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基于OFDM的宽带协作无线通信系统载波频偏估计方法
摘要
OFDM（正交频分复用）技术是一种特别适用于高速移动的宽带无线通信技术，但随着信号传输距离的增长，信道的影响逐渐加重，信号的载波频偏现象会愈发明显，从而对OFDM系统的性能产生较大影响。基于OFDM的宽带协作无线通信系统载波频偏估计方法是解决此问题的关键之一。本文综述了OFDM调制原理、无线信道及其频偏影响，以及载波频偏估计的相关算法，最后通过对几种算法进行比较和分析，得出了较为优良的超样本插值FFT算法。
关键词：OFDM，载波频偏，频偏估计，超样本插值FFT
引言
OFDM技术是一种特别适用于高速移动的宽带无线通信技术，其主要特点是将高速数据流分成多个子流进行传输，每个子流采用低速率使得它们之间互不干扰。然而，随着信号传输距离的增长，信道会发生影响，使得信号频谱形状变化并发生偏移，从而导致载波频偏现象（CarrierFrequencyOffset，CFO），这会对OFDM系统的性能造成较大影响。因此，正确地估计载波频偏是OFDM系统中的重要问题。目前，有许多载波频偏估计算法，本文将对常用的算法进行总结和分析，为OFDM系统的正确使用和性能提升提供一定的指导。
OFDM调制原理
OFDM系统采用IFFT将码元变成时域上复合的信号，然后根据频域上的正交性质，在时域上进行并行发送和接收。其基本过程如下：
1.将输入数据分成不同的子载波，每个子载波相互正交。
2.在每个子载波对应的频域上进行QAM或者PSK等调制。
3.对每个子载波进行IFFT，实现并行处理。
4.将输出的多个时域符号叠加成一个OFDM块，发送至接收机。
5.将接收到的信号经过FFT处理，变回频域。
无线信道及其频偏影响
无线信道是一个复杂的多径信道，其包含多径反射、衍射等，这会导致多个时间延时不同的路径传播信号到达接收机。这些信号会相互干扰并且中途会受到频率偏移，使得接收到的信号与原信号不同，从而导致信道估计误差和载波频偏。
载波频偏估计
由于OFDM信号离散化性质，载波频偏会在每个子载波上神现频率成分，从而导致各个子载波之间的相位差和振幅误差，使得接收机无法对其进行识别。而载波频偏估计正是解决这一问题的关键之一。
下面简单介绍几种常用的载波频偏估计算法。
1.光谱方法：该方法基于信号在时域上的周期性特点，计算其功率谱。之后将信号分成带通和带阻两部分，再计算其功率谱，从而估计载波频偏。
2.计算法：分为两种，一种是计算载波同步偏差，另一种是计算载波本身的频率偏差。
3.FFT法：在时域上求出OFDM符号序列的FFT变换，得到对应的频率偏移信息。在频域上选出振幅最大的两个峰和峰值差，即可得到估计值。
4.杂波估计算法：将全频带分成多段，获得每一段的自相关函数，从而得到载波频偏的估计值。
5.超样本插值FFT算法：该方法最早是由Ho等人于2001年提出的。该算法的基本原理是通过多样本进行插值估计，消除谐波泄漏等误差，从而提高载波频偏估计精度。
在所有的算法中，超样本插值FFT算法是目前被广泛使用的算法，其估计精度高、抗干扰性能强。因此，在实际应用中，如果OFDM系统遇到载波频偏问题，建议优先选用超样本插值FFT算法。
小结
OFDM技术是目前应用最广泛的宽带无线通信技术，但在实际应用中存在着一个比较严重的问题：载波频偏。本文对OFDM调制原理、无线信道及其频偏影响以及常用的载波频偏估计算法进行了总结分析，并且从中得出了比较优良的超样本插值FFT算法。在实际应用中，通过正确地估计载波频偏以提高OFDM系统的稳定性和性能。