（通信与信息系统专业论文）基于ofdm信号的数字预失真技术研究.pdf

论文题目： 专业： 研究生t 指导老o i l i ： 基于o f d m 信号的数字预失真技术研究 通信与信息系统 张璐璐 曾召华 摘要 ( 签名) 张越盈 ( 签名) o f d m 技术以其频谱利用率高，抗干扰能力强等优点而得到了越来越广泛的应用。 本文首先系统的总结分析了o f d m 的基本原理、特点，并从信号构成的角度说明了 o f d m 信号对功率放大器非线性敏感的原因，通过对常用的功率放大器模型分析了功放 的非线性。 本文的重点是数字预失真技术，在阐述了预失真技术的基本原理后，详细讨论了基 于查询表( l u t ) 和基于多项式的预失真技术。其中在基于查找表预失真技术中详细说明 了查找表的形式，地址索引方式以及查找表常采用的方法，在对多项式预失真技术的研 究中给出了多项式预失真的原理图及对其原理的详细阐述。接下来对o f d m 系统的多 项式预失真算法进行了重点研究，首先通过v o l t e r r a 级数对功放进行建模，改进了模型 后得出一种便于计算的功放的简化模型，通过功放模型得出多项式预失真器的模型，然 后分别通过对最小均方误差的多项式算法和递归最d x - - 乘的多项式算法的分析比较，最 后对递归最小二乘的多项式算法进行了仿真，并对不同的记忆深度下不同的非线性阶数 下的仿真结果进行比较和分析。验证了其对功放非线性补偿的有效性，有效的消除了由 功率放大器的非线性造成的传输信号的幅度和相位失真，降低了信号邻道干扰，提高了 系统频带利用率。 为了进一步改善o f d m 数字预失真系统的性能，本文对系统进行改进提出了双功 放数字预失真系统，并通过计算机仿真验证了双功放数字预失真系统能够有效的提高系 统性能，使输出信号得到更大的增益。 关键词：正交频分复用；数字预失真；非线性失真；自适应；双功放 研究类型：理论研究 s u b j e c t ：r e s e a r c ho nd i g i t a lp r e d i s t o r t i o nt e c h n i q u ei no f d m s i g n a l s s p e c i a l t y ：c o m m u n i c a t i o na n di n f o r m a t i o ns y s t e m n a m e ：z h a n gl u l u i n s t r u c t o r ：z e n gz h a o hu a a b s t r a c t ( s i g n a t u r e ) ( s i g n a t u r e ) o f d mt e c h n o l o g yi ni t sh i g l ls p e c t r u me f f i c i e n c y , t h ea d v a n t a g e so fa n t i i n t e r f e r e n c e a b i l i t ya n dh a sb e e nm o r ea n dm o r ew i d e l y t h i sa r t i c l es u m m e du pt h ef i r s ts y s t e m a t i c a n a l y s i so ft h eb a s i cp r i n c i p l e so fo f d m ，c h a r a c t e r i s t i c s ，a n df r o mt h ep e r s p e c t i v eo ft h e s i g n a lt h a tc o n s t i t u t e st h eo f d ms i g n a ls e n s i t i v et ot h er e a s o n sf o rn o n - l i n e a rp o w e r a m p l i f i e r , p o w e ra m p l i f i e rt h r o u g ht h ec o m m o n l yu s e dm o d e lf o ra n a l y s i so ft h en o n l i n e a r a m p l i f i e r t h ef o c u so ft h i sp a p e ri sad i g i t a lp r e - d i s t o r t i o nt e c h n o l o g y , p r e - d i s t o r t i o no nt h eb a s i c p r i n c i p l e so ft e c h n o l o g y , t h ed e t a i l e dd i s c u s s i o nb a s e do nt h el o o k - u pt a b l e ( l u t ) a n d p o l y n o m i a lb a s e dp r e d i s t o r t i o nt e c h n o l o g y o n el o o k - u pt a b