分类号密级_________ U D C_________编号1 0 4 8 6
武汉大学
硕士学位论文
OFDM系统中同步算法的研究
研究生姓名：李鹏飞
学号：200722120124
指导教师姓名、职称：茹国宝教授
学科、专业名称：通信与信息系统
研究方向：通信理论研究
二〇〇九年四月
The Research of Synchronization Algorithm for
OFDM Systems
Li Peng Fei
郑重声明
本人的学位论文是在导师指导下独立撰写并完成的，学位论文没有剽窃、抄袭、造假等违反学术道德、学术规范和侵权行为，否则，本人愿意承担由此而产生的法律责任和法律后果，特此郑重声明。
学位论文作者（签名）：
年月日
目录
摘要 ............................................................ I ABSTRACT........................................................ II 1 绪论 . (1)
1.1单载波与多载波通信系统 (1)
1.1.1单载波传输系统 (1)
1.1.2多载波传输系统 (1)
1.2OFDM的历史及应用 (2)
1.3无线衰落信道的传播特征 (3)
1.3.1无线信道的大尺度衰落 (4)
1.3.2阴影衰落 (5)
1.3.3无线信道的多径衰落 (5)
1.3.4无线信道的时变性以及多普勒频移 (7)
1.4本文的组织结构和主要工作 (9)
2OFDM系统的基本原理 (10)
2.1OFDM系统模型 (10)
2.1.1OFDM发送端 (11)
2.1.2OFDM接收端 (11)
2.2OFDM系统IFFT/FFT的应用 (12)
2.3保护间隔和循环前缀 (13)
2.4OFDM系统的关键技术 (16)
2.4.1同步技术 (16)
2.4.2信道估计 (17)
2.4.3峰值平均功率比 (17)
2.5OFDM的优缺点 (18)
2.6OFDM系统参数选择 (19)
3OFDM系统的同步技术 (22)
3.1同步简介 (22)
3.2同步偏差对OFDM系统的影响 (22)
3.2.1载波频率偏差对OFDM系统的影响 (23)
3.2.2符号定时偏差对OFDM系统的影响 (27)
3.2.3采样定时偏差对OFDM系统的影响 (28)
3.3同步算法简介 (29)
3.3.1载波同步算法 (29)
3.3.2定时同步算法 (29)
3.3.3样值同步算法 (30)
4基于循环前缀的OFDM符号定时同步和载波同步算法 (31)
4.1最大似然算法 (31)
4.1.1算法描述 (31)
4.1.2算法仿真 (34)
4.2集相关算法 (37)
4.2.1算法描述 (37)
4.2.2算法仿真 (39)
4.3基于S长度块相关的符号定时和载波联合同步算法 (40)
4.3.1算法描述 (40)
4.3.2算法仿真 (43)
4.4三种同步算法的性能比较 (44)
5总结与展望 (49)
5.1总结 (49)
5.2展望 (50)
参考文献 (51)
致谢 (54)
摘要
正交频分复用（OFDM）技术是一种多载波数字调制技术。它将高速的数据流分解成许多低速率的子数据流，利用相互正交且部分重叠的多个子载波携带信息同时进行传输。因此，OFDM系统的频谱效率高，抗多径能力强，且传输的数据速率高，从而在移动无线通信系统中得到了广泛的应用。
OFDM系统中必须解决的首要问题是符号定时同步、载波同步和样值同步。当上述同步失误时，如载波失步，则将会引起载波频率偏差，子载波之间的正交性遭到破坏，从而导致严重的子载波间干扰（ICI，Inter-Carrier Inference），降低系统的误比特性能。因而精准的同步是OFDM系统正常工作的前提，也是OFDM 系统中必须解决的关键问题之一。论文针对OFDM系统中符号定时同步和载波同步展开研究具有重要的理论意义和实用价值。
论文首先介绍了OFDM的历史及应用，分析了无线衰落信道的传播特征，建立了OFDM系统的基本模型，然后分析了符号定时同步偏差、载波同步偏差和样值同步偏差对OFDM系统的影响，在此基础上仿真验证了基于循环前缀的最大似然（ML）算法、集相关算法、块相关连续符号算法，并分析了三种算法的性能。实验结果表明：ML算法具有算法实现简单，计算量小，可迅速建立同步的优点，在AWGN信道中具有良好的估计性能，但是当在多径信道中时，符号定时均方误差较大，定时位置甚至可能在数据区内，并且频偏估计精度较小；集相关算法在AWGN和多径信道中可以实现良好的符号定时和载波频偏估计，可以分辨多径信道，给出时延信息，但是算法所需的OFDM符号数较多，计算量大，不利于实现快速同步，并且不能跟踪信道的时变信息；块相关连续符号算法所需的符号数较少，计算量小，可以快速的建立起比较精确的符号定时和载波频偏估计，能够分辨多径信道，给出多径时延信息，跟踪时变信道，能够很好的应用于无线移动信道。
关键词：正交频分复用；循环前缀；符号定时；载波同步
Abstract
Orthogonal Frequency Division Multiplexing （OFDM）is a multi-carrier digital modulation technology. It breaks High-speed data streams down into many sub-low-rate data streams, and transmits information at the same time using a number of orthogonal and overlapped subcarriers. Therefore, OFDM system, which has been widely used in the mobile wireless communication systems, has advantage of high spectrum efficiency, anti-multipath capability and high data rate transmission.
The first and foremost problems that OFDM system must be addressed are symbol timing synchronization, carrier frequency synchronization and sample synchronization. When the synchronization error exists, such as carrier frequency synchronization out-of-step, it will cause the carrier frequency deviation and subcarriers orthogonality destruction, resulting in severe inter-carrier interference （ICI）and lowering the BER performance in the system. Thus accurate synchronization is a prerequisite for the normal work of OFDM system, as well as one of the key issues that OFDM systems need to be addressed. This paper which focuses on symbol timing synchronization and carrier synchronization in OFDM system has important theoretical and practical value.
In this paper, I will introduce the history and application of OFDM and fading channel characteristics of wireless transmission at first, and then give the basic model of the system, focusing on the basic principle. Then I will analyze how the deviation of symbol timing synchronization, carrier frequency synchronization and sample synchronization impacts on the OFDM system. Based on the analysis, I will simulate three algorithms based on the cyclic prefix, such as the maximum likelihood （ML）algorithm, Karthik algorithms and symbolic algorithm for block-related, and then analyze the performance of three algorithms. The experimental results show that: ML algorithm has benefits of simpleness, having a small amount of calculation and quickly establishing the synchronization. It has a good performance in AWGN channel, but when in the multi-path channel, the symbol timing synchronization has larger mean square error, timing position may even be in the data area, and frequency offset estimation is not accurate. Karthik algorithm has a good performance in symbol timing and carrier frequency offset estimation in AWGN and multipath channel. It can distinguish multi-path channel, and give time-delay information, but the algorithm
requires a few more of the OFDM symbols, and a large quantity of calculation. So it’s not conducive to the realization of fast synchronization, and can not track time-varying channel information. Symbolic algorithm for block-related algorithm requires to a small amount of OFDM symbols and calculation. It can quickly establish the more precise symbol timing and carrier frequency offset estimation, and distinguish the multi-path channel, give the multi-path delay information, and track time-varying channel. It can be very good for wireless mobile channel.
