（通信与信息系统专业论文）ofdm及mimoofdm同步技术的研究.pdf

中文摘要 摘要 随着通信领域的迅猛发展和人们需求的日益增长，加之3 g 标准的制定和牌照 的发放，在现代通信系统中，越发体现出了移动网络和通信技术的重要性。而对 下一代通信系统( 4 g ) 的主流技术正交频分复用( o f d m ，o r t h o g o n a lf r e q u e n c y d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 的研究工作也日益受到人们的关注。该技术将高速的串行数 据流分成若干个低速的并行子数据流，并各自调制到一组相互正交的子载波上， 以其高效的频谱利用率及抗多径干扰的能力，成为了通信领域的时代新宠儿。 由于o f d m 技术对频率偏差及相位噪声相当敏感，所以同步技术便成为了 o f d m 系统中的关键技术之一。如果系统中缺乏必要的同步机制，则各个频道的 正交性就会受到影响，从而给整个系统带来不可预知的恶果。众所周知，o f d m 系统基本上有三类同步方式：符号定时同步、载波频率同步、采样时钟同步。而 本文主要是研究o f d m 系统中的符号定时和载波频率同步的问题。 本文首先介绍了o f d m 系统的基本原理，详细分析了各种同步误差对系统性 能的影响。在考虑a w g n 信道和多径瑞利信道的基础上，利用计算机仿真软件 ( m a t i _ a b ) 对最大似然估计( m l ) 以及基于最大似然估计的若干算法进行了研 究、仿真和对比，而且分析了各算法的优缺点。这些算法包括：拓展m l 算法、 迭代m l 算法、平均m l 算法、加权m l 算法；根据p n 序列的自相关性，另外提 出了一种算法，并对其进行了仿真、说明；最后提出了一种完全基于循环序列c p 的代数运算同步算法，同样对性能进行了具体地说明，通过仿真，证明了该算法 具有比m l 算法更为简洁的优势。 本文不仅对基本o f d m 系统做了详细说明，而且还对m i m o o f d m 系统进行 了研究分析，同时，也结合了各种同步技术对模型进行了分析说明。 在文章的最后，利用计算机模块化仿真工具s i m u l i n k ，对整个o f d m 系统 进行了分块建模仿真，并利用数据和图形对各模块及整个系统进行了详细解析。 关键词：正交频分复用；符号定时同步；载波频率同步；m l 算法 英文摘要 s t u d i e so ns y n c h r o n i z a t i o nt e c h n i q u ei no f d ma n d m i m o o f d ms y s t e m s a b s t r a c t n o w a d a y s ，w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ec o m m u n i c a t i o na n dt h ep e o p l e sg r o w i n g d e m a n d ，i na d d i t i o n ，t h ef o r m u l a t i o no f3 gs t a n d a r d sa n dt h er e l e a s i n go fl i c e n s ep l a t e ， m o b i l en e t w o r ka n dc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yh a v eb e c o m em o r ei m p o r t a n ti n m o d e r nc o m m u n i c a t i o ns y s t e m t h er e s e a r c ho nt h en e x tg e n e r a t i o no fm o b i l e c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y - 一o f d mh a sb e e np a i dm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n o f d m s p l i t sah i g h r a t ed a t as t r e a mi n t oan u m b e ro fl o w e rr a t es t r e a m st h a ta l et r a n s m i t t e d s i m u l t a n e o u s l yo v e ran u m b e ro fs u b c a r r i e r sa n db e c o m e sn e w - - e r ap e tb e c a u s eo fi t s h i g l ls p e c t r u me f f i c i e n c ya n d r o b u s tc a p a b i l i t yo f d e c r e a s i n gm u l t i p a t hi n t e r f e r e n c