（通信与信息系统专业论文）mbofdm+uwb系统同步技术的研究.pdf

摘要 摘要 u w b ( u l t r aw i d e b a n d ，超宽带) 是一种短距离无线通讯技术，具有信号功率谱密度低、系统耗 电量少、复杂度低、定位精度高等优点，已经成为当今高速无线个域网( w p a n ) 领域内的主要热 点技术之一。正交频分复用( 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 i n g ，o f d m ) 技术凭借其高速 数据传输的能力，很好地对抗频率选择性衰落或窄带干扰以及对频谱资源的灵活利用等特点，成为 u w b 主流实现方案之一。高速超宽带国际标准e c m a 3 6 8 的出现则为u w b 和o f d m 技术的融合 提供了规范。 本论文着重研究m b - o f d m u w b 系统的同步技术，制定了适用于e c m a - 3 6 8 标准的同步方案， 并通过计算机仿真得到理论性能。以e c m a 3 6 8 标准规定的物理层结构和o f d m 系统基本原理为基 础，本文第二章阐述了填零后缀( z e r o - p a d d i n gs u f f l x ，z p ) 和循环前缀( c y c l i cp r e f i x ，c p ) 作为 保护间隔消除符号间干扰的原理以及引入z p 的优势。接着介绍了几种较为典型的定时同步和频偏估 计方案。 第三章结合e c m a 3 6 8 标准规定的物理层结构，对m b o f d mu w b 系统同步所需的前导进行 介绍，并结合时频码指出前导的跳频方式，此外对超宽带系统所处的信道环境做出介绍，这都是制 定系统同步方案时需考虑的因素。随后选取了适合超宽带系统的定时同步和频偏估计方案进行性能 分析和仿真，并在此基础上提出了一种新的基于多径能量收集的相干同步方案。该方案适用于超宽 带系统低信噪比和密集多径的信道环境。即使在多径时延较大的c m 4 信道下也能获得较理想的性 能。基于该方案计算复杂度较高，本章还提出了相应的改进方法，以减轻计算复杂度。 第四章在第三章的基础上，设计了一套完整的同步方案，包括帧检测、时频码检测、粗定时同 步和频偏估计、前导边界检测以及精定时同步和精频偏估计。能量检测法能可靠的捕获帧的到来， 基于多径能量收集的相干同步法能比较准确的进行符号定时；超宽带系统仅存在小数频偏，因而也 可以在时域完成频偏估计。本章主要结合超宽带系统低信噪比和密集多径的信道环境，对同步方案 进行了仿真和比较，得到了不同信道下的同步和频偏估计性能，验证了该同步方案是适合高速超宽 带系统的。 关键字；超宽带，正交频分复用，定时同步，频偏估计，e c m a 3 6 8 标准 东南大学硕士学位论文 a b s t r a c t u w b ( u l t r a - w i d e b a n d ) i sas h o r t - d i s t a n c ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , a n di th a sb e e n b e c o m i n go n eo ft h eh o t t e s tt e c h n o l o g i e si nh i g h s p e e dw i r e l e s sp e r s o n a l - a r e an e t w o r k ( w p a n ) d o m a i n o n eo ft h em a i n s t r e a ms c h e m e st o i m p l e m e n tu w bi so f d m ( o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ) t e c h n o l o g y t h ei n t e g r a t i o nb e t w e e nu w ba n do f d mt e c h n o l o g i e si ss t a n d a r d i z e di n s t a n d a r de c m a 3 6 8 t h i sp a p e rp u t se m p h a s i so ns y n c h r o n i z a t i o nt e c h n o l o g i e si nm b - o f d mu w bs y s t e m s ，p r o p o s i n g a n ds i m u l a t i n gas y n c h r o n i z a t i o ns c h e m eb a s e do ns t a n d a r de c m a - 3 6 8 o nt h eb a s i so ft h ep h y s i c a ll a y e r s t r u c t u r ed e s c r i b e db yt h i ss t a n d a r da n dt h ef u