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摘要 摘要 正交频分复用( o f d m ) 是一种具有高频谱利用率和抗多径衰落能力的多载 波调制技术，在通信中得到广泛应用，是第四代移动通信中的核心技术之一。通 信技术的飞速发展，对非协作通信信号的接收和处理提出新的要求。本文以非协 作接收为应用背景，深入研究了o f d m 信号检测与调制识别方法。 利用o f d m 信号的高斯性、自相关性和周期平稳等特性，对o f d m 信号检 测、参数估计和子载波调制方式识别三个方面进行了深入的分析和研究。主要工 作包括以下几个方面： 1 o f d m 信号检测。首先对现有的o f d m 信号检测方法进行总结，分析现 有方法的优缺点；然后通过对o f d m 信号累积量的分析，构造了一组新的检测 特征量，提出了一种新的频率选择性衰落信道下的o f d m 信号检测方法。和已 有的方法相比，新方法能够显著提高低信噪比和频率选择性衰落信道条件下检测 o f d m 信号的性能。 2 o f d m 信号的参数估计。对o f d m 信号的符号率、子载波数、定时和频 偏等重要的参数，依次描述了基于自相关的o f d m 符号率估计方法、基于o f d m 信号周期平稳特性的子载波数估计方法和基于最小二乘的定时频偏联合估计方 法。 3 o f d m 信号子载波调制识别。首先对现有的o f d m 子载波调制方式识别 方法进行总结，然后借鉴单载波调制识别思想和方法，提出了一种基于分级分类 的o f d m 子载波调制识别方法。该方法采用高阶累积量组合作为分类特征量， 能够对包括空子载波在内的常用调制方式进行有效的识别。 关键词：正交频分复用，信号检测，参数估计，调制识别，高斯性，自相关， 周期平稳性 a b s t r a c t a b s t r a c t o 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 ( o f d m ) i sam u l t i 。c a r r i e r m o d u l a t i o n t e c h n o l o g y , w h i c h h a s h i g h e rs p e c t r u m ef f i c i e n c ya n db e t t e r a n t i m u l t i p a t h f a d i n ga b i l i t y i th a sb e e nw i d e l yu s e di nt h ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m s ， a n di so n eo fk e yt e c h n o l o g i e so f4 mg 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 w i t h r a p i dd e v e l o p m e n to fc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , n o n c o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g yi sf a c i n gs o m en e wc h a l l e n g e s t h et h e s i s ，w i t ht h en o n o p e r a t i v er e c e i v i n g o fo f d ms i g n a la sa p p l i c a t i o nb a c k g r o u n d ，f o c u s e so nt h eo f d ms i g n a ld e t e c t i o n a n dm o d u l a t i o ni d e n t i f i c a t i o n t h eo f d ms i g n a ld e t e c t i o n ，p a r a m e t e r se s t i m a t i o na n dm o d u l a t i o ni d e n t i f i c a t i o n a r ea n a l y z e da n ds t u d i e di nt h i st h e s i s w h i c hi sb a s e do nt h ef e a t u r e so fo f d ms i g n a l ， s u c ha s g a u s s i a