（通信与信息系统专业论文）信号周期平稳特性在ofdm系统中的应用研究.pdf

中国科学技术大学博士论文摘要 摘要 本文研究信号周期平稳特性在o f d m 系统中的应用，旨在利用o f d m 信号的周期平稳特性进 行o f d m 系统时延和频偏盲估计、信道盲估计以及信道与频偏的联合盲估计。 o f d m 技术被普遍认为是下一代通信系统不可缺少的技术之一。为保证其具有好的性能，需要 时频同步、信道估计等一系列的关键技术加以支持。在信道环境允许的情况下，使用盲信号处理解 决上述的问题，可以避免传输效率的降低。通信信号普遍具有周期平稳特性，基于信号周期平稳特 性的信号处理一般情况下都是不需要辅助信息的盲处理。而且由于具有周期平稳特性的信号在多个 循环频率上都有谱信息，充分利用这些信息可以解决更多的信号处理问题。 本文首先介绍信号周期平稳特性理论，包括其定义、周期自相关函数和周期谱、周期平稳特性 的引入以及信号周期平稳特性的应用领域等。在信号周期平稳特性理论的支持下，探讨周期平稳信 号和平稳信号的关系，并考虑周期平稳信号的抽样特性。在此基础上，分析论证了o f d m 信号具 有周期平稳特性，从而可以利用周期平稳特性理论解决o f d m 系统的一系列关键技术问题。 o f d m 系统的时频同步关键在于时延和频偏的估计。本文先后以平坦衰落信道和频率选择性衰 落信道为传输模型，提出基于过抽样的o f d m 系统时延和频偏联合盲估计算法。理论分析和仿真 结果表明，接收端通过选择适当的抽样因子，算法可以实现更大频偏的估计和更精细的时延估计， 而且与基于线性时不变信道的传输模型算法相比，本算法仅需要已知信道的各径功率和时延，无需 信道在每一径上的幅度和相位。在此基础上，分析指出，如果需要在数据流中放置导频，那么通过 合理地设计导频，仍然可以保证o f d m 信号具有周期平稳特性，从而本文提出的时延和频偏联合 盲估计算法经过适当地修改仍然有效。 o f d m 系统信道估计是实现系统均衡和相关解调的关键。针对现有的基于求解线性方程组的算 法运算量较大的问题，本文提出一种可以显著减小算法运算量并保持原算法性能的改进算法。由于 基于求解线性方程组的算法对接收信号周期自相关函数估计误差很敏感，本文进一步提出一种新的 算法，首先进行信道阶数的估计，然后通过估计信道零点间接获得信道估计值。算法误差分析和仿 真结果均表明，该算法有更好的性能，而且对信道阶数过估计有一定的容忍性。 系统中信道和频偏总是同时存在的，所以进行o f d m 系统信道和频偏的联合估计也是必要且 有意义的。本文提出一种联合子空间方法和信号周期平稳特性的信道和频偏联合估计算法。算法首 先利用子空问方法获得包含频偏分量的信道估计值，然后利用该结果和周期平稳特性，获得系统频 偏估计值，最后从包含频偏分量的信道估计值中去除频偏分量，获得信道估计值。在此基础上，使 用迭代的方法获得更准确的信道和频偏估计值。最后，利用子载波加权和求多项式根的方法，可以 使有效的频偏估计范围达到正负二分之一的o f d m 系统的基带带宽。 关键词：周期平稳特性，盲估计，信道估计，时延和频偏估计，o f d m 系统 第v 页共1 1 2 页 中国科学技术大学博士论文 a b s t r a c t a b s t r a c t t h i st h e s i si sd e v o t e dt or e s e a r c h e so nt h ea p p l i c a t i o no fs i g n a l sc y c l o s t a t i o n a r i t yi no f d ms y s t e m s t h eo b j e c t i v eo ft h er e s e a r c hi sh o wt oe s t i m a t ec h a n n e l t r a n s m i s s i o nd e l a ya n df r e q u e n c yo f f s e tb l i n d l y b a s e do nc y c l o s t a t i o n a r i t y o f d mi sw i d e l yr e g a r d e da sa na t t r a c t i v et e c h n i q u ef o rt h en e x tg e n e r a t i o nc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s s y n c h r o n i z a t i o na n dc h a n n e le s t i m a t i o na r et w ok e yt e c h n i q u e sf o ro f d ms y s t e m st oe n s u r ei t sg o o d p e r f o r m a n c e i na na p p r o p r i a t et r a n s m i s s i o nc o n d i t i o n ，b l i n ds y n c h r o n i z a t i o na