（通信与信息系统专业论文）ofdm信号的频率同步和信噪比估计研究.pdf

o f d m 情号频率同步和信噪比估计研究 摘要 这篇论文涉及的跫正交频分复用( o f d m ) 信号处理问题，成采来1 37 - 作者在8 6 3 课题中 承担的科研工作。主要包括了亩频率同步年1 1 接收信号信噪比估计两个部分。 o f d m 属丁多载波通信技术的一种，它和j 单载波技术有本质的不同。从频域观点看， o f d m 将整个通信频带分成多个子信道，并对每个子信道单独进行均衡。每个子信道的频 带都足够窄，可以认为子信道历经的都是平避衰落，闶此o f d m 其有抵抗多径衰落韵能力。 从时域来看，o f d m 信号波形近似服从止态分布，这使得o f d m 系统同单载波技术比更能 接近系统的信道容量。这些优点使得o f d m 技术已经在很多通信领域得到了应j ；l j 。但是由 于频域子信道划分得很细，载波频率小的偏著会导致很大的子信道间数据干扰，因此载波频 偏估计帮较正是o f d m 系统实现时必须勰决的问题。并旦时域信波形幅度的动态范围太丈 对收发机射频模块的线性度提出了很高的要求。 本文殡决鸵第一个问题楚o f d m 信号盲频率同步。训练数据辅助的频率同步技术已经 在基于o f d m 技术的标准中得到了应用，例如i e e e 8 0 2 ，1 1a 的物理层利用p r e a m b l e 完成初 弱步，利趟p i l o t 进行频率躁踪。本文主要研究如俺利用信号之闻鞠有的相位关系进行盲频 率同步，井给出了一个完整的盲频率同步流程。提出了在时变信道中减轻深衰落对频偏估计 葬法性能影响的措施，劳且导出了箨法参数和信噪比的关系。算法假殴系统l ：作在经变信道 环境中，因此它适删于无线局域网( w l a n ) 和周定无线接, n ( f w a ) 系统。 本文讨论的第二个阚题是o f d m 接收信号信噤眈估计方法。从等效信道的观点来看， o f d mt 作在单径线性时变信道中。本文首先将高斯信道中的传统方法扩展到线性时变信 道中。高斯信道中最大似然( m l ) f f l ! 最小方差无偏( m v u ) 方法扩展剑线性时变信道中时需要 信道冈子的信息，m 2 m 。方法虽然不需要详细的信道信息但仍需要信道因于的4 阶矩。这些 要求限割了m l 、m v u 番lm 2 m 4 方法在线性时变信遵中的应垲，为此考虑利州信道的互相 关信息进行信噪比估计。同m l 和m v u 方法相比新方法不需要详细的信道信息，同m 2 m 4 方法相比新方法所需的统计量阶数更低，并且和信号功率同酚，网此在得到精确估计绱果的 同时，新方法具有更“泛的适川范围。 关键字：o f d m ，频率同步，信噪比估计 中同科学技术人学坝i 学位论文 o f d m 待号频率同步和信噪比估计研究 a b s t r a c t t 1 f i st h e s i si sa b o u to f d ms i g n a lp r o c e s s i n g t h er e s u l t so fw h i c hc o m ef r o mt h ew o r kt h e w r i t e r si n8 6 3p r o j e c t i tm a i n l yc o v e r st w op a r t s t h eb l i n df r e q u e n c ys y n c h r o n i z a t i o na n ds n r e s t i m a t i o n o f d m ，o n ek i n do ft h em u l t i c a r r i e rc o m m u n i c a l i o ni st e c h n o l o g ye s s e n t i a l l yd i f f e r e n tf r o m t h et r a d i t i o n a ls i n g l ec a r r i e ro n e s i nt h ef r e q u e n c yd o m a i n ，o f d md i v i d e st h ew h o l eb a n di n t o l m u l t i p l es u b - c h a n n e l s t h eb a n d w i d t ho fe a c hs u b c h a n n e li sn a r r o we n o u g ht ob ec o n s i d e r e da s 。