（信号与信息处理专业论文）数字调幅广播系统的基带调制解调研究.pdf

摘要 作为一项高频带利用率和抗多径技术，正交频分复用( o f d m ) 在无线和有线通信领域的研 究和应用正日益受到重视，尤其是在广播电视领域。要在时变多径的数字调幅广播( d a m b ) 信 道内实现一路高质量语音传递，需要高频带利用率和抗多径的数字技术。显然，o f d m 是必然的 选择之一。本文对o f d m 技术及其在数字调幅广播信道中的应用作了比较系统的研究，重点分析 了数字调幅广播接收机的同步和信道估计算法，并通过仿真比较了接收机在不同信道下的性能。 具体内容包括以下几个方面： 作为全文的绪论，第一章首先介绍了o f d m 技术的基本原理，包括o f d m 的基本结构、时域 和频域特性等。为了更清楚地说明其原理，绘制了o f d m 系统各部分的典型图形。随后概述了 o f d m 的优缺点和关键技术。 无线通信领域的信道特性一直是研究与应用的难点和热点，正确的信道模型是构造和实现无 线通信系统的关键。第二章首先分析了无线信道的相干特性和衰落特性，并着重分析了多径衰落 模型；接着具体阐述了数字调幅广播的信道模型，并分析了该信道的统计特性。 第三章依照d r m 组织制定的数字调幅广播技术标准，详细介绍了o f d m 的功能模块设计与 实现方案。 第四章首先通过o f d m 模型系统分析了频率偏移和时间偏移对系统的影响；接着，具体分析 了d r a m 数字调幅广播标准所采用的同步和信道估计算法。并进行了仿真验证；最后，提出了数字 调幅广播的接收机结构并对该接收机在不同信道下的性能进行了仿真。 第五章首先介绍了公司的t m s 3 2 0 c 6 7 1 3d s p 芯片，具体分析了该芯片的结构、特点和功 能；接着，结合数字调幅广播的调制与解调分析，提出了在该硬件平台上的实现设计方案。 论文最后对全文进行了总结，并对研究内容和作者个人的体会进行了概括的描述。 关键字：o f d m ；数字调幅广播；无线信道；时间同步；频率同步；信道估计；接收机；d s p a b s l r a c t a b s t r a c t a sat e c h m q u ew h i c hh a sh 1 曲b a n d 谢d t he m c l c n c ya n dc 锄r e d u c em u l t i p a t hi n t e r f e r e n c e ，o f d mi s a t t r a c t i n gi n c r e a s i n ga t t e n u o nm t h ef i e l do f w l r e l e s sa n dw i r ec o m m u m c a t l o n s ，e s p e c i a l l ymt h ef i e l do f b r o a d c a s t a r g t h et e c l u n q u ew h i c hc a no v e r c o m ef r e q u e n c y - s e l e c t w ef a d m ga n dh a v ei n g hb a n d w i d t h e m c l e n c yi sn e e d e d1 1 1o r d e rt 0r e a l l z eh i g h l u a h t yt r a n s f e ro fv o i c ei nt h eb 卸d m d 出o f9o r1 0 k h z w i n c hi st h ec h a n n e lb a n d w i d t ho f t t m e - v a r y m ga n dm u l h - p a t h & g i t a la m p l i t u d em o d u l a t e db r o a d e a s t m g ( d a m b ) ，o b v i o u s l y , o f d mi so n eo ft h ec h o i c e sm e v l t a b l y o f d ma n di t sa p p h c a u o n1 1 1d a m ：bh a v e b e e nr e s e a r c h e ds y s t e m a t i c a l l yi nt h i sp a p e a n dt h ea l g o n t h m so f s y n c h r o m z m ga n dc h a n n e le s t n n a t l o n mad a m br e c e i v e rh a v eb e e na n a l y z e du ld e t a i l t h r o u 吐s i m u l a t i o n ，t h ep e r f o r m a n c eo f t h er e c e i v e ri n d l 腑r e n tc h a n n e l