（通信与信息系统专业论文）宽带卫星通信系统中的ofdm同步技术.pdf

摘要 摘要 宽带卫星通信己成为当前通信的新热点之一，未来的通信是建立在宽带基础上的多媒体 通信。宽带卫星通信易受下雨等大气干扰影响，信道特性较差，且频谱资源紧张。正交频分 复用( o f d m ) 技术具有抗多径衰落，频谱利用率高等优点，适合于在宽带卫星通信这种无 线环境下进行高速传输。本文重点研究o f d m 系统中的同步技术，及基于突发式宽带卫星通 信的同步方案的设计。 本文对宽带卫星通信信道特性进行了介绍，并提出本文仿真的信道模型。本文在简要介 绍了o f d m 的基本原理、关键技术的基础上，针对同步问题进行了深入研究。首先分析了同 步偏差中的频率偏差、符号定时偏差及采样时钟偏差对系统性能的影响。接着针对本文所采 用的突发式传输系统，对几种经典的同步算法进行了分析，研究及改进。 对于s c h m i d l s e c o x 的小数频偏估计，提出一种削弱噪声影响的训练序列的设计方法，并 对频偏估计取滑动平均。针对s c h m i d l & c o x 的整数频偏估计的原理，对判决量进行分析，改 进判决量来提高估计性能，并节省了符号开销。对于s c h r a i d l & c o x 的定时算法通过对p n 序 列的加权来获得尖锐的相关峰值。针对基于p n 训练序列的定时算法，提出一种对p n 序列的 预处理方案来获得尖锐的相关峰值，从获得所有径能量的角度出发，在多径衰落条件下获得 优于原算法的频偏估计性能。对m o o s e 算法和基于导频序列的算法中参数对同步性能的影响 进行分析和仿真，基于s c h m i d l & c o x 整数频偏估计算法的改进思想，给出由m o o s e 算法而来 的一种整数频偏估计的改进算法。 本文还设计了基于0 f d m 的突发式宽带卫星通信的一整套同步方案，根据对前述算法的 仿真比较，给出帧格式。分别从帧检测、符号定时、频偏估计及相位跟踪等方面介绍整个系 统的同步过程。文中还比较了理想同步与非理想同步情况下系统的性能。 关键词：宽带卫星通信，正交频分复用，定时估计，频偏估计，同步 a b s l r a c t a b s t r a c t b r o a d b a n d s a t e l l i t em o b i l ec o m m u n i c a t i o np a y sa l li m p o r t a n tr o l ei nm o d e mw i r e l e s s c o l t u n u n i c a t i o nf i e l d ，b u ti th a ss ol i m i t e df r e q u e n c yr e s o u r c e ，a n di se a s i l ya f f e c t e db yc i r c u m s t a n c e c o n d i t i o ns u c ha sr a i n t h u sc a nb es u p p r e s s e db yn o n i d e a le h a n l l e l c h a r a c t e r i s t i c s o r t h o g o n a l f r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x ( o f d m ) i ss u i t a b l ef o rb r o a d b a n d s a t e l l i t em o b i l ec o m r n u n i c a t i o n s y s t e mw i t ht h ea d v a n t a g eo fr o b u s t n e s st om u t i p a t ha n dh i g hb a n d w i d t he f f i c i e n c y i nt h i st h e s i s a no f d mb a s e db r o a d b a n d s a t e l l i t es y s t e mi ss t u d i e d e m p h a s i z i n gp a r t i c u l a r l yo nt h e s y n c h r o n i z a t i o nt e c h n o l o g i e s t l l i st h e s i sd e s c r i b e st h ec h a n n e lc h a r a c t e r i s t i c so f b r o a d b a n d - s a t e l l i t ec o m m u n i c a t i o ns y s t e ma n d e s t a b l i s h e sc u r r e n tc h a n n e ls i m u l a t i o nm o d e l f o l l o w i n gt h ei n l r o d