（信号与信息处理专业论文）ofdm无线通信系统中ici自消除算法的研究.pdf

摘要 摘要 正交频分复用( o f d m ) 在移动环境中的应用是近年来研究的热点之一，己成 为继c d m a 技术之后在宽带无线接入以及第四代移动通信中的又一核心技术。 虽然抗多径信道频率选择性衰落是o f d m 最突出的一个优点，但信道的任何时 变特性都会降低系统的性能。移动o f d m 系统时变失真的原因包括收发载波频 偏、取样时钟频偏、振荡器相位噪声和信道多普勒频移等。载波频偏破坏了 o f d m 系统中子载波间的正交性，造成了o f d m 载波间干扰( i c i ) ，这是引起性 能下降的重要原因。 本文以正交频分复用( o f d m ) 技术为基础，对其系统中的i c i 形成原因进 行较详细的研究和分析，重点分析了频偏对系统造成的影响，然后阐述了一系 列子载波干扰自消除( i c i s c ) 方案及其改进形式d a t a - c o n j u g a t e 算法，利用 m a t l a b 软件，在高斯白噪声信道( a w g nc h a n n e l ) 和瑞利信道( r a y l e i g hc h a n n e l ) 中分别仿真o f d m 系统的链路结构，得出仿真曲线来验证算法的有效性。理论 和计算机仿真结果都表明了i c i s c 方法的优越性。仿真结果表明，i c i s c 算法及 其改进算法d a t a - c o n v e r s i o n 算法有效地降低了i c i 的影响，具有很好的误码率 性能，提高了o f d m 通信系统可靠性。尤其是改进的算法d a t a c o n j u g a t e 算法 在信噪比较低、频偏较大时对i c i 的抑制效果比传统的d a t a c o n v e r s i o n 算法更 加显著，所以d a t a - c o n j u g a t e 算法可用于多载波通信系统中以获得性能更好的通 信质量。 关键词：正交频分复用载波频率偏移子载波间干扰i c i 自消除 a b s t r a c t a b s t r a c t 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 ( o f d m ) i st h ep r o p o s e dm e t h o d o fm o d u l a t i o nf o rf o u r t h - g e n e r a t i o nb r o a d b a n dm u l t i m e d i aw i r e l e s ss y s t e m s o f d m i sr o b u s ta g a i n s tf r e q u e n c ys e l e c t i v ef a d i n go w i n gt ot h ei n c r e a s eo ft h es y m b o l d u r a t i o n h o w e v e r ，f o rm o b i l ea p p l i c a t i o nc h a n n e lt i m e - v a r i a t i o n si no n eo f d m s y m b o li n t r o d u c ei n t e r c a r r i e r - i n t e r f e r e n c e ( i c i ) w h i c hd e g r a d e st h ep e r f o r m a n c e t h e f r e q u e n c yo f f s e tb e t w e e nt h el o c a lo s c i l l a t o r sa tt h et r a n s m i t t e ra n dr e c e i v e rc a u s e sa f r e q u e n c ys h i f ti nb a s e b a n ds i g n a l ，w h i l eat i m e v a r y i n gc h a n n e lc a l lc a u s eas p r e a d o ff r e q u e n c ys h i f t sk n o w na st h e d o p p l e rs p r e a d ；f r e q u e n c ys h i f t sb r e a kt h e o r t h o g o n a l i t yo fo f d ms u b c a r r i e r sa n dc a u s ei n t e r c a r r i e r - i n t e r f e r e n c e ，t h e r e b yp o o r p e r f o r m a n c eo ft h es y s t e m i nt h i s p a p e r ，ie x p l a i n e di c