兰州交通大学毕业设计（论文）摘要作为一种特殊的多载波调制技术，正交频分复用（OFDM，Orthogonal Frequency Division Multiplexing）因其高频谱利用率、高数据传输速率以及良好的抗多径干扰性能，广泛地应用于数字音视频广播、无线局域网等高速数据传输系统中。OFDM通信系统具备所有这些优势的前提是收发两端子载波均要保持良好的正交性，然而，在实际应用中，晶振的非理想因素以及移动通信中多径信道产生的多普勒频移将会造成OFDM系统发射机与接收机载波中心频率的偏移（CFO，Carrier Frequency Offset），而这将严重破坏子载波之间的正交性，因此OFDM系统接收机必须对载波频偏加以估计并对接收信号进行相应补偿以保证解调数据的准确性。通常，将这一操作称为载波频率同步，也可简称为频偏估计。由于OFDM系统对CFO非常敏感，微小的CFO就能造成系统误码性能的大幅下降，因此，频率同步技术是OFDM 系统的关键技术之一。 本论文首先回顾了OFDM技术发展的历史，然后从基本的OFDM系统的原理出发，阐述了OFDM系统中的同步问题。接着详细阐述了定时同步偏差和载波频率偏差对系统性能的影响。最后，对现有的频率同步技术（即，盲同步算法和非盲同步算法）进行了介绍且重点介绍了三种具有代表性的载波频偏估计算法：子载波间干扰（ICI，Intercarrier interference）自消除方法，高阶子载波间干扰（ICI）自消除方法和频率偏移盲估计方法，并通过仿真比较分析了它们在加性高斯白噪声信道和频率选择性信道下的估计性能。关键词：正交频分复用；载波频率偏移；子载波间干扰；盲载波频偏估计；自消除ABSTRACTAs a special multicarrier modulation technique OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）has been widely used in data transmission systems such as Digital Video/Audio Broadcasting systems and wireless LAN systems, due to its high spectral efficiency, high data rate, and excellent performance to combat with multi-path interference. It is the orthogonality between the sub-carriers in OFDM systems that guarantees all those strengths mentioned above. However，the carrier frequency offset, caused by the non-ideal factors of the oscillators and the Doppler Shift introduced by the multipath channel, will destroy the orthogonality between the subcarriers. In order to get a better performance, the receiver should estimate the carrier frequency offset and then compensate the received signal, which is usually called as carrier frequency synchronization or frequency offset estimation for short. OFDM systems are very sensitive to carrier frequency offset, that is to say, a small frequency shift could degrade the system performance dramatically. Therefore, frequency synchronization technique has become one of the key techniques of OFDM systems. Firstly, this dissertation reviews the history of the development of OFDM technique. According to the basic OFDM theory, this dissertation describes synchronization of OFDM systems. Then, describes the effect of the timing offset and frequency offset to the system in detail. Finally, the frequency synchronization of existing technologies（i.e. the blind algorithm and the non-blind algorithm）is introduced and this dissertation focus on the three typical carrier frequency offset estimation algorithm: Intercarrier Interference Self-Cancellation, High-order Intercarrier Interference Self-Cancellation and Blind Deterministic Frequency Offset Estimation Method. Performances under AWGN channel and frequency-selective channel are analyzed and compared by simulation.Keywords: Orthogonal Frequency Division Multiplexing（OFDM）; Carrier Frequency Offset; Intercarriers Interference; Blind Carrier Frequency Offset Estimation; Self-cancellatioII兰州交通大学毕业设计（论文）目录摘要IABSTRACTII1 绪论11.1 引言11.2 OFDM技术的历史及发展现状11.3 OFDM技术的优缺点21.3.1 OFDM技术的优点21.3.2 OFDM技术的缺点31.4 论文的主要工作和章节安排42 OFDM系统基础52.1 无线信道特征52.1.1 多径信道模型和信道参数62.1.2 多径时延扩展衰落效应72.1.3 Doppler扩展衰落效应92.2 正交频分复用（OFDM）技术与频分复用（FDM）技术的比较92.3 OFDM系统的分类102.3.1 CP-OFDM 系统102.3.2 ZP-OFDM系统112.4 基于IFFT/FFT的OFDM系统原理112.4.1 OFDM的基本原理112.4.2 基于IFFT/FFT的OFDM系统142.4.3 串/并变换142.4.4 信号映射152.4.5 利用IFFT/FFT实现OFDM符号的调制与解调152.4.6 保护间隔162.4.7 循环前缀172.5 OFDM系统的关键技术182.5.1 信道建模182.5.2 时域和频域同步192.5.3 信道估计192.5.4 信道编码和交织202.5.5 降低峰值平均功率比202.5.6 均衡213 OFDM系统的同步技术223.1 OFDM系统的3种同步223.2 OFDM系统中的载波频率同步223.2.1 载波频率偏移的形成原因223.2.2 载波频率偏移的影响253.2.3 载波频率偏移的数学分析254 频偏估计算法研究264.1 频偏估计概述264.2 OFDM移动通信系统中子载波间干扰（ICI）自消除方法274.2.1 标准OFDM系统中子载波间干扰（ICI）的原理284.2.2 消除子载波间干扰（ICI）的调制原理294.2.3 消除子载波间干扰（ICI）的解调原理314.2.4 子载波间干扰（ICI）自消除的性能仿真334.2.5 子载波间干扰（ICI）自消除的性能分析344.3 高阶子载波间干扰（ICI）自消除方法354.3.1 cubic方法354.3.2 quadric方法354.3.3 高阶子载波间干扰（ICI）自消除的性能仿真364.4 OFDM移动通信系统中有效的频偏盲估计方法384.4.1 盲载波频率偏移（CFO）估计的代价函数384.4.2 无噪声情况下，代价函数的余弦函数模型414.4.3 有噪声情况下，代价函数的余弦函数模型434.4.4 盲估计载波频率偏移（CFO）454.4.5 频偏盲估计方法性能分析46结论47致谢48参考文献49附录50501 绪论1.1 引言自二十世纪初意大利科学家马可尼在人类历史上第一次实现了无线电通信，一个多世纪以来，无线通信技术取得了极大的发展。至今，移动通信技术的发展已经经历了三代，即第一代的模拟通信系统，第二代能够支持话音业务以及低速率数据业务的全球移动通信系统（GSM，Global System for Mobile Communication）以及第三代移动通信系统。数据的传输速率也由2G系统的9.6Kbps 发展到3G 系统的2Mbps。不过，随着人们对移动通信中高速移动数据业务以及多媒体业务需求的增加，数据传输速率的要求也大大提高，3G系统中使用的以码分多址接入（CDMA，Code Division Multiple Access）为核心的复用技术已经不能满足要求。 当传统的多载波调制（MCM，Multi-Carrier Modulation）技术以及数字调制技术在实际应用中遭遇瓶颈时，正交频分复用技术（OFDM，Orthogonal Frequency Division Multiplexing）以其高频谱利用率、高数据传输速率以及良好的抗干扰性能给移动通信注入了新鲜血液，在世界范围内得到了广泛应用，例如欧洲于上世纪90年代投入使用的数字音频广播系统（DAB，Digital Audio Broadcasting System）、数字视频广播系统（DVB，Digital Video Broadcasting System）及随后制定出的IEEE802.11标准系列，日本也于1999年提出地面综合业务数字广播标准ISDB-T等等1。近年来我国在这一领域的研究成果也很多，据国家知识产权局公布的信息，我国目前已是OFDM专利技术的第四大原创国。我国的数字电视地面广播及移动数字电视广播标准DMB-T/H中，使用时域同步正交频分复用（TDS-OFDM）技术，在一个带宽为 8MHz的广播电视频道中，数据的传输速率可达32.48Mbps，在传输数字电视节目的同时还能进行丰富多样的数据业务服务。除了在移动通信领域带来的技