（通信与信息系统专业论文）正交频分复用系统仿真平台与同步技术研究.pdf

山东大学硕士学位论文 中文摘要 随着移动通信的迅猛发展，人们对移动通信的要求也逐渐从一代、二代的简 单的语音通信业务( 二代可以提供低速率的数据业务) ，逐渐向图像、高速率数 据等多媒体业务过渡。在三代中已经可以提供静止2 m b p s 数据的能力，而在三代 以后移动通信系统预计系统速率可达到2 0 m b p s ，甚至更高，对于传统的单载波 技术来说，如此高的速率使符号长度大大缩短，在无线信道中就会造成严重的 i s i 问题，要均衡信道的影响，就要使用复杂的均衡器。而基于多载波技术的 o f d m 技术凭借着其天生的克服i s i 的性能和良好的抗多径能力，已经引起了人 们的广泛关注。然而o f d m 技术也存在着一些缺点，如容易受频率偏移影响而 造成的i c i 问题、符号同步问题、较大的峰值平均功率比( p a p r ) 等，这些问 题制约着其在移动无线信道中的应用，现在人们对o f d m 所进行的研究也主要 集中在这些领域。 本文首先介绍了o f d m 技术背景、移动信道的信道模型和移动通信的发展 现状，然后着重对o f d m 技术的基本理论知识、基本系统模型和保护间隔循环 前缀等相关的理论进行分析，并介绍了o f d m 技术的发展现状和技术优缺点。 在用m a t l a b 搭建的系统仿真平台上对o f d m 系统的抗多径能力，抗高斯白噪 声能力，抗同步错误的能力，以及由较高的p a p r 而导致的信号畸变所引起的误 码率的情况，进行了仿真，比较了几种子载波的调制方式( 主要比较了p s k ，q p s k ， 以及1 6 p s k ) 在各种信道环境下的性能表现，并根据仿真结果估计了d s p 实现 的计算复杂度。同步问题是o f d m 技术中的一个比较关键的问题，本文分别对 o f d m 系统当中的定时同步和频率同步问题进行了分析，然后结合当前的一些 同步技术进行了研究，包括利用循环前缀相关性的最大似然估计算法和基于训练 帧的s c a 算法等，给出了仿真结果并进行了比较。最后，本文给出了一种基于 捕获、跟踪的同步方案进行系统的定时同步，仿真结果表明这一方案具有较好的 同步性能。 由于时间和其他客观条件的限制，本文搭建的仿真平台还不是很完善，还有 一些同步算法，信道估计算法的仿真还没有实现，组建c o f d m 系统的纠错码部 分还有待在后续工作中完成。另外同步问题中的定时同步和频率同步是相互影响 i 山东大学硕士学位论文 的后续工作中最好能同时考察频偏同步算法和定时同步算法来研究各种同步算 法得性能。 关键字：无线通信、多载波调制、正交频分复用、信道间干扰、峰值平均功 率比、仿真技术，同步算法 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h eg r e a ti n c r e m e n to fm o b i l ec o m m u n i c a t i o n ，p e o p l e sd e s i r ef o rm o b i l e c o m m u n i c a t i o n sh a s c h a n g e d f r o m s i m p l e v o i c ec o m m u n i c a t i o n ss e r v i c ew h i c h b e l o n g st o t h ef i r s ta n ds e c o n dg 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 ns y s t e m s ( i nt h e s e c o n dg e n e r a t i o n ，l o ws p e e dd a t ar a t es e r v i c ea r ea v a i l a b l e ) ，t oi m a g e ，h i 曲s p e e d d a t ac o m m u n i c a t i o n s ，i nt h et h i r dg e n e r a t i o n ，2 m b p sd a t ar a t es e r v i c ec a nb e p r o v i d e d a sf a ra st h em o b i l ec o m m u n i c a t i o n s y s t e m sb e y o n dt h e t h i r d g e n e r a t i o n a r e c o n c e m e d ，t h es p e e dc a nb e2 0 m b p s ，o re v e nh i g h e r t ot h et r a d i t i o n a ls i n g l ec a r r i e r t e c h n i q u e ，s u c hah i g hs p e e dm a k e ss y m b o ll e n g t hg r e a t l ys h o r