ii no f d ms y s t e m e s p e c i a l l y , t h ee f f e c to f f r e q u e n c yo f f s e ti sa n a l y z e d t h e n ；p r i n c i p l e so fi c i s ca n da ni m p r o v e dm e t h o d ( d a t a c o n j u g a t em e t h o d ) a r ed i s c u s s e d t h ea d v a n t a g eo ft h e s em e t h o d si sp r o v e d t h r o u g ht h e o r e t i ca n a l y s i sa n dc o m p u t e rs i m u l a t i o nu s em a t l a b w es i m u l a t e do f d m s y s t e mw i t ha w g n c h a n n e la sw e l la sr a y l e i g hc h a n n e lt ot e s ti c i s cm e t h o d 。t h e r e s u l ts h o w st h a ti c i s cm e t h o da n dt h ei m p r o v e dm e t h o dc a nm a k er e m a r k a b l e p e r f o r m a n c ei m p r o v e m e n ti no f d ms y s t e m b e s i d e s ，t h eo f d ms y s t e mo ft h e d a t a - c o n j u g a t em e t h o ds h o w st h eb e s tp e r f o r m a n c e sc o m p a r e dw i t ht h eo r i g i n a l o f d m ，o f d mw i t hd a t a - c o n v e r s i o nm e t h o d s o ，d a t a c o n j u g a t ei c is e l f - c a n c e l l a t i o n m e t h o dm a yb ev e r yu s e f u lt ot h em u l t i c a r r i e rs y s t e mw i t hh i g ht r a n s m i s s i o nq u a l i t y k e yw o r d s ： o f d mc a r r i e rf r e q u e n c yo 低e ti n t e r - c a r r i e ri n t e r f e r e n c ei c i s e l fc a n c e l l a t i o n i i 南开大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解南开大学关于收集、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： 年月 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： 同确扯 解密时间：年月日 各密级的最长保密年限及书写格式规定如下： 南开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。 学位论文作者签名： 闺所如 沙甲年歹月d e l 第一章引言 第一章引言 当代世界通信主要有微波中继通信、光纤通信、卫星通信和移动通信等四种 方式，其中，移动通信是现代通信中发展最为迅速的一种通信手段。移动通信 是指移动用户之间，或移动用户与固定用户之间进行的通信。 随着科技日新月异的进步，现代社会对通信的依赖和要求越来越高，移动 通信己成为当代通信领域内发展潜力最大、市场前景最广的热点技术。到目前 为止，移动通信系统的发展已经历了两代，第一代( 1 g ) 移动通信技术是采用模拟 技术的语音移动通信，第二代( 2 g ) 移动通信技术是采用数字技术的语音移动通 信。现阶段世界上的移动通信技术处于2 g 和2 5 g ，其缺点是全球无线技术各自 为营，没有统一的标准。第三代移动通信系统( 3 g ) 1 1 p 将上市，现有w c d m a 、 c d m a 2 0 0 0 、t d s c d m a 三大标准。尽管关于第三代移动通信系统的研究和标 准化工作十分引人注目，但通信界也存在不同的观点，认为目前3 g 的方案只能 是第二代移动通信方案的改进，算不上真正意义上的宽带接入网络，并且由于 3 g 系统的核心网还没有完全脱离第二代移动通信系统的核心网结构，所以有理 由认为3 g 系统仅仅是一个从窄带向未来移动通信系统过渡的阶段，移动通信技 术正在向三代后或第四代宽带移动通信系f 究( b 3 g 4 g ) 发展【l 】。 