（通信与信息系统专业论文）ofdm系统的信道估计及时频局域优化脉冲成形滤波器设计.pdf

摘要 y - 3 5 2 g 1 7 近年来，人们对高速无线数据传输的要求日益增长。正交频分复用( o f d m ) 是近年移动通信研究的热点。其基本原理是把高速的数据流通过串并变换，分配 到传输速率相对较低的若干子信道中进行传输。o f d m 频带利用率高，可以有效 消除符号问干扰( i s i ) ，已成为数字音频广播( d a b ) 、数字视频广播( d v b ) 、宽 带无线局域网( w l a n ) 的传输标准。而基于o q a m 的o f d m 可以更有效地抵抗系统的 信号间干扰和信道间干扰，也成为近年的研究热点。 本文对无线信道传输特性干i j o f d m 技术进行了研究，讨论在无线通信系统高速 移动的情况f ，通信系统所受到的影响。在无线数据通信系统，信道估计是一个 非常重要的部分。本文研究t o f d m 的信道估计技术，提出了一种基于直接判决的 o f d m 系统的快时变信道估计方法。该方法采用直接判决算法进行信道估计，并从 中选择有效的估计结果，联合导频信号进行信道跟踪。该估计算法适用于时变信 道，改善了信道估计的质量，降低系统的误码率。 本文对o f d m o q a m 系统的特性进行了探讨，提出了两种o f d m o q a m 时频局域优 化脉冲成形滤波器的设计方法。一种是利用z a k 变换及优化的升余弦滚降滤波器 设计的o f d m o q a m 系统时频局域优化脉冲成形滤波器。与用于o f d i 多载波系统调 制的矩形滤波器相比，这种新的滤波器可以使系统有效抵抗移动接收时带来的多 普勒扩展效应，并可以有效降低o f d m 系统的带外辐射功率。另一种是基于正交的 离散长球面序y t d p s s ( d i s c r e t ep r o l a t es p h e r o i d a ls e q u e n c e s ) 的o f d m o q a m 系统时频局域优化脉冲成形滤波器设计方法。在众多的正交序列中，d p s s 在设定 的频率范围内具有最大的频谱能量。因此，利用d p s s 设计的o f d m o q a m h 寸频局域 优化脉冲成形滤波器可以具有良好的频谱特性。 关键词：o f d m ，信道估计，o f d m o q a m ，时频局域优化脉冲成形滤波器 垂 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 yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ( o f d m ) t e c h m q u eh a sr e c e i v e d g r e a ti n t e r e s ti nm o b i l ec o m m u n i c a t i o nr e s e a r c hr e c e n t l y o f d ms y s t e m sa r eb a s e d o nt h ei d e ao fd i v i d i n gt h ea v a i l a b l eb a n d w i d t hi n t on a l t o ws u b c h a n n e l sa n ds e n d i n g l o wd a t ar a t es i g n a l si np a r a l l e lo nt h e m i th a st u 出b a n d w i d t he f f i c i e n c ya n dc a l l t r a n s m i ta tv e r yh i 曲d a t ar a t ei nm u l t i p a t he n v i r o n m e n t t h i sh a dr e s u l t e di nt h e r e c o g n m o no fo f d ma sas t a n d a r df o rd i g i t a la u d i oa n dv i d e ob r o a d c a s t i n g ( d a b a n dd v b ) a n dw i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k ( w l a n ) o f d mw i t ho f f s e tq a m ( o f d m o q a m ) a l l o w st h ei n t r o d u c t i o no f a ne f f i c t e n tp u l s es h a p i n g ，w h i c hm a k e si t l e s ss e n s i t a v et ot h er a t e rc a r n e ri n t e r f e r e n c eo ft h ec h a n n e l o f d m o q a mi sn o w p r e s e n t e da