（通信与信息系统专业论文）多载波ofdm系统频率同步研究.pdf

原刨性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 7 论文作者签名：么堑垄日期：丝! ：左兰 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东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，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：丛导师签名：琏日期：2 丝丝兰乡 山东大学颧士学位论文 中文摘要 现代社会对移动多媒体业务的需求，要求必须有抗多径干扰能力强频 谱利用率商、传输速率大，可靠性高的移动通信技术为支撑o 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 nm u l t i p l e x i n g ) 。以其频谱效睾杰，抗多径 干扰能力强。均钷简单等突出优点受到人们的日益关注【8 。3 1 1 在0 f d m 众多优点中。有两点是非常重要的t 一、极高的频谨利用率 二，卓越的抗多径干扰能力频谱利用率高这一特点在频谱资源日益紧张的 今天显得非常重要，而卓越的抗多径干扰能力使得o f d m 技术在移动通信中 的地位越来越重要o f d m 技术已经被广泛应用于地面数字移动电视标准 ( 欧洲的d 、倡t ，d v b 和中国d m b t ) 、无线局域网( 8 0 2 1 1 a ，h i p e r u n 2 ) 并被看作是下一代无线局域网的标准和4 g 移动多媒体通信的支撑技术 1 1 2 1 3 o f d m 是一种多载波调制技术。相对于单载波而言还有一些问题亟待解 决和改进：同步( s y n c h r o n i z a t i o n ) l 瞄 题，信道估计( c h a n n e le s f i m a u o n ) 的闯 题，峰值平均功率比控制( p a p r ，p e a k - t o - a v e r a g ep o w e rc o n v 0 1 ) 问题 子载波问干扰( i n t e r - c a r r i e r i n t e r f e r e n c e ) 的闯题【1 1 6 3 1 由于o f d m 技术是一种多载波技术，为保证高的频谱利用率。要求在传输过 程中各子载波之间必须保持正交性，系统对同步的精度要求特别高收发信 机本地振荡器存在频偏以及由于接收机与发射机相对运动造成的d o p p l e r 频 移都会破坏子载波之问的正交性，从而引起载波间干扰( i n 协r - c a m e r i n t e r f e r e n c e ，j c l ) 。载波问干扰会使系统的性能迅速下降并产生f l o o r 效 应，甚至使得系统无法正常工作因此在上面所提及的0 f d m 的问题中，同 步问题是最关键的，因而也是最迫切需要解决的镯愿 本文从o f d m 的基本原理入手，介绍了同步对系统性能的影响然后根 据o f d m 系统特点，分析了o f d m 系统的时域载波频率捕获和信道估计， 提出一种仅用一帧辅助数据，利用两种不同的算法，同时进行载波频率捕获 和信道估计的思想仿真结果表明。算法具有不受定时误差影响。精度较高， 计算量较少等优点 这种联合时域载波频率捕获和信遒估计算法的基本思想是选择时域辅 山素大学硕士学位论文 助数据块：d - k 峨一饭工一嘲c 叫【i a _ p 2 一】o s p l c 是大于l 的常数 定义特殊结构训练帧s l i d d ，d 。d 1 r , v x l 这样利用一帧训练帧采用不同 的算法可以进行同时多次频偏捕获和信道估计。其次数为厂；【l 1 【】表示 取整) 然后对须傻结果进行统计平均。将最后的统计值作为估计值p 为衰 减因子。对频偏捕获不会产生影响用于提高系统的可实现性但是它会对 信道估计精度产生影响。我们将在随后信道估计的算法中加以详细说明 频偏捕获算法的艚度高，捕获的范围大。而且可以根据需要灵活调整口 值来解决捕获范围和捕获精度的矛盾信道估计算法计算量较少。精度高 尤其适用于信道长度已知的情况，对信道长度未知的系统可以采用保护问隔 作为信道长度实现算法另外，本算法不需要知道噪声的先验信息，不改变 o f d m 的系统结构，实现简单。从而得到一定的认可 关键词：o f d m频偏捕获，信遒估计。特定训练帧，多径衰落信道 2 ：銮銮：竺兰三 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm o b i l em u l t i m e d i as e r v i c e m o d e ms o c i e t y c a l l sf o rt h em 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 yw i t hs t r o n ga n t i - m u l t i p a t h 。 