802.11協(xié)議OFDM接收部分同步實(shí)現(xiàn)方案

1、802.11協(xié)議OFDM接收局部同步實(shí)現(xiàn)方案論文導(dǎo)讀：系統(tǒng)已經(jīng)越來越受到人們的廣泛關(guān)注。同步技術(shù)的應(yīng)用。根據(jù)802.11協(xié)議系統(tǒng)。系統(tǒng)由于各個(gè)子載波之間存在正交性。個(gè)OFDM符號(hào)包含許多采樣信號(hào)點(diǎn)。無線局域網(wǎng)，802.11協(xié)議OFDM接收局部同步實(shí)現(xiàn)方案。關(guān)鍵詞：OFDM，同步，802.11協(xié)議，無線局域網(wǎng)，載波，采樣1引言：近年來，OFDM系統(tǒng)已經(jīng)越來越受到人們的廣泛關(guān)注，其原因在于OFDM系統(tǒng)存在如下的主要優(yōu)點(diǎn)：(1)可以有效的減小無線通信的時(shí)間彌散帶來的符號(hào)間干擾，這樣就減小了接收機(jī)均衡器的復(fù)雜度，通過采用插入循環(huán)前綴的方法徹底消除ISI的不利影響；(2)OFDM系統(tǒng)由于各個(gè)子載波之間存

2、在正交性，允許子信道的頻譜互相重疊，與常規(guī)時(shí)分復(fù)用系統(tǒng)相比，OFDM系統(tǒng)可以最大限度的利用頻譜資源；(3)各個(gè)子信道中的這種正交調(diào)制和解調(diào)可以采用IFFT和FFT方法實(shí)現(xiàn)；(4)OFDM可以很容易的通過使用不同數(shù)量的子信道來實(shí)現(xiàn)上行和下行鏈路中的不同傳輸速率，滿足非對稱高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊螅?5)抵抗信道的頻率選擇性。無線信道存在頻率選擇性，但不可能所有的子載波都處于深衰落，因此可以通過動(dòng)態(tài)比特分配以及動(dòng)態(tài)子信道功率分配的方法，充分利用信噪比擬高的信道，提高系統(tǒng)性能；(6)OFDM系統(tǒng)可以容易多址和多用戶接入，構(gòu)成OFDMA系統(tǒng)；(7)OFDM可以某種程度上抵抗窄帶干擾。2 OFDM同步技術(shù)的應(yīng)

3、用在單載波系統(tǒng)中，載波頻率偏移只會(huì)對接收信號(hào)造成一定的衰減和相位旋轉(zhuǎn)，可以通過均衡等方法來加以克服，OFDM多載波調(diào)制系統(tǒng)與其他數(shù)字通信系統(tǒng)樣，也需要可靠的同步技術(shù)。一個(gè)OFDM符號(hào)包含許多采樣信號(hào)點(diǎn)，由于OFDM符號(hào)的持續(xù)時(shí)間遠(yuǎn)大于采樣間隔，時(shí)延擴(kuò)展或定時(shí)偏差所產(chǎn)生的符號(hào)間干擾(ISI)相對較小，對系統(tǒng)性能影響不大。OFDM系統(tǒng)通過引入循環(huán)前綴(CP)來容納符號(hào)間干擾，般CP的長度都設(shè)計(jì)都大于最大信道時(shí)延，只要0FDM符號(hào)的FFT窗開始位置處于無干擾的CP局部就不會(huì)帶來ISI干擾，因此存在循環(huán)前綴的OFDM系統(tǒng)對時(shí)間同步要求不同，這點(diǎn)與單載波系統(tǒng)不同。對于無線通信來說，無線信道存在時(shí)變性，無