n d a m e n t a lt h e o r i e so fo f d m s y s t e m s ，z e r o - p a d d i n gs u f f i x ( z p ) a n dc y c l i cp r e f i x ( c p ) a 托i n t r o d u c e di nc h a p t e r2w h i c hc a nb eu s e da st h eg u a r di n t e r v a lt or e m o v e t h ei n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c e a l s o ，ac o m p a r i s o ni si m p l e m e n t e db e t w e e nz pa n dc p , a n dt h ea d v a n t a g eo f z pi sa n a l y z e d t h e nt h ep a p e rd e p i c t ss e v e r a lt y p i c a lt i m i n ga n df r e q u e n c ys y n c h r o n i z a t i o n a l g o r i t h m s c o m b i n i n gw i t ht h ep h y s i c a ll a y e rs t r u c t u r ed e s c r i b e db ys t a n d a r de c m a 3 6 8 ，c h a p t e r3d e p i c t st h e p r e a m b l es t r u c t u r et h a ti sn e e d e db ys y n c h r o n i z a t i o na n dp o i n t so u tt h ef r e q u e n c yh o p p i n gp a r e r n so f p r e a m b l es e q u e n c e sa c c o r d i n gt od i f f e r e n tt i m e - f r e q u e n c yc o d e s 口f c ) b e s i d e s ，t h ec h a n n e le n v i r o n m e n t s i nu w bs y s t e m sa l ei n t r o d u c e d a l lt h e s ef a c t o r sa b o v es h o u l db et a k e ni n t oc o n s i d e r a t i o nf o r s y n c h r o n i z a t i o ni nm b - - o f d mu 、s y s t e m s t h e nt h ep a p e rc h o o s e ss o m et i m i n ga n df r e q u e n c y s y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h m ss u i t a b l ef o ru w bs y s t e m st oa n a l y z ea n ds i m u l a t ea n dp r o m o t e san e wt i m i n g s y n c h i ：6 n i z a t i o nm e t h o db a s e do nm u l t i - p a t he n e r g yc o l l e c t i o nf o rp e r f o r m a n c ei m p r o v e m e n t s t h i sm e t h o d i ss u i t a b l ef o ru w bc h a n n e le n v i r o n m e n t s ，a n dc a na c h i e v eg o o d p e r f o r m a n c ee v e ni nc m 4e n v i r o n m e n t h o w e v e r , t h i sm e t h o di so fh i g hc o m p u t a t i o nc o m p l e x i t ya n da ni m p r o v e dm e t h o di sp r e s e n t e dt or e d u c e t h ec o m p l e x i t y c h a p t e r4d e s i g n sas e to fs y n c h r o n i z a t i o ns c h e m e si n c l u d i n gf r a m ed e t e c t i o n ，t f cd e t e c t i o n ，c o a r s e t i m i