n dc h a n n e le s t i m a t i o nw i l l a v o i dd e g r a d i n gt h ei n f o r m a t i o nt r a n s m i s s i o ne f f i c i e n c y i th a sb e e nf o u n dt h a tm a n yc o m m u n i c a t i o n s i g n a l sa r ec y c l o s t a t i o n a r yi nn a t u r e s i g n a lp r o c e s s i n gb a s e do nc y c l o s t a t i o n a r i t y a r ea l w a y sb l i n d f u r t h e r m o r e ，f o rac y c l o s t a t i o n a r ys i g n a l ，t h e r ei sap o s s i b l es p e c t r u mc o p yo ne a c hc y c l i cf r e q u e n c y w h e n t h e s ec o p i e sa r eu s e di nt h es i g n a lp r o c e s s i n g ，t h ei n f o r m a t i o no fas i g n a li sf u l l yu t i l i z e d ，w h i c hw i l lm a k e s i g n a lp r o c e s s i n ge a s i e ro ri m p r o v et h ep e r f o r m a n c e t h e o r yo fc y c l o s t a t i o n a r ys i g n a l ( c s ) i si n t r o d u c e df i r s ti nt h i st h e s i s ，i n c l u d i n gi t sd e f i n i t i o n ，c y c l i c a u t o c o r r e l a t i o na n dc y c l i cs p e c t r u m ，t h ew a yt op r o d u c eac y c l o s t a t i o n a r ys i g n a la n di t sa p p l i c a t i o n s b a s e d o nt h et h e o r yo fc s ，t h er e l a t i o n s h i po fac sa n das t a t i o n a r ys i g n a li sd i s c u s s e d a n dt h e nt h ec h a r a c t e r i s t i c o fas a m p l e dc si si n v e s t i g a t e d f u r t h e r m o r e ，t h ec y c l o s t a t i o n a r i t yp r o p e r t yo fa no f d ms i g n a li sp r o v e d , w h i c hg i v e sp o s s i b i l i t yt od e s i g nc y c l o s t a t i o n a r i t y b a s e db l i n da l g o r i t h m sf o r c h a n n e le s t i m a t i o no rd e l a y a n df r e q u e n c yo f f s e te s t i m a t i o nf o ro f d ms y s t e m s t r a n s m i s s i o nd e l a ya n df r e q u e n c y9 f f s e te s t i m a t i o ni sak e yf o rs y s t e ms y n c h r o n i z a t i o n i nt h i st h e s i s ， f i a t - f a d i n gc h a n n e lm o d e la n df r e q u e n c ys e l e c t i v ef a d i n gc h a n n e lm o d e la r eb o t l lu s e dt od e s i g nab l i n d m e t h o df o r d e l a y a n df r e q u e n c yo f f s e te s t i m a t i o ni no f d ms y s t e m s i th a sb e e np r o v e dt h a tb y o v e r s a m p l i n gt h er e c e i v e ds i g