（通信与信息系统专业论文）单天线及多天线条件下qam同步技术的研究.pdf

摘要 y8 7 6 5 9 9 q a m ( 正交幅度调制) 是一种频谱利用率很高的调制方式，已经得到广泛研究；m i m o ( m u l p l e - i f 聊n m 1 l l t i p l e o u t p u t ) 技术具有频带利用率高的特点，该技术不仅能在有限的频 带上实现高速率的信息传输，而且还能够改善无线通信系统的性能。可以说加m o 技术非常 符台下一代宽带无线通信系统对高速率通信能力的要求。 本文对q a m 调制方式和m “0 技术的关键技术作了深入的研究，并对突发模式下的 s i s 0 q a m 系统和m m f o q a m 系统中的同步技术进行算法的研究分析和仿真实现。对 s i s 0 - q a m 同步技术的研究和仿真重点放在信号到达检测、参数估计、位定时同步、相位跟 踪等：对m “o 电a m 同步技术的研究和仿真重点放在训练序列的构造、帧同步、载波频偏 估计、符号定时同步等。 本文各章节内容安排如下： 第一章介绍了q a m 调制方式、m 讧o 技术发展概况以及m i m o 技术与o f d m 技术、 c p m 调制方式、o a m 调制方式等结合的优缺点，最后总结了本文的主要工作。 第二章详细分析了q 衄讧调制方式及其功率谱密度、误码率等性能：详细分析了m o 系统的平均信噪比、信道容量等性能以及空时编码、同步、载波频偏恢复、相关信道、信道 估计、单载波频域均衡、训练序列设计基本准则等关键技术。 第三章给出了突发模式下s i s o q a m 系统的仿真实现。仿真的重点放在信号到达检测、 参数估计、位定时同步、相位跟踪构成的同步系统，并给出了详细的仿真分析。 第四章给出了m l m o - q a m 系统中同步系统的仿真实现。仿真的重点放在训练序列的构 造、帧同步、载波频偏估计、符号定时同步，给出了详细的仿真分析。 最后在回顾本文主要工作的基础之上，针对现有方案中存在的不足之处，结合实际系统 中可能遇到的问题，探讨今后的研究和改进方向。 【关键字】突发模式，s i s o ，m i m o ，q a m ，信号到达检测，参数估计，位定时同步，相 位跟踪，帧同步，载波频偏估计，符号同步，训练序列 a b s t r a c t q a m ( q u a d r a n l ra m p l i t u d em o d u j a a o n ) i se 色c d v ei i if b q u e n t c y 叩e c c n l mw l l i c hi swl d e 婶 a p p l i c di n 啪d e mc o m m u m c 鲥o ns y s t e 吣罚eg r e a tm e mo fm i m d ( m u m 础- i n p u c m l l i n p i e o i l t p u i ) 1 sb j g hl l s a g eo f 恤q u e n c ys p e c t n l ma i i dt l l cm i m ot e c h m q u cg i v e sk 曲s p dd a t a t m 璐r 血i nm u i - p a t l lf 啦i n gc h 猢e 1 i nr e c e my e a r s ，m i m ol l a se m e 学da so i l eo f l en l o s t s l g i l i f k a n tt e c l i i l i c a lb 砖a k t t m 】u g h si nw i 咒【e s sc o m m 山c 乱i o n s i nt 】血e s s a y ，l ca u 埘f i 埘l yw s e a i c h e st h e i h e 0 i yo fq a mm o d u j a 缸o na i l dm i m o t e c l l i l i q u et b e nc o n s m l c t st l l es ，n c i 1 1 i z a t i o ns y s t e mo fs l s o q a m a n dm i m ( ) q a mb e g i m l i i l g w i t h 血es i g 埘m o d e lo fs i s o - q a ma n d m o q a mi nb u 赋m o d e ，m ea u t h o r b i i n g sf o r w a r d k e yt 吣q u e si ns y s t e m 陀a l i 刎o n ，i n c i l i d i n gs i g 岫id e i e c d o 儿m f e r e n c ep a t a i l l e t e re s d m a i i o 仉 盯r n b o ld m i n gr e c o v e 耽p h a s et r a c n g l n s i s o q a ma l 】dt i a i m n gs e q u e i l c e s ， ，m m e s y n c h l 0 i l i z a 廿。