g o o ds p e c t r u me f f i c i e n c y q u i c kt r a n s m i ts p e e da n dh i g hq u a l i t yr e l i a b i l i t y a sem u l t i p l e - c a r r i e r sm o d u l a t i o n t e c h n o l o g y o f d mh a sg a i n e d i n c r e a s e di n t e r e s tb e c a u s eo fi t sv a r i o u sa d v a n t a g e ss u c ha sh i g h b a n d w i d t he f f i c i e n c y ，r o b u s tp e r f o r m a n c ei nm u l t i p a t hd i s p e r s i v e e n v i r o n m e n ta n ds i m p l ee q u i l i b r i u m 一 i nm a n ya d v a n t a g e so fo f d m t h et w oe r ev e r yi m p o r t a n t ：o n ei sh i g h s p e c t r u me f f i c i e n c y ；t h eo t h e ri se x c e l l e n ta n t i - m u l t i p a t ha b i l i t y t h ef i r s t o n ei sm o r ei m p o r t a n ti nm o d e ms o c i e t y w h e nf r e q u e n c yr e s o u r c ei s p r e c i o u s t h e s e c o n do n em a k e s0 f d mb eu s e d i nm o b i l e c o m m u n i c a t i o n s n o wo f d mi ab e i n gu s e di nt e r r e s t r i a ld t vs t a n d a r d ( d v b - t d v b d m b - t ) w l a n ( 8 0 2 1 l a ，h i p e r l a n 2 ) i n a l a r g e s c a l ea n d a st h ec o r et e c h n o l o g yi n4 ( 3a n dn e x tg e n e r a t i o nw la n a sak i n do fm u l t i - c a r r i e st e c h n o l o g yo f d mh a ss o m ep r o b l e mn e e d t ob es o l v e da g a i n s tw i t hs i n g l e - c a r r ys y s t e m ：s y n c h r o n i z a t i o n c h a n n e l e s t i m a r i o n p e a k - t o - a v e r a g ep o w e rc o n t m l i n t e r - c a r r i e ri n t a r f e r e n c e t no r d e rt og a i nh i g hb a n d w i d t he f f i c i e n c y t h es u b - c a r t i e rm u s tk e e p o r t h o g o n a li nm u l t i - c a r d e r st e c h n o l o g yo f d m s o t h es y s t e mr e q u i r e s h i g hp r e c i o u ss y n c h r o n i z a t i o n t h ef r e q u e n c yo f f s e tb e t w e e nr e c e i v e ra n d t r a n s m i t t e ra n dd o p p l e rf r e q u e n c ys h i f t i n gc a nd e s t r o yt h eo r t h o g o n a l i t y a m o n gt h es u b - c a r r i e r sa n dl e a dt oi n t e r - c a r r i e r si n t e r f e r e n c eo c l ) w h i c h w o u l d d e g r a d e t h e p e r f o r m a n c e e v e nt ou n a b l et ow o r k s o s y n c h r o n i z a t i o ni sv e r yi m p o r t a n ta n du r g e n c yt ob es o l v e df o rt h eu s eo f o f d m f r o mb a s i ct h e o r yo fo f d m 。