n a la n dc h o o s i n gas u i t a b l eo v e r s a m p l i n gf a c t o r ，al a r g e rf r e q u e n c yo f f s e ta n d af i n e rd e l a yc a nb ee s t i m a t e d t h i sa l g o r i t h mo n l yn e e d st h ep o w e ra n dt r a n s m i s s i o nd e l a yo fe a c hc h a n n e l p a t h ，w h i l ef o ram e t h o dw h i c hi sb a s e do nal i n e a ri n v a r i a n tc h a n n e lm o d e l ；i tn e e d sa l lt h ec h a n n e l i n f o r m a t i o n m e a n w h i l e ，i nas y s t e mw h e r ep i l o t sa r en e e d e d ，i th a sb e e nf o u n dt h a tb yl a y i n gp i l o t s r e a s o n a b l y ，t h ec y c l o s t a t i o n a r i t yp r o p e r t yo ft h er e c e i v e ds i g n a li sh o l d ，s ot h a tt h ep r o p o s e da l g o r i t h mi s s t i l la p p l i c a b l ew i t hal i t t l em o d i f i c a t i o n t oa c h i e v ee q u a l i z a t i o na n dd e m o d u l a t i o n ，c h a n n e lg a i n sn e e dt ob ee s t i m a t e d a ne a r l i e rc h a n n e l e s t i m a t i o nm e t h o db a s e do ns o l v i n gl i n e a re q u a t i o n si sm u c ho p e r a t i o nc o n s u m i n g ，s oa l li m p r o v e dm e t h o d i si n t r o d u c e df i r s ti nt h i st h e s i s ，w h i c hr e d u c e sm a t h e m a t i co p e r a t i o ng r e a t l y b e c a u s em e t h o d sm e n t i o n e d a b o v ea r es e n s i t i v et ot h ee r r o ro ft h ec y c l i ca u t o c o r r e l a t i o nf u n c t i o ne s t i m a t i o n , an e wm e t h o di sp r o p o s e d f u r t h e r , i nw h i c ht h eo r d e ro ft h ec h a n n e li se s t i m a t e d ，a n dt h e nac h a n n e li sa c h i e v e db ye s t i m a t i n gi t sz e r o s i ti sp r o v e db ys i m u l a t i o na n dt h e o r e t i c a la n a l y s i st h a tt h i sn e wm e t h o dc a ng e tab e t t e rp e r f o r m a n c ea n dh a s at o l e r a n c et ot h ee r r o ro f c h a n n e lo r d e r e s t i m a t i o nt os o m ee x t e n t t r a n s m i t t e ds i g n a l sa r ea f f e c t e db yf r e q u e n c yo f f s e ta n dc h a n n e lt o g e t h e r s oa na l g o r i t h mw h i c hc a n e s t i m a t ef r e q u e n c yo f f s e ta n dc h a n n e lj o i n t l yi sn e c e s s a r yf o ra no f d ms y s t e m b yc o m b i n e dw i t h s u b s