（通信与信息系统专业论文）ofdm系统中载波间干扰的消除方案.pdf

f i i ie ii ll li l lji i i iiiii y 1819 215 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。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作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名： 上五西： 日期： 兰! 1 2 ：i ：兰兰： 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。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磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名：王盈 日期： z 坚少 导师签名：了笃涉吻专一 日期：名垃字潍 o f d m 系统中载波间干扰的消除方案 摘要 正交频分复用( o f d m ) 在移动环境中的应用是近年来研究的热 点之一，已成为继c d l v l a 技术之后在宽带无线接入以及第四代移动 通信中的又一核心技术。虽然抗多径信道频率选择性衰落是o f d m 最突出的一个优点，但信道的任何时变特性都会降低系统的性能。移 动o f d m 系统时变失真的原因包括收发载波频偏、取样时钟频偏、 振荡器相位噪声和信道多普勒频移等。载波频偏破坏了o f d m 系统 中子载波间的正交性，造成了o f d m 载波间干扰( i c i ) ，这是引起 性能下降的重要原因。 本文对载波间干扰的成因及其影响进行了分析研究，并详细介绍 了三种常见的载波间干扰的消除方法：干扰自消除( s e l f - c a n c e l l a t i o n ) 、 最大似然估计法( m a x i m u ml i k e l i h o o de s t i m a t i o n ) 、扩展卡尔曼滤波法 ( e x t e n d e dk a l m a nf i l t e r ) 。通过m a q q _ a b 仿真来验证各种载波间干扰 消除方法的性能。通过对比各种方法的误比特率曲线及其实现的复杂 程度，对每种方法的优缺点及适用环境进行了分析。本文对原来的载 波间干扰消除方法进行了改进。第一种改进是在最大似然法的基础上 只用一个前导符号做频偏估计，提高了系统的带宽效率。第二种改进 是把自消除法和最大似然法相结合，这样就把两种方法的优点结合起 来并克服了各自的缺点，使系统对调制阶数和频偏不敏感，极大地提 高了系统的性能。 关键词载波间干扰干扰自消除最大似然估计扩展卡尔曼滤波 i n t e r c a r r i e ri n t e r f e r e n c ec a n c e l l a t i o n f o ro f d ms y s t e m s 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 n m u l t i p l e x i n g ( o f d m ) i s t h e p r o j e c t e d m o d u l a t i o no f c h o i c ef o r f o u r t h g e n e r a t i o n b r o a d b a n d m u l t i m e d i aw i r e l e s ss y s t e m s o f d mi sr o b u s ta g a i n s tf r e q u e n c ys e l e c t i v e f a d i n gd u et ot h ei n c r e a s eo ft h es y m b o ld u r a t i o n h o w e v e r , f o rm o b i l e a p p l i c a t i o nc h a n n e lt i m e v a r i a t i o n si n o n e0 f d ms y m b o li n t r o d u c e i n t e r c a r r i e r i n t e r f e r e n c e ( i c i ) w h i c hd e g r a d e s t h e p e r f o r m a n c e a f r e q u e n c yo f f s e tb e t w e e nt h el e c a lo s c i l l a t o r sa tt h et r a n s m i t t e ra n d r e c e i