n i t y , a u t o c o r r e l a t i o na n dc y c l o s t a t i o n a r i t y t h e m a i nw o r ki sa s f o l l o w s 1 o f d ms i g n a ld e t e c t i o n t h ee x i s t i n go f d ms i g n a ld e t e c t i o nm e t h o d sa l e s u r v e i e d t h r o u g ha n a l y s i so fc u m u l a n t so fo f d ms i g n a l ，an e wd e t e c t i o nm e t h o df o r o f d ms i g n a lo v e rf 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 l si sp r o p o s e d ，w h i c hi sm a i n l y b a s e do nn e wc h a r a c t e r i s t i cq u a n t i t i e s t h e o r e t i c a la n a l y s e sa n dc o m p u t e rs i m u l a t i o n s s h o wt h a t ，c o m p a r e dw i t ho t h e re x i s t i n gm e t h o d s ，t h ep r o p o s e dm e t h o dn o to n l yc a n e f f e c t i v e l ye l i m i n a t et h ei m p a c to ff 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 l s ，b u ta l s oh a s b e a e rd e t e c t i o np e r f o r m a n c eu n d e rl o ws n rc o n d i t i o n 2 o f d ms i g n a l p a r a m e t e r s e s t i m a t i o n e s t i m a t i o na p p r o a c h e so fs o m e i m p o r t a n tp a r a m e t e r so fo f d ms i g n a l a r ed e s c r i b e d ，w h i c hi n c l u d es y m b o lr a t e e s t i m a t i o nm e t h o db a s e do na u t o c o r r e l a t i o n ，s u b c a r r i e r - n u m b e re s t i m a t i o nm e t h o d b a s e do nc y c l o s t a t i o n a r i t ya n dt i m i n ga n df r e q u e n c yo f f s e tj o i n te s t i m a t i o nm e t h o d b a s e do nl e a s ts q u a r e s 3 o f d ms u b c a r r i e r sm o d u l a t i o ni d e n t i f i c a t i o n t h ee x i s t i n g m e t h o d sf o r i d e n t i f i c a t i o no fo f d ms u b c a r r i e r sm o d u l a t i o na l es u m m a r i z e da n da n a l y z e d t h r o u g hc o m b i n i n gt h ei d e a so fs i n g l e c a r r i e rm o d u l a t i o nc l a s s i f i c a t i o na n dt h e e x i s t i n gm e t h o d s ，a h i e r a r c h i c a lm e t h o df o ro f d ms u b c a r r i c e rm o d u l m i o n i d e n t i f i c a t i o ni sp r