摘要：信息世界的飞速进展和多媒体数据通信的爆炸性增加，为未来无线通信技术带来了机遇和挑战。这些挑战包括移动性、实时性、用户体验性等方面的巨大需求。近年来进展起来的基于多天线（MIMO）的无线通信系统正在显示出技术上的优势。同时，正交频分复用（OFDM）技术由于可以有效地对抗多径衰落、具有较高的频谱效率等优势已经被广泛地运用于地面无线通信领域。两者的结合，即基于多天线的正交频分复用（MIMO-OFDM）无线通信系统是未来无线通信技术进展的及其重要的方向之一。无线通信系统中基带同步算法的性能是决定数据接收可靠性的非常重要的环节之一。OFDM技术对子载波间的正交性要求十分严格。传统利用的循环前缀（CP）保护技术，可以部分地解决在单天线OFDM系统中由于采样定时偏差所引入的基带同步不足。但是，在MIMO-OFDM无线通信系统中，多天线会对基带信号处理造成天线间干扰，因而在MIMO-OFDM无线通信系统中基带同步成为在无线通信论述上和系统实现上亟待解决的不足之一。本论文主要探讨了MIMO-OFDM无线通信系统中的同步，包括定时同步和频率同步的不足。在浅析了基于多天线合并的定时同步和频率同步算法的论述性能的基础上，提出了三种改善算法，包括最大比合并定时同步算法、非相干序列检测算法，以及载波频偏和采样频偏的估计算法。通过无线通信链路仿真系统和FPGA硬件平台进行了这些革新算法的实现与验证。论文的主要探讨工作包括：1.论文全面地浅析了衰落信道下各种同步偏差对OFDM通信系统性能的影响以及MIMO无线信道模型，为后续章节的同步算法设计提供了论述基础。2.论文在多天线信号定时同步探讨的基础上，提出了基于改善信噪比估计算法的最大比合并的定时同步算法，给出了基于线性分集合并定时同步算法的论述浅析及性能。仿真结果表明改善后的定时同步算法在四个接收天线的条件下，可以获得0.1dB的性能增益，并且可以比基于等增益合并定时同步算法改善0.5dB。3.论文提出了一种非相干序列检测的改善算法。通过消除采样定时偏差和利用平滑序列的频域特性，该算法与目前所利用的基于不完美信道估计的相干序列检测算法相比，在高信噪比下可以保持性能相同，而在低信噪比下可以获得0.8dB的性能改善。4.论文在捕获阶段多天线信号频率同步探讨的基础上，提出了基于改善信噪比估计算法的最大比合并的载波频偏和采样频偏联合估计算法，同时浅析了基于线性分集合并频率同步算法的论述性能。仿真结果表明改善后的频偏估计算法更加接近论述极限，在四个接收天线的条件下可以使性能提升0.1dB。与基于等增益合并频偏估计算法相比，改善算法的性能和论述界限的距离缩短了0.8dB，由此该算法能够在捕获阶段获得较高的估计精度。5.论文针对在芯片硬件电路实现多天线同步算法中面积和功耗较大这一具体不足，提出了减少存储单元数量的策略，显著降低了数字电路面积（降低79%）和功耗（降低75%）。该策略还可以根据同步状态机中不同阶段选择不同功耗的模数转换器（ADC）来降低模拟前端电路功耗。本论文通过对基带同步算法的论述探讨和性能浅析，为MIMO-OFDM无线通信系统的同步提供了具有革新性的三个改善算法，同时提供了基于改善算法的芯片优化设计案例。关键词：定时同步论文载波频偏论文采样频偏论文频率同步论文分集接收论文
摘要4-6
Abstract6-9
目录9-11
第1章 绪论11-23
1.1 移动通信的进展走势及挑战11-12
1.2 MIMO 和 OFDM 技术概况12-16
1.2.1 OFDM 技术13-14
1.2.2 MIMO 技术14-16
1.3 MIMO-OFDM 基带同步算法的国内外探讨近况16-20
1.3.1 基于数据辅助的同步算法17-18
1.3.2 基于非数据辅助的同步算法18-19
1.3.3 MIMO-OFDM 同步算法19-20
1.4 论文主要探讨内容20-23
第2章 OFDM 系统原理及无线信道23-55
2.1 OFDM 系统23-28
2.1.1 OFDM 的基本原理24-25
2.1.2 OFDM 的系统架构25-27
2.1.3 MIMO-OFDM 系统27-28
2.2 OFDM 通信系统中的同步28-41
2.2.1 OFDM 通信系统中的同步模型28-36
2.2.2 同步误差对 OFDM 通信系统性能的影响36-40
2.2.3 同步性能的衡量40-41
2.3 MIMO 无线信道模型41-52
2.3.1 确定性的 MIMO 无线信道模型42-45
2.3.2 随机的 MIMO 无线信道模型45-52
2.4 本章小结52-55
第3章 多天线系统中定时同步的算法探讨55-83
3.1 系统浅析模型55-59
3.2 下行接收中的算法及改善59-68
3.2.1 多天线系统中时域相关检测的改善算法59-65
3.2.2 频域相关检测的改善算法65-68
3.3 多天线接收定时同步性能的论述浅析68-74
3.3.1 高斯信道环境中的检测概率和虚警概率68-70
3.3.2 衰落信道环境中的平均检测概率70-74
3.4 仿真结果浅析74-81
3.4.1 多天线系统中时域相关检测的改善算法75-78
3.4.2 频域相关检测的改善算法78-81
3.5 本章小结81-83
第4章 多天线系统中频偏同步的算法探讨83-107
4.1 系统浅析模型83-87
4.2 下行接收中的算法及改善87-95
4.2.1 多天线系统中时域相关检测的算法88-90
4.2.2 基于接收分集合并的频偏估计改善算法90-95
4.3 多天线接收频率同步性能的论述浅析95-101
4.3.1 高斯信道环境中的频偏估计均方误差95-98
4.3.2 衰落信道环境中的频偏估计平均均方误差98-101
4.4 仿真结果浅析101-106
4.5 本章小结106-107
第5章 多天线通信系统同步算法的实现107-119
5.1 系统架构107-109
5.1.1 主同步信号107-109
5.1.2 辅同步信号109
5.2 定时同步算法的降低面积和功耗的优化实现109-115
5.3 频偏估计算法的实现115-116
5.4 实际测试116-118
5.4.1 测试平台116
5.4.2 测试结果116-118
5.5 本章小结118-119
结论119-121
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