v e rc a u s e sas i n g l ef r e q u e n c ys h i f ti nt h es i g n a l ，w h i l eat i m e - v a r y i n g c h a n n e lc a nc a u s eas p r e a do ff r e q u e n c ys h i f t sk n o w na st h ed o p p l e r s p r e a d ；f r e q u e n c ys h i f t sr u i nt h eo r t h o g o n a l i t yo fo f d m s u b c a r r i e r sa n d c a u s ei n t e r c a r r i e r i n t e r f e r e n c e t h e r e f o r e ， q u i c k l yd i m i n i s h i n g t h e p e r f o r m a n c eo ft h es y s t e m i nt h i sp a p e r , ie x p l a i nt h eg e n e r a t e dr e a s o na n dt h ea f f e c to fi c i i i n v e s t i g a t et h ee f f e c t i v e n e s so ft h ee x t e n d e dk a l m a nf i l t e r ( e k f ) ， s e l f - c a n c e l l a t i o n ( s c ) ，a n dm a x i m u ml i k e l i h o o de s t i m a t i o n ( m l e ) t e c h n i q u e s f o r m i t i g a t i o n o fi c ii no f d m s y s t e m s m a t l a b c o m m u n i c a t i o ns i m u l a t i o nw i l lb ec a r r i e do u tt ot h ep e r f o r m a n c eo ft h e t h r e et e c h n i q u e s ia l s oa n a l y z ea n dc o m p a r et h ei m p l e m e n tc o m p l e x i t y o ft h ea b o v et h r e es c h e m e s d u et ot h eb e rc u r v ei g i v es o m e c o n c l u s i o ns u c ha st h e i rd i s a d v a n t a g e sa n da d v a n t a g e sf o rt h ee v e r y s c h e m e b a s e do nt h e i rt h e o r i e s ，i nt h i sp a p e r , ip r o p o s et w oi m p r o v e d s c h e m e s t h ef i r s ts c h e m ei st h e i m p r o v e dm a x i m u ml i k e l i h o o d e s t i m a t i o n t h i ss c h e m eo n l yu s e so n es y m b o lt oe s t i m a t et h ef r e q u e n c y s h i f ta n di tc a ni n c r e a s et h eb a n d w i t he f f i c i e n c yb u tt h eb e r p e r f o r m a n c e o ft h eo f d m s y s t e mw o n td e c r e a s e i nt h es e c o n ds c h e m e ，ii o i n tt h e s e l f - c a n c e l l a t i o ns c h e m ea n dm a x i m u ml i k e l i h o o de s t i m a t i o n i tm a k e s u s eo ft h e i ra d v a n t a g e sa n do v e r c o m et h e i rd i s a d v a n t a g e t h e nt h e o f d m s y s t e mw o n tb es e n