Key Words：Orthogonal Frequency Division Multiplexing；cyclic prefix；
symbol timing synchronization；carrier frequency synchronization
1 绪论
1.1 单载波与多载波通信系统
1.1.1 单载波传输系统
单载波方案通信系统如图1.1所示。图中，g(t)是匹配滤波器。该系统在数据传输速率不太高的情况下，多径效应对信号符号之间造成的干扰不是特别严重，可以通过使用合适的均衡算法使得系统能够正常工作[1]。但是对于宽带、高速率业务而言，由于数据传输速率较高产生的时延扩展会造成数据符号之间的相互交叠，从而产生了符号间的串扰（ISI, Inter-Symbol Interference ），这对均衡提出了更高的要求，需要引入复杂的均衡算法，同时必须考虑到算法的可实现性和收敛速度。从另一个角度去看，当信号的带宽超过和接近信道的相干带宽时，信道的时间弥散将会造成频率选择性衰落（frequency-selective fading ），使得同一个信号中不同的频率成分体现出不同的衰落特性。
0j t ωj t
ω-
图1.1 单载波系统基本结构
1.1.2 多载波传输系统
信道 0j t
ω-0j t ω
图1.2 多载波系统的基本结构 多载波传输通过把数据流分解为若干个子比特流，这样每个子数据流将具有
低得多的比特速率，用这样的低比特率形成的低速率多状态符号再去调制相应的子载波，从而构成多个低速率符号并行发送的传输系统。在单载波系统中，一次衰落或者干扰就可以导致整个链路失效，但是在多载波系统中，某一时刻只会有少部分的子信道会受到深衰落的影响。图1.2中给出多载波系统的基本结构示意图。
多载波传输系统中的子载波间存在3种不同的设置方案，如图1.3所示。第1种是传统的频分复用，将整个频带划分成N 个不重叠的子带，在接收端用滤波器组进行分离，这种方法的优点是简单、直接，缺点是频谱的利用率低，子信道之间要留有保护频带，而且多个滤波器的实现也有不少困难；第2种采用偏置QAM （SQAM ）技术，在3dB 处载波频谱重叠，其复合谱是平坦的，子带的正交性通过交错同相或正交子带的数据得到（即将数据偏移半个周期）；第3种方案即OFDM ，各子载波有1/2的重叠，但保证相互正交，在接收端通过相关解调技术分离出来，避免使用滤波器组，同时使频谱效率提高近一倍。
n f n
f n （a ）传统的频分复用（b ）3dB 频分复用（c ）OFDM
图1.3 子载波频率设置
1.2 OFDM 的历史及应用
OFDM 的思想最早可以追溯到20世纪50年代末期。60年代，人们对多载波调制做了许多理论上的工作，论证了在存在符号间干扰的带限信道上采用多载波调制可以优化系统的传输性能；1970年1月有关OFDM 的专利被首次公开发表；1971年，Weinstein 和Ebert [2]在IEEE 杂志上发表了用离散傅立叶变换实现多载波调制的方法；80年代，人们对多载波调制在高速调制解调器、数字移动通信等领域中的应用进行了较为深入的研究，但是由于当时技术条件的限制，多载波调制没有得到广泛的应用；90年代，由于数字信号处理技术和大规模集成电路技术的进步，OFDM 技术在高速数据传输领域受到了人们的广泛关注。
目前，OFDM已经在数字音频广播[3]（DAB）、数字视频广播[4]（DVB）、基于IEEE802. 11标准的无线本地局域网[5]（WLAN）以及有线电话网上基于现有铜双绞线的非对称高比特率数字用户线技术（例如ADSL）中得到了应用。其中大都利用了OFDM可以有效地消除信号多径传播所造成符号间干扰（ISI）的这一特征。DAB是在AM和FM等模拟广播基础上发展起来的，其中可以提供与CD相媲美的音质，以及其他的新型数据业务。1995年，由欧洲电信标准协会（ETSI）制定了DAB标准，这是第一个使用OFDM的标准。接着在1997年，基于OFDM的DVB标准也开始投入使用。在ADSL应用中，OFDM被当作典型地离散多音调制（DMT modulation）,成功地用于有线环境中，可以在1MHz 带宽内提供高达8Mbit/s的数据传输速率。1998年7月，经过多次的修改之后，IEEE802. 11标准组决定选OFDM作为WLAN（工作于5GHz波段）的物理层接入方案，目标是提供6Mbit/s～54Mbit/s的数据速率，这是OFDM第一次被用于分组业务通信当中。而且此后，ETSI、BRAN以及MMAC也纷纷采用OFDM 作为其物理层的标准[6]。此外，OFDM还易于结合空时编码、分集、干扰（包括ISI和ICI）抑制以及智能天线等技术，最大程度地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优化。
OFDM改善了前几代无线系统中的宽带、时域均衡、频谱效率等问题，开启了未来无线通信技术的大门。但是单纯依赖OFDM还不能满足后续无线发展的要求，结合OFDM技术的多天线处理、无线资源调度、自适应编码调制（AMC）、信道估计、自适应跳频等技术的研究，也是当前的热点，是未来的发展方向。多天线处理备受瞩目。随着业务量的增加，频谱资源的日趋减少，运营商投资成本日益升高，扩大蜂窝系统的容量、提高频谱效率已经是无线系统的首要问题。传统的小区分裂的方式，增加了基站的建设，是不经济的做法。多天线技术，利用空时处理，或者改善用户传输信道质量，或者增加分集增益，能大大增加频谱效率。由于OFDM本身对物理层处理的要求较低，因而使得多天线技术可以结合起来，对系统总的复杂度影响不大，也将成为新兴无线通信技术的必然模式。
1.3 无线衰落信道的传播特征
与其他通信信道相比，移动信道是最为复杂的一种。电波传播的主要方式是空间波，即直射波、折射波、散射波以及它们的合成波。再加之移动台本身的运动，使得移动台与基站之间的无线信道多变并且难以控制[7]。信号通过无线信道时、会遭受各种衰落的影响，一般来说接收信号的功率可以表达为:
()()()n P d d S d R d -= （1.1）
其中d 表示移动台与基站的距离向量，d 表示移动台与基站的距离。根据式（1.1），无线信道对信号的影响可以分为三种：
（1）电波在自由空间内的传播损耗n d
-，也被称作大尺度衰落，其中n 一
般为3～4；
（2）阴影衰落()S d ：表示由于传播环境的地形起伏、建筑物和其他障碍物对地波的阻塞或遮蔽而引发的衰落，被称作中等尺度衰落；
（3）多径衰落()R d ：由于无线电波在空间传播会存在反射、绕射、衍射等，因此造成信号可以经过多条路径到达接收端，而每个信号分量的时延、衰落和相位都不相同，因此在接收端对多个信号分量叠加时，会造成同相增加，异相减小的现象，这也被称作小尺度衰落。
图1.4清楚地说明了以上三种衰落。此外，由于移动台的运动，还会使得无线信道呈现出时变性，其中一种具体表现就是会出现多普勒频移。自由空间的传播损耗和阴影衰落主要影响到无线区域的覆盖，通过合理的设计就可以消除这种不利影响。本节主要针对无线信道的多径衰落和时变性加以讨论，对大尺度衰落和阴影衰落只作简单介绍。 1.3.1 无线信道的大尺度衰落
无线电波在自由空间内传输，其信号功率会随着传播距离的增加而减小，这会对数据速率以及系统的性能带来不利影响。最简单的大尺度路径损耗的模型可以表示为: 1r t
P L K P d γ== （1.2） 其中t P 表示本地平均发射信号功率，r P 表示接收功率，d 是发射机与接收机之间
的距离。对于典型环境来说，路径损耗指数γ一般在2到4中选择。由此可以得到平均的信号噪声比（SNR ）为： 01t r n P P SNR K P d N B
γ== （1.3） 其中0N 是单边噪声功率谱密度，B 是信号带宽，K 是独立于距离、功率和带宽
的常数。如果为保证可靠接收，要求0SNR SNR ≥，其中0SNR 表示信噪比门限，则
路径损耗会为比特速率带来限制：
00t KP B d N SNR γ≤ （1.4）
以及对信号的覆盖范围也会带来限制:
100t KP d N BSNR γ??≤ ??? （1.5）
可见，如果不采用其他特殊的技术，则数据的符号速率以及电波的传播范围都会受到很大的限制。但是在一般的蜂窝系统中，由于小区的规模相对较小，所以这种大尺度衰落对移动通信系统的影响并不需要单独加以考虑。
图 1.4 信号在无线信道中的传播特性
1.3.2 阴影衰落
当电磁波在空间传播受到地形起伏、高大建筑物的阻挡，在这些障碍物后面会产生电磁场的阴影，造成场强中值的变化，从而引起衰落，被称作阴影衰落，参见图1.4的灰色曲线。与多径衰落相比，阴影衰落是一种宏观衰落，是以较大的空间尺度来衡量的，其衰落特性符合对数正态分布。其中接收信号的局部场强中值变化的幅度取决于信号频率和障碍物状况。频率较高的信号比低频信号更加容易穿透障碍物，而低频信号比较高频率的信号具备更强的绕射能力。
1.3.3 无线信道的多径衰落
无线移动信道的主要特征就是多径传播，即接收机所接收到的信号是通过不同的直射、反射、折射等路径到达接收机，参见图1.5。由于电波通过各个路径的距离不同，因而各条路径中发射波的到达时间、相位都不相同。不同相位的多个信号在接收端叠加，同相叠加则会使信号幅度增强，而反相叠加则会削弱信号幅度。这样，接收信号的幅度将会发生急剧变化，就会产生衰落。
妨碍
图1.5 无线信号的多径传播
例如发射端发送一个窄脉冲信号，则在接收端可以收到多个窄脉冲，每一个窄脉冲的衰落和时延以及窄脉冲的个数都是不同的。对应一个发送脉冲信号，图1.6给出接收端所接收到的信号情况。这样就造成了信道的时间弥散性（time dis
