（通信与信息系统专业论文）慢时变信道下ofdm系统时频同步及信道估计算法研究.pdf

摘要 摘要 正交频分复用( o f d m ) 技术是当前移动通信领域的一项关键技术。该技术具有 很强的抗多径衰落能力，频谱利用率高，适合在无线信道中传输高速数据业务， 因而倍受关注。在实际应用中o f d m 已经成为无线局域网协议i e e e 8 0 2 1 l a 、欧 洲数字音频广播( d a b ) 、数字视频广播( d v b ) 等多个协议的核心技术，并且成为第 四代移动通信系统的主流技术之一。 本文首先介绍了o f d m 的基本原理，重点强调了o f d m 信号子载波相互正交 的特性，并给出了基于d f t 实现的o f d m 系统框图。 随后又简要介绍了两种常用协议：基于突发o f d m 信号的室内无线通信协议 i e e e 8 0 2 1 1 a 以及基于连续o f d m 信号的欧洲数字视频广播d v b t 协议。 文中详细讨论了o f d m 系统的同步问题。首先分析了同步偏差的来源，以及 这些同步偏差对o f d m 系统造成的影响；并提出了一些有效的同步算法来消除这 些影响。这些同步算法中既包括协作通信中的数据辅助型算法，如延时相关算法； 又包括非协作通信中的盲同步算法，如极大似然联合估计算法等。 然后，论文又对o f d m 系统中的信道估计问题进行了较为深入的研究，讨论 了多种经典的信道估计算法，如m m s e 、s v d 、l s 算法等。此外，详细介绍了一 种基于子空间分解的盲信道估计算法，并将该算法得到的估计结果与经典的信道 估计算法进行了比较。 最后，本文又对本研究组独立开发的“o f d m 系统仿真演示软件 进行了简要 介绍，包括软件功能及使用方法等。 关键字：正交频分复用，同步，信道估计，i e e e 8 0 2 1 1 ，d v b t a b s t r a c t a b s t r a c t o t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l i c a t i o ni so n eo ft h ek e yt e c h n o l o g i e si n t o d a y sm o b i l ec o m m u n i c a t i o nr e s e a r c hf i e l d t h i st e c h n o l o g yi sc o n s i d e r a b l yr o b u s ti n m u l t i - p a t he n v h o n m e n t sw i t hh i 曲s p e c t r u me f f i c i e n c y t h u s ，i ti sv e r ys u i t a b l ef o rt h e 1 1 i 曲一r a t ed a t a s e r v i c e si nw i r e l e s sa p p l i c a t i o n sa n dh a sd r a w nu n i v e r s a la t t e n t i o n c u r r e n t l y , o f d m ，w h i c hh a sb e c o m et h ef u n d e r m e n t a lt e c h n o l o g yo fw l a np r o t o c o l i e e e 8 0 2 1la , e u r o p e a nd i 萨i a la u t o b r o a d c a s t i n g ( d a b ) ，d i g i t a lv i d e ob r o a d c a s t i n g ( d v b ) ，e t e ，i sa l s or e g a r d e d 器o n eo ft h em o s tp o p u l a rs c h e m e so ft h e4 gm o b i l e s y s t e m s a tt h eb e g i n n i n go ft h i sd i s s e r t a t i o n , t h eb a s i cp r i n c i p l e so fo f d ma r ci l l u s t r a t e di n d e t a i l ad f tb a s e do f d ms y s t e md i a g r a mi sg i v e na f t e re m p h a s i z i n gt h eo r t h o g o n a l c h a r a c t e r i s t i c s t h e n ，t w oc o m m o np r o t o c o l s ，i e e e s 0 2 1laa n dd v b - t , a leb r i e f l yi n t r o d u c e d r e s p e c t i v e l y t h ef o r m e ri sb a s e do nb u r s to f d ms i g n a la n da p p l i e di ni n d o o rw l a n e n v i r o n m e n t ，w h i l et h el a t t e ru t i l i z e st h ec o n t i n u a lo f d ms i g n a lm a i n l yi nt h em a n c i r c u m s t a n c e s t h es y n c h r o n i z a t i o np r o b l e mi sd i s c u s s e di nd e t a i la f t e r w a r d s t h es y n c h r o n i z a t i o n p a r a m e t e r sa r ed e f i n e di no r d e rt od e m o n s t r a t et h ee f f e c to ft h e m h e r e a f t e r , s o m e e f f e c t i v es y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h m sa r ep u tf o r t ht oe l i m i n a t et h e s ee f f e c t s t h e a l g o r i t h m si n c l u d en o to n l yt h ed a t aa i d e d ，b u ta l s ot h eb l i n do n e s c h a n n e le s t i m a t i o ni sa n o t h e rf o c a lt o p i co ft h i sd i s s e r t a t i o n f i r s t l y , ar e a s o n a b l e m u l t i - p a t hm o d e li sc o n s t r u c t e d s e c o n d l y , s o m ec l a s s i c a lc h a n n e le s t i m a t i o na l g o r i t h m s ， l i k em m s e ，s v d ，l sa n ds u b s p a c eb a s e db l i n do n e s ，a r es t r i c t l yd e d u c e da n d s i m u l a t e d f i n a l l y , ac o m p a r i s o nb e t w e e nt h e mi sm a d ei nt h er e s u l ta n a l y s i sp a r t f i n a l l y , “o f d ms y s t e ms i m u l a t i o ns o f t w a r e i sb r i e f l yi n t r o d u c e d ，w h i c hc o n t a i n s f u n c t i o n a lo v e r v i e wa n dm a n i p u l a t i n gi n s t r u c t i o n s k e yw o r d ：o r t h o g o n a lf 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 ) ，s y n c r o n i z a t i o n , c h a n n e le s t i m a t i o n ，i e e e 8 0 2 1 1 ，d v b t i i 图目录 图目录 图2 1 基带o f d m 信号的时域波形。6 图2 2 基带o f d m 信号的频域波形6 图2 3o f d m 收发机结构8 图3 1i e e e 8 0 2 1l a 信号的时频特性图1 0 图3 2i e e e 8 0 2 。ll a 帧结构1 l 图3 32 k 模式d v b t 信号帧结构图1 4 图3 4p r b s 序列产生器15 图4 1 载波频偏引起的载波间干扰i c i 18 图4 - 2 延时相关算法实现框图2 0 图4 3 帧检测中的延时相关函数2 0 图4 - 4 细符号定时中的延时相关函数2 l 图4 5m o o s e 算法仿真结栗图2 3 图4 去除相位偏差前解调出的星座图2 4 图4 - 7 去除相位偏差后解调出的星座图。