（信号与信息处理专业论文）单载波频域均衡scfde与多载波ofdm的性能比较.pdf

摘要 摘要 随着人们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，宽 带无线通信已成为无线通信发展的必然趋势。在无线宽带通信系统中，信道的 多径效应会严重影响通信的可靠性。因此，如何提高系统的传输性能和采用何 种方案对抗信道的多径效应是很有关系的。在i e e e8 0 2 1 6 a 标准对于物理层标 准的关键技术中建议了正交频分复用( o f d m ) 和采用频域均衡技术的单载波传 输( s c f d e ) 两种方案。同时，这两种技术方案也是第四代移动通信的核心技术。 因此，它们的研究对于无线通信的发展及其重要。 论文首先阐述了无线信道的基本特征，给出时变多径信道的冲激响应模型。 在此基础上，引入了克服信道衰落和干扰的信道估计和均衡技术。 o f d m 是基于离散傅里叶变换( d f n 的一种多载波数字调制技术，本文对此 技术原理作了详细的介绍。根据i e e e8 0 2 1 6 a 标准中对于o f d m 技术的描述， 搭建了物理层仿真模型。仿真结果很好的验证了o f d m 在宽带无线传输中有效 的对抗了多径效应。o f d m 技术也有一些缺点，如计算复杂度高，对载波频率 偏移和相位噪声都很敏感。这些特征都对系统的实现硬件提出了更高的要求。 s c - f d e 是宽带无线传输中一种很有效的对抗多径效应的方法，它有效地结 合了单载波技术和o f d m 技术的优点，弥补了o f d m 技术的不足，成为未来高 速无线通信系统的一个极具竞争力的方案。本文对s c f d e 技术原理和各种均衡 技术作了详细的介绍，搭建了s e 的实现系统。 最后，我们对两个技术的实现系统设置了同样的仿真条件以进一步分析两 个技术的误码性能。研究结果表明，在信噪比较低，通信系统误码率较高( 21 0 1 ) 的条件下，o f d m 的误码性能略好于s c - f d e ；在信噪比较高，通信系统的误码 率较小( 1 0 。) 条件下，s c f d e 则取得了显著优于o f d m 的误码性能。这一 结论对于s c f d e 和o f d m 技术的应用和实际通信系统的设计具有重要的参考 价值。 关键词：o f d m ，s c f d e ，信道估计，频域均衡 a b s t r a c t w i t hp e o p l e si n c r e a s i n gr e q u i r e m e n t sf o ra l lk i n d so fr e a l t i m em u l t i m e d i a s e r v i c ea n dt h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h ei n t e m e t ，b r o a d b a n dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n h a sb e c o m eaf u rp o t e n t i a li nt h ed e v e l o p m e n to fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n i nt h e s y s t e mo fw i r e l e s sb r o a db a n dc o m m u n i c a t i o n ，t h em u l t i - p a t he f f e c tm a yg r e a t l y a f f e c tt h er e l i a b i l i t yo ft h ec o m m u n i c a t i o np e r f o r m a n c e t h e r e f o r e ，h o wt oe n h a n c e t h et r a n s p o r t a t i o np e r f o r m a n c eo ft h es y s t e mi sc l o s e l yr e l a t e dt ot h es c h e m ea d o p t e d f o rc o u n t e r m i n i n gt h ec h a n n e lm u l t i - p a t he f f e c t 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 ) a n ds c f d e 佑i n g l ec a r r i e rt r a n s m i s s i o nw i t hf r e q u e n c y d o m a i ne q u a l i z a t i o n ) w a sp r o p o s e dt ob et h ek e yt e c h n o l o g i e si ni e e e 8 0 2 1 6 a s t a n