玑c 枷e r 仃e q u e n c yo d 童e te s t i m a t i o i l ，s y 疵b o ld m i n ge s 虹碹t i o n t t l ed i s s e 呦缸o nc o n d u d e so n ep o r 【i o no f a u t h or si c s e a r c h e s ni so r g a i i i z e da sf o l l o w s c t i a p t e ri 醇v e sab 血fi i l d d u c d o no fq 加诅i n o d u l a d o na n dm 0 幢c h n i q u e ，c o m p a 佗s m i m 0 - ( ) f d m ，m d v i 0 一c m 正m 以0 - q 肿订a n dg i v e s 1 eg e n 曲a lw o r ki i ia u t h d r sf e s e a i c h c h a p t e ri ir e s e a h e st h et i l e o r yo fq a mm o d u l a t l o na n dm i m ot c c r m i q u e ，i n c l u d i n g p e 由m 龃c eo fq a m m o d u l a t i o na i l d 加m o 盯s t e i l l s ，a n dk e yt e c l m i q u e so fm i m os y s i e m 陀a l i z a u o ns u c ha ss p a c e d f l l ec o d i n d e c o d i r 唱，f 粼s y n c h r o i l i z a o n ，c 删e rf 把q u e n c yo f 融t e s m a l 】o ms y m b o lu l t l i n ge s 虹r 岫t i o f lc h a 彻e le s n m a b o qs i n g 】ec a r r i e r - f r e q u e i l c yd o m a i n e q u a l i z a d o n ( s c 午d e ) ，a n d d e s i g n o f 廿a j l l i n gs e q u e i l c e sa n ds oo n c l l 印t e ri i i 百v e s 曲s y n c l l r o n i z a 曲na l g o 甜哪o fs i s o q a m i nb l l r s tn l o d ea i i dg i v e s 血e s i m u l a n o n 埔s u n so fs y n c l u m d z a t i o n 口s t e m ，i n c l u d i n gs i g f m ld e t e c t i o 【i ，r e f n c ep a r 蛳e 【e r e s 咖b d 珥印i 玎b o l i i n gr e c o v e i ya n dp 1 诅站t r a c b l l g t h ci a s tc h a p t e rf o c u s e so t i l e 科i l c h r 0 i l i z a t i o na i g o 舳m so fm m d q a m 柚dg i 、，e sm e s i m l l l a o n s l l h so fs y n c h r o i l i z a t i o ns y s t e mf o rp e r f b n n a n c ec v a 】瑚d o i l ， i n c l u d i i 喀胁e 盯n c m m 2 a t i o i l ，c a h i e r 船q u e n c yo 舶吼e s c i i n 蚯o na n ds y m b o l 嘶n ge s t i l a t i o n f i n a 】l y ，a c c o 王d i n gt ot t 忙l i i l l i t a 廿o d ft h es y s t e md e s i g n e di ns i i n u l a o na n dt l l e m p i e t e d p a r to ft h c $ s t e ms u c h a ss p a c e m i n ec o d i n g ，d e c o d i n 岛c l l a 衄e 1e s t i m a t i d na n ds c - f de ，s o 坨 i d e a sa 心d i s c u s s e dt 0c o i l s 劬c tm ew h o l es y s t e ma n di m p v et i l ep e i _ f b m 瑚ef o r t h ef u c u 增 k e yw