（信号与信息处理专业论文）基于导频的正交频分复用信道估计研究.pdf

、 i 、 i 独创性( 或创新性) 声明 i i i ii i ii i iii iiii i ilu i 17 5 717 8 本人声明所呈交的论文是本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中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工：，约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。 申请学位 本人签名 处，本人承担一切相关责任。 日期：鲨! ! ：! ：! ! 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位 本人签名： 导师签名： 适用本授权书。 日期：丝f ! ：! ：! ! l i 1 参洳 、+ u p 矿，脊必 基于导频的正交频分复用信道估计研究 摘要 正交频分复用技术被认为是未来第四代移动通信的核心技术。它 是利用相互正交的多个子载波并行地传输数据，具有抗多径干扰能力 强，频谱利用率高，信息数据传输速率快的优点。信道估计是相干检 测的o f d m 系统的重要组成部分。本文主要研究了o f d m 系统的信 道估计方法，将其应用于整个链路中，通过对不同的信道估计算法和 不同的内插算法进行比较分析，其结论对其它通信系统的分析有一定 的借鉴意义。 本论文以基于导频的信道估计展开研究。介绍了移动通信的发 展，o f d m 系统的原理及无线信道，并对实现o f d m 系统的几个关 键技术进行阐述，提出了论文的仿真系统和参数；主体部分介绍了信 道估计的算法，讨论了导频图案的选择和插入方式，并对最小平方 ( l s ) 算法，最小均方误差( m m s e ) ，奇异值分解( s v d ) 算法进 行阐述；详细分析了梳状导频o f d m 系统的最小平方l s 信道估计方 法中的插值算法，并对常值插值、线性插值、高斯插值，s i n e 函数内 插，基于d f t 的内插五种常用频域插值算法的性能进行了仿真分析， 研究了基于离散余弦变化( d c t ) 的内插，并对d c t i d c t 和 i d c t d c t 插值算法仿真分析；研究了基于时域训练序列的信道估计 算法，仿真比较了基于时域训练序列的信道估计和频域l s 算法的信 道估计效果。最后提出了l s 算法的两种改进算法，改进的导频滤波 ( i m p r o v e dp i l o t sf i l t e r i n g ，i p f ) l s 信道估计算法和改进的数据滤波 ( i m p r o v e dd a t af i l t e r i n g ，i d f ) l s 信道估计算法，并从截至频率和f i r 滤波器阶数两方面分析对改进算法的影响。 关键词：正交频分复用信道估计导频内插算法改进算法 i i i ：、， ，谚i，叠。p 。l呻 _ - r e s e a r c ho fo f d mc h a n n e le s t i m a t i o n b a s e do np i l o t a bs t r a c t t h et e c h n o l o g yo fo 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 ) h a s b e e nr e g a r d e da st h ec o r et e c h n o l o g yo f4g e n e r a t i o n ( 4 g ) w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ss y s t e m 。o r t h o g o n a lm u l t i p l es u b c a r d e r si s u s e di np a r a l l e lt r a n s m i s s i o ns c h e m e ，w h i c hh a st h em e r i t ss u c ha sg o o d c a p a b i l i t yo fc o u n t e r i n gm u l t i p a t hi n t e r f e r e n c e ，h i g hu t i l i z a t i o no f f r e q u e n c ys p e c t r u m s i ti sa l s oa d a p t i v et oh ig h - r a t ed a t at r a n s m i s s i o n c h a n n e le s t