d a r d m e a n w h i l e t h e s et w os c h e m e sb e l o n gt ot h ek e yt e c h n o l o g i e so ft h ef o n l l g e n e r a t i o nm o b i l ec o m m u n i c a t i o n t h er e s e a r c hw o r kt o t h e s es c h e m e si sv e r y i m p o r t a n tf o rt h ed e v e l o p m e n to fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n f i r s t l y , t h ec h a r a c t e r i s t i c so fr a d i oc h a n n e l sa r ei n t r o d u c e da n dt h em o d e lo f i m p u l s er e s p o n s ei nt i m e v a r i a n ta n dm u l t i p a t hc h a n n e l si sd e s c r i b e d f u r t h e r m o r e ， c h a n n e le s t i m a t i o na n de q u a l i z a t i o nt e c h n o l o g yi se x p l a i n e dt oo v e r c o m et h ec h a n n e l f a d i n g o f d mi sam u l t i p l ec a r r i e rd i g i t a lm o d u l a t i o nt e c h n o l o g yb a s e do nt h e d f t ( d i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o r m ) t h i st h e s i se x p l a i n e dt h ep r i n c i p l eo fo f d m d e t a i l e d l y a c c o r d i n gt ot h ed e s c r i p t i o nf o rt h eo f d mt e c h n o l o g yi ni e e e8 0 2 1 6 a ，a p h y s i c a ll a y e rs i m u l a t i o nm o d e li se s t a b l i s h e d t h er e s u l tp r o v e st h a to f d mi sa e f f e c t i v ew a yt oo v e r c o m et h em u l t i p a t he f f e c t h o w e v e r , o f d mt e c h n o l o g ya l s o h a ss o m ed e f e c t si nn a t u r e ，s u c ha st h eh i g hc o m p l e x n e s so fc o m p u t a t i o n ，h i g h s e n s i t i v i t yt ot h eo f f s e to fc a r r i e rf r e q u e n c ya n dt h ep h a s en o i s e t h e s ec h a r a c t e r i s t i c s b r o u g h tah i g h e rd e m a n df o rt h eh a r d w a r e s c f d ei sam o r ee f f e c t i v ew a yt oo v e r c o m et h em u l t i - p a t he f f e c to ft h e w i r e l e s sb r o a db a n dt r a n s p o r ts y s t e m i tc o m b i n e st h es l r e n g t ho fo f d ma n d s c - f d ea n dc o u n t e r b a l a n c et h ed e f i c i e n c yo fo f d mt e c h n o l o g y s c - r f i d eh a s h a b s t r a c t b e c o m eac o m p e t i t i v es c h e m ef o rf u t u r eh i g hr a t ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m t h i st h e s i se x p l a