t e n e d a sar e s u h ， s e r i o u si s ip r o b l e mt u r n so u t ，a n di no r d e rt oc o m p e n s a t et h ei n f l u e n c eo fc h a n n e l s ， c o m p l i c a t e de q u a l i z e r sa r er e q u i r e d o f d mt e c h n i q u e ，w h i c hi sb a s e do n m u l t i c a r r i e r t e c h n i q u e ，h a sa t t r a c t e dp e o p l e sa t t e n t i o ni nt h i sf i e l df o ri t sb e t t e rp e r f o r m a n c eo f c o n q u e r i n gi s ia n dm u l t i p a t hf a d i n g h o w e v e rt h e r ea r ea l s os o m es h o r t c o m i n g so f o f d m t e c h n i q u es u c ha ss e v e r ei c ic a u s e db yf r e q u e n c yo f f s e t ，s y n c h r o n i z a t i o no f t h es y m b o l s ，a n dt h ep r o b l e mo f h i g hp a p r ，w h i c h r e s t r i c tt h ea p p l i c a t i o n so fo f d m t e c h n i q u e i nm o b i l ew i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n r e c e n t l y t h ef o c u s e so fp e o p l e s r e s e a r c ha r ea l s oi nt h e s ef i e l d s i nt h i st h e s i sw ef i r s t i n t r o d u c et h em o b i l ec h a n n e lm o d e l ，t h et e c h n i c a l b a c k g r o u n do fo f d m a n da l s ot h ed e v e l o p m e n to fm o b i l ec o m m u n i c a t i o n i nt h e f o l l o w i n g ，w ef o c u s o nt h et h e o r yo fo f d mt e c h n o l o g ya n da n a l y z et h es y s t e m m o d e la n dt h et h e o r yo fg u a r dp e r i o d w ea l s os u m m a r i z et h ec u r r e n ts i t u a t i o no f o f d ma n di t sa d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s w es i m u l a t et h ea b i l i t yo fo f d m t o r e s i s tt h em u l t i p a t hf a d i n g ，a w g nn o i s e ，t h ee r r o ro fs y n c h r o n i z a t i o na n da l s oi t s a b i l i t yt or e d u c et h ec o d e e r r o rr a t et h a ti sc a u s e db ys i g n a lc l i p p i n gi nt h ec o n d i t i o n o fh i g hp a p r b a s e do nt h ea b o v ew o r k ，w ec o m p a r e t h ed i f f e r e n tp e r f o r m a n c e so f s o m es u b c a r r i e rm o d u l a t i o ns c h e m e s ，s u c h 硒p s k ，q p s k m a d16 p s k a c c o r d i n gt o o u rc o m p u t e rs i m u l a t i o n ，w ee v a l u a t et h ec o m p l e x i t yo fr e a l i z i n go f d mt e