t h ep a p e ra n a l y s e st h ee f f e c to f s y n c h r o n i z a t i o nt h a ta c t so np e r f o r m a n c eo fo f d ms y s t e m t h e nw e p r e s e n t n e wc a r r i e rf r e q u e n c ya c q u i s i t i o na n dc h a n n e le s t i m a r i o n i 山东大学硬士学位论文 a l g o r i t h m sf o ro f d ms y s t e m s b o t hn e wa l g o r i t h m su t i l i z eo n l yo n ef r a m e o fp i l o td a t at o p e r f o r mc a r r i e rf r e q u e n c ya c q u i s i t i o n a n dc h a n n e l e s t i m a t i o n t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tb o t ha l g o r i t h m sa r ei m m u n e f r o mt i m i n ge r r o r w i t hah i g hp r e d s i o i na n dl o wc o m p u t a t i o n 唧i e 对t y t h eb a s i ci d e ao ft h ec o m b i n e da l g o r i t h m si sc h o o s i n gsk i n do ft i m e d o m a i n d a t a - a i d e dd a t ab l o c k ： d b o o k j 似，工一d 1 i 口【l b 乙，“1 o p 1 f i sac o n s t a n tp a r a m e t e re n d l a r g et h a no n e d e f i n i n gss p e c i a ls t r u c t u r ef r a m es ；【d ，d d 。d i t n x l s o w ec a nu s ej u s to n ef r a m et op e r f o r mc a r r i e rf r e q u e n c ya c q u i s i t i o na n d c h a n n e le s t i m a t i o na l g o r i t h m sf o ro f d ms y s t e m s a tt h ee n dw eu s e s t a a s t i cv a l u ea st h ee n de s t i m a t i o nv a l u e pi ss n e n u a t i o nf a c t o r i t d o e s n la f f e c tc a r r i e rf r e q u e n c ya c q u i s i t i o nb u ti te n h a n c e st h er e a l i z a t i o n a tt h es a m et i m ei t 州a f f e c tt h ec h a n n e ie s t i m a t i o na l g o r i t h m c a r r i e rf r e q u e n c ya c q u i s i t i o nh a st h ea d v a n t a g eo fh i g hp r e c i s i o n w i d er a n g eo fa c q u i s i t i o na n dd e a l i n gt h ec o n f l i c tb e t w e e np r e c i s i o na n d r a n g ee a s i l y c h a n n e le s t i m a t i o na l g o r i t h mh a st h