i n e dt h et e c h n o l o g yp r i n c i p l ea n dv a r i o u so fe q u a l i z a t i o nm e t h o d si n s c f d e as i m u l a t i o nm o d e li sa l s oe s t a b l i s h e d f i n a l l y , w ec o m p a r et h eb e r ( b i te r r o rr a t e ) o ft h et w os c h e m e si n as a m e s i m u l a t i o nc o n d i t i o n t h er e s e a r c hr e s u l ti n d i c a t e st h a tt h eb e ro fo f d mi sl o w e r t h a ns c f d ei nac o m m u n i c a t i o ns y s t e m h a v i n gal o ws n r ( s i g n a lt on o i s e r a t i o ) w h e nt h es n r i sh j i 曲i nac o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，t h eb e ro fs c f d ei s o b v i o u s l yh i g h e rt h a no f d m t h i sc o n c l u s i o ni so fr e f e r e n c ev a l u ei na p p l y i n gt h e t e c h n o l o g yo fs c - f d e a n do f d mt oa na c t u a lc o m m u n i c a t i o ns y s t e m k e yw o r d s ：o f d m ，s c f d e ，c h a n n e le s t i m a t i o n f r e q u e n c yd o m a i ne q u a l i z a t i o n ， i n 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：王荔 如7 年；月i f 日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 年月日年月 日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名：王刻 0 0 。7 年；月 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 采用通信技术来传输信息在现代社会是十分流行和重要的，它已经成为人 们生活和工作的必需和社会发展的重要工具。移动通信领域是当今通信领域内 最为活跃、发展最为迅速的领域之一。移动通信的最终目标是实现任何人可以 在任何地点、任何时间与其他任何人进行任何方式的通信。在过去的十几年里， 移动通信技术获得了极大的发展，移动业务以空前的速度增长，全球正在迅速 向着移动信息时代迈进。 移动通信技术经历了从传统的单基站大功率系统到蜂窝移动系统、从模拟 移动通信系统到数字移动通信系统、从提供话音业务到提供包括低速数据传输 的综合业务的发展过程。第一代模拟蜂窝移动通信系统，采用频分多址( f d m a ) 接入技术，在移动通信信道中传输调制模拟电话信号。模拟蜂窝系统本身存在 频谱效率低、保密性能差等缺陷，面临阻塞概率较高、呼叫中断率较高、容量 不能满足需求等问题。第二代数字蜂窝移动通信系统以t d m a 或c d m a 技术为基 础，主要的技术标准有欧洲和世界各地的g s m 、北美的i s 9 5 ，i s 1 3 6 和日本的j d c 或p d c 。数字蜂窝移动通信系统最吸引人的优点之一是抗干扰能力和潜在的大容 量，可以在环境更为恶劣和需求量更多的地区使用。但是，第二代移动通信系 统不能满足未来的移动通信市场对于容量和抗干扰能力的需求，1 9 9 9 年国际电 信联盟通过了“第三代移动通信系统无线接口技术规范”i m t2 0 0 0 ，标志着第 三代移动通信系统的开发和应用进入了实质阶段。第三代移动通信系统采用的 主要空中接口技术是扩频码分多址( c d m a ) 技术，是将待传送的信息数据用伪随 机码( p n 码) 调制，实现频谱扩展后再传输，接收端则采用同样的p n 码进行相关 处理及解调，恢复原始信息数据。c d m a 系统可获得同样频宽模拟系统1 0 倍的 容量，同时采用软切换、功率控制和分集技术提高系统性能，具有声音质量高、 通话不易中断、接通率高、保密性能好、发射功耗小等优势。第三代移动通信 系统实现的基本目标包括提供全球无缝隙覆盖和漫游、提供窄带和宽带多媒体 业务、适应多种运行环境等。 第一章绪论 第三代移动通信系统给人们展示了一个美好的前景，但这些前景的实现是 以克服目前所面临的技术难题为先决条件的。