2 4 图4 8m l 算法观测窗口2 6 图4 9m l 算法的实现框图3 0 图4 - 1 0s t 0 估计性能曲线3 l 图4 - 1 lc f 0 估计性能曲线3 l 图5 1 多径信道仿真模型3 5 图5 2m m s e ，l s 算法实现框图3 6 图5 3o f d m 信道估计算法仿真结果图4 6 图6 一li e e e 8 0 2 1 l a 系统误码率益线4 7 图6 _ 2d v b - t 系统误码率曲线。4 8 图7 1 软件界面一5 0 图7 2 发射端信号频谱5 2 图7 3 接收端信号频谱5 2 图7 - 4 放大后的频谱图5 3 图7 5 星座图显示5 3 表目录 表目录 表3 1s i g n a l 字段12 表4 - 1 d l 算法仿真中的多径信道参数3 2 表5 1 室内多径信道参数表4 6 表6 1v e c u l i a ra 多径信道参数表4 9 v i 缩略词表 英文缩写 o f d m s t o c f o i e e e d v b f f t s n r m l m m s e s v d l s m s e 缩略词表 英文全称 o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nu l t i p l e x i n g s y m b o lt i m i n go f f s e t c a r r i e rf r e q u e n c yo f f s e t i n s t i t u t eo fe l e c t r i c a la n de l e c t r o n i c se n g i n e e r s d i g i t a lv i d e ob r o a d c a s t i n g - t e r r e s t r i a l f a s tf o u r i e rt r a n s f r o m s i g n a ln o i s er a t i o m a x i m u ml i k l i h o o d m i n i m u mm e a ns q u a r ee r r o r s i n g u l a rv a l u ed e c o m p o s i t i o n l e a s ts q u a r e m e a ns q u a r ee r r o r 中文释义+ 正交频分复用 符号定时偏差 载波频率偏差 电子电气工程师协会 数字电视地面广播系统 快速傅立叶变换 信噪比 极大似然 最小均方误差 奇异值分解 最d x - - 乘 均方误差 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。据我所知，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 获得电子科技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已在论文中作了明确的 说明并表示谢意。 签名：型彳! 日期：2 矿踏年6 月7 日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘， 允许论文被查阅和借阕。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全 部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：参叩予导师签名： 日期；2 扩赌年6 月 墨 第一章弓| 言 l 。1课题来源和目的 第一章引言 该课题来源于低截获概率信号侦测国防科技熏点实验室，是国防重点实验室基 金项目“基于软件无线电的0 f d m 系统盲解调关键技术研究的子课题“o f d m 信号解调同步技术研究。该课题分别研究了突发簖蹦和连续o f d m 系统的传输特 性，通过寻找合适的同步及信道估计算法，完成信号的均衡与解调。此外，该项 目重点强调了黉解调的重要性，即在解调过程中，应尽可能少的依赖发送端的信 号内容及结构，从而达到节省带宽、增强通用性等嚣的。 1 2 课题的背景和意义 当m 鲫c o i l i 在一个世纪前展示无线电报时就预示了工业的重大转折点的产生。 一酉多年以来，无线传输技术允许人们可以不使用任何物理连接进行通信。半导 体技术豹进步谴许多在世界各地的公众同时逶话成为了现实。现在，移动焉户的 数量急剧增加，数据通信和多媒体业务也随之增加，这些都呼唤新技术的出现以 提高数据传输速率【l 】。 移动透信系统按照所提供豹监务可以分为不同的发震阶段。第一代采用频分多 址( f d m a ) 模拟调制方式【2 】，这种系统主要包括n m t ( n o r d i cm o b i l et e l e p h o n e s y s t e m ) 和a m p s ( a d v a n c 甜m o b i l ep h o n es e v i c e s ) ，其主要缺点是频谱利用率低， 信令干扰话音业务。