c h n i q u e w i t hd s es y n c h r o n i z a t i o ni sa l s oo n eo f t h ek e y p r o b l e m si no f d m ，s o w ea n a l y z e 3 山东人学硕士学位论文 t h ep r o b l e mo ft h n i n g s y n c h r o n i z a t i o na n df r e q u e n c ys y n c h r o n i z a t i o n c o m b i n i n g t h e s ew i t hc u r r e n ts y n c h r o n i z a t i o nt e c h n i q u e ，s u c ha sm l a l g o r i t h mu s i n gt h ec y c l i c p r e f i xa n ds c aa l g o r i t h mb a s e do nt r a i n i n gf l a m e ，w eg i v et h er e s u l t so fc o m p u t e r s i m u l a t i o na n ds h o wt h ed i f f e r e n c eo ft h e m i nt h ee n d ，w ep r o p o s ea s y n c h r o n i z a t i o n s c h e m e ，w h i c hi sb a s e do nc a p t u r i n ga n dt r a c k i n ga l g o r i t h m ，t o g e t t h e s y s t e m s y n c h r o n i z a t i o n f r o mt h es i m u l a t i o n ，w ec a n s e ei th a sag o o dp e r f o r m a n c ei n s y n c h r o n i z a t i o n b e c a u s eo ft h el i m i t a t i o no ft h et i m ea n ds o m ei m p e r s o n a lc o n d i t i o n s ，t h e r ea r e s o m e s h o r t c o m i n g s i no u rs i m u l a t i o n p l a t f o r m t h e s i m u l a t i o n so fs o m e s y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h m sa n dc h a m r e le s t i m a t i o na l g o r i t h mh a v e n tb e e nr e a l i z e d i nt h ef u t u r ew o r kw es h o u l da l s oc o m p l e t et h ef o r w a r de r r o rc o r r e c t i o nc o d i n gp a r ti n t h ec o f d ms y s t e m i na d d i t i o n ，t h e t i m i n gs y n c h r o n i z a t i o n m a dt h e f r e q u e n c y s y n c h r o n i z a t i o n a r ei n h e r e n ts oi nt h e f o l l o w i n gw o r kw es h o u l d c o n s i d e rt h e m t o g e t h e ra n d s i m u l a t et h ep e r f o r m a n c eo f t h e m k e y w o r d ： w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n 、m u l t i c a r r i e rm o d u l a t i o n 、o l d m 、i n t e r c a r r i e r i n t e r f e r e n c e 、p e a k t o a v e r a g ep o w e rr a t i o 、s i m u l a t i o nt e c h n i q u e 、s y n c h r o n i z a t i o n a l g o r i t h m 4 山东大学硕士学虚论文 符号说明 2 g 第2 代移动通信系统( g s m ，i s 9 5 ) 3 g 第3 代移动通信系统( s y s t e m su s i n gw c d m a ) 4 g 第4 代移动通信系统( 关键技术o f d m ) o f d m 正交频分复用( 0 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 d s l a s y m m e t r i cd i g i t a ls u b s c r i b e rl i n e p s k 相位调制 q a m 正交幅度调制 b p s k 二进制相位调制 a w g n 加性高斯白噪声 b e r 误比特率 b p s 每秒比特数 u s 微秒 c d m a 码分多址接入技术 d a b 数字音频广播 d b 分贝( r a t i o i nl o gs c a l e ) d f t 离散傅立叶变换 d m t 离散多音调制 d s p 数字信号处理 d v b 数字视频广播 f d m 频分复用 f e c 前向纠错码 f f t 快速傅立叶变换 i f f t 逆快速傅立叶变换 f i r 有限冲击响应滤波器 h d t v 高清晰度电视 i c i 信道间干扰( i n t e r c a r r i e ri n t e r f e r e n c e ) i e e e s 0 2 1 l a 建立在o f d m 技术基础上的无线局域网标准，最大传输速率是 5 4 m i s i 符号间干扰( i n t e r s y m b o li n t e r f e r e n c e ) i s 9 5 应用窄带c d m a 技术的移动通信标准 p a p r 峰均功率比( p e a k t oa v e r a g ep o w e rr a t i o ) q o s 服务质量 r f 无线频率 r m s 均方根 s n r 信号嗓声比 t d m 时分复用 w l a n 无线局域网 e t s i欧洲电信标准化协会 t0 f d m 符号长度 山尔人学硕_ f = 寻迁沦文 7 1 。保护间隔长度( 时问) 以保护间隔长度( 抽样点数) 肌有效子信道个数 # 定时同步错误 s 频率偏移量 6 山东大学硕士学位论文 1 1 意义和背景 第一章引言 在现代通信系统中，如何高速地和可靠地传输信息是一个极为重要的内容。 目前，数据传输的理论和实践已经取得了相当大的进展，但是随着无线通信业务 的增长( 目前的移动通信业务从开始的比较单一的语音通信逐渐向图像、数据等 多媒体业务扩展) ，可利用的无线频带资源日趋紧张，而且随着数据速率的不断 提高，使传统的单载波技术遇到了巨大的困难，因此如何提高信道频谱的利用率 和提高系统的稳定性是人们一直关心的一个问题。 移动通信是现代通信系统中不可缺少的组成部分。它是指通信双方至少有一 方在运动状念中进行信息传输。例如，移动台( 车辆、船舶、飞机或者行人) 与 固定点之间或者移动台之间的通信都属于移动通信的范畴。另外，还有种可 移动的概念，即通信用户的位置是可变的，但在通信过程中用户可能并不处于运 行状态。这类通信也可称为移动通信。但与严格意义的移动通信相比，两者的无 线信道特性有着较大的差别。 现代移动通信是一门复杂的高新技术，它不但集中了无线通信和有线通信的 最新技术成就，而且集中了网络技术和计算机技术的许多成果。目前，移动通信 已从模拟移动通信发展到了数字移动通信阶段，并且正朝着个人通信这一更高级 阶段发展。未来个人通信的目标是能在任何时间、任何地点、向任何人提供快 速可靠的通信服务。 移动通信可以说从无线电通信发明之日就产生了。1 8 9 7 年，m q 马可尼所 完成的无线通信实验就是在固定站与一艘拖船之间进行的，当时的距离为1 8 海 里。现代移动通信技术的发展始于2 0 世纪2 0 年代，但是一直到，2 0 世纪7 0 年代 中期，才迎来了移动通信的蓬勃发展时期。 1 9 7 8 年底，美国贝尔实验室研制成功先进移动电话系统( a m p s ) ，并建成 了蜂窝状模拟移动通信网，大大提高了系统容量。与此同时，其它发达国家也相 继开发出蜂窝式公用移动通信网。在这一阶段蜂窝移动通信网成为实用系统，并 在世界各地迅速发展。移动通信得到迅猛发展的原因，除了用户要求迅速增加这 山东大学硕十学位论文 一主要推动力之外，还有几方面技术进展所提供的条件。首先，微电子技术在这 一时期得到迅速发展，使得通信设备能够实现小型化、微型化，其次，提出并且 形成了移动通信新体制，即贝尔实验室在7 0 年代提出的蜂窝网的概念。蜂窝网， 即所谓的小区制，由于实现了频率再用，大大提高了系统容量。第三方面进展是 随着大规模集成电路的发展而出现的微处理器技术日趋成熟以及计算机技术的 迅猛发展，从而为大型通信网的管理与控制提供了技术手段。这一阶段所诞生的 移动通信系统一般被称为第一代移动通信系统( 1 g ) 。 从2 0 世纪8 0 年代中期开始，数字移动通信系统进入发展和成熟时期。蜂窝 模拟网的容量己不能满足日益增长的移动用户的需求。8 0 年代中期，欧洲首先 推出了全球移动通信系统( g s m ) 。随后美国和日本也相继指定了各自的数字移 动通信体制。2 0 世纪9 0 年代初，美国q u a l c o r n m 公司推出了窄带码分多址 ( c d m a ) 蜂窝移动通信系统，这是移动通信系统中具有重要意义的事件。