（信号与信息处理专业论文）多载波调制技术及其在宽带无线ip系统中的应用.pdf

多载波调制技术及其在宽带 无线i p 系统中的应用 摘要 在本文中，作者提出了i 种彩裁波c d m a 系统：陌种频域扩展下的多载波c d m a 系 统和种时域扩展下的多载波d s c d m a 系统并进行了分析。 在对传统的m c c d m a 系统进行深入研究的基础上，作菁改变系统结构，提出了种 新的频域扩展f 的m c c d m a 系统。第三章) 。浚系统在对原始数据流进行扩展调制前。 先对 b 进行串_ 转换，佳其数据速孛降低，然后再进行调制。这种改进最大的特点是便于 系统e 行链路中基站和移动台的同步或准同步。作者对该系统的上下行链路在不同的信道 ( 加性白高斯噪声信道r a 3 l e i g h 衰落信道及r i c e a n 衰落信道) 上进行分析，并在等增益 合成( e g c ) 和最大比率合成( m r c ) 情况r 给d 了系统的性能。与传统的m c c d m a 系统相比，该系统性能会有显著提高：， 任作者提出的第二种频域扩展下的多载波c d m a 系统中，对扩频码进行了改进，用复 合正交扩频码取代传统的单，一扩频码在发射机中，数据比特先串诈转换，然后进行m a r y 正交调制，调制后的信元用砭合l e 交扩_ ! 砸码进行扩展厉，再用相应的了载波进行调制、合 成诈最终发送出去。作者对系统的下行链路在不同的信道加性白高期噪声信道、r a y l e i g h 衰落信道及r i c e a n 衰落信道) 1 上进行分析，并在等增益台成( e g c ) 和最大比率合成( m r c ) 情况r 给出了系统的性能，并与单扩频码情况进行了比较最后给出了保护时隙对系统的 影响。 与传统多载波d s c d m a 系统相比，作蚩提出的时域扩展下的编码客载波d s c d m a 系统中( 第五章) 加入j 编码，对串并转换后的数据先进行编码调制再进行扩频。( 作者 分析了在下行链路力向系统在不同信道( 加性白高斯喙声信道及r a y l e i g h 衰落信道) 下 的性能。并与带r a k e 接l i 定机的d s c d m a 及未加编码的多载波d s c d m a 系统的性能进 行了比较，孩系统用丁我们正在研究的国家8 6 3 项目“宽带无线i p 技术( 8 6 3 3 1 7 ( 1 3 ( ) 3 9 9 ) ” 中。 关键词：多载波调制，m c c d m a ，复合正交扩频码，频域扩展，时域扩展 m u l t i c a r r i e rm o d u l a t i o na n d i t sa p p l i c a t i o ni nb r o a d b a n d w ir e l e s si ps y s t e m a b s t r a e t t h i sd i s s e r t a t i o n p r e s e n t s t h r e em u l t i c a r r i e rc d m as y s t e m sw h i c h a r e p u t f o r w a r db yu s ，i n c l u d i n gt w ok i n d so f s y s t e m sw h i c hi st h ec o m b i n a t i o no ff r e q u e n c y d o m a i ns p r e a d i n ga n dm u l t i c a r r i e rm o d u l a t i o na n do n ek i n do fs y s t e mw h i c h i ss p r e a d i nt i m ed o m a i n b a s e do nt h er e s e a r c ho ft r a d i t i o n a lm c c d m as y s t e m s ，w eg i v ean e ws y s t e m s t r u c t u r e 、p r e s e n t an e wm u l t i c a r r i e rc d m as y s t e mt h a t i s s p r e a d i n f r e q u e n c y d o m a i n ( c h a r p t e r3 、i n t h i s s y s t e m 、t h eo r i g i n a l d a t as t r e a mi s s e r i a l t o p a r a l l e l c o n v e r t e db e f o r es p r e a db ys p r e a d i n gc o d e s t h u st h ed a t ar a t eo ne a c hb r a n c h b e c o m e s1 0 w , t h e nt h ed a t a sa r em o d u l a t e du