4、線信號(hào)在傳輸過程中會(huì)出現(xiàn)頻率偏移，例如多普勒頻移，或者由于發(fā)射機(jī)載波頻率與接收機(jī)本振之間存在的頻率偏差，這些都會(huì)使得OFDM系統(tǒng)中各子載波之間的正交性遭到破壞，從而導(dǎo)致子信道間的信號(hào)相互干擾(ICI)。由于OFDM系統(tǒng)各個(gè)子載波相互正交，才表現(xiàn)出OFDM系統(tǒng)很多優(yōu)異特性；也正是由于OFDM系統(tǒng)各子載波間的正交性，使得OFDM系統(tǒng)對系統(tǒng)頻偏常敏感。在OFDM接收同步中主要包括定時(shí)同步，載波頻率同步和采樣同步三步。(1)定時(shí)同步又分為幀同步和符號(hào)同步。(2)載波頻率同步作用是檢測頻偏偏移并進(jìn)行補(bǔ)償。(3)采樣時(shí)鐘同步消除發(fā)射與收端A/D采樣頻率，相位偏移。(4)剩余相位補(bǔ)償。1. 幀同步幀同步的作

5、用主要是為了找數(shù)據(jù)分組起始的粗略估計(jì)，這是OFDM接收局部的起始，我們要做的就是檢測突發(fā)的傳輸狀態(tài)下，接收端在信道上是否有新的數(shù)據(jù)到達(dá)。利用前導(dǎo)結(jié)構(gòu)用雙滑動(dòng)窗口分組檢測算法實(shí)現(xiàn)根據(jù)802.11協(xié)議系統(tǒng)，參加了前導(dǎo)序列來幫助同步的實(shí)現(xiàn)，如下圖有10個(gè)長度為16的短訓(xùn)練序列，其結(jié)構(gòu)都為周期循環(huán)模式，可完成分組檢測，AGC，粗頻偏估計(jì)和符號(hào)同步等功能。同樣參加兩個(gè)長訓(xùn)練序列用于信道估計(jì)和細(xì)頻偏估計(jì)。用前導(dǎo)進(jìn)行分組檢測的算法利用短訓(xùn)練符號(hào)的周期性，即延時(shí)相關(guān)算法，延時(shí)相關(guān)為這里為當(dāng)前接收到的L個(gè)數(shù)據(jù)與D個(gè)時(shí)刻接收到的L個(gè)數(shù)據(jù)相關(guān)。接收到的能量為那么相關(guān)判決為當(dāng)接收的只有噪聲時(shí)，輸出的延時(shí)相關(guān)理想值為零

6、，相關(guān)判決很小，當(dāng)接收到第二個(gè)循環(huán)符號(hào)時(shí)，相關(guān)判決明顯增大，并出現(xiàn)9個(gè)短訓(xùn)練序列的相關(guān)平坦。需要根據(jù)不同的信道噪聲影響，設(shè)置不同的門限閾值。2載波同步OFDM技術(shù)用多個(gè)子信道重疊來傳輸信號(hào)，所以需要使子載波正交來保證正確性，但是由于多普勒頻移和收發(fā)晶振不同，是載波頻率有所偏差，并且影響到相位。在這里我們利用循環(huán)前綴來完成OFDM信號(hào)的載波同步有兩種算法，即時(shí)域和頻域載波同步算法這里選擇了時(shí)域方法利用信號(hào)的數(shù)據(jù)輔助的最大似然算法。需要兩個(gè)有連續(xù)重復(fù)符號(hào)的訓(xùn)練序列。根據(jù)802.11協(xié)議，不管長訓(xùn)練符號(hào)還是短訓(xùn)練符號(hào)都滿足。假設(shè)發(fā)送信號(hào)，那么通帶信號(hào)復(fù)基帶模型為f為發(fā)射載波頻率，為采樣周期在接收端，

7、忽略噪聲，復(fù)基帶信號(hào)為為發(fā)射和接收頻率偏差那么兩個(gè)周期符號(hào)延時(shí)16個(gè)采樣點(diǎn)，符號(hào)長度為L,那么相關(guān)延時(shí)相關(guān)和為如果沒有頻偏，R是實(shí)數(shù)，如上式可以看出頻偏的估計(jì)值為其中，為對復(fù)數(shù)R取角度運(yùn)算。科技論文，無線局域網(wǎng)。時(shí)域方法的特性根據(jù)上述的時(shí)域算法分析，R的形式為,嚴(yán)格定義在范圍內(nèi)，可估計(jì)的最大頻率誤差為從上式可以看出，可計(jì)算的最大頻差與重復(fù)符號(hào)的長度有關(guān)，根據(jù)802.11系統(tǒng)，前導(dǎo)的段訓(xùn)練序列和周期訓(xùn)練序列都可進(jìn)行載波頻估。科技論文，無線局域網(wǎng)。根據(jù)協(xié)議，短訓(xùn)練符號(hào)取樣時(shí)間為50ns，延時(shí)D=16，那么可估算的最大頻差為=對于長訓(xùn)練序列，D=64,那么=從上式可以看出，如果頻差在長短訓(xùn)練序列估算