o r d s ：b u 吲m o d e ，s i s 0 ，a d i m 0 ，q a m ，s i g m ld e t c c t i o i i ，r 哦砌c ep a 功m e t e re s l j n l a n o i 】， s y n l b o l r i i 咖gr e c o v e 啦p h a s en a c k i n g ，f r a 璩s y i l c m r i i z a 曲i i ，c a f r i e rf q u e n c yo 凰e t e s t i i t l a 旺o n ，s y h 出o lt l 皿n ge s n 】a t i o i l ，喇曲唱s e q u e i l c e 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 本章作为全文的绪论，首先介绍了当前无线通信中面临的两个方面要求，即高速的传输 速率和高效的频带利用率，接着在此基础上介绍了提高传输速率和频带利用率的两个方向： 一种具有高效频带利用率的调制方式q a m ( 正交幅度调制) 以及一种用于提高传输速率 和频带利用率的传输技术一一m i m o ( m i l l n p k - i n p m 奇以l l l 廿p l e - o u t p u t ) 技术，分别介绍了 m m o 旬f d m ( 正交频分复用) 技术、m i m o c p m ( 连续相位调制) 技术、m i m o o a m ， 并对其基本原理作了简要的阐述和比较。最后，总结了作者硕士阶段的科研情况以及本文的 主要工作。 1 1 无线通信现状及要求 随着社会信息化进程的加快，无线通信中，越来越多服务内容对数据传输速率提出了越 来越高的要求，而传统的无线通信技术，要达到更高的无线数据传输速率就需要占用更宽的 无线带宽，频谱资源严重不足成为制约无线通信发展的瓶颈。新一代移动通信技术提出了两 个方面的要求：第一，高速的传输速率；第二较低的成本，即在有限的频谱上实现高速率和 大容量的信息传输。因此，如何充分开发利用有限的频谱资源，提高频谱利用率，成为当今 无线通信技术研究的热点之一。在提高频谱利用率的同时，保证传输的可靠性也是一个重要 的问题。新一代的无线通信技术要求能够适应更加恶劣的信道，能够克服各种不利的影响， 比如多径衰落的影响、频率选择性衰落的影响等。 m 讧o 技术正是在这样的大前提下被提出来，成为当今无线通信研究的热点。m i m o 技 术最早是由r c o n i 于1 9 0 8 年提出的，它是通过增加发送天线和接收天线的数目，在收发 两端之间形成多个并行传输信道，利用这些信道进行数据的并行传输来提高通信速率。而由 于每根发送天线发送的信号共同占用一个频段，因此并未增加带宽，从而可以比传统的单个 信道提供更大的系统信道容量和更高的频谱利用率，从而解决了上述传输速率和传输带宽之 间的矛盾，为现代无线通信技术带来了突破性的发展。图1 1 1 给出了m m o 系统的基本理 论框图： 忤躲缱m 惟l 妖缱 图1 1 1m i m 0 系统框图 浙江大学硕士学位论文 1 2 q a m 概述 上面提到，在现代通信中，提高频谱利用率是人们关注的焦点之一，寻找一种频谱利用 率高的数字调制方式也是其方向之一。 正交幅度调制( q a d 使用两路独立的基带数字信号对两个相互正交的同频载波进行抑 制载波的双边带调制，利用这种已调信号在同一带宽内频谱正交的性质来实现两路并行的数 字信号传输，因此具有很高的频谱利用率。正交幅度调制的信号表达式为： s ( f ) = 埘，( f ) c o s 甜。f + 卅q ( f ) s l n 国。f ：丘g ( r a 巧) c 0 。f 一q g o 一女门。i 。国。r 1 2 1 l j lmj 其中，c o s 。f 项通常称为同相信号，或称，信号；s i n 。f 项通常称为正交信号，或称q 信号；g ( ，) 为成型函数，t 为符号周期， t 、 g ) 为符号序列t 取值为 1 ，2 ，( l i ) ( 对于m q a m 矩阵星座图，= 、f m ) ，并且 ) 、 q 女 是相互独 立的。 图1 2l 给出了正交幅度调制解调基带系统的基本框图： _ 盛b 晖一 霉吨野 图i 2 1 正交幅度调制解调基带系统组成框图 正交幅度调制( q a m ) 就是一种频谱利用率很高的调制方法，并已经被广泛研究，并且在 各种通信系统中有着广泛应用，是数字微波通信系统、卫星通信系统、有线电视网数字视频 广播等的主要调制方式。尤其随着多媒体通信业务急骤增加和信息高速公路的发展，o a m 调制已被定为欧洲有线数字视频广播p v b c ) 的标准调制方式，同时也是数字互动点播( v o d ) 的调制方式。这种调制方式具有很高的频谱利用率，在调制进制数较高时，信号矢量集的分 布也比较合理，同时实现起来也比较方便。 2 塑垩查兰堡主堂些丝苎 1 3m i m o 概述 1 3 1m i m o 基本原理 猢m o 作为近年来新兴的一项技术，是现代通信技术的一个重大突破【d a v 0 3 】。