s i n gc o n v e n t i o n a lm e t h o dt h e r ei s a n a d v a n t a g ei ns u c hi m p r o v i n g 、t h a ti s 、i ti s c o n v e n i e n tt oe s t a b l i s hs v n c h r o n j z a t i o no r q u a s i s v n c h r o n i z a t i o n b e t w e e nb a s es t a t i o na n dm o b i l es t a t i o no nu p l i n ka n d d o w n l i n k t h es y s t e mi sa n a l y s e di ns e v e r a lc h a n n e l s ( a d d i t i v ew h i t eg a u s s i a nn o i s e c h a n n e l r a y l e i g hf a d i n gc h a n n e ia n dr i c e a nf a d i n gc h a n n e l ) f i n a l l y , w ep r e s e n t s y s t e m sp e r f o r m a n c e u n d e re q u a lg a i nc o m b i n a t i o na n dm a x i m u mr a t i oc o m b i n a t i o n ， a n dc o m p a r et h e mw i t ht h ec a s eo f t r a d i t i o n a lm c ，c d m as y s t e m i nt h es e c o n dm u l t i c a r r i e rc d m as y s t e ms p r e a di nf r e q u e n c yd o m a i n ，t h e s p r e a d i n gc o d e sa r ei m p r o v e dw e u s ec o m p l e xq u a d r a t u r es p r e a d i n gc o d e si n s t e a do f c o m m o ns i n g l es p r e a d i nc o d e si nt r a n s m i t t e r , t h ed a t ab i t sa r es e r i a lt o p a r a l l e l c o n v e r t e df i r s t 、t h e nm a r yo r t h o g o n a lm o d u l a t i o nj sa p p l i e d 、t h er e s u l ts y m b o l sa r e s p r e a du s i n gc o m p l e xq u a d r a t u r es p r e a d i n gc o d e s t h e nt h e ya r em o d u l a t e du s i n g c o r r e s p o n d i n gs u b c a r r i e r sa n dt r a n s m i t t e d o nd o w n l i n k t h es y s t e mi sa n a l y s e du n d e r s e v e r a ic h a n n e l s ( a d d i t i v ew h i t eg a u s s i a nn o i s ec h a n n e l 、r a y l e i g hf a d i n gc h a n n e la n d r i c e a nf a d i n gc h a n n e l ) t h es y s t e mp e r f o n n a n c ei st h e ng i v e nj nt h ec a s eo fe q u a i g a i nc o m b i n a t i o na n dm a x j m u mr a t i oc o m b i n a t i o n a n dc o m p a r e di tw i t ht h ec a s eo f s i n g l es p r e a d i n gc o d e sf i n a l l y ，w ep r e s e n tt h ee f f e c to f t h eg u a r dt i m et ot h es y s t e m ， c o m p a r e d w i t ht r a n d i t i o n a lm u l t i c a r r i e rd s c d m a s y s t e m t h e c o