τ被定义为最大时延扩展。
–persion），其中
max
在传输过程中，由于时延扩展，接收信号中的一个符号的波形会扩展到其他符号当中，造成符号间干扰（ISI）。为了避免产生ISI，应该令符号宽度要远远大于无线信道的最大时延扩展，或者符号速率要小于最大时延扩展的倒数。由于移动环境十分复杂，不同地理位置，不同时间所测量到的时延扩展都可能是不同的，因此需要采用大量测量数据的统计平均值。表1.1给出两种不同信道环境下的时延扩展值。
表1.1 不同信道环境下的时延扩展
图1.6 多径接收信号
在频域内，与时延扩展相关的另一个重要概念是相干带宽，实际应用中通常
用最大时延扩展的倒数来定义相干带宽，即: max 1
()c B τ?≈ (1.6)
从频域角度观察，多径信号的时延扩展可以导致频率选择性衰落（frequency-selective fading ），即针对信号中不同的频率成分，无线传输信道会呈现不同的随机响应，由于信号中不同频率分量的衰落是不一致的，所以经过衰落之后，信号波形就会发生畸变。由此可以看到，当信号的速率较高，信号带宽超过无线信道的相干带宽时，信号通过无线信道后各频率分量的变化是不一样的，引起信号波形的失真，造成符号间干扰，此时就认为发生了频率选择性衰落；反之，当信号的传输速率较低，信道带宽小于相干带宽时，信号通过无线信道后各频率分量都受到相同的衰落，因而衰落波形不会失真，没有符号间干扰，则认为信号只是经历了平衰落，即非频率选择性衰落。相干带宽是无线信道的一个特性，至于信号通过无线信道时，是出现频率选择性衰落还是平衰落，这要取决于信号本身的带宽。
1.3.4 无线信道的时变性以及多普勒频移
当移动台在运动中进行通信时，接收信号的频率会发生变化，称为多普勒效应，这是任何波动过程都具有的特性。以可见光为例，假设一个发光物体在远处以固定的频率发出光波，我们可以接收到的频率应该是与物体发出的频率相同。现在假定该物体开始向我们运动，但光源发出第二个波峰时，它距我们的距离应该要比发出第一个波峰的时候要近，这样第二个波峰达到我们的时间要小于第一个波峰到达我们的时间，因此这两个波峰到达我们的时间间隔变小了，与此相应我们接收到的频率就会增加。相反，当发光物体远离我们而去的时候，我们接收到的频率就要减小，这就是多普勒效应的原理。在天体物理学中，天文学家利用多普勒效应可以判断出其他星系的恒星都在远离我们而去，从而得出宇宙是在不断膨胀的结论。这种称为多普勒效应的频率和速度的关系是我们日常熟悉的，例如我们在路边听汽车汽笛的声音：当汽车驶近我们时，其汽笛音调变高(对应频率增加)；而当它驶离我们时，汽笛音调又会变低（对应频率减小）。
信道的时变性是指信道的传递函数是随时间而变化的，即在不同的时刻发送相同的信号，在接收端收到的信号是不相同的，见图1.7（a ）。时变性在移动通信系统中的具体体现之一就是多普勒频移（Doppler shift ），即单一频率信号经过时变衰落信道之后会呈现为具有一定带宽和频率包络的信号，见图1.7（b ）。这又可以称为信道的频率弥散性（frequency dispersion ）。
多普勒效应所引起的附加频率偏移可以称为多普勒频移（Doppler Shift ），可以用下式表示[8]： cos cos cos c d m vf v
f f c θθθλ=== （1.7）
其中c f 表示载波频率，c 表示光速，m f 表示最大多普勒频移，v 表示移动台的运动速度。可以看到，多普勒频移与载波频率和移动台运动速度成正比。
发送接收
1
t t =2
t t =3
t t =000（a ）
其中：（a ）表示由于多径造成的信道时变性
（b ）由于多普勒频移造成的信道频率弥散性
图1.7 无线信道的时变性示意图
当移动台向入射波方向移动时，多普勒频移为正，即移动台接收到的信号频率会增加；如果背向入射波方向运动，则多普勒频移为负，即移动台接收到的信号频率会减小。由于存在多普勒频移，所以当单一频率信号0()f 到达接收端的时候，其频谱不再是位于频率轴0f ±处的单纯δ函数，而是分布在()00,m m f f f f -+ 内的、存在一定宽度的频谱。表1.2中给出两种载波情况下（900MHz ，2GHz ）不同移动速度时的最大多普勒频移数值。
表1.2 最大多普勒频偏（Hz ）
从时域来看，与多普勒频移相关的另一个概念就是相干时间，即：
1()c m T f ?≈ （1.8）
相干时间是信道冲激响应维持不变的时间间隔的统计平均值。换句话说，相干时间就是指一段时间间隔，在此间隔内，两个到达信号有很强的幅度相关性。如果基带信号带宽的倒数，一般指符号宽度大于无线信道的相干时间，那么信号的波形就可能会发生变化，造成信号的畸变，产生时间选择性衰落，也称为快衰落;
反之，如果符号的宽度小于相干时间，则认为是非时间选择性衰落，即慢衰落。
1.4 本文的组织结构和主要工作
本文主要针对OFDM系统中基于循环前缀的符号定时和载波联合同步算法进行了研究，具体安排如下：
第一章介绍了单载波系统与多载波系统的基本原理，阐述了OFDM的历史及应用，简单的分析了无线衰落信道的传播特征。
第二章描述了OFDM的系统模型，根据此模型介绍了OFDM系统的IFFT/FFT应用、保护间隔和循环前缀等基本原理，阐述了OFDM系统的关键技术和优缺点。本章旨在为以后的仿真提供一个理论基础。
第三章分析了载波频率偏差、符号定时偏差和采样定时偏差对OFDM系统的影响，强调了同步技术在OFDM系统是必不可少的，并简单介绍了一些同步算法。
第四章鉴于符号定时和载波频偏对OFDM系统的影响，介绍了三种基于循环前缀的符号定时和载波联合同步算法，分别为ML算法[9]、集相关算法[10]和基于S长度块相关的连续符号同步算法[11]。本文对三种算法进行了理论推导和仿真验证，并在AWGN信道和多径信道中对它们的性能进行了分析比较。
第五章对全文进行总结并对下一步的研究工作进行了展望。
2 OFDM 系统的基本原理
2.1 OFDM 系统模型
正交频分复用（OFDM ）的基本原理就是把高速的数据流通过串并变换，分配到传输速率相对较低的若干个子信道中进行传输。由于每个子信道中的符号周期会相对增加，因此可以减轻由无线信道的多径时延扩展所产生的时间弥散性对系统造成的影响。并且还可以在OFDM 符号之间插入保护间隔（guard interval ），令保护间隔大于无线信道的最大时延扩展，这样就可以最大限度地消除由于多径而带来的符号间干扰（ISI ）。填充保护间隔的方法主要有空白保护间隔（即将保护间隔置为全零）和将保护间隔置入循环前缀（CP ，Cyclic Prefix ）两种方案。一般都采用循环前缀作为保护间隔，从而可以消除由多径带来的信道间干扰（ICI ）。图2.1为OFDM 的系统原理框图。图2.2[12]为OFDM 系统的信号处理过程。
图
2.1 OFDM 系统原理框图
+t
图2.2 OFDM 系统信号处理示意图
2.1.1 OFDM 发送端
如图2.1所示，发送数据经过串/并转换成为N 路低速数据流，再将这N 路数据流经过数字调制后成为复信号，通过N 点的IFFT 变换，完成多载波调制，使信号能够在N 个子载波上并行传输，然后将变换后的信号尾部的L 个抽样点复制到前部，作为循环前缀，再整合成为一个长度为N+L 的OFDM 符号。
一个OFDM 符号之内包括所有经过调制的子载波的合成信号，其中每个子载波都可以受到相移键控（PSK ）或者正交幅度调制（QAM ）符号的调制。如果N 表示子信道的个数，T 表示OFDM 符号的宽度，(0,1,,1)i d i N =- 是分配给每个子信道的数据符号，c f 是第0个子载波的载波频率，()1,/2rect t t T =≤，则从t=s T 开始的OFDM 符号可以表示为： 10
()Re{()exp[2()()]},2()0,N i s c s s s i s S T i s t d rect t T j f t T T t T T T s t t T t T T π-==--+-≤≤+=<∧>+∑ （2.1）
然而在多数文献[13]中，通常采用复等效基带信号来描述OFDM 的输出信号，见式（2.2）。其中实部和虚部分别对应于OFDM 符号的同相和正交分量，在实际中可以分别与相应子载波的cos 分量和sin 分量相乘，构成最终的子信道信号和合成的OFDM 符号。 N-1i i=0
()exp 2()2()0,s s s s s S T i s t d rect t T j t T T t T T T s t t T t T T π????=---≤≤+ ???????=<∧>+∑ ， （2.2）
2.1.2 OFDM 接收端
OFDM 接收机实际上是一组解调器，它将不同载波搬移至零频，然后在一个码元周期内积分。由于其它载波与该积分的信号正交，因此不会对这个积分结果产生影响，就可以恢复原来的信号。
OFDM 系统子载波之间的正交特性可用式（2.3）表示：
01exp()exp()T m n m n jw t jw t dt T m n
=???-=??≠??1 ，0 ， （2.3） 例如对式（2.2）中第k 个子载波进行解调，然后在时间长度T 内进行积分，即可恢复出期望符号k d ，如式（2.4）所示。
10101exp 2()exp 2()1exp 2()s s s s N t T
k s i s t i N t T i s t i k k i d j t T d j t T dt T T T i k d j t T dt T T d πππ-∧+=-+=????=--?-????????
