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论文研究-基于训练序列的OFDM系统同步算法研究 .pdf 评分

基于训练序列的OFDM系统同步算法研究,王舒申,刁鸣,本论文在正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)系统的背景下,对基于训练序列的同步算法进行深入研究,并验证各个算�
山国武技论文在线 虚部分别求和,再经过个除法和反正切运算,随着 了载波数的增大, 算 法的计算量几何数增加,实现的复杂度也大大增加。由于反正切函数的不发生相位的极性跳 变区间在(-zz)之闰,因此可以理论推导出此算法只能估计出±个子载波间限的频偏。 算法 算法利用训练序列的重复性进行定时估计,在接收端设计了一个长度为的滑 动窗凵经行采样,由于第一个训练符号具有结构上的重复性,当滑动窗口对准第一个训练序 列时,前个采样点与后个采样点除了载波频偏引起的相位偏移不同外,其余完全 样,因此就想到将第一个训练序列的前半部分与后半部分进行成对的共扼相乘,此时得到 的幅值最人。 定义两个定时估计相关函数和能量函数 式中,(+)和(++)分别代衣接收端接收到的数据,*表示取共扼运算 表示一个长度为的滑动窗口的起始点序号。措述接收信号中两个相邻的长度为 的数椐段之间的相关性。滑动窗中后半部分数据的能量计算表达式为 ∑|( 用于对定时测度进行归一化,符号定时判决函数可以定义为 当取到最大值时,此时对应的就是第一个训练符号的起始位置,即 (() 在做小数倍频偏估计时,先假设定时无误差,那么定时估计值对应的窗口起始位置就 是第一个训练符号符号的第一个采样点。此时相关函数()可表示为: 当存在频偏时,利用定时测度相关函数(),经过简单的数学推导, ++ TE+ 元E (ma)∑(+ 进而得到归一化的载波小数倍频偏估计为 山国武技论文在线 因此小数倍频偏估计E的范围为[-],由此看出 算法的小数倍频偏估计的捕 获范围是 算法的两倍,相比较后者算法性能的确得到了提升 算法 算法冋样是利用算法训练序列结构的重复性,定义了相关函数 ()∑[(+)(++)+(+ 与此对应的能量函数 ()=∑(++)+1(++)] 而此时归一化的定时测度函数 (() 同样当归一化定时测度函数取到最大值时,此时的滑动窗口序号起始序号就对 应着符号的起始点。 算法 相较于 和算法只利用训练符号的重复性,算法在训练符号中引入了 共轭对称结构的思想,这种共轭对称结构能够产生类似冲激响应的定时曲线,从而让算法的 定时估计能力趋于理想化。 定义了算法的定时相关函数为 能量函数为 归一化定时测度函数与上述各算法相同 性能分析 定时估计 仿真分析 和三种算法的定时佔计性能,比较三种算法在不同噪声 环境下定时估计的稳定性,如图所示,为三种算法定时估计均值误差曲线图。从图中可以 看出,随着信噪比逐渐变小, 算法和 算法的定时估计均值误差在逐渐减 小,并趋于零,当时在信道环境不理想的情况下,两者估计精度会有着不同的波动。其中, 算法均值误差曲线波动最大,算法其次,但都仍然不稳定,而算法由于 其定时估计曲线具有冲激响应特性,因此定时稳定性最好,毫无定时估计均值误差,接近理 想状态,进步验证了算法在定时估计上的优异性能 山国武技论文在线 目算法 算法 Pak算法 5 SNR(dB 图三和算法定时估计均值误差对比曲线图 频偏估计 为了进一步佐证理论的正确性,下面对 算法频煸估计性能进行简单的仿真分析。 在高斯信道的环境中,子狨波数为,循环前缀位,循环次数,设置归一化载波频 偏分别为g=,g=,g 五种情形。得到在不同噪声情 况下的频偏估计的均方误差曲线图如图所小,从图中可以看出,不同的g情况下, 频偏估计的均方误差都随着的增大而逐渐减小,而与ε无关。但是有个值除外,那就 是 时,这时均方误差很大,由此可以大胆推测这可能是由于此时频偏超过了 算法所能估计的范围。 为了证明这一猜测,在上述仿真环境中,进一步探究理论频偏与实际频偏的关系,在 ≤ε≤,Δε条件下,进一步仿真得到如图所示的算法频偏估计均值误 差曲线图。从图中可以看出从图中可以看出当E和E时频偏估计均值误差曲线与 E取值无关,当E 时出现差异,说明此时 算法频 偏估计在信噪比比较低的时候开始不精确,且ε值越大现象越明显。在硏究过程中可 以发现, 算法有两个很大的缺点:其一就是该算法要求严格的定时同步;其二,该算 法的频偏捕获范围太小,这样的同步算法很难满足现代通信系统对同步技术的要求。 