d e d m u l t i c a r r i e rd s c d m as y s t e ms p r e a d i n gi nt i m ed o m a i nh a sam a i ni m p r o v e m e n t t h a ti s t h es e r i a lt op a r a l l e lc o n v e r t e dd a t a sa r ec o n v o l u t i o n a lc o d e df i r s t 、t h e ns p r e a d u s i n gt h es p r e a d i n gc o d e s o nd o w n l i o k 、t h es y s t e mi sa n a l y s e du n d e ra d d i t i v ew h i t e g a u s s i a nn o i s ec h a n n e la n d r a y l e i g hf a d i n g c h a n n e la n d c o m p a r e d t ot h e p e r f o r m a n c eo fd s c d m as y s t e mw i t hr a k ea n dn m l t i c a r r i e rd s c d m as y s t e m w i t h o u tc o n v o l u t i o n a lc o d e da tp r e s e n t t h i s s y s t e m i s a p p l i e dt ot h e n a t i o n 8 6 3 p r o j e c t “b r o a d b a n dw i r e l e s si pt e c h n 0 1 0 9 v ( 8 6 3 3l7 一0 3 0 3 9 9 ) ” k e y w o r d s ：m u l t i c a r t i e rm o d u l a t i o n ，m c c d m a ，c o m p l e x q u a d r a t u r e s p r e a d i n gc o d e s ，s p r e a di nf r e q u e n c yd o m a i n ， s p r e a di nt i m ed o m a i n 。滋崩 。蕊， 豁：囊薮 、 ! 里型兰垫查查兰堡圭笙塞 一盟! 一 11 引言 第一章前言 将一路串行比特流分成几路并行比特流进行传输的思想在1 9 5 7 年就在c o l l i n sk i n e p l e x 系统中使用i ，随后，由于在高速数字用户线( h i 曾1 一r a t ed i g i t a l s u b s c r i b e rl i n e ，h d s l ) 中高速数据的考虑，正交复用的q a m ( q u a d r a t u r ea m p l i t u d em o d u l a t i o n ) 1 1 ”l 、正交f d m ( f r e q u e n c yd i v i s i o nm i l l t i p l e x e d ) l 等调制方法也应运而生。在”4 1 中，给出了一个统一 的名称：多载波调制( m u l t i c a r r i e rm o d u l a t i o n ，m c m ) 。m c m 之所以受到越来越多人的兴 趣，有两个因素：一是在单载波系统接收机中，由于线性均衡所引起的噪声及干扰提高( 在 某些介质中高达8 d b ) ，在多载波系统中可被有效抑制：二是较长的信元周期对噪声和快衰 落有更大的抵抗性。 多载波调制( m u l t i c a r r i e rm o d t d a t i o n ，m c m ) 的基本原理是将所耍传输的数据流分解 成若干个子数据流，每个子数据流具有低得多的数据传输比特速率，并且用这些数据流去 并行调制若干个载波，然后合成输出。 多载波调制的主耍优点是具有抗无线信道时间弥散的特性。众所周知，无线信道( 特 别是陆地移动信道) ，由于存在多径效应而对传输的数字信号产生时延扩展，造成接收信号 中前后码元交叠，产生所谓信元间干扰( i s i ) ，造成判决错误，严重影响传输质量。特别 是在码元速率较高的情况下，更是如此。这是由于在码元周期很短的情况下。时延扩展将 跨越较多的码元，造成所述的信元间干扰。从另外一个角度来看，码元速率较高时，信号 带宽较宽，当信号带宽接近和大于信道相干带宽时，信道的时间弥散将对接收信号造成频 率选择性衰落，所以时间弥散是使无线信道传输速率受限的主要原因之一。在多载波调制 的子信道中，数据传输速率低，码元周期长，只要时延扩展与码元周期之比小于一定的值， 就不会产生码间串扰。因而，从本质上说，m c m 对信道的时延弥散不敏感，或者说具有 抗时延弥散的特性。使用单载波调制进行高速率传输时必须加均衡器，而用多载波调制时 不加均衡器也能获得较好的性能。