s i t i v et of r e q u e n c ys h i f ta n dm o d u l a t i o nl e v e l t h ep e r f o r m a n c ew i l lb ei m p r o v e dg r e a t l y k e yw o r d s i n t e r c a r r i e r i n t e r f e r e n c e ，s e l f - c a n c e l l a t i o n ，m a x i m u m l i k e l i h o o de s t i m a t i o n ，e x t e n d e dk a l m a nf i l t e r i i i 目录 第一章绪论1 1 10 f d m 技术的发展1 1 2o f d m 的优缺点3 1 3 本文的选题及主要工作5 第二章o f d m 系统模型7 2 1o f d m 基本原理7 2 2 现代o f d m 模型9 2 2 1 概述9 2 2 2i d f t 的实现1 0 2 2 3 保护间隔和循环前辍1 1 2 3o f d m 中的关键技术。1 1 2 4o f d m 与单载波传输系统的比较1 3 第三章o f d m 系统中载波间干扰的分析。1 4 3 1o f d m 系统i c i 产生的原因。1 4 3 1 1l i 0 步1 4 3 1 2 多普勒频移1 6 3 2 载波频率偏移引起的子载波干扰分析1 7 第四章o f d m 系统中消除i c l 的方法。2 5 4 1i c i 对o f d m 系统的影响。2 5 4 2i c i 的消除方法2 7 4 2 1i c l 自消除方法2 8 4 2 1 1 基本原理2 8 4 2 1 2 性能仿真3 0 4 2 2 最大似然估计法( m l e ) 3 3 4 2 1 1 基本原理3 3 4 2 2 2 性能仿真3 5 4 2 3 扩展卡尔曼滤波。3 8 4 2 3 1 基本原理3 9 4 2 3 2 性能仿真4 4 4 3 艺较4 6 第五章改进的i c i 消除方法5 3 5 1 改进的最大似然估计法5 3 5 1 1 基本原理5 3 5 1 2 仿真结果5 4 5 2 自消除及最大似然估计的结合5 4 5 2 1 基本原理5 4 5 2 2 仿真结果5 5 5 3l 砉论5 ； 第六章总结5 9 参考资料6 0 致谢6 2 ，_i-_-_-_-_-_-1_-_j1j_l_j_-_j1 北京邮电人学硕士研究生学位论文第一章绪论 1 10 f d m 技术的发展 第一章绪论 o f d m 是多载波调制( m c m ) 技术的一种，把高速数据流通过串并变换， 变换成速率相对较低的并行数据，分配给一组正交的子载波进行传输，使得每个 子载波上的数据符号持续周期相对增加，从而有效的减少了符号间干扰( i s i ) 。 同时o f d m 允许子载波的频谱相互重叠，与常规的频分复用( f d m ) 系统相比， o f d m 可以最大限度的利用频谱资源，这在频谱资源紧张的无线通信系统中是 非常重要的。o f d m 利用逆快速傅立叶变换( i f f r ) 和快速傅立叶变换( f f r ) 来分别实现调制和解调，是实现复杂度最低、应用最广的一种多载波传输方案。 众所周知，c h a n g 在1 9 6 6 年首次提出了o f d m 理论，并在1 9 7 0 年成功获 得专利。随后s a l t z b e r g 分析了o f d m 的性能，并观察到串话是该系统的严重问 题。尽管采用s q - 蝴技术可使得相邻子载波保持正交性，但是如果子载波的数 量增加，则使之保持正交的难度也加大了。在早期的o f d m 应用中，子载波的 数目可以达到3 4 。为了最大限度地消除符号间干扰，在每个o f d m 符号之间要 插入保护间隔( g i ) ，该保护间隔的长度一般要大于无线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。 然而，所使用的子载波越多，则相应的调制、同步及相干解调将需要更高 的成本。1 9 7 1 年w e i n s t e i n 和e b e r t 提出了一个改进的o f d m 系统。该系统采用 离散傅立叶变换( d f r ) 来生成正交子载波波形。他们的方法采用了i d f t 模型 以及d a 转换器，明显降低了实现的复杂度。在该系统中，基带信号在发送端 通过i d f r 调制，在接收端通过d f r 解调。因此，所有的子载波在频域中相互重 叠，而d f f 会保证它们之间的正交性，如图1 1 所示 北京邮电大学硕十研究生学位论文 第一章绪论 图1 - ! o f d m 子载波信号频谱 此外，还引入了加窗技术来对抗i s i 及i c i 。