ea d v a n t a g eo f l o w c o m p l e x i t ya n dh i g hp r e c i s i o n i ti sv e r yf i tf o rl e n g t h - k n o w nc h a n n e l f o r l e n g t h - u n k n o w nc h a n n e l w ec a nu s et h el e n g t ho fc p a sc h a n n e ll e n g t ht o p e r f o r ma l g o r i t h m k e yw o r d s ：o f d m ， c a r r i e rf r e q u e n c ya c q u i s i t i o n ， c h a n n e l e s t i m a t i o n p s i o tf r a m e ，m u l t i - p a t ha t t e n u a t i o nc h a n n e l ：定义为最大时延扩展 ( a 雪) f l 相干带宽 符号说明及约定 厶- 盖c e - v f _ _ c c c m 8 t 厶嘲一；多普勒频率 - 雕。与移动台速度对应的最大多普勒频率 ( a n 。l 相干时问 ，r l 载波频率 c ：光速 v ：频率偏移 ，：为虚单位 _ i ，( f o ；信道的冲击响应 p o ) ；表示由商斯过程构成的衰落的复随机过程 口；高斯髓机过程的平均功率 ，。蟊( f ) 中正弦波的数目 q ：表示每径信道中信号的衰落因子 。采样问隔其倒数工t l ，l 定义为采样频率或者采样率 x o v ) ：o f d m 系统中的调制信息序列o f d m 。帧符号” ；循环前缀c p 的长度 5 ( t ) l6 函数 l f f t l 反傅立叶变换 f f t = 傅立叶交换 坩，为高斯白噪声 日他) 。信道的离散频域响应 t 归一化系统频偏 c p l0 f d m 系统循环前缀 约定：时域信号用小写字母表示。频域信号用大写字母表示粗体小写字母 表示一个向量，租体大写字母表示一个矩阵 5 山东大学硕士擘位论文 前言 现代移动通信传输方案可以分为单载波传输和多载波传输两种单载波 传输方案发展的比较早，技术理论相对比较成熟，曾一度占据了移动通信的 主导地位 1 2 1 3 ，3 1 随着社会进步和发展，人们对通信系统提出了越来 越高的要求例如要求能实现更高的速率、更高的可靠性以及更高的频谱 效率。同时这种新的通信技术能够融合各种综合业务并满足人们对移动性的 要求在这样的背景下串行传输方式的缺点逐渐暴露了出来，特别是在存 在严重的码问干扰或者多径信道衰落下高速率的串行通信变的十分困难以 美田a t s c - t ( 地面数字电视广播) 为例，其对付强动态多径困难；在强多径变 化( 相位) 对，导颏信号会受到严重影响，载波恢复出现困难同时均衡 器的性能在载波没有精确恢复时会急刷下降作为地面数字通信系统这种 缺陷是致命的 在这种历史背景下。o 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 。 正交频分复用1 技术应运而生o f d m 是一种频谱部分重叠 的多载波调制技术，它的主要思想是使用并行数据及频分多路( f d m ) 的方式 来克服噪声及多径干扰， 而避免使用高速复杂的均衡器，同时达到最大限 度地利用可用频带、获得高频谱利用率的目的 o f d m 技术最早于2 0 世纪5 0 年代末应用于军队无线通信年代中 期，c h a n g 提出一种带限信号的多信道传输方法，即在一个线性带限信道上 同时传输多路信息并消除载波阃干扰( i n t e r - c a r r i e ri n t e r f e r e ，i c i ) 及符 号问干扰( i s i ) 之后，s a l t z b e r g 进行了分析，指出设计一个高效的并行系 统可以比独立的信道更加集中的消除邻道间的串话，及由串话引起的失真 1 9 7 1 年，v v e i n s t e m 和e b e r t 提出用d f t 来傲基带信号的调制和解调。为 0 f d m 的实用做出了巨大贡献【3 8 】为控制i c i 及i s i ，他们使用符号保护问 隔和时域升余弦窗技术，但这种方法使载波问的正交性受到破坏1 9 8 0 年 p e l e d 和r u i z 提出用循环前缀( c p ) 方式代替保护阃隔来控制i s i 和i c i 解决了正交性的问题，为o f d m 做出了另一重大的贡献在o f d m 的符号 保护间隔内填充c p 而不是空字节这样形成了循环卷积当满足c p 长度 比信道的脉冲响应时间长时，能有效的保持正交性至此，形成了比较完善 的o f d m 系统9 0 年代以后由于能够使用f f t 技术实现有效的调铡。