（通信与信息系统专业论文）基于ecma368369标准的超宽带系统的物理层同步技术的研究.pdf

摘要 摘要 由于具有速率快、抗多径和低功率等优点，超宽带( u l t r a - w i d e b a n d ，i 、腮) 技术已经越来越 受到人们的关注。在u w b 技术的实现方案里，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 n m u l t i p l e x i n g ，o f d m ) 技术凭借强抗衰落能力和高频带利用率等优点，成为了u w b 的主流方案之 一，并被高速超宽带e c m a 3 6 8 采用。 本文在介绍u w b 技术的背景知识和o f d m 系统基本原理的基础上，详细研究和分析o f d m 系统的同步技术，并进行系统仿真。 第一章绪论简要介绍无线通信的发展，超宽带技术以及o f d m 技术。 第二章详细讨论o f d m 系统。主要介绍o f d m 系统的基本原理和系统加入保护间隔抗多径效 应的原理；概述o f d m 技术的关键问题，以及介绍m b o f d m 超宽带技术。 第三章对高速超宽带o f d m 接收系统中同步技术进行充分的研究。首先概述o f d m 系统中的 同步问题，分析推导各种非理想同步因素对系统性能造成的影响；然后介绍目前o f d m 系统中典型 的同步方案，并对各种同步算法进行了分析和比较。最后针对基于训练序列同步的经典s c 算法的 平台效应提出了改进算法，并给出了仿真结果。 第四章介绍了高速超宽带标准e c m a 3 6 8 3 6 9 标准物理层同步接收方案的实现设计。首先介绍 这个系统的实现模型，然后以第三章的分析为基础，综合考虑复杂度和性能要求，制定一套完整的 同步接收方案，方案确定了具体算法，并对符号同步、载波频率同步作了深入研究。 第五章根据提出的接收同步方案实现高速超宽带o f d m 仿真实验系统，并在u w b 信道中对系 统进行仿真，给出了仿真曲线。其中，系统的发送端按照e c m a 3 6 8 ，3 6 9 标准实现。接着对同步模 块进行定点化，给出了各种运算的定点化方案并对定点化中的参数进行了详细的仿真。最后给出系 统在同步模块定点化后的性能曲线，并与定点化之前的性能作比较。 第六章对本论文的工作进行了总结，并展望下一步的研究工作。 关键字l 超宽带正交频分复用同步e c m a 3 6 8 3 6 9 a b s t r a c t b e c a u s eo fi t sa d v a n t a g e so ff a s tt r a n s m i s s i o ns p e e d , a n t i - m u l t i p a t hf a d i n ga n dl o w - p o w e r , u w b t e c h n o l o g yh a sa t w a c t e dm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n o f d mt e c h n o l o g y , w i 廿lt h em e r i t so fh i g hb a n d w i d t h e f f i c i e n c y , r o b u s m e s st om u l t i - p a t h , i so n eo f t h em a i n s t r e a mi m p l e m e n t a t i o ns c h e m e so fu w ba n du s e d i l lh i g h s p e e du r r a - w i d e b a n ds t a n d a r de c m a 3 6 8 i nt h et h e s i s ，s y n c h r o n i z a t i o nt e c h n o l o g yi no f d ms y s t e mi ss t u d i e db a s e do nt h ei n t r o d u c eo fu w b t e c h n o l o g yb a c k g r o u n da n dl m o w l e d g ea n dt h eb a s i cp r i n c i p l e so f0 f d ms y s t e m t h e n , t h es i m u l a t i o ni s d o n e c h a p t e r0 1 1 0g i v e sab r i e fi i i o nt ow i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n , u w bt e c h n o l o g ya n do f d m t e c h n o l o g y c h a p t e rt w od i s c u s s e so f d ms