由于这些改进措施，现代的低 成本的o f d m 系统才能得以实现。 循环前辍( c p ) 或循环扩展在1 9 8 0 年引入o f d m 系统。该方法使用了循 环扩展取代了传统的保护间隔，这样可以保证子载波间的正交性。这样，通过在 o f d m 符号中加入c p ，不仅消除了i c i 和i s i ，而且把信道变成了n 个独立的 并行子信道。同年，新的均衡算法被引入o f d m 系统来抑制信道失真，同步错 误或相位噪声引起的i s i 和i c i 。 c i m i n i 在1 9 8 5 年引入了基于导频的方法来减少多径及共道产生的干扰。 1 9 8 9 年，k a l e t 提出一个子载波选择性分配方案。他通过在传输频带中心附近的 子载波的传输来分配更多的数据。这些子载波经受的信道失真会比较少。 到了9 0 年代，o f d m 系统已经应用于宽带数据通信。在i e e e8 0 2 1 1 标准 中，载波频率可高达2 4 g h z 或5 g h z 。现在研究人员还在尝试使o f d m 能运用 于更高的频率。i e e e8 0 2 1 6 标准提出的更高的载波频率范围为1 0 g h z 6 0 g h z 。 在引入i f i 哪哪丌技术后，o f d m 实现起来更容易，也得到了广泛的应用。 总的来说，o f d m 的应用主要有两个方面，有线的和无线。在有线系统比如a d s l 中及高速d s l 中，o f d m 调制被用作离散多频声调制。在无线o f d m 应用中， 被用于各种标准如：i e e e8 0 2 1 1 及h i p e r l a n 。 o f d m 在欧洲也被用于数字视频广播( d ) ，这在欧洲和澳大利亚的应用 很广泛。在d v b 标准中，子载波的数目可以超过8 0 0 0 ，数据速率可以高达 1 5 m b p s 。目前，许多人致力于i e e e8 0 2 1 6 标准的修改，它的最高数据速率可达 1 0 0 m b p s 。 近年来随着技术和器件水平的发展，o f d m 技术的应用越来越广泛，包括： a d s l ，数字音频广播( d a b ) ，数字视频广播( d ) ，无线局域网技术标准 i e e e 8 0 2 1 l a 和宽带无线接入城域网技术标准8 0 2 1 6 等，已成为继c d m a 技术 2 北京邮电大学硕十研究生学位论文第一章绪论 之后在宽带无线接入以及第四代移动通信中的又一核心技术。 1 2o f d m 的优缺点 o f d m 系统因为其载波的正交性、数据的并行传输以及可通过f f t 来实现等 特点，决定了它具有在移动通信中应用的很多优点。同时，也存在一些问题，下 面作以小结。 ( 1 ) 较高的频谱效率 o f d m 系统最显著的优点之一就是有较高的频谱效率，在目前频谱资源越来 越紧张的条件下，更显现出o f d m 的优势。o f d m 是通过并行数据传输来实现载频 的正交复用，为了在多径信道条件下保持子载波的正交性，采用了加入循环前缀 的措施，这虽然使得传输效率有所下降，但仍然大大高于单载波系统。如下图 卜2 所示。 北京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 串并变换使得o f d m 系统的符号周期相对增加，在一定的无线通信环境中， 等效于发送信号带宽相对的减小，有利于减轻信道多径效应的引起的衰落。这样， 在系统参数设计时尽量使得o f d m 符号周期远远大于多径信道的最大多径时延， 且小于信道相关时间。这样，信道可以等效为线性时不变系统。而且，通常还会 加入一定长度( 多径时延均方根数倍) 的循环前缀，就能基本上消除由于多径衰 落而引起的符号间干扰。 顺便说一下，o f d m 的抗多径衰落是以信道均衡为前提的，如果不采取信道 均衡措施，多径效应会使系统的性能大大降低。 ( 5 ) 与其它传输和多址技术结合 o f d m 可以和如空时编码、智能天线、自适应调制、自适应编码以及动态分 组分配、动态比特分配算法等技术结合使用，极大程度地提高了物理层信息传输 北京邮电大学硕1 ：研究生学位论文第一章绪论 对于任何一种通信系统来说，定时同步和信道估计都很重要的问题。前面 已经讲到，信道均衡是o f d m 对抗多径效应的前提，仅仅增加符号周期和循环前 缀根本无法消除时域弥散性衰落对o f d m 系统的影响。而且，信道估计是o f d m 系 统中自适应调制、自适应编码、以及动态资源分配必不可少的环节，越来越成为 决定系统性能的主要因素之一。 在o f d m 系统中，定时偏差，甚至是采样周期分数倍的定时偏差也会使系统 性能迅速的下降。而在o f d m a ( o f d ma c c e s s ) 系统中，尤其是在o f d m a 上行链 路中，由于各个移动台所处的位置是随机的，信号到达基站的时间也是不同的， 这种条件下的定时同步问题涉及到各个子载波从移动台到达基站的同步问题，非 常复杂，是目前o f d m a 非常关键的问题。 