（交通信息工程及控制专业论文）DVBT系统同步算法与测距定位技术研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 d v b - t 数字视频广播是利用地面传输介质进行m p e g - 2 数字电视广播的传 输标准。d v b - t 采用编码正交频分复用( 0 0 f d m ) 技术，具有频谱利用率高、 抗衰落能力强、适合多媒体j 蓖信的优点，但d v b - t 系统的诸多优点必须在可 靠同步的基础上才能实现。 本文针对d v b - t 系统对同步偏差敏感的特性，深入研究了系统可采用的 各种同步算法。论文首先分析了同步误差对系统的影响，然后利用o f d m 系统 时域插入的循环前缀冗余信息进行符号粗同步和分数频偏的联合估计，接着， 在f f t 后利用频域插入的分散导频估计侮酋冲击响应，确定多径时延宽度， 实现符号精同步，并利用连续导频实现整数倍载波频偏与采样钟频偏的估计； 最后，基于种符号精同步算法给出了种采样钟相偏与符号偏差联合估计 的算法。数值分析和计算机仿真结果表明：同步算法在a w g n 信道能达到最佳 性能，在慢衰落r a y l e i g h 信道下也有很好的性能。 由于符号同步具有很高的定时精度，因此可以用来实现d v b - t 系统收发 信机之间的测距定位。为此，本文结合t d o a 定位技术，研究了种基于d v b - t 信号的测距定位方案，并对该方案进行了仿真验证。结果表明：该方案在a w g n 和r a y l e i g h 信道下都能达到较高的定位精度，可实现n l o s 环境下的较准确 定位。 关键词：同步算法；狈8 距定位；正交频分复用；d v b - t 系统；t i d a 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t 舡龇t r a n s m i s s i o ns t a n d a r do fm p e g - 2d i g i t a lv i d e ob r o a d c a s t i n g , d i 鲥 v i d e ob r o a d c a s t i n g - t e r r e s t f i a l ( d v b - i ) i su s e df o rt e r r e s t r i a lm e d i at r a n s m i s s i o n a sd v b - t a d o p t sc o d e 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 ( c o 叫 t e c h n o l o g y , i tt i n st h em v a n t a g e so fr a g hf r e q u e n c yu t i l i z i n gr a t e ，r o b u s ta n t i f a d i n g a b i l i t ya n da d a p t i n g t om u l t i m e d i ac o m m u n i c a t i o n s h o w e v e r , t h ea d v a n t a g e so f t h e d v b - t s y s t e ma r ea s s u r e do n l yw h e n t h et r a n s m i t t e ra n dt h er e c e i v e ra r ep r e c i s e l y s y n c h r o n i z e d b a s e do i lt h ec h a r a c t e r i s t i co fs e n s i t i v et os y n c h r o n i z a t i o ne r r o r s , t h e d i s s e r t a t i o n d e e p l y s t u d i e d s y m b o ls y n c h r o n i z a t i o n , c a r r i e r f r e q u e n c y s y n c h r o n i z a t i o na n ds a m p l i n gc l o c ks y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h m si nd v b - t s y s t e m f i r s t l y ，w ca n a l y z e dt h ei m p a c to fs y n c h r o n i z a t i o ne r r o r so nd v b - t , a n dt h e n , w e e x p l o i t e dg u a r di n t e r v a li nt i m ed o m a i nt op e r f o r mt h ej o i n te s t i m a t i o nf o ro k a l s e s y m b o ls y n c h r o n i z a t i o na n df r a c t i o nv a l u