LTE基础:OFDM的同步技术

    同步在通信系统中占据非常重要的地位。例如，当采用同步解调或相干检测时，接收机需要提取一个与发射载波同频同相的载波；同时还要确定符号的起始位置等。

    一般的通信系统中存在如下的同步问题：

     发射机和接收机的载波频率不同；

     发射机和接收机的采样频率不同；

     接收机不知道符号的定时起始位置。

    OFDM符号由多个子载波信号叠加构成，各个子载波之间利用正交性来区分，因此确保这种正交性对于OFDM系统来说是至关重要的，因此它对载波同步的要求也就相对较严格。

    在OFDM系统中存在如下几个方面的同步要求：

     载波同步：接收端的振荡频率要与发送载波同频同相；

     样值同步：接收端和发射端的抽样频率一致；

     符号定时同步：IFFT和FFT起止时刻一致。

    与单载波系统相比，OFDM系统对同步精度的要求更高，同步偏差会在OFDM系统中引起ISI及ICI。下图显示了OFDM系统中的同步要求，并且大概给出各种同步在系统中所处的位置。

载波同步

    发射机与接收机之间的频率偏差导致接收信号在频域内发生偏移。如果频率偏差是子载波间隔的n（n为整数）倍，虽然子载波之间仍然能够保持正交，但是频率采用值已经偏移了n个子载波的位置，造成映射在OFDM频谱内的数据符号的误码率高达0.5。

    如果载波频率偏差不是子载波间隔的整数倍，则在子载波之间就会存在能量的“泄漏”，导致子载波之间的正交性遭到破坏，从而在子载波之间引入干扰，使得系统的误码率性能恶化。下图给出了载波同步与失步情况下的性能比较：

    通常我们通过两个过程实现载波同步，即捕获（acquisition）模式和跟踪（tracing）模式。在跟踪模式中，只需要处理很小的频率波动；但是当接收机处于捕获模式时，频率偏差可以较大，可能是子载波间隔的若干倍。

    接收机中第一阶段的任务就是要尽快地进行粗略频率估计，解决载波的捕获问题；第二阶段的任务就是能够锁定并且执行跟踪任务。把上述同步任务分为两个阶段的好处是：由于每一阶段内的算法只需要考虑其特定阶段内所要求执行的任务，因此可以在设计同步结构中引入较大的自由度。这也就意味着，在第一阶段（捕获阶段）内只需要考虑如何在较大的捕获范围内粗略估计载波频率，不需要考虑跟踪性能如何；而在第二阶段（跟踪阶段）内，只需要考虑如何获得较高的跟踪性能。

符号定时同步

    由于在OFDM符号之间插入了循环前缀保护间隔，因此OFDM符号定时同步的起始时刻可以在保护间隔内变化，而不会造成ICI和ISI，如下图所示：

    只有当FFT运算窗口超出了符号边界，或者落入符号的幅度滚降区间，才会造成ICI和ISI。因此，OFDM系统对符号定时同步的要求会相对较宽松，但是在多径环境中，为了获得最佳的系统性能，需要确定最佳的符号定时。尽管符号定时的起点可以在保护间隔内任意选择，但是容易得知，任何符号定时的变化，都会增加OFDM系统对时延扩展的敏感程度，因此系统所能容忍的时延扩展就会低于其设计值。为了尽量减小这种负面的影响，需要尽量减小符号定时同步的误差。

    当前提出的关于多载波系统的符号定时同步和载波同步大都采用插入导频符号的方法，这会导致带宽和功率资源的浪费，降低系统的有效性。实际上，几乎所有的多载波系统都采用插入保护间隔的方法来消除符号间串扰。为了克服了导频符号浪费资源的缺点，我们通常利用保护间隔所携带的信息完成符号定时同步和载波频率同步的最大似然估计算法。

    同步是OFDM系统中非常关键的问题，同步性能的优劣直接影响到OFDM技术能否真正被用于无线通信领域。在OFDM系统中，存在多种级别的同步：载波同步、符号定时同以及样值同步，其中每一级别的同步都会对OFDM系统性能造成影响。这里我们首先分析了OFDM系统内不同级别的同步问题，然后在此基础上介绍了几种分别用于载波同步和符号定时同步的方法。通过分析可以看到，只要合理地选择适当的同步方法，就可以在OFDM系统内实现同步，从而为其在无线通信系统中的应用打下坚实的基础。