-??=-????
=∑?∑? （2.4） 而对其他载波而言，由于在积分间隔T 内，频率差别()/i k T -可以产生整数倍个周期，所以其积分结果为零，不会对第k 个子载波有影响。
这种正交性还可以从频域来理解，矩形脉冲的频谱幅值为sin ()c fT 函数，而OFDM 符号在其周期T 内包括多个非零子载波，因此其频谱可以看作是周期为T 的矩形脉冲频谱与一组位于各个子载波载频上的δ函数的卷积[14]，见图1.3（c ）。经过矩形脉冲成型后的各个子信道的频谱相互覆盖，但在每一子载波频率的最大值处，所有其他子信道的频谱值恰好全部都为零。由于在对OFDM 符号进行解调的过程中，需要计算这些点所对应的每一子载波频谱的最大值，因此可从多个相互重叠子信道符号频谱中提取出每个子信道符号，而不受其他子信道的干扰。
2.2 OFDM 系统IFFT/FFT 的应用
傅里叶变换将时域与频域联系在一起，选择哪种形式的傅里叶变换由工作的具体环境决定。大多数信号处理使用离散傅里叶变换（DFT ）。DFT 是常规变换的一种变化形式，其中信号在时域和频域上均被抽样。由DFT 定义可知，时间上波形连续重复导致频域上频谱的连续重复。快速傅里叶变换（FFT ）仅是DFT 计算应用的一种快速数学方法，由于其高效性，使OFDM 技术发展迅速。
对于N 比较大的系统，式（2.2）中的OFDM 复等效基带信号可以采用离散傅里叶逆变换[15]（IDFT ）的方法来实现。为了叙述的简洁，可令式中0s T =，忽略矩形函数()rect t ，对信号()s t 以/T N 的抽样间隔进行抽样，即令/(0,1,,)t kT N k N == ，可得到：
1
02(/)exp ,01N k i i ik s s kT N d j k N N π-=??==≤≤-????∑ （2.5） 可以看出，k s 等效为对i d 进行IDFT 变换。同样在接收端，为了恢复出原始的数据符号i d ，可以对k s 进行逆变换，即DFT ：
1
02exp ,01N i k k ik d s j i N N π-=??=-≤≤-????∑ （2.6） 根据上述分析可以看到，OFDM 系统的调制和解调可以分别由IDFT/DFT 来代替[16]。通过N 点IDFT 运算，把频域数据符号变换为时域数据符号，经过射频
操作系统之调度算法和死锁中的银行家算法习 题答案 集团文件发布号：（9816-UATWW-MWUB-WUNN-INNUL-DQQTY-
1. 有三个批处理作业，第一个作业 10:00 到达，需要执行 2 小时；第二个作业在10:10到达，需要执行 1 小时；第三个作业在 10:25 到达，需要执行 25 分钟。分别采用先来先服 务，短作业优先和最高响应比优先三种调度算法，各自的平均周转时间是多少？解： 先来先服务： （结束时间=上一个作业的结束时间+执行时间 周转时间=结束时间-到达时间=等待时间+执行时间） 按到达先后，执行顺序：1->2->3 短作业优先： 1)初始只有作业1，所以先执行作业1，结束时间是12:00，此时有作业2和3； 2)作业3需要时间短，所以先执行； 3)最后执行作业2 最高响应比优先：
高响应比优先调度算法既考虑作业的执行时间也考虑作业的等待时间，综合了先来先服务和最短作业优先两种算法的特点。 1)10:00只有作业1到达，所以先执行作业1； 2)12:00时有作业2和3， 作业2：等待时间=12:00-10:10=110m;响应比=1+110/60=2.8； 作业3：等待时间=12:00-10:25=95m，响应比=1+95/25=4.8； 所以先执行作业3 3)执行作业2 2. 在一单道批处理系统中，一组作业的提交时刻和运行时间如下表所示。试计算一下三种 作业调度算法的平均周转时间 T 和平均带权周转时间 W。 （ 1）先来先服务；（ 2）短作业优先（ 3）高响应比优先 解： 先来先服务： 作业顺序：1,2,3,4 短作业优先： 作业顺序：
一、先来先服务算法 1．程序简介 先来先服务算法按照作业进入系统后备作业队列的先后次序挑选作业,先进入系统的作业将优先被挑选进入主存,创建用户进程,分配所需资源,然后,移入就绪队列.这是一种非剥夺式调度算法,易于实现,但效率不高.只顾及作业的等候时间,未考虑作业要求服务时间的长短,不利于短作业而优待长作业,不利于I/O繁忙型作业而有利于CPU繁忙型作业.有时为了等待场作业执行结束,短作业的周转时间和带全周转时间将变得很大,从而若干作业的平均周转时间和平均带权周转时间也变得很大。 2．分析 1．先定义一个数组代表各作业运行的时间，再定义一个数组代表各作业到达系统的时间，注意到达系统的时间以第一个作业为0基础（注意：若各程序都同时到达系统，则到达系统时间都为0）。 2．输入作业数。 3．然后运用循环结构累积作业周转时间和带权周转时间。 4．最后，作业周转时间和带权周转时间分别除以作业数即可得到平均作业周转时间和平均带权周转时间。 3．详细设计 源程序如下： #include
操作系统第三章总复习题 一、单选题 1、进程调度又称低级调度，其主要功能是（ D ）。 A．选择一个作业调入内存B．选择一个主存中的进程调出到外存 C．选择一个外存中的进程调入到主存D．将一个就绪的进程投入到运行 2、若进程P 一旦被唤醒就能够投入运行，系统可能为（ D ）。 A．分时系统，进程P 的优先级最高 B．抢占调度方式，就绪队列上的所有进程的优先级皆比P 的低 C．就绪队列为空队列 D．抢占调度方式，P 的优先级高于当期运行的进程。 3、一个进程P 被唤醒后,（ D ）。 A．P 就占有了CPU。B．P 的PCB 被移到就绪队列的队首。 C．P 的优先级肯定最高D．P 的状态变成就绪 4、若当前运行进程（）后，系统将会执行进程调度原语。 A 执行了一个转移指令 B 要求增加主存空间，经系统调用银行家算法进行测算认为是安全的。 C 执行了一条I/O 指令要求输入数据。 D 执行程序期间发生了I/O 完成中断。 5、当系统中（）时，系统将不会执行进程调度原语。 A．一个新进程被创建B．当前进程执行了P 操作。C．在非抢占调度中，进程A 正在运行而进程B 恰好被唤醒。D．分时系统中时间片用完。 6、在分时系统中，若当期运行的进程连续获得了两个时间片，原因可能是（）。 A 该进程的优先级最高 B 就绪队列为空 C 该进程最早进入就绪队列 D 该进程是一个短进程 7、实时系统中采用的调度算法可以有如下几种： 1、非抢占优先权调度算法 2、立即抢占优先权调度算法 3、时间片轮转调度算法 4、基于时钟中断抢占的优先权调度算法 按实时要求的严格程度由低到高的顺序（）。 A 1-3-2-4 B 3-1-4-2 C 3-1-2-4 D 1-3-4-2 8、三种主要类型的OS 中都必须配置的调度（）。 A 作业调度 B 中级调度 C 低级调度 D I/O 调度 9、设系统中n 个进程并发，共同竞争资源X，且每个进程都需要m 个X 资源，为使该系统不会发生死锁，资源X 最少要有（ C ）个。 A m*n+1 B n*m+n C n*m+1-n D 无法预计 10、死锁的预防方法中，不太可能的一种方法使（）。
操作系统实验报告(进程调度算法)
实验1 进程调度算法 一、实验内容 按优先数调度算法实现处理器调度。 二、实验目的 在采用多道程序设计的系统中，往往有若干个进程同时处于就绪状态。当就绪进程个数大于处理器数时，就必须依照某种策略来决定哪些进程优先占用处理器。本实验模拟在单处理器情况下的处理器调度，帮助学生加深了解处理器调度的工作。 三、实验原理 设计一个按优先数调度算法实现处理器调度的程序。 (1) 假定系统有五个进程，每一个进程用一个进程控制块PCB来代表，进程控制块的格式为： 进程名 指针 要求运行时 间 优先数
状态 其中，进程名——作为进程的标识，假设五个进程的进程名分别为P1，P2，P3，P4，P5。 指针——按优先数的大小把五个进程连成队列，用指针指出下一个进程的进程控制块的首地址，最后一个进程中的指针为“0”。 要求运行时间——假设进程需要运行的单位时间数。 优先数——赋予进程的优先数，调度时总是选取优先数大的进程先执行。 状态——可假设有两种状态，“就绪”状态和“结束”状态。五个进程的初始状态都为“就绪”，用“R”表示，当一个进程运行结束后，它的状态为“结束”，用“E”表示。 (2) 在每次运行你所设计的处理器调度程序之前，为每个进程任意确定它的“优先数”和“要求运行时间”。 (3) 为了调度方便，把五个进程按给定的优先数从大到小连成队列。用一单元指出队首进程，用指针指出队列的连接情况。例： 队首标志 K2