第一节第四代移动通信 1 1 1第四代移动通信的简介 第四代移动通信系统( 4 g ) 将是以口为基础的、多功能集成的、各种网络 融合的宽带移动通信系统，可以提供的数据传输速率达到1 0 0 m b p s 以上。 虽然第四代移动通信系统在业务上、功能上、频带上都与第三代系统不同， 但4 g 通信技术并没有脱离以前的通信技术，而是以传统通信技术为基础，不断 提高无线通信的网络效率和功能。 与传统的通信技术相比，第四代移动通信可以概括为：具有更高的数据率、 更好的业务质量、更高的频谱利用率、更高的安全性、更高的智能性、更高的 第一章引言 传输质量、更高的灵活性；能支持非对称性业务，并能支持多种业务；应体现 移动与无线接入网和i p 网络不断融合的发展趋势，是一个全p 的网络。 第四代移动通信的主要技术指标： 1 数据速率从2 m b s 提高到1o o m b s ，移动速率从步行到车速。 2 满足第三代通信不能达到在覆盖、质量、造价上支持的高速数据和高分 辨率多媒体服务的需要。宽带局域网应能与宽带综合业务数据网( b i s b n ， b r o a d b a n di n t e g r a t e ds e r v i c e sd i g i t a ln e t w o r k ) 和异步传送模式( a t m ， a s y n c h r o n o u st r a n s f e rm o d e ) 兼容，实现宽带多媒体通信，形成综合宽带通信网。 3 对全速移动用户能够提供1 5 0 m b s 的高质量的影像服务。 按照目前的研究成果和专家的预测，4 g 通信系统将会在2 0 1 0 年以后投入商 业运营。目前，世界各国政府、研究机构和公司都在加紧构思和研发4 g 通信技 术和标准。 1 1 2 第四代移动通信的关键技术 1 正交频分复用技术 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 i p l e x i n g ) 是4 g 系统的核心技术之一，它可以克服在高频段高速移动传输时产生的频率选择性 衰落。若以技术层面来看，3 g 主要是以c d m a 为核心技术，三代以后的移动通 信系统则以正交频分复用( 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 i p l e x i n g ) 最受瞩目，世界各国的公司和研究机构都对o f d m 系统投入了很大的资金支持和 研究热情。 2 软件无线电技术 软件无线电( s d r ，s o f t w a r ed e f i n e dr a d i o ) 是将标准化、模块化的硬件功 能单元经过一个通用硬件平台，利用软件加载方式来实现各种类型的无线电通 信系统的一种具有开放式结构的新技术。通过下载不同的软件程序，在硬件平 台上可以实现不同的功能，用以实现在不同的系统中利用单一的终端进行漫游， 它是解决移动终端在不同系统中的关键技术。 3 全i p 技术 4 g 系统同已有的移动网络相比，一个根本性优点就是它是一个基于全i p 的网 络，可以实现不同网络间的无缝互联。核心口网络不是专门用作移动通信的，而 2 第一章引言 是作为一种统一的网络，支持有线及无线的接入，它就像具有移动管理功能的 固定网络，其接入点可以是有线或无线。4 g 的核心网采用口后，所采用的无线 接入方式和协议与核心网络协议、链路层是分离独立的。p 与多种无线接入协议 相兼容，因此在设计核心网络时具有很大的灵活性，不需要考虑无线接入究竟 采用何种方式和协议。 4 智能天线技术 智能天线( s a ，s m a r ta n t e n n a ) 具有抑制信号干扰、自动跟踪以及数字波 束调节等智能功能，被认为是未来移动通信的关键技术。智能天线成形波束能 在空间域内抑制交互干扰，增强特殊范围内想要的信号，这种技术既能改善信 号质量又能增加传输容量，其基本原理是在无线基站端使用天线阵和相干无线 收发机来实现射频信号的接收和发射，同时，通过基带数字信号处理器，对各 个天线链路上接收到的信号按一定算法进行合并，实现上行波束赋形。 5 多输入多输出技术 多输入多输出【2 1 ( m i m o ，m u l t i i n p u tm u l t i o u t p u t ) 技术是指利用多发射、 多接收天线进行空间分集的技术，它采用的是分立式多天线，能够有效的将通 信链路分解成为许多并行的子信道，从而大大提高容量。信息论已经证明，当 不同的接收天线和不同的发射天线之间互不相关时，m i m o 系统能够很好地提高 系统的抗衰落和噪声性能，从而获得巨大的容量。在功率带宽受限的无线信道 中，m i m o 技术是实现高数据速率，提高系统容量，提高传输质量的空间分集技 术。在无线频谱资源相对匮乏的今天，m i m o 系统已经体现出其优越性，也会在 4 g 移动通信系统中继续应用。 