e o f d mi sv e r ys e n s i t i v et of r e q u e n c yo f f s e ta n dp h a s en o i s e ，s os y n c h r o n i z a t i o ni s o n eo ft h ek e yp r o b l e m sf o ro f d ms y s t e m i fl a c ko fn e c e s s a r ys y n c h r o n i z e r , t h e o r t h o g o n a ic h a r a c t e ro fs u b - c h a n n e l sw i l lb ed e s t r o y e d ，i tw i l li n t r o d u c eu n p r e d i c t a b l e b a dc o n s e q u e n c e a sk n o w nt oa l l ，t h e r ea r ct h r e ek i n d so fs y n c h r o n i z a t i o nm o d e si n o f d ms y s t e m ：s y m b o lt i m i n g ，c a l t i e rf r e q u e n c ys y n c h r o n i z a t i o n ，a n ds a m p l i n g s y n c h r o n i z a t i o n t h em a i nt a s ko ft h i st h e s i s i st os t u d yt h 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 nt e c h n i q u e s f i r s t l y , t h i sp a p e ri n t r o d u c e sb r i e f l yt h eb a s i cp r i n c i p l e so ft h eo f d ms y s t e ma n d a n a l y s e st h o r o u g h l y t h ee f f e c t so fr e l e v a n tn o n - i d e a lt r a n s m i s s i o nc o n d i t i o n s c o m m u n i c a t i o ne m u l a t o ri su t i l i z e dt or e s e a r c h ，e m u l a t i o na n dc o n t r a s t t om l a l g o r i t h ma n ds e v e r a la l g o r i t h m sw h i c hb a s e do nm la l g o r i t h m ，a n de x p l a i n st h e i r s a d v a n t a g e sa n dd e f e c t s t h e s ea l g o r i t h m sa l e ：g l o b a l l yo p t i m u mm le s t i m a t i o n ， i t e r a t i v em l e s t i m a t i o n ，a v e r a g em le s t i m a t i o n ，w e i g h t e dm l e s t i m a t i o n a na l g o r i t h m b a s e do np nc h a r a c t e r i s t i ci sr e i n t r o d u c e da n ds i m u l a t e d ；a tt h ee n d ，an e wa l g o r i t h m b a s e do nc pa b s o l u t e l yi s p r e s e n t e d m a n ys i m u l a t i o n sa r eg i v e n ，a n dp r o v et h i s a l g o r i t h mi ss i m p l e rt h a nm l e s t i m a t i o n t h i st h e s i si sn o to n l ye x p l a i n e dt h eb a s i co f d ms y s t e mb u ta l s os t u d i e dt h e m i m o - o f d ms y s t e m a tt h es a m e t i m e ，c o m b i n i n gv a r i o u ss 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 n a l y z et h i sm o d e l 英文摘要 l a s t l y , t h ew h o l eo f d mm o d e li sd i v i d e da n dt h em o d e l so fe a c hp a r ta r eb u i l tb y s i m u l i n k k e yw o r d s ：o f d m ：s y n c h r o n i z a t i o n ；m l a l g o r i t h m ；p na l g o r i t h m 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成硕士学位论文竺q e 旦丛拯丛! 