这一点从另外一个角度解释就是m c m 具有分集的功能。 当然，分集的增益必须经过适当的处理才能获得。 当信道随时间快速变化时，会引起频率弥散，造成接收信号的频率偏移和相位跳变。 研究表明，某些类型的m c m 可用于快速时变信道即频率弥散信道中，并获得好处。这是 由于码元周期相对较长，以致于在一次信号衰落期间码元能量不大可能完全消失。然而， 在另外一些对子信道载波相互间有严格要求的m c m 中频率弥散会造成信道问干扰 ( i n t e r c h a n n e li n t e r f e r e u c e ) 。对频率偏移的敏感性常常被认为是m c m 的主要缺点之一。 多载波调制( m c m ) 可通过多种技术途径来实现【1 醯1 。 多音实现( m u l t i t o n er e a l i z a t i o n ) ，它使用通常的频分复用技术和带限信道，将整 个射频带宽分割成若干个互不交叠的子载波信道，来并行传输备个子数据流，在 接收端用一组滤波器来分离各个子信道。这种方法直接、简单。缺点是频谱利用 率较低，目多个滤波器实现困难。m o t o r o l a 公司推出的i d e n ( i n t e g r a t e dd i g i t a l e t f l l a n c e dn e h v o r k ) 数字集群系统所采用的m 1 6 q a m 调制就属于这种类型。 正交频分复用( o r t h o g o l a a lf r e q u e u c yd i 、，i s i o nm u l t i p l e x i n g o f d m ) ，它使用相 互正交的一组子载波构成子信道来传输各个子数据流，子信道的频谱是可以相互 重叠的，这样就提高了频谱效率。另外，采用时间受限的脉冲来进一步降低对时 延扩展的敏感性。o f d m 是当前名载波调制研究的热点。问题是在接收端如何分 离子信道。研究表明，只耍于载波满足特定的正交约束条件，采用简单的泥频和 、 ! 里! ! 兰垫查查兰堕主堕茎堕董一 积分就能够有效地分离各个子信道。另外一个更重要的优点是o f d m 能够用f f t 算法来实现，并可以采用非常有效的数字信号处理器( d s p ) 技术。 m c c d m a ，多载波码分多址或码分复用( m u l t i c a r r i e rc o d ed i v i s i o nm u l t i p l e a c e e s s ) 是另外一种将信号扩展到不同予载波上的重要方式。它将d s c d m a 用 于复用，而采用o f d m 的原理来选择波形，将不同用户的信号线性叠加到一个复 用的多载波c d m a 信号上。研究表明，m c - c d m a 信号能够用结构相当简单的 接收机来检测。这种接收机采用f f t 技术和可变增益分集合并，其每一支路的增 益仅仅由该子载波的信道衰落所控制。m c = c d m a 系统可以在高时间弥散信道中 工作并达到令人满意的误比特率。m c c d m a 的良好特性越来越引起有关研究人 员的兴趣。 第一个m c m 系统是1 9 5 9 年底1 9 6 0 年初时美国的个军方高频无线系统。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 ) 作为多载波调制( m c m ) 的一 种特殊形式( 子载波频谱互相重叠) ，也早在1 9 7 0 年就提出来了，并在美国申请了专利【1 ”i 。 在以往的f d m a 系统中，使用边缘陡峭的带通滤波器来完全分离各个子载波。在o f d m 中它抛弃了这种方法，它选择在时域相互正交的波形，即使频谱相互重叠也没有关系。很 显然，这种波形现在可以用快速付里叶变换( f f f ) 很容易地在发射机和接收机中产生【1 ”。 然而在当时相当长的一段时间内这种想法在实际中的应用受到了很大的限制，因为实时 快速付里叶变换的复杂度实现是一个不可逾越的鸿沟，更不必说象发射机和接收机振荡器 的稳定度、射频功率放大较严格的线性要求等问题。经过8 ( j 年代多年的持续研究，目前 m c m 技术到了一个转折时期，其实现的技术难题都已解决口i 并且已成为若干个标准的组 成部分。 从以前的实验中我们知道，无线数据传输对调制技术的选择非常关键虽然企业家很 快就意识到大众对无线数据传输的要求，但实验和产品测试表明移动衰落信道需要调制方 案、比特速率、分组长度等的特定解决方法，在很多建议中，m c m 是高信元速率下最有 竞争力的种解决方法。由于m c m 传输的信号波形有充满诱惑力的特性，d s p 的快速发 展也为m c m 提供了便利，从而被广泛研究，发展很快。 在传统的调制方法中时间弥散( 经受信道时延扩展和信元问干扰) 减少了最大可实 现速率。均衡可在一定程度上减轻这个问题，但却是以增加噪声为代价，这样发射功率中 的干扰功率就增加了。相比之下，在精心设计的编码o f d m 系统中，遁度的时间弥散能够 提高误比特率b e r 。这个有意思的现象可以用分集的观点来说明。