这些难题包括多径衰减、时延扩 展、多址干扰、远近效应等。由于电磁波在传播过程中将发生扩散、辐射和折 射等，会产生多条传输路径。不同路径的信号到达接收机天线时，由于天线的 位置、方向和极化方式不同，使接收信号功率、相位起伏变化，产生严重的衰 落现象。信号在不同路径会产生不同的传播时延，可能引起符号问的干扰。由 于3 g 系统采用c d m a 技术，即采用不同的扩频码字来区分用户，这就要求各用 户的扩频码具有极强的自相关性和极弱的互相关性。但是，实际上各用户之间 的互相干扰不可能完全消失，所以c d m a 系统是干扰受限系统，来自本小区和 邻近小区用户的干扰成了决定系统容量和性能的主要因素。另外，在各移动台 均以相同的功率发射信号时，基站接收到的近处移动台发射的信号功率将远大 于远处移动台发射的信号功率。远近效应就是指近处大功率信号对远处小功率 信号产生的很强的干扰。为了解决面对的问题，3 g 系统采用了多载波调制、智 能天线、功率控制、多用户检测等技术。 2 0 世纪9 0 年代末自i t u r 推出3 g 移动通信标准后，各个国家和地区纷纷 启动了新一代无线通信系统的技术和标准化研究工作，有关新一代无线通信系 统的名称目前尚不统一，这些名词有4 g 、b e y o n d3 g 、b e y o n di m t - 2 0 0 0 等多种， 在这里我们统称为4 g 移动通信系统。4 g 除了能实现宽带多媒体通信之外，还 具有提供定时定位信息、数据采集、远程控制等综合功能。以移动数据为主， 面向i n t e m e t ，大范围覆盖高速移动通信网络，数据速率从3 g 的2 m b i t s 提高到 1 0 0 m b i t s 。 宽带无线通信技术日益受到人们的重视。无线通信从早期的模拟蜂窝网、 当代的数字蜂窝网逐步过渡到3 g 和4 g 系统，为人们提供高速可靠的无线接入， 宽带无线通信已经成为无线通信技术发展的必然趋势，在未来的话音、视频、 数据及多媒体等综合业务方面有广阔的应用前景1 5 1 。 i e e e8 0 2 委员会于1 9 9 9 年成立y 8 0 z 1 6 t 作组来专门开发宽带无线标准，该 工作组主要负责为宽带无线接入接口及其相关功能制定标准。i e e e8 0 2 1 6 标准 于2 0 0 2 年4 月8 号颁布，i e e e8 0 2 1 6 a 标准于2 0 0 3 年1 月正式得到批准。运行于 2 - l l g h z 频段之间的8 0 2 1 6 a 标准是i e e e8 0 2 1 6 标准的扩展，在点到多点( p m p l 和网格拓扑两种网络结构下，该标准规定了无线宽带接入系统空中接口的媒体 接入控制层( m a c ) 尉n 物理层( p h y 层) ，通过对m a c 层规范的修改和p h y 层规范 第一章绪论 的增补来实现对8 0 2 1 6 的改进。该标准定义的空中接口技术可用于将8 0 2 1 1 局域 网连接到互联网，也可作为线缆和d s l 的无线扩展技术，从而实现最后一英里的 无线宽带接入。i e e e 8 0 2 1 6 a 标准的m a c 层支持3 种分别基于单载波( s c ) ，o f d m 和o f d m a 的物理层，每种p h y 层规范都适用于一种特定的操作环境，包括无需 申请许可执照的频段( 主要在5 6 g h z ) 和被指配给公共网络接入的需申请许可执 照的频段i l 。1 。 1 2 课程的提出及研究现状 纵观无线通讯领域的发展，从早期的模拟蜂窝系统，到现今的数字蜂窝系 统、无线局域网( w k e l e s sl a n ) 接入，以及未来的3 g 和4 g 系统，无线通讯系统以 迅猛的技术进步速度为用户提供了越来越高速、可靠的无线接入服务。现在的 宽带无线系统可以为住宅和商业用户提供达到数十兆比特数据率的无线接入服 务。专家预测，未来的移动多媒体服务和实时交互式服务很有可能是以达到数 百兆带宽的超高数据率无线通信系统为基础的。这种新一代的无线通信系统对 系统软件和硬件的性能、成本、尺寸和功耗等技术指标都提出了更加严格的要 求。其中，如何提高无线通讯系统调制解调方案的性能就是人们非常关心的问 题，即：以较低的系统运算复杂度，更简单的硬件结构，更低的硬件成本提供 误码率更低的数据传输。 在无线宽带通信系统中，信道的多径效应会严重影响通信的可靠性。因此， 如何提高系统的传输性能和采用何种方案对抗信道的多径效应是很有关系的。 相对于有线和卫星信道，无线信道的信道特性是非常恶劣的，利用无线信道进 行通信很容易受到干扰、衰落等因素影响，对于多媒体等应用而言尤为不利。 无线信道的多径衰落会使信号产生码间干扰，接收端必须采用均衡技术来消除 信道的影响。对于现今的大多数移动通信系统来说，常规的均衡器是在时域上 实现的。这些均衡器所存在的共同问题是计算的复杂性至少随数据率的平方成 比率增长。它很大程度上受数字信号处理器( d s p ) 、现场可编程门阵列( f p g a ) 和专用集成电路( a s i c ) 的发展程度的限制。一个完全不同的克服码间干扰的 方法是采用正交频分复用( 0 f i ) m ) 技术。 