丛q ：q e q 丛回垄撞苤的婴究= = 。除论文 中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文 中以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公 开发表或未公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 讨 学位论文版权使用授权书 溯年o ；月万日 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连海事大学研究生学位论文提交、 版权使用管理办法”，同意大连海事大学保留并向国家有关部门或机构送交学位 论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 榉雠媚五鬈羔一彬 不保密翻( 请在以上方框内打“”) 论文作者签名：讨肾导师签名：钾燃 日期：含略年o 月歹白 o f d m 及m i m o o f d m 同步技术的研究 第1 章绪论 1 1 移动通信的发展 进入2 1 世纪以来，无线通信技术正在以前所未有的速度向前发展，近十年几 乎是按着指数方式递增。随着用户对各种实时多媒体业务需求的增加和互联网技 术的迅猛发展，可以预计，未来的无线通信技术将会有更高的信息传输速率，为 用户提供更大的便利，其网络结构也将发生根本的变化。目前普遍观点是，下一 代的无线通信网络将是基于统一的m v 6 包交换方式，向用户提供的峰值速率超过 1 0 0 m b i t s ，并能支持用户在各种无线通信网络中无缝漫游的全新网络。为了支持 更高的、抗多径干扰能力更强的新型传输技术。在当前能提供高速率传输的各种 无限解决方案中，以正交平分复用( o f d m ) 为代表的多载波调制技术是最有前途 的方案之一，这也预示着正交平分复用将是b 3 g 、4 g 中最为主流的调制技术。下 面就详细介绍下移动通信技术的发展历程。 f _ _ 卜圈发展规模 r 囹：增值业务， 1、。_ 一b 图i - i 移动通信技术发展历程 f i g 1 1d e v e l o p m e n to f m o b i l ec o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y 1 1 1 第一代模拟蜂窝通信系统( i g ) 2 0 世纪7 0 年代随着大规模集成电路技术和计算机技术的迅猛发展，多年来一 直困扰移动通信的终于小型化和系统设计等关键问题得到了解决，移动通信进入 第1 章绪论 了蓬勃发展的阶段。随着用户数量的急剧增加，传统的大区制移动通信系统很快 达到了饱和状态，无法满足服务要求。针对这一情况，美国的贝尔实验室提出了 小区制的蜂窝式移动通信系统的解决方案，在1 9 7 9 年开发了a m p s ( a d v a n c e m o b i l ep h o n es e r v i c e ) 系统，8 0 年代中期，欧洲和日本也纷纷建立了自己的蜂窝 移动通信网，主要代表有：英国的e - t a c s 、霉本的n 啊，薯艺欧匿家的n m t - 4 5 0 ， 这些都是双工的f d m a 模拟调制系统，被称力第一代蜂窝移动透信系统。 在取得巨大成功的同时也暴露了一些问题，诸如：频谱效率低，有效地频谱资 源和无限的用户容量的矛盾十分突出；业务种类比较单一，主要是语音业务；其 次，模拟系统存在同频干扰和互调干扰，且保密性较差，所以在日益激烈的市场 竞争中已被逐步淘汰。 1 1 2 第二代数宇蜂窝移动通信系统( 2 g ) 1 9 9 2 年第一个数字蜂窝移动通信系统，欧洲的g s m ( g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l e c o m m u n i c a t i o n s ) 网络在欧洲铺设，由于其优越的性能，所有该系统在全球范围内 飞速扩张，目前该系统的用户数超过世界上蜂窝系统用户的6 0 ，是全球最大的 蜂窝通信网络。之后美国的d a m p s 和日本的j d c 等系统也相继投入使用，这些 系统的空中接口都采用时分多址( t d m a ) 的接入方式。1 9 9 5 年采用码分多址接 入方式的美国高通公司的q c d m a 系统被推出。 第二代数字蜂窝系统较f d m a 系统有许多的优势：频谱利用率较高，系统容 量大，保密性好，语音质量高等。我国移动通信主要是g s m 体制，比如中国移动 的1 3 5 到1 3 9 手机，中国联通的1 3 0 到1 3 2 都是g s m 手祝。