l eb a s e dp r e - d i s t o r t i o nt e c h n i q u e d e s c r i b e di nd e t a i li nt h ef o r ml o o k u pt a b l e ，a d d r e s sl o o k - u pt a b l ei n d e x ，a n dt h em e t h o d s u s e do f t e n ，i nt h ep o l y n o m i a lp r e - d i s t o r t i o nt e c h n i q u e sa r eg i v e ni np o l y n o m i a lp r e d i s t o r t i o n o ft h es c h e m a t i cd i a g r a ma n dad e t a i l e dd e s c r i p t i o no fi t s p r i n c i p l e n e x to nt h eo f d m s y s t e mp o l y n o m i a lp r e d i s t o r t i o na l g o r i t h mi sf o c u s e do n , f i r s to fa l lt h r o u g ht h ev o l t e r r a s e r i e sm o d e lo ft h ep o w e r a m p l i f i e rt oi m p r o v et h em o d e lf o rt h ep u r p o s eo fc o m p u t i n gh a v e c o m eu pw i t has i m p l i f i e dm o d e lo ft h ea m p l i f i e r , t h r o u g ht h ep o w e ra m p l i f i e rm o d e l p o l y n o m i a lp r e - d i s t o r t i o nd e v i c et od r a wt h em o d e l ，a n dt h e nt h r o u g ht ot h em i n i m u mm e a n s q u a r ee r r o ro ft h ep o l y n o m i a la l g o r i t h ma n dr e c u r s i v el e a s t s q u a r e sa n a l y s i so ft h e p o l y n o m i a la l g o r i t h mo fc o m p a r i s o n ，t h el a s to ft h er e c u r s i v el e a s t s q u a r e sp o l y n o m i a l s i m u l a t i o na l g o r i t h ma n dt h em e m o r yo fd i f f e r e n td e p t h si nd i f f e r e n to r d e ru n d e rt h e n o n l i n e a rs i m u l a t i o nr e s u l t sa r ec o m p a r e da n da n a l y z e d a m p l i f i e rt ov e r i f yi t se f f e c t i v e n e s s o fn o n l i n e a rc o m p e n s a t i o n ，t h ee f f e c t i v ee l i m i n a t i o no ft h en o n l i n e a rp o w e ra m p l i f i e r c a u s e db yt h et r a n s m i s s i o ns i g n a lo ft h ea m p l i t u d ea n dp h a s ed i s t o r t i o n ，a d j a c e n tc h a n n e l s i g n a lt or e d u c ei n t e r f e r e n c ea n di m p r o v et h es y s t e mb a n d w i d t he f f i c i e n c y i no r d e rt oi m p r o v et h eo f d m d i g i t a lp r e - d i s t o r t i o np e r f o r m a n c eo ft h es y s t e m ，t h e p a p e rp r o p o s e dt oi m p r o v et h es y s t e mad u a l p o w e rd i g i t a lp r e - d i s t o r t i o