6 多用户检波技术 多用户检波( m u d ，m u l t i u s e rd e t e c t i o n ) 可用来消除c d m a 系统中出现的 多接入干扰。在了解每个用户展宽波形的基础上，m u d 根据其它用户测定信号 并将其从期望信号中除去。移动设备通常在小区中不包含其它用户的展宽代码， 因此m u d 更多地只应用在基站中，而且m u d 可增加反向链路( 移动终端至基站) 的容量。随着m u d 技术的不断发展，多用户检测器将会在4 g 的基站和终端中得 到应用。多用户检测器可以提高系统的容量，因此将是4 g 必然采用的技术。 3 第一章引言 第二节o f d m 的技术背景及研究意义 随着宽带系统的兴起，许多新技术成为研究的热点。正交频分复用( o f d m ) 便是其中之一。自1 8 3 7 年最早的通信形式电报出现以来，通信已逐渐融入 了社会。随着通信技术的不断成熟和发展，现代社会也正在高速发展。如今的 通信传输方式可以说多种多样，变化日新月异。从最初的有线通信到无线通信， 再到现在的光纤通信；从最初的电报到固定电话、计算机网络，再到现在的移 动通信；从最初的文本信号通信到语音通信，再到现在的多媒体通信；人们对 通信的质量也在不断的提高。通信正朝着个性化、全球化、高质量的方向发展。 如各种先进通信技术的结晶移动通信，使得人们随时随地可以联系外界， 可以连上网络得到自己所需的信息，甚至可以进行可视对话。现代社会是信息 社会，人们似乎都生活在信息高速公路交织的网络中。 1 2 1o f d m 技术发展的历史背景 正交频分复用是一种多载波数字调制技术，最早起源于2 0 世纪5 0 年代中期， 在6 0 年代就已经形成了使用并行数据传输和频分复用的概念【3 j 。o f d m 技术的应 用可以追溯到本世纪6 0 年代，主要用于军用高频通信系统例如n e p l e x ， a n d e f t 和k a t h r y n 。但是当时o f d m 系统的结构非常复杂从而限制了其进一 步推广。直到7 0 年代人们提出了采用离散傅立叶变换来实现多个载波的调制， 简化了系统结构，使得o f d m 技术更趋于实用化。1 9 7 0 年1 月首次公开发表了有 关o f d m 的专利。1 9 7 1 年，w e i n s t e i n 和e b e r t 把离散傅立叶变换( d f t ，d i s c r e t e f o u r i e rt r a n s f o r m ) 应用到并行传输系统中，作为调制和解调过程的一部分。这 样在完成f d m 的过程中，可以完全依靠执行快速傅立叶变换( f f t ，f a s tf o u r i e r t r a n s f o r m ) 的硬件来实施。早在2 0 世纪6 0 年代，o f d m 技术就己经被应用到多 种高频军事系统中。但是直到2 0 世纪8 0 年代中期，该方法才开始受到关注并得 到了广泛的应用。 8 0 年代人们研究如何将o f d m 技术应用于高速m o d e m ，进入9 0 年代以来， o f d m 技术的研究深入到无线调频信道上的宽带数据传输。在高速宽带无线应用 环境下o f d m 技术的优势很突出，而且可以利用有效的新技术去修正和弥补 o f d m 的固有缺点，o f d m 技术已经被广泛应用于民用通信系统。自2 0 世纪8 0 年代以来，o f d m 己经在数字音频广播( d a b ) 、数字视频广播( d ) 、基于i e e e 4 第一章引言 8 0 2 1 1 标准的无线本地局域网( w i a n ，w i r e l e s sl o c a l a r e a n e t w o r k ) 和基于i e e e 8 0 2 1 6 标准的无线城域网( w m a n ，w i r e l e s sm e t r o p o l i t a na r e an e t w o r k ) 以及有 线电话网上基于现有铜双绞线的非对称高比特率数字用户线技术中得到了应 用。 1 2 2o f d m 技术的研究意义 2 0 世纪9 0 年代以来，o f d m 以其优异的性能而受到人们的青睐，并在移动通 信、数字电视、数字广播等领域的得到应用，并已取得许多可喜的成果。这预 示着o f d m 良好的发展前景。 1 2 2 1 o f d m 在计算机网络领域 目前，i n t e m e t 正以惊人的速度发展，i n t e r n e t 的用户众多，分布广泛，但现有 的用户网所能提供的用户接入速率太低，传统m o d e m 仅能提供5 6 k b p s 的速度， i s d n 业务最多也只能提供1 2 8 k b p s 的速度，这些都难以已经满足i n t e m e t 飞速发 展的需要。宽带技术开始兴起后，o f d m 以其良好性能在该领域得到很好的应用。 如己经进入千家万户的a d s l ( a s y m m e t r i cd i 西t a ls u b s c r i b e rl o o p ，非对称数字用 户环路) 和正在不断升温的v d s l ( v e r yh i g hb i tr a t ed i 西t a ls u b s c r i b e rl i n e ，甚高 速数字用户线路) 【2 】。