蟊前使用g s m 的用 户占国内市场的9 7 。 在信息时代，语音、图像和数据相结合的多媒体业务量将会大大增加，所以人 们对通信业务多样化的要求与日俱增，而且随着用户术的迅猛增长，现在的系统 也远远不能满足用户容量的发展趋势。故为第三代移动通信系统的出现指明了前 景，并为其奠定了夯实的基础。 1 1 3 第三代蜂窝移动通信系统( 3 g ) 为满足更多更高速率的业务以及更高频谱效率的要求，同时减少目前存在的 各大网络之间不兼容性，早在1 9 8 5 年i u t - r ( c c 佩) 就成立了i w p 8 1 3 工作组， o f d m 及m i m o - o f d m 同步技术的研究 开始研究全球范围内运营的f p l m t s ( f u t u r ep u b l i cl a n dm o b i l et e l e p h o n e s y s t e m ) 。1 9 9 2 年匿际电联删的世界无线电管理会议为f p l m t s 确定了2 g h z 周围的频谱。1 9 9 5 年f p l m t s 又被正式命名为国际移动电信2 0 0 0 系统 ( 琢f 孓2 o ) 。i m t - 2 0 0 0 支持的网络被称为第三代移动通信系统，简称3 g ，它支 持速率高达2 m b i f f s 的业务，而且业务种类涉及语言、数据、图像以及多媒体等业 务，目前主流的三大标准为欧洲提出的w c d m a 、美国提出的c d m a 2 0 0 0 和我国 囱主提出的t d s c d m a ，主要特点可以概括如下：全球普及和全球无缝漫游，使 用共同的频段，全球统一标准；具有迟滞多媒体业务的能力，特别是支持i n t e m e t 业务；快速移动环境下最高速率达1 4 4 k b i t s ，室外到室内或步行环境最高达到 3 8 4 k b i t s ，室内环境最高速率达2 m k b i t s ；便予从2 g 过渡演进。 在2 g 与3 g 技术之间，嚣前市场上还推出了2 5 g 技术，比如中国移动的g p r s 和中国联通即将推出的c d 撇l x 技术。 。 。4 第殴代移动遴信( 4 g ) 正当3 g 实验如火如荼进行的时候，a t & t 实验室等研发机构正在研究第四代 移动通信系统( 4 g ) 技术。4 g 的垦标是成为一个无所不在的无线通信系统：提供 无缝、高q o s 、高速率的无线业务。第四代移动通信必须可以容纳庞大的用户数、 达到高数据传输的要求和改善现有透信品质。4 g 在业务、功能和频带上都将不同 于3 g 。其概念也可以成为广带接入和分布网络，它具有非对称的超过2 m b i t s 的 数据传输能力f 弘。第四代移动通信可以在不同的固定、无线平台和跨越不同的频带 网络中提供无线服务，可以在任何地方宽带接入互联网，能够提供定位定时、数 据采集、远程控制等综合功能。同时，第四代移动通信还应该是多功能集成的款 待移动通信系统，使宽带接入口系统。3 g 核心技术是c d m a 技术，而4 g 的核 心技术则是o f d m 。它具有如下优点： ( 1 ) 兼容性好 网络终部接毯多种多样，4 g 将融入各种无线接入技术，每种接入技术都摄据 它的覆盖范围、带宽或时延提供不同的服务，但它们具有一个共同的部分无 线接入网( 黜蛾) 接墨。 ( 2 ) 通信速度更快 第1 章绪论 4 g 移动通信技术的信息传输速率要比3 g 高个等纠2 1 ，即从3 m b i t s 提高到 10 m b i t s - - 2 0 m b i t s ，最大传输速率可达1 0 0 m b i t s 。 ( 3 ) 灵活性更强 4 g 系统采耀多项智能技术，使系统对通信过程中变化的业务流大小做出相应 处理，以满足逶信要求。在信道条件下不阋的各种复杂舔境中，采用智能信号处 理技术可正常发送和接收信号，有很强的智能性、适应性和灵活性。 ( 4 ) 无线频谱率用率更高 无线频谱资源是一种有限且珍贵的通信资源，4 g 技术将以几项突破性技术为 基础( 如o f d m 技术、无线接入技术、光线通信技术和软件无线电技术等) ，提高 无线频率的使用率和系统可实现性。 ( 5 ) 无线系统容量更大 4 g 在f d m a 、t d m a 、c d m l a 的基础上弓| 入了空分多址( s d m a ) 。空分多 址将会采取自适应波束，如同无线电波一样连接到每一个用户，从悉使无线系统 容量比现在提高了l 2 个数量级。 ( 6 ) 业务类型更广泛 在未来的全球通信中，人们所需的是多媒体通信。4 g 有望集成不同模式的无 线通信，用户可以自南自在地从一种标准漫游到另一种标准。各种业务应用和各 种系统平台闻的互联将更为便捷和安全。针对不同用户的要求，更富个性化溺。 1 2o f d m 技术的发展 o f d m 的概念是在2 0 世纪6 0 年代提出的，但早期的o f d m 系统因其结构复 杂限制了其进一步推广。7 0 年代，人销提出了采用离散傅氏变换实现多载波调制， 豳于f f t 和i f f t 易用d s p 实现，所以此时o f d m 技术开始走向实用化，逐步迈 入了藏速m o d e m 和数字移动通信的领域，从此正式走上了通信的舞台。