eo fc a r r i e rf r e q u e n c yo f f s e ta f t e rf i 吧 w er e s e a r c h e dt h ef i n es y m b o ls y n c h r o n i z a t i o nb ys c a t t e r e dp i l o t si nf r e q u e n c y d o m a i n , a n de s t i m a t e dt h ei n t e g e rp a r to fc a l t i e rf r e q u e n c yo f f s e ta n ds a m p l i n g c l o c kf r e q u e n c y 栅瞰b yo o n t i n u a l 硼魄f i n a l l y , w ep r e s e n t e daj o i n te s t i m a t i o n a l g o r i t h mf o rf i n es y m b o lo f f s e ta n ds a m p l i n gc l o c kt i m i n go f f s e tb a s e d 0 1 1af i n e s y m b o ls y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h r n a n a l y s e s a n ds i m u l a t i o ns h o wt h a tt h e p c r f o r m a n o ei so p t i m a li nt h ea w g n c h a n n e la n di sw e l li ns l o wf a d i n gr a y l e i g h c h a n n e l t h ep r e f e r a b l et i m i n gp e r f o r m a n c ei ns y m b o ls y n c h r o n i z a t i o nc o u l db eu s e dt o r e a l i z et h er a n g i n gl o c a t i o nb e t w e e nt r a n s m i t t e ra n dr e c e i v e ri nd v b - ts y s t e m t h u s ，at d o a l o c a t i o nt e c h n i q u ei sa n a l y z e d , a n das c h e m eo fr a n g i n gl o c a t i o ni n d v b - ts y s t e mi si n v e s t i g a t e di nt h i sd i s s e r t a t i o n i ti ss h o w nb ys i m u l a t i o nr e s u l t s t h a tt h es c h e m eh a sg o o dl o c a t i o np e r f o r m a n c ei nb o t ha w g na n dr a y l e i g h c h a n n e l s , a n di tc a n l o c a t ea o c - a u a t e l yi nn l o se n v i r o n m e n t s k e yw o r d s ：s y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h mr a n g i n gl o c a t i o n ；o f d m ；d v b - ts y s t e m ； 刃剃 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留并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。本人授权西南交通大学可以将本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、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密d 使用本授权书。 ( 谲在以匕椎内打“ ) 学位论文作糍：硒相他指导刺稚名：孕f 手 日期：乒阳君r f 乒日期：埘j 叼 西南交通大学学位论文创新眭b 盖明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所 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研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 1 、把种o f d m 符号精同步算法应用到d v b - t 系统符号与采样钟相偏联合 同步中，根据d v b - t 系统中分散导频的分布特性，设计了导频在算法中的 使用。 2 、把无线蜂窝网中的t d o a 定位技术应用到了d v b - t 信号的测距定位系统 中，设计了种d v b - t 信号的测距定位方案。