f l a tf a d i n g ，a n da st h er e s u l to f d mh a sas t r o n ga b i l i t yt oc o u n t e r a c tf r e q u e n c ys e l e c t i v ef a d i n g i nt h et i m ed o m a i n ，t h ew a v ef o r mo fo f d m is i g n a la p p r o x i m a t i v e l yo b e y st h en o r m a ld i s t r i b u t i o n ， w h i c hm a k e so f d ms y s t e mm o r eb a n d w i d t he f f e c t i v et h a ns i n g l ec a r r i e rs y s t e m s h o w e v e r , b e c a u s eo f t h en a r r o wb a n d w i d t ho f s u b - c h a n n e l ，as m a l lc a r r i e rf r e q u e n c yo f f s e tc a nl e a dt ol a r g e i n t e r - c a r r i e ri n f l u e n c e ，w h i c hi sap r o b l e mt ob er e s o l v e di np r a c t i c a la p p l i c a t i o n t h es a m et i m e ， t h el a r g er a n g eo f o f d ms i g n a la l s or e q u i r er fe l e m e n tw i t hh i g h i n e a r i t y o n et o p i cd i s c u s s e di nt h i st h e s i si st h eb l i n df r e q u e n c ys y n c h r o n i z a t i o ni no f d ms y s t e m l t h et r a i n i n gd a t aa s s i s t e d m e t h o d sh a v eb e e nw i d e l yu s e d ，s u c ha si n1 e e e 8 0 2 11a p r e a m b l ei s u s e df o rc o a r s es y n c h r o n i z a t i o na n dp i l o tf o rf r e q u e n c yt r a c k i n g t h i sp a p e ri so nt h eb l i n d f r e q u e n c ys y n c h r o n i z a t i o nw i t ht h ep h a s er e l a t i o no fr e c e i v e ds i g n a l s ，a n di tg i v e sac o m p l e t e p r o c e d u r et oe s t i m a t et h ef r e q u e n c yo f f s e t am e a s u r eat a k e nt or e d u c et h ei n f l u e n c e o fl o ws n r ， a n dt h er e l a t i o nb e t w e e nt h ep a r a m e t e ru s e da n ds n ri sd e r i v e d t h i sa l g o r i t h mp r e s u m e st h e c h a n n e li sas l o w v a r y i n go n e s oi ta p p l i e st ot h ea p p l i c a t i o n si nw l a na n df w a a n o t h e rt o p i cd i s c u s s e di ss n re s t i m a t i o no fo f d ms i g n a l o f d ms y s t e mw o r k si na p a r a l l e lt i m e w a r y i u gl i n e a rc h a n n e l f i m t ，w ee x t e n dt h et r a d i t i o n a lm e t h o d sd e v e l o p e di ng a u s s t ot h i st i m e - v a r y i n gl i n e a rc h a n n e l i nt h i sp r o c e d u r e ，m la n dm v um e t h o d sn e e dd e t a i l e d c h a n n e li n f o r m a t i o nw h i l em 2 m , ju s e st h ek u r t o s i so fc h a n n e lf a c t o ra n dt h e s er e q u i r e m e n t sl i m i t t h ea p p l i c a t i o no f t r a d i t i o n a lm e t h o d si nt i