o f d m 的 诸多优点，使它受到广泛关注，o f d m 技术已被欧洲的数字电视标准( d v b - t ) 和数字音频广播( d a b ) 标准所采纳，目前已经作为w l a n ( 工作在5 0 g h z 波段) 和宽带无线接入的关键技术，其目标是提供6 m b i t 弘5 4 m b i t s 数据速率。这是 o f d m 第一次用于分组业务当中。其后，e t s i ，b r a n ，m m a c 以及i e e e 8 0 2 1 l g 也纷纷采溺o f d m 作为其物里层的标准 舅。一切显示o f d m 将成为下一代移动通 o f d m 及m i m o - o f d m 同步技术的研究 信主流导向是大势所趋。 虽然o f d m 在各方面都有绝对的优势和便利，然而，它仍然存在一些固有的 问题，阻碍了其成为建立成熟的第四代无线通信系统的基础，影响其在无线通信 领域的深入发展。这些问题包括：对载波的相移和时钟取样( 同步) 的误差比单载 波系统的要敏感；相关解调对信道估算要求严格；同时o f d m 信号的“峰值和平 均值的功率比 较高( 即具有比较大的动态范围要求) ，所以对放大器的线性要求 也较高。这些问题必须彻底解决才能使o f d m 成为一种实用的、经济的、能解决 多径干扰的数据传输技术。 1 3 问题的提出 o f d m 系统采用了正交频分复用技术，把数据流分解为若干个子比特流，这 样每个子载波将具有低得多的比特速率，用这样形成的低速率符号去调制相应的 子载波，从而构成多个低速率符号并行发送的传输系统，与单载波系统相比大大 降低了接收机的复杂度，克服了单载波系统时延扩展超过d f e 均衡器处理能力情 况下系统性能恶化的问题f 2 1 。但是o f d m 系统有两个主要的缺点： ( 1 ) 易受频率偏差的影响 由于频谱相互覆盖，只有在保持严格正交的情况下才能正确的解调，如果载 波偏差大到一定值，甚至会造成地板效应，即无论如何提高发射功率都无法提高 系统性能，所以对子载波之间的正交性提出严格的要求，但是由于无线信道的时 变性，传输过程中会出现无线信号的频率偏移，例如发射机载波频率与接收机载 波频率的偏差，多普勒频移等都会使得子载波之间的正交性破坏，从而引起信道 的相互干扰( i c l ) 。 ( 2 ) 存在较高的峰值平均功率比( p a r ) 与单载波系统相比，由于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，所得叠加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 a r ) 。这样就对发射机内放大器的 线性提出了很高的要求，如果放大器的动态范围不能满足信号的变化，则会带来 信号的失真，使信号频谱发生变化，从而破坏子载波之间的正交性，使系统性能 恶化【3 1 。 第1 章绪论 综上我们可以看出，对系统关键部分的同步( 大致分为符号定时同步、载波频 率同步以及采样频率同步) 控制显得尤为突出，所以本文针对该特点，对o f d m 符号定时以及载频同步部分作了相关的算法分析和模型仿真。 1 4 已有同步算法总结 当接收端和发送端有良好的同步时，o f d m 系统就会有高的数据传输率。这 意味着在传送数据时两方必须保持相同的调制频率和时间定时范围。然而，事实 上并非如此，o f d m 系统远比单载波系统对符号定时误差和频率偏移敏感。因此， 符号定时和频率偏移的同步闷题是o f d m 系统的一项重要任务。 在o f d m 系统中，符号定时和频率偏移的弱步技术一般可分为两类：数据援 助技术【4 】和非数据援助( 盲估计) 技术1 5 】。数据援助技术使用己知位模式或者蓠缀信 号来估计时间和频率。数据援助结构限制了它们的应用领域，因为必须在发送端 产生些特殊的同步符号，这样有效的数据率就会降低。因此，非数据援助技术 受到关注，它不使用前缀信号或者训练序列估计来自接收数据的同步参数，而是 使用关于信息信号的统计即旁侧信息来估计。传统上，最大似然标准被广泛应用 于同步参数的盲估计。在该标准里，同步参数被看作是确定的但未知。 现有的经典的同步方法由em o o s e 提出，但该方法具有定时不确定的特点。 传统同步方法是将o f d m 数据波形复制，以用于勰决o f d m 系统中的同步阍题。 同步信号通过分别求一个符号或半个符号的抽样相关德到。该相关器输出信号的 幅度为定时信号，而同一信号的相位则用于衡量频率偏移。当使用循环前缀时， e l j 于循环前缀信号也是o f d m 部分波形信号的重复，定时信号将有一个平坦区， 这样就无法确定数据包的确切起始点。另外，如果不使用循环前缀，则频率偏移 估算将受到符号闻干扰( i s i ，i n t e r n a ls y m b o li n t e r f e r e n c e ) 的破坏，而只有通过对接 收抽样信号赋予权重来减轻这一影耐6 l 。 类似的同步技术，即通过计算抽样信号的相关性来得到同步信号，需要繁重的 计算，通常应用予不太复杂的系统中。另一些低复杂度方法例如使用前缀同步信 号，仅采用o f d m 频谱的一半用于传输。