o f d m 技术是抵抗频率选择性干扰的有效方法，正在成为宽带无线接入领域 的热点。o f d m 系统将串并变换后的信号发送到多个子载波上，每一个子载波 第一章绪论 占据很窄的带宽，各子载波频谱相互重叠但保持正交，大大提高了频谱利用率。 发送过程中，每一个子载波的幅度和相位会受到信道的影响，因此在接收端分 别对每一个子载波的相位和幅度变化进行补偿。与相同传输速率的单载波系统 比较，o f d m 系统每个子载波上的码元宽度是单载波系统码元宽度的n 倍( n 为 f f l 运算的点数) ，通常远远大于信道的时延扩展，因此o f d m 系统每个子载波均 具有极强的抗码间干扰的能力。但是，o f d m 系统存在对定时误差、载频同步误 差比较敏感和大的峰均功率l t ( p a p r ) 等不足，直接影响了o f d m 技术的更大规模 应用【6 】。 8 0 2 1 6 a 标准中建议的单载波传输模式是一种基于o f d m 的传输模式，能够 克服o f d m 系统的不足，并在保持相同复杂度的同时，获得与o f d m 系统近似 的性能i e e e 8 0 2 1 6 a 标准中的单载波传输模式不同于传统的单载波传输，它发送 的是调制后的高速率单载波信号，接收端通过n 丌和i f f t 变换来实现频域均衡。 实际上是对接收信号的频域分析，这种系统称为( s c ，f d e ) 单载波频域均衡系统。 在多径频率选择性衰落信道中进行高速数据传输时，通常的时域均衡器，因为 抽头系数太多，难以实现。而s c 系统由于接收端使用f f t 变换对数据块的数据 同时进行处理，大大降低了接收端的复杂性，提高了系统效率。较之于o f d m 系统，s c f d e 可以放宽对接收机模拟元器件的约束，所以，廉价的功率放大器 可以得到高效率地使用，从而使得具有较长待机时间和电池寿命的移动终端变 得较为便宜；由于使用了高效的f f t 运算，接收机的复杂程度就要比具有时域 均衡器结构的常规单载波系统低得多。s c f d e 也可以和o f d m 共存于一个双 向传输系统，以便更灵活、更高效地发挥两种技术的优势。另外，s c - f d e 技术 还可以与多输入多输出( m i m o ) 技术相结合i ”j ，提高频谱利用率，改善系统性 能，在宽带无线通信领域有着广阔的应用前景。 1 3 论文的章节安排及主要成果 在无线宽带通信系统中，信道的多径效应会严重影响通信的可靠性。因此， 如何提高系统的传输性能和采用何种方案对抗信道的多径效应是很有关系的。 在i e e e8 0 2 1 6 a 标准对于物理层标准的关键技术中建议j 下交频分复用( o f d m ) 和采用频域均衡技术的单载波传输( s c f d e ) 两种方案。作者以学习到的无线通 讯领域的相关知识和技术为基础，对o f d m 和s c f d e 进行数学描述，并对系 4 第一章绪论 统进行建模和仿真以获得用来进行性能分析和比较的实验数据。 第一章：绪论。研究技术背景及课题的提出和研究现状。对后续章节及内 容作安排 第二章：信道估计和均衡。无线信道的特性是影响通信系统性能的主要因 素，也是采用信道估计和均衡技术的主要原因。本章首先介绍了无线信道对信 道带来的干扰及原因，在此基础上介绍了时变多径无线信道的冲激响应模型。 最后设计了一般通信系统的信道估计技术，以为详细介绍o f d m 和s c f d e 中 的信道估计和均衡技术做好准备工作。 第三章：o f d m 技术的研究。基于f f f i f f f 实现的o f d m 技术是一种现 今比较流行的对抗多径效应的多载波解决方案，它也是m e e8 0 2 1 1 物理层实现 的技术标准之一本章首先介绍了o f d m 技术方案的原理和关键技术。在此基 础上，搭建了采用o f d m 技术的8 0 2 1 l a 物理层仿真模型，并对此模型进行仿 真。最后用图表形式记录了仿真结果，并对各结果做了较为详细的分析。 第四章：鉴于o f d m 技术存在对定时误差、载频同步比较敏感和峰均功率 比( p a p r ) 较大等不足，基于o f d m 系统信号处理方式的单载波频域均衡系统方案 被提出。本章首先介绍了s c f d e 技术方案的原理和信道估计方法。在此基础上， 用m a t l a b 的s i m u l i n k 设计实现了s c f d e 系统，并对其进行仿真，对仿真结果 进行了较为详细的分析。最后，在同一仿真条件下，进行了s c f d e 与o f d m 误码性能比较并记录了仿真实验结果。通过对实验结果的分析，深入研究了两 种技术的优劣性。 第五章：总结与展望。对全文工作进行总结，并展望可以进一步深入研究 的工作 5 第二章信道估计与均衡 第二章信道估计与均衡 信道特性是所有通信系统设计面临的首要问题之一，其中以移动通信的信 道最为复杂，因此掌握无线移动信道的传播特性对无线传输技术的研究具有重 要意义。推导信道模型必须满足以下准则：1 、必须足够简单，以便能对系统的基 本性能进行分析计算：2 必须与实际情况十分接近。 