sb e m gag o o dc a n d i d a t et og e ts t i l lh a g h e rb i t r a t e so v e rw i r e l e s sc h a n n e l s t h ep a p e rf i r s t l yd i s c u s s e ss o m eo f t h ek e yi s s u e so f m o b i l ec o m m u m c a t l o n sa n d g i v e sab r i e fo v e r v i e wo fc o m m u n i c a t i o n su s i n go f d mt e c h n o l o g y r o b u s th 1 曲d a t a r a t em o b i l ec o m m u m c a t i o n sh a v es e v e r a lc h a l l e n g e s t r a n s m i s s i o no fh i i g hr a t e i n f o r m a t i o nt y p i c a l l ye x p e n e n c e sl m g h e rd e l a ys p r e a di nm o b i l ee n v i r o n m e n t s f u r t h e r m o r e ，h i g hm o h i l i t yi n t r o d u c e st i m ev a r i a t i o n s ，w h a c hc a l lm a k et h el i n kl e s s r e l i a b l e t h e r e f o r e ，ar o b u s td e s i g no f c h a n n e le s h m a t i o ni sr e q u i r e dt oe n s b r er e l i a b l e c o m m u m c a t i o ni nh i 曲m o b i h v yh i g hd e l a ys p r e a de n v l r o n l d _ e n t s ac 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 nd e c i s i o nd i r e c t e dt e c h n i q u ea n dp i l o tt r a c k i n gf o ro f d m w i t hm o b i l et e r m i n a l si sp r o p o s e di n t h i sp a p e r r e s u l t so fs i m u l a t i o na n da n a l y s i s s h o wc o n s i d e r a b l ep e r f o r m a n c ei m p r o v e m e n tw i t h o u tan e e dt oi n c r e a s et r a i n i n g o v e r h e a d t h ep a p e rg i v e sab r i e fo v e r v i e wo fc o m n l u n l c a t t o n su s i n go f d m o q a m t e c h n o l o g ya n ds h o w st h a t t h ep u l s es h a p i n gf i l t e rd e s i g ni sv e r yi m p o r t a n tt o o f d m o q a ms y s t e m s t h e r ea r et w om e t h o d sf o rd e s i g n i n gp u l s es h a p i n gf i l t e ra r e p r o p o s e d f o rt h ef i r s to n e ，t h ed i s c r e t ez a k t r a n s f o r ma n dr a i s e dc o s i n ef i rf i l t e r a l eu s e dt od e s i g nt i m e f r e q u e n c yw e l l - l o c a l i z e dp u l s es h a p m gf i l t e r s f o r o f d m o q a ms y s t e m s c o m p a r e dw i t h t h er e c t a n g u l a rf i l t e r so ft h eo f d m i i m u l t i c a r r i e rs y s t e m s ，t h ef i l t e rw ed e s i g nc a l le f f i c i e n t l yp r o