在每个半频带中的信号重复，从而得到 同步信号。这一方法在有中等或较高信嗓比的情况下，对于符号同步性能良好， 然磊只能给出租略的时闻同步信号，且无法估算频率偏移。对于低信嗓比的情况， o f d m 及m i m o - o f d m 同步技术的研究 时间同步的不确定性依然存在，且丢失同步信号的概率很大。 1 5 本文的主要工作和研究的重点 围绕以上问题，本文首先对o f d m 系统的原理进行了介绍和扼要的分析，其 次推导了各种似然同步算法，并介绍了m i m o o f d m 中的同步技术。但其主要研 究目标是o f d m 系统的同步问题，而具体落脚点是时间和频率的联合同步技术。 基于最大似然估计( m l ) 算法，探讨了四种改进的m l 算法，另外提出一种新型算 法；基于p n 序列的自相关性，再提出一种同步算法，并给出相应的仿真结果。本 课题偏重于前几种算法的探讨，其具体研究工作安排如下： 。 ( 1 ) 在a w g n 和瑞利衰落两种信道模型下，用m a t l a b 工具对最大似然估 计( m l ) 算法进行系统仿真。 ( 2 ) 从广度上对m l 算法进行扩展，提出拓宽的m l 同步算法。 ( 3 ) 从深度上考虑m l 算法，提出迭代的m l 同步算法。 ( 4 ) 从计算精度上考虑m l 算法，提出连续符号平均m l 同步算法。 ( 5 ) 综合考虑计算精度和时问复杂度，提出改进m l 同步算法( 加权) 。 以上五种算法，都利用了m a t l a b 算法模拟仿真工具，在两种信道模型下进 行仿真对比，并说明各自的优越性。 ( 6 ) 完全基于循环前缀c p ，提出了一种新的代数运算同步算法。在高斯信道 模型下仿真对比其优越性。 ( 7 ) 基于p n 序列的自相关性，提出一种同步算法，在a w g n 信道下对其进 行仿真分析。 ( 8 ) 基于s i m u l i n k 构建了o f d m 系统模块，并对其进行了仿真分析。 论文的结构安排如下：第二章介绍了无线信道的o f d m 系统，重点讨论了 o f d m 符号和载波的同步问题；第三章介绍了s i m u l i n k 工具，并构建了仿真模块， 对o f d m 系统进行了相应的仿真和分析。第四章介绍了最大似然估计( m l ) 算法及 各种基于m l 算法的扩展算法，并对各种算法进行了仿真和对比分析；最后提出 了一种完全基于循环c p 的估计算法，同样也进行了仿真分析；第五章提出一种基 于p n 序列自相关性的同步算法，并讨论了实现o f d m 定时同步和频率同步的扩 展频谱导频技术；第六章介绍了m i m o o f d m 系统的中应用的相关同步算法。 第2 章o f d m 系统及其应用 第2 章0 f d m 系统及其应用 正交频分复用( o f d m ) 是一种多载波调制方式，它是4 g 的核心技术，其最大 优点是利用其特殊韵符号构造特点和多载波并行传输的特性，对抗了频率选择性 衰落( 它用减少和消除码间串扰i s i 的影响来克服信道的频率选择性衰落) ，同时又 提高了频谱利用率。它不仅仅可以大大增加系统的容量，更重要的是它能更好地 满足多媒体通信要求，做到了真正“随心所欲”的通信。 其基本思想是在接收端把高速率的信源信息流通过串弗变换，变换成低速率 的路并行地速率数据流，然后对个相互正交的载波进行调制，将路调制后 的信号相互叠加即得发射信号；在接收端，再通过同理的逆过程，恢复得到我们 所翅望的各种信号。 综合各种资料，在图2 - 1 中，给出了o f d m 系统的基本原理框图，其中包括 鹾个部分：发送端部分和接收端部分。其中多载波调制部分，图中用红色和蓝色 虚线框的i f f t f f t 代替，对该部分的具体分析见后续相关章节。 图2 1 基于m a t l a b 系统仿真的o f d m 基本模型 h g 2 1b a s i cm o d e lo f o m mb a s e do nm a t l a b 在此首先给出在理想高斯信道下，按照基本模块搭建起的o f d m 模型的仿真 魏线( 误b i l 率) ，益线如图2 2 所示。其中，上圈是误b i t 个数，下图是误b i t 率。m a t l a b 仿真基本参数：高斯信道环境，载波数为2 5 6 ，循环翦缀为5 0 ，系统 采用q a m 编码调制技术。 o f d m 及m i m o o f i ) m 同步技术的研究 籁 牛 ：鼍 d 蝼 辗 髅 1 ； d 账 螺 1 谣 信噪比s n r ( 分贝) 图2 2o f i ) m 基本模型的理论仿真曲线( 误b i t 率) f i g 2 - 2s i m u l a t i o nc u r v eo fo f d m m o d e l ( b e f ) 可见，o f d m 系统的误b i t 率相对单载波系统在理论上要低一些，而且在可靠 性这一点上要更为突出，这就表明了其优越的抗干扰能力和传输性能。 2 10 f d m 基本原理 o f d m 是一种特殊的多载波调制方式，它将传送的信息分散到许多个正交的 子载波上，降低了各子信道的符号速率，使每路子信道上的符号持续时间变长。 当符号持续时间大于多径扩展乃时，可以克服多径衰落引起的码间串扰( i s i ) 。