i m a t i o ni sav e r yi m p o r t a n tp a r tf o ro f d m s y s t e m s i nt h i s t h e s i s w es t u d yc h a n n e le s t i m a t i o nm e t h o d sa n di n t e r p o l a t i o nm e t h o d si n o f d ms y s t e m s ，t h e na p p l yt h e mt ol i n k l e v e ls i m u l a t i o n t h r o u g ht h e s i m u l a t i o n sa n dc o m p a r i s o n so fd i f f e r e n tc h a n n e le s t i m a t i o na r i t h m e t i c a n dd i f f e r e n ti n t e r p o l a t i o nm e t h o d s ，t h ec o n l u s i o nc o u l db eu s e df o r r e f e r e n c ei no t h e rc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s t h ec h a n n e le s t i m a t i o nb a s e do nt h ep i l o ti st h em a i np a r tw h i c ht h e p a p e rr e s e a c h e s f i r s t l y ，i t i n t r o d u c e st h e d e v e l o p m e n to f m o b i l e c o m m u n i c a t i o n s ，t h ep r i n c i p l e so fo f d ma n dw i r e l e s sc h a n n e l ，d e s c r i b e s s e v e r a lk e yt e c h n o l o g i e so fo f d ms y s t e m ，a d v a n c e st h ep a r a m e t e r so f t h ew h o l eo f d ms y s t e ma n dw i r e l e s sc h a n n e l ；s e c o n d l y ，i ti n t r o d u c e s t h ea r i t h m e t i co fc h a n n e le s t i m a t i o n s ，d i s c u s s e st h ec h o i c e so fp i l o t p a t t e m sa n dp i l o ta r r a n g e m e n t s ，a n d d e s c r i b e dl e a s ts q u a r e ( l s ) a l g o r i t h m ，m i n i m u mm e a ns q u a r e de r r o r ( m m s e ) a l g o r i t h m ，s i n g u l a r v a l u ed e c o m p o s i t i o n ( s v d ) a l g o r i t h m a n a l y s e sd i f f e r e n ti n t e r p o l a t i o n m e t h o d si n c l u d i n gc o n s t a n ti n t e r p o l a t i o n ，l i n e a ri n t e r p o l a t i o n ，g a u s s i a n i n t e r p o l a t i o n ，s i n ei n t e r p o l a t i o n ，d f ti n t e r p o l a t i o n ，s i m u l a t e s a n d c o m p a r e st h ep e r f o r m a n c e s t u d i e st h ei n t e r p o l a t i o nm e t h o db a s e do n d i s c r e t ec o s i n e t r a n s f o r m ( d c t ) ，s i m u l a t e s a n d c o m p a r e s t h e q ；， p e