如果整个m c m 信号遭 受平坦衰落，即如果所有的子载波遭受相同的衰落，在这些子载波上的错误比特相关性就 很大带码字扩展的误差校正不一定能够校正这些错误比特。在一个带较大时延扩展的信 道中，相干带宽使得衰落在某一时刻只影响一定数量的子载波。前向误差纠正( f e c ) 编 码能够成功地修补在这些子载波上的较差信号的接收，在子载波上进行频域的交织能够进 一步提高性能。 相比名径信道中时延扩展引起的时间弥敞，“频率弥敞”也称为“多普勒扩展”是由信 道的时变引起的。当这个领域的绝大多数工程师都在考虑用编码o f d m 来抗信道的时间弥 散，c i m i n i 提出了它在时变信道即频率弥敞性信道下的应用m ”。如果信元周期相对较大， 它不可能在信号衰落期间信元的能量完全丢失。但是快速的时变信道使得o f d m 的各子 载波间的正交性遭到破坏，这将导致误比特率b e r 增加。类似地，相位的抖动或接收机的 频偏也会导致信道间的干扰。对频偏的敏感度就象非线性放大一样是m c m 的又一个主要 缺点。一个频率误差不仅能够搅乱子载波间的正交性，而且使得子载波同步更加难以实现 和保持。付里叶变换在发射机和接收机中的应用允许m c m 通信系统使用以前用于防时 i 剧弥散的方法来中和频率弥散的影响雌5 i 。例如众所周知，最大长度线性反馈移位寄存器 2 魏。；，；滏描 i l 琵 ! 堕堡兰丝查查兰壁主堡茎一一一里l 羔 序列能够用于发现个时间弥散性，即频率选择性信道的时延特性。如果这个序列是以多 载波的格式发射的，如经过付里叶变换，它就能用于发现频率弥散性信道的多普勒成份。 在一个移动多径信道中，从不同路径来的信号波形具有不同的多普勒频移。一个m c m 接 收机通过在f f t 输出序列的移位序列来能够检测到单个成份。为了更好地跟踪信号，相关 结果用于调制本振。还有一种直接序列c d m a 的付里叶变换形式( 称为多载波 c d m a l f 2 9 ：”。它把每个比特映射到每个子载波上但每个子载波按照个码的方式使用 一个时间固定的相移，当然，在理想的频率非选择性和时不变信道中，接收机按照码的方 式从所有子载波收集能量。但在一个频率弥散性信道中，多个经过移相的信号能够在接收 f f t 的输出端辨别出来。接收机能够收集散在频域中的信号，就象传统的d s c d m a 中常 用的r a k e 接收机样。这个“频域r a k e ”增加了信号的多个频移成份，频域r a k e 能 够抗频率弥散。 在一个极端的情况下，m c m 信号可看作为是多个独立子载波信号的和，这样结果信 号的幅度就近似为高斯的，这类信号的放大就容易扭曲，这个就影响了m c m 链路特性， 因为它导致信道问的干扰( i c i ) 。 1 2 多载波调制( m c m ) 方法 在不可靠多径信道上，多载波调制本身不是解决通信问题的方法。信道时间弥散将会 大大地衰减某些子载波，以致这些子信道上的吞吐率非常小无法忍受。如果多个子载波 的联合信号处理恰当，m c m 的分集优势就会充分发挥。 正交频分复用( o r f l m 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 ) 是多载波调制的 一种特殊形式。其主要思想是将串行的数据流串并转换成比特速率较低的n 个并行支路， 每个支路再调制在个子载波上，最后合成输出。这些子载波可通过选择恰当的载波间隔 使它们相互正交因此允许子载波的频谱重叠。由于载波问的正交性，在接收机中仍能将 子载波分开。它主耍应用于数字音频广播和数字电视系统中”“。存频率选择性深衰落 情况下，0 f d m 系统在相应子载波上的数据就遭到破坏，造成信息的丢失。为了克服这个 问题，o f d m 可以和直接序列扩频相结合，这样信号就可在多个载波上扩展，能更有效地 利用未遭破坏子载波上包含的信息恢复出原始数据实现频率分集。 1 9 9 3 年随着c d m a 技术逐步走向实用化，0 f d m 和c d m a 技术的融合也越来越受到 重视，在此期间。出现了三种新的多址方案：多载波c d m a ( m c c d m a ) 、多载波d s c d m a ( m c d s c d m a ) 及客音c d m a ( m u l t i t o n ec d m a ) 。这些方案是由不同的学者提出的， m c c d m a 是由ny e e ，jp l i n n a r t z ，g f e t t w e i s t 驯和kf a z e l ，l p a p k e i ”1 在p i m r c 9 3 几乎同 时提出的m c - d s - c d m a 是由m d a s i l v a ，ess o o s a i l l ”1 提出的，m t c d m a 是由 l v a n d e n d o r p e l l2 4 1 提出的。这些信号可用快速付里叶变换( f f t ) 方便地进行发送和接收， 而不需额外增加发射机和接收机的复杂度。后来又出现了基于小波变换的m c c d m a 系统 f j “】。