n ga n df r e q u e n c ys y n c h r o n i z a t i o n ，p r e a m b l eb o u n d a r yd e t e c t i o n ，f m et i m i n gs y n c h r o n i z a t i o na n df i n e f r e q u e n c ys y n c h r o n i z a t i o n t h ee n e r g yd e t e c t i o nm e t h o dc a nr e l i a b l yd e t e c tt h ea r r i v a lt i m eo faf r a m e ，a n d t h en e w l yp r o m o t e dt i m i n gm e t h o dc a na c h i e v eg o o ds y n c h r o n i z a t i o np e r f o r m a n c e s i n c et h e r eo n l ye x i s t s d e c i m a lf r e q u e n c yo f f s e ti nu w bs y s t e m s ，f r e q u e n c ys y n c h r o n i z a t i o nc a nb ei m p l e m e n t e di nt i m ed o m a i n i n s t e a do ff r e q u e n c yd o m a i n i nt h ee n d ，t h es y n c h r o n i z a t i o ns c h e m ei ss i m u l a t e da n dt i m i n ga n d f r e q u e n c y s y n c h r o n i z a t i o np e r f o r m a n c ei nd i f f e r e n tc h a n n e ，l sa r eg o r e n ，w h i c hp r o v e st h i ss c h e m ef i t su w bs y s t e m s w e l l k e yw o r d s ：u w b ，o f d m ，t i m i n gs y n c h r o n i z a t i o n ， f r e q u e n c ye s t i m a t i o n ， s t a n d a r de c m a 3 6 8 i l 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已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 研究生签名：迸熊丛 日期：鲤j ：f 兰 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。 研究生签名：盗垒垒 导师签名： 日期： 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 无线个域网( w p a n ) 指的是能在便携式消费者电器和通信设备之间，进行短距离、低功率特别连 接的无线网络。其覆盖范围比无线局域网( w l a , 0 d , ，一般传输距离和范围在十米左右。随着计算机 网络和移动通信技术的发展，便携的数字处理设备已经成为人们日常生活和办公的必需品，这些设 备包括笔记本电脑、掌上电脑、m p 3 、计算机外设、移动电话和家用电子产品等。它们各自具备独 特的功能和不同的用途，人们往往需要同时携带不同的设备，并在设备间进行数据的交互操作，从 而形成个人自适应网络。考虑到人们对移动办公的需求，传统的有线局域网受到布线的限制而无法 应用，因此产生了无线个域网技术，它将个人自适应网络中的设备连接起来形成网络，真正实现设 备之间可移动的、自动的互联。无线个域网设备有两个明显特征：既能承担主控功能，又能承担被控 功能的能力；加入或离开现有网络具备一定的方便性。无线个域网技术作为一种宽带无线接入技术， 能够在近距离的1 0 米覆盖范围内为设备建立连接，还可以将一组相互连接的设备中的一个或多个设 备连入更广阔的l a n 或i n t e m e t 网，解决了设备终端的通信问题，因此应用十分广泛。无线个域网 技术包括e e 8 0 2 1l a ，b l u e t o o t h ，h o m e r f 和u 、拥l 技术。 u w b 技术( u l t r a - w i d e b a n d ，超宽带) 是近年来通信领域兴起的一种无线互联技术，能在较大 的带宽上实现速率为1 0 0 m b p s 1 g b p s 传输的技术。u w b 技术的历史可以追溯到1 9 4 2 年d er o s a 提 交的随机脉冲系统专利。在1 9 世纪6 0 年代，主要研究方向为受时域脉冲响应控制的微波网络的瞬 态动作。