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正交频分复用(OFDM,Orthogonal Frequency Division Multiplexing)技术和多输入多输出(MIMO,Multiple-Input Multiple-Output)技术相结合能够有效对抗多径衰落、实现高效传输和提升频谱利用率,MIMO-OFDM是宽带高速移动通信系统的物理层关键技术。在基于OFDM调制的系统中,符号定时偏差和载波频率偏差将引入符号间干扰(ISI,Inter Symbol Interference)和子载波间干扰(ICI,Inter Carrier Interference),显著恶化系统性能。因此,时频估计与补偿技术具有重要的理论研究意义和实际应用价值。然而,随着系统带宽和移动性的增加,无线信道的衰落造成接收信号的失真更为显著;另一方面,MIMO技术的引入使得信号维数成倍增长,并引入了多时偏多频偏。这都对时频同步技术提出了更高要求。本文针对OFDM与MIMO-OFDM通信系统的同步技术展开研究,主要工作如下:1、详细阐述了数字通信系统中的同步类型,建立了OFDM与MIMO-OFDM系统模型。推导分析了时偏和频偏分别对OFDM系统与MIMO-OFDM系统性能的影响,并仿真分析了时偏和频偏影响下的信号解调星座图,验证了同步技术的重要性。为后续同步算法研究奠定理论基础。2、针对SISO-OFDM系统,分析了四种经典的同步算法:Moose算法、SC算法、Minn算法和Park算法。在此基础上,提出了基于CAZAC序列的互相关与对称自相关两种时频同步算法,并对所提算法进行仿真分析对比,所提算法有效提升了系统的同步性能,减小了计算复杂度。针对实际场景需求,设计了一种低复杂度同步方案利用FPGA实现,并进行了仿真验证与传输测试,结果表明所实现的算法在通信系统中表现出优异的同步性能。3、针对集中式MIMO-OFDM系统,给出多天线系统同步训练序列设计原则。对此前提出的两种SISO-OFDM同步算法分别进行相应改进并扩展到MIMO系统中。仿真表明,对比现有EPSP算法,所提互相关算法提升了系统数据传输效率,并保持了较高的同步性能,但基于自相关的算法定时性能相对较差。相比OFDM系统,MIMO系统有丰富的接收信号,故同步算法获得了一定的性能增益。4、针对分布式MIMO-OFDM系统,设计新的正交同步序列结构,提出了基于互相关的时频同步算法。仿真表明所提算法的同步性能及传输效率都得到了不同程度的提升。之后针对分布式系统存在的多频偏多时偏补偿问题,提出了基于迫零检测的多频偏补偿算法。仿真表明所提补偿算法较好地完成了频偏的补偿,有效提升了接收机的解调性能。