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 随着世界各国信息化发展趋势加速，广播电视网络化、数字化已经成为各 个国家推动信息化的个缩影。数字化的最终目标是信息化和现代化，而现 代化中哪化都离不开信息化。推动广播电视数字化，是各国信息化的根本 要求，是用较短时间、较低成本跨越数字鸿沟、实现社会信息化的有效途径。 1 1 研究背景与意义 数字电视广播主要通过卫星、有线电视和地面无线三大传输方式实现。 目荷 世界数字电视地面广播有三个相对成熟的标准：( 1 ) 美国高级电视委员会 ( a t s c ) 研发的格形编码的八电平残留边带( 8 - v s b ) 调制系统；( 2 ) 欧洲数 字视频地面广播( d v b - t ，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 ) 标准 采用的编码正交频分复用( c o f d m ) ；( 3 ) 日本地面综合业务数字广播( i s d b l ) 采用的频带分段传输正交频分复用( b s t - o f d b t ) 。 美国在军用h d t v 方面的研究较早，1 9 8 8 年美国联邦通信委员会( f c c ) 明确要发展a t v ( 高级电视，包括h d t v ) 。9 6 年1 2 月，f c c 决定采用a t s c 数字电视标准作为其下代h d t v 广播电视标准。a t s c 标准的核心是8 - v s b 技术或称为q a m 方案，有较好的载噪比，a w g n 信道具有良好性能。但为了消 除多径干扰，必须采用较为复杂的均衡技术，因而接收机的成本较高，且不 支持移动接收。加拿大、墨西哥、阿根廷等国支持这_ 标准。 日本于1 9 9 7 年制定了自己的综合业务数字地面广播i s d b - t ( i n t e g r a t e d s e r v i c ed i g i t a lb r o a d c a s t i n g ) 方案。i s d b t 的核心技术也是o f d m ，但它 由一组称为b s t 的基本频率块组成，对不同的b s t 段采用不同的载波调制方 案和内码编码码率。不同数据段有自己的误码保护方案以满足不同业务要求。 我因数字电视地面传输标准的制定始于2 0 0 0 年。2 0 0 4 年8 月，中国工 程院确定国标在清华大学的多载波方案与上海交大的单载波方案二者基础上 融合产生。2 0 0 6 年8 月1 8 日，国家标准化管理委员会正式发布了我国具有 自主知识产权的数字电视地面广播传输系统帧结构、信道编码和调制标 准，于2 0 0 7 年8 月1 日正式实施。我国计划2 0 0 8 年全面推广地面数字电视， 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 开展数字高清晰度电视业务。 欧洲提出数字视频广播规划始于1 9 9 3 年，9 6 年3 月欧洲广播联盟( e b u ) 公布了d v b _ r 标准草案。9 7 年3 月e b u 正式通过了数字视频地面广播( d v b - t ) 标准，标志了欧洲h i ) w 地面传输方案的标准化工作完成。d v b l 标准采用了 编码的正交频分复用( c o d e do r t h o g o n a lf r e q u e n c y d i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ，c o f d m ) 技术。它通过延长符号周期来抗击多径干扰。插入的 循环前缀和导频信号可以完成定时同步、载波恢复、信道均衡等工作。由于 能较好的抗击多径干扰，可以组成单频网。该标准有许多可选参数，可以适 应不同信噪比和信道特性的地面传输，也支持移动接收。d v b 标准还包括： 数字卫星转播系统( d v b - s ) 、数字电缆传送系统( d v b - c ) 。这两个标准也是 世界应用在卫星和有线电视网络中的数字电视传输标准。现已有3 0 多个国家 和地区的2 0 0 多家公司与组织参加，除了英、法、瑞典等欧洲国家采用这一 标准外，澳大利亚、新加坡、印度等国也支持这标准。 欧洲的数字电视地面广播( d v b l ) 作为一种全新的传输信息的技术已经 开始被广泛应用，其采用的o f d m 编码技术因具有抗衰落、码间干扰能力强、 频谱利用率高等诸多优点已成为下代移动通信中的核心技术。我国的数字 电视广播标准也采用了单载波与多载波融合的机制，但o f d m 的诸多优点必须 在准确同步的基础巳才能实现，同步的好坏直接决定了整个系统的性能，因 此研究d v b - t 通信系统的同步问题具有非常重要的意义。 此外，随着数字电视广播网的建立，用户接收端除了能接收到有效的数 字视频信息外，还可以利用数字广播的载波测定从发射塔到接收端的距离等 空间参数，实现无线定位。d v b - t 先进的调制技术使其抗多径和频带利用率 优于蜂窝定位；o r b 信号本身还具备一定的室内接收特性，并且信号的有效 同步码率远远高于g p s 的c a 码，因而其定位的覆盖性和性价比优于卫星定 位。