ns y s t e m ，a n dt h r o u g h c o m p u t e rs i m u l a t i o nt ov e r i f yad u a l - p o w e rd i g i t a lp r e - d i s t o r t i o ns y s t e m c a ne f f e c t i v e l y i m p r o v es y s t e mp e r f o r m a n c e ，s ot h a tt h eo u t p u ts i g n a lo f am o r eab i gg a i n k e yw o r d s ：o f d m d i g i t a lp r e - d i s t o r t i o n n o n l i n e a rd i s t o r t i o n a d a p t i v e d u a l p o w e r t h e s i s：b a s i cr e s e a r c h 要料技夫学 学位论文独创性说明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：璩瓣期：伽口7 f 弓 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间 论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。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电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课 题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 | 学位赦储张刎游指导教师躲曾召辛 勘珂年，月岛日 1 绪论 1 1 移动通信的发展现状 1 绪论 移动通信是通信领域中最具活力，最具发展前途的一种通信方式，是当今信息社会 中最具个性化特征的通信手段。移动通信以其特有的灵活性，便捷的优点符合了现代社 会人们对通信的要求，使其迅速成为了2 0 世纪8 0 年代中期以来发展最快的通信方式。 目前全球的无线业务正以每年4 0 的速度增长，在信息产业中，我国移动通信市场潜力 居世界第一位，根据有关部门的统计数据表明，在未来的几年间我国移动通信市场将以 每年1 0 0 0 万的增长速度发展。 无线蜂窝移动通信系统的发展经历了三个阶段，第一代为模拟话音，始于1 9 7 8 年， 在进入9 0 年代以后移动通信发展极其迅速，移动通信进入了第二代，它的主要特征是 数字话音，采用了多址方式，有频分多址( f d m a ) 、时分多址( t d m a ) 和码分多址( c d m a ) 等，实现全球漫游。第三代移动通信是在第二代数字移动通信市场的蓬勃发展中被引入 日程的，它的主频段位于2 g h z 频段附近，所以国际电联将其命名为i m t 2 0 0 0 。已经 淘汰的第一代和目前正在使用的第二代移动通信系统是针对传统的话音和低速率数据 业务的系统。而在未来的信息化社会当中，图象、话音和数据相结合的高速数据业务的 业务量将远超传统的业务量，这不是一代和二代移动通信系统所能够承载的。所以为了 满足2 l 世纪移动通信的发展需要，国际电信联盟( i t u ) 适时的引入了第三代移动通信系 统。 第三代移动通信系统，也称3 g ，于1 9 8 5 年由i t u 提出，当时被称为未来公众陆地 移动通信系统。被公认为世界各国会在商用中采用的主流标准为：w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 和t d - s c d m a 三种。2 0 0 1 年1 0 月，日本n t td o c o m o 公司率先建立了世界第一个 w c d m a 第三代移动通信商用网络。其后，一些公司相继建立了w c d m a 商用网络。 但有一种观点认为，目前的第三代移动通信方案实际只能是第二代移动通信方案的改 进，算不上真正意义的宽带接入网络，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，所以有理由认为第三代系统仅仅是一个从窄带向未来移 动通信系统的过渡阶段。伴随着第三代移动通信技术的成熟，世界各国纷纷投入到第四 代移动通信技术研究。2 0 0 3 年欧盟将b 3 g 技术研究列入第六框架研究计划，日本与韩 国也于2 0 0 2 年启动了面向b 3 g 的研究计划。为缩小我国移动通信研究开发与国际先进 水平的差距，经科技部批准国家8 6 3 计划于2 0 0 1 年1 2 月正式启动了面向第四代移动通 信发展的未来通用无线环境研究计划- f u 慨计划。其主要目标是面向未来无线通信 领域的发展趋势与需求，重点突破新一代移动通信系统关键技术，逐步建立一个包括蜂 西安科技大学硕士学位论文 窝移动通信、宽带无线接入和短程无线连接为一体的通用无线电环境，为中国未来无线 与移动产业的跨越式发展创造条件。