r f o r m a n c eo fd c t i d c t a n d s t u d i e sc h a n n e le s t i m a t i o nb a s e d i d c t d c ti n t e r p o l a t i o nm e t h o d s o nt h et i m ed o m a i n ，s i m u l a t e sa n d c o m p a r e st h ec h a n n e le s t i m a t i o nb a s e d e s t i m a t i o nb a s e do nt h el sa l g o r i t h m ； o np ns e q u e n c ea n dc h a n n e l f i n a l l ya d v a n c e st w oi m p r o v e d m e t h o d s ，o n ei si m p r o v e dp i l o t sf i l t e r i n g ( i p f ) ，t h eo t h e ri si m p r o v e d d a t a f i l t e r i n g ( i d f ) c h a n n e l e s t i m a t i o na l g o r i t h m a n a l y s e s t h e i n f l u e n c e st oi m p r o v e dm e t h o d si nt w o t h eo t h e ri sf i rf i l t e rs t e pc o u n t s a s p e c t s ，o n ei sc u t o f ff r e q u e n c y ， k e yw o r d s ：o f d m c h a n n e le s t i m a t i o ni n t e r p o l a t i o n p i l o ti m p r o v e d m e t h o d s v o i k 够 吐l _ k k 目录 第一章绪论1 1 1 论文的研究背景1 1 1 1移动通信发展和现状l 1 1 2o f d m 系统的优缺点2 1 2 论文的主要工作一4 1 3 论文的结构安排5 第二章o f d m 系统原理及无线信道分析6 2 1 o f d m 系统的基本原理一6 2 1 1子载波调制7 2 1 2保护间隔9 2 1 3 虚子载波1o 2 2o f d m 关键技术l l 2 2 1调制解调技术1 2 2 2 2 均衡技术一l3 2 2 3 同步技术l3 2 2 4 降低峰均比技术1 4 2 3无线信道的传播特性1 5 2 3 1无线信道的大尺度衰落1 6 2 3 2无线信道的阴影衰落1 7 2 3 3无线信道小尺度衰落1 7 2 4 本章小结一2 0 第三章基于导频的o f d m 信道估计2l 3 1 信道估计算法概述2 1 3 2导频图案的选择和插入方式2 2 3 3基于导频的信道估计算法2 5 3 3 1最小平方( l s ) 估计算法2 5 3 3 2 最小均方误差( m m s e ) 估计算法2 6 3 3 3奇异值分解( s v d ) 算法2 7 3 4 恢复信道信息的插值算法2 8 3 4 1常值插值2 9 3 4 2 线性插值2 9 3 4 3高斯插值3 0 3 。4 4 s i n e 函数插值3 0 3 4 5基于d f t 的内插3 l 3 5基于离散余弦变换( d c t ) 的内插3 2 3 5 1 d c t 变换3 2 3 。5 2 基于d c t i d c t 的插值法3 2 3 5 3 基于i d c t d c t 的插值法3 4 3 6 基于时域训练序列的信道估计算法3 5 v l 3 7本章小结。3 6 第四章系统仿真和l s 算法的改进算法3 7 4 1o f d m 仿真系统3 7 4 2基于导频信道估计的性能仿真及结果分析4 0 4 - 3基于梳状导频信道估计的性能仿真及分析4 2 4 4基于d c t i d c t 和i d c t d c t 的插值法的仿真分析4 5 4 5 时域和频域算法仿真比较4 6 4 6l s 算法的改进算法的基本原理和仿真分析4 8 4 6 1l s 算法的改进算法的基本原理4 9 4 6 2仿真分析5 0 4 7本章小结5 2 第五章总结与展望5 4 5 1论文总结5 4 5 2今后工作展望5 4 参考文献5 6 附勇乏5 9 致谢6 0 攻读硕士研究生期间发表过的论文6 l v i i ， p 北京邮电大学硕士学位论文 第一章绪论弟一早三百v 匕 当今世界，通信已经做为不可替代的方式深入到人们的生活，世界各国都在 致力于现代通信技术的研究。