因此研究基于d v b - t 信号的测距技术也是很有意义的，并且d v l 3 - t 系 统高精度的频率和定时同步为构建基于测量d v b 信号传播时间的测距定位系 统提供了条件。 1 2 国内外研究现状 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 1 2 1o f d m 信号同步问题研究 0 f i ) m 编码技术是d v b - t 系统的关键技术，要实现d v b - t 的同步，首先要 了解0 麟信号的同步。 近年来，围绕o f d m 同步问题国外已；经进行了大量的研究工作，而且已经 取得了许多进展。文献 2 - 1 0 分析了频率误差、定时不同步对系统性能的影 响。文献 11 1 4 通过循环前缀的相关性来实现定时同步，但采用这种方法存 在定的缺陷，循环前缀的最大似然函数受数据、噪声和信道的影响较大， 工作信噪比较高，同时算法精度不高n 司。文献 1 6 ，1 7 利用特殊的导频训练序 列对称性来完成定时同步，文献 1 6 7 提出了利用自相关函数对频偏和时i 旬进 行联合估计，但该算法的频率估计采用步长搜索方式，故计算量特大。文献 1 7 对文献i - 1 6 的方法进行了改进：在不降低时间和频率同步精度的情况下 提高算法的速度，然而该算法在符号同步方面会带来i s i 和i c i 。此外，还 可以采用o f 嘶符号的其他信息进行定时估计，文献 1 8 利用空符号来实现频 率和时间周期的获取，文献 1 9 中研究了利用信道估计实现同步算法，文献 2 0 给出了种基于信号相关函数的定时参数估计算法。 国内对o f d m 同步问题也进行了一定的研究，文献 2 1 对近年来具有代表 性的多种同步算法进行了分析和比较。基于最大似然法实现同步的文献较少 阻捌。文献 2 2 对池算法缺点提出两种改进算法，又根据p n 序列的自相关 性提出种同步算法。基于训练序列实现同步的研究相对较多洲。文献 2 4 提出种频率同步方案，文献 2 5 ，2 6 提出种适用于多径衰落信道的定时同 步算法，文献 2 7 提出了种适用于多径信道的帧、符号和载波联合同步算 法，文献 2 8 根据设计的特殊的导频符号，通过伪随机序列的自相关性得到定 时误差，文献 2 9 利用训练序列定时，结合儿算法进行频率估计，克服了现 有儿算法定时不够精细，频偏估计范围过小的缺点，文献 3 0 也对现有基于 p n 序列的各种定时同步算法做了分析比较。 可见，国内外对o f d m 同步技术的研究已经取得了许多进展，国外对系统 同步误差分析的较深入。同步的方式主要分为两种：一是利用循环前缀的相 关性，二是利用导频或训练序列的相关性。用循环前缀的循环特性进行同步， 可以不需要训练序列和导频的使用，节省了频域资源，减少了计算复杂度， 但同步的精度不高；采用导频的同步算法搜索的时间较长，但估计较为精确； 采用p n 训练序列进行同步的算法性能最优目计算复杂度低，但p n 序列占用 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 了宝贵的带宽资源，只有在具有专用同步符号的4 g 、w l a n 等系统中才能适用， 而对于d v b - t 系统则没法使用。此外，还有利用信道估计和相关函数等方法 来实现同步的。这些同步技术都可以借鉴用来研究d v b - t 系统的同步。 1 2 2d v b t 系统同步与测距定位问题研究 国外针对d v b - t 系统同步的研究如下：文献 3 1 提出了两种d v b - t 接收 的同步算法，种基于导频信号，一种基于循环前缀，这两种算法在强共道 干扰下都具有良好的特性；文献 3 2 提出种新的定时采样同步算法，该算 法很适合在高速移动的传输条件下接收d v b 信号；文献 3 3 分析比较了粗， 细时间同步及粗，细频率同步算法，提出了种新的适合单径信道的细时间 同步算法并对粗频率估计算法作了改进。文献 3 4 提出了种衰落信道下的 低复杂度的d v b - t 同步体系结构。 囡内对d v b - t 系统的同步研究有：文献 3 5 3 提出了种节省导频资源的 频率精同步算法；文献 3 6 提出了种低复杂度的定时同步方法，该方法降 低了硬件复杂度，节省了逻辑电路资源；文献 3 7 提出一种利用叠加的、极 弱能量的复巴克码和循环前缀进行帧同步的算法；还有关于d 诏_ t 接收端采 样时钟同步算法的f p g a 实现嘲，以及d v b - t 解调器同步系统模块的设计陬删。 有关d v b - t 系统的定位研究有：文献 41 阐述了一种基于0 f d m 信号定位的系 统设计方案，给出了收发机模型，分析了序列采样原理及载频的选取；文献 4 2 给出了o f d m 系统基于循环前缀和基于导频训练序列进行定位的两种方 案。文献 4 3 提出了基于 y r v 信号的定位模型；文献 4 4 3 建立了用于精确0 f 踟 广播测距的信号模型，分析了影响测距精度的各种因素并推导出了时频域的 测距误差下界。 综匕所述，国内外对d v b - t 系统的同步研究都还不够深入，在衰落信道 下的同步性能也不理想，同步的方法主要是依靠循环前缀和导频信号，般 利用循环前缀进行粗同步，利用导频信号进行精同步。国外有关d v b - t 信号 定位的文献还没有看到，国内对基于d v b - t 信号的定位研究也只停留在测距 误差分析和方案的提出上。