第8章-MIMO-OFDM系统的同步问题-《MIMO-OFDM系统原理、应用及仿真》课件.ppt

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1、第第8章章 MIMO-OFDM系统的同步问题系统的同步问题8.1 引言引言 同步技术是任何一个通信系统都需要解决的实际问题，同步技术是任何一个通信系统都需要解决的实际问题，直接关系到通信系统的整体性能。直接关系到通信系统的整体性能。LPF模拟通信：模拟通信：相干解调器相干解调器数字通信：数字通信：载波同步载波同步 位同步位同步 帧同步帧同步 在在OFDM系统中，有系统中，有4种同步需要考虑种同步需要考虑：符号定时同步符号定时同步 样值定时同步样值定时同步 样值频率同步样值频率同步 载波同步载波同步43674228 8.2 OFDM系统同步技术的分类系统同步技术的分类 符号定时同步的目的是在接收

2、端确定每个符号定时同步的目的是在接收端确定每个OFDM符号符号的起止时刻，即确定的起止时刻，即确定FFT窗的开始时刻。窗的开始时刻。情形情形1：这种情况估计的：这种情况估计的OFDM符号的起始位置与精确位置符号的起始位置与精确位置 一致。一致。情形情形2：这种情况下，估计的起始位置比精确的起始位置：这种情况下，估计的起始位置比精确的起始位置 略早，但在信道冲激响应之后。略早，但在信道冲激响应之后。8.2.1 符号定时同步符号定时同步情形情形3：这种情况下，估计的起始位置比精确的起始位置比：这种情况下，估计的起始位置比精确的起始位置比 情形情形2早更多，在信道的冲激响应中。早更多，在信道的冲激响

3、应中。情形情形4：这种情况估计的起始位置比精确的起始位置落后一：这种情况估计的起始位置比精确的起始位置落后一 点点。在这种情形下，在点点。在这种情形下，在FFT时间间隔内的信号，时间间隔内的信号，包含当前的包含当前的OFDM符号的一部分以及下一个符号的一部分以及下一个OFDM 符号的一部分。符号的一部分。8.2.2 样值定时同步样值定时同步样值同步指的是接收机和发送机的采样时钟频率保持一致。样值同步指的是接收机和发送机的采样时钟频率保持一致。采样相位偏移示意图采样相位偏移示意图 8.2.4 载波同步载波同步载波频率偏差载波频率偏差 频率偏移是由收发设备的本地载频之间的偏差以及无线信道的频率偏移

4、是由收发设备的本地载频之间的偏差以及无线信道的多普勒频移等因素造成的，频率偏移的构成包括子载波间隔的整数多普勒频移等因素造成的，频率偏移的构成包括子载波间隔的整数倍偏移和子载波间隔的小数倍偏移两部分。子载波间隔的整数倍偏倍偏移和子载波间隔的小数倍偏移两部分。子载波间隔的整数倍偏移不会引起载波间干扰（移不会引起载波间干扰（ICI），抽样点仍在顶点，但子载波位置产），抽样点仍在顶点，但子载波位置产生了偏移，解调出来的信息符号错误概率为生了偏移，解调出来的信息符号错误概率为50%。子载波间隔的小。子载波间隔的小数倍偏移会造成抽样点不再在顶点，如图所示，这会破坏子载波之数倍偏移会造成抽样点不再在顶点，

5、如图所示，这会破坏子载波之间的正交性，由此引起间的正交性，由此引起ICI。8.3 同步误差对同步误差对OFDM系统性能的影响系统性能的影响符号说明：符号说明：为发送符号的抽样间隔；为发送符号的抽样间隔；为为OFDM符号的持续时间；符号的持续时间；G 为所加循环前缀的样值符号数，一般应不少于信道多径为所加循环前缀的样值符号数，一般应不少于信道多径 时延扩散的符号数；时延扩散的符号数；：载波频率：载波频率：载波相位：载波相位：符号定时偏差；：符号定时偏差；：样值定时偏差；：样值定时偏差；8.3.1 OFDM系统中的同步原理系统中的同步原理（1）假设样值定时和符号定时都已定准，假设样值定时和符号定时

6、都已定准，考虑存在载波频率偏差考虑存在载波频率偏差 和抽样间隔偏差和抽样间隔偏差 的情况。的情况。接收端乘法器输出信号：接收端乘法器输出信号：采采样样后得到数据流后得到数据流其中其中（2）考虑存在定时偏差时的情况，样值定时偏差考虑存在定时偏差时的情况，样值定时偏差 和符号和符号定时偏差定时偏差 。循环前缀最佳样值定时最佳符号定时第一个OFDM符号的样值定时N点最佳定时FFT窗第一个OFDM符号定时N点FFT窗（偏差 ）最佳定时时刻以及定时偏差图示最佳定时时刻以及定时偏差图示 存在符号定时偏差存在符号定时偏差 时，就相当于从循环前缀的后面时，就相当于从循环前缀的后面 个样值开始的个样值开始的N个