y s t e mi nd e t a i lt h eb a s i cp r i n c i p l e so f t h es y s t e ma n dt h ej o i n i n go f t h eg u a r di n t e r v a lt of i g h ta g a i n s tm u l t i p a t he f f e c t t h e nw ei n t r o d u c et h ek e yt e c h n o l o g yi no f d m s y s t e m , a sw e l la sm b o f d mu w bt e c h n o l o g y c h a p t e rt h r e es t u d i e st h es y n c h r o n i z a t i o ni nu w bo f d mr e c e i v e r f i r s to fa l lw eg i v ea l lo v e r v i e w o fo f d ms y s t e ms y n c h r o n i z a t i o n t h e nw ea n a l y z et h ei m p a c t i o no ns y s t e mp e r f o r m a n c ep r o d u c e db y n o n i d e a l s y n c h r o n i z a t i o nf a c t o r s t y p i c a ls y n c h r o n i z a t i o np r o g r a m s a r ci n 删u c e d , a n a l y z e da n d c o m p a r e d f i n a l l y , w ci n m x i n c e t h ei m p r o v e m e n to ft h e p l a t f o r m e f f e c to ft h ec l a s s i c a ls c s y n c h r o n i z a t i o np r o g r a mb a s e do nt h et r a i n i n gs e q u e n c e ，a n dg i v et h es i m u l a t i o nr e s u l t c h a p t e rf o u r i n t r o d u c e st h ed e s i g na n dr e a l i z a t i o no ft h es y n c h r o n i z a t i o nr e c e i v e rp r o g r a mi n a c c o r d i n gt oh i g h s p e e du l t r a - w i d e b a n ds t a n d a r de c m a 3 6 8 3 6 9 f i r s t , w ed e p i c tt h i sm o d e ls y s t e m , a n d t h e nt ot h et h i r dc h a p t e ro fo u ra n a l y s i s , ac o m p l e t es y n c h r o n i z a t i o nr e c e i v e rp r o g r a mw h i c hh a sd e c i d e d w h i c ha l g o r i t h m sa r eu s e di se s t a b l i s h e d b yc o n s i d e r i n gt h er e q u i r e m e n t so fs y s t e m sc o m p l e x i t ya n d p e r f o r m a n c e t h i st h e s i sh a sad e e ps t u d yo ns y m b o lt i m i n gs y n c h r o n i z a t i o na n dc a r r i e rf r e q u e n c y s y n c h r o n i z a t i o n c h a p t e r f i v e r e a l i z e st h es i m u l a t i o ne x p e r i m e n t s y s t e m i na c c o r d a n c ew i t ht h e p r o p o s e d s y n c h r o n i z a t i o np r o g r a mw h i c hi su o ws i m u l a t e di nt h ei 瓜l r bc h a n n e lm o d e l s ，a n dg i v e st h es i m u l a t i