m e - v a r y i n gl i n e a rc h a n n e l s ow ec o n s i d e rn e wm e t h o d w h i c hm a k e su s eo f t h ec o r r e l a t i o ni n f o r m a t i o no f c h a n n e lf a c t o r c o m p a r e dw i t hm l ，m v ua n d m 2 m dn e wn e e d sl e s sa n dl o w e rr a n kc h a n n e l i n f o n n a t i o n a sar e s u l t t h en e wm e t h o di sm o r e a p p l i c a b l ew h e ng e e i n gp r e c i s ee s t i m a t i o nr e s u l t s k e y w o r d s ：o f d m ；f r e q u e n c ys y n c h r o n i z a t i o n ，s n re s t i m a t i o n 中同科学扯术人学 ! l 学位论文 o f d m 信号频率同步和佰噪比估计= 究 第一章绪论 第一章绪论 1 1 十年来无线通信技术的发展 未米的无线通信技术将为州户r 泛地提供各种多媒体业务，包括：语音、图像、音频、 视频和数据业务。这意味着无线通信设备不但要提供更高的速率，还要能够自由的接入各种 网络并且能在其间无缝切换。无线通信技术的e 速发展和日茄增& 的市场需求造成了现今多 种系统和制式并存的局面，这些系统不但包括蜂窝移动通信系统，例如：g s m 、i s 9 5 、 d - a m p s 、p d c 、w c d m a 、c d m a 2 0 0 雨it d ，s c d m a ，还包括无线局域网( w l a n ) ，例如： h i p e r l a n x 、：i e e e8 0 2 1 i x 和b l u e t o o t h ，无线本地环路( w l l ) ，例如：h i p e r m a n 、 h i p e r a c c e s s 和i e e e 8 0 2 1 6 以及数字音频广 | i ( d a b ) 和数字视频广播( d v b ) 系统。 因此f 一代无线系统的目标不仅仅是引入新技术满足更高速率和更多服务种类的要求，而且 还需要提供一个统一的平台对现有的技术进行整台。其中如何为未来的无线通信系统选择通 j = | | 的空中接口成为首要任务。 无线通信技术的发展兴起于上个世纪9 0 年代初，那时移动通信系统刚完成从第一代的 模拟技术( a m p s 、t a c s ) 向第= 代( 2 g ) 的数字网络( g s m 、i s 9 5 、d a m p s 、p d c ) 的转变。在此之后第三代蜂窝移动通信系统( w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 ) 被逐步标准化并得到 了商业麻心。与此同时各研究机构又将注意力转向了下一代无线系统( b 3 g 或4 g ) 的开发。 虽然对z i g 系统的要求还没有完全确定，但是一般来讲它的空中接口应该满足1 f 面的要求： 夺 博适的结构，对现有的技术进行整台 奇 高频谱利州率，在给定的有限带宽内实现更高的数据速率 夺 高可扩展性( s c a l a b i l i t y ) ，l 计多基小区结构实现更人的覆盖能力 夺高适应性雨l 可配置性，适用丁j 不同的技术种标准 夺 低成本，强的市场竞争力 夺可升级性，为新技术的引入留有余地。 1 2 多载波通信技术的发展 多载波通信的起源可以丁+ 2 0 世纪6 0 年代中期，当时c h a n g 提山了可以在带限信道上 利州多个子信道对信号进行无载波问干扰、无符号问干扰的传输【i 】【2 】。其基本原理是将 高速的数据流转化成一组低速并行发送的子流，子流数据调制在正交的子载波上。子流数据 的速率远低于原始数据速率，冈此降低由信道多径时延扩展带米的影响( 例如：符号间干扰) ， 并且简化均衡算法的复杂度。w e i n s t e i n 和e b e r t 在1 9 7 1 年发表的文章为多载波通信的发展 做山了重人贡献。他们在基带对信号进行傅利叶变换来代替_ 【4 1 ：多载波调制的振荡器组，引 入了升余弦窗的保护间隔米防i r 载波间干扰利符号间干扰【3 】。 中罔科学技术k 学硕i 。学位论义 o f d m 情号频率剥步和信嗓比估计电旰究第一章绪论 从w e i n s t e i n 和e b e r t 开始止交多载波调制的基本形式就确定下来了。从上个世纪9 0 年 代开始多载波调制技术在很多通信领域得到发展，已经形成标准的应用包括： 1 欧洲的数字音频r 播，d a b ( d i g i t a la u d i ob r o a d c a s t i n g ) 标准【9 】： 数字音频j 播开发丁2 0 世 t 1 8 0 年代它是o f d m 技术的第一个商业应朋。