1 3 本文的选题及主要工作 下一代无线通信系统致力于提供更高质量的高速无线多媒体服务和数据业 务，其研究正日益受到人们的关注。由于数据率的提高，无线传输信道的多径效 应造成更严重的符号间干扰( i s i ) ，是研究所面临的主要问题之一。正交频分复 用( o f d m ) 技术利用插入的循环前辍，可以有效地避免符号间干扰。然而，由 于无线信道的不理想，载波频率偏移和多普勒频移造成信道多径衰落的时变，破 坏了子载波间的正交性并形成载波间干扰( i c i ) ，即每一子载波上的接收信号受 到其它子载波上传输信号的干扰。 为了降低载波间干扰，提高o f d m 系统的性能。本文对目前流行的三种消除 i c i 的方法进行了分析和讨论，并对这三种方法进行仿真，通过仿真对比这三种 方法的性能。本文的结构安排如下： 第二章详细介绍了o f d m 系统的基本原理，给出具体的实现框图，并对单载 波系统和o f d m 系统的性能和实现复杂度进行了比较。 第三章对o f d m 系统中的i c i 问题的产生及其对系统性能的影响进行了介 绍，阐述了o f d m 系统中载波频率偏移和多普勒频移对系统造成的影响并进行仿 真和分析。 第四章介绍了三种消除i c i 的方法，并对这三种算法的性能进行仿真。第 一种是自消除( s c ) 方法第一种方法是自消除方法，该方法是利用在相邻的子载 波上传送冗余数据，这样在接收端可以去除相邻子载波间的i c i 。另两种方法就 是，最大似然估计( m l e ) 及扩展的卡尔曼滤波( e k f ) 方法，他们统计地估计 了频偏并在接收端利用频偏来纠正偏移。 第五章提出了两种改进方法，一种是改进的最大似然法使之和以前相比降 5 北京邮电大学硕十研究生学位论文 第一章绪论 低了带宽，另外把原来的自消除法及最大似然法相结合，使之能更好的改善系统 的性能。 最后，综合前几章的仿真结果，给出总结，比较了这三种消除i c i 方法对系 统性能改善程度和优缺点。 6 北京邮电大学硕士研究生学位论文第二章o f d m 系统模型 第二章0 f d m 系统模型 本章主要介绍了0 f d m 系统的基本原理及其系统模型，通过其模型及数学公 式来证明o f d m 技术的优势。并对o f d m 系统的优缺点及其关键技术作以简单 介绍。 2 1o f d m 基本原理 自从6 0 年代提出了o f d m 最初的模型之后，o f d m 的核心结构基本没有什 么变化。o f d m 技术的基本原理就是把高速的数据流通过串并变换，把数据分 配到速率较低的若干子载波中进行传输。串并变换降低了数据的传输速率，使每 个符号的持续时间增加，从而有效的减小由于无线信道的时间弥散所带来的i s i ， 减小接收机内均衡的复杂度。 厂 e妒 h 竺竺卜 串 多一 + e 一 并 串 并 毪f 2 矾一1 4 r ej 2 万z i r 一】f k 多一 图2 1o f d m 系统基本模型框 ( 1 ) 串并变换 数据传输的典型形式是串行传输，符号被连续传输，每一个数据符号的频谱 可占据整个可利用带宽。但在并行数据传输系统中，许多符号被同时传输，减少 了很多在串行系统中出现的问题。 在o f d m 系统中，每个传输符号速率大小约在几十比特秒到几万比特眇之 间，要传输的宽带数据速率一般都要在几兆比特秒以上，所以必须进行串并变 换以降低数据速率，将输入串行比特流转换成可以传输的o f d m 符号。在接收 端，执行相反的过程，通过并串转换，把从各子载波中提取出来的数据恢复成并 行数据输出。 如图所示，输入数据被转化成n 个并行的数据流。 7 北京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章o f d m 系统模型 露溺搦黼瀚翳翳搦瞩飘l ， 缓缆缓绷戮缀溺缵缀渊 匿国 l r r s p l i l r 图2 - 2 串并变换 ( 2 ) o f d m 调制 一个o f d m 符号之内包含多个经过q p s k 或者正交调幅调制( q a m ) 的子 载波。经过串并变换得到的并行数据为d ，( f = o ，1 ，2 ，n 1 ) ，第i 个子载 波频率为五，设t 表示o f d m 信号的持续周期，则发送的信号s ( o 可以表示为： s o ) = r e 善( r 一以一 e x t ) 】 气sf t + z d z r e c t t 2 ) p j 2 n f ( t 式( 2 1 ) 一旦将要传输的比特分配到n 个子载波上，某一调制方式则将它们映射为 子载波的幅度或者相位，通常采用等效低通模型描述o f d m 信号： = , 荟d i r e c t ( f 一气一丁2 ) e x p 【，幼歹to 一伽t s fs 气+ 丁 式( 2 2 ) 其中s 似的实部和虚部分别对应于o f d m 符号的同相分量和正交分量，在 实际系统中可以分别对应于与子载波的c o s 分量和s 觑分量相乘，构成最终的子 载波信号和合成o f d m 符号。 