u c t i o no f t h eb a s i cp r i n c i p l eo f o f d m ，s o m en o n i d e a le f f e e t so nt h ep e r f o r m a n c eo fo f d m s y s t e m sa r ed i s c u s s e d s u c ha sc a r r i e r f r e q u e n c yo f f s e t ，s y m b o lt i m i n go f f s e ta n ds a m p l i n gc l o c kd e v i a t i o n t h e ns y n c h r o n i z a t i o n t e c h n o l o g i e sa r ea n a l y z e di nm o r ed e t a i l ，a n ds o m et y p i c a lo f d ms y n c h r o n i z a t i o ns c h e m e sa r e s t u d i e da n di m p r o v e d a f t e ri n v e s t i g a t i n gs y n c h r o n i z a t i o ns c h e m ep r o p o s e db ys c h m i d l & c o x a ns p e c i a l t r a i n i n g s e q u e n c e sw i t hg o o da u t oc o r r e l a t i o nc h a r a c t e r i s t i c sa n dl e s sa f f e c t e db yn o i s ea r ep u tf o r w a r d ，t h u s i m p r o v es y m b o lt i m i n ga n df l o a tf r e q u e n c ys y n c h r o n i z a t i o np e r f o r m a n c et h r o u g ha v e r a g e p r o c e s s a n d am o r ee f f e c t i v e i n t e g r a lf r e q u e n c ys y n c h r o n i z a t i o ns c h e m eb ym o d i f yt h e a d j u d g e m e n ta l s oi sp r o p o s e d a st h ep n s e q u e n c eb a s e ds c h e m e , an o v e la l g o r i t h mu t i l i z i n ga l lt h e c h a n n e lt a p sp o w e ri sp r o v i d e d t h i st h e s i sa l s os t u d i e ds y n c h r o n i z a t i o ns c h e m e sb a s e do np i l o t s s y m b o l sa n das c h e m ep r o p o s e db ym o o s e ，m e a n w h i l e ，s o m em o d i f i e dp o i n t sa sa b o v eh a v eb e e n p u tf o r w a r d b e s i d e s , t h ew h o l es y n c h r o n i z a t i o ns c h e m e sf o r t h eo f d mb a s e db r o a d b a n d - s a t e l l i t e c o m m u n i c a t i o ns y s t e ma r ed e s i g n e d t h r o u g hs i m u l a t i o na n dc o m p a r i n g ，a p p r o p r i a t e s y n c h r o n i z a t i o ns c h e m e sf o rf r a m ed e t e c t i o n , s y m b o lt i m i n g ，f r e q u e n c yo f f s e te s t i m a t i o na n dp h a s e t r a c k i n g a r ed i s c u s s e d s e p a r a t e l y , a n dt h es y s t e mp e r f o r m a n c e sw i 协i d e a la n dn o n i d e a l s y n c h r o n i z a t i o na r ec o m p a r e d