e s e n t e d t h ep r o p o s e dm e t h o d ，w h i c hu t i l i z e dh i g h - o r d e rc u m u l a n t s a sc h a r a c t e r i s t i cq u a n t i t y , c a ne f f e c t i v e l yi d e n t i f yt y p i c a ls u b c a r r i e rm o d u l a t i o n s ( i n c l u d i n gn u l ls u b c a r r i e r ) i i i ab s t r a c t k e yw o r d s ：o f d m ，s i g n a ld e t e c t i o n ，p a r a m e t e r se s t i m a t i o n ，m o d u l a t i o n i d e n t i f i c a t i o n ，g a u s s i a n i t y , a u t o c o r r e l a t i o n ，c y c l o s t a t i o n a r i t y i v 中国科学技术大学学位论文原创性声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作所取得的成 果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任何他人已经发表或撰写 过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了明确 的说明。 作者签名：至重 签字日期： 丕：望：塞 中国科学技术大学学位论文授权使用声明 作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者授权中国科学技术大学拥 有学位论文的部分使用权，即：学校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交 论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。本人 提交的电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 日公开口保密( 年) 作者签名：玉重 签字日期：趁! 呈：墨 导师签名： 签字日期： 第1 章绪论 第l 章绪论 随着通信技术的飞速发展，以及用户对信息传输要求的不断提高，通信信号 的调制方式经历了由模拟到数字，由简单到复杂的发展过程。当前，移动通信、 数据通信和i n t e m e t 飞速发展，日益融合。当前，高速率高质量的实时多媒体和 非实时高速率的数据传输、多网合一和多业务融合等应用需求，推动着第四代移 动通信技术的研究深入展开。正交频分复用( o f d m ) 作为第四代移动通信中的 核心技术，是一种高频谱利用率的多载波调制技术，具有很强的抗多径干扰、抗 衰落能力【1 】【2 】【3 】。目前o f d m 已被广泛的应用于非对称的用户环路( a d s l ) 、e t s l 标准的数字音频广播( d a b ) 、数字视频广播( d v b ) 、高清晰度电视( h d t v ) 和基于i e e e 8 0 2 1 1 标准的无线局域网( w l a n ) 中。 1 1 论文研究背景 1 1 1o f d m 基本原理 正交频分复用( o f d m ) 是多载波调制( m c m ) 技术的一种。o f d m 的基 本思想【1 2 1 1 3 是：将信道分成若干正交子信道，将串行的高速数据流信号转换成 并行的低速子数据流，调制到每个子信道上进行传输。当子载波数足够多时，每 个子信道上的信号带宽就小于信道的相关带宽，此时每个子信道都可以看成平坦 衰落的信道，从而具有很强的抗多径衰落能力。并且由于每个子信道的带宽仅仅 是原信道带宽的一小部分，信道均衡变得相对容易。o f d m 系统框图如图1 1 所 示。 鱼西一 争叫积司马 f p p l ， 艋玉蠕 s pp s盟叵卜p s 吨梦叫积分l 写 图i 1o f d m 系统框图 由图1 1 可以看出，一个o f d m 符号包含了多个经过调制的子载波，而每 l 第1 章绪论 个子载波可以灵活采用m p s k 或m q a m 符号调制。