同传统的a m 雨i f mj 播相比，由丁采川了数字技术d a b 具有可以同c d j ：h 媲美的音质利提供更多类型 的服务。在广播信道中，由丁删户的覆盖范同很j ( 2 0 i 0 0 k m ) ，多径时延会对信号造成 非常严重的影响，这通常需要非常复杂的白适应均衡器。o f d m 技术特别遗合抵消建筑 物、山体造成的反射和人气的散射形成的多径效应。o f d m 系统通过使 _ f j 循环前缀，不 会造成符号间干扰( 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 ) ：而且整个带宽被分成很多个非常窄的 子带进行使用，在每个子载波上都是平坦衰落，可以火大降低均衡的实现复杂度。d a b 数字音频广播将不同的节目复用后放在1 5 3 6 m h z 的信道中传输，每个节目的速率因要 求不同而不同，例如c d 音质的节目速率为2 5 6 k b p s ，流行音乐仅1 9 2 k b p s ，整体的最高 速率为1 6 m b p s 。其调制方式可以采i l = 1 1 1 6 q a m ，6 4 q a m ，m p s k 和a p s k 不等，前向纠 错码可以采用r s 码或卷积码。 2无线局域网h i p e r l a n 2 和i e e e 8 0 2 11 a 4 1 | 【5 】： 这两种w l a n 标准的物理层都采j _ jo f d m 的技术，并且二者相互兼容。无线局域网的 小区人小一般不超过1 0 0 米，由信道多径效应造成的最大多径时延小于l 微秒。移动终 端( m o b i l es t o l o n ) 的运动速度北常缓慢，大约是l 米秒。这种低多普勒频移环境非常 适合f 利用o f d m 进行高速传输。无线局域网标准的制定工作开始于1 9 9 1 年前后，经 过7 年的努力，i e e e 8 0 2 t ii 一作组制定出世界上第一个w l a n 协议标准 l e e e 8 0 2 】1 a 。欧洲电信标准化协会( e t s i ) = 丁_ - 1 9 9 1 年开始制定应用丁欧洲的无线 局域网标准，2 0 0 0 年2 月，e t s ib r a n ( 宽带无线接入网络) 小组公布了h i p e r l a n 2 标准。h i p e r l a n 2 通信距离达3 0 m ，其主要应川场台为办公室、公共场所、3 0 蜂窝网 络的接入等。h i p e r l a n 2 和i e e e 8 0 2 1 l a 一作在5 g h z 频段，采h j 时分般l ：( t d d ) 区分上r 行链路相邻小区l ：作在不同频点( f d m a ) ，利用时分服用：；l 区分处于同一 个小区同一个信道的刖户( m c t d m a ) 。f f t 变换k 度是6 4 ，采样率是2 0 m h z ；每个 o f d m 符号( s y m b 0 1 ) 的妖度是4 微秒，其中0 8 微秒埘作保护间隔( g u a r dd u r a t i o n ) 。 帧艮2 毫秒，在每帧头部发送的p r e a m b l e 数据州米进行帧检测、频率同步雨l 信道估计。 在每个数据帧中发送4 个p i l o t 数据j l l = ；丁频率补偿。采埘的调制方式包括 b p s k ，q p s k ，1 6 q a m 和6 4 q a m ：前行纠错码采川1 2 3 1 4 速率的卷积码；峰值速率都 可高迭5 4 m b p s 。 3 川定无线接入标准( f w a ) h i p e r m a n 和i e e e s 0 2 1 6 a 【6 】【7 】： 吉| 定无线接入系统向俐定位置的住宅_ l j 户提供高速的无线接入服务，其网络覆盖范同可 达到2 0 k i n 。为了降低射频成，f w ai 。作在1 0 g h z 以r 频率上。冈为f w a 系统的刚 户人部分处丁城市和郊区，至少3 0 的州户敬罨j ：作谯弘视距信道中。往这种的信道 中罔刊学技术人学坝i 。学位论义 o f d m 信号频率阿步和信噪比估汁 i ：j f 究 第一章绪论 环境中，多普勒效应可以忽略但是多径时延很严重，因此具有对抗频率选择信道的能力 的多载波技术是f w a 系统的最佳选择。 目前吲定无线接入系统最基本的传输技术是o f d m ，系统同时支持t d m a 年| 1o f d m a + 使得系统可以优化突发业务和流业务。f f t 变换k 度是2 5 6 ，信道带宽1 5 - 2 8 m h z ，上 行采i l l ；j 时分纳k ( t d m a ) r 行采州时分复_ l j ( t d m ) 传输。编码方式采_ l jr s 码和卷积 码结合的方式也可以粟j ： jt u r b o 码。调制方式包括g r a y 映射的q p s k ，1 6 0 a m 和 6 4 q a m 调制。 4 美国a d s l 标准中的调制方式【8 】： 1 9 9 1 年，c h o w 提出将离散多音i 周g l j ( d i s c r e t em u l t i t o n e ，o f d m 的另一个名字) 应用于 d s l 收发机的设计。