v d s l 不对称工作时，上行速率为1 6 至u 2 3m b p s ，下行速率 可高达5 2m b p s ；对称工作时，上下行速率均可高达2 6m b p s 。a d s l 采用不对称 工作方式，下行速率8 m b i t s ，远高于i s d n 速率；而且上行速率也有1 m b i t s ，传 输距离则达至l j 3 0 0 0 m - - 5 0 0 0 m 。 1 2 2 2o f d m 在移动通信领域 o f d m 技术的数据传输速度相当于当前g s m ( g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l e c o m m u n i c a t i o n s ，全球移动通信系统) 矛i c d m a ( c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ， 码分多址) 技术标准的1 0 倍。从理论上讲，o f d m 技术要优于当前全球移动运营 商所采用的标准技术。预计三代以后的移动通信的主流技术将是o f d m 技术。但 问题是其成本和兼容性等问题与当前技术相比是否具有竞争力。近来，o f d m 开 始与c d m a 技术结合，产生了m c c d m a ，该技术除了继承了d s c d m a 的优点 外，还具有灵活、高系统容量、强抗干扰、无需复杂的均衡等优点【4 j 。目前，还 有一种采用o f d m 技术的宽带移动通信系统- h i p e r l a n i i 。它是一种小范围 无线移动通信系统标准，用于公共和私人的高容量环境。它允许数据速率达到 5 第一章引言 5 4 m b s ，工作在5 g h z 频段。一个o f d m 符号持续4us ，其中包括3 2l as 的数据和 o 8us 的保护间隔。可采用的几种调制方式有：b p s k ，q p s k ，q a m ；采用网 格编码。具体的调制方式和编码方式的选择是根据发送质量要求而定的。允许 速率为6 ，9 ，1 2 ，1 8 ，2 7 ，3 6 ，5 4 m b s 。 1 2 2 3o f d m 在数字传播领域 o f d m 在数字广播领域也有杰出的表现。d a b ( d i g i t a la u d i ob r o a d c a s t i n g ，数 字语音广播) d m b ( d i g i t a lm u l t i m e d i ab r o a d c a s t i n g ，数字多媒体广播) 具有音质好 ( c d 质量) 、可实现多媒体接收、可加密、并可利用卫星大幅度提高广播的覆盖 率等优点，是广播事业发展中一个新的里程碑。采用o f d m 技术后，发射功率减 小、可高速移动接收、频谱利用率高、有很强的抗干扰和在恶劣环境下接收的 能力，有效的实现了数据高速可靠的传输。目前，d m b 的主流技术有3 种： ( 1 ) 1 9 9 6 年1 2 月2 6 日f c c 正式公布了“数字电视标准a t s c 。加拿大、韩国、 阿根廷和我国的台湾1 9 9 7 年和1 9 9 8 年先后宣布采用美国的a t s c 标准。 ( 2 ) 欧洲e t s i 在1 9 9 4 年和1 9 9 6 年先后公布了d s ( 卫星广播) 、d v b c ( 有线电 视广播) 和d v b t ( 地面广播) 的标准等。 ( 3 ) 日本地面综合业务数字广播( i n t e g r a t e ds e r v i c ed i g i t a lb r o a d c a s t i n g t e r r e s t r i a l ，i s d b t ) 采用的频带分段传输正交频分复用( b a n dw i d t hs e g m e n t e d t r a n s m i s s i o no f d m ，b s t - o f d m ) 。日本19 9 8 年11 月公布了用于地面数字电视广 播的i s d b t 标准。其中，后两种均采用了o f d m 技术，以第二种最为完善。欧 洲数字视频地面广播( d i g i t a lv i d e ot e r r e s t r i a lb r o a d c a s t i n gt e r r e s t r i a l ，d v b t ) 标 准采用的编码正交频分复用( c o d e do r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ， c o f d m ) 调制。d v b t 使用了17 0 5 ( 2 k ) 或6 8 17 ( 8 k ) 个载波。而且它有更多的选项， 以适应不同的应用需求，例如可变的载波调制类型。这也是o f d m 的一个长处所 在。