在本章节中，我们首先介绍无线信道的一些基本概念并从理论上分析无线 信道的特性，最后介绍信道估计和均衡算法。 2 1 无线信道的传播特性 信道是发射端和接收端之间传播媒介的总称，它是通信系统三大组成部分 ( 信源、信道、信宿) 之一，是任何一个通信系统不可或缺的组成部分。按传播媒 介的不同，信道又分为有线信道和无线信道两大类。有线信道通常是平稳且可 预测的，而无线信道一般则是随机和不易分析的。无线信道中电波传播特性非 常复杂，有中、长波的地表面波传播、短波的电离层反射传播、超短波和微波 的直射传播以及各种散射波传播等。无线信道中的干扰也是形式繁多、特征复 杂，有由于信道畸变产生的码间干扰，也存在由于频率复用产生的同信道干扰 和相邻信道干扰等。本节讨论无线信道的有关基本概念、各种特性及其影响的 描述。 2 1 1 信道对无线信号的影响 信号在无线信道中传播一般可归结为反射、绕射和散射三种基本传播方式。 无线信号无论是在前向链路还是反向链路的传播，都会以多种方式受到物理信 道的影响。由于无线信道的复杂性和时变性，信号通过无线信道时会受到各个 方面的衰减损耗。总的说来，信道对无线信号的影响可归纳为自由空问路径损 耗、阴影衰落和多径衰落三种i 驯。 1 、自由空问路径损耗 自由空问是这样的一种理想空间：自由空间中不存在电波的反射、折射、绕 6 第二章信道估计与均衡 射、色散和吸收等现象，并且电波传播速率等于真空中的光速。当发射端和接 收端之间存在一个明确的、未被阻挡的直射路径时，自由空间传播模型可用来 预测接收信号的强度。具体说来，在自由空间，接收天线接收到的信号功率是 发射与接收距离d 的函数，并服从逆平方律扩展，即： = 嬲l a ( 2 1 ) l q 靠一l 式中，c 为发射功率，p 为接收功率，g ，和g ，分别为发射天线增益和接收天线 增益( 无量纲) ，l 是与传播无关的系统损耗因子。 在移动通信环境中，主要的传输路径有表面反射路径，它会严重干扰主要 路径的传输，使接收的功率近似为： p a d ) 一只( 掣 ) ”g ，g r ( 2 2 ) 式中啊和以分别是发射天线和接收天线的有效高度，1 1 称为路径损耗指数，决定 路径损失随距离增加而增大的速率。理论和实测均表明，无论是室内还是室外 无线信道，平均的接收信号功率都随距离的增加按对数规律减小，任意发射与 接收距离d 的平均路径损失可以表示为距离的函数，即 咒似p ( ) “ ( 2 3 ) a o 2 、阴影衰落 当电磁波在传播路径中遇到起伏地形、建筑物和高大的树林等障碍物的阻 挡时，在这些障碍物的后面会产生电磁场的阴影。移动台在移动中通过不同障 碍物的阴影区时，接收天线接收到的信号场强中值会发生变化，从而引起衰落。 这种衰落称为阴影衰落。阴影衰落描述的是中等尺度nr 自j ( 数百波长) 内信号电平 中值的慢变化特性，阴影衰落的特征可用对数正态分布的随机变量刻画。即 咒“) ( 棚) 一p l 似) + x ，( 2 4 ) 其中p l ( d ) 为平均路径损失，如公式2 3 所示；x 。是一个零均值高斯分布的随 机变量。也就是说，在某特定发射与接收位置上测量的信号电平具有高斯分布， 其均值为路径损失，与距离无关；而标准方差为盯。 3 、多径效应 7 第二章信道估计与均衡 由于地面和周围建筑物的反射，发射信号往往经由多条不同路径，以不同 的时问到达接收天线，这些到达波称为多径波。由于他们的强度、传播时间以 及发射信号带宽等的不同，使得合成后接收信号的幅度和相位，甚至波形有可 能变化很大，引起畸变或衰落，这种现象称为多径效应。多径衰落描述的是小 尺度区间( 数个或数十个波长) 内接收信号场强瞬时值的快速变化特性。 在无线信道中，有三种最重要的多径衰落效应：信号强度在一段很小的传播 距离或时间间隔内快速变化产生的多径衰落；不同路径信号的多普勒频移引起 的随机频率变化；以及多径传播时延扩展引起的多径衰落效应。无线信道的多 径衰落会导致信号在不同维( 时间、频率、空i u j ) 的扩展，对无线信号具有明显的 影响。 2 1 2 衰落信道的动态特征 我们知道，相关函数和功率谱在平稳信号的动态特性分析中起着非常关键 的作用。同样，无线信道的相关函数和功率谱也决定着它的动态特性描述。用t 表示电波传播时间，r 表示电波经过不同路径的传播时间延时，并用亭表示移动 接受台的移动时间，亭表示移动接收台接收两个不同路径信号的观测时间延 时，c ( r ；f ) 为信道在时间t 的等效低通冲激响应，并假定c ( r ；t ) 是广义平稳的，于 是我们可以定义c ( r ；f 1 的自相关函数为 1 r 瓴；r 2 ；a j ) - e c 瓴；f + 宇) c 也；f ) ( 2 5 ) 二 在非相关散射信道的假设下，若令- f ：一f ：，则可以定义信道的时延一时间差 相关函数： 1 r c ( r ；a 亭) 妄e c o ；f + 亭) c 0 ；f ) ( 2 6 ) 二 类似的可以定义信道的频率差一时间相关函数。对两种相关函数进行 f o u r i e r 变换，可以引出两种不同的功率谱定义：时延一多普勒功率谱和频率差一 多普勒功率谱。其中时延一多普勒功率谱的定义如下； s 。o ；”) 。