o f d m 符号可以表示为： 型 s ( t ) = d , r e c t ( t 一一t 2 ) e x p ( j 2 z c f , ( t t ) ) ，+ 丁 ( 1 1 ) 式( 1 1 ) 中，n 表示子载波的个数；t 表示o f d m 符号的宽度；z 表示分配 给每个子信道的经过调制的符号；z 表示第f 个子载波的频率，z = z + i t ，z 是载波频率；r e c t ( t ) 表示矩形函数，r e c t ( t ) = 1 ，i ，峰t 2 。s ( t ) = 0 ，t t + 。 不难证明，各个子载波是正交的，即： 专x p ( 2 石z ，) e x p ( 一，2 筇厶，) d t = ：i ： ( - 2 ) 对式( 1 1 ) 中的第f 个子载波进行解调，然后在时间长度t 内进行积分，即 乏= 吾f ，州e x p ( 一j 2 万彳。一) ) j o ) a t = z ( 1 3 ) 由式( 1 3 ) 可见，接收端对第f 个子载波进行解调便可恢复出期望的符号。对 于其它子载波而言，由于在积分间隔内，载波频率之间有整数倍个周期倒数，所 以积分结果为零。 因此，在o f d m 系统中，每个子载波的带宽为1 t ，而o f d m 符号的总带 宽为nf to 子载波之间的这种正交性也可以从频域的角度来解释：每个o f d m 符号在 其时间长度丁内包含多个非零子载波，因此其频谱可以看作是时间长度为丁的矩 形脉冲的频谱与一组位于各个子载波频率上的万函数的卷积的叠加。而矩形脉冲 的频谱幅值为s i n c ( f ) ，这种函数的零点出现在频率为1 r 整数倍的位置上。因 此在计算每个子载波频率上的值时，其它子载波对它的干扰为零，即不会引起 i c i 。如图1 2 所示。 2 图1 2o f d m 子载波正交性示意图 第1 章绪论 o f d m 的另一个优点是，它的各个子信道中的调制和解调可以采用i d f t 和 d f t 来实现，对于子载波数n 很大时，可通过i f f t 和f f t 来实现，从而大大 减少了计算的复杂度。 令j ( f ) 中的t ，= 0 ，忽略矩形函数，对s ( f ) 以t = t n 的速率进行抽样，即令 t = k tfn 可得： n - i s i = ze x p ( j 2 z i k n ) ( 0 k n 一1 ) ?(14)n-i 1 一 、7 4 = 言唧e x p ( 一j 2 z i k n ) ( o f n 一1 ) i 1k = 0 因此，o f d m 的调制和解调可以分别由i d f t 和d f t 代替。通过点的i d f t 运算，把频域符号z 转换为时域符号s 。，然后通过射频载波调制发送出去。在接 收端，先对接收信号进行下变频，再通过点的d f t 运算，把时域符号s 。恢复 为频域符号谚，从而获得原始发送数据。为了简化运算量，i d f t 和d f t 可以通 过i f f t 和f f t 来实现。 应用o f d m 的一个主要原因是因为它可以有效地对抗多径时延扩展。它通 过把输入的数据流串并转换为个并行的子信道中，使得每个用于调制子载波 的数据符号周期扩大为原始数据周期的倍，因此时延扩展与符号周期的比值 也就同样降低了倍，大大减少了i s i 。为了能最大限度地消除i s i ，可以通过在 每个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 ) ，并且保护间隔疋需要大于无 线传输信道的最大时延扩展，这样一个符号的多径分量就不会对下一个符号造成 干扰。此时只要定时准确，就能完全地消除i s i 。如图1 3 所示 第i 们枵 k 一 第i + 1 僻拇 k一 时i 酣展 图1 3o f d m 保护间隔示意图 在保护间隔内，可以不插任何的信号，即这个传输时段是空闲的。但是在这 种情况下，由于多径传播的影响，子载波之间的正交性会遭到破坏，从而引起i c i ， 这种效应可用图1 4 解释。 可见，在f f t 的周期内，这两个子载波之间不再满足正交性，因此会引起 i c i ，此时需要采取特定的措施来消除i c i 。 为了使延时不同的各个子载波在f f t 周期内都是正交的，可以在保护间隔 3 第1 章绪论 内插入循环前缀( c y c l i cp r e f i x ) ，即把o f d m 符号后面乇长度的内容，复制到 符号前面作为保护间隔。这样就可以保证在f f t 周期内，o f d m 符号的延时副 本内所包含的波形的周期个数也是整数，此时，时延小于t 的子载波延时信号就 不会在解调时对其它子载波信号产生i c i 。如图1 5 所示。 k 卜，4 - 一- j 保护间隔f f r 周期 图14o f d m 保护间隔没有数据的示意图 卜- - l - _ 一一 保护阃隔 f f t 周期 i 一一 o f d m 符号时阋长度 图1 5o f d m 保护间隔为循环前缀示意图 由于多径时延扩展，加入c p 后的每个子载波在接收端进行f f t 时，相当于 它们在频率上各自进行了不同的相位旋转后再进行f f t ，这不会影响子载波间的 正交性，可以采用信道均衡方法消除影响，从而恢复出原始的发送数据。