1P1 K 2 P2 K 3 P3 K 4 P4 K 5 P5 0 K4K5K3K1 2 3 1 2 4 1 5 3 4 2 R R R R R PC B1 PC B2 PC B3 PC B4 PC B5 (4) 处理器调度总是选队首进程运行。采用动态改变优先数的办法，进程每运行一次优先数就减“1”。由于本实验是模拟处理器调度，所以，对被选中的进程并不实际的启动运行，而是执行： 优先数-1 要求运行时间-1 来模拟进程的一次运行。 提醒注意的是：在实际的系统中，当一个进程被选中运行时，必须恢复进程的现场，让它占有处理器运行，直到出现等待事件或运行结束。在这里省去了这些工作。
1 填空题 1 若采用短作业优先调度策略，作业单道串行运行时的调度次序为J1,J3,J2 ，平均周转时间= 8 。 2．进程间通信的类型有：基于内存通信、基于文件通信、基于网络通信和基于报文传递通信。 3．在响应比最高者优先的作业调度算法中，当各个作业等待时间相同时，运行时间短作业将得到优先调度；当各个作业要求运行的时间相同时，等待时间长得到优先调度。 4.有三个同时到达的作业J1，J2和J3，它们的执行时间分别是T1，T2和T3，且T1 第三章处理机调度与死锁 1，高级调度与低级调度的主要任务是什么？为什么要引入中级调度？ 【解】（1）高级调度主要任务是用于决定把外存上处于后备队列中的那些作业调入内存，并为它们创建进程，分配必要的资源，然后再将新创建的进程排在就绪队列上，准备执行。（2）低级调度主要任务是决定就绪队列中的哪个进程将获得处理机，然后由分派程序执行把处理机分配给该进程的操作。（3）引入中级调度的主要目的是为了提高内存的利用率和系统吞吐量。为此，应使那些暂时不能运行的进程不再占用宝贵的内存空间，而将它们调至外存上去等待，称此时的进程状态为就绪驻外存状态或挂起状态。当这些进程重又具备运行条件，且内存又稍有空闲时，由中级调度决定，将外存上的那些重又具备运行条件的就绪进程重新调入内存，并修改其状态为就绪状态，挂在就绪队列上，等待进程调度。 3、何谓作业、作业步和作业流？ 【解】作业包含通常的程序和数据，还配有作业说明书。系统根据该说明书对程序的运行进行控制。批处理系统中是以作业为基本单位从外存调入内存。作业步是指每个作业运行期间都必须经过若干个相对独立相互关联的顺序加工的步骤。 作业流是指若干个作业进入系统后依次存放在外存上形成的输入作业流；在操作系统的控制下，逐个作业进程处理，于是形成了处理作业流。 4、在什么情冴下需要使用作业控制块JCB？其中包含了哪些内容？ 【解】每当作业进入系统时，系统便为每个作业建立一个作业控制块JCB，根据作业类型将它插入到相应的后备队列中。 JCB 包含的内容通常有：1) 作业标识2)用户名称3)用户账户4)作业类型（CPU 繁忙型、I/O芳名型、批量型、终端型）5)作业状态6)调度信息（优先级、作业已运行）7)资源要求8)进入系统时间9) 开始处理时间10) 作业完成时间11) 作业退出时间12) 资源使用情况等 5．在作业调度中应如何确定接纳多少个作业和接纳哪些作业？ 【解】作业调度每次接纳进入内存的作业数，取决于多道程序度。应将哪些作业从外存调入内存，取决于采用的调度算法。最简单的是先来服务调度算法，较常用的是短作业优先调度算法和基于作业优先级的调度算法。 7．试说明低级调度的主要功能。 【解】（1）保存处理机的现场信息（2）按某种算法选取进程（3）把处理机分配给进程。 8、在抢占调度方式中，抢占的原则是什么？ 【解】剥夺原则有：（1）时间片原则各进程按时间片运行，当一个时间片用完后，便停止该进程的执行而重新进行调度。这种原则适用于分时系统、大多数实时系统，以及要求较高的批处理系统。（2）优先权原则通常是对一些重要的和紧急的作业赋予较高的优先权。当这种作业到达时，如果其优先权比正在执行进程的优先权高，便停止正在执行的进程，将处理机分配给优先权高的进程，使之执行。（3）短作业（进程）优先原则当新到达的作业（进程）比正在执行的作业（进程）明显地短时，将剥夺长作业（进程）的执行，将处理机分配给短作业（进程），使之优先执行。 9、选择调度方式和调度算法时，应遵循的准则是什么？ 【解】应遵循的准则有（1）面向用户的准则：周转时间短，响应时间快，截止时间的保证，优先权准则。（2）面向系统的准则：系统吞吐量高，处理机利用率好，各类资源的平衡利用。 10、在批处理系统、分时系统和实时系统中，各采用哪几种进程（作业）调度算法？ 【解】 批处理系统：FCFS算法、最小优先数优先算法、抢占式最小优先数优先算法 2 分时系统：可剥夺调度、轮转调度 实时系统：时间片轮转调度算法、非抢占优先权调度算法、基于时钟中断抢占的优先权调度算法、立即抢占的优先权调度。 11、何谓静态和动态优先权？确定静态优先权的依据是什么？ 【解】静态优先权是在创建进程时确定的，且在进程的整个运行期间保持不变。动态优先权是指，在创建进程时所赋予的优先权，是可以随进程的推进或随其等待时间的增加而改变的，以便获得更好的调度性能。确定静态优先权的依据是：（1）进程类型，通常系统进程的优先权高于一般用户进程的优先权。（2）进程对资源的需要。（3）用户要求，用户进程的紧迫程度及用户所付费用的多少来确定优先权的。 12、试比较FCFS和SPF两种进程调度算法。 【解】FCFS算法按照作业提交或进程变为就绪状态的先后次序，分派CPU。当前作业或进程占有CPU，直到执行完或阻塞，才让出CPU。在作业或进程唤醒后，并不立即恢复执行，通常等到当前作业或进程让出CPU。FCFS比较有利于长作业，而不利于短作业；有利于CPU繁忙的作业，而不利于I/O繁忙的作业。SPF有利于短进程调度，是从就绪队列中选出一估计运行时间最短的进 数字通信系统中的载波同步技术研究 一、引言 在数字通信系统中解调方式可以决定数字调制系统的性能。载波恢复是数字通信系统中一个必不可少的部分，补偿了信号在传输过程中造成的频偏损害且跟踪相位。 二、载波同步信号的性能要求 载波同步系统的主要性能指标是精度、效率、相位抖动、同步建立时间等。 （一）精度 精度是指提取载波与需要的载波标准比较，相位误差应该尽量小。 （二）效率 效率指获取载波信号的过程中尽量少消耗发送功率。载波同步追求的是高效率。 （三）同步建立时间ts 同步建立时间是指从开机或失步到同步所需要的时间。为了使同步建立的更快载波同步系统要求ts越小越好。 三、频偏及载波相位误差对数字通信系统的影响 对双边带信号设，是提取的相干载波，解调器滤波后输出低频信号m’(t)为（1） 如果提取的相干载波与输入载波没有相位差，即 =0， =1，则解调输出，这时信号幅度最大。若存在相位误差，因为 <1，解调后输出信号幅度下降，信噪比下降倍，因此会使误码率增加。对2psk信号当信噪比下降倍时，这时误码率将会变为 （2） 对于单边带解调和残留边带解调而言，相位误差不仅会使信噪比下降，而且在解调器输出中会产生原基带信号的正交项，使基带信号发生畸变，这种影响将随增大而严重。 （3） 在数字通信系统中因为发送端和接收端的本振时钟不一致，用在载频和中频上的射频振荡器的频率不确定性也会引起大的频偏，不同频偏时相邻符号间不仅有固定的相位差变化，而且还会随着时间的变化额外加上某个不确定相位。星座图上表现出来的就是星座图不是在固定的几个点而是随着时间变化在旋转。 图1是用matlab工软件仿真的不同频率偏移时 -dqpsk通信系统的误码率曲线。从图1可以看出频率偏移也会导致 -dqpsk通信系统在检测时误比特率(ber)性能变差，频偏对通信系统的误码率的影响很大，为此必须在接收端补偿这个频偏，这就需要进行载波恢复，评价接收机性能的重要标准之一就是载波提取性能的好坏，为了保证信息的可靠传输，对载波相位偏移以及频率偏移的估计方法的研究具有重要意义。 目录 目录 ........................................................ 错误!