OFDM系统中的关键技术探讨(下)

3.2　同步技术
　　早期的OFDM系统中，报头信号使用的是未调制的单音信号，通过多普勒音纠正频偏后，检测同步音的相位变化来获得符号定时。目前多数定时和频偏估计的方法都利用了循环前缀的周期特性[10-13]，或者是设计有相同部分的训练符。对于单载波训练数据是在时域中设计训练序列，而在频域中设计训练序列对应于OFDM方式的训练符号。时域训练即单载波训练方式[14-16]的报头采用重复的等幅零自相关(CAZAC)序列，采用这一序列的原因是它有利于符号同步，并且它有平坦的功率谱，能利用所有的传输带宽。而最早使用重复的训练符是在1994年Moose[17]给出的载波最大似然估计方法，发送端发送的是重复的符号，经过FFT后在频域中计算频偏。这种方法是假定时间已经同步，频偏捕获范围的限制是子载波间隔的1/2，他也指出使用短的训练符去增加频率捕获的范围。但是在使用短的训练符时，会使频率估计的性能下降，因为平均的采样点数目少了。同时训练符也不能太短，因为它的长度要比保护间隔长。Classen[18][19]提出了联合定时和频偏的同步算法，但是他的方法运算量很大，因为他使用了判别和误差的方法，在整个频率捕获范围内搜索，直到找到正确的频偏。这一过程是在频率中将接收到的符号与训练序列相关，这种方法有繁琐的搜索和在计算可能的频偏时，有着大量的计算，使得这种方法不太现实。Nogami和Nagashima[20]提出了载波同步的一种方法，它是在导频符号前传送一个空的符号，接收端检测到信号功率下降，就可获得时间同步。载波频偏是对时域信号加窗和FFT后，在频率域上得到。粗略频偏是使用了相关检测得到的，它是子载波间隔的整数倍。使用PN序列来指定传输的载波，能更加正确的捕获大范围内的频偏，同时在多径衰落信道中对频偏估计性能有较大的改善。Schmidl[21]对Classen的方法做了修改，简化了他的计算。在这种方法中，一个OFDM符号内重复的信号是通过在偶数载波上传送数据，奇数载波上不传数据得到的。使用了两个训练符分两部得到了时间和频率同步，这两个训练符是放在帧的开始。时间同步是搜索一个符号内，前半部分和后半部分在时间域是相同而得到。这时频偏被部分修正(1/2子载波间隔)。经过FFT后，在频域中将前一个符号与后一个符号相关，得到整数倍子载波间隔的频偏。Kim[22]在Schmidl的方法上做了修改，在不降低同步性能的前提下只需要使用一个训练符来完成时间和频率的同步。训练符的结构与传统的方法一样，但是传送的数据在频率上编码，而Schmidl的方法是时域上两个训练符之间的数据使用了不同的编码。Minn[22]等人在Schmidl的方法上又做了改进，针对Schmidl的符号定时中出现的定时平台，提出了两种方法去消除，较好的解决了符号定时的误差。Morelli[24]对使用重复的OFDM符号方式的报头提出了最佳线性无偏估计的算法来估计频偏，频偏的估计是在时域完成的，并且大大增加了频谱捕获的范围。而频域估计技术大多使用一个或两个训练符，它是将导频插入到特定子载波的地方，能估计整数倍的归一化频偏。频域估计方法中要使用特定的序列，用这些序列的相关来表示由于频偏带来的序列循环移动的程度。这些序列可以有不同的构成方法，可以由相邻OFDM符号的同一个子载波构成，也可以由同一个OFDM符号的相邻子载波构成。尽管频域技术能增大频率估计的范围，但是它还是要在时域中先估计小数倍的归一化频偏。

　　采用循环前缀的同步方法如van de Beek[10]提出的联合最大似然定时和频偏估计方法可以不用导频。算法是考虑噪声为加性高斯白噪声，仿真表明频偏估计可以用于跟踪模式(频偏小于1/2载波间隔)，定时估计可用于捕获模式，这种估计是对信道做了预先的假定。由于保护间隔受到ISI的影响，在色散信道下估计的性能较差。

　　盲估计方法如Tureli[25]的ESPRIT方法和Liu[26]的MUSIC方法，都是基于信号子空间的方法，MUSIC方法利用子载波的正交性，将频偏的估计问题等效为多项式求根问题，这两种方法都具有超分辨性能，但因其运算量大而影响工程实用性。

　　在移动通信系统中，信号的传播由于反射、散射和衰落将导致复杂的电磁行为，具体表现在信号的时延、频率和相位扩展。时延扩展使得接收端得到多个拷贝的信号，而且这些信号之间并没有很明确的关系，时延扩展将直接导致码间串扰(ISI)；频率扩展将导致信号的时间衰落；相位扩展将导致信号的空间衰落。时延、频率和角度扩展等问题的存在会使接收端的性能下降，甚至无法进行正常的通信。因此在OFDM系统中信道估计也是极为重要的。

　　3.3　信道脉冲响应估计

　　常见的信道估计方法有基于导频信道和基于导频符号这两种，但多载波系统具有时频二维结构，因此采用导频符号的辅助信道估计更灵活。导频符号辅助调制(PSAM)方法是在发送端的信号中某些固定位置插入一些已知的符号和序列，在接收端利用这些导频符号和导频序列按照某些算法进行信道估计。在单载波系统中，导频符号和导频序列只能在时间轴方向插入，在接收端提取导频符号估计信道脉冲响应。在多载波系统中，可以同时在时间轴和频率轴两个方向插入导频符号，在接收端提取导频符号估计信道传输函数。只要导频符号在时间和频率方向上的间隔相对于信道带宽足够小，就可以采用二维内插滤波的方法来估计。二维维纳滤波方法是基于均方误差的最佳线性信道估计，但是这种方法复杂度很高，为了在复杂度和性能两个方面取得平衡，可以采用两个级联的一维FIR滤波器进行信道估计，它可以在性能损失不大的情况下大大减少计算量。另外一种基于DFT的在频率轴方向上的信道估计提供了低复杂度的方法，它是使用最大似然准则。它是先在频率轴方向上使用基于DFT的插值，然后完成在时间轴方向上的线性插值，从而来估计信道脉冲响应。