通过h a r m u t h 、r o s s 和r o b b i n s 等先行公司的研究，u w b 技术在7 0 年代获得了重大的 发展，其中多数集中在雷达系统应用中，包括探地雷达系统。到8 0 年代后期，该技术开始被称为” 无载波”无线电，或脉冲无线电( n ti m p u l s er a d i o ) 。美国国防部在1 9 8 9 年首次使用了”超带宽”这 一术语。为了研究u w b 在民用领域使用的可行性，自1 9 9 8 年起，美国联邦通信委员会( f c c f e d e r a l c o m m u n i c a t i o n sc o m m i s s i o n ) 针对超宽带无线设备对原有窄带无线通信系统的干扰及其相互共容的 问题开始广泛征求业界意见，在美国军方和航空界等众多不同意见的情况下，f c c 仍开放了u w b 技术在短距离无线通信领域的应用许可。这充分说明此项技术所具有的广阔应用前景和巨大的市场 诱惑力。 根据香农理论，无线信道的容量是与其占用的信道带宽成正比的，u w b 能实现很高的数据率， 是由于其占用很大的带宽。u w b 使用的频谱从3 1 g h z 到1 0 6 g h z ，宽度高达7 5 0 0 m h z ，而无需划 分特定的、专有的频段。u w b 以非常宽的频率带宽来换取高速的数据传输，并且不单独占用现在 已经拥挤不堪的频率资源，而是共享其他无线技术使用的频带。同时，通过限制发射功率，u w b 也 避免了对其它系统造成严重的干扰。u w b 系统的频带很宽，即使传输速率高达4 8 0 m b s 以上时，所 东南大学硕士学位论文 需信噪比仍然不高，这使得系统相对简单，降低了系统的成本和功耗。在军事应用中，可以利用巨 大的扩频增益来实现远距离、低截获率、低检测率、高安全性和高速的数据传输。另外，从频域的 角度分析，由于u w b 信号的带宽极宽，所以信号在传输过程中出现频率选择性衰落现象是一定的。 然而正是因为极宽的带宽，多径衰落只在某些频点处出现，从整体上考虑，衰落掉的能量只是信号 总能量很小的部分。所以该技术在抗多径方面仍具有鲁棒性。u w b 信号还具备安全性高的特点。 由于u w b 信号一般把信号能量弥散在极宽的频带范围内，对一般通信系统，u w b 信号相当于自 噪声信号，并且大多数情况下，u w b 信号的功率谱密度低于自然的电子噪声，从电子噪声中将脉 冲信号检测出来是一件非常困难的事。采用编码对脉冲参数进行伪随机化后，脉冲的检测将更加困 难。 由于u w b 技术具有传输速率高( 达1 g b i f f s ) 、抗多径能力强、功耗低、成本低、穿透能力强、 截获概率低、与现有其他无线通信系统共享频谱等特点，已经成为无线个域网( 、p a n ) 的首选技术。 1 2 常见短距离无线技术与u w b 的比较及u w b 实现方案 ( 1 ) i e e e s 0 2 1 1a 与u w b i e e e 8 0 2 1 1 a 是由i e e e 制定的无线局域网标准之一，物理层速率在5 4 m b p s ，传输层速率在 2 5 m b p s ，它的通信距离可达到1 0 0 m 。而u w b 的通信距离在1 0 m 左右。在短距离的范围傍1 0 m 以内) 驴i e e e 8 0 2 1 l a 的通信速率与u w b 相比却相差太大，u w b 可以达到上千兆，是i e e e 8 0 2 1 l a 的几七倍；超过这个距离范围( a p 大于1 0 m ) ，由于u w b 发射功率受限，u w b 就性能就差很多( 目前 从演示的产品来看，u w b 的有效距离已扩展到2 0 m 左右) 。因此从总体来看，i o m 以内，8 0 2 1 1 a 无法与u w b 相比；但是在1 0 m 以外，u w b 无法与8 0 2 1 l a 相比。另外与u w b 相比，8 0 2 1 l a 的 功耗相当大。 ( 2 ) 蓝牙( b l u e t o o t h ) 与u w b 蓝牙技术是爱立信、m m 等5 家公司在1 9 9 8 年联合推出的一项无线网络技术。由随后成立的蓝 牙技术特殊兴趣组织( s i g ) 来负责该技术的开发和技术协议的制定，如今全世界已有1 8 0 0 多家公司 加盟该组织。蓝牙计划提供一种通用的无线接口标准用微波取代传统网络中错综复杂的电缆，在蓝 牙设备间实现方便决捷、灵活安全、低成本低功耗的数据和话音通信。蓝牙技术采用跳频扩展技术 ( f h s s ) 。跳频速率为每秒1 6 0 0 次。其设备采用的是g f s k 调制技术，其最高传输速率为1 mb s ，实 际数据有效速率为7 2 1 k b s 。话音采用连续可变斜率调制c v s d ( c o n t i n u o u sv a r i a b l es l o p ed e l t a m o d u l a t i o n 连续可变斜率调制) 编码方式，c v s d 方式抗干扰能力很强。通信协议采用t d m a ( 时分 多址) ，在2 4 g h z 的i s m 频带上设立7 9 个带宽为1 m h z 的信道，用每秒钟切换1 6 0 0 次的频率的跳 频( h o p p i n g ) 扩展技术来实现信息的收发。