美国电联t l e 4 工作组丁1 9 9 4 年6 月完成了第一个a d s l 标准的 起草，1 9 9 5 年完成代号为t 1 e 1 4 1 3 的标准。a d s l 主要采用c a p 、d m t 两种调制方 式，要求在用户端安装p o t s 分离器，以分隔电话信号和数据信号。1 9 9 7 年出现的g l i t e 标准，是种简单的、无p o t s 分离器的a d s l 版本。1 9 9 8 年美国国家标准化委员提 出了a n s i 标准( t 1 4 1 3 l s s u e 2 d m t l i n e c o d e ) 。欧洲电信标准化委员e t s i 在a n s i t l 4 1 3 的基础上，将标准扩展，增加了满足欧洲需要的附件。j t u t 的第1 5 研究组( s g l 5 ) 专门从事a d s l 的标准化f 作，形成了g 9 2 2 标准草案，对全速率a d s l 和u a d s l 技 术进行了规范，其中g 9 2 2 】是关于全速率a d s l 的标准，g 9 2 2 2 ( 即c a l i t e ) 是关于 u a d s l 的标准。1 9 9 9 年i t u t 制订了g 9 2 2 】标准草案，对a d s l 收发器进行了规 范，该规范基ta n s i 标准( t i4 1 3 1 s s u e 2 d m t l i n e c o d e ) 之上并将1 5 m b p s 的f 行 速率和3 8 4 k b p s 的上行速率预定为晟大速率。 5 欧洲的数字视频厂播，d v b 标准【1 0 】； 数字电视j 。橘的概念起源于1 9 9 3 年，d v b 分为三种，d v b s ( s a t e l l i t e ) ：采j ；l 1 1 1 2 g h z 卫星频段进行传输的d v b 系统标准，j 泛适h 4 丁各种转发器的频带平功放。 d v b c ( c a b l e ) ：采_ ：l j 有线电视系统进行传输的d v b 系统标准。d v b t ( t e r r e s t r i a l ) ：采 州地面广橘进行传输的d v b 系统标准。地面d v b 通过两种模式利用o f d m 技术，即 分别采州于载波个数为2 0 4 8 平8 1 9 2 的o f d m 技术，根据两种子载波数目的规模，这 两种模式也分拼被当作2 k 模式平8 k 模式。该标准选定m p e g 2 作为音频及视频的编 码压缩方式，对信号源编码进行统。经压缩后的m p e g 2 码流再打包形成传输流 ( t s ) ，进行多个传输流复州，最后通过卫景、有线电视及开路电视等不同媒介传输。其 传输数据率高，误码率低，在h f c ( 光纤同轴混合电缆) 中采6 4 q a m 调制方式，- 一 个标准的8 m 电视频道传数据率可达4 0 m b p s 。 1 3b 3 0 蜂窝系统无线空中接口 除了要实现更高的数据传输述率利提供新的业务外，b 3 g 系统需要实现的一个重要目 标是对现有的披术在一个统一的平台上进行集成【j 1 】。这些现有的技术包括上一1 y 介 “的： 中国h 学披术人学坝1 学位论史 o f d m 信号频率步和信噪比估汁研究 第一章绪论 宽带甲星通信系统、陆地广播通信系统、宽带蜂窝移动通信系统、宽带无线局域网和1 宽带同 定无线接入系统。因此需要新的物理层平多址技术米在分层小区结构平变化的环境中提供动 态带宽分配地高速率服务。 图卜1b 3 g 的集成平台 i - 面以n 1 v rd o c o m o 的实验系统为例介绍种b 3 g 无线空中接口的设计。n t t d o c o m o 采川了基于多载波技术的一点对多点的蜂窝结构。它的系统设计目标是提供非对称 速率的高速多媒体服务。其无线空中接口保证了在单小区和多小区环境中切换时可以达到系 统窬昔的撮优化。在定义这个基于分组的宽带空中接口时，p 行链路采用可变扩频因子的频 分幂码分复刚，上行链路采| = 4m c d s c d m a 。f 行链路最大设计速率是1 0 0 m b p s ，上行链 路最犬殴计速率是2 0 m b p s 。建议采用f d d 模型，以简化多小区环境中小区之问的同步和独 立地对上r 性链路的资源分配。 图i 一2 表示的楚n t td o c o m o 提出的通用无线空中接口结构。j m c c d m a 的二维可变 扩频j 灭l 子平| l 臼适应信道编码以及m q a m 调制使得系统能够根据流避、信道和蜂窝环境动 态改变链路参数。通过选择时域和频域扩频因子系统可以在不同的模式间切换。例如，当时 域和频域的扩频因子都是1 时，系统是一个纯o f d m 系统；如果频域扩频闪于设成1 并且 载波数是j ，就可以将系统配置成经典的d s c d m a 结构。因此这个灵活的结构可以作为集 成现有技术的基本平台。 1 4 论文内容安排 本文分为而个部分。第一个部分是绪论。 技术标准的发展，多载波通信技术的发展以及 实例。 