从此， 码分多址这种新的无线接入技术在移动通信领域占有了越来越重要的地位。这些 目前f 在广泛使用的数字移动通信系统是第二代移动通信系统( 2 g ) 。 第一代、第二代移动通信系统主要是为支持话音和低速率的数据业务而设计 的。但随着人们对通信业务范围和业务速率要求的不断提高，已有的第二代移动 通信网将很难满足新的业务需求。为了适应新的市场需求，第三代( 3 g ) 移动 通信系统标准应运而生。提出的标准主要有c d m a 2 0 0 0 ( 美国为主) ，w c d m a ( 日 本和欧洲1 ，t s c d m a ( 国) ，但是由于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，所以普遍认为第三代系统仅仅是个从窄代向未来 移动通信系统过渡的阶段。 目前，人们已经把目光越来越多地投向三代以后( b e y o n d3 g ) 的移动通信 系统中，使其可以容纳市场上庞大的用户数、改善现有通信系统品质不良的现象， 以及达到高速数据传输的要求。若以技术层面来看，第三代移动通信系统主要是 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 r t h o g o n a l f r e q u e n t v d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ：o f d m ) 最受瞩目，有不少专家学者针对o f d m 技术在移动通信技术上的应用，提出了相关的理论基础a 从移动通信系统提供的传输速率来看，第一代模拟系统提供模拟语音服务和 简单的信令：以g s m 和n c d m a 两个系统为代表的第二代数字移动通信系统 单用户传输速率为9 6 k b p s ，主要传输数字语音，当然可以同时使用多个时隙实 8 山尔大学硕十学位论文 现相对较高速率的数据通信：而第三代移动通信系统数据传输速率最高可达 2 m b p s ，其中，静止环境为2 m b p s ，慢速移动环境为3 8 4 k b p s ，快速移动爿：境为 1 4 4 k b p s ，卫星移动通信为9 6 k b p s ：下一代( 4 g ) 移动通信系统预计系统速率可 达到2 0 m b p s ，甚至更高，国际电信联盟f 在着手有关标准的组织工作。为了实 现这一目标，必须从通信网络的交换，传输和接入等各个环节进行研究和突破， 尤其是在移动环境和有限频谱资源条件下，如何稳定可靠高效地支持高速率的数 据传输成为研究热点。讵交频分复用( o f d m ) 技术因其网络结构高度可扩展且 具有良好的抗噪声性能和抗多径信道干扰的能力以及频谱利用率高而被普遍认 为是下一代移动通信系统必不可少的技术。 从载波数目来看，第一代，第二代，第三代移动通信系统都采用的是单载波 的传输方式，但是随着传输速率的提高，单载波系统遇到了一些难以克服的困难， 最典型的就是符号问的干扰( i s i ) 难以消除，这是由于随着传输速率的大大提 高，单载波系统的符号周期会变得很小所致，要克服i s i ，就必须采用多抽头均 衡器，这无疑大大增加了系统的复杂性。在三代标准中，静止传输速率是2 mb p s ( 采用h s d p a 不对称调制解调技术可以使下行速率提高到i o mb p s ) ，但是如此 高的速率的基础上要想继续提高单载波移动通信系统的传输速率已经变的非常 困难，并会使设备变的昂贵。因此人们考虑在下一代通信系统中采用多载波技术， o f d m 技术倍受青睐就是顺理成章的事了。 1 2 移动信道模型 信道特性是移动通信区别于固定通信的主要标志之一，因此，为了研究和分析 移动通信的各个方面需要对移动通信的信道特性有一个全面的了解。 由于收发信机的移动加上天线高度及地形起伏等因素的影响，使移动通信的 电波传播比较复杂，概括起来，主要有以下几个方面： 1 2 1 信号的快衰落 移动通信从发射机到接收机之间除了直射路径之外，还存在着由各种物体( 包 括地面、高山、建筑物) 形成的反射路径。由于发射机与接收机之间的相对运动一 因而还存在滑过电波节与波腹的驻波现象及多普勒效应，使得接收机实际接收到 9 ，。，。坠垒垒耋錾呈兰兰塑垒圣，。，。，。，。，。，。 的信号在振幅和相位上呈现快速变化特性，我们称之为陕衰落”现象。假设发 射台发出一个单频正弦信号： s o ( f ) = 4c o s ( c o o t ) 则接收机收到的信号为： r ( f ) = 4 c o s ( 。，+ ) + 4 ( r ) c o s ( f 十仍( f ) ) 1 1 1 ) a 表示直射波分量的信号幅度，为相移：a , i t ) 表示第i 个反射波路径的信 号幅度，其相移为纪( ，) n 为反射波的个数。 一般情况下a 。( t ) 和c p , ( r ) 的变化速率远小于载波信号频率，因此上式为窄带高 斯过程，可以表示为： r i o = x 。i t ) c o s ( c o o r ) 一x 。