sh a sb e e na l s oc o m p a r e d n l ec o n t e n t smn l l sp a p e l m c l u d e ： a tf i r s t ，t h eb a s i ct h e o r yo f o f d mi si n t r o d u c e di nc l 琊t e r1 ，w h i c hi n c l u d e sb a s i cs t r u c t u r ea n dt h e c h a r a c t e n s t t c so f t a m ea n df r e q u e n c y i no r d e rt od e s c r i b ei t st h e o r ym o r ec l e a r l y , t t u sc h a p t e rp r e s e n t st h e t y p , c a lg r a p h so f a l lp a r t si no f d ms y s t e m t h e n , t h ea d v a n t a g e s , d i s a d v a n t a g e sa n dt h ek e yt e c h n i q u e s l no f d mh a v eb e e nd m c u s s e d ， t h ec h a r a c t e r i s t i c so f t h ec h a n n e li nt h ef i e l do f w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o na r ea l w a y st h ed l i l l c u l tp a r t a n dt h ef o c u smr e s e a r c h i n gc o m m u n i c a t i o n , ar i g h tc h a n n e lm o d e l1 5t h eo u xo fc o n s t r u c t i n ga n d r e a h z m gw l , e l e s sc o m m u m c a t m ns y s t e i r i s a tf i r s t ，c h a p t e r2h a sa n a l y z e dt h ec h a r a c t o n s u c so f c o h e r e n c ea n df a d m gmw i r e l e s sc h a n n e l s ，e s p e c i a l l yt h em o d e lo fm u l t i - p a t hf a d i n g ；t h a n , t h ec h a n n e l c h a r a c t e n s u c so f d a m bh a sb e e nd e s c r i b e da n da n a l y z e dmd e t a i l a c c o r d i n gt ot h es t a n d a r do fd a m bw i n c hi sf o r m u l a t e db yd r mo r g a n i z a t i o n ，c h a p t e r3h a s i n t r o d u c e d t h e s c h e m e o f d e m g n m g dr e a l 2 a n 9 0 f d m i n p a r t i c u l a r , c h a p t e r4h a sa n a l y z e dt h ee f f e e t so ff r e q u e n c ya n dt i m eo f f s e to n0 f d ms y s t e m st h o u g ha n o f d mm o d c la tf a s t , a n dt h e nh a sr e s e a r c h e da n dv a l i d a t e dt h ea l g o n t h m so fs y n c h r o m z a t m na n d c h a n n e le s m n a t m nmd a m bb ys i m u l a t i o n a tl a s t t h e 咖c t u r eo fr e c e i v e ri nd a m bh a sb e e n p r e s e n t e da n di t sp e r f o r m a n c ei nd l f f e r e n tc h a n n e l ss i m u l a t e d t h e1 m $ 3 2 0 c 6 7 1 3d s pc h i po f 1 1h a sb e e ni n t r o d u c e da n di