8、最大值之間的話，單用長訓(xùn)練序列就會(huì)不準(zhǔn)確，所以通常會(huì)用短訓(xùn)練序列做粗載波同步估計(jì)和用長訓(xùn)練序列做細(xì)載波同步估計(jì)對頻差做進(jìn)一步修正。3符號(hào)同步根據(jù)分組檢測提供的粗略估計(jì)可以看出符號(hào)的大致的起始，而對數(shù)據(jù)分組的準(zhǔn)確估計(jì)需要符號(hào)同步來完成。在協(xié)議中設(shè)計(jì)的發(fā)射機(jī)和接收機(jī)兩端的前導(dǎo)結(jié)構(gòu)都是的，所以載波同步后可以用短訓(xùn)練符號(hào)來做互相關(guān)。把接受的數(shù)據(jù)分組域本地的短訓(xùn)練符號(hào)的共軛復(fù)數(shù)相乘累加，那么相關(guān)系數(shù)為D為相關(guān)長度，D=16，為短訓(xùn)練符號(hào)的周期長度。當(dāng)|出現(xiàn)峰值的時(shí)候，表示這時(shí)一個(gè)短訓(xùn)練符號(hào)結(jié)束，即用這一點(diǎn)特性，可以找到整個(gè)OFDM所有短訓(xùn)練序列的結(jié)束點(diǎn)。當(dāng)最后一個(gè)峰值出現(xiàn)時(shí)，就是整個(gè)短訓(xùn)練符號(hào)的結(jié)束點(diǎn)。

9、4采樣頻率同步由于數(shù)模轉(zhuǎn)換和模數(shù)轉(zhuǎn)換等變換時(shí)晶振不可能有完全相同的時(shí)鐘周期和相位，這樣兩者會(huì)產(chǎn)生采樣的偏差，一是使FFT周期的偏差，這樣采樣子載波之間不再正交，從而產(chǎn)生信道間的干擾，二是采樣頻偏產(chǎn)生時(shí)變的定時(shí)偏差，經(jīng)過DFT后會(huì)導(dǎo)致時(shí)變的相位變化。假設(shè)采樣時(shí)鐘為，采樣時(shí)鐘誤差為，經(jīng)過ADC采樣后，受到影響的信號(hào)為y=yy=y=yn=l,0經(jīng)過FFT后，采樣點(diǎn)偏移表現(xiàn)為乘上e，即數(shù)據(jù)產(chǎn)生wl的相位偏移，其中w時(shí)第k個(gè)子載波的頻率，那么第k個(gè)載波由于采樣頻偏產(chǎn)生的相位偏移可表示為=又因?yàn)門/=1/所以=2=sks為2l/從上式可以看出，只要求出s就可獲得所有載波的相位旋轉(zhuǎn)因子，加以補(bǔ)償。在802.