v i d ep r o t e c t i o na g a i n s t f r e q u e n c yt h s p e r s i o nc a u s e db yd o p p l e rs p r e a d t h eo u t - o f - b a n de m i s s i o ni nw i r e l e s s o f d mc a na l s ob er e d u c e d t h es e c o n do n ei su s i n gd i s c r e t ep r o l a t es p h e r o i d a l s e q u e n c e s ( d p s s ) t od e s i g np u l s es h a p i n gf i l t e r s d p s sa r es e t o fi n d e x l i m i t e d o r t h o g o n a ls e q u e n c e s ，w h i c hh a v em a x i n l u ms p e c t r a le n e r g ym t h ef r e q u e n c yr a n g e t h e r e f o r e ，t h eo p t i m i z e dp u l s es h a p i n gf i l t e r sm a x t m i z et h es l g r l a le n e r g ya r o u n dt h e c a r r i e rf r e q u e n c i e s ，r e s u l t i n gi nm i n i m a ls p e c t r a lo v e r l a pb e t w e e nt h ea d j a c e n t s u b c h a n n e l s k e y w o r d s ： o f d m ， c h a n n e l e s t i m a t m n , o f d m o q a m ，t i m e 。f r e q u e n c y w e l l l o c a l i z e dp u l s es h a p i n gf i l t e r s i i i 1 1 课题背景 第一章绪论 近年来，人们对高速无线数据传输的要求日益增长。正交频分复用( o f d m ) 是近年移动通信研究的热点。其基本原理是把高速的数据流通过串并变换，分 配到传输速率相对较低的若干子信道中进行传输【12 】。o f d m 频带利用率高，可 以有效消除符号问干扰( i s i ) ，已成为数字音频广播( d a b ) 3 1 、数字视频广播 ( d v b ) 【4 】、宽带无线局域网( w l a n ) 嘲的传输标准。 正交频分复用o f d m 最早起源于2 0 世纪5 0 年代中期【6 】，在6 0 年代就已经 形成了使用并行数据传输和频分复用的概念。1 9 7 0 年1 月首次公开发表了有关 o f d m 的专利。o f d m 系统由于各个子载波之间存在正交性，允许子信道的频谱相 互重叠，因此与常规的频分复用相比，o f d m 系统可以最大限度地利用频谱资源。 o f d m 还可以有效地藏小无线信道的时间弥散所带来的i s i 。o f d m 各个子信道中 的正交调制和解调可以采用i d f t 和d f t 方法来实现。因此o f d m 有易于实现的 优点。 现有的无线数据传输多应用于移动性较小的系统，例如i e e e8 0 2 1 l a 和 i e e e8 0 2 1 l b 。但在无线通信系统高速移动的情况下，通信系统不仅受到高时 延扩展的影响，而且在传输过程中出现多普勒频移，信道在一个o f d m 符号内发 生变化，使得系统子载波之间的正交性遭到破坏，从而导致子信道间干扰i c i u 引。因此，必须设计更完善的移动通信系统克服高速移动所出现的问题。 在无线数据通信系统，信道估计是一个非常重要的部分。接收端进行信道 估计，得到信道传输函数的近似值，可用于进行系统的均衡、最大似然检测和 相关解调等等。信道估计的准确性可以影响o f d m 系统的性能。选择好的信道估 计算法，可以有效降低o f d m 系统的误码率。 文献 9 ，l o ，1 1 用不同的信道估计方法研究了时变信道下o f d m 系统的性 能。文献中假设信道脉冲响应在一个o f d m 符号持续时间内不发生变化，实际上 是慢时变的信道。但是在o f d m 移动系统中，例如数字视频广播( d v b ) ，宽带 无线局域网( w l a n ) ，当用户以一定的速度移动时，上述假设不再成立，即信 道的脉冲响应在一个o f d m 符号持续时间内会发生变化。此时多普勒频移导致子 信道间干扰i c i ，这是影响o f d m 系统性能的重要因素。在这种情况下，改进信 道估计的算法，使其适用于高速移动的无线通信系统，对改善系统的性能非常 重要。 为了抵抗o f d m 系统的信号间干扰( i s i ) 和信道间干扰( i c i ) ，研究人员对 传统的o f d m 系统做了许多改进。