t ss t r u c t u r e c h a r a c t e r sa n df u n c t i o n h a v eb e a np r e s e n t e d1 1 1 c h a p t e r5 a tf i r s t ；a n dt h e n , t h es c h e m eo fd e s , g n i n ga n dr e a l i z m gmt h i s h a r d w a r e p l a t f o r m h a s b e e n p r o p o s e d b ya n a l y z i n g t h e m o d u l a a o na n d d e m o d u l a t i o n o f d a m b f i n a l l y , w ec o n c l u d et h ew h o l ep a p e r , o f f e rt h ed i r e e u o no ft h ef i e l da n dd e s c r i b ew h a tt h ea u t h o r i t s e l f h a sl e a m e d k e yw o r d s ：o f d m ；d a m b ；w i r e l e s sc h a n n e l ；t i m es y n c h r o n i z a t i o n ；f r e q u e n c ys 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 t i o n ；r e c e i v e r ；, d s p l i 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：垂搀日期：丝形 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。 研究生躲韭导师签烂期：地吃 第一章绪论 第一章绪论 1 1 数字调幅广播产生背景 传统的模拟调幅( a m ) 广播具有覆盖范围广，接收成本低，适合固定和移动接收等优点， 一直被世界各国作为基本的信息传播技术手段之一，但存在着传输质量差、业务单一、发射 功率大、易被干扰等缺点。随着调频( f l y l ) 波段广播节目和电视的普及以及数字卫星通信广 播、因特网、d a b 和d v b 等现代广播技术的出现，模拟调幅广播面临着越来越严峻的挑战。 正是在这样的背景下，数字调幅广播技术应运而生。 1 9 9 6 年9 月，国际上一些大广播机构和设备制造商在巴黎举行了一次会议，其中包括r f i 、 t d f 、d w 、v o a 及t h o m c a s t 等公司的代表。与会者产生了一个共识：如果不做根本性的发 展，3 0 m h z 以下的调幅广播传输已经没什么前途了。据此，在同年1 1 月召开了一次大规模 的会议。许多相关团体与会，包括广播机构、网络运营商、学院、研究中心、发射机和接收 机制造商，及致力于数字调幅技术发展的组织。会议决定成立专家组，来定义一个称作d i g i t a l r a d i om o n d l a l e ( 即d r m ) 的正式组织，由广播机构、通信系统开发机构和电子产品制造商 组成。它的任务是：1 ) 定义一个数字调幅系统，使之成为一种单一性、测试性、非私有性、 发展的世界标准，由市场驱动，消费者导向；2 ) 促进数字调幅( d a m ) 技术在全球范围推广 1 9 9 7 年在德国柏林召开的国际无线电展览会上，法国、德国和美国分别提出并展示了各 自的d a m 广播试验系统，即天波( s k y w a v e ) 2 0 0 0 、r m 和v o a t p l - b 。1 9 9 8 年3 月，世 界上最重要的2 0 个和广播有关的组织在中国广州签署了数字调幅广播谅解备忘录，自此， d r m 在国际广播领域拥有了正式的地位。1 9 9 9 年3 月，d r m 对法国的天波2 0 0 0 和德国的 f m 两大系统进行了测试和评估，融合两种方案后在1 9 9 9 年底向i t u 提交草案，采用了法国 的o f d m + q a m 而不是德国的s c m + a p s k ，而u 则于2 0 0 1 年4 月正式通过了d r m 提交 的草案。2 0 0 1 年2 月4 日，i t u 通过了i t u - rb s l 3 4 8 1 建议，即“3 0 m h z 以下数字声音广播 的业务需求”，同年e t s i ( 欧洲电信标准协会) 公布了d r m 系统规范。d r m 是当前唯一能 够同时服务于长、中、短波频段的数字广播系统。 1 2 数字调幅广播系统特点 数字调幅广播和模拟调幅广播相比具有如下优点： ( 1 ) 可以在不增加原有调幅带宽的条件下，利用数字压缩技术和数字信道处理技术，产生 和调频相媲美的优良立体声音质。 ( 2 ) 现有模拟调幅发射设备可以改装为数字设备，投入较低。 ( 3 ) 大幅度降低发射机功率。 ( 4 ) 可以充分利用现有中短波资源。 ( 5 ) 可以在规定的带宽内同时传送模拟信号和数字信号，实现同播。 ( 6 ) 大大提高节目传送的可靠性和抗干扰能力，更适合大面积覆盖及移动便携接收。 ( 7 ) 能够提供附加业务和数据传输。 1 3 数字调幅广播在我国的发展现状 2 0 0 2 年8 月，国家广电总局根据数字调幅广播技术的发展和国内研究现状，批准成立“数 字调幅广播功能样机开发与实验研究”重大科技创新项目组，由国家广电总局无线局、北京广 播学院、广播科学研究院共同承担研究与实验任务。 2 0 0 2 年，国家广电总局无线局利用基于d r m 标准的欧洲数字调幅广播发射机和接收机 在中国首次进行了传输试验演示，取得了成功。2 0 0 3 年8 月由国家广电总局无线局、北京广 播学院、广播科学研究院联合组织了第二次d r m 试验演示，并获得成功。这两次试验成功无 疑进一步推动了中国在数字调幅技术上的发展。 由于目前市场上d r m 接收机价格昂贵，模拟接收机加专用计算机软件接收也相对复杂， 因此，d r m 广播仍然处于试验阶段，即使在相对发达的北美地区也只有少数用户收听。但随 着d r m 接收机的普及，以及各地发射机的改造完成，全世界将掀起一股d r m 广播的热潮。 东南大学硕士学位论文 伴随着数字调幅技术的成熟与应用，对外广播节目的播出质量和内容方面也将出现新的变革， 毋庸置疑，d r m 技术将给我国对内广播和对外广播的发展带来新的活力和机遇。 1 4 本论文主要内容 作为全文的绪论，第一章简单回顾数字调幅广播的产生背景、系统特点及国内发展现状。 第二章介绍正交频分复用( o f d m ) 技术的基本原理，包括其基本结构、时域和频域特性 等。为了清楚起见，绘制了o f d m 系统各部分的典型图形。概述了o f d m 技术的优缺点和 关键技术。 无线通信领域的信道特性一直是研究的难点和热点，正确的信道模型是构造和实现无线 通信系统的关键。第三章分析无线信道的相干特性和衰落特性，着重描述多径衰落模型，具 体阐述数字调幅广播的信道模型，并分析该信道的统计特性。 第四章依照d r m 组织制定的数字调幅广播技术标准，详细介绍o f d m 模块的设计与实 现方案。 第五章首先通过o f d m 模型系统分析频率偏移和时间偏移对系统的影响：接着具体分析 数字调幅广播所采用的同步算法和信道估计算法并进行仿真验证；最后提出数字调幅广播的 接收机结构并在不同信道下进行了性能仿真。 第六章首先介绍t i 公司的t m s 3 2 0 c 6 7 1 3d s p 芯片，具体分析该芯片的结构、特点和功 能；接着，结合数字调幅广播的调制与解调分析，提出了在该硬件平台下的实现设计方案。 2 第二章正交频分复用 第二章正交频分复用 在串行数据系统中，如果需要非常高的数据传输率，通常会增加信道带宽，从而更容易 产生码间串扰，增加误码率，在多径传播过程中甚至会造成突发性误码，使得数据系统的传 输质量大大下降。若将高速率的串行数据系统转换为由若干个低速率数据流组成的并行数据 系统，总的信号带宽被划分为n 个子信道，在n 个子信道上进行正交频分复用，则这种新型 的调制方式称为正交频分复用( o f d m ：o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t l p l e x m g ) 。 2 1o f d m 技术原理 o f d m 实际上是将高速串行数据变成低速并行数据进行传输。虽然每个子载波的传输速 率并不高，但所有子信道加起来可以获得很高的数据传输速率。 o f d m 由频率上等间隔的大量载波构成( 设共n 个载波) ，各载波可用相同或不同的方式 调制：同时将串行传输的符号序列分割成多个长度为n 的段，并将每段内的n 个符号分别调 制到n 个子载波上。可见，o f d m 实质上是一种并行调制方案。由于将符号周期延长n 倍， 从而提高了对多径传输的抵抗能力。 载波间的频率间隔如何选择，是o f d m 的关键田】。在传统的频分复用( f d m ) 中，各子 载波上的信号频谱互不重叠，以便接收机能用传统的滤波方法将其分离、提取。但这样降低 了频带利用率。o f d m 为了提高频带利用率，使各子载波上的信号频谱互相重叠，但子载波 间隔的选择要使这些子载波在整个符号周期上正交，即任何两个子载波的乘积在符号周期上 积分为零。这样，即使子载波信号频谱间存在重叠，也能无失真地复原。我们知道，当子载 波间最小间隔等于符号周期倒数的整数倍时，即满足正交条件。为实现最大频谱效率，一般 取子载波最小间隔等于符号周期的倒数。 设 是一组子载波，各子载波问频率关系为： 丘= t o + k t ，k - - o ，1 ，2 n - 1 式中，t 是码元间隔( 即符号周期) ，f o 是载波频率。 子载波的单元信号组为： 丸，t ( f ) = g t o i t ) ，一o d ， 佃 式中 g t o ) = l e 。