基于OFDM系统信道估计以及帧同步算法研究

摘 要
    OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)，中文名称为正交频分用，是一种新兴的通信技术。它具有高可靠性，高频谱利用率，高传输速率的优点，在OFDM技术的众多优点中，被人们看重的是:极高的频谱利用率和良好的抗多径噪声能力。特别是频谱利用率高，这一点在频谱资源日益紧张的今天显得尤为重要。因此OFDM被看作是下一代无线局域网的标准和4G移动通信的支撑技术。
     OFDM技术虽然拥有众多的优点，但要真正用于无线信道并且提供高的传输速率，还存在一些问题:如同步问题，峰值功率控制问题，子载波间干扰问题，及信道估计问题等。由于OFDM技术是一种多载波技术，为保证高的频谱利用率，它要求在传输过程中各子载波之间保持正交性，而同步问题往往破坏这种正交性，因此在上面所提及的OFDM的问题中，信道估计和同步问题是最关键的，因而也是最迫切需要解决的问题。
    本文从OFDM的基本原理入手，主要对OFDM系统的信道估计算法和几种现有的帧同步方法进行了分析。对帧同步问题的研究中做出了自己的评价.然后研究了一种帧同步方案.这种帧同步方案包括在原有的粗捕获、细捕获之后又加了跟踪模块。跟踪的目的是将帧同步误差控制在通信可容许的范围以内。和以前的方案相比具有明显的优点，这种方案除了具有以前方案捕获范围大，捕获速度快的特点外，还具有可跟踪，而且跟踪精度高的优点。经过仿真发现，跟踪精度可以达到2%以内。这一点对于OFDM技术支持宽带服务是很重要的。因此本方案具有很好的实用价值。 (优秀毕业设计网：www.2bysj.cn)
关键词： 正交频分复用　帧同步　信号重构　捕获　跟踪　信道估计　循环前缀　

ABSTRACT
OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) is a new developing communication technique. It has many virtues such as high frequency efficiency, high security, high transmit speed, and so on. In its virtues, the most important virtues are high frequency efficiency and the good resist to the multi-path noise. Because of these，the OFDM technique is regarded as the supporting technique of the 4G mobile communications and the next standard of the wireless WLAN.
OFDM have many virtues, however, there are some problem should be first solved if it want to be used in mobile environment and offer high speed, such as: synchronization, PAPR, channel estimation, and ICI OFDM is a multi-carrier technique, and the sub-carriers of it are requested orthogonal in order to get the frequency efficiency, but the synchronization can destroy the orthogonal, so it is very important and urgency to be solved for the use of OFDM. The synchronization problem includes frequency synchronization, frame synchronization, sampling synchronization, and so on.
    The thesis is major in some basic channel estimation algorithms，and the frame synchronization. We recommend two kinds frame synchronization schemes, which are most concerned, and evaluate their virtue and deficiency. Last, we introduce a new scheme of the frame synchronization. This scheme includes three steps: coarse acquisition, fine acquisition, and track. Except for the virtues, which other good schemes also have such as wide acquisition range, rapid acquisition rate, it can track the frame synchronization errors, and the precision of the tracking is high. The result of the simulation tells us that the tracking step can restrict the error in 2%, which can ensure the communication quality. So this scheme is very practical.
Keywords：OFDM systems，channel estimation， frame synchronization, signal reconstruction Acquisition, tracking

本论文的主要任务是研究几种基本的OFDM系统的信道估计算法，并给出相应的性能分析。另外主要分析了几种帧同步算法的性能。论文的内容安排如下第一章介绍了数字通信系统与多载波通信系统;第二章介绍了频分复用(OFDM)基本原理；第三章OFDM系统的信道估计算法，并简要的进行了比较;第四章介绍了几种OFDM系统中的同步；第五章介绍了现有的OFDM帧同步方法并进行算法仿真；第六章总结全文工作，提出需要进一步研究的OFDM技术。

目  录
绪论 6
第一章 数字通信系统与多载波通信系统 9
第一节 数字通信系统基本构成 9
第二节 移动信道概述 10
第三节 多载波系统分析 12
第二章 正交频分复用(OFDM)基本原理 15
第一节OFDM.发展过程 15
第二节OFDM――基于FFT的多载波系统 15
第三节 OFDM系统组成 17
第四节 OFDM系统模型 18
第五节OFDM.符号间的正交性 21
第六节 主要优点 22
第七节 目前存在的问题 24
第三章OFDM系统的信道估计算法 26
第一节 pilot pattern的选择 27
第二节 信道估计算法 29
第四章OFDM系统中的同步 35
第一节 载波同步 35
第二节 帧同步 36
第三节 抽样率同步 39
(优秀毕业设计网：www.2bysj.cn)
第四节 载波相位同步 39
第五章 OFDM帧同步方法 41
第一节 利用导频的同步方法 41
第二节 利用CP的同步方法 44
第三节 帧同步误差的容限 46
第四节 精确的帧同步方案 49
第六章结论及展望 56

参考文献
1.王文博，郑侃，《宽带无线通信－OFDM技术》人民邮电出版社2003
2. John G Proakis,《数字通信(第三版)》电子工业出版社，2001
3.郭梯云等，《数字移动通信》人民邮电出版社，1995
4.樊昌信等，《通信原理》国防工业出版社，2001
5.胡广书，《数字信号处理》
6.陈亚勇，(MATLAB信号处理详解》，人民邮电出版社，2001
7. Eric Phillip，《Adaptive Techniques for Multiuser OFDM》, Thesis for Doctor of James Cook University, 2001
8.王文博,常永宇等《移动通信原理与应用》北京邮电大学出版社
9.黄文梅,杨勇《信号分析与处理》国防科技大学出版社2000
10. Y.Li，“Pilot-symbol－aided channel estimation for OFDM in wireless systems”,IEEE，0-7803-5565-2/99，1999

附  录

本论中所进行的仿真的算法及其结果如下：

1．Schmidl和Cox提出的最原始的帧同步算法在高斯信道下的仿真：
算法
function syn1

p=shift2mask([1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 1 1 0 1 0 1],32);
for k=1:32
    x(2*k-1)=0;
    x(2*k)=p(k);
end
for k=1:64
    x(64+k)=x(k);
end
 for k=1:128
     for a=1:128
        x1(k)= x(k)*exp(2i*pi*a*k/128);
    end
        s1(k)=sum(x1)/(128^0.5);
    end
 for k=1:20
     s(k)=s1(108+k);
 end
 for k=1:128
     s(20+k)=s1(k);
 end
   r = awgn(s,10);
   r1=r;
   for k=1:138
       r(k+10)=r(k+10)+r1(k);
   end
   i=1;
   for d=-80:80
       for m=1:64
           j=mod(d+m-1,148)+1;
           k=mod(d+m+64-1,148)+1;
           a(m)=(conj(r(j)))*r(k);
           b(m)=(abs(r(k)))^2;
       end
      
       p(i)=sum(a);
       q(i)=sum(b);
       v(i)=(abs(p(i)))^2/((q(i)^2));
       i=i+1;
 end

 plot(-40:120,v);
结果：