第二代蜂窝系统包括采用时分多址( t d m a ) 的g s m ( g l o b a l m o b i l ep h o n es e r v i c e s ) 、d a m p s ( d i g i t a la m p s ) 、p d c ( p a c i f i cd i g i t a lc e l l u l a r ) 系统 和采用码分多址( c d m a ) 的i s 9 5 系统【3 1 。第二代蜂窝系统如g s m 等主要提供了语 音通信，但是数据通信传输速率仍然非常低，丽不同的网络之闻也无法实现资源 共享。第三代数字蜂窝移动通信系统的三大主要候选方案分别是北美的 c d m a 2 0 0 0 系统【4 1 、欧洲和日本的w c d m a 系统【5 】以及中国的t d s c d m a 系统【6 】。 这些以c d i v i a 为标志的第三代数字蜂窝移动透信系统协议已经出台，其主要特短 是：支持多媒体业务，其数据传输速率至少为3 8 4k b i t s ，可全球漫游，接口开放， 能与不同的网络互联，终端多样化以及能从第二代平稳过渡等。然而，如果要求 电子科技大学硕士学位论文 数据传输速率在进一步提高，3 g 中使用的简单的c d m a 技术已经不能满足要求。 于是，以o f d m 调制技术为标志的第四代移动通信系统开始走入人们的视野，并 成为目前的研究热点。事实上，自从2 0 世纪8 0 年代以来，o f d m 已经在基于 i e e e 8 0 2 1 1 标准【7 】的无线本地局域网f i 。a n ) 、基于i e e e 8 0 2 1 6 标准错误1 未找捌引膳 的无线城域网( w i m a x ) 、数字音频广播( d a b ) 【9 】、数字视频广播( d v b ) 错误。来找捌引朋 中得到了应用。其中基于i e e e 8 0 2 1 6 e 的o f d m a 技术采用了o f d m 系统的多址 接入方式，提供了移动宽带无线接入空中接口标准，实现了移动终端在不同基站 之间的切换和漫游。 与传统的单载波和c d m a 系统相比，o f d m 系统具有如下优剧】： ( 1 ) o f d m 技术可以有效对抗i s i ，适用于多径衰落信道中的高速数据传输。 o f d m 将要传输的信息均分于各个子信道，从而形成多个并行的窄带数据流， 因此当信道中因多径传输而出现频率选择性衰落时，这种技术体现出很强的鲁棒 性。如果说在信号频带中出现的深凹陷会严重损坏单载波系统的性能，那么对于 o f d m 这样的多载波系统，只有落在频带凹陷处的子信道及其携带的信息受到影 响，其它的在信道未受损害，因此系统总的误码率性能要好得多。由于o f d m 技 术本身已经利用了信道的频率分集，如果衰落不是特别严重，就没有必要再加时 域均衡器。但通过将各个信道联合编码，则可以使系统性能得到进一步提高。 ( 2 ) o f d m 系统的频谱利用率高。 传统的频分多路传输方法中，将频带分为若干个不相交的子频带来传输并行 的数据流，在接收端用一组滤波器来分离各个子信道。这种方法的优点是简单、 直接，缺点是频谱的利用率低，子信道之间要留有足够的保护频带，而且多个滤 波器的实现也有不少困难。而o f d m 系统由于各个子载波之间存在正交性，允许 子信道的频谱相互重叠，因此与常规的频分复用系统相比，o f d m 系统可以最大 限度地利用频谱资源。 ( 3 ) o f d m 技术中的资源分配更加灵活。 由于o f d m 技术在频域和时域均能划分系统资源，这样可以保证系统频率利 用率的前提下，对频率资源和时间资源进行灵活组合，提供广泛的业务，有利于 无线多媒体传输的实现。 ( 4 ) o f d m 技术能够集中发射功率。 由于功率的分配是按照子信道进行的，上行用户可以将发射功率集中在某些 子信道上。利用o f d m 技术可以很轻松地提高增益，这样可以扩大覆盖范围、易 于接入、简化了功率放大器的结构，降低了成本。 第一章引言 o f d m 技术也有一些技术上的缺陷需要解决【1 2 】： ( 1 ) o f d m 系统对同步要求较高。 在o f d m 系统中，由于发送和接收振荡器之间存在不匹配性，或在无线信道 中存在多普勒频移，使得发送端和接收端之间存在载波频率偏移。载波频率偏移 将引入载波间干扰( i c i ) ，降低了子信道之间的正交性，从而降低了整个系统的性 能。对有大量子信道组成的o f d m 系统来说，子信道带宽相对整个信道带宽来说 小得多，因此，少量的频率偏移将会导致信噪比实质性的降低。同样，定时不精 确也会造成载波间干扰，降低子信道之间的正交性。 ( 2 ) 功率峰均l 匕( a p p r ) 大，将会导致射频放大器的功率效率较低。 