j ，2 兵a f d 他, 0 蔓 丁 其频谱相互交叠，且九，t o ) 满足正交条件 及 ( 2 1 ) ( 2 - 2 ) ( 2 - 3 ) 胁，i ( 0 6 ，( t ) d t = 0 _ ，j 敷七( 2 川 肌1 2 d t = t ( 2 - 5 ) 其中符号为复共轭。 当以一组取自有限集的复数 c j ，。 表示数字信号对九。o ) 的调制时，则输出的0 f d m 信 号可以表示为： 东南大学硕j + 学位论文 复系数c j ，t 可由下式解出： f ( f ) = c j ，。丸，。( f ) c j ，。= i 1p ( f ) 矿。( t ) d t 一 图2 - 1 给出了o f d m 系统基本模型的框图。 ( 2 7 ) p _ 2 。a 3 母 l 一押押 e ”以、隔 、 l 幽 串并 、 + 吐陬吾卜 并串 ij 扩诛 到拇 l 圈2 1o f d m 系统模型 由上述可知，o f d m 由一系列在频率上等间隔的子载波构成，每个子载波单独被数字符 号调制，调制方法可以相同也可以不同，但各子载波上的信号功率谱形式都相同。当所有载 波组合在一起时，总的频谱非常近似于矩形，频谱利用率理论上可达香农极限口”。 2 2o f d m 的实现方法 由于o f d m 系统中子载波数量很大，如果按照传统的f d m 处理方法，则需要很多振荡 器和锁相环进行相干解调。因此对于子载波数n 较大的系统来说，o f d m 信号可以采用离散 傅里叶变换( d f t ) 来实现。 设o f d m 信号发射周期为【o ，t 】，在一个周期内传输的n 个符号为( c o ，c 1 ，c 一1 ) 。 因为第k 个符号c 。调制第k 个子载波p 口矾，所以合成的o f d m 信号为： ，c r ，= r e 薹c ：e 口矾) ，r 【o ，t 】 ，( f ) = r e c ：g 口矾 ，f 【o ，】 l l z 0j 在一般的o f d m 系统中，五选择为： 凡=fo+k母(2-9 兀为系统的发射频率，鲈为子载波间的最小间隔，一般取鲈= ；= 毒，z 为符号序列 ( c 。，c 1 ，c ，一。) 的时间间隔，显然。r = n r , ，所以： ，c r ，= r e 篓c ：e 口州 专”) = r e 篓g e 口毒“ = r e 转c 。“口 c 2 一，。， f ( t 1 的低通复包络为： 4 第二章正交频分复用 ( 2 1 1 ) 如以工= 为采样频率对s ( f ) 采样，则【o ，t 】内共有 = 个样值 ， 一n - i j 2 f 旦 鼠= s o ) l 。c = g e4 耳，0 - - h 一1 ( 2 1 2 ) 可见，以工对s ( f ) 采样所得的n 个样值秘。) 正是 q 的离散傅里叶逆变换( i d f l ) 。因 此o f d m 系统可以这样实现：在发端，先由奴 的i d f t 求得p 。 ，再经过一低通滤波器得 到所需的o f d m 信号s ( f ) ；在收端，先对s o ) 采样得到豳。 ，再对留。) 求d f t 即得 g ， 具体实现如图2 - 2 所示。因此，在实际应用中o f d m 系统的核心只是一对d f t 。当= 2 ”o n 为正整数1 ，可应用快速算法，实现非常简单。 图2 - 2o f d m 实现框图 2 3o f d m 的系统特点 o f d m 子信道的正交性可保证系统不存在邻道干扰。但实际应用中，许多因素可能破坏 正交性，造成o f d m 子载波间的干扰o c i ) 。同时，无线信道的多径时延扩展特性会导致o f d m 符号间干扰( m 0 。解决的办法是将o f d m 符号尾部值添加到符号头部，作为循环前缀( c p ) 即保护间隔。图2 3 显示了c p 的插入。 复制 l j 二j + 墨z 一；l l 一l 一一t _ l _ 1 图2 - 3 保护间隔插入 5 一r h ，f q = o双 东南大学硕七学位论文 o f d m 符号的总长度为= t + 咒其中l 为符号总长度，t 为保护姆隔长度瓦为 f f t 产生的无保护间隔的o f d m 符号长度，则在接收端抽样开始时刻应满足： f 一 t t ( 2 1 3 ) 其中r 一是信道的最大多径时延扩展。当抽样满足该式时，由于前一个符号的干扰只会存在 于【o ，f 。j ，当子载波数较多时，o f d m 的符号周期互相对于信道的脉冲响应长度f 一很大， 则i s l 影响很小，甚至会没有i s i 。同时，由于o f d m 延时副本内所包含的子载波周期个数为 整数，时延信号就不会在解调过程中产生i c i 。 2 4o f d m 系统实现的关键问题 2 4 1 同步 o f d m 系统在实用中要求严格同步，才能在无线衰落信道上表现出应有的良好性能口”。 同步包括载波频率同步和时闻同步，丽时间同步可以迸一步分为符号同步和采样时刻同步。 符号同步的目的是找到f f t 窗的正确位置，可用专用的训练序列进行信元同步，保护间隔的 循环特性也可以用作符号同步。采样时钟同步的目的是使接收机的采样时钟频率与发射机一 致。