p a c et e c h n i q u e ，j o i n te s t i m a t i o no f t h ec h a n n e la n df r e q u e n c yo f f s e tc a l lb ed o n eb yac y c l o s t a t i o n a r i t y - b a s e dm e t h o d e s t i m a t i o ni sa c h i e v e di nt h r e es t e p s f i r s t , t h ec h a n n e lc o n t a i n i n gaf r e q u e n c yo f f s e ti s e s t i m a t e db ym e a n so fs u b s p a c et e c h n i q u e ，a n dt h e nt h er e s u l ti su s e db yac y c l o s t a t i o n a r i t y b a s e dm e t h o d t oo b t a i nt h ef r e q u e n c yo f f s e t f i n a l l y ，t h ee s t i m a t e dc h a n n e li sa c h i e v e db yr e m o v i n gt h ef r e q u e n c y - o f f s e t c o m p o n e n tf r o mt h er e s u l to f t h ef i r s ts t e p b yu s i n gi t e r a t i v em e t h o d ，m o r ea c c u r a t ec h a n n e le s t i m a t i o na n d 第v i i 页共1 1 2 页 中国科学技术大学博士论文a b s t r a c t f i 明u e n c yo f f s e te s t i m a t i o ni sg o tf u r t h e r f i n a l l y ，as u b c a r r i e rw e i g h tf u n c t i o n ，a s s o c i a t i n gw i t hs o l v i n g p o l y n o m i a la n dm i n i m i z a t i o np r o b l e me a r lb eu s e dt oe s t i m a t eal a r g e rf i q u e n c yo f f s e tu pt oh a l fo f b a n d w i d t ho f t h eo f d ms y s t e m k e yw o r d s ：c y c l o s t a t i o n a r i t y ，b l i n d ，c h a n n e le s t i m a t i o n ，d e l a ya n df r e q u e n c yo f f s e te s t i m a t i o n ，o f d m 第v i i i 页共1 1 2 页 中国科学技术大学博士论文第1 章绪论 第1 章绪论 随着社会的日益发展和人们物质和文化生活水平的提高，通信已经成为日常生活的必需。以此 同时，人们要求快速增长的语音、图像、数据等业务以更高的速率和更好的质量进行传输，以满足 其各方面的需要。下一代通信系统中，要求数据峰值速率达到1 0 0 m b p s ，频带利用率5 p b s h z ，甚 至更高。对于无线移动通信而言，复杂的地形和先进的交通工具，对接收信号造成不可避免的多径 衰落和多普勒效应。在如此高的数据率下，传统的单载波通信很难克服多径衰落的影响。多载波的 出现很好地解决了这个问题，并为合理利用频谱资源带来更大的灵活性。经过近些年的快速发展， 多载波技术已成为下一代无线通信系统不可缺少的技术之一。 在传输环境允许的前提下，考虑不使用辅助信息，基于信号自身特性的盲处理技术也是获得尽 可能大的数据传输速率的有效手段。通信信号自身的周期平稳特性一直以来受到广泛的关注，它在 通信系统的盲处理技术中有着重要的地位。本文将致力于研究信号周期平稳特性在一种典型的多载 波传输系统( o f d m 系统) 中的应用，旨在利用该特性使用盲处理的方法解决o f d m 系统的时 延、频偏和信道估计等关键问题。 本章首先指出数字通信系统需要解决时频同步和信道估计与均衡等问题。然后介绍o f d m 系 统基本原理和参数设计，并强调了o f d m 系统中，时延频偏估计和信道估计仍然是保证系统正常 工作和优越性能的前提，它们是o f d m 系统的两个关键技术。接着介绍信号周期平稳特性理论， 包括其定义、表征量、周期平稳特性的引入和应用场合，以及目前基于周期平稳特性理论的两个主 要研究方向。最后给出本文的研究内容和主要贡献。 1 1 数字通信中的主要问题 数字通信中，代表信息的符号经一系列处理之后，在带限信道中传输，受到路径损耗、传输时 延、因收发两端本振频率不同导致的频偏、信道特性、信道噪声等的影响，如图1 1 所示。 