( t ) s i n ( c o o t ) = r ( t ) c o s ( o k oi t ) + ( 4 0 ) 式中j r ( f ) 为合成信号，( ，) 的包络，妒( ，) 为其相移，而且 r ( ，) = ( x 。( f ) 2 + x 。，i t ) 2 ) 1 + 2 ( r ) = t g i x 。，( t ) x 。( ，) ) 1 12 ) 当n 充分大时，合成包络r ( f ) 为广义瑞利分布，其概率密度函数为： 则，= 考唧卜等c 筹， 3 ， 式中盯。2 为正态分布过程x 。i t ) 、x i t ) 的方差，i o ( x ) 为第一类零阶修正b e s s a l 函数。 定义两个变量p 、k ： p ：衰落幅度p = ( r 2 ( 4 2 + 2 盯：) ) “2 女：衰落系数k = a 2 2 0 j ( 1 4 ) 由( 1 4 ) 式可以推出： r 2 = 2 ( 1 + k ) p 2 盯： 山东大学硕士学 奇_ 论文 a 2 = 2 女盯； 所以 p ( p ) = j d r 咖k ) = 2 p o + k ) e x p 一k p2 ( 1 + k ) p 。( 2 p ( 1 + ) ) ( 1 5 ) ( 1 5 ) 式为r i c i a n 衰落模型，参数k 反映了信道的衰落程度。k = o o 时，表示无反射 路径，干扰主要是环境和接收机噪声，信道噪声呈加性高斯白噪声( a w o n ) ，称之为 a w g n 信道；当k = 0 时，表示无直射波分量，信道称为r a y l e i g h 衰落信道，其信号 包络和衰落幅度的概率分布为： 则，焉唧卜簧2 c y ，盯二寻 p ( p ) = 2 p e x p 一p 2 移动信道根据周围地形等因素的不同分为r a y l e i g h 和r i c i a n 两种情况。 l _ 2 2 信号的慢衰落 在信号发生快衰落的同时，其平均强度还随时间、移动速度的不同作比较缓 慢的变化这种现象称为“陧衰落”。这种衰落一般遵循对数正态分布，其概率密 度为 州= 丽1 p 一拶嚣( 16 ) 式中i 。为整个测试区的平均值，即的期望值。弓。取决于发射机功率，发射 和接收天线高度以及移动台与基站的距离。盯为标准偏差，取决于测试区的地形 环境、工作频率等因素。 1 2 3 时延扩展 接收信号一般由直达信号分量与来自地形起伏、建筑物等其他环境反射信号 分量组成。反射信号比直达信号在到达时间上要滞后。这就在接收端改变了传输 信号的波形，并从时间上扩展了接收的能量。时延扩展是第1 个到达信号波形与 山尔大学硕士学位论文 最后到达的多径信号波形的时间差。 在数字系统中，这种时延扩展会带来i s i ( 符号间干扰) 。这是因为延迟到达 的多径信号的符号会与后续到达的符号交叠起来。如果符号速率很高，这就会带 来很严重的错误，特别是采用时分复用体制的系统。表1 1 给出了各种不同信道 环境下的时延扩展值，在户外环境的最大时延扩展可达2 0 , us ，这意味着比特速 率为2 5 k b i t s 时就会产生严重的i s i 【1 】 2 】。 表1 1不同信道环境下的时延扩展值 环境最大时延扩展最大到达路径差 室内4 0 n s 2 0 0 n s1 2 m 6 0j i l 室外1 “s 、2 0 1s 3 0 0 m 6 k m 在长期的研究和实践中，如前所述，提出了多种方法消除符号间干扰。种 方法是通过将每个信道上的符号速率降低( 如采用频分复用的方法将频带划分为 更多的使用频带) ，或采用特定的多址编码方案以对抗 s i 的影响，如c d m a 制 式。 l _ 2 4 多普勒频移 当产生电磁波的发射机与接收机作相对运动时，接收信号的频率将会发生偏 移。当两者作相向运动时，接收信号的频率将高于发射频率，当两者作相反运动 时，接收信号的频率将低于发射频率，这种现象称为多普勒效应。对于电磁波而 言，因为多普勒效应造成的频偏取决于两者相对运动的速度，可将这种频偏写为 厂* f o l c o s o ( 1 7 ) c 其中v 为接收端检测到的发射机频率的变化量，五是发射机的载频，v 是 发射机与接收机之间的相对速度，p 为移动方向与电波入射方向的夹角，c 为光 速。例如：令：，= i g h z ，v = 1 6 7 m s ，则最大多普勒频移为5 5 h z ，这_ r 4 4 、的 偏移量一般还不足以影响信号的传输。但是如果采用的调制方式对载频的变化很 山东大学硕士学位论文 敏感( 如c o f d m ) ，或相对速度足够高( 如低轨道卫星通信) 则多普勒频移造 成的影响将需予以考虑。 1 3 多载波传输概述 最初提出多载波概念的是4 0 多年前一个叫c o l l i n s k i n e p l e x 的人，他提出将 串行传送的数据分成若干个数据流，分别调制到不同的载波上并行传输。这样就 可以克服高速数据传输的时候，由于码元长度过短带来的符号间干扰的问题，使 均衡器的设计变得简单。 在各种多载波技术当中，首先走入人们视野的是滤波器组加保护频带办法得 到的多载波技术，这是一种比较简单的办法，采用在有用频带间加保护间隔的技 术，柬解决滤波器不易实现的问题。