OFDM系统同步偏差的补偿及FPGA实现

作     者：历莉 

作者单位：电子科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王厚军

授予年度：2019年

学科分类：080904[工学-电磁场与微波技术] 0810[工学-信息与通信工程] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 080902[工学-电路与系统] 08[工学] 080402[工学-测试计量技术及仪器] 0804[工学-仪器科学与技术] 081001[工学-通信与信息系统] 

主      题：正交频分复用 同步偏差 补偿算法 数字解调 

摘      要：高效的频谱利用率、高传输速率和高可靠性是数字领域的发展趋势,研究OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,正交频分复用)这样一种高效传输和高频谱利用率的多载波技术的可靠性接收就显得非常有意义。它有诸多优点的同时,也伴随着对偏差敏感的缺点,本文对OFDM系统中同步误差的来源和影响进行了分析,提出了OFDM系统同步偏差的补偿方案。为了检验设计的实用性,论文依据IEEE802.11a标准进行了全文的设计和验证,提出了完整的数字解调方案,该方案包含帧同步、载波同步、符号同步、信道估计与均衡、采样频偏同步、解调等模块,完成了OFDM系统同步偏差的补偿及整个系统的FPGA实现。通过对定时偏差的研究和分析,发现定时偏差会造成符号间干扰,导致解调性能减弱。将定时同步分为帧同步和符号同步,就可靠性而言,比较选取了延时相关加上长度保持的帧同步算法,就峰值检测模糊问题,选取了基于互相关的符号同步算法进行偏差补偿。为了减低资源消耗,硬件设计上采用了滑动窗口累加思想和量化思想。载波频偏会造成子载波间干扰和相移,严重影响解调性能。在比较了算法的精度和复杂度的基础上,选取了基于短训练序列的时域算法作为载波同步算法。为了进一步提高载波同步准确性,采取了多次估计求均值的方法。在硬件实现上,以累加形式代替乘法计算频偏误差,简化了硬件结构。采样频偏会造成符号间及载波间的干扰,对系统影响明显。从接收信号的误差模型入手,分析了导致偏差的主要因素,利用数据辅助跟踪找出偏差信息,利用最小二乘法求得最佳估计,考虑到实现的复杂度,改进了最小二乘估计算法。由于同步偏差补偿的需要,设计了信道估计和均衡以消除相位差的影响。同步之后设计了解调模块,通过阈值的动态调整辅助均衡模块完成对幅值的补偿,实现星座点到二进制数据流的转换,计算误码率,验证同步效果。系统的每个模块都经过Matlab仿真、Isim仿真和ChipScope逻辑测试三种方式的共同验证。结果表明,算法能够实现频偏范围000kHz,采样时钟偏差000ppm,多普勒偏移000Hz条件下的偏差补偿,补偿后的误差矢量幅度值小于10%rms的要求。