o n c 1 1 r v c $ h e r e ，t h es y s t e m st r a n s m i t t e ri sd e s i g n e db a s e do nt h es t a n d a r do fe c m a 3 6 8 3 6 9 t h e n , w eg i v e af i x e d - p o i n tp r o g r a m m i n go ft h ea l g o r i t h mi ns y n c h r o n i z a t i o nm o d u l ea n ds i m u l a t et h ep a r a m e t e r si nt h e p r o g r a mi nd e t a i l f i n a l l y , w cg i v et h es i m u l a t i o nc u i - c c sa f t e rt h es y s t e m sf i x e d - p o i n tp r o g r a m m i n g ，a n d c o m p a r et h e mw i t ht h ec u r v e sp r e v i o u s l yr e c e i v e d i nc h a p t e rs i x w cs u m m a r i z e dt h ep a p e r sw o r k , a n dl o o kf o r w a r dt ot h en e x ts t e po f r e s e a r c h k e y w o r d s ：u w b ，o f d m , s y n c h r o n i z a t i o n , e c m a3 6 8 3 6 9 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。 研究生签名： 自至交! 日 心 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： m 一章绪论 1 i 引言 第一章绪论 从2 0 世纪9 0 年代到现在。计算机引联网取得了长足的进步，无线通信也得到了巨大的发展。 现在，无线网络一已经在人们的生活当巾充当了重要的角色在人们的表食住行及生产方面艘挥 着举足轻重的作用，成为整个社会不可缺少的一部分。 无线网络的发展经历了两条不同的道路；一条足移动通信系统往无线接入的基础上采用瓦联网 协议( i n t e n l df r o t o c o j p ) 而茇屉成无线网络如采用仝i p 的第三代移动通信广域同：另一条是 互联网在l p 的基础上采用无线接入拄术而发展为无线阿络，如以无线局域同为基础艘展起来的公众 无线网络和基于w i m 娃的无线城域嗍在这个发展过程当巾移动通信从m 纯的提供语音通信业 务发展为提供语音通信业务及觳据和多媒体菩增值业务：另外互联网也在提供数据业务的基础上 提供语音多媒体等业务。 按照通信的范围，无线通信技术可以分为四太类，无线广域月( h 饥l sw i d e a m n o r y o r k ， w w a n ) 无线城域同( w m 】s m e t r o p o l l t a n a r e a n c t w m k ，w m a n ) 无线局域同( w i m i e l o c a l a r e a n e t w o r k ，w l a n ) 以及无线个域阿( w 的b sp e r s o n a l a r e a n e t w o r k ，w p a n ) 如图卜l 所示： 田l - i 尤线通信信技术按范围分成四人类 无线广域同覆盖的范围最大，主要指蜂窝移动通信系统它采用蜂窝组网的方式使用户可以在移动 中实现无线通信a 蜂窝移动通信业务包括9 0 0 1 8 0 0 m h zg s m 第。代数字蜂窝移动通信业务、 8 0 0 m h zc d m a 第二代数字蜂窝移动通信业务、第三代( t h i r dg e n e r a t i o n ，3 g ) 数字蜂窝 移动通信业务。3 0 的通信协议标准主要有四个：w c d m a 、c d 咐2 0 0 0 、t d - s c d m a 和w i m a x 。 现在人们已经在研究超三代的通信技术使褂整个通信系统能够提供更快的速度，更好的服务及更 人的窖量无线城域嘲是一种无线宽带接 网络，为企业、家庭和个人斤i 户提供“最后一英里”的 宽带无线连接方案，1 作在直径超过5 0 1 4 m 的区域与之相心的标准规范为i e e es 0 2 1 6 系列。2 0 0 7 年正式被列入3 g 标准之一的微波存取全球互通( w o d d w l d e i n k - r i l 脚f o r m i c r o w a v c a 。 w i m “) 技术以此标准规范为基l i | ；。无线局域网至少能够支持大于1 0 0 m 的距离；利川嘲络内部的 物理崖连接还能支持举少2 k m 距离的通信。