与单载波系统相比，由于o f d m 信号是由多个独立的经过调制的子载波信号 相加而成的，这样的合成信号就有可能产生比较大的峰值功率，也就会带来较大 的峰值均值功率比，简称峰均比。对于包含n 个子信道的o f d m 系统来说，当n 个子信道都以相同的相位求和时，所得到的峰值功率就是均值功率的n 倍。当然 这是一种非常极端的情况，通常o f d m 系统内的峰均比不会达到这样高的程度。 高峰均比高会增加系统对射频放大器的要求，导致射频信号放大器的功率效率降 低。 综上所述，对于高容量、高移动速度的无线移动通信系统而言，o f d m 是一个 很好的调制技术，并且在今后的无线移动通信网络发展中将扮演越来越重要的角 色；而o f d m 的技术难题也可以通过适当的技术方法加以解决，这也是本论文的 主要讨论内容之一。 1 3国内外研究现状 国内外已经有很多文献深入研究了o f d m 系统的传输性能。在o f d m 同步算 法中，多数文献提出的算法都需要利用已知的导频信息【1 3 】【1 4 】，但此类算法需要损 失部分信号带宽，在连续传输应用中此问题更加明显。因此导频辅助算法更适合 于突发信号传输的情形。为了节约系统带宽，许多文献又提出了半盲同步算法采 用一些特殊的o f d m 信号结构完成时域和频域同步【l5 1 。近年来，全盲同步算法已 经引起了人们的广泛关注，因为此类算法不需要利用信号的已知信息，可以有效 节约带宽，并且使得算法的应用范围更加广阔，目前常见的盲同步算法有基于极 大似然估计的m l 算法【1 6 1 ，基于子空间的方法【1 7 】等。此外还有一类同步算法将符 号定时偏差s t o 和载波频率偏差c f o 同时进行联合估计【l 引。类似地，信道估计算 电子科技大学硕士学位论文 法也有数据辅助和盲 砉计嚣种类型。通过在发送信号中插入一些已知的数据符号， 即可得到时域或频域的信道估计结果f 2 0 】阳。经典的数据辅助信道估计算法有基于 最小均方误差准则的m m s e 算法【2 0 1 ，基于奇异值分解的s v d 算法【2 l 】以及广泛应 用的最小二乘l s 算法1 2 0 1 。另一类常用的数据辅助信道 毒计算法剩瘸了嵌入在 o f d m 符号中的导频信号，并利用时域或频域内插的方法完成信道估计瞄l ，此类 算法具有较好的实时性，在连续o f d m 系统中有着广泛的应用。在盲信道估计算 法中，最常用的类是基于子空间分解的方法【2 3 1 - 2 6 1 ，此类方法不需要任何已知信 息，僵通常运算量较大，适瘸子脱机信号的解调。 1 4论文的主要研究内容及章节安排 本文在分析o f d m 基本原理的基础上，分别研究了突发o f d m 系统以及连续 o f d m 系统的同步及信道估计算法，并参照i e e e 8 0 2 1 1 a 及d v b t 协议，进行 o f d m 系统的搭建。研究的算法中涉及了协作通信和非协作通信两大领域，均取 得了令人满意的解调效果。最麓，本项蓦缀还将仿真结果转换成了e 代码，著在 c 撑平台下完成了仿真演示软件。 本论文的具体内容安排如下： 第一章余绍了论文的课题背景，国内外研究现状，以及研究的冒的和意义。 第二章对正交频分复用技术的基本原理进行阐述。 第三章对i e e e 8 0 2 1 l a 协议及d v b t 协议进行简要介绍。 第四章详细讨论了o f d m 系统中常用的若干同步技术。 第五章详纲讨论了o f d m 系统孛常用的信道估计与信道均衡技术。 第六章综合应用各种算法，对o f d m 系统进行仿真，并对仿真结果进行分析。 第七章介绍o f d m 系统仿真软件，演示研究成果。 第八章总结与展望。 4 第二章o f d m 基本原理 第二章o f d m 基本原理 在无线通信系统中，信号从发射天线经过时变多径信道到达接收天线，会产 生时间选择性衰落和频率选择性衰落。信道的时变特性引起信号频率的展宽，导 致d o p p l e r 效应。信道的多径传播会引起信号时间的展宽并导致频率选择性衰落。 人们通常采用相干时间或d o p p l e r 带宽来描述信道的时变特性，采用多径时延扩展 或相干带宽来描述信道的多径特性。在小于相干时间的时间范围内，可以将信道 看成线性时不变系统；而如果信道带宽小于相干带宽，则可以认为该信道是非频 率选择性信道，其所经历的衰落是平滑衰落，即所有的频率成分所经历的衰落情 况是相同的。这样就可以得到一个简单而又较为符合实际的系统研究模型。 正交频分复用( o f d m ) 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。而且还可以在o f d m 符号之间插入保护间隔，并保证保护间隔大 于无线信道的最大时延扩展，这样就可以最大程度地消除由于多径而带来的符号 间干扰( i s i ) 。此外，绝大多数o f d m 系统都采用循环前缀作为保护间隔，从而 可以避免多径信道中产生的信道间干扰( i c i ) 。 