基于OFDM的低轨卫星宽带通信系统载波同步技术研究

论文摘要

移动通信的无缝覆盖漫游连接及多媒体通信是未来的B3G／4G宽带通信系统的解决目标，而卫星系统是整个B3G／4G框架内重要的组成部分。在将B3G／4G的关键技术之一——OFDM应用于存在大多普勒频移的LEO卫星系统时，必须解决载波频率同步的问题。 OFDM通过把高速的数据流分配到若干个正交的子信道中进行传输，降低了每个子信道中的传输速率，减轻了多径衰落信道所带来的符号间干扰（ISI）的影响。载波频率的偏差将破坏各子信道间的正交性，引起载波间干扰（ICI），带来比单载波系统更为严重的影响。OFDM系统中的载波频率估计算法按照计算方法的不同可分成三种类型：数据辅助算法；基于OFDM符号本身结构的算法；判决反馈的算法。按照估计对象的不同又可分为子载波间隔的小数倍频偏估计和整数倍频偏估计。本文介绍了现有的各种估计算法，并提出了新的算法。 低轨卫星的信道与地面无线信道具有不同的特点，低信噪比与大多普勒频移是低轨卫星信道的两个显著特征。本文对这两个特征下载波同步的两个方面——载波频率参数估计与环路参数设计进行了分析。从一般性的参数估计准测出发，得出了OFDM系统载波频率最大似然估计的Cramer-Rao限；继而讨论了载波恢复环路中鉴相器的选择及环路滤波器的设计，指出具有线性误差函数的频率估计算法在低信噪比下具有最佳性能，而环路滤波器的设计需要综合考虑环路捕获时间与稳态性能。 在存在载波偏差的情况下，可通过一定的方法改善OFDM系统的载波间干扰问题。本文给出了三种方法：干扰自消除的方法：调整成型窗函数的方法；正交编码的方法。 最后本章结合典型卫星轨道的相关参数，设计了一个具体的低轨卫星OFDM系统，仿真结果表明，选取的载波频率同步方式可以满足系统的误码率要求。

论文目录

• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 低轨卫星宽带移动通信系统
• 1.3 低轨卫星信道模型
• 1.4 OFDM在低轨卫星移动通信系统中的应用
• 1.5 本章小结
• 第二章 OFDM载波偏差估计
• 2.1 OFDM核心技术
• 2.1.1 OFDM简介
• 2.1.2 OFDM基本模型
• 2.1.3 傅立叶变换
• 2.1.4 保护间隔和循环前缀
• 2.1.5 OFDM设计实例
• 2.1.6 虚拟子载波
• 2.1.7 加窗技术
• 2.2 载波偏差对OFDM的影响
• 2.2.1 小数倍频偏的影响
• 2.2.2 整数倍频偏的影响
• 2.3 OFDM载波频偏的估计
• 2.3.1 小数倍载波偏差的估计算法
• 2.3.2 整数倍载波偏差的估计算法
• 2.4 本章小结
• 第三章 基于OFDM的低轨卫星通信系统载波同步
• 3.1 低轨卫星信道模型的简化
• 3.2 OFDM载波同步
• 3.2.1 载波参数估计
• 3.2.2 载波恢复环路设计
• 3.3 本章小结
• 第四章 ICI干扰的改善
• 4.1 干扰自消除方法
• 4.1.1 一阶constant方法
• 4.1.2 一阶linear方法
• 4.1.3 高阶干扰自消除方法
• 4.1.4 ICI干扰自消除的性能仿真
• 4.2 窗函数对ICI的影响
• 4.2.1 升余弦窗函数的影响
• 4.2.2 升余弦窗函数的改进
• 4.3 正交编码方法
• 4.3.1 复编码分集系统简介
• 4.3.2 采用正交编码减小ICI
• 4.3.3 正交编码SIR分析
• 4.4 本章小结
• 第五章 系统仿真与验证
• 5.1 移动卫星通信系统的链路分析
• 5.2 载波同步过程分析
• 5.3 载波同步仿真与验证
• 5.3.1 结构设计
• 5.3.2 仿真结果
• 5.3.3 硬件验证
• 5.4 本章小结
• 第六章 全文总结
• 6.1 本文的工作成果
• 6.2 有待进一步研究的问题
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的学术论文目录
• 致谢
• 个人简历