MIMO-OFDM抗干扰时频同步技术研究与实现.pdfVIP

摘要

正交频分复用（OrthogonalFrequencyDivisionMultiplex，OFDM）技术能够有效地对抗

多径衰落干扰并提高系统的频谱利用率。多输入多输出（Multiple-InputMultiple-Output，MIMO）

技术通过传输分集、空分复用和波束成形等方式大幅提高系统的吞吐率。MIMO-OFDM系统

结合两种技术的优势被广泛应用于多种通信系统中，但是由于使用了多天线，不同接收天线

收到信号的时延以及频偏可能存在差异，且OFDM调制信号对定时偏差和载波频偏十分敏感，

同时同步过程容易收到通信系统无源或有源干扰的影响，因此优化MIMO-OFDM系统的时频

同步技术，使其有效应对各种干扰环境有着重要意义。本文针对MIMO-OFDM通信系统中可

能出现的干扰问题，研究相应的定时同步和频偏估计与补偿算法，并考虑MIMO接收分集需

求，最终使用FPGA实现MIMO-OFDM系统的时频同步过程。

论文首先介绍课题的研究背景与意义，分两部分对国内外研究现状进行归纳总结，其次

介绍MIMO-OFDM系统原理和模型，分析定时同步误差、载波频率偏移、无源干扰和有源干

扰产生的原因以及这些问题对系统造成的影响，并仿照无线局域网（WirelessLocalArea

Networks，WLAN）802.11ax标准的发射、接收机算法搭建仿真系统。然后对部分典型

MIMO-OFDM系统的帧同步算法、频偏估计算法和符号同步算法进行详细的概述并加以分析，

在此基础上提出新的帧同步算法，改良出估计精度更高的频偏估计算法和计算复杂度更低的

符号同步算法。随后提出新的天线间时延检测与补偿方法，介绍基于信噪比估计的干扰检测

方法。在不同信噪比、不同信道模型以及不同的干扰环境中对这些算法进行仿真，依据帧同

步正确概率、频偏估计均方误差、符号同步正确概率、天线间时延补偿正确概率和信噪比估

计均方误差等性能指标对本文提到的算法的和本文提出的算法进行分析比较，分析算法的性

能与复杂度，确定用于FPGA实现的时频同步方案。

最后，将提出的同步方案使用XilinxVivado的开发套件SystemGenerator进行定点设计

与仿真，分析比较定点仿真与MATLAB浮点仿真性能差距，为物理层FPGA实现提供数据

支持与校验。再进行FPGA实现与功能验证，采用流水线、并行化等FPGA设计技巧和资源

优化算法等对系统时序和硬件资源占用进行优化，最终得出FPGA的硬件资源消耗报及时序

报告。

关键词：MIMO-OFDM，定时同步，频偏估计与补偿，抗干扰，FPGA

Abstract

OrthogonalFrequencyDivisionMultiplex(OFDM)technologycaneffectivelycombat

multipathfadinginterferenceandimprovethespectralefficiencyofthesystem.Multi-Input

Multiple-Output(MIMO)technologygreatlyimprovesthesystemthroughputthroughtransmit

diversity,spacedivisionmultiplexingandbeamforming.TheMIMO-OFDMsystemiswidelyused

invariouscommunicationsystemsbycombiningtheadvantagesofthetwotechnologies.However,

duetotheuseofmultipleantennas,thetimedelayandfrequencyoffsetofsignalsreceivedby

differentreceivingantennasmaybedifferent,andtheOFDMmodulatedsignalisverysensitiveto

thetimingoffsetan