2 1o f d m 信号 一个典型的带通o f d m 信号可以表示为以下形式： 。邑xx e y 2 a ( l + t a f ) t 挑坩) 0ft(2-1) 其它 式中互，。为传输数据符号，它在第，个o f d m 符号的第尼个子信道上传输；z 是载 波频率；= 彳1 为子信道之间的频率间隔；2 = 瓦为各个子信道上数据符号的周 期时间；互是一个o f d m 符号中每个数据点的持续时间；n 为子载波个数；k 为 实际中使用的子载波个数，k n 。由公式( 2 1 ) 可以得到o f d m 信号的等效基带 广，l 1 0 。一 扛 = = 力、- 、，一 0 j ，u 信号为： 其中某一个基带o f 霉。( f ) 的时域波形如 电子科技大学硕士学位论文 刈劬卜卅 础1 啪坩) 正盘子羲波 图2 1 基带o f d m 信号的时域波形 l厂 1八 f f fj 八aa 厂、“ 。1制 a a一、一、 唧聊八肿w v 、l 6 ( 2 2 ) ( 2 3 ) 第二章o f d m 基本原理 s 。l , u 0 经过傅里叶变换w 以得出其频谱为： 墨，(力2邑墨tn黝(寿一(2-4)k-一罡 叫 式中： s a ( x ) = 里型 ( 2 5 ) 该频谱豹波形如匿2 2 新示。可以着邈，实际传输的o f d m 信号，各子信道之闻 在频谱上互相重叠。很可以证明，o f d m 信号的各个子信道是相互正交，因此不 会互相干扰。 2 2基于d f t 的o f d m 实现 2 1 节中分析的都是o f d m 技术在连续时间域的实现。在这种实现形式下，需 要2 k + 1 个调制，解调器组，当子信道数叠较大时，并行系统所要求的正弦波发生 器组和相关解调器组将会非常复杂和昂贵；而且接收端需要足够精确地解调载波 和采样时间，以使各予信道之间的串扰可以接受。近年来，由于数字信号处理技 术的发展，一种利用离散傅里时变换( d f t ) 实现的o f d m 系统方案被广泛接受， 该方案筒化了原始的o f d m 系统并且促进了o f d m 技术的应用。 公式( 2 3 ) 给出了连续时间条件下，第z 个o f d m 信号的表达式。则当前时刻 ( z = 0 ) 系统传送的连续时间o f d m 符号为： 嚣 毛( f ) = 置8 7 2 鹄黜 ( 2 6 ) 对该信号进行点采样得： 萁中： 化篾可得： 吒：哥1 k 五8 ，：鳓 vk = - k 1 疋= 二n 。r 7 ( 2 - 7 ) ( z - s ) 电子科技大学硕士学位论文 一 k j 2 7 r k n l 2 万互鼍e 百= i d f r ( 2 - 9 ) 由此我们可以得出：发送端数据经过一个n 点i d f t 变换后即可将各数据映射 到n 个子载波上，经过进一步处理后即可构成相应的o f d m 符号。同样的，在接 收端经过一个d f t 变换后即可将各子载波数据反映射为原始的数据点。 2 3o f d m 系统模型 图2 3o f d m 收发机结构 图2 3 是基于快速傅里叶变换( f f t ) 实现的o f d m 系统框图。在发送端， 原始二进制数据流首先经过一定的编码交织等操作；然后进行符号映射，生成数 据符号a ( k ) ，常见的符号映射方式有p s k 、q a m 等；口( 尼) 经过串并转换，输入到 反快速傅里叶变换( i f f t ) 模块，以得到时域信号x ( 七) ；并串转换后需要进行的 是添加循环前缀( c p ：c i r c u l a rp r e f i x ) ，即将x ( k ) 的最后若干个数据点复制并拼接 在x ( 后) 的前端，从而得到一个新的时域信号s ( 尼) 。例如，某o f d m 系统的f f t 点 数为= 6 4 ，而设定的循环前缀长度为l = 1 6 ，则发送端数据经过i f f t 模块后得 到时域信号向量工( 七) 的维数为n = 6 4 。添加循环前缀时需要将x ( k ) 的最后1 6 个数 据点复制到原数据向量的前端，构成p = + l = 8 0 维的新时域信号向量s ( k ) 。在 实际应用中，循环前缀的时间长度要大于无线信道的最大时延扩展，这样一个符 号的多径分量就不会对下一个符号造成干扰，即消除了数据块干扰( i b i - i n t e r b l o c k 第二章o f d m 基本原理 i n t e r f e r e n c e ) 。而采用复制拼接构成循环前缀的目的在于将信号通过信道时产生的 线性卷积转换成循环卷积，尽可能地消除信道间干扰( i c i ：i n t e r c h a r m e l i n t e r f e r e n c e ) ，保障子载波之间的正交性。完成添加循环前缀的操作后，s c k ) 还需 要通过上采样、成形滤波、上变频等其它通信系统中通用的处理过程，最后通过 射频天线将信号发射出去。