o f d m 系统载波频率的偏移直接影响子载波的正交性，从而影响系统性能。载波频偏源 于发射膜收机的本振误差、多普勒频移以及非线性信道的相位噪声。 2 4 2 信道估计 由于使用o f d m 系统传输时信道特性未知，当采用相干解调时，必须通过信道估计来获 得信道的特性。 基于导频的信道估计是在发送信号中插入导频信号( 收方确知的信号) ，收端通过对导频信 号的处理进行信道估计。因为信道是慢衰落的，所以它的每个子载波所在的信道可以看作是 静态的，于是每个子载波的信道衰减都可以通过这些导频信号的内插滤波而得到。 o f d m 信道估计器的设计主要面临两个问题：一是关于导频信息的选择，二是如何设计 出既有较低复杂度又有良好导频跟踪能力的信道估计器。这两个问题是互相关联的，因为估 计器的性能与导频信息的传送方法有关。 2 4 3 峰值功率控制 o f d m 信号包含n 个独立的子载波调制信号，如果这些信号正好同相相加，产生的峰值 功率将是单载波的若干倍。因此必须对系统的发射功率进行控制，将峰值功率控制在一定范 围内。解决这一问题的方法主要有两个：1 ) 限幅。设定理想的峰值功率门限，当信号功率低于 门限时，信号不受影响：高于门限时则被限幅为门限功率。2 ) 编码。将峰值功率控制和信道编 码结合起来，选用合适的编码方法和解码方法可以有效地避免出现较大的峰值信号。 2 4 4 子载波联合编码 o f d m 系统自身具有信道分集能力，一般的信道特性信息已被o f d m 这种调制方式所利 用。但是，o f d m 系统的结构却为子载波间进行编码提供了机会，通过子载波间的联合编码 与交织。可以进一步利用信道分集来改善整个系统性能。在o f d m 基础上产生的编码正交频 分复用( c o f d m ) 将o f d m 与信道编码结合，具有高频谱利用率，进一步提高了抗干扰能力。 采用子载波联合编码，在时间和频率上对传输信息进行交织可咀达到抗衰落的目的。 编码和交织的使用把一个局部衰落在整个带宽内进行了平均，而通常系统中频率选择性这一 缺点在o f d m 中转化为优点提供了频率上的分集效果。实际上，正是由于o f d m 系统能 使编码技术获得更好的效果，才使得o f d m 技术受到了越来越多的重视。 2 5 小结 本章主要介绍了o f d m 技术的基本原理及实现方法。并概述了o f d m 的技术特点和关键 技术，为数字调幅广播的调制解调分析奠定了基础。 6 第三章数字调幅广播信道 第三章数字调幅广播信道 数字调幅广播( d a m b ) 信道的时变性会导致基于o f d m 的数字调幅广播系统各子信道 间产生干扰。本章首先分析无线信道特性，接着具体阐述数字调幅广播信道模型，并分析 d a m b 信道的统计特性。 3 。1 无线信道的衰落特性 对于移动通信系统中的移动台来说，可以在很短的时间内快速跨越一定的距离，所接收的 能量会起伏不定，呈现明显的随机波动现象，这种现象称为衰落。在城市环境中，一辆快速 行驶车辆上的移动台接收信号在l s 之内的显著衰落可达数十次，衰落深度可达3 0 d b 。衰落现 象会严重恶化接收信号的质量，影响通信的可靠性。不同环境下移动信道传播特性不尽相同， 移动信道的衰落特性大有差异。可见，复杂和恶劣的传播条件是移动通信信道的特征，这是 由在运动中进行无线通信这一方式本身决定的。 一般来说，无线移动环境中信号的衰落可分为3 类l 矾： n 路径损耗。由发射机和接收机之间的距离d 决定，表征在l k m 计的大范围内接收信号 的变化特性，即在一定时间内接收信号的大区间平均功率，随传播距离和环境的变化而呈现 的缓慢变化。无论在室内还是室外，路径损耗随距离d 的对数衰减。 2 ) 阴影衰落。路径损耗没有考虑到在收发距离d 相同情况下，不同位置的周围环境差别。 如果考虑到周围地形起伏和其他障碍物对电波遮蔽所引起的衰落，则对任意d 值，其特定位 置的路径损耗刚好服从对数正态分布，称为对数正态阴影衰落。它描述了在相同收发距离d 所围成区域内的平均功率。 3 ) 多径衰落。描述在几个波长量级的距离或秒量级这样短的时间内信号的快速变化，即 信号的局部平均功率。在移动传播环境中，到达移动台天线的信号不是通过单一路径到达的， 而是从许多路径到达的反射波的叠加。由于各路径距离不同，因而由各路径来的反射波到达 时间不同，相位也就不同。不同相位的多个信号在接收端叠加，使接收信号的幅度急剧变化， 产生了衰落。多径衰落服从瑞利( r a y l e l g h ) 分布或莱斯( r i e _ i a n ) 分布 一般面言，路径损耗和阴影衰落属于大尺度衰落，表征接收信号在一定时间内均值随传 播距离和环境的变化而呈现的缓慢变化：多径衰落属于小尺度衰落，表征接收信号短时间内 的快速波动。这样，实际的无线信道衰落因子可表示为： 刁( f ) = 孝( f ) f ( f ) 0 一1 ) 其中7 1 ( t ) 表示信道的衰落因子，善( f ) 表示小尺度衰落，f ( f ) 表示大尺度衰落。 多径衰落是移动信道特征中晟具特色的部分，其衰落速度之快，以致大尺度衰落的影响 往往可以忽略不计。