可见， 通过保护间隔和循环前缀，o f d m 可以有效地对抗多径时延扩展，消除i s i 和i c i ， 极大地简化了均衡的复杂度。 令式( 1 1 ) 中的t ，= 0 ，有 m 卜赤善z r e c t ( t - t 2 ) e x p ( j 2 r c a 吐o ， 丁( 1 5 ) r e c t ( t ) = l ，i f f t 2 4 第1 章绪论 其中，1 为功率归一化因子，z = z + i t 为子载波频率。则o f d m 符 号功率谱密度为： ls ( ) 1 2 = f 尺( 旯) e - j 2 “t f 2 d a( 1 6 ) 其中，r ( x ) 是信号j ( ，) 的自相关函数，r ( 旯) = e s ( t + a ) j ( f ) ) 。 把只( a ) 代入式( 1 6 ) ，化简可得o f d m 符号功率谱密度表达式 愀胪2 万1 缶n - i 咿筹1 2 ( 1 7 ) o f d m 符号的功率谱密度衰减比较慢，这样带外辐射就比较大。随着子载 波数的增加，功率谱密度下降的速度虽然会加快，但还是不够，这泄露了不少系 统能量。因此必须采取一定的措施来减少o f d m 系统的带外辐射。 为了让o f d m 宽带之外的功率谱密度下降得更快，需要对o f d m 符号进行 “加窗”。对o f d m 符号“加窗”意味着：令符号周边的幅值逐渐过渡为零。通 常采样的窗类型为升余弦函数，其定义如下： o 5 + o 5c o s ( + t n - ( p l ) ) 0 t z w ( f ) = 1 0 夕乏t 艺 ( 1 8 ) l o 5 + o 5 c o s ( ( t r o ) x ( z ) ) 瓦t ( 1 + p ) l 这里，= 丁+ 乙为o f d m 符号的长度，乃为可以互相覆盖的区域。 这样，完整的o f d m 基带收发机的结构如图1 6 所示： 图1 6o f d m 基带收发机流程 1 1 2 自适应o f d m 系统 o f d m 将所要传输的串行数据流分解成若干路并行的子数据流，使用相互正 交的一组子载波构成子信道来传输各个子数据流。在频率选择性衰落信道中， o f d m 不同子信道中的误码率与频率域的信道传输函数有关，误码主要集中在发 生深衰落的子信道中。在o f d m 信号传输时，如果能够鉴别这些发生深衰落的子 载波，并且不在这些子载波上加载信息，则系统的误码率会大大降低，这样做的 代价是传输效率有一定降低。但是注意到，频率域的衰落可以使某些信道的质量 5 第1 章绪论 变差，同时也可以改善其它一些信道，使其具有更高的传输质量。如果在质量高 的信道中采用传输效率高的高阶调制，则可以大大提高系统的传输容量。这就是 在o f d m 系统使用自适应调制的基本思想旺1 。 与自适应单载波相同，自适应o f d m 系统中的关键步骤也包括： 1 信道估计：信号发射机估计、预测下一次传输时的信道的传输函数，以 便选择信号传输采用的参数。 2 信号传输调制方式选择：在信道状态预测的基础上，信号发射机为各子 载波选择合适的调制方式。 3 信号参数的信令告知或盲信号检测：为了正确接收信号，自适应接收机 需要知道发射机发射信号时所采用的参数信息。这些信息可以包含在 o f d m 码元中以信令方式传递，也可以通过盲信号参数检测技术实现对 接收信号的检测，获得信号的参数信息。 自适应o f d m 中采用的自适应方式可以分为基于单子载波 ( s u b c a r r i e r b y s u b c a r r i e ra d a p t a t i o n ：s b s a ) 的方式和基于子载波组( s u b b a n d a d a p t a t i o n ：s a ) 的方式。 s b s a 方式的基本原理是系统评估每一个子信道的信道质量，根据信道质量 调整每一子载波发送的信号参数。调制方式的选择其实就是在信道传输效率和整 体的b e r 性能之间作一个折中。对于信道质量高的子信道，可采用高阶的调制方 式，使每一码元具有较高的比特数( b i t sp e rs y m b o l ：b p s ) ，以提高传输的效率； 对于信道质量较低的子信道，可采用低阶的调制方式：以保证具有允许的误比特 率( b i te r r o rr a t e - b e r ) ，保持系统传输的可靠性；而对于深度衰落的子信道， 可不在此子信道上传输信息，使其变成个空子载波。 