让我们在不远的将来一起来感受科学技术给我们带 来的无穷乐趣吧! 1 2o f d m 技术的发展及特点 现代无线通信技术为人们提高了更加便利的信息交流。从过去的几十年内，随着社 会的进步，科学技术的发展，移动通信技术得到了迅猛的飞跃。第三代数字蜂窝移动通 信系统的其主要特征是：支持多媒体业务，可全球漫游，接口开放，能与不同的网络互 联，终端多样化以及能从第二代平稳过渡等。然而，如果要求数据传输率再进一步提高， 3 g 中使用简单的c d m a 技术己经不能满足要求。于是，以正交频分复用o f d m 调制 技术为标志的第四代移动通信系统开始走入人们视野，并成为目前的研究热点j 。 o f d m 是由2 0 世纪5 0 、6 0 年代美国军方的多载波调制m c m 发展而来。在1 9 7 0 年衍生出了大规模子载波和频率重叠技术的o f d m 系统，此后由于技术上的缺陷， o f d m 理论向实践的脚步放缓了。直到1 9 7 1 年，w e i n s t e i n 提出了利用离散傅立叶变换 d f t 来产生和接收的思想，从而省去可以前所需要的子载波模拟振荡库。2 0 世纪8 0 年 代，由于大规模集成电路出现使得f f t 技术的实现不再是技术的瓶颈，长期困饶o f d m 技术的一些障碍开始得到某种程度的解决。自此，o f d m 技术走上了通信的舞台，逐步 进入高速m o d e m 和数字移动通信的领域。现在o f d m 技术已经在某些国家广泛用于广 播信道的宽带数据通信、数字音频广播、高清晰度数字电视h d t v 和无线局域网w l a n 。 随着a s i c 技术的发展，格栅编码技术、软判决技术、信道自适应技术等成熟技术的应 用，o f d m 技术的实现和完善指日可待。 与c d m a 相比，o f d m 具有如下优点：对于单蜂窝和多蜂窝环境，o f d m 性能远 优于c d m a 。在单蜂窝环境o f d m 可允许同时通话的用户数为c d m a 的2 1 0 倍。 对于多蜂窝环境，o f d m 可允许同时通话的用户数为c d m a 的0 7 4 倍。o f d m 和 c d m a 在用户容量上的差异主要在于是否使用了蜂窝分区( c e l ls e c t o r i z a t i o n ) 和语音激合 检测技术( v o i c e a c t i v i t yd e t e c t i o n ) 。比如用1 2 5 m h z 的带宽和1 9 5 k b p s 的用户数据率时， c d m a 在单蜂窝系统中性能较差，在每一个蜂窝( c e l l ) 中仅允许7 , - - - 1 6 个用户同时通话， 而对于o f d m 系统则可达到1 2 8 个用户。这种c d m a 的低蜂窝容量( 1 0 wc e l lc a p a c i t y ) 是由于在反向传输链接中使用非正交码导致了较高的用户间干扰造成的。 o f d m 可容忍较大的多径时延扩展。事实上多径信号在进行r a k e 接收机处理后 将导致接收信号加强。对应于3 0 k i n 的多径反射、低于l o o p s 的时延扩展都是可以忍受 的。o f d m 信号峰值的消除( c l i p p i n g ) 不会对系统性能产生较大影响。在错误率较高时， 信号的峰值功率可以被截除6 9 d b 。这将减少对o f d m 发射端输出阶段的动念范围要 求。 2 1 绪论 所以，对于高容量、高移动速度的无线移动通信系统而言，o f d m 是一个很好的调 制技术，并且在今后的无线移动通信网络发展中将扮演越来越重要的角色。 o f d m 技术之所以成为近年来的技术研究热点之一，其原因在于o f d m 系统存在 如下的主要特点： ( 1 ) 把高速数据流通过串并转换，使得每个子载波上的数据符号持续长度相对增加， 从而可以有效地减小无线信道的时间弥散带来的i s i ，大大减少接收机内均衡的复杂度。 ( 2 ) o f d m 系统由于各个子载波之间存在正交性，允许子信道的频谱相互重叠，因 此与常规的频分复用系统相比，o f d m 可最大限度的利用频谱资源。 ( 3 ) 由于o f d m 中各个子信道的正交调制和解调可以采用i d f t 和d f t 方法实现。 对于载波数目n 很大的系统，可以通过快速傅立叶变换( f f t ) 来实现。 ( 4 ) o f d m 系统可以很容易地通过使用不同数量的子信道来实现上行和下行链路中 不同的传输速率，这不但适合无线用户数据业务的使用需求，而且符合移动通信系统自 身的要求。 ( 5 ) 由于无线信道存在频率选择性，可以通过动态比特分配以及动态子信道分配的 方法，充分利用信噪比较高的子信道，从而提高系统性能。 ( 6 ) o f d m 系统可以容易与其他多种接入方法相结合使用，构成o f d m 系统。 ( 7 ) 因为窄带干扰只能影响- - d , 部分的子载波，因此o f d m 系统可以在某种程度上 抵抗这种窄带干扰。 o f d m 技术与单载波技术相比，具有以下的优缺点： 它的优点在于： ( 1 ) 抗衰落能力强。