图1 - 1 数字通信系统框图 传输时延将导致接收端位定时错误，匹配滤波器在判决时刻的瞬时信噪比不是最大值，误码率 提高；传输时延还可能导致帧同步错误，数据流中的各种类型数据不能正确组合。频偏会使正交调 制的各正交支路互相干扰。单径信道的衰落因子为信号加了一个乘性干扰，多径信道则还会造成码 第1 页共1 1 2 页 中国科学技术大学博士论文 第l 章绪论 间干扰。接收端的带通滤波器可以滤除带外的信道噪声，但带内噪声无法滤除，发送信号进一步受 到影响。 上述因素的最终结果就是使得接收端不能可靠地进行信号检测和判决，导致系统误码率增大。 虽然可以利用信道纠错码在一定程度上降低误码率，但是如果上述因素造成的信号畸变太大，纠错 码也无能为力。因此，接收端需要校正系统时延和频偏以实现系统同步，并利用信道估计与均衡技 术去除信道的影响，然后再进行信号检测与判决，并借助纠错码技术，以保证信号的可靠接收。 接收端要实现系统的同步，一般要先进行时延、频偏的估计，即估计如图卜1 所示的和 z = z 。一z ：，再利用估计值进行校正。系统同步之后，一般先对信道进行估计，可以等效地看成 估计如图卜1 所示各个传输路径相对第一径f l 的延时( f l f 1 ，f 2 一l ，f 。一1 r 1 ) 以及这些路径上 的信道衰落因子，然后利用信道估计值对接收信号进行均衡。信道估计算法分为辅助数据法和盲估 计方法。基于辅助数据的算法，发送端发送训练序列，接收端利用适当的自适应滤波算法，获得信 道的初始估计值【l 】。在传输信息数据期间，则插入导频跟踪信道的变化【2 ，3 】。信道盲估计算法， 主要分为两类：基于信号高阶统计特性( h i g h e ro r d e rs 洲s t i c r h o s ) 的盲估计算法和基于信号 二阶周期平稳特性( c y e l o s t a t i o n a r i t y ) 的盲估计算法。早期的信道盲估计算法一般都是基于信号的 h o s 特性的，但是算法复杂，估计方差较大，而且收敛慢【4 ，5 1 。g a r d n e r 先后在文献【6 ，7 】中讨论了 信号的周期平稳特性，指出当接收信号具有周期平稳特性时，其周期谱包含了信道的相位信息，可 以用来进行信道估计。此后，利用信号周期平稳特性的盲信道估计算法在多篇文献中被研究【8 1 1 】。 获得信道估计值之后，可以采用三种不同的均衡技术之一，获得发送序列的估计值 1 2 1 。第一 类方法，在最小错误概率意义上是最佳的，它利用v i t e r b i 算法对匹配滤波器的输出进行最大似然 ( m l ) 检测。第二类方法，利用线性横向滤波器，并按照最小化峰值失真的准则，调整获得该滤 波器的抽头系数和发送序列的估计值。第三类方法，使用由前馈和反馈两个滤波器构成的非线性判 决反馈均衡器。研究表明，第一类方法复杂度随着信道时延扩展的增大指数增长，因此实际系统 中，往往采用第二类和第三类这两种次最佳的方法。 1 2o f d m 系统及其关键技术 快速增长的语音、图像、数据等业务需求，要求传输系统可以提供更高的传输速率。下一代无 线通信系统，要求数据的峰值速率达到l o o m b p s ，频带利用率为5 p b s h z 或更高。如此高的数据传 输速率，如果仍然使用传统的单载波通信系统，则信道的多径传输会造成严重的码间干扰，使得接 收端的信道估计和均衡处理更加复杂。正交多载波通信的出现很好地解决了这个问题，它通过发送 端的串并转换和正交子载波调制把宽带的信号分在各个子带中传输，并巧妙地使用循环前缀 ( c y c l i cp e r f i x c p ) 来避免符号间的干扰，使得接收端的均衡很简单，只需要用单抽头的均衡 器就可以实现。 正交多载波传输是一种频分复用( f 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 ，f d m ) 技术，但它和传统的 频分复用是有区别的，传统的频分复用将整个频带划分成多个不重叠的子带，子带之间要留有保护 频带，因此频谱利用率低。正交多载波系统中，各子载波间彼此重叠且正交，从而有较高的频谱利 用率。文献【1 3 】的o f d m 系统，文献【1 4 】的m c - - c d m a 系统，文献【1 5 】的m c - - d s - - c d m a 系统 第2 页共1 1 2 页 中国科学技术大学博士论文第l 章绪论 都是多载波传输技术，其中o f d m 作为一种特点鲜明的技术而被广泛地应用和研究，它被普遍认 为是下一代无线移动通信的有效技术之一。自从2 0 世纪8 0 年代以来，o f d m 已经在数字音频广 播、数字视频广播、无线本地局域网以及非对称数字用户线( a d s l ) 等系统中得到了应用。 1 2 1o f d m 系统的基本原理和参数设计 在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 ) 系统中，经数字调制之后的数据流先 经过串并转换，得到m 路的并行数据流，每一路数据流进行基带成型之后，分别用m 个正交的子 载波进行调制。