如何才能做到不受时间的限制、地点的影响、能够 为任何人提供更加快捷可靠的通信服务早已成为未来移动通信系统的目标，世界 各国的科学家们，通信设备商们，芯片制造商们，运营商们都在为这个目标而奋 斗。今天的移动通信不仅很好的集合了现有的无线通信最新技术和有线通信的最 先进的科技成果，还集中了无数的网络技术成果和计算机技术成果【l 】。现在的移 动通信早已经从原来的模拟通信阶段发展到了数字通信阶段，并且以更快的速 度，更好的通信效果向个人通信【2 】阶段大踏步的发展。 1 1 论文的研究背景 1 1 1 移动通信发展和现状 马可尼是无线电的鼻祖，十九世纪末，他的试验成果使往来于英格兰海峡的 船只自如的无线通信开拓了运动中通信的先河。从此，全世界的人都在热切期盼 使用新的无线通信手段。贝尔实验室研究开发的模拟蜂窝移动通信系统高级 移动通信系统，主要用到了两项技术，一个是模拟调制技术，还有一个是频分 多址接入技术，这两项技术主要用于承载窄带电路交换的话音业务。第一代蜂窝 移动通信系统起到了跨时代的意义，但是它却有终端体积庞大、保密效果很差、 频带利用率低的缺点。 移动通信数字化的标志是数字信号处理技术和大规模集成电路技术的快速 发展，尤其是在空中接口的设计研发上采用了数字信号处理技术，这些技术包括 信源压缩技术，编码解码技术、数字加密解密技术、信道编码技术、数字调制解 调技术等等；除此以外，采用更加高效的时分多址( t d m a ) 和码分多址( c d m a ) 技术也是第二代移动通信的显著进步。虽然现在很多国家已经进入了3 g 时代， 但是直到现在，在移动通信领域世界范围内最成功的例子，g s m 通信系统是绝 对不能绕过的。 低速数据业务和支持话音设计的需求促进了第二代移动通信技术( 2 g ) 的 降生。上个世纪9 0 年代末之前，无线通信几乎只用于语音传输。随着数据传输 北京邮电大学硕士学位论文 需求的迸一步扩大，多媒体应用的无线通信市场的日益庞大，为了能够更好地适 应数据业务和多媒体业务的市场需求，第三代( 3 g ) 移动通信系统在本世纪初 得以大力的发展。现阶段，数字和射频电路制造技术方面的巨大进步，在新一轮 的大规模，超大规模集成电路的大潮下得以长足发展。数字交换技术在推动移动 通信网络发展方面起到了重大的作用。然而，因为第三代移动通信系统的核心网 并没有脱离第二代移动通信系统的核心网结构，很多专家认为3 g 系统仅仅可以 算作一个从窄带通信系统向未来无线宽带通信系统的过渡阶段。日前，很多的通 信设备制造商已经把眼光更多地投向超3 g ( b e y o n d3 g ) 的移动通信系统和l t e 的研究和设计。这个通信系统可以容纳更加庞大的用户客户群、更好地改善现有 通信质量，满足更高的数据传输的要求等一系列优点。第三代移动通信( 3 g ) 系统从技术层面看主要是以码分多址( c d m a ) 为核心。3 g 以及3 g 以后的通 信系统物理层中正交频分复用( 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 n m u l t i p l x i n g ) 的技术受到世界科学家，通信专家的广泛关注。运营商们希望通过 这种技术来解决未来高速信息流在无线移动信道中的传输问题，进而更好的满足 多媒体业务的大带宽的需求和更快的数据业务。 最近的一二十年，由于大规模超大规模集成电路技术和数字信号处理技术的 高速发展，正交频分复用技术以其高数据传输速率和抗多径衰落能力而倍受关 注，并逐渐成为未来高速无线通信的核心技术。正交频分复用起源于二十世纪六 十年代提出的并行数据传输和频分多路复用技术，这两项技术当时主要用在军事 高频通信系统中，但因其结构复杂限制了其进一步的推广，直到七十年代，人们 提出了采用离散傅氏变换( d f t ) 来实现多载波调制( m c ) ，简化了系统的结构， 才使得o f d m 技术开始走向实用化；八十年代，研究的重点放在了如何将o f d m 技术应用于高速的m o d e m ；上个世纪末，对正交频分复用技术的研究更多的转 到了宽带数据的传输。目前它已被广泛的应用到民用通信系统中，例如地面数字 电视广播d v b ( d i g i t a lv i d e ob r o a d c a s t i n g ) 、综合业务地面数字广播i s d b t ( t e r r e s t r i a li n t e g r a t e ds e r v i c e sd i g i t a lb r o a d c a s t i n g ) ，数字用户线d s l ( d i g i t a l s u b s c r i b e rl i n e ) ，a t s c ( a d v a n c e dt e l e v i s i o ns y s t e m sc o m m i t t e e ) 标准，高速 无线局域网标准，e t s i 的h i p e r l a n 2 以及i e e e8 0 2 1 1 等。 