当并行的符号流生成后，每个符号都被调制到不同的中心频率。每个子载波 的中心频率都相互正交。正交性的定义为 c o s ( 2 e r f n t ) c o s ( 2 7 ：r f m t ) d t = 6 ( 刀一m ) 式( 2 _ 3 ) 在o f d m 调制中，子载波频率无定义为 - - n ，其中= 寺= 而1 北京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章o f d m 系统模型 无。；指的是整个带宽，n 指的是子载波的数目。 把上式代入第一个公式即可证明各载波间是相互正交的。子载波波形如下图 所示 2 2 1 概述 由于实现n 个子载波的振荡器处理起来很复杂，尤其是当n 很大的时候更 加困难。因此，前面提出的o f d m 模型无法广泛的应用。幸亏基于i d f t d f t 算法的引入，o f d m 才可能成为时下流行的无线调制技术。一般来说，在实际 o f d m 系统中，发送机在i f f r 调制前还将包括：前向纠错编码、交织、数字调 9 北京邮电大学硕士研究生学位论文第二章o f d m 系统模型 制、导频插入、串并变换等，而在i f f r 模块的后面将包括：并串变换、插入循 环前辍、数模变换( d a c ) 、射频发送( r ft x ) 等环节；而接收机中将包括： 射频接收( r fi ) 、模数变换( a d c ) 、同步、去除循环前辍、串并变换、f f t 解调、信道校正、数字解调、去交织、纠错码译码等环节。新的o f d m 模型如 下图所示。 图2 - 4 0 f d m 收发信机的结构图 2 2 2i d i q 的实现 上述原始数据经过串并变换，然后并行数据经过子载波调制的结构，在具体 的处理过程中，可以用f f t 来实现，f f f 是d f f 的种快速数学方法，可以大 大地减小计算量。也正是由于f f r 的高效性，才使得o f d m 技术得以迅速的发 展。 式( 1 ) 中的o f d m 复等效低通信号可以采用i d f t 方法来实现。为了简便 起见，假设t 。= 0 ，忽略矩形函数，对s ( o t n 的速率进行抽样，则可以得到： s k = s ) - 弘x p ( 歹警) 衅一1 ) ( 2 - 5 ) 可以看到& 等效于对西进行i d f t 运算。同样，在接收端，为了恢复原始数 据符号盔，可以对& 进行逆变换，进行d f f 运算： 如蓁驷p ( - j 警) ( 0 s 刚一1 ) ( 2 - 6 ) 根据以上分析可以看到，o f d m 系统的调制和解调可以分别用i d f t 和d f i 1 0 学位论文 第二章o f d m 系统模型 来代替，通过n 点i d f t ( i f f t ) 运算，把数据符号盔变到频域数据符号& ，经 过射频载波调制后，发送到无线信道中，其中每个i d f r ( i f f r ) 输出的数据符 号& 都是所有子载波信号经过叠加而生成的，在接收端，对& 进行n 点d f t ( h 可) 运算，可以恢复原始数据符号盔， 2 2 3 保护间隔和循环前辍 o f d m 的一大优点是它能够有效的抵抗多径时延扩展，减小符号间干扰 ( i s i ) ，为了最大限度的消除符号间干扰，还可以在每个o f d m 符号之间插入保 护间隔( o i ，g u a r di n t e r v a l ) ，而且该保护间隔一般t g 都要大于无线信道的最大 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影响，从而消除 i s i 。 加入的保护间隔可以是一段空白信号，即不传输任何信号。但这种情况下， 子载波相乘的结果在一个o f d m 符号周期内积分不再为零，也即子载波的正交 性遭到破坏，从而产生载波间干扰( i c i ) 。为了解决这一问题，可以采用插入循 环前缀的办法，即将o f d m 符号的后t g 时间段的样值复制到o f d m 符号的前 面，形成前缀。而且保证时间段内也包含整数个载波周期，从而仍然能保证子载 波相乘的结果在一个o f d m 符号周期内积分为零，保证了子载波的正交性，消 除载波间干扰( i c i ) 。如图2 5 所示。 图2 5 保护间隔及循环扩展 2 30 f d m 中的关键技术 在具体应用中，o f d m 系统需要解决的关键问题包括以下方面： 1 、同步技术 同步性能的好坏对o f d m 系统的性能影响很大。