.5 载波同步
• 4.2.6 频域频偏估计
• 4.2.7 采样同步
• 4.2.8 CORDIC 算法
• 4.3 本章小结
• 5 OFDM 同步系统设计与FPGA 实现
• 5.1 OFDM 同步系统方案设计
• 5.1.1 同步系统方案设计
• 5.1.2 性能分析
• 5.2 同步系统的FPGA 实现
• 5.2.1 帧检测
• 5.2.2 符号定时同步
• 5.2.3 时域频率同步
• 5.2.4 频域定时偏差估计
• 5.2.5 频域小数频偏估计
• 5.2.6 采样频率偏差估计
• 5.2.7 残余相位跟踪
• 5.3 系统硬件平台及测试
• 5.3.1 OFDM 系统的硬件平台
• 5.3.2 器件选型
• 5.3.3 OFDM 发射机系统
• 5.3.4 OFDM 接收机系统
• 5.3.5 系统调试流程
• 5.3.6 发射机系统调试结果
• 5.3.7 接收机系统调试结果
• 5.4 本章小结
• 6 总结与展望
• 6.1 论文总结
• 6.2 后续研究工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录