【LTE基礎(chǔ)知識(shí)】OFDM的同步技術(shù)

    同步在通信系統(tǒng)中占據(jù)非常重要的地位。例如，當(dāng)采用同步解調(diào)或相干檢測(cè)時(shí)，接收機(jī)需要提取一個(gè)與發(fā)射載波同頻同相的載波；同時(shí)還要確定符號(hào)的起始位置等。

    一般的通信系統(tǒng)中存在如下的同步問(wèn)題：

     發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的載波頻率不同；

     發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的采樣頻率不同；

     接收機(jī)不知道符號(hào)的定時(shí)起始位置。

    OFDM符號(hào)由多個(gè)子載波信號(hào)疊加構(gòu)成，各個(gè)子載波之間利用正交性來(lái)區(qū)分，因此確保這種正交性對(duì)于OFDM系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是至關(guān)重要的，因此它對(duì)載波同步的要求也就相對(duì)較嚴(yán)格。

    在OFDM系統(tǒng)中存在如下幾個(gè)方面的同步要求：

     載波同步：接收端的振蕩頻率要與發(fā)送載波同頻同相；

     樣值同步：接收端和發(fā)射端的抽樣頻率一致；

     符號(hào)定時(shí)同步：IFFT和FFT起止時(shí)刻一致。

    與單載波系統(tǒng)相比，OFDM系統(tǒng)對(duì)同步精度的要求更高，同步偏差會(huì)在OFDM系統(tǒng)中引起ISI及ICI。下圖顯示了OFDM系統(tǒng)中的同步要求，并且大概給出各種同步在系統(tǒng)中所處的位置。

載波同步

    發(fā)射機(jī)與接收機(jī)之間的頻率偏差導(dǎo)致接收信號(hào)在頻域內(nèi)發(fā)生偏移。如果頻率偏差是子載波間隔的n（n為整數(shù)）倍，雖然子載波之間仍然能夠保持正交，但是頻率采用值已經(jīng)偏移了n個(gè)子載波的位置，造成映射在OFDM頻譜內(nèi)的數(shù)據(jù)符號(hào)的誤碼率高達(dá)0.5。

    如果載波頻率偏差不是子載波間隔的整數(shù)倍，則在子載波之間就會(huì)存在能量的“泄漏”，導(dǎo)致子載波之間的正交性遭到破壞，從而在子載波之間引入干擾，使得系統(tǒng)的誤碼率性能惡化。下圖給出了載波同步與失步情況下的性能比較：

    通常我們通過(guò)兩個(gè)過(guò)程實(shí)現(xiàn)載波同步，即捕獲（acquisition）模式和跟蹤（tracing）模式。在跟蹤模式中，只需要處理很小的頻率波動(dòng)；但是當(dāng)接收機(jī)處于捕獲模式時(shí)，頻率偏差可以較大，可能是子載波間隔的若干倍。

    接收機(jī)中第一階段的任務(wù)就是要盡快地進(jìn)行粗略頻率估計(jì)，解決載波的捕獲問(wèn)題；第二階段的任務(wù)就是能夠鎖定并且執(zhí)行跟蹤任務(wù)。把上述同步任務(wù)分為兩個(gè)階段的好處是：由于每一階段內(nèi)的算法只需要考慮其特定階段內(nèi)所要求執(zhí)行的任務(wù)，因此可以在設(shè)計(jì)同步結(jié)構(gòu)中引入較大的自由度。這也就意味著，在第一階段（捕獲階段）內(nèi)只需要考慮如何在較大的捕獲范圍內(nèi)粗略估計(jì)載波頻率，不需要考慮跟蹤性能如何；而在第二階段（跟蹤階段）內(nèi)，只需要考慮如何獲得較高的跟蹤性能。

符號(hào)定時(shí)同步

    由于在OFDM符號(hào)之間插入了循環(huán)前綴保護(hù)間隔，因此OFDM符號(hào)定時(shí)同步的起始時(shí)刻可以在保護(hù)間隔內(nèi)變化，而不會(huì)造成ICI和ISI，如下圖所示：

    只有當(dāng)FFT運(yùn)算窗口超出了符號(hào)邊界，或者落入符號(hào)的幅度滾降區(qū)間，才會(huì)造成ICI和ISI。因此，OFDM系統(tǒng)對(duì)符號(hào)定時(shí)同步的要求會(huì)相對(duì)較寬松，但是在多徑環(huán)境中，為了獲得最佳的系統(tǒng)性能，需要確定最佳的符號(hào)定時(shí)。盡管符號(hào)定時(shí)的起點(diǎn)可以在保護(hù)間隔內(nèi)任意選擇，但是容易得知，任何符號(hào)定時(shí)的變化，都會(huì)增加OFDM系統(tǒng)對(duì)時(shí)延擴(kuò)展的敏感程度，因此系統(tǒng)所能容忍的時(shí)延擴(kuò)展就會(huì)低于其設(shè)計(jì)值。為了盡量減小這種負(fù)面的影響，需要盡量減小符號(hào)定時(shí)同步的誤差。

    當(dāng)前提出的關(guān)于多載波系統(tǒng)的符號(hào)定時(shí)同步和載波同步大都采用插入導(dǎo)頻符號(hào)的方法，這會(huì)導(dǎo)致帶寬和功率資源的浪費(fèi)，降低系統(tǒng)的有效性。實(shí)際上，幾乎所有的多載波系統(tǒng)都采用插入保護(hù)間隔的方法來(lái)消除符號(hào)間串?dāng)_。為了克服了導(dǎo)頻符號(hào)浪費(fèi)資源的缺點(diǎn)，我們通常利用保護(hù)間隔所攜帶的信息完成符號(hào)定時(shí)同步和載波頻率同步的最大似然估計(jì)算法。

    同步是OFDM系統(tǒng)中非常關(guān)鍵的問(wèn)題，同步性能的優(yōu)劣直接影響到OFDM技術(shù)能否真正被用于無(wú)線通信領(lǐng)域。在OFDM系統(tǒng)中，存在多種級(jí)別的同步：載波同步、符號(hào)定時(shí)同以及樣值同步，其中每一級(jí)別的同步都會(huì)對(duì)OFDM系統(tǒng)性能造成影響。這里我們首先分析了OFDM系統(tǒng)內(nèi)不同級(jí)別的同步問(wèn)題，然后在此基礎(chǔ)上介紹了幾種分別用于載波同步和符號(hào)定時(shí)同步的方法。通過(guò)分析可以看到，只要合理地選擇適當(dāng)?shù)耐�步方法，就可以�?span lang="EN-US">OFDM系統(tǒng)內(nèi)實(shí)現(xiàn)同步，從而為其在無(wú)線通信系統(tǒng)中的應(yīng)用打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。