m o 技 术利用空间分集技术对抗传输信道中的多径干扰，提高传输的可靠性和传输速率，利用空间 复用技术提高系统的信道容量；m 蚴技术提供了解决无线通信容量瓶颈的可能性，这对将 来的无线通信非常重要。m i m o 技术可能应用于将来的b 3 g 和宽带无线局域网中。 m o 系统可以简单地理解为一个多输入多输出系统，即有多个发送天线和多个接收天 线的系统。假设在发送端采用个发送天线，接收端采用m 个接收天线，则在收发两端之 间形成m m 对空间信道，在假定这些空间信道之间相互独立的情况下，我们利用这些空间信 道来并行传送信息，就可以线性地增加整个系统的通信容量。收发天线数目越多，系统容量 就越大。 一个m m 幻系统的基本流程框图如图1 31 所示： 图1 3 ，1m i m o 系统基本模型框图 在发送端，信源编码后的串行数据在经过空时编码模块( 恤l l i s 或b l o c k 编码) ，形成 个编码后的并行数据流，得到编码符号，编码符号经脉冲成型后，分别送至个发送天线上 同步送出。 用一个m 阶的矩阵来表征m m o 系统的信道响应，记为h = 【k 。】。矩阵h 中 的任一元素k ( 1 m m ，l n ) 代表第月根发射天线和第m 根接收天线之间的信道 响应。 记第”根发送天线发送的信号记作( 1 胛) 。接收端的m 个天线上将接收到这些 并行信号，其中任一接收天线上的接收信号都是个发送信号的叠加信号。忽略信号在空间 信道中的传播延迟，假定所有发送信号都同时到达，则可以把第脚个接收天线的接收信号记 作矿( 1 s m m ) 。 矿= k s ? + 彬 ( 1 ，3 1 ) 浙江大学硕士学位论文 其中衫表示叠加在第卅个接收天线上的加性复高斯白噪声，均值为零，方差为口；e 令s = ( s 1 ，s 2 ，s ) r 、1 1 = ( t h ，1 1 2 ，) r 、r = ( 叶，r 2 ，l k ) r ，并且忽略时 间维度t ，则整个m m 系统可以用矩阵表征为： r = h s + q( 132 ) 在接收端，接收天线接收到的信号是各路独立的发送信号经过衰落叠加并受到噪声干 扰。每一路接收信号先经过独立的解调( 这里主要指下混频) 和基带处理，然后进行时间和 频率同步、信道估计及均衡最后送入空时解码模块进行解码后判决输出。 1 3 2m i m 0 o f d m 在m i m o 宽带无线系统中，符号周期与信道延迟扩展相比变得越来越小，信道为频率选 择性衰落信道。如果接收机进行最大似然译码，那么在频率选择性衰落信道上的最优空时码 能够比在频率非选择性衰落信道上实现更高的分集增益。但是频率选择性信道上的最大似然 译码非常复杂，为了改善频率选择性衰落信道空时码性能，比较合理的方案是减少i s i 。通 过减少i s i ，可以将频率选择性信道转变为频率非选择性信道，这样就可以采用性能较好的 空时码用于频率非选择性衰落信道。 为了减少l s i ，我们可以采用o f d m 技术。0 f d m 是一种多载波调制技术，其核心是将信 道分成若干个正交子信道，在每个子信道上进行窄带调制和传输，这样减少了子信道之间的 相互干扰。每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽，因此每个子信道上的频率选择性 衰落是平坦的，大大消除了符号间干扰。另外，由于在0 f d m 系统中各个子信道的载波相互 正交，于是它们的频谱是相互重叠的，这样不但减小了子载波间的相互干扰，同时又提高了 频谱利用率。这个可以通过f f t i f f t 实现，从而可以降低接收机的复杂度。 从实际应用上来讲，为了进一步增加系统的容量，提高系统传输速率，使用多载波调制 技术的无限局域网需要增加载波的数量，而这种方法会造成系统复杂度的增加，并增大系统 的带宽；而m v i o 系统虽然在一定程度上可以利用传播中多径分量，但是对于频率选择性深 衰落，m i m o 系统却没有办法解决。而m d o 和o f d m 两者的结台可以很好地解决以上的 问题，利用o i d m 技术把频率选择性深衰落信道转变成平衰落信道；利用m i m o 技术在不 增加带宽的条件下成倍地提高系统的容量和频谱利用率。 碉m 0 一o f d m 技术是通过在0 f d m 传输系统中采用阵列天线实现空间分集，提高了信 号质量，是联台o f d m 和瑚m 0 而得到的一种新技术。它利用了时间、频率和空间三种分 集技术使无线系统对噪声、干扰、多径的容限大大增加。而且，当信道情况好的时候，可 以使用空间复用的编码方式，来成倍地提高传输速率。 m m o 和o f i ) m 作为未来b 3 g 的核心技术，m i m o 和o f d m 的结合在提高无线链路的 4 浙江大学硕士学位论文 传输速率和可靠性方面具有巨大潜力。m m o 旬h ) m 系统具有抗码间干扰能力强、频带利用 率高、系统实现简单、支持非对称性业务、易于同其他技术结合使用等优点，但是o f d m 本 身存在着一些严重的缺点，严重制约了o f d m 技术的应用。o f d m 系统由于存在多个正交 的子载波，而且其输出信号是多个子载波信号的叠加，因此o f d m 系统存在着如下两个方面 的缺点： 1 ) 对载波频偏和相位噪声非常敏感。