未定义书签。1．课程设计目的.............................................. 错误!未定义书签。 编写目的................................................. 错误!未定义书签。2．课程设计内容.............................................. 错误!未定义书签。 设计内容................................................. 错误!未定义书签。3．课程设计方案.............................................. 错误!未定义书签。 模块划分................................................. 错误!未定义书签。 模块调用关系图........................................... 错误!未定义书签。 子模块程序流程图......................................... 错误!未定义书签。4．测试数据和结果............................................ 错误!未定义书签。 测试数据................................................. 错误!未定义书签。 测试结果................................................. 错误!未定义书签。 测试抓图................................................. 错误!未定义书签。5．参考文献.................................................. 错误!未定义书签。6．总结...................................................... 错误!未定义书签。 设计体会................................................. 错误!未定义书签。 结束语................................................... 错误!未定义书签。7．程序使用说明书............................................ 错误!未定义书签。8．程序源代码................................................ 错误!未定义书签。 课程设计 采用短作业优先调度算法调度程序 学号： 姓名： 专业： 指导老师： 日期： 目录 一、实验题目 (3) 二、课程设计的目的 (3) 三、设计内容 (3) 四、设计要求 (3) 五、主要数据结构及其说明 (4) 六、程序运行结果 (5) 七、流程图 (7) 八、源程序文件 (9) 九、实验体会 (13) 十、参考文献 (13) 摘要 在多道程序环境下，主存中有着多个进程，其数目往往多于处理机数目。这就要求系统能按某种算法，动态地把处理机分配给就绪队列中的一个进程，使之执行。分配处理机的任务是由处理机调度程序完成的。由于处理机是最重要的计算机资源，提高处理机的利用率及改善系统性能（吞吐量、响应时间），在很大程度上取决于处理机调度性能的好坏，因而，处理机调度便成为操作系统设计的中心问题之一。 在多道程序系统中，一个作业被提交后必须经过处理机调度后，方能获得处理机执行。对于批量型作业而言，通常需要经历作业调度和进程调度两个过程后方能获得处理机。作业调度是对成批进入系统的用户作业，根据作业控制块的信息，按一定的策略选取若干个作业使它们可以去获得处理器运行的一项工作。而对每个用户来说总希望自己的作业的周转时间是最小的，短作业优先（SJF）便是其中一种调度方法。本次课程设计主要是模拟短作业优先(SJF)调度算法。 一、实验题目 采用短作业优先算法的的进程调度程序 二、课程设计的目的 操作系统课程设计是计算机专业重要的教学环节，它为学生提供了一个既动手又动脑，将课本上的理论知识和实际有机的结合一起，独立分析和解决实际问题的机会。 进一步巩固和复习操作系统的基础知识。 培养学生结构化程序、模块化程序设计的方法和能力。 提高学生调试程序的技巧和软件设计的能力。 提高学生分析问题、解决问题以及综合利用C语言进行程序设计的能力。 三、设计内容 设计并实现一个采用短作业优先算的进程调度算法演示程序 四、设计要求 1. 每一个进程有一个PCB，其内容可以根据具体情况设定。 2. 进程数、进入内存时间、要求服务时间、优先级等均可以在界面上设定 3. 可读取样例数据（要求存放在外部文件中）进行进程数、进入内存时间、时间片长度、进程优先级的初始化 4. 可以在运行中显示各进程的状态：就绪、执行（由于不要求设置互斥资源与进程间同步关系，故只有两种状态） 5. 采用可视化界面，可在进程调度过程中随时暂停调度，查看当前进程的状态以及相应的阻塞队列 保证调度算法 基本思想:向用户做出明确的性能保证,然后去实现它.如你工作时有n个用户的登录,则你将获得cpu处理能力的1/n 算法实现:跟踪计算各个进程已经使用的cpu时间和应该获得的cpu时间,调度将转向两者之比最低的进程 五,保证调度算法 思想:向用户做出明确的性能保证,然后去实现它. 算法:容易实现的一种保证是:当工作时己有n个用户登录在系统,则将获得CPU处理能力的1/n.类似的,如果在一个有n个进程运行的用户系统中,每个进程将获得CPU处理能力的1/n. 实现方法:OS应记录及计算,各个进程在一定时间段内,已经使用的CPU时间和应该得到的CPU时间,二者之比小者优先级高. 5. 保证调度 一种完全不同的调度算法是向用户作出明确的性能保证，然后去实现它。一种很实际并很容易实现的保证是：若用户工作时有n个用户登录，则用户将获得CPU处理能力的1/n。类似地，在一个有n个进程运行的单用户系统中，若所有的进程都等价，则每个进程将获得1/n的CPU时间。看上去足够公平了。 为了实现所做的保证，系统必须跟踪各个进程自创建以来已使用了多少CPU时间。然后它计算各个进程应获得的CPU时间，即自创建以来的时间除以n。由于各个进程实际获得的CPU时间是已知的，所以很容易计算出真正获得的CPU时间和应获得的CPU时间之比。比率为0.5说明一个进程只获得了应得时间的一半，而比率为2.0则说明它获得了应得时间的2倍。于是该算法随后转向比率最低的进程，直到该进程的比率超过它的最接近竞争者为止。 彩票调度算法 基本思想:为进程发放针对系统各种资源(如cpu时间)的彩票;当调度程序需要做出决策时,随机选择一张彩票,持有该彩票的进程将获得系统资源 合作进程之间的彩票交换 六,彩票调度算法 彩票调度算法: 为进程发放针对各种资源(如CPU时间)的彩票.调度程序随机选择一张彩票,持有该彩票的进程获得系统资源. 彩票调度算法的特点: 平等且体现优先级:进程都是平等的,有相同的运行机会.如果某些进程需要更多的机会,可被给予更多彩票,增加其中奖机会. 易计算CPU的占有几率:某进程占用CPU的几率,与所持有的彩票数成正比例.该算法可实现各进程占用CPU的几率. 响应迅速 各个进程可以合作,相互交换彩票. 容易实现按比例分配如图象传输率,10帧/s,15帧/s,25帧/s 技术研发TE C H N O LO G Y A N D M A R K ET V〇1.23,N〇.12,2016通信系统中同步技术的类型与实现方法 彭宇 (平江第一中学，湖南平江41500) 摘要：同步属于通信系统的重要部分，其性能直接影响着通信系统的运行效果，如果同步技术不到位，会影响整个通信系统的稳定性。主要针对通信系统中常用的同步技术的类型与实现方法进行分析。 关键词：通信系统；同步技术；类型；实现方法 doi：10. 3969/j.issn.1006 -8554.2016. 12.070 〇引言 同步技术对于通信系统运行的影响非常大。在各类因素的影响下，通信时收发双方需要设置在不同的地点，要想同一步调地进行工作，就需要利用通信系统的同步技术来完成。