10.3 OFDM中的同步技术在线视频

下面我们来给大家介绍

OFDM系统当中的同步

技术

根据前面的介绍

大家已经能够知道了

OFDM系统

实际上是一个时频

二维的处理系统

那么在这个系统当中

它对同步的要求

其实比我们原来的单载波系统

更苛刻

更严格

那么这个地方的同步

我们确切的来讲

我们是既要保证时间同步

又要保证频率同步

时频两个维度上都要考虑同步的

时域和频域同步

它的主要的目的

我们简单的再分析一下

时域同步

主要的目的是能够确定的

OFDM符号的边界

能够去掉CP来进行积分

提取出来最佳的采样时刻

这样做的话

可以降低载波间干扰

和码间干扰造成的影响

而对于频域同步来讲

频域同步其实是要保证收发之间

的频差

尽量的小

这样可以减少

由于载波和多普勒平移影响

对于OFDM系统信号的

损失

所以时频同步

对于OFDM系统而言

都是需要的

那么我们首先先分析时频同步的

误差

对 OFDM系统的影响

我们先看一下

频域同步误差的影响

频域同步

大家想想

我们这儿

根据刚才OFDM信号的结构

我们给出了一组自造波

比如说基频是F0

那么二倍频就是二倍的F0

三倍频就是三倍的F0

四倍频

就是四倍的F0等等

N倍频

当然用N-1倍的F0

对吧来表示

大家看这一组频率

这是一些谐波分量

各个载之间

它们实际上频率上

都是一个基准频率的整数倍

所以这一组频率

它们是对应的载波

全是相互正交的

如果说我们现在有频率的偏差

这个偏差是整体性偏差

假如说我们偏差是θF

显然所有子载波

就都会有一个偏差

就是F0 就变成了F0

加δF 2F0

就变成了2F0

加上一个δF 依次类推

N-1F0

就会变成N-1F0

再加上一个δF

我们问的问题

原来的 N个子载波之间

都是相互正交的

现在我们把每一个子载波上

都加上一个频偏

这些子载波

它就不正交了

如果不正交的话

那子载波之间

就会有严重的载波间干扰了

所以

如果有频率同步的误差

就会导致子载波间的干扰

那OFDM的系统

性能

就会严重下降

并且这个干扰

它不随着信噪比的提升而降低

因为这是系统内部的自干扰

即使你信噪比充分大

它仍然还是一个频台

也就会出现的错误频台现象

那么对于频偏

我们还可以把它划分为就频偏

或者频率同步的误差

我们把它划分为两类

假如说我们以子载波间隔

作为标准单位

那么我们把它划分为

是K倍的δF加上了一个

γ

这个K是整数

γ应当是小数

这就是我们所谓的

整数倍频偏

还是小数频偏的含义

假如说频偏大于一个子载波间隔

的话

那就意味着说收发之间

这个信号就会有错位

比如说

发送的是F0 2F0 3F0 4F0

对吧

那么接收到的时候

因为有整数倍的频差

那就会变成2F0

3F0

4F0 5F0

大家想想显然有一个频差

你接收端收到的这4个

子载波和发送端发的那4个

子载波就会错位

错位以后的话

这个系统性能会急剧降低

或者严重下降

差到什么程度呢

也就是说

和瞎猜是一样的

它的误比特率

在瞎猜的情况下

就是最差的就是0.5

就和扔钢镚一样

就是你发的

数据完全收不到

那么接收到以后的数据

我随机判断它是0还是1

这个系统就不能正常工作了

因此对于整数频偏

我们必须要进行估计和补偿

否则这个系统就没法正常工作

而对于小数频偏来讲

一般它会导致

这个系统性能的下降

或者信噪比的损失

我们需要考虑采用导频

来进行跟踪和补偿

把小数频偏给降低到最小

这样的话

可以维持系统性能不变

好

我们看一下

频偏大致的影响

给大家从这个示意图做一下说明

同学们看

这是一个频谱图的OFDM的

多载波信号的频谱

如果我们是没有任何频偏的理想

同步

在 N-1N N+1

这三个字

在不上都能采到

峰值的位置给这个信号就非常的

好

并且也没有载波间干扰

因为相邻载波都是过零点的

你看这个地方都是过零点

但是如果说我们有一个频偏

δF那就会导致我采样间隔

全都偏了

采偏了以后

同学们看

这些位置

这是我的有用信号的采样值

但是大家看下面这些位置

这个就是相邻子载波的干扰

这些干扰都存在

那就会导致我接收信号会有错误

所以这频偏同步的误差

对引入了子载波间干扰

造成了系统性能下降的

主要原因

下面我们来考虑

时间同步误差的影响

与频偏误差不太一样

时间同步误差

我们主要考虑的是

FFT积分窗窗长位置

对接收性的影响

也就是说

我们这个积分窗

到底往哪放

一般来说

这个积分窗

如果我们放

理想同步的话

我们这积分窗的位置放准了的话

他是没有任何影响的

但是因为时间同步的误差

FF窗长位置总是会有些漂移的