由 于各个子载波具有正交性，载波之间没有互相串扰，这不仅可以对抗高速通信系 统中的子信道间干扰( i c i ) ，还可以有效提高频谱利用率，克服信道的频率选择性 衰落。除此之外，当子信道数目比较多时，o f d m 可以采用f f r 算法实现，这能 大大降低系统的复杂程度。 设基带调制信号的带宽为曰，符号调制速率为尺，符号持续时间为瓦，且信 第2 章o f d m 系统及其应用 道的最大多径扩展 3 2 时，则基于f f r 的系统在计 算方面更加有效。 采用l f w 和f h 来实现o f d m 系统原理图如2 5 掰示： o f d m 及m i m o - o f d m 同步技术的研究 2 3 循环前缀 图2 - 5 用i f f t f 】盯实现o f d m 的系统框图 f i g 2 - 5s y s t e mf l a m eo fo f d mr e a l i z e db yi f f r ，f f t 正如2 5 图中所示的系统框图，o f d m 系统为了有效地对抗多径时延扩展而 且为了后续的同步算法，特意引进了保护间隔的概念。即在每个o f d m 符号之间 要插入适当的保护间隔( g i ) ，该保护间隔的长度疋一般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，通常情况下， 我们用循环前缀( c p ，c y c l i cp r e f i x ) 代替。即将o f d m 符号尾部宽度为瓦的部 分复制到该符号的最前面。如图2 - 6 所示： 循环前缀 t if f t 积分时间= 1 子载波频率间隔 i t 时延 图2 - 6 具有循环前缀的o f d m 符号 f i g 2 - 6c y c l i cp r e f i xo f o f d m 这样，时延小于保护间隔巧的时延信号就不会在解调过程中产生i c i , 然而如 果多径时延超过了循环前缀的长度，则由于f f t 运算时间长度内可能会出现信号 相位的跳变，因此在各路信号的叠加信号内就不再只包括单纯连续正弦波形信号， 第2 章o f d m 系统及其应用 从而导致予载波之间的正交性，引起i c i 。 2 。4 无线信道的特点 2 。4 衰落 在一个理想的无线信道中，接收信号只包括一条蠹接的路径，因丽在接收端 可以完美重现传输信号。在实际陆地移动系统中，由予移动台处于城市建筑群中 或地形复杂的区域内，其天线将接收来自多条路径的信号，再加上移动台本身的 运动，使得移动台和基站之间的无线信道多变且难以控制。对于工作在特高频 ( f ) 和甚高频( u h f ) 频段的移动通信，其电波传播主要利用空间波，因而有直 射波、折射波、散射波以及它们合成波等形式。所以，无线信号通过这种时变信 道时将会受到来自不同途径的衰减。具体示意图如2 - 7 所示： 图2 7 无线信号的多径传播 f i g 2 - 7m u l t i - p a t hp r o p a g a t i o no f r a d i os i g n a l 一般说来，这些损害可以归纳为三类：即大尺度路径损耗、阴影衰落和多径效 应。苁无线工程的实施来看，传播路径损耗和阴影衰落主要影响无线区域的覆盖 范围，合理的设计能使不利因素降到最低限度。两多径效应却对信号的传输质量 有着严重的影响，荠且是不可避免的，只能采用抗衰落技术来减少其作用。然而 在现实环境中，由于存在传输信号衰减、反射、折射、衍射，接收信号是以上信 号的叠加。另外，如果接收端和发送端存在相对移动，也会导致载波频移( 多普勒 效应) 。以上因素的存在与一个移动系统的性能密切相关，是我们要考虑与研究的 主要对象 粥。 一-i-一i八锄一一_ili建 ，i 黼暑jrllj缎反|=-蹴 | i i - - i _ - 一建 州 ；一 一 、- o f d m 及m i m o - o f d m 同步技术的研究 2 4 2 多径效应 2 4 2 1 瑞利衰落 在移动信道中，发送端发出的信号往往会受到物体的反射，如山坡、建筑物或 交通工具，这就导致接收端有可能接受到来自不同路径的信号。无线电波可由不 同的方式以不同的时延到达接收机。在接收机的天线上，它们通过矢量相加合成 一个信号。由于不同方向来的信号的合成结果，合成信号会增强或相互抵消。这 样，距离很近的接收机( 通常在1 2 波长距离上) 接收的信号电平可相差1 0 3 0 分 贝，这种现象通常称为快衰科3 1 ，一般可以用瑞利分布来描述通过多径效应后信号 功率的时变统计特性。 2 4 2 2 时延扩展 从时域角度看，由于各条路径的距离不同，因而信号到达终端的时间就不相 同，故若从基站发射一个脉冲，则接收信号中不但包括该脉冲，而且还包括它的 各个延迟信号，这种由于多径效应引起的接收信号的宽度扩展的现象，称为时延 扩展。依据不同的定义，时延扩展有最大时延扩展、平均时延扩展、均方根 时延扩展正等多种参数描述方法。表2 1 给出了各种不同信道环境下的最大时延 扩展值。 