k e yw o r d s ：b r o a d b a n d s a t e l l i t em o b i l ec o m m u n i c a t i o n ，o f d m ，t i m i n ge s t i m a t i o n ，f r e q u e n c y o f f s e te s t i m a t i o n ，s y n c h r o m z a t i o n 东南大学学位论文独创性声明 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 洲弓 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生躲立扯导师魏重盎墓日期：噬尘。 第】章绪论 第1 章绪论 随着现代通信技术、微电子技术、计算机技术和多媒体技术的迅速发展，人们对业务的需求， 由原来单一的电话、电视、窄带数据发展为包括话音，图像、文本、视频和数据的多媒体业务，其 主要特征是需要带宽大，各种媒体所需要的服务等级和质量需求是不一样的。虽然地面宽带网络技 术日新月异地迅猛发展，但是它只能让经济发达、人口密集的城市地区的人们享受到宽带服务，而 在有些人口不很密集的地区，可以利用卫星来配合陆地通信，以期取得良好效果。在这些地区散布 着范围较广但不密集的用户，可以利用卫星作为用户连至固定有线网的接入设施。在陆地通信网已 经构成宽带多媒体通信网的环境下。利用卫星建成宽带卫星接入( b s a ，b r o a d b a n ds a t e l l i t e a c c e s s ) 系统被认为是较好而切合实际的方案，既经济又可靠。可以认为，新一代卫星系统是为了提供个人 电信服务，与上一代卫星网络的最大区别是现在的业务由低速业务及话音业务变为i n t e r n e t 和多媒体 业务。【i 1 2 】 1 1 宽带卫星通信概述 自1 9 6 5 年西方国家成功地发射了第一颗国际商用通信卫星至今，卫星通信已经历了4 0 多年的 发展历程，在无线通信的历史上写下了崭新的一页，成为现代化的通信手段之一。由于卫星通信具 有通信距离远、费用与通信距离无关、覆盖面积大、不受地理条件限制、通信频带宽、传输容量大、 适于多种业务传输、可进行多址通信、通信线路稳定可靠、通信质量高，以及既可为固定终端又可 为车载、船载、机载、和个人终端提供通信等一系列特点，几十年来获得了迅速的发展，成为现代 强有力的通信手段之一 随着国际上3 g 业务的不断成熟和发展，我国在3 g 上的步伐也将加快。对于时延要求低以及具 有广播组播，多播性质的高速数据业务( 如宽带数据传输、多媒体广播、因特网宽带接入、卫星远程 应用、多媒体交互业务等) 来说，卫星具有极大的优越性。 宽带卫星通信又称为宽带数据卫星通信或无线多媒体通信，是利用卫星作为中继站转发高速率 宽带业务数据，在两个或多个地球站之间进行的通信，且地球站的天线尺寸可以与当前的卫星电视 直播接收天线相比拟的新一代通信卫星。宽带卫星通信不仅是对宽带地面通信有益的补充，而且较 之宽带地面通信具有其独特的性能和优势，诸如通信距离远、覆盖范围广、机动灵活、通信线路稳 定可靠、传输质量高等特性 卫星通信的可用频谱资源很有限，建设宽带网必然要采用更高频率。由于k a 频段具有可用带宽 宽，干扰少，设备体积小的特点，因此，k a 频段卫星通信系统可为高速卫星通信提供一种崭新的手 段。国际上大多数建议采用的宽带卫星系统都运行在这个波段上。尽管与以往的c 波段卫星模拟通 信相比，使用较高频率的l ( 1 l 波段及先进的数字压缩技术，大大提高了通信效率，尤其是在数据、视 频传输方面，k u 波段提供了更加方便可靠的传输手段，但k u 频段的应用已经非常拥挤，故计划中 的宽带卫星通信网基本是采用j 【a 频段。 目前约为2 0 个ka ( ku ) 波段l e 伽o ，g e o ( 根据卫星运行轨道距地面的高度，可分为地 球静止轨道( g e o ) 、中轨道( m e o ) 、低轨道( l e o ) 、和长椭圆轨道( h e o ) ) 宽带卫星通信系统， 这些系统主要用于多信道广播、i n t e r a c t 和i n t r a n e t 的远程传送以及作为地面多媒体通信系统的接 入手段，成为实现全球无缝个人通信、 n t e r n e t 空中高速通道必不可少的手段。 东南大学硕士学位论文 1 2 宽带卫星接入的各种形式 为了让地面上众多用户能够共同使用卫星通信，每一用户终端( u t ，u s e rt e r m i n a l ) 各自设置 小型的地面站，并安装对准卫星方向的天线。用户如欲与同一卫星所属的远地对方用户互相通信， 在发信时可以通过用户终端和地面站连往高空的卫星，构成上行线路以发送通信信号。卫星发射连 往对方用户地区的射线，可以把始发用户的叫话信号传给对方用户，构成下行线路，使对方的用户 终端收到。对方用户回发的信号，则经过同一卫星由相反方向到达原来用户，实现双方互通的会话 通信。 相仿地，陆地固定通信网经营者设置地面站，向卫星发送和从卫星接收各用户的通信信号。