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1、低压电力载波通信的OFDM同步技术研究 学号 S10070887姓名 马晓伟时间 2010 12 22 2020 4 4 可编辑 2 目录 课题简介 背景和研究意义研究背景及现状研究内容及拟解决的关键问题研究方法和技术路线可行性分析及创新性 2020 4 4 可编辑 3 课题简介 背景及研究意义 一 课题简介课题名称 低压电力载波通信的OFDM同步技术研究OFDM系统对时域和频域的偏移非常敏感 同步直接影响到系统的性能 主要包括符号同步和载波同步 符号同步指接收方确定符号的起始位置 然后进行FFT 解调等 载波同步指确保各个子载波保持正交性 本课题通过改进对定时同步算法Schmidl进行改进
2、根据定时度量函数判定出峰值的准确位置 从而更加精确的找出符号起始位置 2020 4 4 可编辑 4 课题简介 背景及研究意义 二 课题背景 1 物联网的兴起物联网通过智能感知 识别技术与普适计算 泛在网络的融合应用 被称为继计算机 互联网之后世界信息产业发展的第三次浪潮 物联网一方面可以提高经济效益 大大节约成本 另一方面可以为全球经济的复苏提供技术动力 目前 美国 欧盟等都在投入巨资深入研究探索物联网 我国也正在高度关注 重视物联网的研究 物联网未来将涉及各个领域 在电力领域就是智能电网 智能电网将能够把各种供电和用电设备连接一体 是我们从互联网走向 物联网 的重要平台之一 2020 4 4
3、 可编辑 5 课题简介 背景及研究意义 二 课题背景 续 2 智能电网计划的提出2009年5月 国家电网公司首次公布了智能电网计划 智能电网就是电网的智能化 智能电网计划的提出使得电力线网络的发展在我国有了政策上的保障 使得电力线通信前景更广阔 2020 4 4 可编辑 6 课题简介 背景及研究意义 二 课题背景 续 3 OFDM的优点频谱利用率高 当载波数很大时 OFDM系统的频谱利用率趋近2Baud Hz 抗码间干扰 ISI 和频率选择性衰落能力强 支持动态比特分配和自适应调制易于实现 易和其他方法结合由于以上特性能够很好的解决电力线通信中频谱利用率低 多径 频率衰落和码间干扰等问题 因此
4、OFDM在电力线通信中得到广泛的应用 2020 4 4 可编辑 7 课题简介 背景及研究意义 三 研究意义OFDM同步技术的研究能够为OFDM在电力线通信应用提供一定的理论依据 针对电力线信道特性 有选择的改进现有OFDM同步技术算法 使之能够适应电力线通信恶劣的环境 具有非常重要的意义 2020 4 4 可编辑 8 研究背景及现状 一 OFDM技术的研究背景及现状二 OFDM同步技术算法介绍 研究背景及现状 一 OFDM技术的研究背景及现状正交频分复用技术 OFDM 最早起源于20世纪50年代中期 在60年代已经形成使用并行数据和频分复用的概念 1971年 Weinstein和Ebert将傅
5、里叶变换 DFT 应用到OFDM的调制和解调中1995年 欧洲电信标准协会 ETSI 制定了数字音频广播 DAB 标准 这是第一个以OFDM作为传输技术的标准 2020 4 4 可编辑 9 研究背景及现状 1997年 电气与电子工程协会 IEEE 发布了802 11协议 这是OFDM技术第一次应用于分组数据通信 其目标是提供6Mbps和54Mbps数据速率由于OFDM技术具有抗频率选择性衰落 频谱利用率高和抗窄带干扰的优点 近在学术研究和工程应用上引起了广泛兴趣 OFDM系统成为3G的关键技术之一 2020 4 4 可编辑 10 研究背景及现状 OFDM已在数字音频广播 DAB 数字视频广播
6、DVB 基于IEEE802 11标准的无线本地局域网 有线电话网 ADSL技术得到广泛的应用 此外 OFDM还易结合空时编码 分集 干扰 ISI和ICI 抑制及智能天线等技术 最大程度的提高物理层信息传输的可靠性 如果再结合自适应调制 自适应编码以及动态子载波分配 动态比特分配算法等技术 可以使其性能进一步得到优化 2020 4 4 可编辑 11 研究背景及现状 对于多载波系统来说 载波频率的偏移会导致子信道之间的干扰 而且对于子载波要求严格同步的OFDM系统来说 载波的频率偏移带来的影响更为严重 由于OFDM系统对时域和频域的偏移非常敏感 同步技术显得尤为重要 2020 4 4 可编辑 12
7、 研究背景及现状 二 OFDM同步技术算法介绍1 MLE算法Moose最早提出了基于重复训练符号最大似然估计 MLE 的频偏估计算法 其基本思路是计算在FFT变换后符号的相位差对频偏进行估计 优点 MLE算法简单易行 不涉及复杂的矩阵运算 实际应用中比较方便 缺点 只做频偏估计 没有定时估计 其频偏估计值的范围为个子载波间隔 频偏较大的系统不易采用MLE算法 2020 4 4 可编辑 13 研究背景及现状 2020 4 4 可编辑 14 2 Schmidl算法Schmidl算法是一种经典的OFDM同步算法 这种算法通过使用两个特殊的训练符号来完成OFDM系统的联合时间和频率同步 训练符号结构如