并 随着近年来数字信号处理技术，半导体技术的飞速发展及大规模集成电路的 应用，o f d m 进入实用化阶段 o f d m 技术是多载波传输技术与普通单载波系统相比。它对载波同步 的精度要求更高同步的实质就是利用已有的信息或是人为加入信息( 如导频 序列) 来对同步参数进行估计和判断，其目的就是要达到收发一致以达到可 靠通信的目的目前对同步闯题的解决方案大致分为两类：一类是辅助数据 法( d a t a - a i d e d ) ，另一类就是非辅助数据法( n o n - d a t a a i d e d ) ，也叫做盲估计 2 1 2 2 1 在移动环境下0 f d m 系统正常工作时，系统的相对频偏( 本文中讨论频 偏时一般采用相对频偏它是实际频偏与子载波同隔的比值) 至少要小于2 否则由于频偏引起的载波问干扰会使系统的性能受到极大的影响【1 ，8 1 频偏的校正一般分两步：第一步称为捕获此阶段的工作是快速准确的估计 出系统频偏，并进行相应的校正，使系统正常工作捕获后系统的频偏继 续缓慢变化接收机必须及时校正这种频偏，否则频偏的积累会使接收机的 性能恶化对捕获算法的要求是捕获速度快。捕获范围大，使通信过程迅速 建立；对跟踪算法的要求是精度高，代价小( 包括频谱代价及运算量) 同时，o f d m 系统一般采用相干解调，因此信道估计是o f d m 系统的 又一关键问题信道估计方法可以分为辅助数据方法和盲估计方法两种辅 助数据方法就是在发送端发送一些值和位置已知的数接收端根据接收信号 和已知辅助数据来估计信道传输特性辅助数据可以选择时域信号也可以选 择频域信号传统方法大多采用颏域信号，这是因为o f d m 中广泛采用循环 前缀c p 作为保护间隔，c p 的引入导致在接收端去掉接收信号的保护问隔 后，信号表现为发送信号和信道冲激响应的循环卷积根据离散傅立叶变换 的性质。在频域上表示为发送信号和信道频率响应的乘积，从而直接在频域 上对信遭进行估计和均衡更为方便但是，在时域上进行信道估计会引入其 他的一些优势比如，时域信道估计的精度较频域信道估计算法更高，计算 量较小等等同盲估计相比，辅助数据法精度更高但会影响系统的频谱效率 如果采用一帧辅助数据采用不同的算法同时进行频偏捕获和时域信道估计， 那么辅助数据带来的影响会远远小于其优势弘5 】 7 竺至銮：竺：竺兰三 为了提高系统的频谱效率，山东大学宽带无线研究小组( 实验室) 进行认 真研究做了大量理论分析和仿真我们通过合理地设计辅助数据，提出了 一套新同步和信道估计方案采用一帧辅助数据同时进行频偏捕获和时域信 道估计两种算法还具有算法实现简单，捕获范围大计算精度较高，运算 量也较小。不受定时误差的影响等优点 本论文结构如下： 第一章首先介绍移动敦字通信系统与多载波通信系统包括数字通信系 统模型、致字通信系统基本构成、移动信道的特征、多载波系统分析等 第二章介绍了o f d m 基本原理包括o f d m 发展过程、系统的优特点、 系统模塑及o f d m 技术目前存在的闯题 第三章主要介绍了o f d m 系统的同步原理和目前已知较为典型同步方 法 第四章介绍作者提出的基于时域辅助数据的联合o f d m 系统载波频率 捕获和倍道估计算法在理论上进行了详细的分析。最后给出计算机仿真结 果 第五章对论文进行总结并对下一步的工作进行展望 第一章数字移动通信系统与多载波通信系统 1 1 数字移动通信系统 数字通信系统模型如图1 1 1 图1 1 1 数字通信系统模型 图1 1 1 显示了一个数字通信系统的功能性框图和基本组成部分 3 3 ， 3 4 信源输出的可以是模拟信号，如音频或视频信号；也可以是数字信号， 如电传机的输出，该信号在时问上是离散的。并且具有有限个输出字符在 数字通信系统中，由倍源产生的消息变换成二进制数字序列理论上，应当 用尽可能少的二进制数字表示信源输出换句话说。我们要寻求一种信源输 出的有效的表示方法，使其很少产生或不产生冗余将模拟或数字信源的输 出有效的变换成二进制数字序列的处理过程称为信源编码或数据压缩 由信源编码器输出的二进制数字序列称为信息序列，它经过加密后被传 送到信道编码嚣信道编码嚣的目的是在二进制清息序列中以受控的方式引 入一些冗余以便于在接收机中用来克服信号在信道中传输时所遭受的噪声 和干扰的影响因此，所增加的冗余是用来提高接收数据的可靠性的。信道 编码通常又称为纠错编码实际上，信息序列中的冗余有助于接收机译出期 望的信息序列 信道编码器输出的二进制序列送至数字调制器，它是信道的接口因为 在实际中遇到的几乎所有的通信信道都能够传输电信号( 波形) 。所以致字调 ：查：竺：竺兰三 制的主要目的是将二进制信息序列映射成信号波形 信道是用来将发送机的信号发送给接收机的物理媒质移动通信中，信 道可以是大气( 自由空间) 另一方面，有线通常使用各种各样的物理媒质， 包括有线线路、光缆和无线( 微波) 等无论用什么物理媒质来传输信息， 其基本特点是发送信号随机的受到各种可能机理的恶化，例如由电子器件产 生的加性热噪声、人为噪声( 如汽车点火噪声) 及大气噪声( 如在雷暴雨时 的闪电) 在数字通信系统的接收端，数字调制器对信道恶化的发送波形进行处 理，并将该波形还原成一个数字序列，该序列表示发送数据符号的估计值( - - 进制或m 元) 这个数的序列被送至信道译码器，它根据信道编码器所用的 纠错码及接收数据所含的冗余度重构初始的信息序列 解调器和译码嚣工作性能好坏的一个度量是译码序列中发生差别的频 度更准确的说。