和美国的8 v s b 调制技术相比，c o f d m 技术属于正在不断发展和提高的新 技术。除了欧洲国家以外，澳大利亚、新加坡、印度、巴西先后在1 9 9 8 年和1 9 9 9 年宣布采用欧洲的d v b 标准【5 | 。 第三节o f d m 中的关键技术 与下一代移动通信系统有关的o f d m 系统的关键技术有以下几个方面： 1 时域和频域同步 6 第一章引言 o f d m 系统对定时和频率偏移非常敏感，特别是实际应用中与f d m a 、t d m a 和c d m a 等多址方式结合使用时，时域和频率同步显得尤为重要。与其它数字 通信系统一样，同步分捕获和跟踪两个阶段。在下行链路中，基站向各个移动 终端广播发送同步信号，所以，下行链路同步相对简单，较易实现。在上行链 路中，来自不同移动终端的信号必须同步到达基站，才能保证子载波间的正交 性。基站根据各移动终端发来的子载波携带信息进行时域和频域同步信息的提 取，再由基站发回移动终端，以便让移动终端进行同步。具体实现时，同步将 分为时域同步和频域同步，也可以时域和频域同时进行同步。 2 信道估计 在o f d m 系统中，信道估计器的设计主要有两个问题：一是导频信息的选择。 由于无线信道常常是衰落信道，需要不断对信道进行跟踪，因此导频信息也必 须不断地传送；二是复杂度较低和导频跟踪能力良好的信道估计器的设计。在 实际设计中，导频信息的选择和最佳估计器的设计通常又是相互关联的，因为 估计器的性能与导频信息的传输方式有关。 3 信道编码和交织 为了提高数字通信系统性能，信道编码和交织是普遍采用的方法。对于衰落 信道中的随机错误，可以采用信道编码；对于衰落信道中的突发错误，可以采 用交织技术。实际应用中，通常同时采用信道编码和交织，进一步改善整个系 统的性能。在o f d m 系统中，如果信道衰落不是太严重，均衡是无法再利用信 道的分集特性来改善系统性能的，因为o f d m 系统自身具有利用信道分集特性 的能力一般的信道特性信息已经被o f d m 这种调制方式本身所利用了，但是， o f d m 系统的结构却为在子载波间进行编码提供了机会，形成c o f d m 方式。 编码可以采用各种码，如分组码、卷积码等，其中卷积码的效果要比分组码好。 4 降低峰值平均功率比 由于o f d m 信号时域上表现为n 个正交子载波信号的叠加，当这n 个信号 恰好均以峰值相加时，o f d m 信号也将产生最大峰值，该峰值功率是平均功率 的n 倍。尽管峰值功率出现的概率比较低，但是为了不失真地传输这些高p a p r 的o f d m 信号，发送端对高功率放大器( h p a ，h i g hp o w e ra m p l i f i e r ) 的线性 度要求很高，从而导致发送效率极低，接收端对前端放大器以及a d 变换器的 线性度要求也很高。因此，高的p a p r 使得o f d m 系统的性能大大下降甚至直 接影响实际应用。为了解决这一问题，人们提出了基于信号畸变技术、信号扰 7 第一章引言 码技术和基于信号空间扩展等降低o f d m 系统p a p r 的方法。 5 均衡 在一般的衰落环境下，o f d m 系统中均衡不是有效改善系统性能的方法。因 为均衡的实质是补偿多径信道引起的码间干扰，而o f d m 技术本身已经利用了 多径信道的分集特性，因此在一般情况下，o f d m 系统就不必再做均衡了。在 高度散射的信道中，信道记忆长度很长，循环前缀( c p ，c y c l i cp r e f i x ) 的长度 必须很长，才能够使i s i 尽量不出现。但是c p 长度过长必然导致能量大量损失， 尤其对子载波个数不是很大的系统。这时，可以考虑加均衡器以使c p 的长度适 当减小，即通过增加系统的复杂性换取系统频带利用率的提高。此外，o f d m 与空间编码、智能天线等技术的结合也备受关注。 第四节关于本文 原始o f d m 系统要求各子载波之间具有正交性，所以对载波频率的精确性提 出了更高的要求。在相同的频率偏差下，o f d m 系统比之传统的单载波系统以及 频分复用多载波系统所受到的影响更大，在通信时会严重影响其性能。所以， 如何降低频偏所带来的影响是o f d m 系统中一项重要的课题。 o f d m 系统采用频域均衡，时域加窗，基于变换域滤波，选择符号映射与部 分序列传输等方法减少i c i 都只能在特定的信道环境下取得较好的效果，对于高 速移动通信环境下存在的严重的i c i ，抗i c i 能力有限。且频域均衡实现复杂， 抗噪声干扰能力差；时域加窗会削弱o f d m 抗多径干扰能力；基于变换域滤波 受系统同步影响大。为了减小i c i 对o f d m 系统的影响，z h a o 和h a g g m a n 在总 结前人的基础上，于2 0 0 1 年提出了一种称为信道间干扰自消除( i c i s c ，i c is e l f c a n c e l l a t i o n ) 的方法 6 】，以牺牲系统的带宽效率为代价获得性能的改善。理论和 实践均证明了i c i s c 方法可有效地降低系统的子载波间干扰，改善系统性能。 