蓝牙的传输距离为1 0 c m , 、, 1 0 m 。 从技术参数上来看，u w b 的优越性是比较明显的，有效距离差不多，功耗也差不多，但u w b 2 第一章绪论 的速度却快得多，是蓝牙速度的几百倍。从目前的情况来看，蓝牙唯一比u w b 优越的地方就是蓝 牙的技术已经比较成熟，但是随着u w b 的发展，这种优势就不会再是优势，因此有人在u w b 刚出 现时，把u w b 看成是蓝牙的杀手，不是没有道理的。 ( 3 ) h o m e r f 与u x v b h o m e r f 技术是专门针对家庭住宅环境而开发出来的无线网络技术，借用了8 0 2 1 1 规范中支持 t c p 1 1 传输的协议：而其语音传输性能则来自d e c t ( 无绳电话) 标准。总体来说是无绳电话技术 d e c t ( d i g i t a le n h a n c e dc o r d l e s st e l e p h o n e ) 和无线局域网技术相互融合发展的产物，旨在降低语音数 据成本。h o m e r f 定义的工作频段为2 4 g h z ，这是不需许可证的公用无线频段。h o m e r f 使用了 跳频空中接口，每秒跳频5 0 次，即每秒钟信道改换5 0 次。收发信机最大功率为1 0 0 r o w ，有效范围 约5 0 m 。h o m e r f 采用数字跳频扩频技术，调制方式为恒定包络的f s k 调制，分为2 f s k 与4 f s k 两种。采用跳频调制可以有效地抑制无线环境下的干扰和衰落。在2 f s k 方式下，最大数据的传输 速率为l m b s ，4 f s k 方式下，速率可达2 m b s 。与u w b 相比，各有优势：h o m e r f 的传输距离远， 但速率太低；u w b 传输距离只有h o m e r f 的五分之一，但速度却是h o m e r f 的几百倍甚至上千倍。 由以上的比较结果可以看出，尽管每种技术各具优劣，u w b 在短距离的家庭无线网络方面具有 很好的发展前景。 目前u w b 无线通信系统的主要实现方式可以分为基带脉冲方式和载波调制方式。基带脉冲方 式是u w b 通信的传统方式。载波调制方式可以分为基于正交频分复用( o f d m ) 技术的多频带正 交频分复用( m u l t i - b a n do 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 i n g ，m b o f d m ) 和基于c d m a 技 术的直接序列码分多址( d i r e c ts e q u e n c ec o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ，d s - c d m a ) 两大方案。c d m a 技术广泛应用于2 g 和3 g 移动通信系统，在u w b 系统中使用的c d m a 技术与在传统通信系统中 使用的c d m a 技术没有本质的区别。只是使用了很高的码片速率，以获得符合u w b 技术标准的超 宽带宽。o f d m 则是应用于e 3 g 、b 3 g 的核心技术，具有频谱效率高、抗多径干扰和抗窄带干扰能 力强等优点。 d s - c d m a 主要是由飞思卡尔( f r e e s c a l e ) 半导体公司支持的方案。m b - o f d m 方案则是由 w i m e d i a 联盟支持的。两种标准一直以来都处于激烈争论中，评价d s - c d m a 和m b o f d m 在技术 层面上孰优孰劣，对方案的最终妥协是无益的。在i e e e 8 0 2 1 5 3 a 内部虽然经过多次投票表决，始终 无法淘汰其中一种标准，取得统一。最终在2 0 0 6 年1 月份召开的i e e e 8 0 2 会议上，8 0 2 1 5 3 a 经过 投票，解散了该任务组，u w b 在i e e e 的标准化进程被终止。2 0 0 5 年，m b o f d m 的支持者w i m e d i a 联盟与国际欧洲计算机制造商协会( e u r o p e a nc o m p u t e rm a n u f a c t u r e r sa s s o c i a t i o n ，e c m a ) 合作制 定并通过了高速u w b 的国际标准e c m a 3 6 8 川，目前已被接纳为i s o 国际标准。 本文主要对m b o f d mu w b 进行研究，就是上面提到的m b - o f d m 标准的超宽带技术，也叫 做多频带超宽带技术。 东南大学硕士学位论文 1 3o f d m 技术简介 o f d m 是一种特殊的频分复用。其基本思想是将信源输入的高速数据流串并变换为许多并行 的低速数据流，分别调制到不同的子载波上进行传输。这些子载波的间距一般选择为符号周期倒数 的整数倍，因此，它们是相互正交的；即使这些子载波的频谱在频域中相互重叠，彼此之间也不会 相互干扰。