这种办法的优点是能克服i s i 并且易于实现， 但缺点也很明显，就是频谱利用率太低。 为了提高频谱的利用率，在1 9 6 7 年，s a l t z b c r g 在i e e e t r a n s a c t i o n 上 发表了一篇关于利用正交子载波并行传输数据的文章 3 】。这种办法大大提高了 频谱的利用率，具有广阔的前景，但是由于当时条件所限，以及这种办法所需要 的精确定时和对频率稳定性的要求使其在当时只能用在军事方面。1 9 7 1 年 w e i n s t e i n 及e b e r t 把离散傅立叶变换( d f t ) 的观念放入到o f d m 系统当中， 利用i d f t 来处理调制过程，利用d f t 来处理解调过程，这种新的理念使o f d m 技术向实用化的方向上迈出了一大步 4 】。近年来，随着d s p 技术和大规模集成 电路技术的发展，依靠信号处理来实现调制和解调的o f d m 技术，越来越受到 人们的关注。现在人们对于o f d m 技术的研究主要集中在系统对于频率敏感性 和同步困难的问题上，还有就是多载波系统峰均比( p a p r ) 过高的问题，并取 得了大量的成果，然而由于无线信道的复杂性，使得这些研究还需要继续下去。 1 4 论文的主要工作 在无线通信系统当中，无线衰落信道的时变性和多径传播导致了系统误码率 过高和难以实现高速传输的瓶颈，如何有效地对抗无线信道的这些缺陷成为实现 未来高速无线通信的必要条件。对于无线衰落信道而言，提高通信质量或减小误 1 3 山东大学硕士学位论文 码率都是十分困难的。o f d m 技术具天然的有对抗多径传播的特性，而且可以 采用高效的调制方式，大大提高频谱的利用率，另外o f d m 系统中可以对子载 波进行灵活分配并且可以和其他的多址方式进行结合使得这种技术更适应于未 来的通信系统。未来的通信系统需要较高的数据传输速率，在以往的单载波系统 当中，符号间干扰( i s i ) 是一个难以克服的问题，需要复杂的多抽头滤波器，而对 o f d m 系统来说，只需要经过简单的线性均衡就可以了。然而，o f d m 系统也 存在着同步困难和峰均比过高的问题，本论文所做的工作主要集中在o f d m 系 统中同步问题的研究上，论文备部分的安排如下： 一、介绍o f d m 技术的基础知识，基本模型，以及这项技术的优缺点，应 用前景和发展现状( 第二章) 。 二、o f d m 的仿真技术。搭建o f d m 系统的仿真平台，在系统的层次上， 综合考虑信道特性，同步办法，信号限幅等对o f d m 系统误码率等各种指标的 影响。为各种同步方法性能的仿真提供一个平台( 第三章) 。 三、研究o f d m 系统的同步技术，包括频率同步和定时同步。首先对现有 的各种同步办法进行性能仿真，找出各种办法的优缺点，并结合新的算法进行改 进。提出一种新的符号同步跟踪算法，对残余同步错误进行纠正，结合s c a 捕 获算法，提出了一种o f d m 系统定时同步方案，并对其进行了仿真。 1 4 山东大学硕士学位论文 第二章正交频分复用系统的基本原理 正交频分复用技术( 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 ) 在6 0 年代 被提出，是由多载波调制演变而来的数字通信技术【3 】。它是一个适合在频率选 择性衰落( f r e q u e n c ys e l e c t i v ef a d i n g ) 信道的传输技术，可以减少信道延迟对 信号的破坏，且利用了多载波调制的概念，使得在接收机低复杂度情况下作高速 数据传输变得可行，而其子载波间彼此正交的特性，使子信道频谱可以重叠，提 高了频谱的利用率。 2 1o f d m 系统的基本系统模型 o f d m 技术本质上是一种多载波调制技术，这种技术就是要把高速传输的 数据流，分成若干个速率相对较低的数据流并行传输，使每个子载波上的符号变 长，从而克服符号间的干扰( i s i ) 。下面将对o f d m 的连续系统模型和离散系统 模型进行分别的说明。 2 1 1 连续系统模型 图2 1o f d m 系统基本模型框图 对于经过p s k 或者q a m 调制的数据吐，假设子信道的数目是，符号的 ! 一i 竖i iiiii 至i i i i i i 耋堡耋圣二，。，一 ! ! g 自! ! g ! ! s ! ! 目! ! ! d ! ! ! ! e 目目目9 2 2 9 。2 。2 2 一 持续时间是t ，载波的中心频率是正，则从f = t s 开始的o f d m 信号可以表示为： s ( o = 其对应的复等效基带表示为 s ( t ) = r ；t sr s + t ( 2 1 ) 其他 对于o f d m 技术，其主要优势就在于子载波之间是正交的，因此子信道的 频谱可以重叠，从而提高了频谱的利用率。下面我们将介绍o f d m 系统中子载 波正交性的实现，并对其进行证明。 从式( 2 1 ) 和( 2 2 ) 中可以看到，每个子载波在一个o f d m 符号周期内都 包含整数倍个周期，而且各个相邻子载波之间相差1 个周期。这一特性可以用来 解释子载波之间的正交性