以下是发送端o f d m 信号的等效基带信号表达式。 + o o ，m 。- - ij 等- m ( t - l t ) 工( f ) = 4 ( m ) g ( f 一，丁1 。( 1 一1 ) i = - - m = o 其中，4 ( 朋) 表示第，个o f d m 符号第m 个子载波上调制的符号( 取自q p s k 、1 6 q a m 或其 它星座图上的点) 。g 何为成型滤波器，典型的成型滤波器使用矩形窗，但是如果采用频谱旁瓣比 较小的窗函数( 如升余弦窗等) ，可以减小各子载波的旁瓣，从而降低系统对频偏的敏感程度 【1 6 】，一般的，g ( f ) 三0 ，f 萑【0 ，t 】。瓦= m i 为不加保护间隔时一个o f d m 符号的持续时间，正 是串并转换之前的每个复数样点的持续时间。f = 乙+ t 是一个o f d m 符号的持续时间。疋是为 克服多径信道造成的符号间干扰( i n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c e ，i s i ) 而加入的保护间隔的持续时间。为 达到抗i s i 效果，通常选择t 大于信道的最大多径时延气。在这样的系统里，厶= m t 槲 m 个子载波的频率，相邻子载波间隔为f = 1 t u 。o f d m 信号各子载波的频谱特性如图卜2 所 示。 图卜2o f i ) m 信号各子载波的频谱 对x 何进行采样，采样率为z = 1 互，考察发送端第，个o f d m 符号的表达式，为简单起见， 使用g o ) = 1 ，t 【0 ，t 】，则没有加保护间隔时的序列为： 第3 页共1 1 2 页 中国科学技术大学博士论文第1 章绪论 im n - i，2 x m 而( 玎) 全而( f ) l 闽= 4 ( 聊) p 百1 ”，n = o ，m 一1 ( 1 _ 2 ) 式( 1 _ 2 ) 可以看成是对4 ( m ) 做i d f t 。加保护间隔后，相当于将符号末端的部分数据拷贝到符 号前端，构成循环前缀( c p ) ，如图1 - 3 所示。此时，发送端第，个o f d m 符号的表达式为： # ( 功：m - i 奶( m ) p j 鲁m ( n ，门：o ，p 一1 ( 1 3 ) 卅= o 其中，p = m + l 是加c p 后一个o f d m 符号的长度，其持续时间t = 互+ t = 尸正。l 为c p 长 度，持续时间t = 三i 。 图1 - 30 p 插入示意图 在合理的系统参数设计下，可以认为信道在第，个o f d m 符号持续时间内是不变的，并用阶数 为厶的f i r 滤波器岛( 刀) 等效【1 7 】。于是在系统实现时频同步的情况下，第，个o f d m 符号经过信 道之后，可表示成： 芹( 功= 矸( 门) 岛( 刀)( 1 _ 4 ) 其中，奉表示线性卷积。 在接收端，丢弃”( 玎) 中的c p 之后，可以消除相邻两个o f d m 符号之间的i s i 。由于使用了 循环前缀，所以去c p 之后，时域上的线性卷积转化成循环卷积【1 8 】： 乃( 玎) = 而( 行) 啊( ，1 )( 1 _ 5 ) 其中，圆表示循环卷积。 对去c p 后的每个符号做d f t ，根据式( 1 _ 2 ) 和式( 1 _ 5 ) 并利用d f t 的性质，可以把d f t 之后各 子载波上信号表示成： r a m ) = 珥( m ) h t ( m ) ，m = 0 ，m - 1( 1 _ 6 ) 其中i - , ( 所) 是第，个o f d m 符号的第m 个子载波上的信道频率响应。 式( 16 ) 说明信道对o f d m 信号的影响，即发送端每个子载波的调制符号经过信道之后，被乘 以信道在该子载波上的频率响应。同时也说明了，o f d m 系统的均衡很简单，只需要估计出 耳( m ) ，就可以利用如式( 1 - 7 ) 所示的单抽头均衡器实现接收信号的均衡，获得发送数据。这相对 于单载波通信，需要利用线性横向滤波器或非线性的判决反馈均衡器而言，简单了许多。 面( 肌) = y t ( m ) 珥( m ) ，m = 0 ，m l ( 1 - 7 ) 第4 页共“2 页 中国科学技术大学博士论文第1 章绪论 以上对o f d m 系统原理的描述是在合理的系统参数下进行的。o f d m 的系统参数指的是子载 波数m 和循环前缀的长度。它的设计应该考虑系统的样点速率足或者是样点的持续时间 z=lr、系统占用的信道带宽b和无线移动信道本身的特性。这里的样点是指数字调制后串并, 转换前的复数点，由于使用了子载波正交技术，所以有b = 足。 无线移动信道的一个主要特征就是多径传播【1 2 】。多径特性由信道的最大多径时延k 。表征。 信道的多径特性导致了其频率响应是频率选择性的，可以用相干带宽( 。1 衡量信道在各 频率点上的频率响应的相关程度。信道在( 。的带宽内，其频率响应具有较强的相关性，在小小 于( a f ) 。的带宽内，信道频率响应可以近似认为不变。如果信号的带宽大于( a f ) 。，其频谱将因为 受信道频率选择性的影响，产生较大的失真。 