在译码器输出端的平均比特错误概率是解调器一译码器组 合性能的一个度量一般地，错误概率是下列各种因素的函效；纠错码、用 来在信道上传输信息的波形的类型，发送功率、信道的特征郎噪声的大小) ， 干扰的性质等以及解调和译码的方法 作为最后一步，当需要模拟输出时当信源译码器从信道译码器接收其 输出序列并根据所采用的信源编码方法的有关知识重构由信源发出的原始 信号由于信道译码的差错以及信源编码器可能引入的失真，在信源译码器 输出端的信号只是原始信源输出的一个近似在原始信号与重构信号之间的 信号差或信号差的函数是数字通信系统引入失真的一种度量 1 2 移动信道特征 无线传输技术是一种通过空间电磁波来传输信息的技术1 3 3 对无线信 道传输特性的研究是移动通信系统设计的一项必要前提，只有深入细致的了 解电磁波在空中的传播特性。才能正确的设计一个移动通信系统 然而，由于电磁波的传播路径非常复杂。精确的理论计算十分困难所 以在实际应用中，往往采用理论分析和实验数据相结合的方法，针对不同的 传输环境总结归纳出相应的路径损耗模型室内和室外，步行时和车载移动 时的电磁波传输环境都有很大的不同，可供使用的模型也有很大的差别 1 1 0 i，銮：兰硪士学竺论文i b 1 2 1 多径效应 无线移动信道的主要特征就是多径传播，即接收机所接收到的信号是通 过不同的直射、反射折射等路径到达的参见图1 2 1 无线信号的多径传 播由于电波通过各个路径的距离不同，因而各条路径中发射波的到达时间、 相位都不相同不同相位的多个信号在接收端叠加，如果同相叠加则会使信 号幅度增强，而反相叠加则会削弱信号幅度这样接收信号的幅度将会发 生急剧变化，就会产生衰落 图1 2 1 无线信号的多径传播 例如发射端发送一个窄脉冲信号，则在接收端可以收到多个窄脉冲，每 一个窄脉冲的衰落和时延以及窄脉冲的个数都是不同的对应一个发送脉冲 信号，圈1 2 2 给出接收端所接收到的信号情况这样就造成了信道的时闻 弥散性( t i m ed i s p e r s i o n ) ，其中m ，被定义为最大时延扩展 圈1 2 2 时延扩展 在传输过程中，由于时延扩展，接收信号中的一个符号的波形会扩展到 其他符号当中，造成符号问干扰( 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 ) 为了避 免产生i s i 应该令符号宽度要远远大于无线信道的最大时延扩展，或者符号 速率要小于最大时延的倒敷由于移动环境十分复杂，不问地理位置，不同 山东太掌礤士学位论文 时间所铡量到的时延扩展都可能是不同的。因此需要采用大量测量数据的统 计平均值表1 2 1 给出两种不同信道环境下的对延扩展值 轰1 2 i 不同信道环埯下的时延扩屡信 环境最大时延扩展最大到达路径差 室内 4 0 n s - 2 0 0 n s1 2 i 喝o m 室外 l u s - 2 0 u s 3 0 0 1 - 6 k _ 在频域内，与时延扩展相关的另一个重要概念是相干带宽，实际应用中通常 用最大时延扩展的倒敷来定义相干带宽鄞： ( 嘲，一士 i ( 1 2 1 ) 从频域角度观察多径信号的时延扩展可以导致频宰选择性衰落 ( f r e q u e n c y s e l e c t i v e - f a d i n g ) ，即针对信号中不同的频率成分，无线传输信道 会呈现不同的随机响应，由于信号中不同频率分量的衰落是不一致的，所以 经过衰落之后，信号波形就会发生畸变由此可以看到，当信号的速率较高， 信号带宽超过无线信道的相干带宽时信号通过无线信道后备频率分量的变 化是不一样的引起信号波形的失真造成符号闻干扰，此时就认为发生了 频率选择性衰落l 反之当信号的传输速率较低信道带宽小于相干带宽时。 信号通过无线信道后各频率分量都受到相同的衰落因而衰落波形不会失真。 没有符号问干扰，则认为信号只是经历了平衰落，即非频率选择性衰落相 干带宽是无线信道的一个特性，至于信号通过无线信道时，是出现频率选择 性衰落还是早衰落这要取决于信号本身的带宽 1 2 2 多警勒效应 当移动台在运动中进行通信时，接收信号的频率会发生变化，称为多普 勒效应这是任何波动过程都具有的特性以可见光为例假设一个发光物 体在远处以固定的频率发出光波，我们可以接收到的频率应该是与物体发出 的频率相同现在假定该物体开始向我们运动。但光源发出第二个波峰时， 它距我们的距离应该要比发出第一个波峰的时候要近，这样第二个波峰达到 1 2 竺銮銮：丝兰兰 我们的时间要小于第一个波峰到达我们的时问因此这两个波峰到达我们的 时间问隔变小了与此相应我们接收到的频率就会增加相反当发光物体 远离我们而去的时候，我们接收到的频率就要减小这就是多普勒效应的原 理在天体物理学中，天文学家利用多普勒效应可以判断出其他星系的恒星 都在远离我们而去。