7、样值进行个样值进行FFT运算，即运算，即 此式即为综合考虑载波同步偏差、样值同步偏差以及此式即为综合考虑载波同步偏差、样值同步偏差以及符号同步偏差时接收端符号同步偏差时接收端FFT解调后的输出信号。解调后的输出信号。为了便于分析，考虑到各种不同偏差之间的乘积项很为了便于分析，考虑到各种不同偏差之间的乘积项很小，将其忽略后上市变为小，将其忽略后上市变为 分解上式得到分解上式得到(1)这充分表明由于没有完全同步而带来了信道间干这充分表明由于没有完全同步而带来了信道间干ICI，因，因此，此，FFT输出端的信噪比输出端的信噪比SNR发生了变化。发生了变化。假设发送符号等能量假设发送符号等能量 随机随机

8、变变量量可分解可分解为为 FFT输输出端的信噪比出端的信噪比SNR为为(2)由式（由式（1）和式（）和式（2）可见，只有当）可见，只有当、会等于会等于0，此，此时时才不会存在才不会存在ICI,且有且有 且且，即系，即系统统完全同步完全同步时时，式（式（1）右）右边边的第的第2项项才才即只有即只有这这种情况下才没有性能种情况下才没有性能损损失，此失，此时时的的输输出信噪比出信噪比为为 。定定义义信噪比信噪比损损失失：分析：分析：1.2.从式（从式（1）和式（）和式（2）也可以看到，当）也可以看到，当 和和时时，、和和为为何何值值，均有，均有 不论不论（也有（也有），换换句句话说话说，载载波相位偏

9、差波相位偏差、样值样值定定时时偏差偏差 和符号定和符号定时时偏差偏差 对对系系统统性能的影响基本是一致的，只引起接收信号性能的影响基本是一致的，只引起接收信号相位的旋相位的旋转转，而不会，而不会带带来幅度来幅度 的的变变化；化；另一方面，另一方面，载载波波频频率偏差率偏差 和和样值频样值频率偏差率偏差 能的影响基本也是一致的，不但引起了接收信号相位的旋能的影响基本也是一致的，不但引起了接收信号相位的旋转转，而且也而且也带带来了信号幅度来了信号幅度 对对系系统统性性扰扰ICI。的的变变化，从而化，从而导导致子致子载载波波间间的干的干8.3.2 符号定时同步误差对符号定时同步误差对OFDM系统性能

10、的影响系统性能的影响当、，且、时，载波同步、样值同步。情形1：这种情形中估计的OFDM符号的起始位置与精确起始位置相同，保留了OFDM符号子载波之间的正交性，在接收端，OFDM符号可以不被任何干扰完全恢复。情形2：后一个OFDM符号不会和前一个OFDM符号重叠，也就是不会引起符号间干扰（ISI），OFDM符号子载波之间的正交性没有被破坏。此时的OFDM符号，和精确起始位置的OFDM符号相比，是循环位移的关系，根据傅里叶变换的性质，在时域的偏移对应于频域的相位旋转。情形3：这种情形下，显然可以看出一个OFDM符号会被它前一个OFDM符号干扰。由于这种ISI，子载波之间的正交性被破坏，进一步会带来

11、子载波间的干扰（ICI）。情形4：此时子载波之间的正交性遭到破坏，会带来子载波间的干扰。这种情形显然会产生来自下一个OFDM的符号间干扰。8.3.3 样值间隔偏差对样值间隔偏差对OFDM系统的影响系统的影响样值同步，即消除样值间隔偏差、样值定时偏差对系统性能的影响。这种小偏差累积到一定程度就会多出一个样值（遗漏一个样值（）或者8.3.4 样值定时偏差对样值定时偏差对OFDM系统的影响系统的影响时，样值定时偏差 对系统性能的影响 可见，此时 来ICI，也没有引起幅度的变化。只是使输出发生了相位旋转，既没有带8.3.5 载波频率偏移对载波频率偏移对OFDM系统性能的影响系统性能的影响 载波同步，即消除频率偏差、相位偏差 对系统性能的影响。当 且 时 1.载波相位偏差 对系统性能的影响 时 由此可见，相位偏差 信号的幅度，且没有影响噪声的平均功率，当然也就不会带来信噪比SNR的下降。只是引起了相位旋转，并没有改变