s a 方式首先把全部子载波分成若干组，每一组包含若干相邻子载波。自适 应调制时对一个子载波组内的所有子载波均采用相同的调制方式。由于信道传输 函数在同一个子载波组内可能不保持恒定，因此基于子载波组的自适应方式对于 某些子载波而言是次优的。不过s a 方式在采用信令传递时，所需要的信令信息 比s b s a 方式少，系统的复杂性也低。 如果两个终端之间的信道是双向对称的，每个终端可以根据接收到的o f d m 信号估计信道质量，并自适应调整发送信号的参数，这种方式为开环自适应方式。 如果两个终端之间信道不对称，通信双方则无法从接收信号中直接估计出发送信 道的质量。这种情况下，信道质量估计和参数自适应由链路的接收方完成并在反 向链路以信令的方式告知发射方信号传输应该采用的参数，这种方式称为闭环自 适应方式。 在自适应o f d m 中，为了正确解调传输的数据，接收端必须知道发送时每 6 第l 章绪论 个子载波的调制方式。有两种方法：传递参数信令或者盲检测。传递参数信令就 是将调制信息嵌入到发送的数据符号中去。由于信道数比较多，信号的带宽也比 较大，因此子信道之间的衰落特性是不同的。发射机根据各子信道衰落的特点自 适应改变子信道信号采用的参数，信令传递则必须包含每个子信道信号的参数信 息，需要传送的信令信息的大小与子载波数成正比。特别当自适应方式是s b s a 时，这种信令传递所需的开销就非常大。调制方式盲识别由于不需要传输信令， 可以最小化数据带宽的损失。所以采用调制方式盲识别就能提高传输效率和频谱 利用率。 1 2 论文的研究内容 通信技术的飞速发展，对非协作通信信号的接收和处理提出新的要求。本文 以非协作接收为应用背景，对o f d m 信号检测与调制识别方法进行深入研究。 o f d m 信号的非协作接收，是指在正常通信双方采用o f d m 调制方式建立 通信连接的情况下，非协作接收方从空中无线接口接收通信双方的信号。此时， 非协作接收方并不知道正常通信双方采用的是o f d m 调制方式以及各种调制参 数，因而需要对接收信号进行分析。如果检测出是o f d m 信号，则进一步提取 各项特征参数，然后在此基础上解调o f d m 信号。 要完成o f d m 信号的非协作接收，需要解决以下三个关键问题： 1 o f d m 信号检测问题 非协作接收首先要解决o f d m 信号检测问题。在现实通信环境中，通信信 号的种类非常多，但是通常是各种调制的单载波信号，而o f d m 是多载波信号。 所以o f d m 信号检测问题就可以看成是对多载波与单载波信号进行区分识别的 问题。 2 o f d m 参数估计问题 o f d m 参数估计问题，包括o f d m 系统参数的估计和同步参数的估计。系 统参数，包括载频、符号率、循环前缀长度、子载波个数等等。准确估计出o f d m 的系统参数，才能进行正确的解调参数配置。与协作通信接收一样，o f d m 系 统的同步问题也是非协作接收的关键问题之一。 3 o f d m 调制识别问题 o f d m 的一个显著特点是，子载波上的调制方式灵活多变。子载波上的调 制方式，可以是m p s k 和m q a m 中的任何一种，也可以是空子载波，具体选择 哪种方式，根据信道情况决定。因此，o f d m 子载波调制方式识别，是o f d m 非协作接收的重要部分。 针对上述三个问题，本文分别对o f d m 信号的检测方法、重要的参数估计 7 第1 章绪论 方法和子载波调制方式识别方法进行研究。 本文讨论o f d m 信号接收处理的具体流程如下：接收到的信号首先经过 o f d m 信号检测，以区分是单载波和多载波信号，便于下一步处理。然后，对 o f d m 信号进行参数估计，得到信号的符号率，信号的循环前缀长度和子载波 个数( f f t 点数) 等系统参数，将它们分别用于信号定时，去循环前缀和f f t 。 对信号进行同步参数估计，得到系统频偏和定时估计，然后对信号进行频偏和定 时校正。接下来串并变换后，经过f f t ，然后进行子载波调制方式的识别，识别 的结果用于子载波上的符号解调。子载波解调的结果输出，用于之后的解码处理 ( 不属于本文讨论的范畴) 。整个o f d m 信号接收处理的具体流程如图1 7 所 示。 由图1 7 可以看出，o f d m 信号检测，参数估计和子载波调制方式识别( 图 中着色的部分) 是依次进行的，顺序不能颠倒。在进行各部分方法研究的时候， 必须清楚每部分研究的前提条件，不能将未知的条件当作已知的，更不能将后面 得出的结论搬到前面当作已知条件，但是前面得出的结论可以作为后面部分研究 的已知条件。 图1 7o f d m 信号非协作接收处理的流程图 1 3 论文的结构安排 本论文主要有三个部分：o f d m 信号检测；o f d m 参数估计；o f d m 调制 识别。