o f d m 是对抗多径衰落的一种有效的传输技术，通过在各个符号之间插入保护间隔来消除 符号间干扰( i s i ) 和载波间干扰( i c i ) ，这个保护间隔被称为循环前缀。 o f d m 技术最早起源于2 0 世纪5 0 年代中期，即k i n e p l e x l 2 1 系统，但此系统使用的是传统的多 载波系统的实现方式，系统还是相当复杂。直到1 9 7 1 年，w e i n s t e i n 和e b e r t 把离散傅立叶变换( d f r ) 应用到并行传输系统中【3 】，才不再利用带通滤波器，而是在基带处理就可以实现f d m 。并且d f t 可 用快速傅立叶变换( f r r ) 来实现，大大减小了系统的复杂度。1 9 8 0 年，p e l e d 和r u i z 做出了另一个重 要的贡献【4 】。他们引入了循环前缀( c y c l i cp r e f h x ，c p ) 的概念，其中不是使用空的保护间隔，而是使 用o f d m 码的周期扩展。只要周期前缀长于该信道的冲击响应，就能有效地模拟实现周期卷积的信 道，从而解决了正交性的问题。 随着数字信号处理( d s p ，d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ) 技术的飞速发展，令o f d m 的优越性越来越 突出。与传统的单载波系统相比，o f d m 的优点如下g 1 抗多径干扰能力强，抗衰落能力强。 由于一般的o f d m 系统均采用循环前缀方式，使得它在一定条件下可以完全消除信号的多径传 播造成的码间干扰。o f d m 的子载波把整个信道划分成多个子信道，尽管整个信道有可能是极不平 坦的衰落信道，但在各子信道上的衰落却是近似平坦的。通过对各个子载波的联合编码，使其具有 很强的抗衰落能力。 2 信道频谱利用率很高。 o f d m 系统由于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。另外，o f d m 还可以使用多进制调制( 如频率 利用率很高的q a m ) 。进一步提高了o f d m 系统的频谱利用率。 3 o f d m 实现比较简单。 在子载波数量很大的系统中，调制解调可以通过快速傅立叶变换( f f t 及其反变换i f f t ) 来实现， 不需要采用带通滤波器组分离信号，并且可以引用d s p 技术。 4 易于和其他多种接入方法结合使用。 其中包括多载波码分多址m c c d m a 、跳频o f d m 、o f d m t d m a 以及本文所提到的 m b o f d mu w b 等等，使得多个用户可以同时利用o f d m 技术进行信息的传输。 但是o f d m 系统内由于存在多个正交子载波，而且其输出信号是多个子信道信号的叠加，因此 与单载波系统相比，存在如下主要缺点： 1 o f d m 易受同步误差的影响。o f d m 子载波间频谱重叠，这就要求各子载波严格正交。但是 4 第一章绪论 由于发送机和接收机本地振荡器之间存在频率偏差，使得o f d m 系统子载波之间的正交性遭到破坏， 解调性能迅速恶化。o f d m 的定时偏差也会引起o f d m 符号间干扰，幅度衰减，子载波间正交性破 坏。 2 存在较高的峰值平均功率比。多载波调制系统的输出是多个子信道信号的叠加，因此如果多 个信号的相位一致时，所得到的叠加的信号的瞬时功率就会远远大于信号的平均功率，导致出现较 大的峰值平均功率比( p e a kt oa v e r a g ep o w e rr a t i o ，p a p r ) 。这样就对发射机内放大器的线性范围 提出了很高的要求。如果放大器的动态范围不能满足信号的要求，则会为信号带来畸变，使叠加信 号的频谱发生变化，从而导致各个子信道信号之间的正交性遭到破坏，产生相互干扰，使系统性能 恶化。 1 4u w b 技术发展中的问题 超宽带通信应用中存在的一个重要问题是与其他通信系统的共存和兼容问题。由于超宽带系统 使用很宽的频带，所以和很多其他的无线通信系统频段重叠。虽然从理论上说超宽带系统的发射功 率谱密度很低，应能和其他系统“安静的共存”，但实际应用中超宽带系统对其他系统的兼容性需要 用实验证明。特别是超宽带系统的工作机理和特性还有很多不清楚的方面，比如超宽带系统的带外 干扰问题，即超宽带设备也有可能对在其工作频段之外的无线系统产生一定的干扰，这部分干扰还 很难用理论计算的方法准确估计。因此虽然f c c 将u w b 工作频段定为3 1 g h z 以上，但超宽带设 备对3 1 g h z 以下频段系统( 如2 g 3 g 蜂窝移动通信系统、p h s 、无线局域网系统) 的干扰也需要 考虑。 功率控制方面，f c c 规定u w b 设备主要的工作频段将位于3 1 g h z 和1 0 6 g h z 之间，这个频 段内，其发射功率被限制在- 4 1 3 d b m m h z 以下。而在此频段以外，实行更严格的功率控制标准。除 了要考虑对已有通信系统的干扰外，还要考虑对已有非通信业务有可能产生的干扰。