在f 1 1 中rp r a s a d 及sh a r a 对名载波c d m a 归纳为两类：一是在频域扩展的多载波 系统，另外一类是在时域扩展的多载波系统。 1 3 多载波调制( m c m ) 技术的应用 m c m 的良好特性使得它在下列领域得到广泛的应用： 电话系统的数字传输：m c m 已经成功地进行了在双绞线电话用户环路中的 高速数字传输实验，并被建议用于非对称数字用户环路( a d s l ) 中。 数字音频广播( d a b ) ：o f d m 数字话音广播的概念的提出可追溯到8 ( ) 年代 末。目前，试验系统已经在运行。它明显地改善了移动中接收无线广播的效 刑“、。， 罐。，j 谢i 甄虿 ! 堕型兰垫查查兰堕主堡兰一鲎i 二 果。用于d a b 的成套芯片的开发正在一项欧洲发展项目中进行，它将导致 低价格o f d m 接收机的大量生产。 数字电视：研究表明，高质量电视信号可以在速率为3 s m b p s 的数字信道 中传输。m c m 能够实现这么高速率的信号传输。采用2 k 至8 k 点的f f t 的 多载波信号已经被建议作为数字视频广播( 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 ) 的标准，以便保证数字陆地电视广播( d t t d ) 可靠的移动接收。 无线局域网：无线局域网的研究开发是目前一个比较活跃的领域。许多公司 都正在研究更好的调制方法和接入技术，其中就包括o f d m 和m c - c d m a 。 h i p e r l a n2 和c d m a 2 0 0 0 中部将m c m 作为调制方式的标准。 个人通信系统：由于m c m 具有良好的抗时间弥散的特性，它在移动通信和 个人通信中的应用越来越受到重视。在这方面已经进行了许多研究工作，涉 及到高速室内无绳通信和蜂窝移动通信等。 i4 论文安排 在实际应用中，尤其是在无线扩频通信中，高速数据速率业务的处理是非常棘手的问 题。因为当码元速率较高时，信号带宽较宽，由于信道的时延扩展，容易造成接收信号的 前后码元的交叠，产生信元问干扰。采用多载波调制方法时，由于数据是在多个子载波上 传输，在每个子载波上信道可看作是频率非选择性的，因此可有效避免信元间干扰。由于 多载波调制的优越性，在h i p e r l a n i 、c d m a 2 0 0 0 等多种协议标准中都将其作为数据处 理的一种选择。 多载波调制方法总体上可分为两类：一是频域扩展的调制方法一是时域扩展的调制 方法。本文作者提出了两种不同的频域扩展下的多载波c d m a 系统模型和一种时域扩展下 的多载波d s c d m a 系统模型。 在传统的频域扩展的多载波c d m a 系统中【2 8 l 1 ，数据比特流复制多份，再用多个子 载波分别调制，合成输出。在第一种频域扩展的系统模型中( 第三章) ，数据比特流先串并 转换，对每一个支路的数据流再用传统的多载波调制方法进行调制输出。这样的改进有 个最大的特点就是便于上行链路中基站和移动台的同步或准同步。因为数据速率较高，频 域扩展时，c h i p 同步问题就成为比较重要的问题，其捕捉跟踪的难度也较大。在作者所提 方案中，数据速率经串并转换后速率降低，同步问题变得相对简单。 在第二频域扩展的系统模型中( 第四章) 在第三章所述系统的模型的基础上，我们将 扩频码修改为s l i m a n e 所提的复合正交扩频码1 ，即原始数据比特先串并转换，然后进行 m - a r y 调制调制后的信元用复合正交扩频码取代常用的单一扩频码进行频域的扩展调制， 最后合成输出。这样的系统模型继承了第三章系统的优点，而且由于复合正交扩频码的优 越性系统有更好的性能。但该系统的缺点是复杂度增加。 在传统的多载波d s - c d m a 系统中口l _ i i ”1 ，数据都没有进行卷积编码，在作者所提出 的时域扩展下的系统模型中( 第五章) 对原始数据流先进行串并转换，每个支路上的数 据进行卷积编码，然后再在多个子载波上进行调制合成输出。这样系统性能提高，同时 复杂度也增加了。 全文共分六章，第一章主耍讲述多载波( m c m ) 调制的产生背景及主萼用途；第二章 主要阐述m c m 调制的一种特殊形式一一o f d m ，对其工作原理，该调制方式的优点及缺 点都作了分析。在第三章中，简单阐述o f d m 和c d m a 相结合产生出来的调制方式分类， 及这些系统的特点，然后重点介绍作苔提出的一种在频域扩展下的多载波m c c d m a 系 统，并在各种信道条件下( a w g n 、r a y l e i g h 和r i c e a n ) 用等增益合成( e g c ) 和最大比 率合成( m r c ) 进行分析和比较。第四章中对作者提出的另外一种频域扩展下的m c c d m a 4 幽献蕊置l i 若i 融。 中国科学技术大学博士论文 前言 系统进行详细的分析，即用复合正交扩频码取代一般常用的扩频码，经过解扩前的合成， 可有效减少多用户干扰，提高系统性能。并对保护时隙的影响作了分析和模拟。