但是，传统的o f d m 系统有其局限性，它采用 加入循环前缀的方法来抵抗信道的时间弥散性，但没有提供方法消除因多普勒 效应引起的信道的频率弥散性。信道的频率弥散性会使系统子载波间的正交性 遭到破坏，产生传输信号的错误。而这主要由发射端的脉冲成形滤波器的时频 局域优化特性所决定【1 2 1 。这使研究人员对设计用于o f d m 系统的时频局域脉冲成 形滤波器进行研究 1 3 , 1 4 , 1 5 】。时频局域优化脉冲成形滤波器还可以降低无线o f d m 系统的带外辐射，并减低系统对载波频率偏移的敏感性。 传统的o f d m 系统基于q a m 技术，由于频谱利用率最大化，即使在时频特性 不好的时候，仍然无法采用时频局域优化的脉冲成形滤波器。文献 1 5 ，1 6 提出 两个方法去解决这个问题，但是这些方法都是牺牲了频谱利用率，在高速数据 传输的无线通信系统，这是不允许的。文献 1 3 提出使用基于o q a m 的o f d m 系 统，o f d m o o a m 系统在频谱最大化的情况下，可以使用时频局域优化的脉冲成 形滤波器，使得系统可以同时抵抗信道的时间弥散性和频率弥散性带来的影响。 因此，对高速数据传输的无线通信系统，o f d m 0 q a m 系统可以有效的替代传统 的基于q a m 的o f d m 系统。 对于o f d m o q a m 系统，其中一个重要的部分是设计适合的时频局域优化脉 冲成形滤波器。滤波器良好的时频局域特性可以使系统可以同时抵抗信号间干 扰( i s i ) 和信道间干扰( i c i ) 。由于o f d m 系统具有正交性要求，设计的滤波 器必须符合正交条件。设计脉冲成形滤波器的另一个目标是使其带外辐射最小， 增加频谱利用率，并要求设计简单，滤波器长度要足够小，以降低系统复杂度。 文献 1 3 3 提出了一个两倍于符号长度的脉冲成形滤波器。文献 1 4 提出了一个 优化算法，用于设计连续时间的有限长度的o f d m o q a m 脉冲成形滤波器，可以 接近满足正交条件，但需要大量复杂的计算。 1 2 本文所做的主要工作 本文就高速移动o f d m 系统所遇到的问题，对o f d m 系统的信道估计算法，以 及o f d m o q a m 系统的时频局域优化成形脉冲滤波器的算法，进行了积极的研究 和探索，主要做了以下一些工作。 1 、研究了无线传输信道以及o f d m 系统的特性，进行仿真模拟。提出了 一种基于直接判决的o f d m 系统的快时变信道估计方法。采用直接判 决算法进行信道估计，并从中选择有效的估计结果，联合导频信号 进行信道跟踪。将基于训练序列的信道估计结果作为直接判决算法 的初始值，利用传输信号直接判决的统计特性进行了信道估计，并 利用改进的导频算法进一步地跟踪信道在时间上的变化。该估计算 法适用于时变信道，改善了信道估计的质量，降低系统的误码率。 2 、 对o f d m o q a m 系统的特性进行了探讨，提出一种利用z a k 变换及优化 的升余弦废降滤波器设计的0 f d m o q a m 系统时频局域优化脉冲成形 滤波器。与用于o f d m 多载波系统调制的矩形滤波器相比，这种新的 滤波器可以使系统有效抵抗移动接收时带来的多普勒扩展效应，并 可以有效降低o f d m 系统的带外辐射功率。 3 、 提出了一种基于正交的离散长球面序列d p s s ( d 1 s c r e t ep r o l a t e s p h e r o i d a ls e q u e n c e s ) 的o f d m o q a m 系统时频局域优化脉冲成形瘟 波器设计方法。在众多的正交序列中，d p s s 在设定的频率范围内具 有最大的频谱能量。因此，利用d p s s 设计的o f d m o q a m 时频局域优化 脉冲成形滤波器可以具有良好的频谱特性。 1 3 论文的内容安排 本文第一章讨论了o f d m 系统产生的背景、发展历史和应用领域，并阐述 了研究o f d m 系统信道估计算法，及研究o f d m o q a m 系统时频局域优化脉冲成形 滤波器设计算法的必要性。 第二章介绍了无线的几种基本传播特征，包括最基本的自由空间的传播方 式，无线信道的多径衰落以及多普勒频移对信道的影响。 第三章介绍了o f d m 的概念，发展历史，及o f d m 系统的优缺点。并介绍了 o f d m 的基本原理及实现方法。 第四章讨论了o f d m 信道估计方法，提出了一种基于直接判决的o f d m 系统 的快时变信道估计方法。 第五章介绍了0 f d m 0 q a m 系统的概念，并介绍其产生的背景、发展历史。 并讨论了o f d m o q a m 系统的基本原理及实现方法。 第六章研究了0 f d m o q a m 系统时频局域优化脉冲成形滤波器的设计方法， 提出一种利用z a k 变换及优化的升余弦滚降滤波器设计的o f d m o q a m 系统时频 局域优化脉冲成形滤波器。 