1 1 2o f d m 系统的优缺点 正交频分复用( 0 f d m ) 技术1 3 1 是3 g 以及后3 g 的核心技术。该技术有如 下优点： ( 一) 信号频谱利用率高 图1 1 示出了f d m 和o f d m 两种频分的复用方式。传统的频分复用多载波 2 矿 ： p 北京邮电人学硕十学位论文 调制技术是将频带分为若干个不相交的载频，在这些不相交的载频上，并行的传 输数据流，传统的频分复用多载波调制技术的优点是简单直接，但是传统的频分 复用多载波调制技术的频谱的利用率非常低，并且载波间干扰很大，为了避免干 扰，子信道间要留较多的频带，这样，传输的效率就大大降低了，并且这种方式 中，多个滤波器的实现也比较复杂；然而，正交频分复用( o f d m ) 系统中子载 波之间是正交性的，并且子信道频谱还可以相互重叠，和传统的频分复用多载波 调制技术相比，o f d m 技术能大大的提高了频谱资源的利用率。 传统频分复用多载波调制技术 频率 正交频分复用多载波调制技术 图1 1f d m 与o f d m 带宽利用率的比较 频率 ( 二) 系统抗干扰能力强 物理层正交频分复用技术对高速的数据信息通过串并变换，分解成为低速的 数据段，也就是说，每个子载波上的数据符号的持续时间变长了，进而更加有效 地降低了符号间干扰( i s i ) 。 ( 三) 系统抗码间干扰能力强 数字通信系统中除了噪声干扰之外最主要的干扰就是码间干扰了。信道频带 受限是造成码间干扰的重要因素，正交频分复用技术采用的循环前缀有很强的抗 码问干扰能力。 ( 四) 系统高速数据传输 正交频分复用技术可以使不同的信道有不同的调制方式。这些完全可以按照 子载波本身的信道情况和噪声情况来考虑调制方式。在信道条件好的时候，可以 采用效率高的调制方式。反之，则需要抗干扰能力强的调制方式。 ( 五) 可以利用i d f t d f t 来代替多载波调制和解调【5 】 当今，随着大规模集成电路技术和数字信号处理技术的长足发展，离散傅 立叶变化( f f t ) 和离散傅立叶逆变换( i f f t ) 都变得很容易实现。因此，各子 信道的正交调制和解调实现起来非常方便。 ( 六) o f d m 技术和其它接入方式联合运用1 6 1 北京邮电大学硕士学位论文 这些接入方式和频分复用技术的联合应用能大大的提高通信系统的系统效 率，接入方式包括多载波码分多址m c c d m a 技术、跳频o f d m 技术， o f d m t d m a 技术等等。 ( 七) o f d m 技术使上行和下行链路传输速率不同 无线数据业务的传输一般存在上行和下行链路传输速率不同，即非对称的特 性。下行链路中的数据传输速率远远大于上行链路中的数据传输速率，物理层的 o f d m 技术恰恰支持了非对称高速数据的传输。 正交频分复用系统存在的主要缺点如下： ( 一) 信号较高的峰值平均功率比( p a p r ) ，导致射频放大器的功率效率较低。 如果多个信号的相位一致，正交频分复用系统的叠加信号的瞬时功率在某一 时刻就会远远地高于信号的平均功率，从而导致信号的峰值平均功率比很大。这 样的话，发射机内放大器的线性度就需要满足系统的要求，从而加大了硬件设计 的难度和精度。 ( 二) 系统易受频率偏移的影响，对相位噪声比较敏感。 正交频分复用区分各个子信道的方法是利用各个子载波之间严格的正交性。 频偏和相位噪声会破坏各个子载波之间的正交性。无线信道的时变性导致了在传 输过程中必然会出现无线信号的频谱偏移，还有一种原因，就是由于发射机与接 收机本地震荡器频率偏差也会使o f d m 系统的子载波之间的正交性受到影响。 1 2 论文的主要工作 信道估计做为正交频分复用系统中的一个关键技术，它的准确度直接决定了 整个系统的传输准确性。本文针对无线移动正交频分复用系统中的信道估计技术 进行了深入研究，主要做了以下工作： 1 对无线信道的传播特性、o d f m 系统的基本原理和关键技术进行了研究， 并利用m a t l a b 编写了o f d m 系统仿真程序进行仿真。 2 仔细研究基于导频的信道估计算法，对最小平方( l s ) 算法，最小均方 误差( m m s e ) ，奇异值分解( s v d ) 进行仿真比较分析。 3 详细分析了梳状导频o f d m 系统的最小平方l s 信道估计方法中的插值 算法，对常值插值、线性插值、高斯插值，s i n c 函数内插，基于d f t 的内插五 种常用捅值算法的性能进行了仿真分析。之后研究了基于离散余弦变换( d c t ) 的内插，阐述了d c t i d c t 和i d c t d c t 两种内插算法的原理，仿真比较了两 种算法的性能。