第五章对 多载波技术在宽带无线i p 技术中的应用，提出了技术方案和规划并进行了技术分析和模 拟。第六章是结束语，总结全文，并指出下一步耍做的工作。 l5 作者的主要贡献 作者在研究大量文献的基础上对传统的多载波系统进行了改进提出了两种频域扩 展的多载波系统2 n 2 1 和一种时域扩展的多载波系统3 。在第三章所述的频域扩展的多载 波c d m a 系统中，对原始数据流先进行串并转换然后再进行多载波的调制。这种结构上 的改变，使得上行链路的同步或准同步更容易建立。在第三章所述系统的基础上， 对串并转换后的数据流进行m a r y 调制调制后的信元用复合正交扩频码进行调制，而不 是常用的扩频码( 第四章) 。分析表明，用复合正交扩频码的系统性能耍优于单一扩频码情 况下的系统性能。在我们正在开发研究的国家8 6 3 项目“宽带无线i p 技术( 8 6 3 3 1 7 0 3 。( 1 3 9 9 ) ”中作者提出了多载波d s c d m a 系统方案，该方案与传统多载波d s c d m a 系统 方案的不同在于加入了编码，即串并转换后的每一支路上的数据在多载波调制前先进行卷 积编码，这样的改进使系统性能提高不足的是系统的复杂度也增加了，这也是下一步需 要继续研究的地方。 溺隧躺墨躲i | f i ， 主堕型兰堡垄查兰堕主丝奎 至窒塑坌墨旦! ! ) 旦型1 2 】引言 第二章正交频分复用( o f d m ) o f d m 的历史要追溯到6 0 年代中期，当时r w c h a n g 发表了关于带限信号害信道传 输合成的论文13 4 - 1 3 s 1 。他描述了发送信息可同时经过一个线性带限信道而不受信道间干扰 ( 1 c 1 ) 和信之间干扰( i s i ) 的原理。此后不久s a l t z b e r g 完成了性能分析i i 。他提出“设计一 个有效并行系统的策略应该是集中在减少相邻信道的交叉干扰( c r o s s t a l k ) 而不是完成单 个信道。因为前者的影响是决定性的”。对o f d m 作主耍贡献的是w e i n s t e i n 和e b e r t 在1 9 7 1 年的论文f 1 3 7 j ，用离散付立叶变换( d f t ) 完成基带调试和解调。这项工作不是集中在完善 单个信道，而是旨在引入消除子载波间干扰的处理方法。为了抗1 s i 和i c i ，他们在时域里 的信元和升余弦窗之间用了保护时间，但在一个时间弥散信道上的子载波间不能保证良好 的正交性。另一个主萼贡献是p e l e d 和r u i z 在1 9 8 0 年”圳的论文引入了循环前缀( c p ，c y c l i c p r e f i x ) 的概念，解决了正交性问题。他们不用空保护问隔，而是用o f d m 信元的循环扩展 来填充，这可有效地模拟一个信道完成循环卷积，这意味当c p 大于信道的脉冲响应时就 能保证子载波间的正交性，但有一个问题就是能量损失。 o f d m 目前用于欧洲数字视听广播( d i g i t a la u d i ob r o a d c a s t i r z ，d a b ) 及数字电视广 播系统中。 22 系统模型 o f d m 最简单的调制和解调结构如图21 ( a ) ( c ) 所示，其频谱如图2j ( b ) 所示。为 了表达简单，我们就忽略了在通信系统中常用的滤波器。 ( 、。n ( 1 “ f j ，一 jj i 1 0 _ l _ o 斗 厂n ， 频； 6 ! 里型兰垫查奎堂堕主堡茎j 三奎塑坌皇旦旦坚! ! ! l 其中 及 s ( t ) ( c ) 图2l ( a ) o f d m 调制器( b ) 频谱图( c ) o f d m 解调器 o f d m 最常用的低通等效信号形式可写为一组并行发射的调制载波，为 ， 0 ，t ) 其它 ：厂0 + 鲁 ：o l ，一l ( 21 ) f 22 1 ( 23 ) 其中c 。是第n 个信号间隔的第k 个子载波的发射信元，每个周期i ；n 是o f d m 子载 波数，f k 是第k 个子载波的频率c 是所用的最低频率。 设f n ( t ) 为第n 个o f d m 帧，t 。是信元周期，则有 s ( o = ( f ) ( 24 ) 因i 匕，e ( f ) 对应于信元组c “，k = o t n 一1 ，每个部是在相应子载波疋上调制发送。 解调是基于载波g k ( 0 的正奄性，即 f g 。( f ) 譬i ( ，) c 打= i j ( 1 ) ( 25 ) 因此解调器将完成以下运算： 。= 軎”刚姗础 ( 26 ) 为了使一个o f d m 系统实用化，可用d f t 来完成调制和解调。通过对( 21 ) 和( 2 4 ) 7 鼻 pl 。一 矾 2 c 0 ，。1 j | )0t譬 、 生里型兰垫查查堂堕主堡兰垩皇塑坌墨里旦壁兰! ! 一 的低通等效信号用采样速率为n 倍的信元速率当进行采样，并假设f 0 - - - o ( 即该载波频率 为最低子载波频率) 则o f d m 帧可表示为： n - i l 聃2 ) _ 荟c “则卜b 专一= 0 1 犯7 t = i 这样，利用前面的关系式，我们可得： ( 们：。