由于移动台相对于基站一般是运动的，所以无线移动信道的另一个主要特征是变化 1 2 1 ，信道 的时变特性由多普勒频移五表征。信道的时变特性导致了其在时间上也是相关的，可以用相干时 间( a t ) 。1 以表征，用于衡量信道在各时间点衰落的相关程度。信道在( a t ) 。的时间间隔内，其 衰落特性具有较强的相关性，在小小于( f ) ，的时间间隔内，信道可以近似认为是不变的。如果信 号的符号周期大于( 出) 。，该符号就会严重失真。 上述的描述反映了无线移动信道是时间和频率双重色散的。当提供给o f d m 系统的信道带宽曰 一定的前提下，o f d m 系统参数( 如子载波数m 和循环前缀长度) 的设计必须折中考虑眦或 ( v ) 。以及厶或( f ) 。两组参数的影响。 首先，要保证c p 的持续时间t = 三正 雠，以避免相邻o f d m 符号之间的干扰( i s i ) 。 其次，m 要足够大，以保证信道的频率响应在每个子载波频带f = l ( m r a 内是不变的，避免频谱 失真，而且在接收端可以用单抽头的均衡器进行均衡。和m 在满足上述的前提下，另一方面，工 不应该太大，否则系统冗余过大。m 也不能太大，否则子载波频率间隔太小，容易受多普勒频移 ，：= ，和频偏的影响，产生i c i 。此外，m 和过大也将导致o f d m 符号持续时间太长，导致信道在 该符号之内是变化的，引起符号失真。 综上所述，对于无线移动信道下的o f d m 系统参数设计，在o f d m 系统带宽一定的前提下， 合理的参数设计为：t = 三瓦 ，1 ( m t 。) ( a f ) 。，t = 尸乃( 址) 。它可以保证信道在 一个o f d m 符号持续时间内近似不变，信道频率响应在每个子载波频带内近似不变。 1 2 2o f d m 系统的关键技术 为了保证o f d m 系统具有很好的性能，需要许多关键技术加以支持。这里我们对o f d m 系统 中信号处理的几个难点技术进行简要介绍，并在本文后续章节加以研究。 1 2 2 1 频率和时间同步技术 与单载波传输系统一样，同步也是o f d m 系统的关键技术，实际上，同步是任何数字通信系 统的永恒主题。特别的是，由于o f d m 信号是利用正交的子载波以保证其互不干扰的进行传输 第5 页共1 1 2 页 中国科学技术大学博士论文 第1 章绪论 的，而且相邻子载波间隔很小。所以收发两端的本振偏差将容易导致子载波干扰( i n t e r c a r r i e r i f l t e m i r e n c e i c i ) ，严重影响系统性能。因此，如何保证接收端有精确且较大范围的频偏估 计，进而进行系统的频偏校正，实现频率同步，是o f d m 系统的一个关键技术，也是o f d m 系统 的一个技术难点。 o f d m 系统也有时间同步问题，目的也是确定传输时延，以保证有正确的符号定时，然后进行 去c p 和d f t 。一般情况下，由于c p 的存在，o f d m 系统对符号定时有一定的容忍性。但是，另 一方面，由于c p 是一种冗余，它的设计初衷是为了抗信道多径时延的，一般情况下，c p 的长度仅 略大于信道最大多径时延，因此，不会再有多大的余量用于抗因传输时延而引起的符号定时误差。 所以，o f d m 系统仍然需要较准确的时延估计，实现系统的时间同步。 1 2 2 2 信道估计技术 正如在“o f d m 系统基本原理”一节中指出的，由于发送端使用了m f r 进行调制后加c p ， 接收端去c p 后进行d f t 处理，在接收端可以很容易的利用单抽头均衡器进行均衡j 获得发送信 号。均衡时，需要信道估计值。因此，估计获得准确的信道估计值，进而实现信号均衡和相干解 调，是o f d m 系统的另一个关键技术。 1 2 2 3 峰值功率控制技术 峰值功率控制技术是o f d m + 系统的另一个关键技术。在多载波系统中，发送的信号是多个子 载波时域信号的叠加。当子载波数目较大时，由中心极限定理，发送信号可建模为高斯随机过程， 从概率的角度讲，发送信号必然存在一定的出现较大峰值的概率。通常用峰值功率与平均功率的比 值，即峰值平均功率比来表征峰值的大小。大的p a p r 会对系统性能产生较大的影响，因为要保证 发送信号不失真传输，需要线性范围非常大的功率放大器，这在实现中是非常困难的。因此，如果 不抑制这种峰值，功放的非线性失真将会造成信号失真，尤其是对多载波系统，会产生严重的子载 波间干扰和带外泄漏，造成系统性能的恶化。峰值功率的控制问题一直是o f d m 系统研究中的重 点，为解决这个问题现在已经提出了很多的算法 1 9 2 1 1 等。文献【2 2 】对各种p a p r 抑制算法做了分 类和比较。 o f d m 系统，作为一种特殊的，新型的通信系统，一方面，它的时延、频偏估计和信道估计仍 然可以采用1 1 节介绍的各种同步和信道估计算法来实现，另一方面，由于o f d m 信号本身的特 殊性，o f d m 系统的时延、频偏估计和信道估计可以用更直接、灵活，甚至更简单的方法来实现。 本文在后续的章节中，将对o f d m 系统的时频、频偏估计技术和信道估计技术做详细地归纳和总 结，并提出新的算法。图l - 4 是一个包含信道估计和时频同步模块的o f d m 系统传输框图。 