10、11系統(tǒng)中，一個(gè)OFDM符號(hào)有4導(dǎo)頻子載波，假設(shè)導(dǎo)頻其為其中k為子載波符號(hào)，那么接收到的導(dǎo)頻信號(hào)為=上式， 為導(dǎo)頻信號(hào)頻率信道響應(yīng)，在對接收信號(hào)進(jìn)行信道估計(jì)后，得到每個(gè)子載波的信道估計(jì)值。然后對導(dǎo)頻信號(hào)進(jìn)行信道均衡，再與導(dǎo)頻取樣P進(jìn)行相關(guān)，得到P=P= | P|e対上式進(jìn)行相位估計(jì)就可得到相位旋轉(zhuǎn)信息= sk我們用每個(gè)導(dǎo)頻的旋轉(zhuǎn)相位構(gòu)成關(guān)于s線性方程=用最小二乘法得到s=()=在協(xié)議中，4個(gè)導(dǎo)頻信號(hào)子載波位置分別是8,22,44，和58，那么帶入上式為，s=根據(jù)上式就可以求的載波的相位旋轉(zhuǎn)因子。5. 剩余相位跟蹤OFDM系統(tǒng)雖然進(jìn)行載波頻率同步但是還是會(huì)產(chǎn)生一些的剩余偏差，這些引起的相位偏移，

11、變現(xiàn)為星座圖的旋轉(zhuǎn)。剩余相位跟蹤的原理主要是有數(shù)據(jù)輔助法和非數(shù)據(jù)輔助法，根據(jù)協(xié)議系統(tǒng)每個(gè)符號(hào)包含4個(gè)預(yù)先確定的子載波，即導(dǎo)頻信號(hào)。由下列圖可以看到剩余相位剩余偏差及其補(bǔ)償?shù)挠绊懷a(bǔ)償前相位圖數(shù)據(jù)經(jīng)過相位補(bǔ)償后相位圖數(shù)據(jù)剩余相位跟蹤的原理主要是有數(shù)據(jù)輔助法和非數(shù)據(jù)輔助法，根據(jù)協(xié)議系統(tǒng)每個(gè)符號(hào)包含4個(gè)預(yù)先確定的子載波，即導(dǎo)頻信號(hào)。科技論文，無線局域網(wǎng)?？萍颊撐模瑹o線局域網(wǎng)。設(shè)表示接收到的第m個(gè)OFDM信號(hào)的第n個(gè)導(dǎo)頻信號(hào)，P為發(fā)送端，也就是導(dǎo)頻，在第m個(gè)接收符號(hào)DFT處理后，接受的導(dǎo)頻等于信道響應(yīng)與導(dǎo)頻符號(hào)的成績與參與頻差旋轉(zhuǎn)作用的結(jié)果=HPe為經(jīng)載波頻偏校正后的殘留頻差。科技論文，無線局域網(wǎng)。假設(shè)

12、頻域信道響應(yīng)估計(jì)是精確的，那么可忽略其影響= Pe那么相位估算為=對于802.11協(xié)議來說，P為+1或-1，N=4，那么上式可以化簡為=2m那么補(bǔ)償因子為e=e=e=最后對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行相位補(bǔ)償，如下式re3 結(jié)束語良好的同步是實(shí)現(xiàn)OFDM系統(tǒng)優(yōu)異性能的前提和根底?？萍颊撐模瑹o線局域網(wǎng)。本文系統(tǒng)地介紹了OFDM系統(tǒng)中的各種同步技術(shù)。按照目的的不同，同步技術(shù)可分為采樣鐘同步、符號(hào)同步和頻率同步。按照利用資源的不同，可劃分為基于循環(huán)前綴(CP)的算法類，基于數(shù)據(jù)輔助的同步算法類和盲同步算法類。各類算法有其自身的優(yōu)勢和劣勢。基于CP的同步算法類不需要增加額外的資源開銷，在AWGN信道下具有較好的同步性能。在時(shí)間彌散信道下由于受符號(hào)間干擾(ISI)的影響，基于CP類的同步算法性能將受到嚴(yán)重惡化?；跀?shù)據(jù)輔助的同步算法類在AWGN信道和時(shí)間彌散信道中均朗獲得很好的性能，但由于其需要額外的數(shù)據(jù)資源開銷，降低了系統(tǒng)頻譜效率。盲同步算法類根據(jù)信號(hào)的階階統(tǒng)計(jì)特性進(jìn)行同步估計(jì)，其不需要任何資源開銷。由于其計(jì)算復(fù)雜度很大及有限的性能，實(shí)際應(yīng)用價(jià)值不大，然而對其進(jìn)行深入研究仍具有很好的理論意義。參考文獻(xiàn)：【1】