j - rp ；亭弘2 2 “( 亭) ( 2 7 ) 这四种衰落信道的动态特性是统计等价的，它们之间存在着f o u r i e r 变换关 系。其中最常用的是时延一多普勒功率谱，又称散射函数。对这四种二维动态 第二章信道估计与均衡 特性函数进行变换，可以得到时间差相关函数、频率差相关函数、功率谱时延 剖面和多普勒功率谱等一维动态特性函数研究证明，功率谱时延剖面描述了 信道的频率变化( 即频率选择性) ，多普勒功率谱刻画了信道时间变化的快慢，用 它们可以很好地刻画出衰落信道地动态特性性能【2 1 。 从功率谱时延剖面、频率差相关函数、多普勒功率谱和时间相关函数的定 义出发，可以给出几个信道特征参数严格的数学定义公式 信道相干时间：z - 船【足( 宇) 】 ( 2 8 ) 1 信道相干带宽：占厶- - r m s r , ( a f ) ( 2 9 ) 信道多径扩展：q r m s r 。p ) 】 ( 2 1 0 ) 信道多普勒频移： 信道多普勒扩展： 力- i 1 s o 。) 吼去劂岱。( v ) 吼。瓦劂p c 【v ” ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) 以上格式中，r m s l x 表示x 的均方根。用这些特征参数就可以完全表征无线信 道的动态变化。 2 1 3 干扰 任何商用或军用移动通信系统的设计者都试图在尽可能相近的地区复用被 分配的频道，从而对可以使用的频谱加以充分利用。复用频道的距离受到信道 干扰的限制。为了获得满意的频道配置，就需要了解信道干扰对无线移动通信 的影响。在无线信道传播中，信号主要受到由于信道畸变产生的码间干扰以及 由于频率复用产生的同信道干扰和邻信道干扰的影响。这些干扰与前面介绍的 各种衰落有着密切关系。 1 码间干扰 若一个信道的幅度响应在发射信号所占据的带宽内为常数，而相位响应为 频率的线性函数，则称之为无畸变信道或理想信道，反之称为畸变信道。畸变 信道又分为幅度畸变信道和时延畸变信道。在实际应用中每个发射系统的带宽 都是受限的，其频率响应有一定的畸变。由信道的幅度畸变和时延畸变引起的 干扰称为码间干扰。码间干扰对无线通信的影响是：信道以接近带宽的速率发射 或传播脉冲时，每个脉冲在接收端会发生扩散和重叠，使我们不能够正确识别 9 第二章信道估计与均衡 所发射的脉冲串。实际中常用眼图评价数字通信系统中由于码间干扰引起的畸 变程度。 2 、同信道干扰 频率复用意味着在某个覆盖区有几个小区使用相同的频率集合，来自这些 小区信号之间的干扰称为同信道干扰。在蜂窝结构移动无线电通信系统中，由 于频谱资源有限而使得同样的频道不得不被多次重复使用，这又成为频率再用。 例如在蜂窝结构的移动无线电系统中，整个服务区被划分成为许多小区或微小 区，在各个微小区内都建立具有相对较低功率的基站来提供服务。然而这种为 提高系统频谱利用率而在不同微区内进行频率再用的结果却成为导致无线传播 信号性能损伤和接收信号质量下降的一个主要因素。与热噪声不同，同信道干 扰不能通过简单的提高发射机的载波功率克服，这是因为载波功率的提高会增 加对相邻信道的干扰。拟制同信道干扰的基本方法是多用户检测。 3 、邻信道干扰 顾名思义，邻信道干扰就是相邻或邻近信道之间信号的相互干扰。邻信道 干扰又分为带内邻信道干扰和带外邻信道干扰。“带内”是指干扰信号带宽的中 心落入期望信号带宽的内部，“带外”是指干扰信号带宽的中心落入期望信号带 宽的外部。与带内邻信道干扰相比，带外邻信道干扰对发送期望信号的信道影 响要小得多。 除了这三种主要干扰以外，通信信号还受到远近比干扰和调制间干扰等， 这里就不一一叙述。 2 2 小尺度衰落 在实际的无线移动环境下，电波将经历不同的路程到达接收天线，这就是 所谓多径效应。在多径信道中，当接收机和发射机的相对位置发生了即使1 2 载 波波长的位移时，或在短时间内接收信号的幅度也会发生剧烈变化，我们称之 为小尺度效应。 2 2 1 小尺度效应的表现和影响因素 小尺度效应具体表现为： 1 0 第二章信道估计与均衡 ( 1 ) 在小距离或短时间范围内接收信号强度的剧烈变化； ( 2 ) 由于不同信号路径上的不同多普勒效应引起的随机频率调制； ( 3 ) 由多径时延扩展造成信号的时间弥散效应 影响小尺度效应的主要因素有： 多径传播：无线移动信道中，由于反射、散射等的影响，实际到达接收机 的信号为发射信号经过多个传播路径之后各分量的叠加。不同路径分量的幅度、 相位、到达时间和入射角各不相同，使接收到的复合信号在幅度和相位上都产 生了严重的失真。多径传播会引起信号在时间上展宽，从而带来符号间的干扰 i s i 移动台的运动速度在无线移动系统中，需要使用很高的载波频率进行信号 传送。如果移动台相对于基站运动，由于各入射信号的入射角不相同，各路径 分量受到不同的d o p p l e r 频率调制，使接收到的复合信号产生非线性失真。若所 使用的载波频率一定，移动台的移动速度越高，d o p p l e r 频移对接收信号的影响 就越严重。 传播环境中物体的运动：如果无线信道环境中存在运动的物体，会使到达接 收天线的某些多径分量随时间变化。