o f d m 把用户信息通过多个子载波传输，在每个子载波上的信 号时间就相应地比同速率的单载波系统上的信号时间长很多倍，这使o f d m 对脉冲噪 声( i m p u l s en o i s e ) 和信道快衰落的抵抗能力更强。同时，通过子载波的联合编码，达到 了子信道间的频率分集的作用，也增强了对脉冲噪声和信道快衰落的抵抗力。因此，如 果衰落不是特别严重，就没有必要再添加时域均衡器。 ( 2 ) 频率利用率高。o f d m 允许重叠的正交子载波作为信道，而不是传统的利用保 护频带分离子信道的方式，提高了频率利用率。 ( 3 ) 具有较强的灵活性。o f d m 自适应调制机制使不同的子载波可以按照信道情况 和噪音背景的不同使用不同的调制方式。当信道好的时候，采用效率高的调制方式。当 信道差的时候，采用抗干扰能力强的调制方式。再有，o f d m 加载算法的采用，使系 统可以把更多的数据集中放在条件好的信道上可以高速率进行传递。 ( 4 ) 抗码间干扰( i s i ) 能力强。码间干扰是数字通信系统中除噪声干扰以外最主要的 干扰，它与加性的噪声干扰不同，是一种乘性干扰。造成码间干扰的原因很多，实际上， 只要传输信道的频带是有限的，就会造成一定的码间干扰。o f d m 由于采用循环前缀， 3 西安科技大学硕士学位论文 对抗码间干扰的能力很强。 同时，o f d m 系统内由于存在有多个正交子载波，而且其输出信号是多个子信号的 叠加，因此与单载波相比，存在以下主要缺点： ( 1 ) 对频偏和相位噪声比较敏感。o f d m 技术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。频偏和相位噪声会使各个子载波之间的正交性遭到破坏，仅仅 1 的频偏会使信噪比下降约3 0 d b 。因此，o f d m 系统对频偏和相位噪声比较敏感。 ( 2 ) 存在较高的峰值平均功率比。与单载波相比，由于多载波系统的输出是多个子 信道信号的叠加，因此如果多个信号的相位一致时，所得到的叠加信号的瞬时功率会远 大于信号的平均功率，导致出现较大的峰值平均功率比( 简称为峰平比p a p r ) 。这样就 对发射机内放大器的线性提出了很高的要求，如果放大器的动态范围不能满足信号的变 化，则会给信号带来畸变，使叠加信号的频谱发生改变，从而导致各个子信道信号之间 的正交性遭到破坏，产生相互干扰，使系统性能恶化。 因此，o f d m 技术的高速率和良好的性能是以增加系统的复杂性为代价而获得的。 除了对放大器的线性度要求比较高之外，该技术的另外的难点是如何降低o f d m 信号 的峰平比以及如何实现各个子载波间的精确同步，这几个方面还有需要进一步的研究和 突破。 1 3 对o f d m 系统的d p d 技术研究的必要性 由于新的宽带数字调制信号体制如o f d m 、m c c d m a 、w c d m a 。由于它们具有 多载波、宽频带和较高的峰均l 匕p a p r ( p e a k t o a v e r a g ep o w e rr a t i o ) 等诸多特点，对发射 机线性度提出了非常高的要求，因此如何有效地进行线性放大是一个重要的问题，让放 大器既线性又高效的工作，即对射频放大器或射频系统提出了线性化处理的要求，发展 射频放大器线性化技术，采用各种手段和方法来实现放大器高效率而又高线性度的工 作，这一点，对于未来无线移动通信技术的发展和实现有着十分重大的实际意义。 o f d m 具有的众多优点使其已被多个标准采纳，被公认为是3 g ，4 g 的核心技术， 与单载波系统相比，由于o f d m 符号是由多个独立的经过调制的子载波信号相加而成 的，这样的合成信号就有可能产生比较大的峰值功率，由此会带来较大的峰值平均功率 比。因其具有高的峰均比特性，要求功率放大器必须具有较大的线性范围，否则将会导 致信号的非线性失真，这就意味着功放必须远离饱和点才能满足系统的线性化需求l 剧，在 实际应用中避免系统出现非线性失真的简单方法就是增加功率放大器p a 的输出回退 o b o ( o u t b a c k o f f ) l j j 但由于o f d m 信号的高峰均比特性，所需的输出回退会很大，这 将造成p a 工作效率的大大降低，通常在1 0 以下，也就是说有9 0 的功率将被损耗并转 化为热量散发出去一儿洲。因此对于o f d m 系统而言，在不明显降低p a t 作效率的同时 如何有效地进行线性放大是一个重要的问题。 4 1 绪论 在第三代及以后的第四代无线移动通信系统中，对手持移动终端的要求是更加的智 能化、多样化、个性化服务以及方便携带，这就对手机终端的电池容量要求很苛刻，从 目前可多次充电电池的技术来看，基本上不可能在电量储备上有特别大的突破，这样， 就要求功率放大器必须有很高的功率效率。 功率放大器p a 是一种在通信系统广泛使用的非线性器件，只要输入信号幅度超出其 线性区，输出就会产生非线性失真，从而造成信号带内失真和邻带信号干扰，因此必须 将失真控制在一定的范围之内。从效率角度考虑，不能只通过增大功放线性区来消除非 线性失真，因此线性化技术应运而成。p a 线性化技术所要解决的主要问题是：降低邻道 干扰( a c i ) ；减小带内损耗，提高系统b e r 性能及放大器功效。