由于o f d m 系统中各个子信道的频偏是相互重叠 的，区分各个子载波的方法是利用它们之间的正交性，这就对正交性条件提出了严格的要求。 然而由于无线信道存在时变性，在传输过程中会出现无线信道的频率偏移，例如多普勒频移， 或者由于发射机载波频率与接收机本地振荡器之间存在频率偏差，都会使得o f i ) m 系统子载 波之间的正交性遭到破坏，从而导致子信道间的信号相互干扰( i c i ) 。 2 ) 存在较高的峰值平均功率比。多载波调制系统的输出是多个子信道信号的叠加，因 此如果多个信号相位一致时，所得到的叠加信号的瞬间功率会远远大于信号的平均功率，导 致出现较大的峰值平均功率比毋a r ) 。这样就对发射机内放大器的线性提出了很高的要求。 1 3 3m i m o c p m 上面提到，通过减少i s i ，可以将频率选择性信道转变为频率非选择性信道，这样就可 以采用性能较好的空时码用于频率非选择性衰落信道。为了减少i s i ，可以使用0 f d m 技术， 但o f d m 技术存在对载波频偏和相位噪声非常敏感和存在较高峰值平均功率比等缺点。为了 避免这两个缺点，我们可以考虑m i m 0 与单载波调制方式的结合。通常，我们考虑常用的高 效的调制方式，如c p m ，q a m 等调制方式。 c p m ( c o 血m o u sp l l a s em o d u l a t i o 玎) 信号的包络通常是恒定的，相位变化连续。这种连续 相位调制由于良好的恒包络特性使它在通过非线性信道时对非线性失真不敏感，采用功率放 大器时不需要考虑功率“回退”问题，功放效率高。因此它十分适应于需要较大发送功率来 对抗存在各种多径、衰落的无线通信信道。 m i m o c 蛳正是基于这些优点提出的。而且随着各种复杂的信号译码思想如t c r b i 算法、 迭代译码算法的成熟以及译码时对c p m 固有网格的合理利用，多进制c p m 信号的接收门限 也在降低，这也使得高功率效率和高传输速率的通信系统的实现成为可能。同时，为进一步 降低接收门限，通过调整h 值控制c p m 内在网格状态转移从而增大最小欧氏距离的n m l 小h 技术也得到了越来越多的关注，而利用c p m 的技术优势将c p m 调制和多天线等技术进行结 合也正逐步成为研究者关注的热点问题。 c p m 信号是通过前后码元之间的记忆相关性来保证相位的连续性，从而达到高效的频带 利用率。但是，由于c 刚的非线性调制，使信号的到达检测和参数估计变得比线性调制方式 复杂，使s t c p m 编码设计也变得更加复杂，m i m o c p m 系统总体上也比m i m 0 线性调制系统更 加复杂。 浙江大学硕士学位论文 1 3 4m i m o q a m q a i 也是一种高效的调制方式，它通过使用两路独立的基带数字信号对两个相互正交的 同频载波进行抑制载波的双边带调制，利用这种己调信号在同一带宽内频谱正交的性质来实 现两路并行的数字信号传输，因此具有很高的频谱利用率。将o a m 调制方式与 m o 技术 相结合，可以避免m m 0 o f d m 系统中的对载波频偏和相位噪声敏感以及存在较高的峰值 平均功率比的问题，同时可以避免m i m o c p m 系统中由于c p m 的非线性调制引入的系统复 杂性。但是，另一方面，q a m 系统由于信号带宽问题必然存在一个信道均衡的问题。我们 从信道频率选择性衰落问题出发，如图132 为多径情况下频率选择性衰落信道响应示意图： 1 0 0 1 0 多径情况下频率选择性衰落信道示意图 u f n e q u e n c y 图1 3 2 多径情况下频率选择性衰落信道示意图 从图中我们可以看出，对于频率选择性衰落信道，当信号带宽较窄的时候，可以近似认 为信道响应是平坦的，当我们利用窄带q a l 与m i m o 技术结合的时候，可以将信道响应作为 平坦的情况进行研究，不需要均衡或者只需要简单的均衡就可以。 但是，当利用宽带q a m 的时候，信号带宽范围内的衰落是不平坦的，各个频点上有着不 同程度的衰落，引起信号的畸变，因此就需要利用均衡技术来校正信道响应的变化引起的畸 变。如果我们采用传统的方法，即在接收机采用自适应均衡器，通过均衡，抑制i s i ，从而 将选择性衰落信道变成无码间干扰的信道，但是传统的时域均衡器( t d e ) 复杂度很大，因此 我们可以考虑利用频域均衡( f d e ) 技术来对抗宽带m i m o q a m 系统中的频率选择性衰落。 而事实上，s c f d e 技术已经和m i m 0 0 f 蹦技术一样，作为一种抵抗多接入干扰和多径衰 落影响的技术被提出来并进行了一定的研究，许多国际性组织也都对宽带无线接入系统制定 了相应的标准，例如i e e e 8 0 2 1 6 标准体系中i e e e 8 0 2 1 6 a 协议中，对物理层关键技术建议 浙江大学硕士学位论文 了两种选择方案，即0 f d m 和s c f d e ，同时，建议采用s t b c + m i 啪技术。 