研究证明，在众多的子载波间干扰消除技术中自消除技术是一种较容易实现 的方法。本文在理论基础上推导了一种子载波间干扰的自消除算法，并且在不 同的信道环境中验证了该算法的性能。同时考虑到系统优化的需求，文中提出 了一种改进的i c i s c 算法一d a t a c o n j u g a t e 方法，仿真结果证明采用该算法的系统 性能比传统的o f d m 系统性能有所提高。 全文分为七章：第一章引言，介绍o f d m 技术的发展背景及现状；第二章简 8 第一章引言 述了o f d m 的基本原理和o f d m 系统的优缺点；第三章介绍了无线信道的传输环 境和本文仿真所采用的信道模型；第四章介绍了i c i 干扰的成因及当前存在的一 些抑制子载波间干扰的方法；第五章重点分析了i c i 自消除方法的原理及其改进 方法；第六章综合前几章的内容用m a t l a b 仿真了采用不同i c i s c 方法的o f d m 系 统，讨论了高斯信道和多径瑞利衰落信道中相应系统的性能并给出了仿真结果； 第七章结论，总结全文并提出下一阶段的研究设想。 9 第二章o f d m 通信系统的基本原理 第二章o f d m 通信系统的基本原理 第一节单载波与多载波通信系统 2 1 1 单载波传输系统 通常我们采用的通信系统是单载波方案。如图2 1 ，其中甙t ) 是匹配滤波器。 这种系统在数据传输速率不太高的情况下。多径效应对信号符号之间造成的干 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 是对于宽带业务来说，由于数据传输的速率较高，时延扩展造成数据符号之间 的相互交叠，从而产生了符号之间的串扰( i s i ) ，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，信道的时间弥散将会造 成频率选择性衰落，使得同一个信号中不同的频率成分体现出不同的衰落特性， 这是我们不希望看到的。 压丑毒卜信道 i p ，嘟 2 1 2 多载波传输系统 图2 1 单载波系统的基本结构 多载波传输通过把数据流分解为若干个子比特流，这样每个子数据流将具有 低得多的比特速率，用这样的低比特率形成的低速率多状态符号再去调制相应 的子载波，从而构成多个低速率符号并行发送的传输系统。在单载波系统中， 一次衰落或者干扰就可以导致整个链路失效，但是在多载波系统中，某一时刻 只会有少部分的子信道会受到衰落的影响。图2 2 中给出多载波系统的基本结构 示意图。 1 0 第二章0 f d m 通信系统的基本原理 多载波传输技术有多种提法，如正交频分复用( o f d m ) 、离散多音调s u ( d m t ) 和多载波调制( m c m ) ，这3 种提法在一般情况下等同，只是在o f d m 中各子载 波保持相互正交，而在m c m 这一条件并不总成立【刀。 2 2 1频分复用 图2 2 多载波系统的基本结构 第二节频分复用与正交频分复用 频分复用是指将信道划分成n 个子信道，利用n 个不同频率的子载波并行 的在子信道上传输n 路数据。频分复用的传输系统发送端的组成框图如图2 3 所示，接收端则是一个相反的过程。 “t 低通子载波带逶 s ，( ， 滤波器调制器滤波器 丰 f 2 ( t ) 。 低通子载波带通 s 2 ( 圳。耱载 滤波器调锢器滤波器 加 s 巷( 柚) 波 器调 制 靠t ) 低通 予载波带通 氟圳 滤波器调制器滤波器 图2 3 频分多路传输系统组成框图 第二章o f d m 通信系统的基本原理 假设待传的n 个具有相同带宽2 c o r 的信号为彳( f ) ，六( f ) ，厶( f ) 分别通过一 个低通滤波器，以保证其带宽不超过2 0 ，因为这些信号占有同一频带，如果直 接加于同一信道上，接收端将无法进行区分。所以要对它们的频谱进行搬移， 使其在频率轴上互不重叠。因此，各路信号先要用子载波进行调制从而实现频 谱搬移。用一组有相同频率间隔的正弦波作为子载波，相应的频率称为子载频。 为了限制各路子载波所占频带，在相加器前，每一路设一个带通滤波器。多路 信号仍属于基带信号，可以直接用导线传输。信号此时在频带上是互不重叠的， 因此可以用相加器将n 路信号和在一起传输。频分多路信号可表示为： 上 墨( f ) = 以c o s c o ( t )( 2 1 ) n = i 为了实现无线传输，还需将合成的信号对射频载波进行一次调制，称为主载 波调制或二次调制。在接收端，解调过程是一个相反的变换。首先，对射频信 号进行主载波解调，恢复出的多路信号加到各个分路带通滤波器上，各个带通 滤波器的中心频率分别对应该路的带宽和子载波频率，只允许本路信号通过， 从而实现了频域的分割【8 】。分离后的信号进行子载波解调，就可得到各路信息 f d m 的频谱分析如图2 4 ，国。是保护带宽。 s j ( & ( ( s s ( dy l 八n 一 厶、 d ， i n 八一 oy l n厂、厂、h n n 2 o 蕈- 搿l2 二， 一 图2 4f d m 频谱分析图 1 2 第二章o f d m 通信系统的基本原理 2 2 2 正交频分复用 o f d m 是在f d m 的原理的基础上，子载波集采用两两正交的正弦或余弦函 数集。