它可提供1 】m l ： p s - 5 4 m b p s 的速率，这远高于g p r s 的数据速率也高于3 g 网络的数据述牢。无线局域网碍络标准有i e e e 的8 0 2i i 系列标准、欧洲 的h i p c r l a n i h i p e r l a n 2 和日本的m m a c 系列标准，但还是为i e e e s 0 2 i lt 作细制定的 东南大学硕士学位论文 8 0 2 1 i b a g n 为主。无线保真( w u e l e s sf i d e l i t y ，w 语i ) 技术正是以标准8 0 2 1 l b 为基础。无线局域 网主要有两类应用。一类是企业自己建立的面向企业内部用户的w l a n 网络，以替代企业有线网或 作为有线网的补充；另一类是在诸如写字楼、宾馆、机场等所谓的“热点”地区，建设的w l a n 网络，为公众移动数据用户提供互联网接入服务。无线个域网是一种用于连接家庭各种家电、娱乐 设备的无线网络，作用距离在1 0 m 范围内，分低速和高速两种，分别由i e e e 8 0 2 1 5 4 工作组和 i e e e 8 0 2 1 5 3 at 作组负责相应标准的制定。高速无线个域网的数据传输速率不低于1 0 0 m b p s ，主要 用于摄像机和娱乐设备的多媒体传输。实现无线个域网的主要技术有蓝牙和超宽带( u l t r a - w i d e b a n d ， i 肿) 。 无线网络通过无线代替有线来实现通信，大大地方便了人们的生活，但是也具有一些不足，恶 n 1 1 劣的信道环境和稀缺的频谱资源，以及其他的困难和挑战一1 。随着通信技术的高速发展，频谱资 源已经变得越来越重要，如何高效地利用频谱资源也成为人们研究设计无线网络的重中之重。 1 2 超宽带技术及实现方案 超宽带通信一的最初形式为直接利用脉宽为纳秒或亚纳秒级的脉冲作为信息载体的冲激无线电 技术( i m p u l s er a d i o , i r ) ，其历史可以追溯到1 9 4 2 年d er o s a 提交的随机脉冲系统专利。现在u w b 技术已逐渐成为无线通信领域研究与开发的一个热点，并被视为下一代无线通信的关键技术之一。 近年来，由于有效产生、控制和检测u w b 信号成为可能，而且能够综合应用调制编码和多址接入 等技术，u w b 技术正成为与传统通信技术相比极具竞争力的无线通信技术，开始应用于民用无线 通信领域，并有了较大的发展和变化。 在美国，1 9 9 4 年无线通信领域应用u w b 技术的政府计划解密以后，尤其是在2 0 0 2 年4 月， 美国联邦通信委员会( f e d e r a lc o m m u n i c a t i o nc o m m i s s i o n ，f c c ) 批准了u w b 无线技术的民用并 1 日 发布了民用u w b 设备使用频谱和功率的初步规定j 之后，u w b 无线通信技术得到了加速发展。按 照f c c 的定义，u w b 设备是绝对带宽大于5 0 0 m h z 或相对带宽大于o 2 的设备，其中相对带宽的 定义为： 曰：鱼二丝：鱼生 0 备+ 正) 2乒 这里，厶和无分别为系统的高端频点和低端频点( 按一1 0 d b 计算) 。室内u w b 通信的实际使用频 谱范围为3 1 - 1 0 6 g h z ，并在这一范围内，有效各向同性发射功率不超过- 4 1 。3 d b m m h z 。f c c 规定 的室内u w b 通信频谱和功率限制如图1 2 所示： 2 图1 _ 2f c c 规定的室内u w b 发射功率限制 而对于一般的窄带( n a l r o wb 孤山n b ) 通信系统，相对带宽一般小于1 ，如图1 - 3 所示。可 见，f c c 定义的u w b 已经不仅仅限于域初脉冲无线电的形式，而是包含了满足f c c 定义( 带宽大 于5 0 0 m h z 或者相对带宽大于0 2 的任何无线通信形式。 厢1 - 3 窄带与超宽特信号的频谱 超宽带无线通信系统的主要信号形式可咀分为：窄脉冲作为载体的形式和调制载波形式。窄脉 冲作为载体的形式是超宽带通信的传统方式。发射机产生基带窄脉冲序列，通过脉冲位置调制( p u l s e p o s i t i o n m o d u l a f i 嘶，p p m ) 或者脉冲幅度调制( p u l s e a m p l i t u d e m o d u l a t i o n ，p a m ) 等调制方式携 带信息后发送到空中。这种方式中，脉冲的宽度 b 窄，有报强的多径信道分辨能力和抗多径能力； 发射信号不需要调制载波，教射机结构简单，成本较低系统的功耗很低。所以采用该方式的u w b 技术具有低截获率，低侦察率、抗多径、穿透力强、逻辑结构简单等优点多用于探测、透视、成像 以及低速、低功耗、低成本的通信等领域。但是基带窄脉冲包含较多的低频分量，频谱的利用率币 高。这可以通过脉冲波形优化设计加以改善。 