同步系统性能的好坏会直接影像整个通信系统的运行效率，如果性能不佳，甚至会给整个系统带来瘫痪性后果。同步技术有很多的种类，本文是对整个通信系统进行研究分析，讲述同步技术的方法、性能和原理及对系统性能的影响等，从而对同步技术有一个较完整和全新的认识。 1同步技术的类型和基本原理 1.1功能分类 按功能划分，同步技术主要包括载波同步、位同步、群同步和网同步几种类型。载波同步技术在通信中频带的传输采用长距离传输方式，而基带传输是短距离采用的传输方式，因此通信系统主要通过发送端来进行调制。信号中的接收调制载波与本地的载波信号达到同频同相，获取的本地载波就是载波同步。位同步技术又可以称之为元同步，它是数字通信系统中特殊存在的一种同步技术，位同步的产生是基于基带传输和频带传输的需要。所有消息在数字通信系统中都是通过位同步传送的，这是取样判决的基础。 在数字通信中，字是组成信息流的基本单位，首先字是由多个码元所形成，然后再由多个字形成句。对于多路信号而言，各路正确的信号是由接收端区分的，利用发送端的合路规律进行分路。每群头尾的标记是在数字信息流中发送端插人一些特殊码组，帮助接收端正确的分离各路信号，因此，这一技术又被称为群同步。此外，在社会的发展下，同步技术开始实现与网络通信技术的融合，网络通信是现代通信的一种手段，在通信中有很多种通信和信息传递的设备，各种不同的信息码流是通过设备产生和传送的。建立一个统一协调的系统，其目的就是将低速数字流合并成调整数字进，避免信息丢失，让整个网络系统工作能够顺利的完成。 1.2 实现分类 按照实现类型来分类，同步技术可以分为外同步法和自同步法。在外同步法中，同步信息是由专门的发送端发送，由于在传送的信息并不在导频范围内，所以其频率和功率也受到了限制。第二种方法是自同步法:专门同步的信息将不会被发送端传送出来，但是为了得到专门同步的信息，接收端会从接收到的信号中进行收集。自同步法工作效率高，抗干扰性强，但是，与外同步法相比，该种方式的接收端更加的复杂，增加了成本。 2同步技术的实现方法 目前，最为常用的方法是自同步法，采用该种方式，整个功率和带宽分配都可以通过其进行信号传输，有着广泛的应用空间，载波同步和位同步中也广泛采用了这种方法;此外，自同步 法也是群同步的采用方法，其核心内容包括几个方面:①在自 同步法中，平方变换法、同相正交环法和平方环法是自同步下 载波同步的三个组成部分，在将不直接包含载波的信号进行非 线性变换后，即可提取载波。②自同步法的主要方法就是滤波 法与锁相环法，其中，锁相环法需要在鉴相器后加数字滤波器，这样可以有效解决位同步的抖动问题。③网同步也是自同步 法的一个重要内容，由准同步、主从同步以及相互同步三种组成，准同步这种方法非常的繁琐，其运营效果关系到通信网整 体的状态和运行的状况，此外，准同步还需要保持自身时钟设 置的稳定性，确保设备自身时钟与其他设备是同步的，并将滑 码控制在规定的范围内。 3同步技术的性能指标 影响同步技术性能指标的因素多样化，为了判定这一技术 的有效性，一般采用几个性能指标进行评估:①精度、效率、同 步保持时间和同步时间是载波同步的性能指标。②相位误差、同步立时间、保持时间及同步带宽等是同步的性能指标。③群 同步的性能指标与载波同步、位同步有着很大的不同，它的性 能指标包括假同步概率、漏同步概率和平均建立时间等，正确 或错误是群同步的两种状态，两者必定会有一个存在。④时间 间隔误差、最大时间间隔误差、时延和频率准确度等是网同步 的性能指标。 4结语 同步系统对于通信系统的正常运行影响是非常大的，为了 充分发挥同步系统的作用，需要采取科学的措施提升其有效性，不断创新其理论与技术，就目前来看，我国学者已经针对同 步系统展开了深人的研究，各类专用性集成软件与多用软件已 经在市场上得到推广。但是，在科技的日新月异的发展下，通 信系统也针对同步系统提出了更高的要求，我们需要不断的进 行创新，进一步提升同步技术的稳定性。 参考文献： [1]商贺，谭志良.基于System Generator的跳频通信系统 LMS干扰对消算法实现[J].军械工程学院学报，2016 (3). [2]向春枝，崔艳.跳频通信系统的异常跳变故障检测模型仿 真[J].计算机仿真，2014(10). [3]谢轲，陈建行，高留洋，等.应用灰关联评估方法分析跳频 通信系统[J].现代电子技术，2013(7). [4]鄢茂林，蒋子刚，涂卫红.跳频通信同步信息传输的抗干 扰策略[J].电讯技术，2〇09(4). 118 江南大学现代远程教育第二阶段练习题 考试科目:《操作系统》第5章至第7章（总分100分） ______________学习中心（教学点）批次：层次： 专业：学号：身份证号： 姓名：得分： 一、名词解释（12分） 1、死锁 2、逻辑地址 3、物理地址 4、地址重定位 二、试举例说明死锁？（6分） 三、采用静态资源分配预防死锁时，有哪些缺点？（6分） 四、有序资源分配法破坏的是产生死锁必要条件中的什么条件？（5分） 五、作业调度和进程调度的任务各是什么？（6分） 六、进程调度的时机有哪几种？（5分） 七、为什么要进行逻辑地址到物理地址的转换？（6分） 八、某系统的进程状态变迁图如图所示（该系统的进程调度方式为非剥夺方式），请说明： （20分） （1）一个进程发生变迁3的原因是什么？发生变迁2、变迁4的原因又是什么？ （2）下述因果变迁是否会发生，如果有可能的话，在什么情况下发生？ （3）（a）2→1；（b）3→2；（c）4→5；（d）4→2；（e）3→5 （4）根据此状态变迁图叙述该系统的调度策略、调度效果。 九、在单道批处理系统中，有下列三个作业用先来先服务调度算法和最短作业优先调度算法 进行调度，哪一种算法调度性能好些？请完成下表中未填写的各项。（8分） 十、 分区分配方法中的主要缺点是什么？如何克服这一缺点？（6分） 十一、 如图，主存中有两个空白区，现有这样一个作业序列： 作业1 要求50KB 作业2 要求60KB 作业3 要求70KB 若用首次适应算法和最佳适应算法来处理这个作业序列，试问哪一种算法可以分配得下，为什么？（10分） 十二、 选择填空题（10分） 1、死锁的四个必要条件是__________、不剥夺条件、__________和环路条件。 2、在分区存储管理中，最佳适应算法要求对空闲区表项按( )进行排列。 A.地址从大到小 B.地址从小到大 C.尺寸从大到小 D.尺寸从小到大 3、进程调度又称为（ ） A 、线程 B 、宏观 C 、微观 D 、作业 4、段式存储管理中的地址格式是（ ）地址。 A ．线性 B ．一维 C ．二维 D ．三维 参考答案 一、 名词解释 015KB 25KB 操作系统之调度算法和死锁中的银行家算法习题答案 1. 有三个批处理作业，第一个作业 10:00 到达，需要执行 2 小时；第二个作业在 10:10 到达，需要执行 1 小时；第三个作业在 10:25 到达，需要执行 25 分钟。分别采用先来先服务，短作业优先和最高响应比优先三种调度算法，各自的平均周转时间是多少？ 解： 先来先服务： （结束时间=上一个作业的结束时间+执行时间周转时间=结束时间-到达时间=等待时间+执行时间） 按到达先后，执行顺序：1->2->3 作业到达 时间 结束 时间 等待 时间 执行 时间 周转 时间 平均周 转时间 1 10:00 12:00 0m 120m 120m 156．7m 2 10:10 13:00 110m 60m 170m 3 10:25 13:25 155m 25m 180m 短作业优先： 1)初始只有作业1，所以先执行作业1，结束时 间是12:00，此时有作业2和3； 2)作业3需要时间短，所以先执行； 3)最后执行作业2 作业到达 时间 结束 时间 等待 时间 执行 时间 周转 时间 平均周 转时间 1 10:00 12:00 0m 120m 120m 145m 3 10:25 12:25 95m 25m 120m 2 10:10 13:25 135m 60m 195m 最高响应比优先： 高响应比优先调度算法既考虑作业的执行时间也考虑作业的等待时间，综合了先来先服务和最短作业优先两种算法的特点。 