绪论简要介 “了上世纪9 0 年代至今无线通信 一个基丁多载波技术的通_ l 无线空中接口设计 篇一部分介2 “o f d m 系统的基本结构利物理层参数殴计。首先介纠了o f d m 系统r 作 的无线移动通信链路，无线信道的特殊性引出了 多特有的技术雉点和解决方法。然后重点 介制了o f d m 信号和传统单载波信号在统计分布平l 功率谱方面的厉圳。 中w - - 技术人学f l ! j i 学位论文6 o f d m 信号频率刊步和信噪比估计研究第一章绪论 第三部分讨论了o f d m 信号载波频偏估计技术。探讨了载波频偏形成的原冈和对系统 造成的影响。重点研究了一种利川信号间相位关系的盲频偏估计方法。在此章的其余部分给 出了这个盲频偏估计方法的实现流群。 第四部分讨论了o f d m 信号信啭比估计方法。本章首先试幽将高斯信道中的信噪比估 计方法扩展到o f d m 系统j 作的时变线性信道中。然后针对传统方法扩展时遇到的困难， 提山了基于接收信号互相关的估计方法，进而逐步解决了问题。 第五部分是总结。 中目科学技术人学似i j 学位论奠 图1 ，2n t td o c o m o 无线空中接口 7 o f d m 信号频率同步和信噪比估计研究 第一章绪论 参考文献 【1 】c h a n gr w ”s y n t h e s i so fb a n d l i m i t e do r t h o g o n a ls i g n a l sf o rm u l t i c h a n n e l d a t a t r a n s m i s s i o n ”b e l ll a b st e c h n i c a lj o u r n a l ，n o 4 5 ，p p17 7 5 一l7 9 6 ，d e c i9 6 6 【2 c h a n g 。r w a n dg i b b yr a “at h e o r e t i c a l s t u d yo fp e r f o r m a n c eo fa no n h o g o n a l m u l t i p l e x i n gd a t at r a n s m i s s i o ns c h e m e ，”i e e et r a n s a c t i o n so nc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , v 0 1 1 6 ，p p5 2 5 4 0 ，a u g 1 9 6 8 【3 】w e i n s t e i ns ba n de b e r tp m 。d a t at r a n s m i s s i o nb yf 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 gu s i n g t h ed i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o r m ，”i e e et r a n s a c t i o n so nc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y v 0 1 19 ， p p 6 2 8 - 6 3 4 ，o c t 19 7 1 4 】e t s ih i p e r l a n ( t s1 0 14 7 5 ) ，“b r o a d b a n d ir a d i oa c c e s sn e t w o r k sh i p e r l a nt y p e2 f u n c t i o n a ls p e c i f i c a t i o n p a r t1 ：p h y s i c a ll a y e r , s o p h i a a n t i p o l i s f r a n c e s e p t 1 9 9 9 5 】i e e e8 0 2 11 ( p 8 0 2 1i a d 6 0 ) ，“l a n m a ns p e c i f i cr e q u i r e m e n t s p a r t2 ：w i r e l e s sm a c a n dp h ys p e c i f i c a t i o n s h i g hs p e e dp h y s i c a ll a y e ri nt h e5g h zb a n d ，i e e e8 0 2 11 ，m a y 1 9 9 9 6 】6 e t s ih i p e r m a n ( t r1 0 18 5 6 ，1 ，“h i g hp e r f o r m a n c e m e t r o p o l i t a n a r e an e t w o r k ， r e q u i r e m e n t sm a ca n dp h y s i c a ll a y e rb e l o w1 1g h zb a n d ，”s o p h i aa n t i p o l i s , f r a n c