从而得出宇宙是在不断膨胀的结论这种称为多普勒效 应的频率和速度的关系是我们日常熟悉的，饲如我们在路边听汽车汽笛的声 音t 当汽车始近我们时其汽笛音调变高( 对应频率增加) ：而当它始离我们 时，汽笛音调又会变低( 对应频率减小) 信道的时变性是指信道的传递函数是随时间而变化的，郎在不同的时刻 发送相同的信号。在接收端收到的信号是不相同的见图1 2 3 ( a ) 时变性 在移动通信系统中的具体体现之一就是多普勒频移( d o p p l e r $ h i m 即单频 率信号经过时变衰落信道之后会呈现为具有一定带宽和频率包络的信号。见 豳1 2 3 ( b ) 这又可以称为信道的频率弥散性( f r e q u e n c yd i s p e r s ；o n ) o no 爷om 口口口口口 龟。 再 正囊奉 x e e ：鲫表示由于多卺鼍扈的信适时蔓性 御由于多t 勒颤移造成的信道囊奉 圈1 2 3菁线信道的时蛮件示意图 多酱勒效应所引起的附加频事偏移可以称为多普勒频移( d o p p l e r s h i f t ) ， 可以用下式表示； 力- c o s e 。等刚一，- 硼 ( 1 艘) 其中a 表示载波频率，c 表示光速，凡表示最大多普勒频移，v 表示移动 台的运动速度可以看到，多普勒频移与载波频率和移动台运动速度成正比 山素大学焉士学位论文 当移动台向入射波方向移动时多昔勃频移为正，邵移动台接收到的信 号频率会增加：如果背向入射波方向运动。则多普勒频移为负，即移动台接 收到的信号频率会减小由于存在多普勒频移，所以当单一频率信号( 矗) 到 达接收端的时候其频谱不再是位于频率轴士矗处的单纯d 函数，而是分布 在( 一厶， + ，一) 内的，存在一定宽度的频谱表1 2 2 中给出两种载波 情况下( 0 m h z ，2 g h z ) 不同移动速度时的最大多普勒频移数值 表1 2 2不同频率最大多謦勒频移 1 0 0 k n h7 5 k n h5 0 k n h2 5 k m h 9 0 0 m h z8 36 24 22 l 2 g h z1 8 51 3 99 34 6 从时域来看，与多普勒频移相关的另一个概念就是相干时问，即 ( 厶巩去 ( 1 2 3 ) 相干时间是信道冲激响应维持不变的时间间隔的统计平均值换句话 说，相干时阃就是指一段时间问隔，在此问隔内，两个到达信号有很强的幅 度相关性如果基带信号带竟的倒敦，一般指符号宽度大于无线信道的相干 时间。那么信号的波形就可能会发生变化，造成信号的畸变，产生时间选择 性衰落也成为快衰落；反之，如果符号的宽度小于相干时间，这认为是非 时间选择性衰落，即慢衰落 1 3 多载波系统 多载波调制是本世纪六十年代被提出的，当时人们对其作了许多理论上 的工作，论证了存在符号阃干扰的限带信道上采用多载波调制可以优化系统 的传输性能，但由于当时很难找到一种有效和经济的办法来产生一系列相位 一致的正交多载波发生器( 或多载波调制器) 和一系列相干解调器多载波 调制没有得到广泛的认识直到t 9 7 1 年，w e i n s t e i n 和e b e r t 提出了用离散 傅立叶变化实现多载波调制的方法【3 6 】使多载波调制的实现复杂度大大降 山东大学硕士学位论文 低进入9 0 年代，由于数字信号处理技术和大规模集成电路技术的进步， 多载波技术的大规模应用成为可能 1 8 。2 0 1 图1 3 1 给出了多载波调制的基本原理考虑一个信号周期内传送的符 号序列为( 而一一d i ) ，每个符号一是经过基带调制后变为复信号 d j a t + ，串行符号序列的间隔为a t s i 矗其中 是系统的符号传输速 率串并转换后，它们分别调制n 个子载波( f o 。 。，- i ) 。这n 个子载波 频分复用整个信道带宽，相邻子载波之问的频率间隔为i t ，符号周期t 从6 f 增加到 褂合成的传输信号d ( o 可以用其低通复包络及f ) 表示 |-l 反，) 。( + 婀i q ，+ - ，s i l l q ，) t e x k i c a ：) ( o f n 扣o k , o 其中，蛳- 2 x v v - i t 。i i n & t ( 1 3 1 ) 符号周期【0 ，卫内，传输的信号为 d ( r ) = r c 石( ，) e x p ( j 2 矗f o t ) ，( o ，s r ) ( 1 3 2 ) 若以符号传输速率以为采样速率对及f ) 进行采样，在一个周期之内，共 有n 个采样点，令t ；_ 1 6 | ，采样序列蜀帅可以用符号序列( d o , d l 。一n ) 的离散傅立叶逆变换来表示，即 n - ! 鼠所) t e x p u 2 矗辨，) li d f t ( d i o s 肘s ( 1 3 3 ) k , o 因此，多载波调制系统的调制和解调过程等效于离散傅立叶逆变换和离 散傅立叶变换处理圈一给出了多载波调制系统实现框图。