但 这些地面站内各有网关( g a t e w a y ) 设备连接通信网经营者，或经过互联网( i n t e m e t ) 连接通信网经 营者。另外，每一个这样的卫星网应该有主控制站( m c s ，m a s t e rc o n t r o ls t a t i o n ) ，它与高空卫星 有直接联系。 任一用户发信时，他的信息信号从其地面站射向卫星，这属于上行通路。卫星内部设置适当的 交换设备，可按发信人的意图，选一个通路从卫星传向对方用户的地面站，这就属于下行通路。这 样，任一地上用户每次使用通信，只需要一个上行的卫星通路和一个下行的卫星通路，但要求卫星 内部设置适当的交换处理设备，称为星上处理( o b p ，o n - b o a r dp r o c e s s i n g ) 。这样的星上设备主要 作用是变换频率和相应放大，没有调制解调。 图1 1 宽带卫星系统示意图 1 3 宽带卫星通信面临的问题 1 3 1 雨衰 卫星通信的电波在传播中要受到损耗，其中最主要的是自由空间传播损耗，它占损耗的大部分 其它损耗还有大气、雨、云、雪、雾等造成的吸收和散射损耗等。目前，宽带卫星系统已采用k a 频段( 1 8 g h z - - 3 0 g h z ) ，而k a 波段传播特性受降雨衰耗的影响较大。但是从实验和实际应用的结 果来看，采用自适应功率控制( 用于上行) 和自适应数字编码( 用于下行) 可以解决这个问题。如 n a s a 的a c t s 采用了r s 码和卷积码级联，晴朗天气情况下，其误比特率可达到1 0 1 2 ，有雨衰的 情况下，至少9 9 的时间可以达到1 矿“。 2 盐 第1 章绪论 1 3 2q o s 问题 电信网络中的q o s 标准通常包括带宽、吞吐量、实时性、主观质量和费用。把话音和数据业务 扩展到多媒体和宽带应用、把固定网络扩展到移动网络、把地面网络扩展到卫星网络时，对系统组 件的管理就变得更为复杂。为了获得并保持期望的q o s ，应进行控制和监督，即q o s 管理技术。这 些技术不但用于交互式通信的开始( 静态功能) ，也用于交互通信的过程( 动态功能) 。静态功能包 括对q o s 要求的定义、协商、接入控制及资源预留，而对实际所提供的q o s 的测量、整理、保持、 重新协商、匹配和同步，则属于动态功能。在a t m 卫星网络中，采用星上处理技术并把多路i p 数 据合并为单条v c 时，q o s 管理器就把i p 业务数据按等级划分开，以充分利用带宽。 1 3 3 信道条件较差 宽带卫星系统要求在较差的信道条件( 较大延迟、较高比特差错率) 下传输高速数据这就要 求有高效率的编解码技术和调制解调技术，以满足多媒体业务的q o s 要求。从编码的整体性能及 最优解码方案的复杂性两个方面来综合考虑，宽带卫星信道的编码倾向于采用t u r b o 码、乘积码 ( p r o d u c tc o d e ) 和通用链接码( g e n e r a l i z e dc o n c a t e n a t e dc o d e ) ，但是在复杂度和性能方面难以兼顾。由 于宽带多媒体业务质量要求的不同，信道编码需要采用速率可变的差错控制编码。可变速率的差错 保护可采用t u r b o 串行方案加联合卷积码的方法、非平衡差错保护( u e p ) 和块检测。另外利用信源和 信道的联合编码可以提高系统整体性能。 对于宽带卫星通信系统，由于其特有的信道特性、星上载荷对于设备复杂度及功率上的要求、频 带的要求等，使得其所使用的数字调制方式必然有其特殊性。宽带卫星通信系统中无线信道为非平坦 性的，频谱资源受限。随着人们对卫星通信数据速率的要求日益提高，频谱资源问题也日益突出 在普通的频分复用系统中，为了避免相邻频道间频谱的混叠，通常要在频带间加入保护间隔，造成 频谱利用率低。而o f d m 作为一种正交多载波传输方式，频谱利用率高，接近于n y q u i s t 速率；有效 的克服码问干扰( i s i ) ，易于实现大容量高速率宽带传输：采用较短的甚至单抽头的均衡器即可完 成信道估计，并通过各子载波问联合编码能够快速有效的对付频率选择性衰落；基于时域和频域二 维引导信息可以更快的完成多普勒频移捕获和跟踪，从而实现系统快速同步；由于采用快速傅立叶 变换，故发送和接收相对容易。近几年来，国外不少机构如希腊空间和遥感研究院等开始研究在l e o 系统中采用o f d m 来实现高速可靠传输的可能性。目前已经取得了一些积极的成果。可以说采用 o f d m 进行宽带卫星的高速数据传输已经成为卫星通信技术的发展趋势。o f d m 技术的难点之一是 它对系统的同步要求，特别是突发状态下传输的符号时间恢复问题。 i ao f d m 简介 1 4 1o f d m 的发展历史 o f d m 技术的历史，追溯于1 9 6 6 年贝尔实验室的r w c h a n g 写的一篇关于多信道传输带限正 交信弓的文章【3 】。他提出了。