e ，d e c 2 0 0 2 7 】i e e e8 0 2 1 6 a b - 0 i 0 1 ，d r a f t ，“a i r i n t e r f a c e f o r f i x e db r o a d b a n d w i r e l e s sa c c e s ss y s t e m s p a r t a ：s y s t e m sb e t w e e n2a n d1 1g h z ”i e e e8 0 2 1 6 j u n e2 0 0 0 ( 8 】c h o wj s ，t uj - c a n dc i o f f ij m ，“ad i s c r e t em u l t i t o n et r a n s c e i v e rs y s t e mf o rh d s l a p p l i c a t i o n s ，”i e e ej o u r n a lo ns e l e c t e da r e a si nc o m m u n i c a t i o n s ( j s a c ) ，v 0 1 9 ，p p 8 9 5 9 0 8 ，a u g ，1 9 9 1 【9 】9 e t s id a b ( e n3 0 04 0 1v 1 31 【) ，“r a d i ob r o a d c a s t i n gs y s t e m s ；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 ) t om o b i l e ，p o r t a b l ea n df i x e dr e c e i v e r s ，”s 0 p h i a a n t i p o l i s , f r a n c e ，a p r i l2 0 0 0 【1 0 】e t s id v b t ( e n3 0 07 4 4v 1 2 1 ) ，“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 ) ；f r a m i n gs t r u c t u r e ， c h a n n e lc o d i n ga n dm o d u l a t i o nf o rd i g i t a lt e r r e s t r i a lt e l e v i s i o n ，”s o p h i aa n t i p o l i s ，f r a n c e ， j u l y1 9 9 9 1i m u l t i c a r r i e ra n ds p r e a ds p e c t r u ms y s t e m skf a z e l ，s k a i s e r , j o h nw i l e y & s o n s 中网科学披术人学倾i 学位i 仑史 o f d m 信号频率同步和信噪比估计研究 第二市o f d m 系统基本结构，信道和参数设计 第二章o f d m 系统的信道，结构和参数 2 i 信道模型 在对o f d m 信号处理问题进行讨论之前，首先了解o f d m 系统所处信道的特性，即无 线信道环境的建模问题。由= 】二本文研究的是基带o f d m 信号处理，所以只讨论基带无线信 道的建模。无线通信和有线通信之间的区别，以及无线通信所妥解决的关键徊题大部分都源 白无线信道这个传播媒体的特殊性。在本章及斤续章扎中，我们不但要针对无线信道的特殊 性进行算法研究，还将在这些信遵模型卜利删软件仿真的办法( 蒙特 洛方法) 对这些算法 进行性能分析。 信号通过无线信道后其幅度和相位都将发生改变，我们称这种现象为“衰落”。造成信号 衰落的原因非常复杂，除了无线电波在空间传输造成的路径损耗之外，通常还包括无线电波 的反射、折射、衍射。无线信道环境中参与作羽的物体数量不确定、形状不规! l ! i j 、电学特性 难以精确描述，造成无线信号的衰落表现的极为随机，通常只能用统计的方法进行信道的建 模。也有人用“路径e r 踪”方法进行信道建模，但这种方法的复杂度随放射面的个数指数增加， 所以一般只适合于简单的室内信道建模【1 】。 按照信道衰落的空间变化可以将其分为小尺度衰落和大尺度衰落两种。假设有一台可以 测鼙接收信号瞬时功率的仪器实时地接收某个发射机的发射信号，可以观察到当仪器在载波 波长尺度上的空间范围运动时信号功率会有3 0 - 4 0 d b 的变化，称这种衰落为信号的小尺度衰 落或快衰落。如果在特定位置周围很大范围内( 几百米) 对接收信号的瞬时功率取平均， 得到平均功率羊发射信号功率的比值成为信号的大尺度衰落。用大尺度衰落和小尺度衰落就 可以完全刻画信道衰落的统计特性。 最常刚的火尺度衰落模型是对数止态模型，即信道衰落是高斯分布的止态变鲑单位是 d b 。在w c d m a 系统中，抵消信号大尺度衰落的实_ ：l j 有效方法是开环功率控制。开环功控 通过测餐接收信号的平均功率来估计大尺度衰落，进而改变发射机的发送功率使接收机的接 收信号功率在人尺度范围出保持在一个稳定的水平上。 