除f c c 之外， 日本在2 0 0 6 年也提出了自己的u w b 频率范围和发射功率控制标准。i t u - r s g l ( 频谱规划研究组) 下曾经设立了1 8 任务组( t a s k c j r o u p l 8 ) ，研究范围为“u w b 设备和无线通信业务之间的兼容性”。 在该任务组研究期内，提出了全球u w b 频谱分配和监管的若干原则。 尽管目前u w b 的发展中存在着频率管制、标准化等难题，也还必须面对其他无线技术的竞争， 但是可以预见，随着无线多媒体应用越来越普及，u w b 将在消费电子领域、通信领域获得大规模应 用。 1 5 本文的研究内容和章节安排 本文的主要任务是研究应用于m b o f d mu w b 系统中的同步方案。该同步方案既要利用o f d m 技术的优势，又要结合高速超宽带系统的具体环境。本文以高速u w b 国际标准e c m a 3 6 8 为基础， 5 东南大学硕士学位论文 搭建计算机实验仿真系统，对同步方案进行性能仿真分析和研究。 第一章绪论简要介绍超宽带技术及其应用领域，超宽带技术相比其他无线技术的优势，o f d m 技术以及超宽带技术的发展前景。 第二章详细介绍了o f d m 系统中的同步技术。首先介绍o f d m 技术的基本原理并分析推导定 时同步和频率同步偏差对o f d m 系统的影响，然后针对两个关键步骤( 定时同步及频偏估计) 进行 详细的讨论。以s c h m i d l 和c o x 算法为主介绍了目前o f d m 系统中典型的定时同步方案，最后从时 域和频域两个方面介绍了频偏估计算法。 第三章对m b o f d mu w b 系统中的同步技术进行充分的研究。首先对规范超宽带系统的 e c m a - 3 6 8 标准物理层做了简要介绍，并介绍了超宽带信道模型，本篇论文的仿真都是基于此信道 模型进行的。由于m b o f d mu w b 系统主要基于o f d m 技术，因而借鉴了第二章中提到的同步算 法，并参考超宽带的信道模型提出了一种新的适合超宽带系统的定时同步方案。该算法能够收集多 径分量，从而达到同步性能的改善。最后针对m b - o f d mu w b 系统只含小数频偏的情况，选取了 一种适合超宽带系统的易实现的频偏估计算法，并对采用的频偏估计算法性能进行分析。 第四章设计了m b o f d mu w b 系统的接收方案。以第三章的分析为基础，综合考虑复杂度和 性能要求，制定出一套完整的系统接收方案。方案确定了同步的具体流程和算法并对符号同步、载 波频率同步作了深入研究。 第五章对本论文的工作进行了总结，并展望下一步的研究工作。 6 第二章o f d m 系统中的同步技术 第二章o f d m 系统中的同步技术 o f d m ( 正交频分复用) 技术具有高效高速的数据传输及抗多径干扰的能力，被认为是未来移动 通信中一项颇具竞争力的技术。但o f d m 对于同步( 包括定时同步、频率同步等) 的要求也很高：同 单载波系统相比，o f d m 对同步误差要敏感得多，接收端需要与发送端保持精确的同步。 同步算法性能的好坏对系统性能影响很大。o f d m 系统子载波的频谱相互重叠，这就对子载波 之间的正交性提出了严格的要求。如果发送端和接收端本地振荡器之间存在频率偏差，将使得o f d m 系统子载波之间的正交性遭到破坏，产生子载波间干扰，解调性能迅速恶化。定时偏差的存在则使 得o f d m 符号问产生干扰，幅度衰减，子载波间正交性破坏。 本章首先对正交频分复用( o f i ) m ) 的系统结构和基本原理作了介绍，然后分析了o f d m 系统 定时同步偏差和频率同步偏差对系统产生的影响，最后详细介绍了o f d m 系统的定时同步和频率同 步技术。 2 1o f d m 系统基本结构 o f d m 收发系统框图如图2 1 。 发送数 图2 1o f d m 收发系统框图 在发送端，首先对发送数据流进行编码、交织、映射，然后经过串并变换成为并行的路。做 点i f f r 变换把数据调制到正交的子载波上并行发送。把i f f t 变换后得到的个样点称作一个 o f d m 符号，再在两个o f d m 符号之间插入保护间隔( g u a r di n t e r v a l ，g i ) ，通过d a 变换从发送 机发送出去。接收端对射频信号下变频后进行抽样，得到离散的信号，然后通过定时估计找到o f d m 符号的起始位置，去除g i 部分，并作点f f t 变换，利用差分解调或基于信道估计参数辅助的相 干解调，再对解调后数据进行解交织、解码得到初始的数据。 由图2 1 可以看出，o f d m 系统中区别于传统多载波系统的不同之处主要在于：使用i f f t f f t 实现o f d m 符号的调制解调和采用保护间隔用于抵抗频率选择性信道的符号间干扰( i s i ) 。以下 7 东南大学硕士学位论文 对这两点分别进行介绍。 2 1 1i f f t f f f 实现o f d m 调制解调 图2 2 为o f d m 信号的频谱，由图可见，各子信道的频谱峰值相应于所有其它子信道的频谱零 点，满足正交性。