s c - f d e 技术将传统的单载波传输接收端的均衡结构由时域均衡变为频域均衡，系统接 收端通过f f t 和i f f t 变换来实现频域均衡，实际上和o f i ) m 一样是对接收信号进行频域分 析。s c 和e 技术先对接收信号在频域进行m m s e 滤波，然后进行检测，接收信号通过f f t 变换到频域后，在频域采用使时域信号与期望信号均方误差最小的m m s e 频域均衡，频域 均衡后的信号再转换到时域进行判决，得到输出 p 枷o 】。 s c _ f d e 技术和0 f d m 技术的不同点在于o f d m 将唧盯和n 叮分别放在发射机和接收 机两端进行，而s c 卸e 将f f t 和i f f t 都放在接收机进行。s c - f d e 技术可以弥补上面所 提到的0 f d m 系统的不足杨0 4 1 ： 1 s c f d e 与o f d m 相比大大减小了峰均比，这意味着对功率放大器的线性要求降低。 2 s c f d e 对于载波频偏不像o f d m 那样敏感，这样可以部分减小接收机频率同步的代价。 3 s c - f d e 在信道冲激响应持续时间很长的情况下，能够提供和o f d m 几乎相同的性能。 4 s c f d e 系统和0 f d m 系统在结构上相似，在计算复杂度上基本相当。 从上面分析，我们知道s c - 兀) e 能够避免单载波时域均衡( s c - ) e ) 复杂度大和正交 频分复用( o f d m ) 技术峰值平均功率比高的不足，并可以在与o f d m 相当的复杂度上提供和 o f d m 几乎相同的性能，是宽带无线接入系统物理层的重要组成技术，由此，我们可以考虑采 用s c _ f d e 技术解决m m o q m v i 系统的信道均衡问题。 m i m o q a m 技术利用了q a m 调制方式的高效性、m i m 0 技术在不增加带宽的条件下 成倍地提高系统的容量和频谱利用率的特性，并在利用s c f i ) e 技术抑制i s i 的同时避免了 s c ) e 系统的复杂性，也克服了m m 幻o f d m 系统的高峰值功率比的缺点，并且减小了接 收机载波频率同步的代价，同时由于q a m 是一种高效的线性调制方式，加m o o a m 系统 相对于m 订o - c p m 系统，复杂度比较低。 1 4 作者的主要工作及本文的主要任务 作者从2 0 0 4 年9 月进入硕士阶段的学习起，一直进行q a m 调制方式下的同步算法的研 究和项目实现，主要是在单天线传输下，连续模式和突发模式下的同步算法，并进行了基于 d c 的数字电视解调芯片设计的f p g a 硬件实现。之后，开始关注并研究m i m 0 系统， 研究的重点仍然在同步上面。然而目前大部分对删o 系统的研究主要都是在假设接收端的 帧同步和符号定时完全准确的情况下，对空时编码进行研究，但实际上系统的同步对系统的 性能有很大的影响，因此本文的研究工作具有实际的意义。 突发模式下工作的s i s o q a m 系统，其到达检测和参数估计是基于功率检测的算法，并 研究一种相关到达检测的方法，在到达检测的基础上进行参数估计、符号同步以及载波同步 算法的研究。 对于m i m o q a m 系统，一方面利用m i m o 系统高效的频谱利用率和系统容量以及o a m 浙江大学硕士学位论文 调制方式的高效性，另一方面可以利用s c - f d e 技术将频率选择性信道转变为频率非选择性 信道，因此m i m o 旬a m 系统是一个可以实现的系统。本文的主要工作是基于理论研究的基 础上，对同步算法进行仿真分析的。 以下是本文的各章安排： 第二章，介绍了o a m 调制解调方式的基本原理以及m 订o 系统的基本原理。 对q a m 调制解调方式基本原理的描述是基于突发模式下的s i s o 系统，主要介绍了 s i s o q 舢v i 调制系统和解调系统的基本框架，并在此基础上分析了q a m 调制方式的性能， 包括功率谱密度分析和误码率分析。对s i s o - q a m 系统的信号到达检测、初始参数估计、同 步算法及相位跟踪算法将在第三章作具体的分析和仿真。 对删o 基本原理的介绍是基于单载波调制方式的，主要从理论上分析m i m o 系统的 性能以及关键技术，包括平均信噪比、训练序列设计的基本准则、空时编码技术、同步技术 及载波频偏恢复、相关信道的介绍、m 以o 信道估计的算法以及单载波频域均衡技术。这一 章主要是从理论上对咖m o 系统的性能和关键技术进行分析，第四章将具体分析 眦m o q a m 系统的帧同步、符号同步以及载波频偏恢复，并给出了仿真分析的结果。 第三章，对s i s 0 o a m 系统下的同步算法作了具体的算法分析和仿真实现。主要包括基 于前导信息的信号到达检测( 包括功率检测和相关检测) 、参数估计算法、位定时同步算法 的分析以及相位跟踪环路。并给出了详细的仿真结果，对信号到达检测两种算法性能进行了 比较分析，同时对位定时和相位跟踪环路的仿真结果作了分析。 