需要说明的是，本课题中发射端使用的成形滤波器是 根号升余弦滤波器，并与接收端的另外一个根号升余弦滤波器( 即匹配滤波器) 相匹配，从而构成一个升余弦滚降滤波器，根据n y q u i s t 第一准则，该方案可以有 效消除信号传输过程中产生的码间串扰( i s i ：i n t e r s y m b o li n t e r f e r e n c e ) 。 0 f d m 系统的接收端是发送端的逆过程。对射频信号进行下变频后，需要通 过匹配滤波器( 根号升余弦滤波器) 进行匹配滤波，再经过下采样抽取后得到p 维 时域信号向量r c k ) ；随后再去除循环前缀c p ( 即将，( 尼) 的前三个数据点抛弃) ，即 可得到维时域信号向量y ( 后) ；依次经过串并转换、f f t 模块、并串转换后得到 频域信号向量6 ( 七) ：最后6 ( 后) 经过符号逆映射、判决、解码后得到接收后的二进 制码流。 9 电子科技大学硕十学伟论文 第三童o f d m 相关标准简介 由前面的讨论己知，o f d m 技术具有频谱利用率高、抗多径能力强等优点，因 而得到了广泛的应用，许多无线通信标准及协议都将0 f d “技术作为核心技术加以 利用，如i e e e 规定的室内无线局域网协议i e e e s 0 21 1 系列协议、e t s i 规定的欧 洲数字音频广播( d a b 协议) 、数字视频广播( d v b 协议) 等。刚刚成为b 3 g 推荐 标准之一的w i m a x 协议( 即i e e e 8 0 21 6 d 和i e e e 8 0 2 1 6 e 协议) 也采用o f d m 和0 f d m a 作为其核心技术。本文将对i e e e 8 0 2 1 l a 和d v b t 两个协议的物理层进行重点讨 论。 31i e e e s 0 21 l a 协议 一辫。一 图3 - 1i e e e 8 0 2i l a 信号的时颓特性图 i e e e 8 0 21 l a _ 是一种室内无线局域网协议，适用于办公室、家庭、宾馆、机场 等众多场合，可以实现多种数据、务的传输与交换。该协议工作在51 5 52 5 、 52 5 03 5 、57 2 5 58 2 5 g h z u n i l 频带，可以提供6 、9 、1 2 、1 8 、2 4 、3 6 、4 8 及 5 4 m b p s 的数据传输速率，并采用突发o f d m 技术作为其物理层核心技术。所谓突 旋0 f d m 技术是指在传输过程中，发送端数据首先被存放在多个独立的突发包中， 各突发包经过相关处理后再经由发射机逐个发送，在突发包的时问间隙不传送数 据。接收机在接收信号时也需要对突发包逐个处理、独立地完成解调。图3 - 1 是 i e e e s 0 21 l a 信号的时频分析图，其中横坐标为时间，纵坐标为频率。在横坐标方 第三章o f d m 相关标准简介 向( 即时间方向) 上，我们可以清楚地看到两个突发包以及它们之间的时间间隙。 在横坐标方向( 即频率方向) 上，我们可以看出o f d m 系统的多载波特性。 i e e e 8 0 2 儿a 协议规定的o f d m 信号子载波数( 即发射机中的i f f t 点数) 为6 4 ， 其中4 8 个子载波用于传送数据，4 个子载波用于传送导频，1 个子载波为支流分 量( d c ) ，剩余的1 1 个子载波用作频域保护间隔；循环前缀c p 的长度为1 6 ；信号 带宽为2 0 m h z 每个子载波之间的频率间隔为。= o 3 1 2 5 m h z 。 1 0 x o 8 = 8 渺 l2 x o j 一2 * 3 _ 2 = s o 岫。j 8 + 3 。4 o 舻j j 0 8 + 3 2 ；4 o 性i j o s + 3 ，2 = 4 0 1 1 5 月；蕊t tz t 7 j t s 粥t 9 t l l 厂g 1 2i t 1 i 砭j：s 碎i 人a t 1 惦a ：ih 【2 t 3 。t ；5 t 6 ： i ! 。i 图3 2i e e e 8 0 2 1l a 帧结构 i e e e 8 0 2 1 1 a 协议规定的帧结构如图3 2 所示。包括1 0 个短训练序列t m 、 两个长训练序列z 正、s i g n a l 字段以及若干个d a t a 数据段构成。其中短训练 序列用于协作通信中的信号检测、自动增益控制、粗频偏估计、粗符号定时等操 作( 详见第四章) ；长训练序列通常用于细符号定时、细频偏估计和信道估计等操 作( 详见第四章、第五章) ；s i g n a l 字段提供了数据速率等信号信息，为接收机 提供了相关数据，值得一提的是，s i g n a l 字段固定采用b p s k 调制方式进行符号 映射；最后的d a t a 数据段用于传送用户需要的数据信息。下面我们将对证每一 个部分分别进行详细说明。 i e e e 8 0 2 1 1 a 协议规定的1 0 个短训练序列f t 。完全相同，都由1 6 个数据点 构成，时间长度为0 8 j u s 。