摘 要

正交频分复用（OFDM，Orthogonal Frequency Division Multiplexing）技术作为第四代通信发展关键技术具有多方面的优势，比如抗多径衰落能力较强，频谱利用率高。OFDM系统实现的先决条件是接收端与发送端子载波具有良好的正交性。然而，由于时钟晶振的不稳定，多普勒效应等因素会产生载波频率偏移（CFO，Carrier Frequency Offset），这会严重破坏子载波间的正交性，从而严重威胁OFDM系统的基本性能。本论文的重点是研究OFDM系统频偏估计的算法，研究结果对于优化OFDM系统有着重要意义。

论文首先从OFDM技术出发，研究了OFDM系统的发展状况、基本原理、优缺点以及涉及的关键技术。接着，论文重点研究了OFDM的同步问题，从系统技术的原理出发，通过对频率偏移的数学分析来研究其对系统带来的负面影响。最后，论文重点研究了现有的频偏估计算法，并着重阐述了四种具有代表性的频偏估计算法，利用Matlab比较分析了它们在加性高斯白噪声信道的估计性能。

研究频偏估计技术的目的是为了更好的对接收信号进行相应的补偿，这对第五代通信中滤波组多载波技术（FBMC）的研究具有一定的指导意义。

关键词：正交频分复用；载波频率偏移；频偏估计算法；MATLAB仿真

Abstract

As the key technology of the fourth generation communication, orthogonal frequency division multiplexing technology has many advantages, such as strong anti multipath fading ability and high spectrum utilization. The precondition of OFDM system is that the receiver and the transmitter have good orthogonality. However, due to the instability of clock crystal, Doppler effect and other factors, carrier frequency offset (CFO) will be generated, which will seriously destroy the orthogonality between subcarriers, thus seriously threatening the basic performance of OFDM system. The focus of this paper is to study the algorithm of frequency offset estimation in OFDM system. The research results are of great significance for optimizing OFDM system.

Firstly, this paper studies the development, basic principle, advantages and disadvantages of OFDM system and the key technologies involved. Then, the paper focuses on the synchronization of OFDM, starting from the principle of system technology, through the mathematical analysis of frequency offset to study its negative impact on the system. Finally, the paper focuses on the existing frequency offset estimation algorithms, and focuses on four representative frequency offset estimation algorithms, using MATLAB to compare and analyze their estimation performance in the additive white Gaussian noise channel.

The purpose of frequency offset estimation is to compensate the received signal better, which has certain guiding significance for the research of Filter Bank Multi-Carrier Technology (FBMC) in the fifth generation communication.

Key Words: Orthogonal Frequency Division Multiplexing（OFDM）; Carrier Frequency Offset; Frequency offset estimation algorithm；MATLAB simulation

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 研究背景和意义 1

1.2 OFDM技术以及频偏估计算法的发展和现状 1

1.3 论文的主要工作和章节安排 3

第2章 OFDM系统介绍 4

2.1 OFDM系统原理 4

2.1.1 调制与解调原理 4

2.1.2 保护间隔与循环前缀 6

2.2 OFDM系统优缺点 7

2.3 OFDM系统仿真 8

第3章 OFDM同步技术与频率偏移 10

3.1 OFDM系统的3种同步 10

3.2 频偏产生的原因 10

3.3 频率偏移产生的影响 10

3.4 频率偏移的数学分析 12

第4章 频偏算法的研究 15

4.1 频偏估计概况 15

4.2 典型频偏估计算法的分析 15

4.2.1 基于循环前缀的频偏估计算法 15

4.2.2 Moose算法 16

4.2.3 Classen算法 17

4.2.4 Schmidl and Cox（SC）算法 18

4.2.5 典型算法的仿真分析 20

第5章 结论 24

参考文献 25

致谢 27

第1章 绪论

1.1 研究背景和意义

随着时代的变迁，通信技术的发展也朝着日新月异的趋势。几千年前，符号、图案、烽火、钟声、竹简等交换信息的方式也一直为我们所用。19世纪中期开始，随着电磁波的发现和应用，人类在通讯的发展上开始发生了彻底的革新，实现了使用金属缆线以及电磁波来进行通信。20世纪是人类文明大爆发的时代，香农、奈奎斯特等对通信领域起了很大的作用。在20世纪80年代，数字网络公用业务慢慢开始兴起，一系列的网络国际标准和国际协议也开始相继制定；20世纪末，多种多样的无线通信技术层出不穷，光纤通信也开始迅速兴起；1997年，六十余个国家签署了国际协议，各国之间开放电子信息市场。

21世纪以来，移动通信系统也不断创新，更新换代的速度也越来越快，到目前完成了从1G到5G的逐级更替。第四代移动通信系统(4G)下行传输采用了OFDM技术^[1]，能够支持新兴移动互联网、实时直播等流媒体通信业务。为了满足人们对更高速率、更高质量、更低延时的通信需求，2013年，欧盟、美国、中国、日本纷纷开展了第五代通信的研究。2019年10月，三大运营商纷纷公布5G商用套餐，并于11月1日正式上线5G商用套餐，标志着中国正式进入5G商用时代^[2]。而OFDM技术及其催生技术如滤波组多载波技术（FBMC）也在5G技术中有着举足轻重的作用。