由于o f d m 调制的信号瞬 时值会有较大的波动，这将要求系统内的一些部件，例如功率放大器具有很大的线性动 态范围。而反过来，这些部件的非线性性也会对动态范围较大的信号产生非线性失真， 所产生的谐波会造成子信道间的相互干扰，从而影响o f d m 系统的性能。 进一步说o f d m 信号是由大量独立、均匀分布的分量组成，根据中心极限理论，其 幅度分布可以近似为高斯分布。因此，相对于信号的平均电平，由大量调制的子带信号 叠加而成的o f d m 信号在传输中可能出现非常高的瞬时信号峰值，o f d m 信号包络的这 种剧烈变化特性，一般采用峰值功率与平均功率的比值p a p r 来衡量。高的p a p r 对发送 端前置功率放大器p a 的线性度提出了很高的要求，如果对o f d m 信号进行了非线性放 大，将会使o f d m 信号产生带内失真和带外失真。为减轻功率放大器非线性对o f d m 信 号的影响，就必须对功放的非线性进行补偿，因而功率放大器线性化技术就成为o f d m 系统的核心技术之一。由此看来发展基于o f d m 信号的数字预失真技术将具有相当重要 的意义。 5 西安科技大学硕士学位论文 2o f d m 系统及p a 的基本原理 在上一章中已经提到随着通信需求的不断增长，宽带化已成为当今通信技术领域的 主要发展方向之一，而网络的迅速增长使人们对无线通信提出了更高的要求。为有效解 决无线信道中多径衰落和加性噪声等问题，同时降低系统成本，人们采用了o f d m 技术。 在并行传输体制中，o f d m 技术是一种可以解决信号在频率选择性衰落信道中进行高速 传输的有效方案。由于具有易均衡，对多径效应、脉冲噪声和快速衰落有较强的抵抗力 等优点，o f d m 多载波调制技术日益受到密切关注。在这一章我们主要讨论一下o f d m 系统的基本原理以及功率放大器的基本原理，从而引出功放非线性对o f d m 信号的影响 以及使功放线性化的方法。 2 1o f d m 系统的基本原理 在传统的串行系统中，符号是逐次发送的，每一个数据符号的频谱允许占用所有的 可利用带宽。由通信理论可知，当总带宽为w 赫兹时，系统的无码间干扰的最高符号率 即奈奎斯特速率为2 w 波特。这也就是说，在系统的调制方式一定的条件下，信号占用 带宽与信息速率成正比，当信息速率很高时，信号的占用带宽也将很高。 我们知道任何实际物理信道都不是理想信道，都存在幅频畸变和相频畸变，对无线 信道来说最重要的特性就是多径传播。多径迟延导致传输信号的波形展宽，从时间域来 看，这将导致码间干扰，当多径迟延与符号周期的比达到一定的程度时，码间干扰将十 分严重地影响到接收机的抽样判决，使误码率高到不可接受的程度。从频率域来看，多 径传播将导致信道对不同的频率产生不同的衰减，在信道的幅频特性曲线上出现零点和 极点。设信道的最大多径时延差为f 。，则定义l f 。为多径信道的相关带宽，即相邻传 输零点的频率间隔。当传输信号的占用带宽大于相关带宽时，传输波形的频谱将受到严 重畸变，这就是所谓的频率选择性衰落。码间干扰和频率选择性衰落可以看作是同一问 题在时域和频域的分别体现。 为实现高速传输，传统的串行体制必须使用均衡器来克服频率选择性衰落，均衡器 常用横向滤波器结构，当多径迟延很大时，横向滤波器也必须很长，抽头数将会很多。 而且在时变信道中，横向滤波器的抽头增益必须要能实时地跟踪信道的变化，这就需要 采用高效的自适应算法，增加了实现的复杂度。 而并行系统的出现则缓和了以上串行体制存在的这些问题。并行系统是指同时发送 多个低速串行数据流，这些数据流之间经过编码、交织，具有一定相关性。每一个数据 流仅占用可利用带宽的- - d , 部分，系统由许多载波组成。它的优点是能够把一个频率选 择性衰落的影响分散到许多个符号上，有效地使衰落或脉冲引起的突发错误随机化，这 6 2o f d m 系统及p a 的基本原理 样就不是几个相邻符号遭到完全破坏，而是许多个符号仅仅有轻微失真，从而可以用前 向纠错使其恢复。由于把整个可利用带宽划分成许多个窄带子信道，因此单个子信道上 的频率响应变得相对平坦了许多，所需的均衡要比串行系统简单，只需一个简单的算法 就能够使每个子信道上的均方误差得到最小化，若采用差分编码甚至可以不用均衡。 o f d m 就是采用并行传输体制，将高速的数据流分解为多路并行的低速数据流，在 多个载波上同时进行传输。对于低速并行的子载波而言，由于符号周期展宽，多经效应 造成的时延扩展相对变小。当每个o f d m 符号中插入一定的保护时间后，码间干扰几 乎就可以忽略。 从时间域看，低速的子数据流的符号周期长，相同的时延扩展造成的码间干扰比串 行体制小，在采用循环前缀时，更可完全消除码间干扰的影响；从频率域看，子信道带 宽远小于相关带宽，在每个子信道上衰落是平坦的，频率选择性深衰落仅影响系统中的 一个或几个子信道，利用子信道之间的相关信息，可以恢复受干扰的子信道上的数据， 从而有效地使衰落引起的错误随机化，因而o f d m 调制技术可以有效地对抗多径造成 的频率选择性衰落。由于把整个可利用带宽划分成许多个窄带子信道，因此单个子信道 上的频率响应很平坦，如采用差分检测时，可以不需要做信道均衡；采用相关检测时， 所需的信道均衡也要比串行系统简单，只需简单的自适应算法就能够使每个子信道上的 均方误差得到最小化。 