种在线性带限信道实现无信道闻下| 扰 i c e i n t e ! - c h a n n c l i m e r f c r e n e e ) 和无符号间干扰( i s i ：i n t e rs y m b o li n t e r f e r e n c e ) 的多信道传输的方法：将频谱划分成若干个子信道， 各子信道之间保持正交，并可以相互重叠，可充分利用频谱资源。在各个子信道上并行传输数据， 降低数据传输速率以消除l s l 。但当时o f d m 系统的结构非常复杂，收发信机需要大量的子载波振 荡器组及相干解调器，代价昂贵，限制了o f d m 技术的进一步推广。 1 9 7 1 年，w e i s t e i n 和e b e r t 【4 1 把离散傅立叶变换( d f t ) 应用到并行传输系统中，作为调制和 解秽过程的一部分，从而大大简化了系统的处理过程，为o f d v 的演进做出了巨大的贡献。并提出i 东南大学硕士学位论文 了通过插入一段空白区作为保护间隔来消除符号间干扰( i s i ) ，但不能保让经过多径信道后，各子 载波之间的正交性。 1 9 8 0 年，a p e l e d 和a r u l z 5 提出了循环前缀( c p ) 的概念，他们不是在符号间插入空白的保 护间隔，而是插入o f d m 符号的周期扩展。这样使信道和传送符号问的线性卷积近似成循环卷积， 当循环前缀长度大于信道冲激响应长度时，子载波间仍保持良好的正交性，但循环前缀的使用会造 成一定程度的能量的损失。 自从2 0 世纪8 0 年代以来，o f d m 已经在数字音频广播( d a b ) 、数字视频广播( d v b ) 、基于 i e e e8 0 2 1 1 标准的无线本地局域网( w l a n ) 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a d s l ) 中得到了应用。显然，o f d m 作为一项高频带利用率和抗多径干 扰的通信技术正在受到广泛的重视。正因为o f d m 潜在的多径对抗能力，且可以灵活地和其他接入 方式结合成衍生系统，所以o f d m 已经被列为第四代移动通信系统的一种候选方案，用来实现超过 2 m b p s 的移动无线多媒体和数据通信。 1 a 2o f d m 主要优缺点 近年来，o 兀) m 系统已经越来越得到人们的关注，其主要原因在于o f d m 系统存在如下的主要 优点： ( 1 ) 带宽利用率很高。【6 】在传统的并行传输系统中，整个带宽经分割后被送到子信道中，各子信 道频带间严格分离，接收端通过带通滤波器虑除带外的信号来接收每个子信道上的数据，频谱利用 率低。而o f d m 系统中由于各个子载波之问存在正交性，允许子信道的频谱相互混叠，因此与常规 的频分复用系统相比，o f d m 系统可以最大限度的利用频谱资源。当子载波个数很大时，系统的频 谱利用率趋于2 b a u d h z 。 ( 2 ) 把高速数据流通过串并转换，调制到每个子载波上进行并发传输，使得每个子载波上的数据 符号持续长度相对增加，有效地减小由于无线信道的时间弥散所带来的i s i 。此外，o f d m 采用了循 环前缀技术【7 】，即将o f d m 符号的后几个样值复制到o f d m 符号的前面，有效的抵抗多径衰落的 影响。减小了接收机内均衡的复杂度，甚至可以不采用均衡器。 ( 3 ) 各个子信道的正交调制和解调可以通过离散傅立叶反交换( i i n v e r s ed i s c r e t ef o u r i e r t r a n s f o r m ) 和离散傅立叶变换( d f t ，d i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o r m ) 的方法来实现。在子载波数很大的情 况下，可以通过采用快速傅立叶变换( f f l ) 来实现。近年来，随着大规模集成电路和d s p 技术的发 展，h 叮和i f f t 技术都非常容易实现，进一步推动了o f d m 技术的发展。 ( 4 ) 无线数据业务一般都存在非对称性，即下行链路中传输的数据量要远远大于上行链路中的数 据量。另一方面，移动终端功率一般比较小，传输速率较低，而基站恰恰相反。因此无论从用户数 据业务的使用要求，还是从移动通信系统自身的要求考虑，都希望物理层支持非对称高速数据传输， 而o f d m 系统可以很容易地通过使用不同数量的子信道来实现上行和下行链路中不同的传输速率。 o f d m 系统由于采用了正交多载波技术，因此与单载波系统相比存在如下缺点： ( 1 ) 对同步误差十分敏感，o f d m 子信道的频谱相互混叠，信号的解调是通过f f t 变换实现的， 要求各个子载波之间保持正交，才能解调得到每一路数据。而无线信道具有多径时变特性，在传输 过程中出现的无线信号频谱偏移或发射机与接收机本地振荡器之间存在的频率偏差，都会破坏子载 波间的正交性，引起严重的子信道间干扰( i c i ，i n t e r - c h a n n e li n t e r f e r e n c e ) ，每个子载波上的数据都 将受到其余多个子载波上数据的干扰，解调性能迅速恶化。同步问题是本文具体阐述的问题。 ( 2 ) 峰值平均功率比( p a p r ) 较高。o f d m 系统的输出是多个子信道信号的叠加，输出信号的 包络起伏很丈，当多个信号的相位致时，所得到的叠加信号的瞬时功率就会远远大于信号的平均一 4 第1 章绪论 功率，导致出现较大的峰值平均功率比。当峰值平均功率比较大时，要求发射机内放大器具有很大 的线眭动态范围。如果放大器的动态范围不能满足信号的变化，则会引起信弓畸变，导致各个子信 道信号之间的正交性遭到破坏，使系统性能恶化。f 8 1 1 9 提出通过预编码的方法，使各子载波间的传 输信息相互关联，以达到降低p a p r 的目的。1 1 0 】提出了限幅法，当然还有别的一些方法，如编码和 调制相结合的方法，选择性映射的方法等，这些方法虽然都有一定的效果，但迄今为止仍然没有一 种很好的解决方法可以兼顾性能和复杂度问题。 1 5 论文主要研究问题及章节安排 本文主要的任务是研究宽带卫星通信系统中的o f d m 技术，侧重于系统中的同步技术，提出了 基于o f d m 调制技术的宽带卫星通信系统中的同步方案，并给出了相应的性能分析。 论文的内容安排如下： 第一章绪论介绍了目前宽带卫星移动通信及o f d m 技术的发展状况，也即本课题的研究背景。 讨论了宽带卫星通信中存在的问题，o f d m 技术应用于宽带卫星通信中的必要性，o f d m 技术的优 缺点。 第二章介绍了无线信道的特点以及本文适用的无线信道模型。 第三章介绍了o f d m 系统基本原理及构成，讨论了各种非理想同步因素，如频率偏差，符号 定时偏差，采样时钟偏差对o f d m 系统性能的影响。 第四章深入研究经典o f d m 同步算法，从削弱噪声影响，增强训练序列的自相关特性，利用 所有径能量，对判决量的分析等角度提出改进算法。 第五章设计基于o f d m 的宽带卫星通信中的同步方案，分别从帧检测、符号定时、频偏估计 及相位跟踪等方面介绍了整个系统的同步过程。 第六章总结与展望 5 第2 章宽带卫星通信的信道特件 第2 章宽带卫星通信的信道特性 电波在移动环境中传输时，途经建筑物、树林等时受到阻挡被衰减，这种阴影遮蔽对陆地移动 卫星系统的电波传播影响很大。电波经反射、散射、饶射，到达接收天线时，已成为通过各个路径 到达的合成波，即多径传播模式。各传播路径分量的幅度和相位各不相同，这些多径信号相互迭加 就形成了衰落。电波多径传播对于数字信号传输有特殊的影响，包括角度扩展、频率扩展和时延扩 展。 2 1 角度扩展一空间选择性衰落 角度扩展包括接收端的角度扩展和发射端的角度扩展。接收端的角度扩展是指多径信号到达天 线阵列的到达角度的展宽。同样，发射端的角度扩展指的是由多径的反射和散射引起的发射角展宽。 由于角度扩展，接收信号产生空间选择性衰落，也就是说，接收信号幅值与天线的空间位置有关。 如图( 2 1 ) 所示 空问选择性衰落用相干距离来描述。相干距离定义为两根天线上的信道响应保持强相关的最大 空间距离。相干距离越短，角度扩展越大；反之，相干距离越长，则角度扩展越小。 信号强度 信号强度 图2 1 角度扩展造成空问选择性衰落 2 2 频率扩展一时问选择性衰落 当卫星与用户终端之间、卫星与基站之间、卫星与卫星之间存在相对运动时，接收端收到的发 射端载频发生频移。即多普勒效应引起的跗加频移，称之为多普勒频移。多普勒频移对采用相关解 调的数字通信危害较大。 椭圆轨道多普勒频移的表达式无法用公式表发达，现给出圆轨道的多普勒频移表达式： 7 查要奎量望主兰竺堡塞 晚= f v c v = c 。s 叫n 口一面惫磁c 。s 厶c 。s 晓c 。s 口 ( 2 1 ) 口：a r c t a i l 卜4 3 0 8 2 万 式( 2 1 ) 中：v r 是卫星指向地面终端的速度，即路径长度交化率，h 是圆轨道高度，蜓是地球 半径，是开普勒常数。= 3 8 9 6 0 1 5 8 x 1 0 。 矿s 2 ，包为仰角，厶为终端纬度，z 为载波频率。 c 为光速。蛎= 厂一正，f 为接收频率。 在多径环境中，衰落信号的频率随机变化称为随机调频。对于移动台来说，由于周围物体的反 射，其多径接收信号的入射角都不全相同。假设移动台天线为全向天线，路径数较大，且不存在直 达径，则可认为多径波均匀来自各个方向，入射角a 服从。一2 ，r 的均匀分布，来自口与口之间的电 波有相同的多普勒频移，使接收信号的频率为 l = l c + k c a 由式( 2 2 ) 可见，虽然发射频率为正，但接收信号的频率确扩展到以一厶到五+ 厶范围，这 就是多普勒频展。时间选择性衰落信号的幅度变化符合瑞利分布，通常称为瑞利衰落。瑞利衰落随 时间急剧变化，又被称为“快衰落”，衰落最快时为每秒2 y 旯次。但瑞利衰落的中值场强只产生比 较平缓的变化，故称为“慢衰落”。如图( 2 2 ) 所示。 最大多普勒频展宽度厶的倒数定义为相干时间疋。相干时间表征的是时变信道对信号的衰落 节拍，而这种衰落是由于多普勒效应引起的。在时间间隔t 之内，信道可以认为是不变的。 