调制载波形式的超宽带可以将超宽带信号搬移到合适的频段进行传输，从而更加灵活，冉效地 利用频谱资源，其信号处理方法与一般通信系统的方法类似。调制载渡形式又可咀升为多带正交频 分复用( m u l t i - b m d o r t h o g o m df r e q u e n c yd i v i s i o n m u l 邱l e x i n g ，m b - o f d m ) 和直接序列码分多址 ( d i r e c t s 朝c o d e d i v i s i o n m u l t i p l e a o o e ，d s 4 2 d m a ) 两丈方案。多带正交频分复用方章将 可用的额段分为每个子带每个子带带宽大于5 0 0 m h z ，并凡每个子带信号足许多个正交子载波合 3 东南大学硕士学位论文 成的o f d m 信号，目前它已经被应用于许多包括有线和无线业务的通信服务。直接序列码分多址方 案把经过d s - c d m a 扩频之后的信号通过载波调制。可在任何合适的频带范围内传输，主要应用于 安全保密和军事通信系统。调制载波形式的超宽带，通过频谱搬移从而可以更加灵活有效地利用频 谱资源，而且调制载波系统的信号处理方法与一般通信系统采用的方法类似，技术成熟度高，在目 前的技术水平下，比脉冲方式更容易实现高速通信系统。但是系统的功耗和实现的复杂度相对较高。 国际上u w b 通信的标准化工作开始是由i e e e s 0 2 1 5 。3 at 作组进行的，目前超宽带的规范化工 作还在进行当中。但是由于d s - c d m a 和m b - o f d m 的支持者不能达成一致，工作组宣布放弃对超 宽带标准的制定。2 0 0 5 年，m b - o f d m 的支持者晰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 m e c m a 3 6 8 3 6 9 。目前已被接纳为i s o 国际标准。 1 3 无线通信中的o f d m 技术 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 ) 以强抗衰落能力和高频带 利用率，成为下一代移动通信中的一种非常有竞争力的物理层技术。它将信道分成多个正交子信道， 把高速串行数据流分成多路低速的数据流，调制到各个子信道上并行传输。尽管在无线信道中总 的信道存在频率选择性衰落但在各个子信道上相对平坦，各子信道可以独立的调制和传输，提高 了频谱利用率；o f d m 特有的保护间隔( g u a r di n t e r v a kg i ) ，一般大于信道的时延扩展，从而消除 符号间干扰( i n t e r s y m b o li n t e r f e r e n c e 。i s i ) 。如果再结合自适应调制编码、动态子载波分配以及动 啪 态功率、比特分配算法，其性能可以进一步优化一。 o f d m 技术提出已有4 0 余年的历史。但是在2 0 世纪年代，由于使用模拟滤波器实现起来 的复杂度高，所以一直没有发展起来。多载波o f d m 技术真正的普及和推广要归功于s b w e i m t e i n 等人于1 9 7 1 年发表的题为“d a t aw a n s m i s s i o nb yf 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 gn s m gt h ed i s c r e t e r 明 f o u r i e rw a n s f o r m ”的文章一，文章中提出用离散傅里叶变换( d h 删ef o u r i e rt r a n s f o r m ，d f t ) 实 1 1 们 现多载波的调制。在8 0 年代，l j c i m i n i 分析了o f d m 在移动通信应用中存在的问题和解决方法。， 从此以后，o f d m 在通信中的应用得到迅猛的发展。大规模集成电路让快速傅里叶交换( f a s tf o u r i e r t r a n s f o r m ，f f t ) 技术的实现变得越来越容易。在发展的桎梏被摘除后，o f d m 技术迎来了它发展 的高峰，应用日益广泛。其中，数字音频广播( d i g i t a la u d i ob r o a d c a s t i n g ，d a b ) 标准是第一个正 式使用o f d m 的标准。选择o f d m 作为d a b 和数字视频广播( 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 ) 系统的主要原因在于：o f d m 技术可以效地解决多径时延扩展问题。另外。o f d m 技术被应用在非 对称数字用户线( a s y m m e t r i c d i g i t a ls u b s c r i b e r l i n e ，a d s l ) 系统中。