如图2 1 所示，各个子载波正交性在时域的体现，图中三个子载波保持相互正交， 他们之间周期相差一，在接收端通过相关解调技术分离出各子载波，同时消除码间干扰 的影响。 图2 1 各个子载波正交性在时域的体现 从频谱效率方面来分析一下o f d m 信号。频谱效率即频带利用率，定义为单位频 带内码元的传输速率。频带利用率越高，则系统的有效性就越好。o f d m 信号由n 个 子载波信号叠加而成，。o f d m 允许子载波频谱部分重叠，只要满足子载波间相互正交 7 西安科技大学硕士学位论文 则可以从混迭的子载波上分离出数据信息。如图2 2 所示的o f d m 信号的频谱图，由于 o f d m 允许子载波频谱混迭，其频谱效率大大提高，因而是一种高效的调制方式。每个 子载波信号的频谱与相邻子载波信号的频谱有1 2 的交叠。 ( a ) 单个o f d m 子载波频谱( b ) o f d m 信号频谱 图2 2o f d m 信号的频谱图 正如图2 2 所示o f d m 系统的各子载波频谱相互重叠，各子载波上的信号功率谱都 是一样的，都为s a 形函数s i nf f ，他们都对应于时域上的方波。 图2 3 为o f d m 信号产生与接收原理图： 串行 数据 输入 并 i f f t 串 r 臣至垂丑 叵 串行 数据i 输出 骊i i 阿 图2 3o f d m 信号产生与接收原理图 8 2 0 f d m 系统及p a 的基本原理 编码和交织后的数据进行串并转换为多路信号，每一路信号进行星座映射为复信 号，映射可以采用m p s k 、q a m 等，每x 比特为一组映射成一个复数，该复数是信号 星座中的一点，数据的编码映射是在频域进行。然后对n 个复数( 一帧) 用i f f t 进行调制， 完成多载波调制，转化成时域信号，再经过串并转换之后，插入保护间隔，它的方法是 在时域内把o f d m 符号的后面部分插入到该符号的开始部分，形成循环前缀。从而有 效的对抗由于多径时延带来的i s i 和i c i 。接下来进行及d a 转换，并进行上变频，将 信号进行载波调制。在接收端经历了与此对应的解调过程。 o f d m 接收机执行发射机的逆操作，信道出来的信号先经过主载频解调、低通滤波、 a d 转换及串并变换后，再进行f f t 恢复出频域信号。对所得数据可以进行单抽头或 双抽头的简单均衡，以校正信道失真。然后把q a m 复数值映射为对应的二进制比特值。 然后进行译码判决和并串转换，恢复出原始的二元数据序列。 2 1 1o f d m 信号的产生 在常规的串行数据传输系统中，因为所有数据符号排成一个序列后被顺序传输，即 在任一时刻，只有一个数据符号被传输，所以每个数据符号的频谱都可以覆盖整个可用 频带。为实现高速传输，传统的串行体制必须使用均衡器来克服频率选择性衰落，均衡 器常用横向滤波器结构，当多径迟延很大时，横向滤波器也必须很长，抽头数将会很多。 而且在时变信道中，横向滤波器的抽头增益必须要能实时地跟踪信道的变化，这就需要 采用高效的自适应算法，增加了实现的复杂度。而并行系统的出现则缓和了以上串行体 制存在的这些问题。并行噢数据传输系统则同时传输几个数据流部分，在任一时刻有多 个数据流传输，每个数据流的频谱只能占用可用频带的一小部分，系统有许多载波组成， 这些数据流之间经过编码、交织，具有一定相关性。并行传输的优势有：将频率选择性 衰落展宽到多个数据符号上，由衰落和脉冲干扰导致的突发性错误被充分随机化不会使 相邻数据符号被完全破坏，只是使多个符号受到轻微的干扰，这样就可以用前向纠错使 其恢复，即使不采用纠错编码，也仍能成功恢复大部分信号。 并行传输系统将整个信道带宽分为很多窄的子带，每个子带上的频率响应相对平 坦。每个子信道只覆盖原始带宽的一小部分，所以并行系统的均衡要比串行系统简单的 多，简单的均衡算法就可以将子信道的失真降低到最小，如果使用差分编码，甚至可以 不用均衡器。 图2 4 是o f d m 系统基本原理框图，如图所示，o f d m 符号是多个经过调制的并 行正交子载波的合成信号。 9 西安科技大学硕士学位论文 上夫r 磊 z _ _ 蜘 一毯广叫望竺p 审 j 小+母 并 出 e - ，打一l 并 e j t 母n 0 罐 矗，陬押亟：! ， 图2 4o f d m 系统基本原理框图 图中各个子载波可以独立的采用不同的调制方式。我们用d 艇= 0 , 1 ，n - 1 ) 来表示 o f d m 子载波上的调制数据符号，子载波一般采用p s k 或q a m 调制，如果以n 代 表子载波数，t 代表符号持续时间，z 代表第i 个子载波上的载波频率，相邻子载波 的间隔为；，则起始时间为 o f d m 符号可表示为： s o ) = r e 善n - 1 么阳c ，( t - t , - t 2 ) e x p d 2 须。一气) 】) ，r 气+ r s o ) = 0，t t 。+ r ( 2 1 ) ( 2 2 ) 其中矩形函数阳甜o ) = 1 ，k t 2 。 