最后，分析了时域训练序列的信道估计算法，对时域算法和频域 算法进行了仿真比较。 4 提出了改进的梳状导频l s 信道估计算法，通过在基本的梳状导频l s 信 4 广 p 北京邮电大学硕十学位论文 道估计算法中增加低通滤波器的方式来降低噪声对l s 信道估计误差的影响。根 据滤波对象不同，可分为改进的导频滤波l s ( i p f l s ) 算法和改进的数据滤波 l s ( i d f l s ) 算法两种。m a t l a b 仿真研究截止频率和f i r 阶数对改进算法的影 响。 1 3 论文的结构安排 本论文共分为五章，结构安排如下： 第一章是绪论，主要介绍了移动通信的发展，o f d m 技术的发展历史和现 状，分析了o f d m 的优缺点，并指出课题研究的意义及主要内容。 第二章研究了o f d m 的基本原理及其关键技术，介绍了o f d m 系统的基本 原理，具体阐述了o f d m 的各种关键技术，重点介绍了调制解调技术，均衡和 系统信道估计技术，同步技术以及降低峰均比技术。详细阐述了无线信道的传播 特性。分别介绍了无线衰落信道的大尺度衰落，小尺度衰落和阴影衰落。 第三章主要研究了基于导频的o f d m 信道估计方法和内插算法。阐述了最 小平方( l s ) 估计算法，最小均方误差( m m s e ) 估计算法，奇异值分解( s v d ) 算法。之后，深入研究常值插值，线形插值，高斯插值，s i n e 函数插值，以及基 于d f t 的内插。然后，讨论分析了基于离散余弦变换( d c t ) 的内插，阐述了 d c t i d c t 和i d c t d c t 两种内插算法的原理。最后，阐述了时域训练序列的信 道估计算法。 第四章是本论文的重点，首先对最小平方( l s ) 算法，最小均方误差( m m s e ) 算法，奇异值分解( s v d ) 算法进行仿真比较分析；其次。对梳状导频o f d m 系统的最小平方l s 信道估计方法中的插值算法，对常值插值、线性插值、高斯 插值，s i n e 函数内插，基于d f t 的内插五种常用插值算法的性能进行了仿真分 析和比较。再次，对离散余弦变换( d c t ) 的内插算法d c t i d c t 和i d c t d c t 仿真，并比较了两种算法的性能。最后，分析了时域训练序列的信道估计算法， 对时域算法和频域算法进行了仿真比较。提出了改进的梳状导频l s 信道估计算 法，通过在基本的梳状导频l s 信道估计算法中增加低通滤波器的方式来降低噪 声对l s 信道估计误差的影响。 第五章是总结和展望，这章主要总结了以上各章所做的事情，对未来还可以 继续研究得工作做了进一步的展望。 北京邮电人学硕二l j 学位论文 第二章o f d m 系统原理及无线信道分析 2 1o f d m 系统的基本原理 团悃 圃一悃岖圜怔习。 母目圆+ 一圆 图2 - 1o f d m 系统收发机的典型框图 正交频分复用系统的接收发射系统的典型【_ 7 】框图如图2 - 1 所示。上图中，发 射端将数据编码后，交织运算后进行数字调制，串并变换后，插入导频，进行i f f t 变换，进行并串变换，插入循环前缀，数模转换后发送出去；在接收端，首先通 过对信号的采样处理判断o f d m 块的起始位置，以及o f d m 块的合理的解调窗 口。之后，对o f d m 数据进行模数转换，定时，去掉循环前缀，对剩下的数据 进行f f t 变换，并串转换后，进行数字调制，去交织后瞵j ，解码后得到我们想要 的信息数据。 6 北京邮电大学硕： 二学位论文 2 1 1 子载波调制 图2 2o f d m 系统调制和解调原理图 图2 2 给出了o f d m 系统的调制和解调原理图，初始数据物理层进行调制 后，串并变换，在各个子信道调制后得叠加信号发送出去。接受的信号分别经过 解调，并串变换后，将最后的信号输出。 这里，令t 表示o f d m 周期，n 表示子信道个数，z 是第i 个子载波的载 波频率，4 ( i = 0 ，1 ，n - 1 ) 表示分配给每个子信道的数据符号，从t = t 开始的 o f d m 信号可以表示为： lr e 匹d i r e c t ( t - t , 一) e x pc j 2 z v f , ( t 一乞) 】，乞f 乞+ r s ( t ) = 枷 二 l0 ，t 乞或七乞+ r 式( 2 1 ) o f d m 的基带模型经常应用，上式中，设f 。= 0 ，变为： ，- 11 ， l r e 匹d r e c t ( t - - 4 ) e x p ( j 2 z f , t ) ，0 f t s ( t ) = 枷 l 0 ， f o 或t r 式( 2 2 ) 其中s ( t ) 的实部对应于o f d m 符号的同相分量和虚部对应于o f d m 符号的 正交分量，实际系统中，实部对应相应子载波的余弦分量，虚部对应相应子载波 的正弦分量。 