第七章讨论了具有良好频谱特性的离散长球面序列d p s s ( d i s c r e t e p r o l a t es p h e r o i d a ls e q u e n c e s ) 的特性，提出了一种基于正交序列d p s s 的 o f d m o o a m 系统时频局域优化脉冲成形滤波器设计方法。 2 1 概述 第二章无线信道传输特性 移动通信的工作环境十分复杂，电波不仅会随着传播距离的增加而发生弥散 损耗，并且会受到地形、建筑物的遮蔽而发生“阴影效应”，而且信号经过多点 反射，会从多条路径到达接收地点，这种多径信号的幅度、相位和到达时间都不 一样，它们相互叠加会产生电平快衰落和时延扩展。另外，移动通信常常在快速 移动中进行，这不仅引起多普勒频移，产生随机调频，而且会使得电波传播特性 发生快速的随机起伏。因此可以认为，无线传播环境是一种随时间、环境和其他 外部因素而变化的传播环境。要想对无线信道进行准确的估计，必须了解无线信 道的传输特性。在这一章中，我们将简要介绍有关无线通信信道的基本概念，参 考文献为 1 7 ，1 8 ，1 9 ，2 0 1 。 信号通过无线信道时，会遭受各种衰落的影响，一般来说接收信号的功率可 以表达为， p ( d ) 刊d i ”s ( d ) 且( d ) ( 2 1 ) 其中d 表示移动台与基站的距离向量，l d i 表示移动台与基站的距离。根据上式， 无线信道对信号的影响可以分为三种，第一种是电波在自由空间内的传播损耗 d r ，也被称作大尺度衰落。第二种是阴影衰落s ( d ) ，表示由于传播环境的地 形起伏、建筑物和其他障碍物对地波的阻塞或遮蔽而引发的衰落，被称作中等尺 度衰落。第三种是多径衰落r ( a ) ，由于无线电波在空间传播会存在反射、绕射、 衍射等，因此造成信号可以经过多条路径到达接收端，而每个信号分量的时延、 衰落和相位都不相同，在接收端叠加时产生衰落，被称为小尺度衰落。 2 2 自由空间的传播 自由空间是指一种理想的、均匀的、各向同性的介质空间，当电磁波在该 - 介质中传播时，不发生反射、折射、散射和吸收的现象，只存在电磁波能量扩 散而引起的传播损耗。卫星通信和微波视距通信的传输环境是典型的自由空间 传播。在自由空间中，若发射点处以球面波辐射，则接收处的功率为， p = 器 汜z ， 其中，只为发射点处的发射功率，q 、g ，分别为发射天线和接收天线的增益， a 为波长，d 为发射天线和接收天线间的距离；三是与传播无关的系统损耗因 子。 自由空间的传播损耗p l 的简单模型，可以表示为有效发射功率和接收功率 之间的差值，其定义式为， 儿= 鲁= k 去d 亿。， 只 7 其中，e 表示接收功率，为路径损耗指数。对于典型环境来说，路径损耗指 数y 一般在2 到4 中选择。由此可以得到平均的信号噪声比为， s n r = 号= 足要d 去nb a ， 只 7 o 其中。是单边噪声功率谱密度，b 是信号带宽，k 是独立于距离、功率和带宽 的常数。 2 3 无线信道的多径衰落 陆地移动信道的主要特征是多径传播。由于电波通过各个路径的距离不同， 因而各路径来的反射波到达时间不同，相位就不同。不同相位的多个信号在接 收端叠加，有时同相叠加而加强，有时反相叠加而减弱。这样，接收信号的幅 度将急剧变化，即产生了衰落。这种衰落是由多径引起的，所以称为多径衰落。 在多径传播的条件下，接收信号会产生时延扩展。接收信号中的一个符号 的波形会扩展到其他符号当中，造成符号间干扰( i s i ) 。为了避免产生i s i ， 要令符号宽度远远大于无线信道的最大时延扩展f ，或者符号速率要小于最 6 大时延扩展的倒数。 相关带宽毋是关于多径衰落的另一个重要参数。实际应用中通常用最大时 延扩展的倒数来定义相关带宽， 玩。j 一 ( 2 5 ) f m 勰 相关带宽毋表示包络相关度为某一特定值的信号带宽。当两个频率分量的 频率相隔小于相关带宽毋时，它们具有很强的幅度相关性；反之，当两个频率 分量的频率相隔大于相关带宽曰，时，它们的幅度相关性很小。时延扩展是由反 射及散射传播路径引起的现象，而相关带宽b ，是从时延扩展得出的一个确定的 关系值。 从频域角度观察，多径信号的时延扩展可以导致频率选择性衰落，即针对 信号中不同的频率成分，无线传输的信道会呈现不同的随机响应，由于信号中 不同频率分量的衰落是不一致的，所以经过衰落之后，信号波形就会发生畸变。 由此可以看到，当信号的速率较高，信号带宽超过无线信道的相关带宽时，信 号通过无线信道后各频率分量的变化是不一样的，引起信号的波形失真，造成 符号间干扰，此时就认为发生了频率选择性衰落，反之，当信号的传输速率较 低，信号带宽小于相关带宽时，信号通过无线信道后各频率分量都受到了同样 的衰落，因而衰落波形不会失真，没有符号间干扰，则认为信号只是经过了平 衰落，即非频率选择性衰落。 2 4 无线信道的时变性和多普勒频移 当移动台在运动中进行通信时，接收信号的频率会发生变化，称为多普勒 效应。信道的时变性是指信道的传输函数是随时间而变化的，即在不同的时刻 发送相同的信号，在接收端受到的信号是不相同的。时变性在移动通信系统中 的具体体现之一就是多普勒频移，即单一频率信号经过时变衰落信道之后会呈 现为具有一定带宽和频率包络的信号。 