第四章，对m m 幻- q a m 系统下的同步算法作具体的算法分析和仿真实现，主要包括 m l m o q a m 系统帧头的构造、m 啪q 触讧系统帧同步( 包括粗时间同步和细时间同步) 、 载波频偏估计以及基于训练序列的符号定时同步算法分析，并给出了各个模块给出了详细的 仿真分析结果，对帧头设计进行了比较分析，对不同信道下帧同步的效果进行分析并对不同 信道对帧同步的影响作了简要的理论上的分析，给出了在不同信道下载波频偏恢复算法的 m s e 性能分析曲线。 总体上来讲，本文在对突发模式下的s i s o 电m v i 和m i m o q a m 系统作了一定深度研究 的基础上，分别对两个系统中的同步系统作了仿真实现。 浙江大学硕士学位论文 第二章q a m 调制以及m i m o 基本原理 绪论中提到，提高系统传输速率及频带利用率的两个方向：一种是利用高效的调制方式， 如o m 讧调制；另一种是利用m o 传输技术。在这一章中，我们将分两节介绍q 趾“调制 和m m 幻传输技术。在第一节中，首先简单介绍q a m 正交幅度调制系统以及解调系统的基 本原理，接着从功率谱密度以及误码率两个方面对o a m 正交幅度调制性能进行分析，对 q a m 调制解调系统的详细实现以及算法分析仿真将在第三章进行详细的描述。在第二节中， 我们将从理论上对m m o 单载波调制中的主要性能和关键技术进行的分析，主要包括m m o 系统的平均信噪比、瑚m o 信道容量、空时编码技术、同步及载波频偏恢复、m m o 相关信 道的介绍、m “0 信道估计、单载波频域均衡技术算法分析以及训练序列设计的基本准则等， 其中对同步及载波频偏恢复将在第四章进行更详尽的算法分析和性能仿真分析。 2 1 q a m 正交幅度调制的基本原理 2 1 1 q a m 正交幅度调制樊0 1 1 q a m 正交幅度调制是用两路独立的基带波形对两个相互正交的同频载波进行抑制载波 的双边带调制，已调信号在相同的带宽内正交复用来实现两路数据并行传输。这种对频带的 正交复用，使对频带的利用率增大一倍，故其虽然是抑制载波的双边带信号，但带宽利用率 与单边带调制相同。q a m 调制信号可以表示为： s ( f ) = 坍，( f ) c o s 国。f + 阡l 口( f ) s i n 印。f = i g ( r 一七c ) l c 。s 。r i q 膳( r 一t ) i 。i n 。f 。1 lpjl j 其中，c o s 。f 项通常称为同相信号，或称，信号；s j n 国。f 项通常称为正交信号，或称q 信号；g ( f ) 为成型函数，0 为符号周期， 厶) 、 g ) 为符号序列，取值为 + l ，2 ，旺一1 ) ( 对于m q a m 矩阵星座图，三= 、伍f ) ，并且 、 q 是相互独 立的。 正交幅度调制解调系统组成方框图如图21 1 所示： 图2 1 1 正交幅度调制解调系统组成框图 浙江大学硕士学位论文 图2 1 1 中给出了正交幅度调制解调系统的基本框图，具体的调制解调系统结构将在第 三章详细描述，在这里简单介绍一下成型滤波器和调制器。 成型滤波器：映射之后的信号还是脉冲信号，具有大量的高频分量，不适合在信道上进 行传输；通过成型滤波器滤除高频分量，可以避免信号码间干扰。滤波器的选择要求满 足奈奎斯特第一定律，使得接收端得到的采样值能够无损地恢复出信号信息。一般，我 们选择均方根升余弦函数作为成型滤波器。 调制：进行频谱搬移，把基带信号调制成所需要的中频信号。 2 1 2 q a m 解调的基本原理 正交幅度调制的解调器一般是用一个正交相干解调器，将中频信号分别与两个相互正交 的载波信号相乘，然后通过半带滤波器( 腽f ) 滤除倍频信号，即得到解调后的同相和正交两 路基带信号，( r ) 和q ( f ) 。q a m 解调部分基本结构框图如图2 1 2 所示： 其中基带处理框图如 图2 1 3 所示： 图2 1 _ 2 日a m 解调部分结构框图 瓠蕊襄隔叫弩h 裂蓊h 钟阐鹾 信号校正ii 鉴 插值h 相 出 孵 图2 1 3q a m 解调基带处理部分结构框图 主要模块功能说明如下，对解调系统及算法的具体分析和仿真将在第三章作详细描述。 输 堕 孔玎 u 司 回回 蓦酗一 丑 丽 盟一嚣 浙江大学硕士学位论文 混频：进行频谱搬移，把中频信号搬到基带上。 l p f 滤除混频后的高频分量。 匹配滤波器：与成型滤波器相对应，满足奈奎斯特第一定律，用于滤除带外噪声，并保 证无码间干扰。 信号到达检测：用于突发模式下面检测信号的到达。接收端所用的位同步恢复、频偏恢 复等算法都是针对有用信号而言的，故要用此部分来检测信号到达。 初始相位恢复：为了准确恢复相位，需要恢复载波的初始相位。 位同步估计：由于接收端的采样率不可能与发送端采样率完全一致或成严格的倍数关 系，故需要利用位同步估计确定适当的时刻进行取样判决。 信号校正插值：根据恢复出来的位同步信息，用曲线拟和的方法估算出判决点上的信号 值并对位同步信息进行跟踪。 相位跟踪：发送端载波与接收端载波的差异表现为一个固定的频偏，该频偏随着时间的 积累会产生不可忽略的相位旋转，导致谡判，需要跟踪由频偏引起的相位误差。 鉴相：根据i 、q 两路的信号值计算出相应的相位值。 