7 北京邮电大学硕：仁学位论文 图2 - 3 包含4 个子载波的o f d m 符号 图2 3 是一个包括四个子载波的o f d m 符号的实例。图中能够很直观的看 出，各个子载波之间满足很好的正交。 图2 4o f d m 系统中子载波的频谱 从图2 4 给出了正交性的频域解释，图中很直观地看出，只有在图中这科；条 件下，才不会出现码间干扰。 i 北京邮电大学硕十学位论文 2 1 2 保护间隔 图2 5 加入循环前缀的发送和接收图 x o = a o + 内 墨= a l + a 五= a a + 他 x x t = 白h + 加入循环前缀的发送和接收框图如图2 5 所示，发送端，i d f t 后的数据， 加入循环前缀做为保护间隔，整体通过并行串行变换得到穿行数据。接收端，串 并变换后的数据去掉发送端的循环前缀后的数据，经过d f t 变换得到原始数据。 相邻o f d m 符号之间插入保护间隔( g u a r di n t e r v a l ，g i ) 的目的是为了最大限度 地消除符号间干扰，插入保护间隔的原则是保护间隔的长度需要大于无线信道的 最大时延扩展。 插入循环前缀的方法是将每个o f d m 符号的保护时间间隔内数据值完全复 制到该正交频分复用符号的前面，完整地连接在一起。插入循环前缀的示意图如 图2 6 所示。 幅度 循环前鳜 - l i e n 一 符号长度 - 干寸亏长厦 保护间隔 图2 - 6o f d m 符号的循环扩展 9 北京邮电大学硕士学位论文 循环前缀做为保护间隔也使该系统对同步的要求不像没加循环前缀做为保 护间隔那样严格。 2 1 3虚子载波 在发送数据的时候，为了能够降低相邻邻道间的干扰，仅让一部分子载波传 输数据，而其余的子载波发射功率很小或者为零，那么这些很小或者为零的载波 被称为虚子载波。 经过i f f t 调制的o f d m 信号是数字信号，因此其频谱是以系统采样率n t 为周期循环的。为了在带宽有限的信道中传送o f d m 信号，必须对其进行滤波。 周期性的o f d m 信号频谱图如图2 7 所示，它由n 个子载波频谱组成，子载波 间隔为1 t 。因此由于发送出去的信号一般会经过一个带限滤波器把信号限定在 一定频带内，最常使用的是升余弦滤波器。在升余弦滤波器的过渡带内，信号有 较大的衰落，显然在这个频带内的子载波是不适合传输数据的，如图2 8 所示。 在靠近第0 个子载波和第n 1 个子载波的信号会出现频谱混叠，o f d m 的子载 波两端都要留出p ，个子载波作为保护带，这些子载波上的数据置为零，如图2 - 9 所示。 上一个周期的频谱n 个子载波的频谱 下一个周期的频谱 图2 7 没有虚载波的数字o f d m 频谱 图2 - 8数字o f d m 频谱通过升余弦滤波器 1 0 北京邮电大学硕士学位论文 ：n 个子载波的频谱 ， l 辨 n - 1n1 付1n 一巳 图2 - g 带有2 p v 个虚载波的o f d m 频谱 2 2o f d m 关键技术 o o o - - - ii i - n12 下一代移动通信系纠加】的载波频率会更高，移动终端的速度会更快，信道 的容量会更大，时变特性也会更明显，这样，就对o f d m 技术提出更高的要求。 这里总结o f d m 系统的关键技术如下： t 一) 信道的编码与交织 信道编码是克服衰落信道中随机误码的有效方法；交织是降低信道中的突发 错误的有效方法。正交频分复用系统中，通常将信道编码与交织结合起来使用， 形成编码型正交频分复用( c o d e do f d m ) 。研究如何设计出高效的信道编码( 如 t u r b o 码，d l p c 码) 和交织方法是正交频分复用系统的重点。 ( - - ) 信道估计 信道估计技术【l l 】是正交频分复用系统中关键技术之一。未来移动通信用户 移动速度更快并且信道的快变特性更加明显，这样就对信道估计算法提出了更高 的要求；相干解调具有较好的误码性能，在高速无线通信中得到广泛应用，相干 解调需要使用的信道信息通常由接收端的信道估计得到；多天线及智能天线通信 系统的广泛应用，多输入多输出正交频分复用通信系统( m i m o o f d m ) 的信道 估计也是重要的研究课题。 ( 三) 同步技术 正交频分复用系统有一个明显的缺点，这就是对定时和频率偏差的敏感，在 载波频率变高和通信速率加快的条件时，对同步技术的要求变的更高。开发复杂 度低和性能优越的同步算法是重要的研究课题。 ( 四) 载波问干扰消除技术 载波间干扰( i c i ) 一般是由载波同步偏差或者信道的快速变化产生的。