8、下图 训练符号1的前一半导频和后一半导频是相同的 用于实现定时同步 计算小数频偏 第二个符号的导频用于计算整数频偏 研究背景及现状 优点 提出了利用重复结构的训练符号进行小数频偏估计 具有很高的估计精确度 能够有效在瑞利信道中应用 不受瑞利信道的过大影响 缺点 定时估计中会出现峰值平台现象 不利于定时定时位置的判定 2020 4 4 可编辑 15 研究背景及现状 3 ML算法以上两种算法均是基于插入的同步导频序列 这增加了系统的额外带宽开销和发送端能量开销 而ML算法基于OFDM系统的循环前缀 也被称为CP同步 结构图如下 保护间隔一般大于最大时延扩展 能够避免码间干扰 2020 4 4 可编
9、辑 16 研究背景及现状 优点 ML算法不需要额外的导频 而是利用保护间隔进行同步 节省了频谱和发送端功率 且ML算法定时估计中不会出现Schmidl算法的峰值平台现象 定时峰值位置频偏估计也比较准确 缺点 ML算法虽然可以实现符号定时同步 但是在计算多久之后判断最大值并没有明确说明 因此实际中 通常先确定一个门限值 在相关值大于门限的范围内检测峰值 从而得到符号定时同步的位置 2020 4 4 可编辑 17 2020 4 4 可编辑 18 一 研究内容低压电力载波通信的OFDM同步技术算法的研究分析定时偏差 频率偏移对OFDM系统同步的影响 然后对近年来应用较多的几种经典算法的基本思想和各自
10、的优缺点进行说明 通过仿真模拟比较各种算法 分析比较三种经典同步算法 MLE算法 Schmidl算法和ML算法 在此基础上针对Schmidl算法定时同步的缺点设计解决方案 提出定时同步的改进算法 并进行仿真 研究内容及拟解决的关键问题 2020 4 4 可编辑 19 研究内容及拟解决的关键问题 二 拟解决的关键问题频率同步误差的影响 ICI 载波频率同步误差造成接受信号在频域的偏移 1 如果频率误差是子载波间隔的整数倍 则接收到的承载信号的子载波将平移整数个载波位置 子载波之间还是正交的 但OFDM信号的频谱结构错位 提高了误码率 2 如果频率误差不是子载波间隔的整数倍 则一个子载波的信号能量
11、将分散到相邻的两个载波中 导致子载波不正交 造成系统性能严重下降 研究内容及拟解决的关键问题 时间同步误差的影响 ICI ISI 接收端正确解调信号 必须找到符号序列的起始位置 否则出现FFT观察窗口和发送时不一致 因此必须进行定时同步 定时同步误差会引起子载波相位偏转 并且转移角度随子载波的增大而增大 从而造成ICI FFT窗口的超前或滞后 都会造成ISI 2020 4 4 可编辑 20 研究内容及拟解决的关键问题 Schmidle算法可以较好的解决以上时间与频率同步问题 但是该算法峰值平台现象比较严重 对定时判决造成很大影响 由于峰值平台现象是由保护间隔造成的 因此如何正确找出峰值的位置
12、是该算法的难点 2020 4 4 可编辑 21 2020 4 4 可编辑 22 研究方法和技术路线 本课题采用理论分析和仿真相结合的方法 有关OFDM定时与频率同步问题 国内外学者也提出了一些解决方案 如MLE算法 Schmidl算法和ML算法 本课题采取改进的Schmidl算法 找出度量函数最大值后 分别向左向右找到度量值为90 最大值的位置 将两个样点位置做平均得出峰值的准确位置 使结果更加准确 基于matlab建立模拟现场环境的仿真系统 对改进的Schmidl算法的合理性和准确性进行验证 可行性分析及创新性 一可行性分析针对不同的应用环境 如电力线 国内外在OFDM同步技术中有不少的研究
13、成果 提出了诸多算法 如MLE算法 Schmidl算法 ML算法 MA算法 移动平均符号定时算法 等 这些算法的研究方法策略 数据分析处理方法为本课题提供了重要的借鉴 也为本课题的研究提供了可行性分析 使用Matlab进行试验仿真 简单易行 2020 4 4 可编辑 23 可行性分析及创新性 二创新性OFDM系统对定时偏移和频率偏移非常敏感 符号与频率是否同步 将直接影响到信息的传输 是否能够正确接收 国内外对此作了大量研究工作 取得了一定成果 但是一些方法还存在一定的缺陷 比如MLE算法 只做频偏估计 没有定时估计 频偏较大的系统不易采用MLE算法 Schmidl算法 定时估计中会出现峰值平台现象 不利于定时定时位置的判定 ML算法虽然可以实现符号定时同步 但是在计算多久之后判断最大值并没有明确说明 以上算法得出的结果具有局限性 不能够很好的实现符号与频率同步 2020 4 4 可编辑 24 可行性分析及创新性 为了能够更加准确的实现符号与频率同步 本课题在以下方面进行了创新 本课题通过对Schmidl算法的改进 解决由于峰值平台现象而无法准确测量峰值位置的难题 使测得的数据更加准确 符合实际情况 2020 4 4 可编辑 25 ThankYou 欢迎各位老师批评指正