信号谱密度信号强度 图2 2 频率扩展导致时间选择性衰减 8 跞 第2 章宽带卫星通信的信道特性 2 3 时延扩展一频率选择性衰减 固定卫星业务系统的总传播路径延迟，在很大稃度上取决于卫星的高度以及采用单跳还是多次 跳接构成的卫星线路。地球站与卫星站间单向传输延迟时间为： r = 厅礓面畦 亿。) 式( 2 3 ) 中r = r r + h ，h 是卫星的高度，啦是地球的等效半径，c 是光速，口是卫星方向和地球站 间的地球球心的张角。当卫星处于地球球项上方时，延迟最小，即： 2 矗 o 。= 一 ( 2 4 ) f 当卫星处于地球站可看见的地平线上时，延迟最大，即： t m 。= 2 h l c 订函而( 2 5 ) 在多径传播条件下，接收信号会产生时延扩展。当发射端发送一个极窄的脉冲信号占( f ) 时，由 于不同路径的传播距离不一样，信号沿各个路径到移动台的时间也就不同，接收信号r o ) 由不同时 延的脉冲组成，可表示为 r ( f ) = ( f ) 即一乙( f ) 】 ( 2 6 ) h 这里口。( f ) 是第 条路径的反射系数，f 。( f ) 是第一条路径的时延。最后一个可分辨的延时信号与第一 个延时信号到达时间之差为最大时延扩散，记作。由于时延的扩展，接收信号中一个码元的波形 会扩展到其他码元周期中，引起码问串扰。 与时延扩展有关的一个重要概念是相干带宽。通常用最大时延的倒数来定义相干带宽。对于移 动信道来说，当信号带宽小于相干带宽时，发生非频率选择性衰落，即传输后，信号中各频率分量 所遭受的衰落是一致的，因而衰落信号的波形不失真。当信号带宽大于相干带宽时，发生频率选择 性衰落，即传输信道对信号中不同频率分量有不同的随机响应，所以衰落信号波形将产生失真。 一般来说，窄带信号通过移动信道会引起平坦衰落，而宽带扩频信号将引起频率选择性衰落。 如图( 2 3 ) 所示。 佶号强度 信号姑密度 图2 3 时延扩展导致频率选择性衰减 9 东南大学硕士学位论文 2 4 信道数学模型 移动卫星信道属于线性时变信道，它的冲击响应随时间变化而变化。 假设信道传输的信号表示为： s ( o = a ( t ) c o s 2 r r f 。t + p ( r ) 】= r e s ，( ，) p 2 ”正) ( 2 7 ) 其中s ，( r ) 表示发送信号的等效基带信号。 接收信号表示为： r ( f ) = ( o s t 一，( f ) 】+ 聆( f ) ：之 q ( t ) e - j 2 圳s ，【f f ，o ) e j 2 畋r ) + n ( r ) 2 固 接收信号的等效基带信号可以表示为： r a t ) = 口f o 弦一。2 矾加j ， 1 - - , f ( f ) 】+ k o ) + 力，o ) ( 2 9 ) 其中，盯，( r ) 表示尹路径的衰落系数，( f ) 表示一路径的时延，h ( ，) 表示加性噪声。这里的口，( f ) 和f 。( r ) 都是时变函数。 我们可以定义函数： h ( r ，f ) = 口，o 弦1 2 叽州。研f 一l ( r ) 】 ( 2 1 0 ) 这样，接收信号的等效基带信号可以表示为： _ ( ) 2 【。矗( f ，) s ，( 1 - - l ) 如+ 唑! ：丝q ) z ( f ) 从等式中，我们可以看到衰落信道可等效看作是一个时变参数的滤波器，其等效基带冲激响应 为h ( r ，r ) 【1 1 】。 2 5 卫星移动信道的概率模型 卫星移动信道传播特性的概率分布模型【2 】用到了以下三种无线电波传播描述中常用的概率密度 函数：r a y l e i g h ，r i c i a n 和l o g n o r m a l ，并且基于某些物理原因在分析过程中将进行适当组合。r a y l e i g l l ， r i e i a n 用于描述多径效应，l o g n o r m a l 用于描述阴影遮蔽作用。 2 5 1r i c i a n 密度函数 由建筑物、树木或其它反射物造成的反射形成的多径信号，与直视波信号z 合成，用户接收信 号r ( f ) 的信号幅度服从莱斯分布，相位服从【o ，2 石】均匀分布。，( r ) = 石i 万_ i 尹i ：灭万，x 为 莱斯因子，d 。( r ) 、q ( f ) 为正交的高斯过程。其信号包络，的分布为r i c i a n ，即概率密度函数为： 1 0 第2 章宽带卫星通信的信道特性 f , c 咖砉e x p 【_ 等h ( 多 盯是电压的标准差，盯2 是平均多径功率，厶( ) 是第一类零阶修正贝赛尔函数。 2 5 2 r a y l e i g h 密度函数 t 2 1 2 ) r a y l e i g h 密度是r i c i a n 分布的特殊情况，即当没有直视分量( z = 0 ) 时，接收信号全部由多 径信号组成，其信号幅度服从瑞利分布，相位服从【o ，2 f f 垧黼。，( f ) = 、= i 万丽。其信 号包络，的概率密度函数为； f a ，) - 考侧一刍 2 5 3l o g n o r m a l 密度函数 ( 2 1 3 ) - 0 星与地面站之间的直射信号被路边的树木或其它障碍物吸收或散射掉时，阴影效应出现。