从无线工程的实施来看，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。而多径衰落却对信号的传输质量有着严重的 影响，并且是不可避免的，只能采用抗衰落技术来减少其作用，包括分集、扩频跳频、均衡、 纠错编码和交织等。另外，信号传输方式，如调制方式，对信道衰落也要有一定的适应能力。 3 2 无线信道的相干特性 衰落是用来描述受某种选择性影响的无线信道的一般性术语。如果一个信道是一个与时 间、频率或空间有关的函数，则它具有选择性。和选择性相反的是相干性，如果一个信道在 一个我们感兴趣的窗口内，不是一个与时间、频率、空间相关的函数，则它具有相干性口”。 3 2 1 时间相干 如果一个无线信道的未调载波包络在一个感兴趣的时间窗口内不变，则它就是时间相干 的。我们以窄带、固定的信道h ( t ) 来表示这一条件： 7 东南大学硕士学位论文 三 2 ( 3 - 2 ) 其中，圪是某个电压常数，z 是感兴趣的时间窗f 1 大小，而t 。是某个任意的时间时刻。从平 均意义上来讲，满足上式的晟大r 值称为相干时间。 时间非相干最普通的原因是发射机的运动及传播环境中的严重散射。时间信道衰落会损 害无线通信性能，如果传送的数据速率与相干时间可比，则接收机很难可靠地解调发送信号。 因调制引起的波动和因时变信道引起的波动在同一时间尺度上发生，会造成灾难性的畸变。 在时变信道中实现可靠数字通信的一个方法，是用比信道相干时间长许多的符号去传输 数据，并通过长周期的平均，从每个符号中滤除载波的波动。当载波的包络以快于传输符号 率的速度波动时，信道被称为是快衰落的。 在时变信道中实现可靠数字通信的另一个办法，是用比信道相干时间小许多的符号去传 输数据。对于这种情况，时变信道在这个短符号周期内表现为静止的。当载波的包络以慢于 传输符号率的速率波动时，信道被称为是慢衰落的。 3 2 2 频率相干 如果一个无线信道的载波幅度在一个感兴趣的频率窗口内不变，那它就是频率相干的， 这个窗1 3 通常是传送信号的带宽。我们以静止、固定的信道 ( 厂) 来表示这一频率相干条件： 矗( 力* v o ， i s - s , i 鲁 3 ) 其中，k 是某个幅度常数，占，是感兴趣的频率窗口大小，而f 是中心载波频率。满足上式 的最大b ，值称为相干频率，它也是信道在该期间表现为静止的大致频率范围。 在一个无线通信系统中损失频率相干性是由于多径传播的扩散造成的。由于每个接收到 的多径电波从发射机穿过了一个不同的路径，同一个发送信号将以一簇符号到达接收机，每 个符号有各自的时延。于是，在时域中。一个色散的信道引入了码间干扰。在频域中，一个 色散的信道在感兴趣的带宽区问内有峰和谷。这种频域中的表现造成对无线通信中两种不同 的衰落分类：一种是具有小于传输信号带宽的相干带宽的无线信道，称为频率选择性衰落： 一种是具有大于传输信号带宽的相干带宽的无线信道，称为频率平坦衰落。 3 2 3 空间相干 如果一个无线信道的载波幅度在接收机经过一个空间位移后不变，则它就是空间相干的。 我们以静止窄带信道j i l ( r ) 来表示这一空间相干条件： 乃 ( r ) v o ， l r r o l s 三 ( 3 - 4 ) z 其中，k 是某个幅度常数，z i 是位移距离，而厂n 是空间中一个任意位置。满足上式的最大n 值称为相干距离，它是一个无线接收机要保持信道不变而可以移动的大致距离。 频率非相干是多径波以许多不同时延到达的结果，而空间非相干则是由多径波从空间许 多不同方向到达所造成的。这些多径波造成了有利的突起和有害的坑凹，以致于接收信号功 率在接收机位置有些变化时也不恒定。这种信道表现为空间选择性。如果一个接收机运动过 的距离大子信道的相干距离，则信道经历了小尺度衰落。 3 3 多径衰落模型 3 3 1 影响多径衰落的因素 无线信道中有许多物理因素会影响多径衰落，包括： s 第三章数字调幅广播信道 1 1 多径传播。无线信道中移动的反射体、散射体幽及接收天线组成了个不断变化的传 播环境。这样一个环境造成信号在幅度、相位和到达时间上的变化，形成多个不同的无线电 波。各个无线电波的幅度和相位随机分布，使合成信号的功率产生波动起伏，导致多径衰落 和信号失真等现象。多径传播常常会延长信号基带部分到达接收机所用的时间，造成码问干 扰，为了减少码间干扰，就要加大码元周期。 2 】移动台的运动速度。移动台和基站之间的相对运动会产生多普勒频移，不同多径信号 的多普勒频移不同，由多普勒频移所产生的调频也呈随机化。多普勒频移是正频移或者负频 移，取决于移动台是朝向还是背向基站运动。 3 1 信道中障碍物的移动速度。如果信道中有移动物体，那么这些物体也同样会造成多径 信号的多普勒差异。如果移动台速度远大于环境物体速度，可以忽略环境物体运动速度的影 响。如果环境物体以大于移动台的速度运动，那么这种运动将对小尺度衰落起决定作用。 4 】信号的传输带宽。如果信号的传输带宽大于多径信道的带宽，那么接收信号会失真，但 是接收信号的能量在很小的范国内变化不太大( 即小尺度衰落现象并不严重) 。