因此，本文针对d v b l 系统特点，研究适应多径 传输环境，高精度，低复杂度的同步方法；同时，在符号定时同步的基础上， 研究基于时间测距的定位技术。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 1 3 论文主要工作与章节安排 本文对以o f d m 技术为编码方式的d v b - t 系统的同步和无线定位测距问题 进行了探讨和研究。论文第二章分析了地面传输信道模型，介绍了o f d m 基本 原理及d f t 信号表示，并对d v b - t 的收发机系统结构、符号结构及删技 术的优缺点进行了阐述。第三章首先对系统同步误差进行了细致分析，说明 了同步对系统的重要性；继而对各种同步算法，包括符号定时同步、载波频 率同步和采样钟频率同步进行了推敲研究，并基于种o f d m 符号精同步算 法，结合d _ v b - t 导频特征给出了种适合d v b - t 系统的采样钟相偏与符号联 合同步算法，同时对所研究算法进行了仿真分析与验证。第四章在符号定时 同步的基础上，结合伪距测量原理和时间测量技术，研究了种基于d v b - t 信号的测距定位方案，并对算法的测距与定位性能进行了仿真验证。最后， 在总结部分对全文工作进行了总结与展望。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 第2 章o f d m 原理与d v b t 系统简介 o f d m 最有优势的应用环境是频率选择性信道，本章首先分析无线传输信 道的特性，在此基础上再介绍o f d m 的基本原理，最后介绍d v b - t 系统结构及 其特点。 2 1 1 无线传输信道的噪声和干扰 h i y i v 地面传输工作在i 腼v 盯频段，对于定点通信时，在这一频段通信 主要的干扰和噪声有： 1 加性白高斯噪声( a w g n ) 高斯分布的白噪声概率密度可表示： 1垒= 苎2 ： 厂o ) 一7 兰p2 02(2-1) 肛和仃2 分别为高斯分布的期望和方差。 2 突发干扰 突发干扰表现为短时大噪声，这种短时大噪声主要由工业电火花等突发 因素引起，噪声能量可能高于信号能量。 3 p a l 同频谳 由于h d t y 的地面广播是在现有的电视频带内，与标准的p a l 信号同播， 因此h d t v 信号会受到p a l 同播信号的干扰，p a l 信号的频谱特征是信号能量 主要集中在视频载波、色亮及音频副载波。 2 1 2 无线传输信道多径和衰落 由于地面传输信道环境的复杂| 生和特殊性，传输信道具有色散和时变特 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 性，在这样的信道匕传输信号还有以下的主要特性： 1 。多径传输 多径传输使信号产生频率选择性失真，多径主要是由于城市建筑物对电 波的多次反射及散射引起的，多径干扰主要包括三个参数：多径延时、衰减 和相移。通过对这些参数的不同选择可得到不同的多径传输模型。 2 衰落 移动接收中的多径的时变会引起附加的调幅和调相，信号的失真取决于 这种附加的调幅、调相的特点。它既可能是无衰落的高斯型，也可能是电平 有大起伏的瑞利衰落。 3 多普勒频移效应 这是由于移动接收的运动造成的，频移值与入射角，波长和运动速度有 关，设所有电波入射角为均匀分布，则多普勒频移分布函数可由下式给出： 吃( 厶) ；1 丽1 ，f o r 斛i ，m “i ( 2 - 2 ) 其中是最大多普勒频移，且有：i m 。一厶二，v 为移动接收运动速度，厶为 接收频率。 在匕述信道匕传输信号，许多研究指出典型的调制体制( 如q p s k 或f s k ) 有误码展平现象，甚至很大的信噪比下也如此。这由以下的两个独立现象造 成： 由于信道的冲激响应的时间延展产生的频率选择性，当传输的数据 率提高时导致了严重的符号间干扰( i s l i n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c e ) 。在多载波 并行传输时还导致严重的子载波问干扰( i c l i n t e r - c h a n n e li n t e r f e r e n c e ) 。 由于接收的环境变化导致信道特性的时变，产生衰落，使接q k 耄5 t 的 相位估计性能恶化。通常情况下，地面传输信道环境为视线环境( l 0 s ) ，信 道为莱斯信道，接收信号的幅值衰落服莱斯( r i c e a n ) 分布： p ( a ，) 一2 a ，( 1 + k 弦。n 4 ，2 “酬i o 2 a ，+ k ( 1 + k ) 】( 2 - 3 ) 其中厶 ) 。荟呸丽) 是零阶修正b e s s e l 函数，莱斯因子k4 寺为视线 分量的功率与随机多径分量的功率之比。a 。是衰落引入的乘i 生因子，而接收 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 信号的相位识由如下概率分布函数描述： p ”百e - k + 亟甏竺【2 _ e r f c ( 4 - i c o s 洲( 2 4 ) 当k - - o 时，信道为非视线信道( n l 0 s ) ，具有严重的衰落，接收信号的 幅值服从瑞利分布，相位服从均匀分布。当k 一时，信道还原为a w g n 信道。 