如果移动物体处于发射或接收天线附近且 具有较高的速度，这时，移动环境中运动物体引起的d o p p l e r 频移对信号的影响 就必须加以考虑。 信号的物理带宽：宽带信号和窄带信号在多径信道中的表现出不同的衰落特 性。如果传送信号的物理带宽比“信道带宽”( 相干带宽) 更宽，接收信号将产生 失真。但如果信号带宽比d o p p l e r 带宽大很多，信号对d o p p l e r 频移引起的失真 将不敏感。如果传送信号的物理带宽比信道带宽窄，则接收信号波形在时间上 不会引起明显的失真。但如果信号带宽窄到可以与d o p p l e r 带宽相比拟时，信号 对d o p p l e r 频移引起的失真将较为敏感。 2 2 2 多径时变信道的冲激响应模型 基于多径信道模型，并考虑到信道响应的时变性，无线移动信道的冲激响 应可以表示为 p n ) o ，r ) 薹砟o ) 6 0 f ，( f ) ) ( 2 1 3 ) 第二章信道估计与均衡 其中瓦( f ) tk o ) i e 坼、o ( f ) 、砟( f ) 均是时变的随机参量，分别为第p 条路径 的复衰减因子、时延和相移，p ( f ) 为时刻t 时的总路径数。设发射信号为石p ) ， 于是接收到的信号y ( f ) 可表示为 y ( f ) 一h ( t ，f ) z o ) + 月( f ) 一卜o - r ) h ( t ，f y f + h ( f ) ( 2 1 4 ) 二 p i t l - 瓦p 弦p - - t p ( f ) ) + n o ) 以上充分反映了无线移动信道的多径效应和时变效应。进一步， 相应的频域表示为 h ( t ，) - f h q ，r ) j 。f h ( t ，r ) e 一7 。7 d f 2 2 3 多径时变信道的统计特性 多径信道冲激 r 2 x s ) 我们可以通过脉冲激励法测量多径信道的各条径的复衰减系数及相应的路 径时延，从而确定无线多径信道的冲激响应；也可以通过频率扫描法测量出无线 多径信道的频率响应，从而得到无线多径信道的冲激响应。然而，对于系统设 计来说由于无线移动信道的复杂性和时变性，更重要的是了解其统计特性。通 过大量实验，人们可以得到各种无线移动环境的统计特性，从而把无线移动环 境划分为几种典型的信道，其划分依据主要从两个角度出发： 1 ) 多径时延扩展特性( 信号包络的随机衰落) 。 2 ) 时变特性( 信号相位的随机衰弱】。 其中多径时延扩展特性引起了多径效应，而时变特性引起了多普勒效应。 多径效应和多普勒效应是造成无线移动信道环境恶劣的两个相对独立的传播机 制。根据它们对无线移动信道的影响，或者说根据相干时问和相关带宽与发送 的符号周期和信号带宽的关系，我们把信道划分为：1 ) 平坦衰落信道；2 ) 频率选 择性衰落：3 1 馒衰落信道；4 ) 快衰落信道四1 。 第二章信道估计与均衡 2 3 信道估计 2 3 1 信道估计的意义 信道描述了信号从发端到接收端所经历的一切媒介，包括从发射机到接收 机之间信号传播所经过的物理媒质，如电缆信道、光缆信道，无线信道等。其 中无线传播信道具有很大的随机性，会引起传输信号幅度、相位和频率的失真， 产生符号干扰等，对接收机的设计提出了很大的挑战这就要求对无线信道进 行估计和预测。信道估计器是接收机的一个重要组成部分。在理论研究中，为 了更好地描述信道对信号的影响，引人了信道模型统计的方法，通过研究信号 在特定环境下的特性来进行信道建模。 信道估计可以定义为描述物理信道对输入信号的影响而进行定性研究的过 程，是信道对输人信号影响的一种数学表示。如果信道是线性的，那么信道估 计就是对系统冲击响应进行估计。“好”的信道估计就是使得某种估计误差最小 化的估计算法。基本的信道估计方法有基于d f t 的方法、基于奇异值分解的方 法、基于滤波器的方法、最大似然方法、二维信道估计方法等另外，还有使用 训练序列在时域进行信道估计的方法，利用多项式逼近信道特性的信道估计方 法，用不同形式的内插进行估计信道的方法等。 2 3 2 数字系统的信道估计模型 信道估计就是要使信道的不确定性降至最小，使之对收发两方而言是。透 明的”。它包含两个方面： 1 获取或测量信道参数，这是通常意义上的信道估计问题。 2 信道矫正或称信道去藕合，这是信道估计的最终目的。 在很多系统中，比如许多基于横截滤波的时域均衡器中，两者可能是同时进行 的。甚至无需进行信道估计，比如差分调相系统。 图2 1 给出了一般通信系统的信道估计模型 1 3 第一二章信道估计与均衡 t ) ：发送信号 t 图2 1 一般通信系统的信道估计模型 信道估计器接收到的信号可以表示为 r ( f ) 一s ( f ) ( f ) + 捍o ) ( 2 1 6 ) 信道估计器从r ( f ) 中估计信道的冲激相应 o ) ，然后根据估计出的j ；o ) 构造 一个系统i o ) ( 我们称之为逆信道) 级联起来，从而使得整个系统的最后输出 正好是馈入给信道的信号的“准确”估计： j ( f ) 一p o ) i l ( f ) + n ( t ) l h o ) 一s ( t ) ( f ) o ) + n o ) ( f )( 2 1 7 ) -