常用的小尺度衰落模型是j a k e s 模型【2 】，小尺度衰落产生的原因是相关的多径波叠 加。抵消小尺度衰落的办法很多，例如：利i 【 | = j j 环功控快速调整发射信号功率米跟踪快衰落， 使州带有交织器的前向纠错码技术，使川线性预编码技术将时间选抒信道改造成等效的高斯 信道【3 】。在本文的分析中只考虑小尺度衰落的影响，认为人尺度衰落可以靠功率控制完全 抵消。 2 1 1 小尺度衰落建模 发射信号在信道中历经了不同传输路径才剑选接收天线。：博这些信号成分按达波时间和 相干性分类，每类称为一个多径分鼙。每个多径分茧包含的信号成分达波时间接近( 载波 中困科学技术人学坝i 擘位论文9 o f d m 信号频率蚓步和信噪比估计研究 第一章o f d m 系统基本结构，信道和参数设计 周期量级) 、相干性较强，它们在接收天线处台成形成信号的小尺度衰落。小尺度衰落的统 计特性包括3 个方面：1 ) 单个多径分最时域采样的一阶统计特性，2 ) 单个多径分量时域采 样的时闻相关特性，即功率谱特性( p o w e rs p e c t r u m ) ，3 ) 多径分量的平均功率和多径时延之 间的函数关系，即多径信道的时延谱( d e l a ys p e c t r u m ) 。 本文中采用j a k e s 小尺度衰落模型。在j a k e l s 模型中单个多径分量采样是零均值的 复高斯随机变量它的包络服从r a y l e i g h 分布。单个多径分量采样的功率谱采用r 面的u 形谱，u 形谱楚c l a r k e 在无视距传输的假没f 导山的，它决定了单个多径分量采样的时间 相关性： r 1 w ) ：j 习乒萨万l 川轼7 ( 1 ) 【0i ，p 兀 在式中正是载波频率，z ，是由收发双方相互运动造成的多普勒频率- 多径时延谱是多径时延的函数，称为时延谱，在仿真时要根据所处的信道环境选用不同 的时延谱。在本文中采_ l = jc o s t 2 0 7 【4 】定义的时延谱。c o s t2 0 7 信道模璎定义了室外宏 小医环境中连续指数衰减的时延谱。c o s t2 0 7 模型是根据t 作在9 0 0 m h z 上的2 g 系统 1 0 m h z 带宽上的测量结果定义的。 小尺度多径衰落信道增益 1 d 口 盆1 0 婆一加 ，3 0 + 4 0 剀2 - 1 信道增益5 0 个子载波，5 0 个符号周_ j ，多普勒频率2 9 6 h z 相芙时间和相关带宽是小尺度衰落信道两个重要的指标，它们住系统设计起剑重要的作 川。通信系统设计的一个基本要求是符号周! f 艮度远小：r 信道相关时间。对1 o f d m 系统， 在满足这个要求的情况f ，由信道多并勒频率引入的载波问干扰( i c l ) 可以忽略不计。此 外，如果在时间维度上采州线性预编码，应该使预编码周期人丁相关时间。在o f d m 系统 中固科学技术凡学坝l 学位论艾 1 0 0 f d m 信号频率同步和倍噪比估计研究第二章0 f d m 系统摹本结构，信道和参数设计 设计时，由相关带宽产生的要求包括：】) 子载波间隔应该远小于信道相关带宽，满足子信道 是窄带信道的假设，2 ) 如果采川梳状p i l o t 辅助的信道估计方法，应该 止p i l o t 子载波间隔满 足频域采样定理，保证可以通过插值恢复出数据子载波的信道，3 ) 选择频偏校止算法币j 适当 精度的器件让载波频偏远小于子载波频率间隔。 幽2 - 1 是小尺度多径衰落信道的传递函数，j ； j 丁信道建模的参数来至下2 4 ：m 佝设计实 例。从这张图可以看山宽带小尺度多径信道是时变的频率选择性信道。 2 2o f d m 系统基本模型 2 2 1 系统模型 幽2 - 3 数字调制o f d m 系统 多载波调制系统每个周期将n 。个复数的源符号s h = 0 , 1 n 。一1 并行地凋制到 v 。个子载波上。这些螈符号是信源比特经过编码，交织利星座幽映射后的结果。源符号的 采样周期i ，和o f d m 符号周期r 的关系是： t = n 。z ，( 2 ) 接收机对每个子载波上的调制数据进行相关接收，可以知道在子载波的频率是r 面的最小频 率的整数倍时，解惆数据2 问没有载波间干扰。 一= 手 当多载波凋制的f 载波频率满足r 面的公式时，称多载波渊制为止交频分复川( o f d m ) ： ，= 蜕，月= 0 , 1 n 。一1 ( 4 ) 中田科学披术人学坝l 学位i = 仑史 o f d m 信号频率同步；手兀信噪比估计研究第二章o f d m 系统基本结构，信道和参数设计 2 2 2 基带模型 o f d m 凋制的一个优点是：可以将调制及解调的过程心离敖傅立r f f 变换币l 逆变换实现 【5 】。这带来了几个方面的好处，首先将调制解调从射频部分搬到基带处理部分，将原来所 需要的个频率止交的调制器引模拟加法器简化为一个调制器，人人降低了硬件的复杂 度减少了噪声羊干扰源，提高了系统性能。在射频部分只采用一个振荡器，便于收发救方 频率同步和校止。 在多径衰落环境中，信道的多狰效应造成符号间干扰( 1 s 1 ) 和载波间干扰o c o 。无论单载 波还是多载波系统都可以采刚人丁信道最人多径时延的保护间隔( g