1)10:00只有作业1到达，所以先执行作业1； 2)12:00时有作业2和3， 作业2：等待时间=12:00-10:10=110m;响应比=1+110/60=2.8； 作业3：等待时间=12:00-10:25=95m，响应比=1+95/25=4.8； 所以先执行作业3 3)执行作业2 作业到达 时间 结束 时间 等待 时间 执行 时间 周转 时间 平均周 转时间 1 10:00 12:00 0m 120m 120m 第四章处理机调度 4.3 习题 4.3.1 选择最合适的答案 1．某系统采用了银行家算法，则下列叙述正确的是（）。 A.系统处于不安全状态时一定会发生死锁 B.系统处于不安全状态时可能会发生死锁 C.系统处于安全状态时可能会发生死锁 D.系统处于安全状态时一定会发生死锁 2．银行家算法中的数据结构包括有可利用资源向量Available、最大需求矩阵Max、分配矩阵Allocation、需求矩阵Need，下列选项正确的是（）。 A.Max[i,j]=Allocation[i,j]+Need[i,j] B.Need[i,j]= Allocation[i,j]+ Max[i,j] C.Max[i,j]= Available[i,j]+Need[i,j] D.Need[i,j]= Available[i,j]+ Max[i,j] 3．下列进程调度算法中，（）可能会出现进程长期得不到调度的情况。 A.非抢占式静态优先权法 B.抢占式静态优先权法 C.时间片轮转调度算法 D.非抢占式动态优先权法 4．在下列选项中，属于预防死锁的方法是（）。 A.剥夺资源法 B.资源分配图简化法 C.资源随意分配 D.银行家算法 5．在下列选项中，属于检测死锁的方法是（）。 A.银行家算法 B.消进程法 C.资源静态分配法 D.资源分配图简化法 6．在下列选项中，属于解除死锁的方法是（）。 A．剥夺资源法 B.资源分配图简化法 C．银行家算法 D.资源静态分配法 7．为了照顾紧迫型作业，应采用（）。 A.先来服务调度算法 B.短作业优先调度算法 C.时间片轮转调度算法 D.优先权调度算法 8．在采用动态优先权的优先权调度算法中，如果所有进程都具有相同优先权初值，则 操作系统课程设计任务书 题目: 磁盘调度算法 院系: 专业: 班级: 姓名: 学号: 指导教师: 设计时间：2018.1.1-2018.1.5 指导教师评语 目录 1、需求分析?4 1．１课题描述 (4) １．2课题目的 (4) 1．3理论依据?7 2、概要设计?8 2.1设计方法 ............................................................................................... ８２.2技术?8 ２.3运行环境?8 3、详细设计?9 3.１流程图 (11) 3.２程序主要代码? 13 14 ４、运行结果及分析? ４.1运行结果? 15 ４.2结果详细分析?6 １ 16 5、总结和心得? ７ 1 6、参考文献? 2 7、附录：程序源代码? ３ １、需求分析 1.1课题描述 这次课程设计我研究的题目是:磁盘调度算法。具体包括三种算法分别是:先来先服务算法（ＦCFS)、最短寻道时间优先算法(ＳＳＴF)、扫描算法（电梯调度算法)(SCAN）。 1.2课题目的 通过这次实验，加深对磁盘调度算法的理解，进一步掌握先来先服务ＦＣＦS,最短寻道时间优先SSＴF,扫描ＳCＡN算法的实现方法。 １.3理论依据 设备的动态分配算法与进程调度相似，也是基于一定的分配策略的。常用的分配策略有先请求先分配、优先级高者先分配等策略。在多道程序系统中,低效率通常是由于磁盘类旋转设备使用不当造成的。操作系统中，对磁盘的访问要求来自多方面，常常需要排队。这时，对众多的访问要求按一定的次序响应，会直接影响磁盘的工作效率，进而影响系统的性能。访问磁盘的时间因子由3部分构成，它们是查找（查找磁道)时间、等待（旋转等待扇区)时间和数据传输时间,其中查找时间是决定因素。因此，磁盘调度算法先考虑优化查找策略,需要时再优化旋转等待策略。 平均寻道长度（L)为所有磁道所需移动距离之和除以总的所需访问的磁道数(N），即：L=(M1+Ｍ２+……+Mi＋……+MN)/N 操作系统上机测试作业调度算法算法 一、实验目的和要求（供参考） 1.掌握作业调度功能和调度程序常用算法。 2.掌握利用C语言设计实现不同调度策略的作业调度算法。 3.验证不同作业调度算法对性能的影响。 二、实验环境（供参考） 1.知识准备：学过进程管理、作业管理、处理机调度等章节的内容。 2.开发环境与工具： 硬件平台——个人计算机。 软件平台——C语言开发环境。 三、实验内容 用“先来先服务（FCFS）”算法和“最短作业优先（SJF）”算法模拟作业调度。 要求：按作业的到达顺序输入各作业需要的运行时间，按算法调度输出平均周转时间。 例如(FCFS)，输入：8（到达时间0），5（到达时间2），7（到达时间3），1（到达时间6）J1 J2 J3 J4 0 8 13 20 21 输出：aver=(8+(13-2)+(20-3)+(21-6))/4=51/4 例如(SJF)，输入：8（到达时间0），5（到达时间2），7（到达时间3），1（到达时间6）J1 J4 J2 J3 0 8 9 14 21 输出：aver=(8+(9-6)+(14-2)+(21-3))/4=42/4 注：输入的格式任意，只要输出平均周转时间即可。 四、代码（带注释） 1、先来先服务 实验结果（截图呈现） 代码： #include 操作系统 实验报告 哈尔滨工程大学 计算机科学与技术学院 第六讲磁盘调度算法 一、实验概述 1. 实验名称 磁盘调度算法 2. 实验目的 （1）通过学习EOS 实现磁盘调度算法的机制，掌握磁盘调度算法执行的条件和时机； （2）观察EOS 实现的FCFS、SSTF和SCAN磁盘调度算法，了解常用的磁盘调度算法； （3）编写CSCAN和N-Step-SCAN磁盘调度算法，加深对各种扫描算法的理解。 3. 实验类型 验证性+设计性实验 4. 实验内容 （1）验证先来先服务（FCFS）磁盘调度算法； （2）验证最短寻道时间优先（SSTF）磁盘调度算法； （3）验证SSTF算法造成的线程“饥饿”现象； （4）验证扫描（SCAN）磁盘调度算法； （5）改写SCAN算法。 二、实验环境 在OS Lab实验环境的基础上，利用EOS操作系统，由汇编语言及C语言编写代码，对需要的项目进行生成、调试、查看和修改，并通过EOS应用程序使内核从源代码变为可以在虚拟机上使用。 三、实验过程 1. 设计思路和流程图 （1）改写SCAN算法 在已有SCAN 算法源代码的基础上进行改写，要求不再使用双重循环，而是只遍历一次请求队列中的请求，就可以选中下一个要处理的请求。算法流程图如下图所示。 图 3.1.1 SCAN算法IopDiskSchedule函数流程图 （2）编写循环扫描（CSCAN）磁盘调度算法 在已经完成的SCAN算法源代码的基础上进行改写，不再使用全局变量ScanInside确定磁头移动的方向，而是规定磁头只能从外向内移动。当磁头移动到最内的被访问磁道时，磁头立即移动到最外的被访问磁道，即将最大磁道号紧接着最小磁道号构成循环，进行扫描。算法流程图如下图所示。 图 3.1.2 CSCAN算法IopDiskSchedule函数流程图 （3）编写N-Step-SCAN磁盘调度算法 在已经完成的SCAN 算法源代码的基础上进行改写，将请求队列分成若干个长度为N 的子队列，调度程序按照FCFS原则依次处理这些子队列，而每处理一个子队列时，又是按照SCAN算法。算法流程图如下图所示。 #include cout<<"请输入提出磁盘I/O申请的进程数:"; cin>>N; cout<<"请依次输入要访问的磁道号："; for(int i=0;i计算机操作系统课后习题答案第三章(第四版)
数字通信系统中的载波同步技术研究
操作系统+磁盘调度算法
操作系统短作业优先调度算法
几种操作系统调度算法
通信系统中同步技术的类型与实现方法
操作系统第2阶段练习题
操作系统之调度算法和死锁中的银行家算法
操作系统原理第四章 处理机调度习题
操作系统磁盘调度算法
操作系统作业调度算法
操作系统实验 第五讲 磁盘调度算法
操作系统磁盘调度算法(C++)
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