多普勒效应所引起的附加频率偏移可以称为多普勒频移，表达式如下， 力：v c o s 口：堕c o s 口；厶c o s ( 2 6 ) 1 1 , c 其中，工表示载波频率，c 表示光速，v 表示移动台的运动速度，厶表示最大 多普勒频移。 相关时间瓦是信道冲激响应保证一定相关度的时间间隔，可定义为最大多 普勒频移的倒数， t “7 1 ( 2 7 ) ，4 相关时间是指一段时间间隔，在此间隔内，两个到达信号有很强的幅度相关性。 若符号宽度大于无线信道的相关时间，那么信号的波形可能发生变化，造成信 号畸变，产生时间选择性衰落；反之，如果符号宽度小于相关时间，则认为是 非时间选择性衰落。 3 1 概述 第三章o f d m 技术简介 随着人们对通信业务范围和速率要求的不断提高，已有的移动通信网络将 很难满足新的业务需求。广大用户迫切需要服务商提供更先进的移动通信服务， 因此下一代移动通信系统发展的主要目标是增加小区通信容量、减少无线通信 中多径干扰的影响，提供更高的通信速率以及实现多媒体通信。目前，人们已 经把目光越来越多的投向3 g 以后( b e y o n d3 g ) 的移动通信系统中，使其可以 容纳庞大的用户数，改善现有通信的不良品质，以及达到高速数据传输的要求。 正交频分复用( o f d m ) 技术由于其频谱利用率高、成本低等原因越来越受到人 们的关注，成为3 g 以后移动通信系统最受瞩目的技术【2 ”。 o f d m 是一种多载波数字调制技术，其研究历史可以追溯到2 0 世纪6 0 年代 中期。虽然o f d m 已经存在很长的时间，但是直到最近随着多媒体业务的发展， 它才被人们认识到是一种高速双向无线数据通信的好方法。该技术破欧洲的数 字电视标准( d v b ) 和数字音频广播标准( d a b ) 所采纳，另外已经作为w l a n ( e t s i h z p e r l a n 2 和i e e e8 0 2 1 1 ) 以及宽带无线接入( i e e e8 0 2 1 6 ) 的核心技术。 随着d s p 芯片技术的发展，傅立叶变换反变换、高速m o d e m 采用的 6 4 1 2 8 2 5 6 q a m 技术、栅格编码技术、软判决技术、信道自适应技术、插入保 护时段、减少均衡计算量等成熟的技术逐步引入到移动通信领域中来，人们开 始集中越来越多的精力开发o f d m 技术在移动通信领域的应用，预计第四代移动 通信的主流技术也将是o f d m 技术。 3 2o f d m 的概念 o f d m 的全称为o r t h o g o n a lf r e q u e c yd i v z s l o nm u l t i p l e x i n g ，中文含义 为正交频分复用技术。这种技术是h p a 联盟( h o m e p l u gp o w e r l i n ea l h a n c e ) 工业规范的基础，它采用一种不连续的多音调技术，将被称为载波的不同频率 9 中的大量信号合并成单一信号，从而完成信号传送。由于这种技术具有在杂波 干扰下传送信号的能力，因此常常会被利用在容易产生外界干扰或者抵抗外界 干扰能力较差的传输介质中。 o f d m 是一种无线环境下的高速传输技术。无线信道的频率响应曲线大多是 非平坦的，而o f d m 技术的基本原理就是在频域内将给定信道分成许多正交子信 道，在每一个子信道上使用一个子载波进行调制，并且各子载波并行传输，如 图3 1 所示。这样，尽管总的信道是非平坦的，具有频率选择性，但是每个子 信道是相对平坦的，在每个子信道上进行的是窄带传输，信号带宽小于信道的 相应带宽，因此就可以大大消除信号波形之间的干扰。由于在o 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，同时提高了频谱利用率。 岖囔_ 刮墨坌卜 峙 腓 黟乎 粥 s 摩 求和 i 一 峙 叫黟匹卜 图3 1o f d m 系统基本原理框图 o f d m 技术的推出其实是为了提高载波的频谱利用率，它的特点是各子载波相互 正交，使扩频调制后的频谱可以相互重叠，从而减小子载波的相互干扰。另外 o f 晰之所以备受关注，其中一条重要的原因是它可以利用离散逆傅立叶变换 离散傅立叶变换( i d f t d f t ) 代替载波调制和解调。 3 3o f d m 的发展历史 正交频分复用o f d m 最早起源于2 0 世纪5 0 年代中期，在6 0 年代就已经形 成了使用并行数据传输和频分复用的概念。1 9 7 0 年1 月首次公开发表了有关 o f d m 的专利。 l o 1 9 6 6 年以来，许多文献阱2 3 】提出了频谱交叠的f d m 系统。接下来文献 2 4 提出了用离散傅立叶变换实现f d m 系统的方案。1 9 7 1 年，w e l n s t e i n 和e b e r t 2 5 】 把离散傅立叶变换( d f t ) 应用到并行传输系统中，作为调制和解调过程的一部 分。这样就不再利用带通虑波器，而是经过基带处理就可以实现f d m 。而且， 这样在完成f d m 的过程中，不再要求使用子载波振荡器组以及相干解调器，可 以完全依靠执行快速傅立叶变换( f f r ) 的硬件来实施。