函数集 c o s ，l 讲 ， s i i l 咒研 ( 甩，m = o ，1 ，2 ，) 的正交性是指在区间( 岛，t o + 丁) 内有： 卜c o s 一= ；：2 卜o s 删c o s 撇础= 丁2 岛i 丁 n m ，l ：m 0 ，其中辟一2 z ( 2 2 ) ，z ：m ：0 彩 正弦函数同理。 根据上述理论，令n 个子信道载波频率石，石，厶并使其满足下面的关系： f k2 f o + k t n ，k = 1 ，n 其中t n 为单位码元持续时间。单个子载波信号为： 删= 伊聊 蒙瓦 眨3 ， 由正交性可知： 弘w 忙口 m = 1 1 ( 2 4 ) m n 由式( 2 4 ) 可知，子载波信号是两两正交的。这样只要信号严格同步，调 制出的信号严格正交，理论上接收端就可以利用正交性进行解调。o f d m 信号 表达式与f d m 的一样： 卫 s ( t ) = zc o s ( 9 。( f ) ( 2 5 ) n = l 区别在于信号的频谱。o f d m 信号的频谱如图2 5 所示。 由图2 5 可以看出，由于采用的原理不一样，f d m 中接收端需要频率分割， 因而需要较宽的保护间隔。o f d m 系统的接收端利用正交性解调，相邻子信道 频谱在一定程度上是可以重叠的。下面将详细介绍o f d m 系统的原理。 1 3 第二章o f d m 通信系统的基本原理 图2 5f d m 与o f d m 的频谱 第三节正交频分复用原理 在介绍o f d m 系统原理前，先介绍一下多进制数字调制方法。 2 3 1多进制数字调制方法 为了实现高效信息的传输，可以采用多进制数字调制方式来传输数据符号。 多进制调制方法的特点在于：在相同符号速率的条件下，多进制数字调制系统 的信息传输速率要高于二迸制数字调制系统；在相同信息速率条件下，多进制 数字调制系统的符号速率要低于二进制数字调制系统。一个m 进制的符号可以 携带l o g ：m 个比特的信息，而一个二进制的符号只能携带一个比特的信息。数 字通信系统中常用的多进制数字调制方法包括恒定幅度调制和非恒定幅度调 制，两种调制方法的典型实例分别为m 进制相位调制( m p s k ) 和正交幅度调制 ( q a m ) r 9 1 。 2 3 1 1m p s k m p s k 调制中，载波相位可以从m 个数值岔= 2 x i m 中选择。其中i = o ，1 ， m l ，经过调制的波形可以表示为： 删2 埋s ( 2 班+ 2 疵) 一 ( 2 6 ) 2 一e sc o s ( 2 n i m ) c o s ( 2 n f 。t ) 一0e ss i n ( 2 n i m ) s i n ( 2 n f , t ) 其中巨表示每符号的能量。当采用矩形脉冲成型时，选择e o s ( 2 x f 。t ) 和 1 4 第二章0 f d m 通信系统的基本原理 s i n ( 2 x l t ) 作为正交基信号，构成二维空间，并且在该空间内来理解调制信号， 从而构成星座空间的概念。星座空间内每个调制信号所对应的点被称作星座点。 因此在这种二维空间内，m p s k 信号就是均匀分布在以原点为圆心，e 为半 径的圆周上，其中相邻两点之间的欧式距离为2 , j e , s i n ( x m ) 。图2 6 ( a ) 给出 了8 p s k 星座分布图。 2 3 1 2 q a m m p s k 调制中信号的幅度是保持恒定的，因此可以得到圆形的星座分布图。 如果调制信号的相位和幅度都可以发生变化，则可以得到另外一种非幅度恒定 的正交幅度调带t j ( q a m ) 方法。经过q a m 调制的信号表示为： 墨= e 二口fc o s ( 2 x f 。t ) + e 二包s i n ( 2 x f j ) ( 2 7 ) r - 其中i = 0 ，1 ，m 一1 ，l m i n 表示幅度最小的信号的能量，a i 和b i 是一对 独立的整数，可以根据星座点的位置来确定。同样采用矩形脉冲成型，也可以 在由e o s ( 2 x f 。t ) 和s i n ( 2 n f j ) 所构成的二维星座空间内表示q a m 调制所对应的 星座点，见图2 6 ( b ) ，其中给出方形1 6 q a m 的星座点分布。 m q a m 根据其星座分布形状可以分为方形m q a m 调制( 例如当m = 4 、1 6 、 6 4 、2 5 6 等取值时) ，以及非方形m q a m 调制。方形m q a m 调制可以被看作是 在e o s ( 2 x f j ) 和s i n ( 2 n f j ) 方向上分别实施m 维的p a m 调制。 一 、螂尹 l。 ( a ) 2 矿， s i n ( z n y , , 9 c i ( b ) 图2 68 p s k ( a ) 乘1 1 6 q a b l ( b ) 的星座分布图1 2 3 2