具体内容安排如下： 第1 章阐述本文的研究背景。简要介绍了o f d m 基本原理和自适应o f d m 系统，表明了o f d m 信号检测和调制识别在o f d m 非协作接收中的重要性，给 出了o f d m 信号检测、特征参数估计和调制识别的具体研究内容和相互关系， 并给出流程框图。 第2 章研究o f d m 信号检测方法。由于高阶统计量在这个领域的广泛应用， 所以首先介绍高阶统计量的定义和性质，然后对现有的各类o f d m 信号检测方 r 第1 章绪论 法进行分析，总结已有方法的优缺点。针对现有o f d m 信号检测方法的缺点， 通过对接收信号累积量的分析，构造一组新的检测特征量，提出一种新的检测方 法，通过仿真实验和比较，表明本文提出的方法能够显著提高低信噪比和频率选 择性衰落信道条件下检测o f d m 信号的性能。 第3 章研究o f d m 参数估计方法。本章重点阐述了o f d m 符号率、子载波 数、定时、频偏等参数的估计方法。符号率是一个非常重要的系统参数，本章首 先给出一种基于o f d m 自相关性来估计o f d m 符号率等时域参数的方法，该方 法不需要任何先验信息，并且简单实用。其次，介绍了信号的周期平稳特性和一 些表征此特性的特征量定义及性质，讨论周期平稳信号与平稳信号的关系。然后 讨论了基于o f d m 信号周期平稳特性的子载波数估计方法。最后，给出了一种 基于最小二乘的频率选择性衰落信道下o f d m 信号定时频偏联合估计方法。 第4 章研究o f d m 调制识别方法。首先介绍o f d m 子载波调制方式识别所 采用的等效数学模型，然后总结现有的o f d m 子载波调制识别方法，最后结合 单载波调制识别方法和现有方法的思想，提出一种基于分级分类的o f d m 子载 波调制方式识别方法。 第5 章对本文的工作进行了总结，指出需要进一步开展研究的工作。 参考文献 【l 】王文博，郑侃宽带无线通信o f d m 技术 m 】人民邮电出版社2 0 0 7 8 【2 】汪裕民o f d m 关键技术与应用 m 】机械工业出版社2 0 0 7 1 【3 】佟学俭，罗涛o f d m 移动通信技术原理与应用【m 】人民邮电出版社 2 0 0 3 6 9 第2 章o f d m 信号险测 第2 章o f d m 信号检测 2 1 引言 本章对o f d m 信号检测方法进行研究。从图1 7 看出，这是o f d m 信号非 协作接收处理的第一步，目的是判断接收信号是o f d m 信号还是单载波调制信 号，因为只有判断出信号是o f d m 信号后，之后进行的o f d m 参数估计和子载 波调制方式识别才有意义。由于是接收信号处理过程的第一步，o f d m 信号检 测可利用的相关先验知识基本没有或者说很少。 目前，对o f d m 信号的检测方法业已有了一些研究。一般来说，在不同的 信道条件下，o f d m 信号检测方法也不尽相同。在加性高斯白噪声( a w g n ) 信道下的o f d m 信号检测方法中，最早也是最经典的是a k m o u c h e 提出的方法i l j ， 该方法利用基带多载波信号近似满足正态分布，而基带单载波信号属于非正态分 布的特点，采用g m 高斯性检测方法1 2 j 检测o f d m 信号。文献【3 在文献【1 的基 础上作了改进，不需要计算协方差矩阵和估计符号率，减小了运算量。但是，这 两种方法都是在基带进行处理的，因此需要进行载波同步，特别是这两种方法都 只适用于加性高斯白噪声信道。在实际的复杂的通信环境中，由于频率选择性衰 落信道的影响，单载波调制信号也会呈现出高斯性，从而破坏了其非正态分布的 特性，所以基于高斯性的o f d m 信号检测方法的正确检测率将大大降低。在单 径r a y l e i g h 衰落信道下的o f d m 检测方法中，文献1 4 】提出了基于高阶混合矩的 盲检测方法，对中频采样值直接进行检测，避免了载波同步处理过程；该方法利 用了信噪比和分类特征的联合估计方法，但是计算和迭代过程比较复杂。文献【5 】 提出了基于累积量的分类特征来区分单载波与o f d m 信号，方法比较简单，在 高信噪比时具有较高的正确检测率，但是在低信噪比时正确检测率较低。在多径 慢衰落信道下的o f d m 检测方法中，文献【6 】提出了基于归一化四阶累积量的检 测方法，对o f d m 信号的正确检测率较高，但是不同信噪比下的门限不一样， 这就需要估计接收信号的信噪比来确定门限值，增加了方法复杂度。在多径 r a y l e i g h 快衰落信道下的o f d m 检测方法中，文献【7 】将文献【4 】中的方法进一步 应用到双径等功率r a y l e i g h 信道中。