E-0.2 3 E=U.4 0 10 SNR(dB) 算法频偏估计均方误差曲线图≤ε≤,△ε 山国武技论文在线 号 =0.46 49 单 图 算法频偏估计均方误差曲线图≤≤,△E s≤ ,△ 针对 算法的频偏佔计性能的仿真分析,选择=,£ E=,ε=五种情形,探究其频偏估计均方误差与信噪比的关系,其具体曲线关系如 图所示。从仿真结果可以看出,在不同的系统相对频偏下, 算法的频偏估计均方 诶差不会有太大差异,并且随着信噪比增大而趋于一致,在 左右频偏估计的均方 误差就达到了因此其性能十分优异。 但是从图中还可以看出,在ε=时,频偏估计均方误差突然变得很大,由此可以断 定在E<的范围内有突变点,即频偏量超过了 算法频偏佔计的捕获范围 因此为进一步确定其小数频偏估计捕获范闱,在<ε<,∧ε条件下,继续仿真得 到如图所示的频偏估计均方误差由线图。从图中可以看出当ε逐步增人时,在相同的信噪 比条件下,其频偏估计均方误差曲线不再一致,且不同的ξ值,均方误差曲线出现差异的情 况不同,越是靠近ξ此现象越严重,影响∫ 算法的频偏估计精度。 E=04 c=08 图 算法频偏估计均方误差曲线图≤c≤,△E 山国武技论文在线 10 F3y777-vv9vvVV77E C-0.92 C-0.9B 10 SNR(dB) 算法频偏佔计均方误差曲线图≤ε≤,ΔE 对立性分析 但事实在通信系统中,可靠性和有效性是相互矛盾和相互制约的。因此,算法的定吋估 计能力和频偏估计能力也是如此,下面本论文将进一步研究训练符号结枃的共轭对称性和重 复性之间的矛盾对立性。 在上述改进算法中,设定的训练符号结构重复长度为,即两倍的符号的长度, 与 算法重复度相当,于是在此基础上,进一步研究没有重复性以及重复长度为 的两种训练符号结构。这三种不同重复度的训练符号结构示意图如图所示 CP A CP B CPA B 图种不同重复度训练厅列结构示意图 对应的三种训练符号结构定时估计曲线仿真结果如图所示,从图中可以看出,分为三 种情况:第一种,的长度为;第二种,的长度为 第三和,的长度为 随着符号长度的减小,训练符号的重复性逐渐变大,定时佔计曲线虽仍有冲激响应特性 但是旁瓣岀现的干扰脉冲峰值也越来越大,随着信道环境旳变差,旁瓣对定时估计的精确度 会有很大影响。 山国武技论文在线 采样点数 采样点数 )的长度为 )的长度为 Longth A)N/8 0.8 装样点数 ()的长度为 佟三种不同训练序列定时估计曲线图 紧接着研究了重复性对频偏估计的捕获范围的影响曲线如图所示,从图中可以看岀 随着随着符号长度的减小,训练符号的重复性逐渐变大,训练符号频偏估计的捕获范围 成倍增长,极大地增强了算法的频偏估计性能。 根据 和 提出的系统得相对频偏E的佔计理论 ∑()() 式中,()为加权系数,其表达式为: ()=(--+)-() 式中,表示训练符号时域上的重复度,即相同部分的个数,=时估计精度最高。 因此分析表明算法的频偏估计值ε的捕获范围为±个子载波间隔。这一理论分析与仿真 吉果吻合,从而验讧了训练符号的重复性对频偏估计的范围的影响。因此可以说明,基于训 练序列的同步算法,在做定时估计和频偏估计时,相互间是有影响的,并且这一影响是相互 制约了。由于 中循环前缀的存在,定时估计误差引起的相位旋转可以在对信道特性 估计中进行补偿,因此对算法定时估计性能要求不髙。也就是说在设计算法时可以通过牺牲 定的定时估计能力来提高频偏估计的性能,这样有助于系统整体性能的提高 山国武技论文在线 士妈 05 系纥频率扁移量 系統频率偏移量 ()的长度为()的长度为 祭统率偏骞量 ()的长度为 图三和不同训练序列频偏捕获范围曲线图 结论 本文给出了 、、三种算法的定时估计均值误差对比,从三者的对比曲 线图中可以发现, 算法定时估计性能最差,而算法训练序列结构中出现共轭对 称性,使得定吋估计具有冲击响应特性,因而定吋估计性能最好,最稳定,接近理想化。接 着有对比分析了 算法和 算法的频偏估计性能,发现由于 算法训练序 列结构的重复性使得 算法的频偏捕获范围是算法的两倍,并进一步研究发现 两种算法在接近各白算法捕荻范围极限时,频偏估计的性能会变差,不稳定,直至发生突变。 为了使得算法有更大的频偏捕获范围,于是通过牺牲一定的定时伂计性能来提高算法的频偏 估计捕获范围,并仿真验证该构想的可行性。 参考文献 黄明车王永民牛家红基J内插法的 系统多普勒频偏精度硏究应用科技 饯冬王蓓张涛干行愚结合 理论与贝叶斯次策理论的分类算法智能系统学报, 山国武技论文在线

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