事实上，它可以看作由两个添加了c p 的o f d m 符号构 成。即乙氏构成一个o f d m 符号，为循环前缀；t 7 一一t 。构成另外一个o f d m 符 号，t 为循环前缀。而其中的任意一个o f d m 符号( t 2 毛或岛t i 。) 都可以看作 ( 3 1 ) 中定义的s 序列通过图( i f f t 映射图) 中的i f f t 模块得到的时域序列。其中 系数1 3 6 是为了使短训练序列符号具有与数据部分相等的平均功率。利用信号 分析的知识不难证明，该时域序列必然包含有4 个完全相同的子序列。 s 圳6 = 瓜 o ，0 ，l + j ，0 ，0 ，v - 0 1 - j ，0 ，0 ，0 ，l + j ，0 ，0 v 0 - j ，o ，o ，o ， - j ，0 ，0 ，0 ，( 3 - 1 ) l + j ，0 ，0 ，0 ，0 ，0 ，0 ，0 ，- l - j ，0 ，0 ，0 ，一1 - j ，0 ，0 ，0 ，1 + j ，0 ，0 ，0 ，1 + j ，0 ，0 ，0 ，1 + j ，0 ，0 ) 蓼 电子科技大学硕士学位论文 类似的，i e e e 8 0 2 1 l a 规定的2 个长训练序列五互也完全相同，但都由6 4 个数据点构成。事实上，石或互可以看作( 3 2 ) 中定义的l 序列通过图( i f f t 映射 图) 中的i f f t 模块得到的时域序列。此外，长训练序列还有一个保护间隔g 1 2 ， 由3 2 个数据点构成，而这3 2 个数据点是复制t 2 的最后3 2 点得来的。 l - 2 6 , 2 6 2 1 ，1 ，一1 ，一1 ，1 ，l ，一1 ，1 ，一1 ，l ，1 ，1 ，1 ，1 ，1 ，一l ，一1 ，1 ，l ，一l ，l ，一1 ，1 ，1 ，1 ，1 ，( 3 2 ) 0 ，1 ，一1 ，一11 ，1 ，一1 ，1 ，一1 ，1 ，- 1 ，一1 ，- 1 ，- 1 ，- 1 ，1 ，1 ，- 1 ，- 1 ，1 ，- 1 ，1 ，- 1 ，1 ，1 ，1 ，1 ) 、7 s i g n a l 字段包含2 4 b i t ，如图3 2 所示。包含有信号传输速率、突发包数据 长度等信息。其中前4 个b i t ( f f pb i t 0 b i t 3 ) 表示出数据传输速率( 如表( ) 所示) ； b i t 4 保留；b i t 5 - b i t l 6 用于指明发射数据的长度；b i t l 7 是偶校验位；最后的6 个 b i t ( 即b i t l8 - b i t 2 3 ) 为s i g n a lt a i l ，全部补0 。需要说明的是，s i g n a l 字段 采用b p s k 映射，并依次采用r = l 2 的卷积编码、交织等操作。与数据部分不同 的是，s i g n a l 字段不需要进行扰码操作。 r a t e ( m b i t s ) b i t 0 b i t 3 61 1 0 l 91 1 1 1 1 20 1 0 1 1 80 1 1 1 2 41 0 0 1 3 61 0 1 1 4 8 0 0 0 1 5 40 0 1 l 表3 1s i g n a l 字段 d a t a 字段传输的就是我们所需要的数据信息，这些信息需要依次经过扰码、 交织、凿孔、星座映射等操作后得到。限于篇幅，本文不对这些操作进行陈述， 具体内容可参考文献 7 】。而本文需要重点介绍子载波映射和导频插入两项内容。 由前面的讨论已知，i e e e 8 0 2 1 l a 规定的o f d m 符号有6 4 个子载波，但只有 4 8 个子载波用于传送数据。假设4 8 个数据的索引值记为k ，0 k 4 7 ，则k 与双边 i f f t 索引值m 之间存在以下映射关系： 1 2 第三章o f d m 相关标准简介 m ( 尼) = k 一2 6 0 k 4 k 一2 5 5 k 1 7 k 一2 4 1 8 k 2 3 尼一2 3 ：2 4 后2 9 ( 3 - 3 ) k 一2 2 3 0 k 4 2 k 一2 1 4 3 k 4 7 在实际调制过程中，还需要将双边i f f t 的索引值m 映射成单边i f f t 索引值，z 与 m 存在下面的映射关系： b m+m,mo(3-4)m6 4m0+ 经过公式( 3 3 ) ( 3 - 4 ) ，即可完成4 8 个数据点向6 4 个子载波之间的索引值映射。而 支流分量d c 和虚载波位置上的数据直接置0 即可。此外，在第2 1 ，7 ，7 ，2 l 号子载波上需要插入导频，用于接收端的相位纠正等。导频值由公式( 3 5 ) 给出。 尸：_ 7 ， 2 l = 晶 1 ，1 ，l ，一l ( 3 - 5 ) 其中j 。是导频符号，它以1 2 7 为周期进行循环延拓。即每个0 f d m 符号对应一个s 。， 经过1 2 7 个符号后再循环重复。s 。的表达式为： 2 3 2d v b t 协议 ( 3