进一步的发展中，对 o f d m 系统在平坦以及频率选择性衰落信道下的性能进行了讨论口6 】。到2 0 世纪 8 0 年代中期，随着欧洲在数字音频广播( d a b ) 方案中采用o f d m ，该方法开始 受到关注并且得到了广泛应用。 3 4 o f d m 系统的优点及缺点 l 、o f d m 系统的优点： ( 1 ) 把高速数据流通过串并转换，使得每个子载波上的数据符号持续长度相 对增加，从而可以有效的减小无线信道的时间弥散所带来的i s i ，这样 就减小了接收机内均衡的复杂度，有时甚至可以不采用均衡器，仅通过 采用循环前缀的方法消除i s i 的不良影响。 ( 2 ) o f d m 系统由于各个子载波之间存在正交性，允许子信道的频谱相互重叠， 因此与常规的频分复用相比，o f d m 系统可以最大限度的利用频谱资源。 ( 3 ) 采用动态子载波分配技术能使系统达到最大比特率。由于无线信道存在 频率选择性，不可能所有的子载波同时处于比较深的衰落情况中，因此 可以通过动态比特分配以及动态子信道分配的方法，充分利用信噪比较 高的子信道，从而提高系统的性能。 ( 4 ) 各个子信道中的正交调制和解调可以采用i d f t 和d f t 方法来实现。因此 o f d m 有易于实现的优点。 ( 5 ) o f d m 系统可以容易的与其他多种接入方法相结合使用。其中包括多载波 码分多址m c c d m a 、跳频o f d m 以及o f d m t d m a 等等，使得多个用户可以 同时利用o f d m 技术进行信息传递。 2 、o f d m 系统的缺点 o f d m 系统存在易受频率偏差影响，峰值平均功率比较高的缺点。 3 5o f d m 的基本原理 0 f d m 的基本原理是将高速的数据流分解为多路并行的低速数据流，在多个 载波上同时进行传输。对于低速并行的子载波而言，由于符号周期展宽，多径 效应造成的时延扩展相对交小。当每个o f d m 符号插入一定的保护时间后，码间 干扰几乎可以忽略。 3 5 10 f d m 信号的产生 一个o f d m 符号之内包括多个经过调制的子载波的合成信号，其中每个子载 波都可以受到相移键控( p s k ) 或者正交幅度调制( 0 a m ) 符号的调制。如果n 表示子信道的个数，r 表示o f d m 符号的宽度，4 ( i = 0 ，1 ，n 一1 ) 是分配给每个 子信道的数据符号，z 是第0 个子载波的载波频率，r e c t ( t ) = 1 ，i t 喀t 2 ，则 从r = t o 开始的o f d m 符号可以表示为： 即郴e 隆删t 扣卜以寺训 h s - ， 在理论分析中，通常采用信号的基带表示。o f d m 符号的复等效基带信号如 式( 3 2 ) 所示，其中实部和虚部分别对应于o f d m 符号的同相和正交分量。 s c r ，= 篓z r e c t ( r 一一吾) e x p ( - ，2 万；o t ，) t r + r c s z ， o f d m 符号频谱满足奈奎斯特准则，即多个子信道频谱之间不存在相互干扰。 这样，一个子信道频谱的最大值，就对应于其他子信道频谱的零点，可以有效 避免子信道间干扰( i c i ) 的出现。 3 5 2i f f t 和f f t 在o f d m 系统中的应用 o f d m 系统的调制和解调可以分别由i d f t 和d f t 来替代。通过n 点i d f t 运 算，把频域数据符号变换为时域数据符号，经过射频载波调制之后，发送到无 线信道中。其中每一个i d f t 输出的数据符号都是由所有子载波信号经过叠加 而生成的。在o f d m 系统的实际应用中，可以采用更加快捷的快速傅立叶变换 ( i f f t f f t ) ，这样可以显著降低运算的复杂度。 - 3 5 3 保护间隔 o f d m 可以有效地对抗多径时延扩展。通过把输入的数据流串并转换到n 个 并行的子信道中，使得每个用于去调制子载波的数据符号周期可以扩大为原始 数据符号周期的n 倍，因此时延扩展与符号周期的比值也同样降低n 倍。为了 最大限度地消除符号问干扰，还可以在每个o f d m 符号之间插入保护间隔，而且 该保护间隔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。 3 5 4o f d m 系统的构成 完整的o f d m 系统结构框图如图3 2 所示。上半部分是发射端，下半部分是 接收端。中心部分的i d f t 单元用于基带调制发射处理，f f t 单元用于基带解调 接收处理。在发射端，信源产生的二进制数据进行正交幅度调制( q a m ) ，串并 转换后，作i d f t 变换，接着进行并串变换，添加循环前缀后，信号经过发送滤 波器送入信道。在接收端，接收到符号后，去除循环前缀，经串并转换，d f t 处理，再经并串转换，接着进行q a m 解调，得n - 进制的输出数据。 