移动w l a n 的标准i e e e 8 0 2 1 l a 和阳p e r i ，a n 2 都把o f d m 作为物理层的传输手段。下一代无线通信的核心技术也将从窄带码分 多址( c o d e - d i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ，c d m a ) 转向o f d m 。 i l l l l o f d m 技术有如下优点： 4 第一章绪论 1 抗衰落能力强。o f d m 把用户信息通过多个子载波传输，在每个子载波上的符号长度就比 同速率的单载波系统上的符号长度大很多倍，使o f d m 对脉冲噪声和信道快衰落的抵抗力更强。同 时，通过子载波的联合编码，达到了子信道间的频率分集的作用。也增强了对脉冲噪声和信道快衰 落的抵抗力。因此，如果衰落不是特别严重，甚至可以不添加时域均衡器。 2 利用正交性，使得频谱利用率得到了显著的提高。 3 对于频率选择性比较严重的衰落信道，可以采用动态比特分配以及动态子信道分配的方法， 选择信噪比较高的子信道来提高系统的性能。 4 o f d m 系统可以容易与其他多种接入方式相结合使用，包括多载波码分多址m c - - c d m a 、 跳频o f d m 以及o f d m t d m a 等。 5 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 据传输量。另一方面，移动终端功率一般较小，而基站发送功率可以较大。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。 6 因为窄带干扰只能影响一小部分的子载波，因此o f d m 系统可以在某种程度上抵抗这种窄 带干扰。 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【叼【1 1 l ： 1 对频率偏差比较敏感。由于频率偏移对会使得o f d m 的正交性遭到破坏，所以系统对于频 率偏移非常敏感。在信号的传输过程当中难免出现频率偏移，像多普勒频移，再加上发射机与接收 机频率振荡器之间存在频率偏差，这都会破坏o f d m 系统子载波之间的正交性，从而引入i c l ，这 种对频率偏差的敏感性是o f d m 系统的主要缺点之一。 2 较高的峰值平均功率比。除了对频偏敏感之外，o f d m 系统的另一个主要缺点就是峰值功 率与平均功率比。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 ) 。这就要求系统内的一些部件， 例如功率放大器、a d 、d a 转换器等具有较大的线性动态范围。如果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，从而影响o f d m 系统的性能。 1 4 本文的研究内容和章节安排 本文的主要任务是研究u w b 的传输技术，侧重研究高速超宽带o f d m 的接收技术，并以高速 u w b 国际标准e c m a 3 6 5 3 6 9 为基础，搭建计算机实验仿真系统，进行性能仿真分析和研究。 第一章绪论简要介绍无线通信的发展，超宽带技术以及o f d m 技术。 第二章详细讨论o f d m 系统。主要介绍o f d m 系统的基本原理和系统加入保护间隔抗多径效 应的原理；概述o f d m 技术的关键问题，以及介绍m b - o f d m 超宽带技术。 第三章对高速超宽带o f d m 接收系统中同步技术进行充分的研究。首先概述o f d m 系统中的 5 东南大学硕士学位论文 同步问题，分析推导各种非理想同步因素对系统性能造成的影响：然后介绍目前o f d m 系统中典型 的同步方案，并对各种方案进行分析和比较。最后介绍针对基于训练序列的同步方案的算法改进。 第四章设计实现e m c a 3 6 8 3 6 9 标准物理层同步接收方案。首先介绍这个系统实现模型，然后 以第三章的分析为基础，综合考虑复杂度和性能要求，制定一套完整的同步接收方案。方案确定了 具体算法；为了提高性能，相位跟踪也列入方案的实现范围。方案对符号精同步、载波频率同步作 了深入研究。 第五章根据提出的接收同步方案实现高速超宽带o f d m 实验系统，并在u w b 信道中对系统进 行仿真，给出了仿真曲线。其中，系统的发送端按照e c m a 3 6 8 3 6 9 标准实现。 第六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 第二章正交频分复用技术及m b - o f d m 超宽带技术 第二章正交频分复用技术及m b o f d m 超宽带技术 正交频分复用的原理就是把高速的数据流通过串并转换放到相对低速的若干个子信道中传输。 这样每个子信道中的数据符号周期增大很多倍。这样可以有效地对抗多径时延扩展。在o f d m 符号 之间插入保护间隔，并使保护间隔的长度大于最大时延扩展，这样可以最大限度地消除符号闻干扰。 