将要传输的比特分配到各个子载波上，某一种调制模式则将其映射为子载波的幅度 和相位，通常采用等效基带信号来描述o f d m 的输出信号： s o ) = d ，r e c t ( t - t 。一t 2 ) e x p ij 2 1 r t ( t 九) l ，f 。f + 丁 ( 2 3 ) i = 0 l - j s ( f ) = 0，f f 。+ 丁( 2 4 ) s o ) 的实部和虚部分别对应与o f d m 符号的同相( i n p h a s e ) 和正交( q u a d r a t u r e - p h a s e ) 分量，在实际系统中可以分别与相应子载波的c o s 分量和s i l l 分量相乘，构成最终 的子信道信号和合成的o f d m 符号。 在o f d m 系统中，每一个子载波在一个o f d m 周期t 内包含若干整数倍个周 期，而且各子载波之间相差一个周期。由于其周期的不同，那么其频率也不同，那么各 子载波相互就是正交的。即对于两个角频率分别为国。，国。的子载波，满足： 1 0 2o f d m 系统及p a 的基本原理 f 1r e x p ( 心，) e x p ( j c o = ，) 出 2 瓦1f 唧万争e x p ( 甲万考触 = 云1f 唧万字触 = 0 ：二： 转们辆0 f d m 磊统中笔n 个子巷浦的黼窒嘉呆- k ( 2 5 ) 无= f o + n a f ，n = l ，2 ， n - l( 2 6 ) 各子载波间的频率间隔为鲈，符号周期为t ，五为l 厂r 的整数倍，各载波之间相 互正交。 在各子载波正交的条件下，在接收端可以解调出各子载波上的数据符号，若对第个 子载波进行解调，然后在时间长度t 内进行积分，得： 嘭= ；芗? ( 一歹2 万手。一f ，) ) - 兰1 = 0d ，o x p ( 2 万；( f t ) ) 衍。2 7 j = ；歹e x p ( 伽孚h 归 一 对于子载波数n 较大的o f d m 系统，o f d m 调制需要大量的正弦波信号发生器、 滤波器、调制器和相干解调器。但是如果使用离散傅立叶变换( d f t ) 及其反变换就可以 简化或不使用这些设备。离散傅立叶变换及其反变换便于用d s p 及其它数字电路器件 实现，并且还可以使用快速傅立叶变换( f f t ) 及其反变换进一步简化运算，提高效率。 利用i d f t 实现o f d m 调制： s o ) = n 。：- 。i t,-t12ed,rect(t-t t 2 ) e x p ，2 万事( f 一) ( 2 8 ) s o ) = e i ，2 万亭( f 一) l ( 2 8 ) l - o l 1 j 令上式中正= 0 ，并对信号s o ) 以t n 的速率进行抽样，即令t = k t n ， ( k = 0 ，1 ，2 ，n 一1 ) ，可以得到： 西安科技大学硕士学位论文 7 1 ， - 、 & = s ( k r s ) = d f e x p lj 2 r t 了l g 】，( o k n - 1 ) ( 2 9 ) i = 0上 也就是说，可以用i d f t 实现o f d m 正交多载波调制。对o f d m 信号进行时问的 离散化之后，得到的信号& 具有i d f t 表达式的形式，所以才可以利用i f f t 这样的高 效算法产生o f d m 的数字信号，进而通过d a 转化产生连续的o f d m 基带信号。 同理，对接收信号，可采用d f t 实现多载波解调： d ，= & p 印删7 1 ，( o f n 一1 ) ( 2 1 0 ) t = o 综上所述，我们可以使用i d f t d f t 实现o f d m 的正交多载波调制和解调。傅立叶 变换将时域与频域联系在一起，信号在时域和频域都是离散的，大多数信号处理使用 d f t 。在o f d m 系统的实际运用中，可采用更加方便快捷的i f f 聊f t 。n 点i d f t 运算 需要实施2 次的复数乘法，而i f f t 可以显著地降低运算的复杂度。对于常用的基2 i f f t 算法来说，其复数乘法次数仅为( n 2 ) l 0 9 2 ( ) ，但是随着子载波个数n 的增加， 这种方法复杂度也会显著增加。对于子载波数量非常大的o f d m 系统来说，可以进一 步采用基4i f f t 算法来实旌傅立叶变换。 2 1 3 保护间隔与循环前缀 在o f d m 系统中，通过在o f d m 符号问插入保护间隔来保证频域子信道之间 的正交性，以消除o f d m 符号之间的干扰。o f d m 采用并行数据传输，每个调制子载 波的符号周期比单载波系统符号周期长得多，因此，o f d m 系统可以有效的对抗多径时 延扩展。为了更好的消除符号间干扰，可以在每个o f d m 符号之间插入保护间隔( g i ， g u a r di n t e r v a l ) 。保护问隔的长度疋一般大于最大时延扩展，这样一个符号的多径分量就 不会对下一个符号造成干扰。 当保护间隔内没有任何信号时，由于传输信道带来的损耗会造成载波间干扰( i c i ) ， o f d m 的子载波的正交性就会遭到破坏，这样，我们就不能用f f t 在接受端正确的恢 复出传输信号。这时，我们可以将一个o f d m 符号