图3 2o f d m 系统结构完整框图 综上所述，产生o f d m 信号时最主要的任务在于控制所有载波之间的关系以 维持其正交性，因此首先要根据输入的比特数据流和信道信息来选择适当的频 谱和调制方法；然后根据所选择的调制方法( 通常为q p s k 或m q a m ) 计算出各 载波的幅度和相位，即输入比特流通过一定的方式组合起来映射为复数，此映 射过程由调制器完成；接着通过逆快速傅立叶变换( i f f t ) 将此频谱转换成对 应的时域信号，并插入保护间隔。接收方采用相逆的步骤对信号进行处理，经 过移除保护问隔、快速傅立叶变换、解调、并串变换等几个步骤以后恢复出原 始数据流。 1 4 第四章基于直接判决的o f d m 系统信 道估计方法 4 1 概述 正交频分复用( o f d m ) 是近年移动通信研究的热点。其基本原理是把高速的 数据流通过串并变换，分配到传输速率相对较低的若干子信道中进行传输。o f d m 频带利用率高，可以有效消除符号间干扰i s i ，已成为数字视频广播( d v b ) 、宽带 无线局域网( w l a n ) 的传输标准。 0 f d m 系统对子载波的正交性有严格的要求。当信道在一个o f d m 符号内发生变 化时，在传输过程中出现多普勒频移，使得系统子载波之间的正交性遭到破坏， 从而导致子信道间干扰i c i 。文献 9 ，1 0 ，1 1 ，用不同的信道估计方法研究了时变 信道下o f d m 系统的性能。文献中假设信道脉冲响应在一个o f d m 符号持续时间内不 发生变化，实际上是慢时变的信道。但是在o f d m 移动系统中，例如数字视频广播 ( d v b ) ，宽带无线局域网( w l a n ) ，当用户以一定的速度移动时，上述假设不 再成立，即信道的脉冲响应在一个o f d m 符号持续时间内会发生变化。此时多普勒 频移导致子信道间干扰( i c i ) ，这是影响o f d m 系统性能的重要因素。 本章研究了在信道快速变化时，多普勒频移对系统的影响，提出了一种混 合的信道估计方法，它是基于直接判决算法和导频信道跟踪的。我们以训练序 列的信道估计结果作为直接判决算法的初始值，利用传输信号直接判决的统计 特性进行信道估计。根据直接判决的特性，从信道估计结果中选取有效的估计 值作为参考点，联合导频对信道进行跟踪。根据对o f d m 系统的仿真表明，本文 提出的信道估计算法对快衰落信道的估计性能优于利用训练序列或导频的信道 估计方法。 4 2 o f d m 系统模型 我们研究一个有个子载波的o f d m 系统。在发送端，串并变换后的已调 基带信号为x ，= o ，l ，- 。r ，经由i f f t 调制到n 个子载波上。为了消除 符号间干扰，在每个o f d m 符号之间插入循环前缀。在接收端经过信道并被加性 高斯白噪声污染的时域序列通过c p 去除，s p 变换和傅立叶变换后恢复出各载 波上的数据为y = 只o ，只1 ，只肛，r 。然后再经信道估计，均衡和检测等恢复出 发送数据。令日，。为第f 个符号，第_ j 个子载波处的信道频率响应，则接收信号 的频域表示为 = e t 五， + 彬j ( 4 1 ) 上式中，彬j 是均值为0 ，方差为仃。2 的高斯白噪声，只j 和彤。统计独立。 4 3 基于直接判决的信道估计方法 本文提出的信道估计方法主要包括三个部分：( 1 ) 计算直接判决估计算法 的初始值( 2 ) 基于直接判决算法的信道估计( 3 ) 利用改进的导频算法进一步 跟踪信道变化。 4 3 1 直接判决估计算法初始值 直接判决算法是一个递归的算法，在开始算法前，必须得到信道估计的初 始值。我们利用训练序列的信道估计结果作为直接判决算法的初始值，即作为 0 f d m 帧内第一个0 f d m 数据符号的预测值。在0 f d m 系统中，我们使用两个训练 序列，其符号标记为碟、咒，利用训练序列得到的信道l s 估计为 & = 专争= 疗l ，i + w l j ，k = o ，l ，n i ( 4 2 ) n l j v 护 日& = 专等l = 日2 + w 2 ，k = 0 , i ，n - i ( 4 3 ) n 2 j 其中表示日& 、磊分别利用两个训练序列估计得到信道频卒响应，k 表示子 载波序号。 对两列训练序列信道估计结果取平均得到， 肚堕笋 ( 4 4 ) 其中h ”，l t , 噬。为n 维列向量。我们以”作为训练序列的估计结果，亦为直 接判决算法的初始值。 基于直接判决算法信道估计 图4 1 直接判决算法框图 玩 直接判决算法的基本框图如图4 1 所示。如上所述， 匕为第f 个0 f d m 符 号，第t 个子载波处的接收信号的频域表示，e 。为第f 个0 f d m 符号，第七个子 载波处的信道频率响应。从上图可以看到基于直接判决信道估计方法的基本步 骤，从信道我们接收到信号，经过傅立叶变换得到频域信号吼。然后通过 迫零法均衡器得到恢复的传输数据童，再通过判决器得到判决值墨用递归 1 7 滤波器进行估计。下面对各步骤进行详细的讨论。 判决值瓦 我们用前一个o f d m 符号的信道估计值毫- 。作为当前o f d m 符号的信道预测 值，用迫零( z e r of o r c i n g ) 法吲对z i 进行均衡，得到 o o ， 2 百一 1 1 ，一1 i ( 4 5 ) 均衡后得到的数据童。通过判决器，被映