而且，通常用循环前缀( c y c l i cp r e f i x , c p ) 作为保护间隔，从而可以避免载波间干扰( i n t e r c a r r i e r i n t e r f e r e n c e ，i c i ) 。o f d m 既可以被看作一种复用技术，也可以被当作一种调制方式。o f d m 技术出 现之前，人们采用时域自适应均衡器来改善信道的传输特性。当信道的多径时延扩展较大的时候， 均衡器的阶数就要很高以至于计算复杂度难以接受。o f d m 技术把均衡转换到频域，大大地简化了 接收机的复杂度。 2 1o f d m 的基本原理 o f d m 系统是一种多载波传输【1 2 】系统，它的一个重要优点就是可以利用快速傅里叶变换实现调 制与解调，从而可以大大简化系统实现的复杂度。本节将简述其基本原理。 2 1 1o f d m 系统的基本模型 o f d m 系统基本模型的框图如图2 - 1 所示： j 电卜 串 拄 厶 并 口 删信道 变 成 换 1 卜 酽 并 串 变 换 厂丌三 图2 - 1o f d m 系统基本模型框图 其中n 表示子信道的个数，z 表示o f d m 符号的周期，岛o = 0 , 1 ，2 ，n 1 ) 是分配给每个子信道 的数据符号，例如可以是正交幅度调制( q u a d r a t u r e a m p l i t u d em o d u l a t i o n ，q a m ) 或四相相移键控 ( q u a d r a t u r ep h a s es h i f tk e y i n g ，q p s k ) 等符号，z = r 是第f 个子载波的载波频率， r e c t ( t ) = l ，i t l - t 2 ，为一矩形函数，g t = t , 时刻开始的o f d m 符号的等效基带信号可以表示为： 7 东南大学硕士学位论文 删：j 篓磊删一殄唧( 伽扣，) 钳r 经。， 【0 f r + f j 每个子载波在一个o f d m 符号周期内都包含整数个周期，而且各个相邻子载波之间相差一个周期。 这个特性可以用来解释子载波之间的正交性： 亍1r c x p ( 御) e x p ( j 触= e 三 ( 2 2 ) 利用正交性可以很方便地对第k 个子载波进行解调。我们在时间长度t 内进行积分： 五= ；【j + r e x p ( 一，2 万事。一乞， 篓岛e x p ( 一，2 万事。一，) 出。2 3 ， = 歹1 刍n - i 墨r e x p i j 2 石竽) ) 国= 根据式( 2 3 ) 可以得到，对第k 个子载波进行解调可以恢复出期望信号。而对其它载波来讲，由于 在积分间隔内，频率差别o 一七) 丁可以产生整数倍个周期，所以积分结果为零。 另外，我们还可以从频域的角度来理解正交性。由公式( 2 1 ) ，每个o f d m 符号在其周期t 内 包含多个非零子载波，因此其频谱可以看成是周期为t 的矩形脉冲的频谱与一组位于各个子载波频 率上的万函数的卷积。矩形脉冲的频谱幅值为s i n c ( f ) 函数，这种函数的零点出现在频率为归的 整数倍位置上，如图2 2 所示，给出各个子信道经过覆盖得到的频谱。在每一个子载波频谱的最大值 的地方，所有其他子载波的频谱恰好为零，因此可以从信号的频谱中提出每个子信道符号，而不受 图2 2o f d m 系统中子信道符号的频谱 o f d m 系统可以用反向离散傅里叶变换( 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 ，i d f t ) 和傅里叶变 换来实现。为了简单表述，令式( 2 1 ) 中的起始时间，j = 0 ，并且忽略矩形函数嗽t ( f ) ，对信号砸) 以r 的速率进行抽样，即令t = k t n ( 七= 0 ，l ，n 1 ) ，可以得到： 0 第二章正交频分复用技术及m b - o f d m 超宽带技术 = z ( k r = n 。= o - i ( k t 忉 l “ i g ) o k 6 n 一1 = z = ) 一 j = o 1 ( 2 4 ) 可以看到t 等效为对置进行i d f t j 重_ 算。同样，为了恢复出原始的数据符号马，接收端对吒进行d f l r 运算，得到： 丑= 荟n - i c x p ( 一j 百2 # i k ) o i n - i ( 2 5 ) 从上述分析可知，i d f t d f l 可以分别用来代替o f d m 系统的调制解调过程。通过i d f t ，数据由频域 变换到时域，经过天线发射出去。接收端再通过d n 把数据由时域变换回频域。由于快速傅里叶变 换( f a s tf o u r i e rt r a n s f o r m i n v m s ef a s tf o u r i e rt r a n s f o r m ，f f t i f f t ) 算法的的复杂度要比d f t i d f t 低很多，所在在实际的应用中，我们通常采用f r r w r r 来代替d f t i d f t ，利用f f t ，i f f l 方法所实施 的o f d m 系统框图可以参见下图2 3 。 