o f d m 系统中的同步包括 载波同步、样值同步和符号同步三部分。与单载波调制系统相同，载波同步是为 了实现接收信号的相干解调，而符号同步是为了区分每个o f d m 符号块的边界。 北京邮电大学硕士研究生学位论文第二章o f d m 系统模型 因为每个o f d m 符号块包含n 个样值，样值同步是为了使接收端的取样时刻与 发送端完全一致。o f d m 系统中的同步一般分为捕获和跟踪两个阶段，对于突 发式的数据传输，一般是通过发送辅助信息来实现同步。与单载波系统相比， o f d m 系统对同步精度的要求更高，同步偏差会在o f d m 系统中引起i s i 和i c i 。 2 、信道估计 如前所述，加入循环前缀后的o f d m 系统可等效为n 个独立的并行子信道。 如果不考虑信道噪声，n 个子信道上的接收信号等于各自子信道上的发送信号与 信道的频谱特性的频率乘积。如果通过估计方法预先获知信道的频谱特性，并让 各子信道上的接收信号与信道的频谱特性相除，即可实现接收信号的正确解调。 信道估计的方法有很多，在无线通信中，一般采用插入导频的方法进行信道估计， 如何设计导频图案和性能好、复杂度低的信道估计算法是o f d m 系统中的一项 重要研究内容。 北京邮电大学硕士研究生学位论文第二章o f d m 系统模型 用户最优地分配系统资源，从而使系统的发送功率最低或者使系统的传输速率最 高，是一个非常复杂的问题。在o f d m 系统中使用自适应技术，还应该考虑频 率分组、时间间隔、信道总延迟和信道估计误差等因素，其中信道估计误差对性 能的影响较大。 7 、其他相关技术 除了以上与o f d m 本身相关的技术之外，在具体系统中使用o f d m 技术时， 还应该考虑具体系统的实际情况。如在蜂窝移动通信系统中，需要考虑的问题包 括：上下行链路的实现方式、多址接入方式，以及与高层协议的联合优化等。 2 40 f d m 与单载波传输系统的比较 在传统的单载波调制系统中，克服频率选择性衰落的方法是在接收端采用均 衡技术，而在o f d m 系统中采用优化子载波上的信息比特数量的方法可以提高 系统性能。在信道幅频特性较平坦的信道上，两种传输系统具有近似相同的误比 特率。而当信道传输特性恶劣时，o f d m 系统的性能要大大优于单载波传输系 统。 采用o f d m 传输系统的一个主要原因是当信道存在较大的时延扩展时，与 单载波系统相比，o f d m 系统的实现复杂度要低很多。单载波系统的实现复杂 度主要集中于均衡器部分。一般来说，当时延扩展大于数据符号周期的1 0 时， 在单载波系统中就必须要采用均衡器来克服符号间干扰，而在o f d m 系统中， 实现的复杂度主要取决于耵仞f 1 r 的计算。 下面考虑在基于i e e e8 0 2 1 1 a 标准的无线局域网系统中，分别采用o f d m 和单载波传输方式时系统的实现复杂度比较。在i e e e8 0 2 1 1 a 标准中，系统的传 输方式为具有6 4 个子载波的o f d m ，可以处理的信道最大时延扩展长度为 2 5 0 n s 。当考虑系统的信息传输速率为2 4b i t s ，此时如果采用单载波的g m s k 调 制解调器来实现以上信息传输速率，则需要具有2 0 个前馈抽头和2 0 个反馈抽头 的判决反馈抽头均衡器来克服信道上的符号间干扰。考虑到g m s k 信号的解调 仅需要复数运算的实数部分，则单载波系统每秒需要进行的实数运算次数为 2 2 0 x 2 4 x 1 0 0 = 9 6 0 x 1 0 0 ( 仅考虑了前馈抽头的实现复杂度) 。在o f d m 系统中，每个符号周期t = 4 “s 内需要进行6 4 点的f f t 运算，如果采用基4 的算法，6 4 点的f f r 将需要9 6 次复数乘法，因此o f d m 系统每秒需要进行 9 6 0 x 1 0 0 次实数运算。由此可以看出，单载波系统的实现复杂度是o f d m 系统 实现复杂度的1 0 倍，而且这种复杂度的差异将随着带宽和时延扩展乘积的增加 而显著增加。 1 3 北京邮电大学硕士研究生学位论文第三章o f d m 系统中载波问干扰的分析 第三章0 f d m 系统中载波间干扰的分析 正交频分复用( o f d m ) 通信系统是将所传输的数据符号并行调制在若干个 子载波上，而所有子载波间具有正交性，使之较传统的串行调制通信系统具有结 构简单、频带利用率较高、抗多径衰落和脉冲噪声等很多优点。然而所有的问题 都具有两面性：正交频分复用建立在子载波之间严格正交的基础之上，任何传输 过程中载波信号波形畸变均会影响子载波之间的正交性，会导致子载波之间产生 干扰。下面的内容将对o f d m 系统中载波间干扰产生的原因进行分析讨论。 3 10 f d m 系统ici 产生的原因 对于多载波系统而言，频率偏差将会导致子载波之间产生干扰。