如果发射信号 的带宽和信道相比是窄带的，那么信号幅度变化就会很快，但信号不会出现时间失真。所以 小尺度信号的强度和短距离传输后，信号模糊的可能性与多径信道的特定幅度、时延及传输 信号的带宽有关。 3 3 2 多径衰落信道的建模 如果在时变多径信道上传输极短的脉冲( 理想情况下为一个冲激) ，接收信号将表现为一 串脉冲，如图3 - 1 所示。因此多径媒质的一个特征是在该信道上传输的信号中引入了时间扩展。 厂厂 厂 厂 t = t o + a t = t z l t = t 2 + f 2 1 t = t 2 + 吃 圈3 - l 时变多径信遣对短脉冲的响应 多径媒质的第二个特征是由媒质结构的时变引起的。时变导致多径特性随时间而变，也就是 说，如果一次又一次地重复脉冲探测试验，将会看到接收脉冲串的变化，包括各个脉冲大小 和脉冲间相对时延的变化。由于时间变化对于信道上的用户而言是不可预测的，因此，统计 表征时变多径信道是合理的】。 设发送信号表示为： s ( f ) = r e s f ( f ) p j 2 ，o 】 ( 3 5 ) 假设存在多条传播路径，且与每条路径有关的是传播时延和衰减因子。传播延时和衰减 因子两者都因媒质结构的变化而随时间变化。于是，接收信号可表示为： ，( f ) = c t 。( f ) s ( f f 。( r ) ) ( 3 6 ) 9 n 一n 一 i l n 东南大学硕士学位论文 其中，a 。( f ) 是第n 条传播路径上接收信号的衰减因子，f 。o ) 是第n 条传播路径的传播时延， 将式( 3 - 5 ) 代入( 3 6 ) 可得： ( 3 - 7 ) ( f ) = 口。( o e 2 5 。s ，( f l ( f ) ) ( 3 - 8 ) 因此，等效低通信道可用如下时变脉冲响应描述： ( f ；f ) = ( f ) p 胁州。j ( f f 。( f ) ) ( 3 - 9 ) 对于某些信道，把接收信号看做由连续多径分量组成的更合适。在这种情况下，接收信 号表示为积分形式： 7 ( f ) 2 口( ；f ) s ( t 一蚺7 ( 3 - 1 其中，口( f ；f ) 表示延时f 和t 时刻信号分量的衰减。将式( 3 - 5 ) 代入式( 3 - 1 0 ) ： 心) = r e 嘶泖e j 2 7 r f d s i o - r ) d fl e j z j r f a ( 3 - 1 1 ) 因为上式的积分表示墨) 和等效低通时变冲激响应a ( f ；f ) 的卷积，故有： ( f ；f ) = a ( r ；t ) e 一7 2 5 厶7 ( 3 - 1 2 ) 式中， ( f ；f ) 表示t r 时刻施加的冲激在t 时刻的信道响应。于是式( 3 - 1 2 ) 是等效低通冲激 响应的合适定义，该定义适用于连续多径信道的结果。 当冲激响应 ( f ；f ) 建模为零均值复高斯随机过程时。则任何时刻t 其包络为瑞利分布，此 时该信道称为瑞利衰落信道；若媒质中除了随机运动散射分量外，还存在固定散射或信号反 射分量，则 ( f ；f ) 不再具有零均值，其包络具有赖斯分布，此时该信道称为赖斯衰落信道。 3 3 3 多径信道相关函数和功率谱 和3 3 2 节表述一样，假设t 表示电波传播时间，f 代表电波经过不同路径的传播时延，占 表示移动接收台的移动时间，占代表移动台接收两个不同路径的信号观测时间迟延。 令 ( f ；f ) 为信道在时间t 的等效低通冲激响应，著假定 ( f ；f ) 广义平稳。于是，我们可 以定义自相关函数为： r 。( f ，f ：；占) = j 1e 曲( 1 ；f + ) + ( r ：；f ) j 在广义平稳非相关散射的假设下( w s s u s ) ，上式可以写作： e h ( r t ；t + a t ) h ( r 2 ；f ) ) = r ( - ；占) 占( f 。一f 2 ) 若令q ：7 2 = f ，则由式( 3 1 4 ) 1 羰籼以下结果： 胄。【；占) = j 1e h ( r ；t + a z ) j l ( f ；f ) 我们将r 。( f ；占) 称为信道的时延一时间差相关函数。 类似地，可以定义信道频率差一时间差相关函数为： 、lrj 1，j 口 弦ol o s 仃 力 弦o 盯 。 l ，j、l er = 川 锄后通氐效等的应相其 埘 m 埘 争 第三章数字调幅广播信道 。 r c ( a f ；a ) = 丢e 仁( 厂+ a f ；t + a 占) + ( ，；f ) ) ( 3 - 1 6 ) 式中， ( ，；f ) 是等效低通冲激响应_ ) l ( f ；f ) 关于f 的傅里叶变换，还可以进一步证明， r 。( 可；s ) 是r ，( r ；a e ) 关于f 的傅里叶变换，t i p r ， 琴；厶幻= r 。o ；) e m 群d f ( 3 - 1 7 ) 利用上述两种相关函数的傅里叶变换，可以引出以下两种不同的功率谱定义： 时延，多普勒功率谱( 散射函数) ： s c ( 刈) = r 。( f ；占) e - t 2 av a f d ( a 占) ( 3