图2 3 加入保护间隔，利用i f f l 7 ，f f t 实施的o f d m 系统框图 2 1 2o f d m 的频谱利用 对于传统的频分复用( f 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 ，f d m ) 系统来说，o f d m 最大的优点 在于频带利用率很高。普通的f d m 信号的相邻子频段的频谱不重叠，子频段之间一般还要加保护 频带，如图2 - 4 ( a ) 所示。而o f d m 采用了正交的子载波，允许子信道的频谱重叠，因此提高了频 带利用率，如图2 4 ( b ) 所示： 信道1 23 457 q q f d m 曩事 ( a ) 础二二! 二j o 。f d m 曩率 ( b ) 图2 - 4f d m 和o f d m 的频谱利用比较 9 东南大学硕士学位论文 如图2 - 4 所示，o f d m 系统所用的主瓣带宽= ( n + 1 ) r ，其中丁为o f d m 的符号周期，传 输的速率为r = 丁，o f d m 系统子载波的间隔为l r 。对于f d m 系统来说。由于子信道频谱不 能重叠，所以f d m 信号的主瓣带宽至少为= 2 n t ，此时传输速率为r = n t ，因此当n 趋向于无穷大时，f d m 系统所用的带宽仍为2 r 。在子载波数目较大的时候，o f d m 系统所占用的 带宽为l i + m 。w o v o u = 艘( + 1 ) r = 般望铲r = r ，所以o f d m 系统的频谱利用效率是f d m 系统的2 倍。 2 2 保护间隔、循环前缀和填零后缀 o f d m 可以有效地对抗多径时延扩展，将高速的数据流串并变换到个并行的子信道中，每个 子信道中的数据符号周期扩大为原始数据符号周期的倍，因此时延扩展与符号周期的比值也同样 降低倍。另外，在o f d m 符号之间加入保护间隔，并且使得保护间隔的长度乃大于无线信道的最 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，能最大限度地减小符号间干 扰。这段保护间隔可以是空信号，但是这样由于多径传输产生的时延，使得不同子载波的积分时段 会产生延时。这样在接收机积分以后就会产生载波问干扰，如图2 5 所示。图中给出了第一子载波和 第二子载波的延时信号。从中可以看到，由于在f f t 运算时间长度内，第一子载波与带有时延的第二 子载波之间的周期个数之差不再是整数，所以当接收机试图对第一子载波进行解调时，第二子载波 会对此造成干扰。同样，当接收机对第二子载波进行解调时，也会存在来自第一子载波的干扰。 l i i i i i i i l i i i i i i i jl 图2 - 5 多径信道下，空闲保护间隔在子载波间造成的干扰 为了消除由于多径所造成的载波间干扰，可以在o f d m 符号的保护间隔内加入循环前缀信号， 见图2 - 6 。 1 0 第二章正交频分复用技术及m b - o f d m 超宽带技术 循环前缀 图2 - 6 添加循环前缀过程的示意图 这样就可以保证在f f r 周期内，o f d m 符号的延时副本内所包含的波形的周期个数也是整数。这样， 时延小于保护间隔乃的时延信号就不会在解调过程中产生i c i 。为了进一步说明多径传播对o f d m 符号所造成的影响，可以参见图2 7 。由图中可以看出，i c i 干扰被消除。 故1 1 一一 1 一 ： 图2 7 在多径信道下，循环前缀保持子载波正交性 但是加入循环前缀以后，这部分信号会占用一定的发射功率，因此会带来功率和传输速率的损 失。其中功率的损失为： = 1 0 i o g l o 芒+ 1 ) ( 2 5 ) f f t 一般情况下，循环前缀的长度要大于最大多径时延，但是也不会太长。当驯乃玎= 0 2 时，约 为l d b ，带来的速率损失为2 0 。但是，插入循环前缀以后，可以最大限度地消除符号间干扰和载波 间干扰，所以这个代价是值得的。 在o f d m 符号的保护间隔内填上零( 即空信号) ，并且将保护间隔的位置移到o f d m 符号后面就 形成了填零后缀( z e r op a d d i n g , z p ) 。在c p - o f d m 系统中，由于信道中存在多径时延扩展，c p 的扩 展会和o f d m 符号叠加在一起，而o f d m 符号的扩展会和下一个o f d m 符号的c p 叠加在一起，因而 很难在时域将c p 对o f d m 符号的串扰消除而得到时域无串扰的o f d m 符号。而z p - o f d m 系统在保护 间隔内不发射任何信号。所以在接收端可以得到时域无串扰的o f d m 符号，然后通过特殊的处理来 获得i 北c p - - o f d m 系统更好的性能【嘲。通过前面的分析可知，z p o f d m 系统在多径影响下会产t t l c l 。 子载波之间的正交性遭到破坏，因此。z p - - o f d m 和c p - o f d