表2 - i 不同信道环境下的最大时延扩展值f m 缸 t a b 2 一lm a x i m u m d e l a y - e x t e n s i o no f d i f f e r e n tc h a n n e l 在数字通信系统中，由于多径传播的影响，前后发送符号的各条路径分量叠加 起来，会造成符号间干扰( i s i ) 。较强的i s i 会使得接收机的符号判决性能出现严 重的下降。从表2 - 1 可知，户外环境下的最大时延扩展可达2 0 u s ，当发送符号速 率超过l o o k b i t s 时，就会产生显著的i s i 。 第2 章o f d m 系统及其应震 2 4 2 3 频率选择性衰落 在任何移动开放传输中，信道的频谱喃应都不是平坦的。从频域上蓍，如果 多径信道具有恒定增益和线性相位的宽带范围( 称为相干带宽) 小于发送信号的 带宽，则该信道特性会导致接受信号波形产生频率选择性衰落，频率选择性衰落 是由信道对发送信号的时阆色散引起的。对予窄带传输，如果频响的“空洞”出 现在蒋输频率土，则可麓导致整个稿号薛失落。这一溺题可以通过以下两种方法 部分克服。 一种方法是将传输数据扩展到宽嚣信号上或| 扩展频谱( 懿e d 氛莲a ) ，则任鹰频 谱点上的陷落只会导致信号电平的部分衰落，而不是全部失落。另一种方法是， 将传输信号分配在许多窄带子载波上传输，如c o f d m o f d m 的情形。这样原有 信号就扩展到宽带范围上，豳于频选效应不可能发生在所有的载波频率上，因此 仅有帮分载波上的铸号丢失，焉不是所有信号。丢失部分的载波可以通过足够多 的前尚纠锘来恢复l l o l 。 概括来讲，多径效应影响o f d m 系统弱步定辩豹准确蕊，导致子载被信号嚣 幅度和相位畸变，破坏子载波的正交性，引入信道间干扰( i c l ) 。 2 。4 3 多普勒频移 如果接收端和发送端产生位置上有相对移动，刚存在信号的多普勒频移。倒 如：对于以速度v 运动的物体，则其接收载波的多普勒频移为： 五：五c o s o ：v e o ，s _ _ _ _ 0 0 ：导：丝 ( 2 国 其 c = 3 x l o s m s ，五麓最大多普勒频移，茺终端有效移动速度，z 为载 波频率，拶为路径角。 多普勒频移豹范蚕隽五。逶常它魄载波频率小的多。瓢运动体蓊舔到达蘸 波产生正的频移，铁运动体焉面到达的波产生负的频移。接收信号的不蠲频率成 分对应不同的多普勒频率频移。懿终端以5 0 k m h 移动，接收载频频率秀8 8 0 m h z 的最大多普勒频移势v 童= ( 5 0 x 0 4 4 7 x 8 8 0 x 1 0 6 ) ( 3 x 1 0 s ) = 6 5 5 6 h z l 3 1 。 在o f d m 中，融予系统对载波榈健的偏移极为敏感，多普勒频移直接影响弱 o f d m 及m i m o o f d m 同步技术的研究 步信号的定时和频率偏移估算；当多普勒频移较大时，信号的错误定时概率增大， 可导致解调性能急剧下降。 2 5o f d m 系统的优缺点 o f d m 特别适合于在存在多径传播和多普勒频移的无线移动通信信道中传输 高速数据。 a 主要优点： 1 ) 经串并变换，大大降低了符号速率，同时插入了保护间隔，几乎全部消 除了符号间的串扰( i s i ) ； 2 ) 可以将频率选择性衰落引起的突发性错误分散到互不相关的子信道上，从 而将突发性错误变为随机性错误。这样，就可以用目前比较成熟的前向纠错技术 f e c 有效恢复所传信息： 3 ) 在带宽受限系统中的低符号速率传输，只需要用简单的均衡就可以达到很 好的性能，而传统单载波则需要采用很复杂的接收技术； 4 ) 可以采用i f f t 和f f t 算法减少系统的复杂度； 5 ) 由于不同子信道的频谱相互重叠，可以有效提高频率利用率； 6 ) 可以有效改善信道的非理想特性。 b 主要缺点： 1 ) 由于保护间隔的插入将带来功率与信息速率上的损失； 2 ) 多载波系统对频率和定时同步的要求更加严格，同步误差会导致系统性能 的迅速恶化； 3 ) 因为o f d m 符号是由许多独立信号的叠加，其包络服从高斯分布，所以其 峰值与平均功率比较大，这导致对系统前端放大器的线性范围要求增大。 2 6o f d m 系统的同步技术 o f d m 系统基本上可以有三类同步方式：符号定时同步、载波同步和样值同步： 1 符号同步：i f f l r 和f f t 起止时刻一致 2 载波同步：接收端的振荡频率要与发送载波同频同相( 一般要求在p p m 数 量级) 第2 牵o 融m 系统及其痘用 3 样值同步：接收端和发射端的抽样频率一致 图2 8 说明了o f d m 系统中的同步要求，并大致给出了各种同步在系统中所 处的位置。 i l i l li l l l ， i f f t ， d | & ：7 f 载踱谲翩 i jkjl ： 一 i | 载波同步：f 信自 t 符号阍步 祥值同步 ： 1r ：i l i l 1r1 l l a di：l 载波懈调 l l f f t一 1 i i1 1i i i1 1l l i1 1 i i 图2 - 8o f d m 系统内的同步示意图 f i g 2 - 8d e l i n e a t i o nd i a g r a mo f s y s t e ms y n c h r o n i z a t i o n 定时同步的因的