我们可以把FFT窗这个位置

的放置分为两种

一种我们称为是前置积分窗

另外一种

我们称为是后置积分窗

我们看看前置窗和后置窗

造成的影响的区别

我们以这样的一张图

来说明

大家看看这是OFDM符号的

时域的一个样值结构图

那么两个OFDM符号

CP1Data1

是第一个OFDM符号

CP2Data2

是第二个OFDM符号

我们看

白色的区域这就是数据

灰色的区域就是循环前缀

对于第一个OFDM符号而言

如果我们前置窗

也就是它积分窗

占了一部分数据

然后又超前放到了 CP当中

那么这个时候

只要你前置的长度不太长

一般来讲影响不大

为什么

因为大家知道

循环前缀和数据

它是一个这种循环移位的关系

那么你把它的积分窗

FFT窗的位置往前放

在窗内

C P部分和数据部分

它还是一个完整的波形

仍然能保证正交线

所以前置

它还是能够消除多径干扰

保证的正交性

对于系统性的几乎没什么影响

但是如果说

我们要是后置

大家看

如果FFT窗放到这一块

包括了一部分数据

然后后置放到了

第二个数据的CP2

包含进来甚至跑到

第二个数据部分

这个时候会有恶劣的影响

那么这样的话会引入

OFDM符号之间的干扰

一般我们称它为是IBM

叫INTER

叫块儿间干扰

这实际上也是一种码间干扰了

为什么

大家想一想

CP实际上是个循环前缀

它与当前这个符号之间

能构成循环移位关系

但与另外的符号就没有什么关系

也就是说在后置的积分窗当中

Data1的数据部分

和 CP2它们之间是没有

任何关系的

它构不成一个完整的波形

那就会导致

各个径

各个子载波之间

都有相互干扰

那就会严重的恶化

OFDM符号的

OFDM系统的性能

大家看

图

左边这个图

它的理想的限制

一条实线

这个就是既不前置

也不后置理想同步下的性能

我们看空心的线

空心的线

那也就是前置

而实心的线就是后置

大家看

前置2个样值

4个样值6个样值

这个性能基本上和理想同步

是完全一致的

没有什么偏差的

也就是符合刚才我们的分析

前置窗一般来讲

它这个窗会跨到 CP部分

CP和数据部分

是一个完整的波形

所以不会有影响

但是我们看这个后置

就是实心的这部分内容

后置两个样值

它可能影响还略小一点

但是已经能看出来有误码频台

如果后置4个样值

或者6个样值的话

这个性能会非常的差

它的误码率几乎就已经平了

随着信噪比提升

它没有什么降低

为什么会这样

因为它有引入来了

载波间干扰

引入来了块儿间干扰

所以这就心中心中会有严重的

下降

考虑到这个因素

一般在OFDM系统当中

我们宁可前置不后置

一般来讲最多前置

6个样值

6样值是一个

典型值

一般我们前置6个样值

不会后置的

因为后者

往往会导致

严重的性能下降

那么O FDM他的视频同步

算法

一般而言

我们把它划分为这样的一些

种类

我们把时频同步

分解为是

捕获和跟踪这两个阶段

所谓捕获就是粗同步

就大致上定上一个

同步的一个初始区间

跟踪就是精细的搜索

那么搜到的准确的位置

另外我们在考虑

时频的划分

所以我们可以把它划分为是

时间的粗同步

还有时间的精细跟踪

以及频率的捕获

还有频率的跟踪

这样4类算法

这是我们常见的一些分类

那么下面我们简单说明一下

OFDM系统

这种粗同步

可以用到的方法

比如说

我可以采用这种循环前缀

利用循环前缀的这种周期性结构

来实现频偏的忽略估计

还有找 OFDM符号的图

其实边界

那么这个过程

实际上是一个自同步的过程

因为我们知道

一个YBM符号

它的前缀

和积分窗的

尾部这一部分是重复出现的

对吧

因此我们可以把接触到的序列

截取CP这么长

相当于这儿

我们截取的CP这样长

然后不停的进行相关运算

什么时候出峰

峰这就相当于是

找到了 CP的起始位置

那么两个峰之间

这就是一个OFDM的积分

基本区间

那么采用这种方法

可以实现符号同步

当然利用相关指着峰值之间的

相位偏移

我们也来进行频率估计

所以粗略的同步

就可以采用这种方法来做

当然像精细的做的话

一般来讲

循环前缀的这种粗同步的过程

它的循环前缀长度不够长

它只有在高信噪比条件下

才能达到比较好的估计精度

低信道条件做不到

所以我们往往还是要插入一些

同步头序列

靠一些导频或者同步开销

同步头来进行

互相关

来实现的更准确的估计

咱们采用专用的同步序列

来进行OFDM符号的同步

就是可以采用

下面这样的一种相关器

或者匹配滤波器的方法来实现

那么具体内容我们不再介绍了

和CDMA系统是类似的

请大家查阅了相关的

我们的书籍

和相关的专著来学习