a g c ，均衡器：a g c 根据数据功率和相应的q a m 模式，调整信号的电平数据，使电平 调整到判决电平的范围。均衡器用于补偿由于信道失真引起的符号间干扰，以减小误码 率。 判决：用鉴相所得的相位，以及a g c 控制后的信号幅度，判决出传输的比特信息。 2 1 3 q a m 调制性能分析一功率谱密度分析樊“3 f 面从二进制移相键控信号的颏谱来推导出q a m 的功率谱密度。假设一个二进制的移 相键控信号可以表示为一个矩形脉冲序列与一个正弦型载波的相乘，即： 广 “( f ) = l 口。g ( f h t ) i c o s 。f = s ( f ) c o s 珊。f ( 2l2 ) lhj 其中，s ( f ) = 口。g ( f n t ) ；e 为码元宽度，即符号周期；g ( f ) 是持续时间为e 的 矩形脉冲；扣。 的敢值服从下述关系： f + l ，信码为l ，概率为p 吒5 1 1 ，信码为o ，概率为1 p ( 2 13 ) 假设j ( f ) 的频谱为s ( ) ，则“( f ) 的频谱为： u ( ，) = 寺 j ( ，+ z ) + s ( ，一工) ( 21 4 ) 由于s ( ，) 频带受限，s ( ，+ z ) 和s ( _ 厂一z ) 互不重叠，假设j ( f ) 的功率谱密度为 b ( ，) ，则”( f ) 的功率谱密度为： 浙江大学硕士学位论文 昂( ，) = 三 只( ，+ 工) + 只( 一工) 由于g ( f 一”瓦) 为双极性矩形基带波形信号，式( 2 1 5 ) 可以表示为 ( 2 15 ) 弓( 厂) = z p ( 1 一即 g ，+ 硝+ l g ( 厂一硝 + 和( 1 2 p ) 2 l g ( o ) 2 艿( ，一工) + 6 ( 厂+ 正) ( 2 1 6 ) 若双极性基带波形信号的信码序列“l ”和“o ”出现的概率相等，即p = l 2 ，则式( 21 6 ) 变成； 昂( 厂) = 言工 g ( 厂+ 正) 1 2 + i g ( 一) j 2 ( z t ，) 如果取譬( f ) 为幅度为爿的矩形波脉冲，则譬( f ) 的频谱g ( ，) 可以表示为： g ( 厂) = 爿t ( 2 18 1 则式( 2 17 ) 还可以写成： 册字 1 粼h 警 皿”， 根据上下边带的对称性，则最终得到二进制移相键控信号的功率谱密度可以为： 弓( ) = ：b ( ，一工) 一彳2 t l s i n 万( ，一f ) t 1 2 z ( - 厂一工) t 对于正交幅度键控( q a m ) 信号来说，当两路正交基带信号码元相互独立且速率相等时， 其功率谱密度为两路信号功率谱密度之和。因此对于q 脚讧信号有： 弓( j r ) = b ( 1 厂一z ) ( 2 1 1 1 ) 并且对于m q a m 信号，m = r ，其信号的最大功率与平均功率之比为： ， 最大功率 工( l 一1 铷。两孬2 蒜 但1 1 2 则m q a m 的功率谱密度为 f s i l l 万( ，一工) e z ( ，一工) 正 棚s 呲捌，等 陋! 坚二五划 l 万( _ 厂一工) c f 2 1 1 3 ) f 2 1 1 4 1 瓣 籽s 蛔眦渊，掣= 引篱 显然，当 ，增大时，功率分布变得分散，信号抗干扰能力下降。 2 1 ，4 q a m 调制性能分析误码率分析馍“3 ( 2 1 1 5 ) 在理想信道特性以及只有加性高斯自噪声( a w g n ) 情况下，m q a m 信号可以分解成正 交、同相两路独立的m p a m 信号。m p a m ( m = r ) 在a w g n 信道条件下的误码率为： = ( 击) e 咖( 嘉玎 口，聊 对于m q a m 信号，当工为偶数时，误码率为： 只( ) = 1 一( 1 e ( 厨) ) 小剖e 击耵 犯1 + 1 7 当为奇数时，误码率上碾为： 只( m ) l ll q 呵躁) ( 2ll 鼬 对应的误比特率饵e r ) 与误码率有真接的关系，误比特率还与星座图映射和差分编码有 关- 一般有两种方法确定误比特率与误码奉的关系。第一种方法是，不考虑映射，只要p 比 特的符号中任意比特位出错，就认为该符号出错，则误比特率为： 弓2 南b 以，1 1 9 ) 第二种方法是假设任意个符号错都只包含一个比特出错，这种假设在采用格雷码映射 和差错率不高的情况下是台理的。此时b = b p ，p 是一个符号所包含的比特数。 另外，根据双极性上电平传输的误出特率为： 名2 赫e 叫愿) ：赫e 咖( 藤 哆，：。， 其中码元能量e = e1 0 9 。l ，e 0 为归一化的比特信噪比。 m q a m 系统可以分解成同相和正交两部分，每部分的等效基带系统都是个余弦滚降 的双极性多电平的基带系统。根据移相键控系统的误比特率，考虑到。代表噪声的单边带 浙江大学硕士学位论文 功率谱密度，基带比特能量改为2 邑。那么对于m q a m 系统，在矩阵星座图的情况下，电 平数三= 面的m q a m 系统误比特率可以表示为： 矧e 文鼯 搠s q 圳慨b = 纠厩 一。q 圳s 。侉扣( 糠 ( 2 1 2 1 ) ( 2 1 2 2 ) ( 2 1 2 3 ) 神粥繇躺龇特