第6 页共1 1 2 页 中国科学技术大学博士论文 第l 章绪论 注：图中的( i ) 和( 2 ) 均可以作为时延、频偏、信道估计各处理 模块的输入信号，具体使用哪一个作为模块输入信号，依这些模块 使用的算法的需要而定 图1 _ 4o f d m 系统信号处理流程框图 1 2 3o f d m 系统的应用领域 综上所述，o f d m 系统的主要优点有： 1 通过合理的设计c p 的长度，o f d m 系统可以有效的抗信道多径，从而避免i s i 。 2 均衡简单。接收端，通过去c p 和d f t 处理后，只需要使用单抽头的均衡器就可以抵消信 道的影响。 3 相对于单载波系统，o f d m 系统对脉冲干扰不敏感。因为o f d m 符号的周期较长，脉冲 干扰对其影响小。从频域上看，时域上能量集中的脉冲干扰变换到频域后，分散到所有频 率分量上，因而每个子载波上的干扰能量就小。 4 尽可能实现系统最大容量传输 2 3 】。子载波是对频率资源的精细划分，根据每个子载波的 信道环境和噪声情况，选择不同的调制方式，使用各种自适应算法，对频率资源进行更为 精细灵活的控制，从而实现最大容量的信息传输。 相对于单载波系统，o f d m 系统的主要缺点则是：峰值平均功率比高，对时频同步特别是频率 同步误差敏感。因此，o f d m 系统的关键技术除信道估计技术外，还有峰值功率控制技术和时频同 步技术。 总之，o f d m 作为一种特点鲜明的技术而被广泛地应用和研究，而且被普遍认为是下一代无线 移动通信的有效技术之一。自从2 0 世纪8 0 年代以来，o f d m 已经在数字音频广播、数字视频广 播、无线本地局域网以及非对称数字用户线等系统中得到了应用。 1 数字音频广播系统( d i g i t a la u d i ob r o a d c a s t i n g ，d a b ) 2 4 】是在a m 和f m 等模拟广播基 础上发展起来的，可以提供与c d 相媲美的音质，以及其它的新型数据业务。1 9 9 5 年，由 欧洲电信标准协会( e t s i ) 制定了d a b 标准，这是第一个使用o f d m 技术的标准。 第7 页共1 1 2 页 中国科学技术大学博士论文第1 章绪论 2 数字视频广播系统( d i g i t a lv i d e ob r o a d c a s t i n g ，d v b ) 【2 5 是从1 9 9 3 年开始开发的，用于 通过卫星( d v b s ) 、电缆( d v b c ) 以及地面( d v b t ) 发射机来传递数字视频信号， 1 9 9 7 年通过了d v b t 标准，分别采用子载波个数为2 0 4 8 和8 1 9 2 的o f d m 技术。 3 无线a t m 网络演示设备( m a g i cw a n d ) 【2 6 是欧洲a c t s ( 高级通信技术和服务器) 项 目中的一个组成部分，它是在o f d m 调制基础上实施a t m 网络。m a g i cw a n d 中基于 a t m 的无线方案构成h i p e r l a n 2 标准中的数据链路层基础。m a g i cw a n d 采用子载波 数目为1 6 的o f d m ，以便实施。 4 无线局域网( w l a n ) 的主要标准有i e e e 8 0 2 1 l a ，h i p e r l a n 2 ，i e e e 8 0 2 1 6 a 等 2 7 ， 2 s 。i e e e 8 0 2 1 1 a 于1 9 9 8 年制定，是第一个把o f d m 技术应用于分组业务的通信标准， 它工作在5 g h z 频段，利用o f d m 作为物理层技术，提供6 m b i t s 到5 4 m b i t s 的数据速 率。欧洲h i p e r l a n 标准的开发是1 9 9 5 年开始的，最后的结果是在1 9 9 9 年6 月制定的 h i p e r l a n 2 系统。其物理层基本与i e e e 8 0 2 1 1 a 一样，两者之间的不同在于高层的网络 协议有所不同。这两种无线局域网被设计在数百米的范围内使用，能够容纳的最大多径延 时为0 8 u s 。另外一类是无线城域接入网标准i e e e 8 0 2 1 6 a ，用于将8 0 2 1l 热点连接到互联 网，它可作为线缆和d s l 的无线扩展技术，从而实现最后一英里宽带接入。8 0 2 1 6 a 规范 较高的频谱可以为微蜂窝塔或塔链路提供更高容量的链路，其覆盖范围在可视距离( 1 i n e o f - s i g h t ) 之内，最大可在5 0 k i n 的范围内使用，每个扇区中能够支持7 0 m b p s 的高速数据 传输。 5 非对称数字用户线( 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 o o p ，a d s l ) 是2 0 世纪8 0 年代末提出 的，它采用数字信号处理的方法和有创意的算法将信息压缩，并通过双绞线进行传输。在 调制技术方面，a d s l 先后采用了正交幅度调制( q a m ) ，无载波幅