由于不同子信道在频域可以有l 2 重叠，所需带宽就小于用单载波传同样数据量 所占的带宽，因此频谱利用率高于单载波系统。如子载波数越多，频谱利用率就越高，从而可以将 频谱效率提高近一倍。 图2 2o f d m 子载波频谱图 由于o f d m 系统子载波相互正交，可用i f f t f f t 实现快速调制和解调。采用一组相互正交的 子载波构成的信道传输数据流，这些子载波在频率上等间隔分布，载波问隔一般取码元周期的倒数。 设原始基带数据信号带宽为曰，码元速率为n r ，码元周期为r 。现将原始信号分割成路子信 号，分割后的码元速率为r ，码元周期为r 。设 ) 为一组正交子载波，每个子载波上信号波形持 续时间有限，频谱为s i n f f 形状。各个子载波之间的关系为五= f o + k t ，k = o ，l le t 9 n l ，l r 为相邻两个子载波间的频率间隔。容易证明：因为选择子载波频率间隔为f = 1 丁，在一个符号持 续时间内，任何两个子载波乘积的积分等于零，即各路信号在整个符号持续时间 o ，刀内是正交的。 这样，即使各子载波上的信号频谱间存在重叠，利用其正交也能无失真地恢复原信号。 o f d m 符号的基本模型框图如图2 3 。 8 第二章o f d m 系统中的同步技术 e 1 2 | 知 e - j 2 - 如 立如划f b 一2 印 p j 2 “一 4 ，b 廿 p s s p+ 刊c 卜 一2 。缸- 部 立l 图2 3o f d m 符号等效复基带框图 在发送端，发送数据经过数据映射形成速率为r 的基带信号d l 。这里，基带波形采用持续时间 有限的矩形波形，并且数据要成块处理。基带信号经过串并变换成为n 个子信号，再去调制相互 正交的n 个子载波，最后相加形成o f d m 发送信号，即： 。(f)-(2，。rntexp-ntnffio) ( 2 1 ) d ( f ) - l ( 2 1 ) o f d m 实际上是一种频分复用方式，由一系列在频率上等间隔的子载波构成，用 五 表示一组 载波，各载波频率的关系为： 五 = 五+ k t ；k = o ，1 ，2 n 一1 ( 2 2 ) 上式中，t 为o f d m 符号周期，f o 为发送频率。 接收端接收到信号后进行如下的解调： 瓦= ；r 。( ，) e x p ( 一_ ，2 万厶，) 出= 亍1j d _ t n 刍- i 或e x p ( 2 石工r ) e x p ( - j 2 万厶，p ：7 1n 刍- i 吒r 唧( - ，2 7 r ( n - m ) t ) 出 q 3 子载波满足正交性： t e - j 2 r f t 饥 1 ：主： 亿4 ， 由式( 2 4 ) 可知，当y l - m 时，调制载波正与解调载波厶为同频载波，满足相干解调的条件， 此时积分值为t ，可以恢复出原始信号邑= 屯；当z 厶时，调制载波z 与解调载波厶为不同频 率载波，它们之间互相正交，无法解调出信号，这样即在接收端完成了信号的分离和提取，从而实 现了信号的传送。 对上述的连续信号进行采样t = k t n ，k = o ，l ，n - 1 。则发送信号表示为 o k = 篓以e x p ( - ，警) ， = 以l _ ，等i ( 2 5 = o 可以看到砬等效为对d n 进行i f f t 运算，同样在接收端可以看作对砬作f f t 运算得到解调信 9 东南大学硕士学位论文 号五。所以，o f d m 系统的调制与解调可以用i f f t 和f f t 来代替。m f l 柳算法的发展大大降低 了计算复杂度和o f d m 系统实现成本，从而为o f d m 技术的广泛应用莫定了基础。 2 1 2 保护间隔 无线信道的多径效应使串行发送的信号相互影响，给信道均衡器的设计带来了很大的困扰。应 用o f d m 技术的一个重要因素在于它可以有效地对抗多径时延扩展。通过将输入数据流串并变换到 个并行的子信道，使得每个调制子载波的数据周期扩大为原始数据符号周期的倍，每个子载波 上的比特率降低为原来的1 ，从而将频率选择性信道在频域内转变成平坦信道，达到有效地对抗 频率选择性衰落的目的。为了最大限度地消除i s i ，系统还可以在相邻两个o f d m 符号之间插入保 护间隔( g u a r di n t e r v a l ，g i ) 。该保护间隔长度乏一般要大于无线信道的最大时延扩展f 懈，这样 一个符号的多径分量就不会对下一个符号造成干扰。在这段保护间隔内，系统可以不插入任何信号， 郎填零后缀p j ( z e r o - p a d d m gs u f f i x ，z p ) ，也可以加入循环前缀同( c y c l i cp r e f i x ，c p ) o f d m 系统引入c p 作为保护间隔，即将符号的最后工个样点复制到最前面，形成的o f d m 循 环前缀结构图如图2 4 。 山 i 循环前缀部分_ 被复制部分 t 0l 一l 二一ln+ 工一l 图2 4o f d m 循环前缀结构图 z p 是另一种消除i s i 的有效方式。通过在每段数据的尾部添加长度为三的一段零来形成新的数 据段，如图2 5 所