设s 为发射信号，则通过信道后接收信号为： y tma t e - l q , , s t + n t ( 2 - 5 ) 珥为单边功率谱密度o 的高斯噪声。 综上所述，多径信道可由图2 1 所示的简化模型描述。 图2 - 1 多径信j 崮奇比模型 是多径延时，是直径信号衰落因子，织o ) 是多径衰落因子。 2 1 3 频率选择性信道下的通信 收 由于多径效应的存在，使得在信道e 传输的信号产生时间扩散，使得信 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 道响应不再是个理想的冲激，从而导致的符号间干扰( i s i ) 会使被传输的 信号变形，由此在接收端产生误码。已知多径扩展与相干带宽之间的关系为 1 皿一。频率间隔大于e 的两个信号受到信道的影响不同，信号带宽大于 = f 二 。 e 的信道称为频率选择性信道；反之，信号带宽小于e 的信道称为频率非 选择性信道。 在频率选择性信道中，需要采取一定的措施来抵消i s i 的影响。常用抵 消i s i 的种方法就是采用频率分集的方法。当信号带宽大于相干带宽时， 可以把该信道划分为大量的频分复用子信道，每条子信道近似于理想的， 信号在各子信道匕并行传输，此即为多载波的思想。例如n 路多载波通信中， 数据信号被分成n 路，在n 个子信道匕传输，每个子信道上的数据速率只有 原来的1 n ，符号周期为原来的n 倍，相应的信道弥散长度也降为原来的1 n ， i s i 的影响明显下降，并目戈i j 分的子信道越多，效果越明显。 2 2o f d m 原理及信号表示 o f d m 与般的频分复用( f d m ) 技术不同，在o f d m 系统中各子信道在时 间上相互正交，在频率上相互重叠，如图2 - 2 所示。 图2 - 20 删的频谱 o f d m 的主要思想是，将信道分成若干正交子信道，将高速数据信号转换 成并行的低速子数据流，调制到每个子信道上进行传输。子信道间隔定为 1 t ，每个子信道的传输速率也为1 t ，子信道问频谱重叠，而在每个子信道 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 的中心点来自其它子信道的干扰为零。正交信号可以通过在接收端采用相关 技术来分开，这样可以减少子信道之间的相互干扰( i c i ) 。每个子信道上的信 号带宽小于信道的相关带宽，因此每个子信道上的衰落可以看成平坦性衰落， 从而可以消除符号间干扰( i s i ) 。 为更好的削弱i s i 的影响，o f d m 在每个符号前插入循环前缀( c p ，也称 保护间隔，g i ) ，其长度一般略大于信道冲激响应的最大时延扩展。加入循环 前缀的o f d m 示意图如图2 3 所示。 l s 0 r ，0 l x n r 啼 并 哥 串 变变 蓉 串 并 容 呻 o 图2 _ 3 加入循环前缀的o f i $ 1 框图 2 2 2 基于d f t 的o f d m 信号表示 在任一时刻t ，码元宽度t 内，基带o f d m 信号可以表示为： 一1 s o ) 。了m ( n ) e j 2 “rf f o ，t 】( 2 - 6 ) 一 御 。 其中，m ( n ) 为第1 3 个信道的调制信号，e 胁驯r 为第r 1 个信道的载波，n 为并 行传输信道数。m ( n ) 对应不同的调制方式可以有不同取值，例如采用3 2 0 a 1 ， 则m ( n ) 取一3 5 j ，- 3 - 3 3 ，5 + 3 j 之- 每一符号可传5 b i t 信息。 o f d m 技术在连续时间域上，需要2 n + 1 个调制解调器组，设计极其昂贵 和复杂。近年来，由于数字信号处理技术的发展，o f d m 系统可以利用i d f t ( 离散傅立叶反变换) 和d f t ( 离散傅立叶变换) 来分别实现调制和解调， 该方案大大简化了o f d m 系统并促进了o f d m 技术的应用。当n 3 2 时，可采用 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 i f f i ( 快速傅立叶反变换) 和f f t ( 快速傅立叶变换) 来实现。 i d f t 后， x 似) 。专荟x ( 甩弘 ( ”) 从上式可以得到在一个码元时间内的n 个并行信道采样值之和的信号 ( 即离散o f d m 信号) 。这种信号经d a 变换及滤波后便可直接调制到射频上 进行传输。解调时，可以利用下式： x ( n ) 一罗x ( 七一，知畦 ，( 2 - 8 ) 硒 得到输出信号。 2 3d v b - t 系统结构及特点 图2 - 4d _ t 收发柳挺图 d v i 孓t 系统中采用的是编码o i m ( c o f d 旧调制方式，根据图2 4 所 示的收发端系统结构，将各部分简述如下： ( 1 ) 编码与交织 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 信道编码采用级联编码方式。外码是r s ( 2 0 4 , 1 8 8 , t - - 8 ) 的分组编码，有 纠s b y t e 错的能力。内码是码率为1 亿的主卷积码，可以收缩成2 3 、3 4 、5 6 、 7 8 几种码率。非分级传输中可以根据给定的数据率选择不同的误码保护。 