o f d m 系 统中，要求各子载波间保持严格正交，载波的频率偏差会给系统带来非常严重的 影响。因此，对频率偏差敏感是o f d m 系统的主要缺点之一，如果不采取有效 措施减小这种载波问干扰( i c i ) ，将会对系统性能带来非常严重的地板效应，即 无论如何增加信号的发射功率，也不能显著地改善系统的性能。 引起频率偏差的原因主要有：发射机和接收机之间频率同步误差引起的载波 频率偏移、发射机或者接收机的( 晶振或者振荡器工作) 频率不稳定引起的载波 频率误差、接收机在高速移动过程中多普勒效应引起的接收信号频谱的扩展、接 收机附近环境中信号反射物体的高速移动产生的多普勒效应引起的接收信号频 谱的扩展等等。下面将对载波频率偏移和接收信号频谱多普勒扩展引起的i c i 的 原理分别给以介绍。 3 1 1 同步 同步振荡器的不稳定通常会引起频率偏移。在传统的通信系统中，小的频偏 是可以忽略的，但对于o f d m 系统却是个很严重的问题。通常情况下，振荡器 的频偏变化范围为2 0p p m 一1 0 0p p m 。假设一个工作在5g h z 的o f d m 系统， 它的最大频偏就会是1 0 0k h z 一5 0 0k h z 。而子载波间的频率间隔只是3 1 2 5 k h z 。所以频偏是不能忽略的。 同步是任何一个通信系统都应解决的实际问题，其性能优劣直接关系到整个 通信系统的性能。可以说，没有准确的同步算法，就不可能实现可靠的数据传输。 当采用相干检测时，接收端需要提供一个与发射端载波同频同相的相干载波，这 种获取相干载波的过程就称为载波同步。对于数字通信，最佳采样时刻对应于每 个码元间隔内接收滤波器的最大输出时刻。因此，对于数字通信，除了载波同步 外，还有符号同步。符号同步的目的是使接收端得到与发送端周期相同的符号序 1 4 北京邮电大学硕士研究生学位论文 第三章o f d m 系统中载波问干扰的分析 列，并确定每个符号的起止时刻，进而实现块同步或帧同步。 和普通的单载波系统一样，要对数据进行正确的解调，o f d m 系统的接收 机需要对接收端的载波以及抽样时钟进行同步。在单载波系统中，载波同步误差 只会对接收信号造成一定的幅度衰减和相位旋转，这可以通过均衡等方法来克 服。而对多载波而言，载波的频率偏移还会导致子信道之间的干扰。o f d m 系 统内，存在多个正交的子载波，其输出信号是多个子信道信号的叠加，由于子信 道之间互相覆盖，这就对他们之间的正交性提出了严格的要求。因此，在o f d m 系统中一个很重要的问题就是解决好载波同步。o f d m 作基带处理时，在发送 端使用快速傅立叶反变换( i f f t ) 将并行数据调制到子载波上，在接收端使用快 速傅立叶变换( f f r ) 把数据从子载波解调下来，所以接收机还需要进行o f d m 符号同步，即在接收到的数据流中确定符号位置以进行f f f 处理。和单载波系 统不同，符号同步主要是使接收端确定每个o f d m 符号的起止时刻，即确定准 确的f i 呵窗位置；而样值同步才是确定样点的最佳抽样位置，它包括样值定时 同步和样值频率同步，前者是为了使接收端确定每个样值的抽样位置；后者则是 为保证接收端的采样频率和发送端同步。为了消除多径信道的影响，接收端还要 进行信道均衡，由于保证o f d m 中每个子载波为平坦性衰落，所以o f d m 不需 要复杂的时域均衡来补偿无线信道引起的符号间干扰，可以通过频域对信道响应 进行估计，然后在频域对信道衰落进行补偿。 在o f d m 系统中存在如下几个方面的同步要求： 1 、载波同步：接收机的振荡频率与发送机的载波同频同相； 2 、样值同步：接收机与发射机的抽样频率一致； 3 、符号同步：i f f t 和h 叮起始位置一致； 图3 - 1 说明了o f d m 系统中同步的要求，并大致给出了各种同步在系统中 所处的位置。 图3 - 1o f d m 系统中同步示意图 北京邮电大学硕士研究生学位论文第三章o f d m 系统中载波间干扰的分析 3 1 2 多普勒频移 收发信机之间的相对运动，将会产生多普勒效应。多谱勒效应会影响通信质 且 亘。 图3 - 2 多谱勒效应 多谱勒频移可以表示为： 厶；v z r r c o s p ) ， 式( 3 1 ) 其中p 是相对移动方向和电波入射方向间的夹角，它是在0 2 , r r 间均匀分布 的，v 是相对移动速度，a 是载波波长。 r a = 二 式( 3 2 ) 儿= 式( ) c 其中c 是光速，正是载波频率。 现存的文献中有三种多普勒效应模型，经典谱、平坦谱、两径谱。第一种模 型也被称作j a k e s 模型，在该模型中发送端假设具有垂直极化天线。没有视距 ( l o s ) 路径，所有的路径增益都有相同的统计特性。经典谱r a y l e i g h 信道模型 已经广泛用于移动通信领域，适用于市区内移动通信环境的建模。该多普勒频移 的频谱可以