此 时的电压变量是由于阴影而成为l o g n o r m a l 的，其信号幅度服从对数高斯莱斯分布，相位服从【o ，2 万】 均匀分布。随机变量电压，的概率密度函数为： 肌) = 习菰1 侧一生茅】 ( 2 蝴 其中声和成分别是l n r 的均值和方差。 c l o o 提出的部分阴影【1 2 】模型认为：接收信号由直视( l o sl i n eo fs i g h t ) 分量与多径分量之 和组成，阴影只作用于l o s 分量，它服从对数正态分布；多径分量是r a y l e i g h 分布的。l o s 分量传 播的两种极限情况是1 1 3 1 ：在电波传输方向上没有障碍物或电波完全被阻挡，分另0 对应于开阔地区和 城市环境。介于两者之间的情况则对应于乡村郊区环境，即l o s 信号受到树木的部分阻挡。 2 6 城市环境信道仿真 在城区环境下，移动终端和卫星之间的直线几乎完全被阻挡，因此城区电波能量的传播可能完 全靠杂散。终端可以收到各方向上的信号，而它们的幅度和相位都是随机变化的，即接收信号的包 络是r a y l e i g h 分布的。本文将针对城区环境进行信道建模及仿真。 常用的信道仿真模型主要是j a k e s 方法 1 4 和s m i t h 方法【1 5 】两种。s m i t h 方法是对独立的正态 分布随机序列作离散傅里叶变换，然后将得到的序列经过一个数字滤波器。而j a k e s 方法是将多个独 立同分布的复指数随机序列叠加。我们将在下文重点阐述j a k e s 方法在我们系统仿真中的应用。 j a k e s 算法是一种广泛应用的确定性仿真算法。算法将多个独立同分布的复指数随机过程叠加生 成复高斯随机过程。假设有个等强度的反射波到达移动j 收端。如果足够大，那么根据中心极 限定理我们可以认为，由多个反射波叠加得到的入射波满足复高斯分布。 l l 东南大学硕士学位论文 这种仿真方法可以由0 个低频振荡器产生频率为0c o s ( 2 7 r n n ) 。仿真模型如图( 2 4 ) 所示。 利用一定的三角关系，可以用增益为2 c o s f l 和2 s i n 的放大器来产生合适的相角。每个振荡器的 输出来产生合适的相角。每个振荡器的输出加在一起首先产生同相的t 和正交的t 的频带信号，然 后将它们分别与同相和正交的载波吐相乘，就可以得到最后的输出信号y ( t ) 。即 y ( f ) = t ( r ) c o s q ，+ x , ( t ) s i n 吐， 虬 一 t ( f ) = 2 c o s 成c o s 吲+ 2g o s t t c o s o ) d l n = l n o t ( f ) = 2 s i n 成c o s 6 0 t + , f 2 s i n a c o s r 式中= 2 丌厶，峨= 哟c 。s 等，0 = 三( 鲁一1 ) ，尾为在【o ，2 万) 上均匀分布的随机相位。 ( 2 1 5 ) y ( t ) 是以致为中心的窄带信号，具有瑞利衰落特性其自相关函数近似为山( 翻0 f ) ，频谱为 s ( d 2 习季丽1 尹 图2 4j a k e s 信道模型仿真结构图 ( 2 1 6 ) 本文仿真使用的信道模型一个是a w g n 信道，另一个是指数瑞利衰落模型【1 6 】，信道冲激响应 幅度服从瑞利分布，相位服从均匀分布，平均功率服从指数衰落。该模型反映了现实环境中的一种 特殊情况，即反射体产生的多径长度依次递增。该模型多径时延分布如下所示： p ( f ) = ( 1lr d ) e x p ( 一与 白 1 2 ( 2 1 7 ) 第2 章宽带卫星通信的信道特性 上式表明乃完全表征了该模型的多径延时分布。对于指数模型，平均附加时延f = o ) ( r n s ，延时 扩展毋= r a 。 2 7 本章小结 宽带卫星通信的信道在通信系统的分析设计中有着重要的意义。本章首先介绍了多径衰落主要 表现出的三类特性( 如时间选择性、频率选择性和空间选择性) 。接着讨论了卫星移动信道的概率模 型：信号包络可能服从r a y l e i g h ，r i c i a n 和l o g n o r m a ! 分布。本文将针对城区环境进行信道建模，即 信号服从r a y l e i g h 分布。指出本文仿真使用的信道模型一个是a w g n 信道，另一个是指数瑞利衰落 模型。 第3 章o f d m 系统基本原理 第3 章o f d m 系统基本原理 3 1o f d m 符号的调制与解调 o f d m 的基本原理就是将高速串行数据分成多路并行的低速数据加以调制，并行的低速数据在 频率间隔相等的各路子载波上进行传输。通过设定子载波的频率问隔，使各子载波的频谱重叠，保 证子载波之间两两相交，有效的提高了频谱利用率。各子载波可用同一种数字调制方法，也可用不 同的调制方法。 一般的，o f d m 信号可以表示为一组并行传输的调制载波信号： r n 一1 s ( ，) ： r e 萎吐，p c f ( ，一t 一丁7 2 ) e x p j 2 z r z ( r 一) 】) t , - t - t , + t( 3 1 ) 【0 t r + 码是分配给每个子载波上传输