删以m 可n 丛- i ，。j 2 , d 已。 ：| v d f 7 1 ( ( _ ( 28 ) 下面我们指出正交频分复用( o f d m ) 和频分复用( f d m ) 的差别。假设在b p s k 调 制下，我们考虑两个系统的功率谱密度。原始数据速率为r ，经串并转换后用不同的方法 进行调制，图2 2 表明了占用带宽w 与子载波数n 的关系。 w = 3 r 2 o f d mf d m 千n ：i十 金， 企， f ”4 m tn = = lj f 盐，理必， 2 p , 3 r 3 r 32 r 3 r r 3i u 3r 图22 0 f d m 和f d m 的差别 从这个图我们可以看到：当子载波数增加时，o f d m 信号耍比f d m 信号需耍少得多 带宽，取极限有： l i mw ：l i l n 型凡：r n n m n ( 29 ) 由此可见，当子载波数很大时其占用带宽只有f d m 时的一半，这是由于有频谱重叠所 造成的。虽然有频谱重叠，但利用子载波之间的正交性，信息能正确地被恢复出来，通过 采样，o f d m 信弓没有损失。从式( 29 ) 可见，低通等效o f d m 信号的双边带宽( 忽略载波 边带) 是w = n 门l ，则n 门l 的采样速率恰恰是相应的n y q u i s t 速率。 这样，对于一个固定乘性因子n 采样o f d m 帧可通过反向离散付立叶变换( i d f t ) 来产生( 调制过程) ，而原始的发送数据可通过离散付立叶变换( d f t ) 恢复出来( 解调功 8 趴 妣 “砖 中国科学技术大学博士论文 正交频分复用( o f d m ) 能) 。 23 循环前缀( c y c l i cp r e f i x ，c p ) o f d m 的基本思想是把有效的频谱划分为几个子信道( 子载波) ，这些子信道都是窄 带的，它们都遭受平坦衰落，易于完成均衡。为了收到较高的频谱效率子信道的频率响 应是互相重叠且正交的。在通过一个时间弥数信道时，由于信元间干扰( i s i ) 的产生在 接收机进行解调时很难将原始数据恢复出来。基于此，在【l ”】中通过在信元间插入保护时隙 来抗信元问干扰( i s ! ) 和帧问干扰( 1 f i ) ，但此方法又破坏了子载波间的正交性。为了克 服这个问题，p e l e d 和r u i z 在【l ”i 中通过引入循环前缀来解决，既能克服i s i 和i f i ，又能完 全保证子载波间的工f 交性。循环前缀是o f d m 信元的最后部分的复制，如下图所示。 谚掺翦棼 e 一。 功r 时间 图23 循环前缀示意图 由于循环前缀( c p ) 的作用使得发送信号周期化，虽然c p 使得信噪比( s n r ) 有 些损失，但它对减少信元间干扰和载波间干扰起决定t g f f j | 3 l 。 当信号s ( t ) 通过脉冲响应为h ( t ) 的信道时接收信号为： r ( t ) = h ( t ) + s ( t )( 21 0 ) 如果信道是非理想的，就会有信元问干扰( i s i ) 。按照数据帧我们可很方便地观察o f d m 信号- 这样我们能够估计出信道在一帧内将产生信元间干扰( i s i ) ，在相邻帧内将产生帧 间干扰( i f i ) ，考虑到离散时间等效信号和信道h ，l = o ，l ，l 是信道的时延扩展，式( 21 0 ) l 为： r ，= h s ， ( 21 1 ) f = n 图2 4 表明了l = 2 时的卷积和，从1 1 1 = 图我们可以看出保护间隔长度等于时延扩展将l “吸收”信道时延，从而消除i f i 。 第( 1 1 _ 1 ) 个帧 第1 1 个帧 第( n + 1 ) 个帧 巫卫互巫 互 五日 + 向z 匹丑三匝工互 工互卫五 匝五互臣j 五 工五 图24 在o f d m 系统中的帧问干扰 这就可以通过在发射机每帧里插入l 个零并在接收机除去它们来完成。但是，为了也 9 鬣激烈霪：盛。；篷 ! 里! ! 兰垫查查兰堕圭笙苎兰型墅望型旦旦坚型里一 使一帧内消除信元间干扰( 1 s i ) ，最好是也使用循环前缀而不是全零的保护间隔。在这种 情况下在接收机丢弃前缀后，就可收到发射数据帧和信道的卷积，循环扩展帧可写为： 晰，= 譬拶 ：未爿。 偿 其中， ( ) ：乞ni _ 。e j 2 “嚣，肛o n l ( 21 3 ) 丢弃前缀后，接收帧变为： n1 只( ”7 ) = t ( ”，一，) 。一 ( 21 4 ，= ( 1 其中( m 表示模n ，经f f t 解调后，我们得到： p ：i 1n 乙- i f a 。( 月咖- 12 “- ：( 1 风k ：( ) 一n - l ( 21 5 ) v h 岸0 其中h 。是信道在子载波频率处的转移函数。因l = ，通过使用循环前缀( c p ) ，信道 的影响转化为数据信元和信道因子h 。的复合乘积这样就可除去了所有的信元间干扰( 1 s 1 ) 及帧间干扰( i f i ) 。 我们应该看到循环前缀( c p ) 的作用是双重的：一方面