未来移 动通信的载波频率更高，对载波同步与跟踪提出更高的要求，未来通信速率更高， 终端的移动速度更快，使信道的快变特性变得更加明显，信道参数在一个正交频 分复用符号周期将有明显变化，产生载波间干扰。研究载波间干扰消除技术也是 未来载波问干扰技术的需要解决的问题。 北京邮电大学硕十学位论文 ( 五) 降低峰值平均功率比技术 己调信号在同相相加的条件下会产生很大的峰值功率，射频功率放大器线性 范围有时很难满足要求，从而导致信号失真和载波间的干扰，严重影响正交频分 复用系统的性能。如何更有效降低p a p r 是未来载波间干扰系统需要解决的问 题。 ( 六) 预失真技术 实际应用中的峰值平均功率比仍然难以满足通信系统的要求时，采用预失真 技术来补偿射频功率放大器的非线性失真的方法是正交频分复用系统设计中有 效方法，预失真技术的研究也是当前正交频分复用技术的研究重点之一。 ( 七) 多天线技术 多天线无线通信【l l 】能明显提高通信系统容量和改善通信质量，并能有效提 高信道的频谱利用率。基于空时或空频编码的多天线o f d m 系统是当前无线通 信研究的热点。 2 2 1调制解调技术 正父频分复用基帝信号司以米用禹敖傅豆叶焚抉( i d f t ) 采买现。简化处 理后： m ，：j r e 静r e c 心- - 吾) e x p ( j 2 r c f d ) ) ，丁加射 【0 ，t o 或t 丁 其中式( 2 3 ) 令乓2 0 ，对s ( t ) 的采样频率为，那么 t = k t n ( k = 0 ，1 ，一1 ) ，贝0 ： 驴舻殉= 篓恻等妣州 加舢 式( 2 4 ) 很直观的看出，& 的表达式和对z 做i d f t 运算的表达式类似。因 此，& 可以看作d i 的离散傅立叶变换的反变化。同样的道理：4 可以看作& 的离 散傅立叶变换，如下式所示： d ，：y n - i s 。e x p ( 一，2 冬i _ a k ) ，l s f 一14 2 荟& e x p ( 一v ) ，l s f 一1 式( 2 5 ) 七= oj罕r f7 一气、 由上述分析可以得到，o f d m 系统的凋制和解调可以分别由离散傅立叶变 换反变换i d f t 和离散傅立叶变换d f t 来实现。 1 2 r i 0 北京邮电大学硕士学位论文 2 2 2均衡技术 交频分复用系统的子信道足够多，且没有多径衰落，每个子信道是频率非选择性 的。在解调时，如果系统没有分块间干扰，t g 没有子信道间干扰，那么，接收到 的信号经过i f f t 后，对第k 个数据乘以相应的c t2 焰。 ，就可完成均衡算法。 这里，以是第k 个子载波频率处的信道频率响应。 上述思路的优势是消除了信道之间的干扰，然而，缺点是噪声的干扰没有考 虑在内。假如上式中很小，用上述方法进行均衡运算时，噪声也被乘上了 c k 蹈。的系数，这样，噪声的影像就被大大的放大了。 为了消除信道之间的干扰和噪声的干扰，我们还可以采用最小均方误差 ( m m s n ) 燃，和上述方法不同的是，、变为： 印赢 协6 ) 其中a 一为噪声的方差，o ，为信号的方差。 2 2 3 同步技术 同步技术【1 3 1 是信息可靠传输的前提。同步技术性能的优劣直接关系到整个 系统的性能。 囤悃i 夏丑一怔丑恒丑匹三口 母一母圆一固回曰一日圆圆一一 图2 1 0o f d m 接收系统的同步框图 o f d m 接收系统的同步框图如图2 1 0 所示，该系统包括符号定时同步，样 1 3 北京邮电大学硕士学位论文 值定时同步，样值频率同步和载波同步。正交频分复用o f d m 的调制解调方式 就是对数据的f f t 和i f f t ，f f t 变换和i f f t 变换对同步偏移非常敏感。 下面介绍同步的分类。定时同步可以分为帧同步和符号同步，帧同步也叫做 分组同步，它是用于表征数据帧的开始位置的，符号同步的作用是能够在接收端 准确定位o f d m 符号的起始位置的。正交频分复用( o f d m ) 中的符号定时同 步分为粗估计阶段和细估计阶段，其中，粗估计阶段用于粗略估计o f d m 符号 的开始位置，细估计阶段用于精确找出o f d m 符号的起始位置。通信系统中， 只有帧同步和符号同步协同工作，才能更好地完成定时同步。载波同步的目的是 保证接收端的载波和发送端的载波同频同相。频率偏移检测可以分为整数倍子载 波频率间隔检测和分数倍子载波频率间隔检测两种。按照精度分类，分为粗同步 和细同步两类。图中，采样时钟同步用于调整接收端模数变换采样的频率和相位， 使其能够更接近发送端数模变换的时钟。在发送端和接收端不同步时，接收信号 的各个子信道之间的正交性被大大降低，同时，接收信号的各个子信道之间还 会产生相位旋转。 2 2 4 降低峰均比技术 正交频分复用( o f d m ) 系统中接受信号如果正好同相相加，那么将会产生 非常大的峰值功率【1 4 】。峰均t l ( p a p r ) 定义如下： p