为抗突发干扰，降低误码率，采用交织技术。外码交织是深度为2 0 4 的卷积 交织。内码交织先是b i t 交织，再蝴号交织。 ( 2 ) 星座映射 数字调制采用可变映射星座的方式以适应不同数据率的码流传输。星座 映射有b p s k 、q p s k 、1 6 ( ! a m 及6 4 q a m 几种，采用格雷码映射方式，1 6 q a m 如图2 - 5 示。 格雷码映射方式使得相邻的星座点所代表的比特信息只相差位，这样 即使发生星座点误判，大部分情况是误判为相邻的星座点。采用这样的星座 点映射方式就可以使得发生前面所述的星座点误判时，只有一个 = 匕特的错误。 从图中还可以看到，除了1 6 q a m 的1 6 星座点外，另外还有两个星座点， 这是插入的导频信息。这里对导频采用b p s k 的调制方式，其能量与1 6 q a m 星座图最外层星座点的能量相同。对导频采用b p s k 的调制方式是为了提高 导频信息的可靠性，来获得可靠同步和跟踪，从而提高接收机的性能。 q - - ， 、 ， 1 0 1 1 1 0 0 1 0 0 1 0 o o l i 7： ? 1 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 ：i _ 、 ：卜、 、蠢、五m 八、 、1 1 0 1l 1 0 0 ；产、 l l l 、1 1 1 0 0 1 0 1 ，- 6 1 1 1 - 一 图2 - 51 6 0 a m 星座图 ( 3 ) 导频与t p s 个o f d m 帧除了传输有效的数据信号外，还传输连续导频( c o n t i n u a l p i l o t ) 、分散导频( s c a t t e r e dp i l o t ) 和传输参数信令( t p s ) 参考信号。 这些信号的调制由p r b s 导出，为使参考信号具有较高的抗干扰性能，连续导 频和分散导频采用b p s k 方式调制，以高于数据载波平均电平2 5 d b 发射。 t p s 携带了o f d m 的些系统参数，控制接收端正确解码。它以频率分集 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 的方式传输，接收端通过合并获得1 2 3 d b 增益。t p s 采用b c h 码进行误码保 护，进步减少传输参数误码率。 这些导频和参数可以有效的进行符号定时同步、载波频率同步以及采样 钟同步，并及时跟踪信道变化，完成均衡处理，在移动接收和对付动态多径 中，都显示了巨大的作用。 ( 4 ) 循环前缀 d v b - t 系统在每个o b t ) m 符号间都插入了长度可选的循环前缀，循环前缀 延长了o f d m 调制信号的持续时间，当循环前缀大于多径的最大时延扩展，可 以消除i s i ，并保持子载波间的正交性。 ( 5 ) 数模转换 加入循环前缀后，通过脉冲成形函数g ( t ) = 1 ，( t _ t 2 ) 将数字信号变换 成模拟信号，其中t 为采样间隔。 ( 6 ) 数字上、下变频 上变频和下变频的概念分别是指把信号搬移到更高或更低的频率上。这 可以通过信号x ( t ) 与个复旋转向量相乘得到，结果为： y d ) = x ( t ) e 1 2 z f j ( 2 - 9 ) 式中，l 代表搬移的频率。通常我们把正称为载波频率，把基带信号搬移到 该频率叫上变频，从该频率搬移到带通信号称为下变频。 数字上变频和下变频就是对式( 2 - - 9 ) 进行数字化。引入满足采样定理的 采样周期t ，这样，数字上变频和下变频可以写为： y ( k t ) 一x ( k t ) e 1 2 x 脚 ( 2 1 0 ) 假定模数转换和数模转换都很理想，那么等式( 2 - 9 ) 和( 2 - 1 0 ) 等价悯。 2 3 2 系统参数与符号结构 o f d m 的信号传输采用分帧传输方式。每帧的时间为t f ，包含鹤个o f d m 符号。每4 帧构成个超帧。每个符号由k - - 6 8 1 7 ( 8 k 模式) 和k = 1 7 0 5 ( 2 k 模式) 个载波组成，以t 符号持续时间发射。符号持续期包含：有用符号期 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 毛，保护时隙。4 种保护时隙可选。 表2 - 12 k 和8 i ( 模式的o f d m 参数 o f d m 参数8 k 模式2 k 模式 载波数 6 8 1 71 7 0 5 载波数k m i n oo 载波数k m a x 6 8 1 61 7 0 4 有用符号期瓦 8 9 6 j u s2 2 4 9 s 载波间隔1 乃 1 ，1 1 6 h z 4 ，4 6 4 h z 信道带宽 7 6 1 瑚z7 6 1 m h z 表2 屹符号期和保护时隙参数 模式 8 k2 k 保护时隙 毛 1 41 81 1 61 3 21 4l 81 1 61 3 2 有用符号 8 1 9 2 灯2 0 4 8 t 期乃 8 9 6 z s2 2 4 9 s 1 0 2 45 1 22 5 62 5 61 2 8 2 0 4 85 1 26 4 保护时隙灯灯灯灯灯 灯 木t灯 1 1 25 62 8 2 81 4 2 2 4 z s 5 6 s7 # s 弘ss弘s肛ss 1 0 2 4 0 *9 2 1 68 7 0 48 4 4 82 5 6 02 3 0 42 1 7 62 1 1 2 符号期 t，盯灯灯灯灯灯灯 五一写+ a1 1 2 01 0 0 8 9 5 29 2 42 8 02 5 22 3 82 3 1 g s弘sg s弘sz sz sh s弘s 表2 - 1 ，2 - 2 给出o f d m 系统参数。 