其核心是离散傅 立叶变换 一卜 数字 毒 l 一 相 静 入-基带 并 一通 居 变 1 y y 加 葩 调制 换 l 器 竣 _ 扣 圈1 3 1 多载波调制基本原理 多载波调制实际上就是在频域内将信道的可用带宽划分为许多正交的 子信道，每个子信道均拥有自己的载波分别进行调制。数据通过各个子信道 独立的进行传输如果信道教划分的足够细，则每个信道的频率特性可近似 的看作是平坦的，即每个子信道都可看作无i s i ( 码阃干扰) 的理想信道，这 救 出 据 田1 3 2 斤可赛现的多曩竣调制系统框圈 样在接收端不需要采用复杂的信道均衡技术。即可对接收信号进行可靠的解 调同时，我们还可以看出，多载波系统与相同传输速率的单载波传输系统 相比符号周期延长了n 倍通常远远大于信道的时延扩展。也增强了其消 除熔i 的能力 在每个衰落持续时闻内。采用单载波系统，相邻的几个符号可能完全受 到损害；采用多载波系统，由于符号周期的延长，其对衰落平均，同时传输 的n 个符号受到较轻的影响 当至銮：要：竺兰兰： 一i i _ _ _ _ 一 第二章o f d m 技术基本原理 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 ) 是一种新兴的 通信技术它以良好的抗多径性能和很高的频谱利用宰赢得了越来越多关注 现在正在被广泛应用于数字移动通信系统本章将从整体上介绍o f d m 技术 的系统模型。关键技术优点及其存在的目露等 3 1 ，3 6 1 o 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 nm u l t i p l e x i n g ) 即正交频分复用 一种新兴的通信技术，是目前已知的频率利用率高的一种通信系统它将数 字调制、数字信号处理，多载波传输等技术有机结合在一起。使得它在系统 的频率利用率、功率利用事、系统复杂性方面综合起来有很强的竞争力是 支持未来移动通信特别是移动多媒体通信的主要技术之一 2 1o f d m 主要优点及特点 o f d m 是采用数据并行传输的多载波技术。n 个子载波把整个信道分成 n 个子信道，这些子信道并行传输信息这种技术使得解决串行传输遇到的 问题( 如多径造成的码问干扰) 成为可能其主要优特点有： 频谱利用宰高 o f d m 技术重要特点之一是其具有极高的频谱利用率 普通的f d m 系统为了分离开各个子信道的信号需要在相邻的倍道问设 置一定的保护问隔以便于接收端采用带通滤波器b p f 分离出相应子信道的 信号这种频分复用方案势必造成了频谱资源的浪费( 如图2 1 1 所示) o f d m 系统中各子信道问不但没有保护阃隔而且相邻信道信号的频谱的主瓣还相 互重叠，但各子信道信号的频谱在频域上是相互正交的，备子载波在时域上 是正交的，o f 蹦系统的各个子信道信号的分离( 解调) 是靠这种正交性来完 成的另外o f d m 的各子信道上还可以采用多进制调制，进一步提高了0 f 明 系统的频谱效率 7 一i i 当耋竺! = 竺竺三 一_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - 节奢话童 觥1 圈2 1 1 传统的f d m 与o f d m 的 z 实现比较简单 当子信道上采取q a m 或m p s k 调制方式时，调制过程可以用l f f t 完 成解调过程可以用f f t 完成。既不用多组振荡源，又不用带通滤波器组分 离信号实现起来比传统的f d 更加经济简单 3 抗多径能力强 o f d m 技术还有一个突出的优点就是信道均衡简单，抗多径能力轰实 际的陆地无线电波传播中，最大的问题是多径衰落特别是在高层建筑密集 的城市。多径衰落的影响尤为突出多径衰落是指接收机所接收到的信号是 通过不同的直射、反射、折射等路径到达接收机的如果发射端发送一个窄 脉冲信号。则在接收端可以收到多个窄脉冲每一个窄脉冲的衰落和时延以 及窄脉冲的个数都是不同的这样就造成了信道的时同弥敢性( n m e d i s p e r s i o n ) t 产生了频率选择性衰落( f r e q u e n c ys e l e c t i v ef a d i n g ) 而这种 衰落可以引起o s n 一般的说信号频带很窄时衰落现象比较好处理但当信号频带较 竟时则存在着频率选择性衰落。衰落的影响可产生码问串抗使误码增 加在单载波通信系统，当数据传输速率不太高时，多径效应对信号符号之 阃造成的干扰不是特别严重可以通过使用合适的均衡算法使得系统能够正 常的工作但是对于竟带业务来说由于敛据传输的速率较高。时延扩展造 成数据符号之间的相互交叠，这对均衡提出了更高的要求，需要引入复杂的 均衡算法还要考虑到算法的可实现性和收敛速度从另一个角度去看当 信号的带宽超过和接近信道的相干带宽时，信道的时阃弥散性将会造成频率 选择性衰落，使得同一个信号中不同的频率成分体