文献【8 】提出了一种基于高阶累积量组合的 方法，在高信噪比的情况下能够有效检测o f d m 信号。 本章的内容安排如下：2 2 节首先介绍了高阶统计量的定义和性质，然后对 现有的各类o f d m 信号检测方法进行分析，总结已有方法的优缺点。2 3 节针对 现有o f d m 信号检测方法的缺点，通过对接收信号累积量的分析，构造了一组 新的检测特征量，提出一种新的检测方法，能够显著提高低信噪比和频率选择性 第2 章o f d m 信号检测 衰落信道条件下检测o f d m 信号的性能， 适用。2 4 节对新方法的性能进行了仿真， 2 5 节对本章主要内容进行了总结。 2 2 现有o f d m 信号检测方法 在d s c d m a 信号存在的情况下依然 并且和已有的方法进行了性能对比。 2 2 1高阶统计量的定义和性质 给定二组力个平稳实随机变量如，s ：，勘 ，它们的联合，= 毛+ 乞+ + 吒阶 累积量定义为： c u m s i ，s 参，s ，】全( 一) 7( 2 1 ) 其中( 嵋，w 2 ，心) 全e e x p j ( w l s l + w 2 s 2 + + j 。) 】) 是随机变量的联合特 征函数，则h l m ( ，w z ，) 被称为累积量生成函数。对于一个具有零均值的平 稳复随机过程s ( k ) ，它的p + q 阶累量可以写为： q 垤，= c u m ( f ( 蝣，s ( 七2 ，f + ( 班一，j ( 七2 ) ( 2 2 ) r i _ 定义m 御= 日s ( 尼) 舢( s ( 尼) ) 9 】为序列的p 阶混合矩，则2 阶到6 阶累积量可 以写成下面的形式： 1 2 c 2 。= m 2 。= 目s ( 七) 2 】( 2 3 ) c 2 ，= m 2 。= 硎s ( 七) 1 2 】 c 4 0 = m 4 0 一3 m 之 c 4 。= 鸩。一3 鸩。鸩。 c 4 2 = 心：一l m ：。1 2 2 3 4 2 2 1 c 6 0 = m 6 0 一1 5 m 4 0 m 2 0 + 3 0 ( m 2 0 ) 3 c 6 3 = m 6 3 9 m 4 l m 2 l 一6 ( m 2 1 ) 3 下面给出累积量的几个重要性质： 1 若a j ( i = 1 ，k ) 为常数，r x ，( i = 1 ，k ) 为随机变量，则有 七 c u m ( _ q x i ，以t ) = ( 兀a , ) c u m ( x , 9 , o0 9 ) i = l ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) 第2 章o f d m 信号检测 2 累积量对于其变元是对称的，即 c u m ( x t ，) = c u m ( x l , ，) ( 2 1 1 ) 其中( f l ，) 为( 1 ，尼) 的任意一个排列。 3 若随机变量 ) 与随机变量 只) 独立，则有 c u m ( x 1 + m ，x k + y k ) = c u m ( x 1 ，x k ) + c u m ( y 1 ，败) ( 2 1 2 ) 2 2 2基于高斯性的o f d m 检测方法 o f d m 信号可以看作大量独立同分布的随机变量的组合。因此，根据中心极 限定理，o f d m 信号采样的幅度在统计上近似于g a u s s i a n 分布。而单载波信号 采样的幅度则不具备这样的特性。所以，单载波调制信号和o f d m 多载波信号 可以利用g a u s s i a n 检测来区分。 通常利用高阶统计量来做g a u s s i a n 检测。g a u s s i a n 检测可分为频域g a u s s i a n 检测和时域g a u s s i a n 检测。频域g a u s s i a n 检测最早由b r i l l i n g e r l 9 1 、r o s e b l a t t l l o 】 提出，文献【1 l 】和【1 2 】采用双边一致性的非参数估计，运算量非常大，要求严格 的双谱时延边界。时域g a u s s i a n 检测可以追溯到p e a r s o n 的z 2 检测和 k o l m o g o r o v s m i m o v 检测1 1 3 】，这两种检测都是基于独立的观察数据。gb g i a n n a k i s 提出的时域g a u s s i a n 检测方法1 1 4 】，采用固定时延计算累积量向量，适 合数字调制信号的分析。 基于文献1 1 4 提出的g a u s s i a n 检测方法，文献【1 】提出了理想高斯信道下的 o f d m 信号检测方法，将o f d m 信号检