发射的o f d m 信号表示为： 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 其中： 妒。p，一二而 ( ：+ 6 8 j ，行，互墨rsu + 6 8 。，打+ 1 ) ，互c 2 - 1 1 ) k 载波数 1 符号数 m 传输帧数 t 符号期 有用符号期 保护时隙 射频中心频率 第1 l l 帧的1 符号的第k 个载波的复数调制值。 连续导频和t p s 位置固定，表2 - 3 仅以2 k 模式为例示意。 表2 - 3 连续导频和t p s 位置( 2 k 模式) 连续导频载波位置t p s 位置 o4 85 48 71 4 11 5 61 9 22 0 13 45 02 0 93 4 64 1 35 6 95 9 5 2 5 52 7 92 8 2 3 3 34 3 24 5 04 8 36 8 8 7 9 09 0 1 1 0 7 3 1 2 1 9 1 2 6 2 5 2 55 3 16 1 8 6 3 67 1 47 5 97 6 51 2 8 6 1 4 6 9 1 5 9 4 1 6 8 7 7 8 08 0 48 7 38 8 89 1 8 9 3 99 4 2 9 6 99 8 4 1 0 5 01 1 0 11 1 0 71 1 1 0 1 1 3 71 1 4 0 1 1 4 6 1 2 0 61 2 6 9 1 3 2 31 3 7 71 4 9 11 6 8 3 1 7 0 4 分散导频位置由下式确定： k k i n + 3 x ( 1 m o d 4 ) + 1 2 p ( 2 - 1 2 ) 其中p ，k ，l 为非负整数。k e k m i n ，k m a x ，l 0 ，6 7 ，p 是使k k m i n ，k m a x 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 的所有正整数，分布导频模式如图2 - 6 所示。 如图2 7 所示，是o f d m 符号在频域匕的结构。个0 f 瞰符号有用子载 波1 7 0 5 个，其中包括用户数据，也包括导频信号，如图中虚线所示。子载波 数2 0 4 8 个，我们加入4 0 9 6 1 7 0 5 = 2 3 9 1 个0 在符号中，以达到2 倍过采样 的需要。 0 数据译频 白费凸o o 静。囝毋昏o o 释镑勃毋轻 o o 勃0 0 0 0 移e 蟹哆0 移9 移o o 昏。勃o o o 私。劫移o o o 矛o o 绍o 移学。锈移。移毋帮9 铅移 o 野。昏移。镑髟镑咯o o o 铭移。移 o o o 劫0 谚移o 移蟹o o 彩移镣 o o 舀0 0 镑移镑蟹学蟹铹彩移彩移 o o 臼o o o o 彩镑移镑铷o o 彩移昏 争。静冉。移移。昏蟹缛昏秘移棼移强 o n 如。秘0 0 毋。势o o 船o 静移 移0 0 铮o 够移疆。移昏铹0 移。昏 o 移舀蒋精。勃o o 移。诤势昏。移o o o o 移学咚。移o o o o 移。锈o o 如 o o p o o o o o o o o 白o o o o o 蟹移。毋够。幻昏e 铭。铮0 臼o o 舀 o 移0 蛰。移移囝o o 豹o0 0 0 0 0 0 o 移移蛰移。移移。彩o 移0 铮磅移镑o 移移棼蟹。移移o o o 移髟o 秘o o o o 参o 岱o o o o o o oo o o o p 昏铮务势秘移螽o o 秘秘移移昏。移o o 移。爨移哆珏n o o o o 豹0 n 0 趵o o 移给蟹镑红0 0 0 臼移。彩0 0 移o o 插入导频 ， l 0 o + 一插入0 ，。- o 图2 7o f i ) m 符号结构示意图 c o f d m 技术主要有如下1 ，个优点： ( 1 ) 频谱利用率高。o f d m 系统由于各个子载波之间存在正交陛，允许 予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 大限度的利用频谱资源。当子载波个数很大时，系统的频谱利用率趋于2 波特 h z 。 ( 2 ) 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 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 载波匕的信号时间就相应地比同速率的单载波系统上的信号时间长很多倍， 使0 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，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，就没有必要再添加时域均衡器。 ( 3 ) 适合高速数据传输。o f d m 自适应调制机制使不同的子载波可以按 照信道情况和噪音背景的不同使用不同的调制方式。一般固定接收采用 1 6 q 枷和6 4 0 a m ，移动接