（通信与信息系统专业论文）ofdm系统多径时延及信道估计理论研究和算法实现.pdf

硕士学位论文 摘要 信道估计技术是o f d m 系统的研究热点之一，目前国内外很多专家都提出了 相应的信道估计算法。其中导频辅助信道估计算法通过导频子信道的响应得到整 个信道的响应，能够很好地跟踪信道的变化，在复杂度不是很高的情况下达到很 好的误差性能，是比较适合实际应用的信道估计算法之一。但传统的o f d m 系统 信道估计器的设计首要考虑系统链路的可靠性，通常按照最恶劣的信道情况进行 设计，会因信道的非匹配性误差带来系统性能的损失。而随着对通信传输质量要 求的提高，新一代o f d m 系统必须具有针对信道状态的估计器，实时更新当前信 道的多径时延、多普勒频移等参量，通过自适应选择信道估计最优算法和相关参 数以实现系统的性能优化。 时延估计作为表征信号的一个基本参量是参数估计中的一个基本问题在无线 移动通信中有着广泛的应用。本论文针对o f d m 系统，分析了无线信道的特性并 建立信道模型，对多径时延扩展与循环前缀( c p ) 长度及导频数目间的关系进行 了分析。 论文主要根据o f d m 系统特有的二维导频模式，利用导频的频域相关性估计 得到信道时域功率时延谱( p d p ) ，并根据p d p 提出信道均方根( r m s ) 时延及 最大多径时延门限值的估计算法，最终实现o f d m 系统对信道多径参量的实时跟 踪。随后提出通过动态跟踪信道时延估计参数自适应选择信道估计中适宜的导频 数目并同时实现对循环前缀长度的实时调整。提出基于本文时延估计算法所得参 数的信道插值滤波估计改进算法。 通过m a t l a b 软件进行仿真表明，在无线时变环境下，本论文算法可以有效 获知当前信道时延参数的近似统计信息；自适应信道估计算法的应用亦可以提高 系统的传输效率，实现对系统冗余信息的优化。 关键词：o f d m ；信道估计；多径时延估计；功率时延谱 a b s t r a c t i nw i r e l e s sd i g i t a lm o b i l e c o m m u n i c a t i o n ，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 ) c a u s e d b yt i m ed i s p e r s eo fr a d i oc h a 蚰e li so n eo fm a i nf a c t o r st h a tl i m i tb a n d w i d t ho f c o m m u n i c a t e di n f o r m a t i o na n ds y s t e mp e r f 0 册a n c eo fc o m m u n i c a t i o n i nr e c e i v e r ， 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 ) s y s t e mc a ne a s i l yc a n c e li s i a n de q u a l i z ef r e q u e n c y - s e l e c t i v ef a d i n gt h a ta r eb o t hc a u s e db yt i m ed i s p e r s eo f r a d i o c h a n n e l i t i sa l s o a d a p t i v et oh i g h r a t e d a t at r a n s m i s s i o na n dm u l t i m e d i ad a t a t r a n s m i s s i o n f o rt h i s ，t h i st e c l u l o l o g yh a sb e e nr e g a r d e da st h ec o r et e c h n o l o g yo f 4 gw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ss v s t e mi nt h ef u t u r e c h a n n e le s t i m a t i o ni so n eo fr e s e a r c hh o t s p o t ，a n dm a n yr e l a t e da l g o r i t h m sa r e p r e s e n t e dt h e s ey e a r sa l lo v e rt h ew o r l d c h a n n e le s t i m a t i o nb a s e do np i l o t a i d e dc a n o b t a i n st h ec h a n n e li m p u l s er e s p o n s ef o ra l ls u b c a r r i e r sb y p i l o ts u b c a r r i e r i tc 蚰 t r a c k st h ev a r i e t yo fc h a n n e l ，a n do b t a i nh i g ha c c u r a c yw i t hl o wc o m p l e x i 够s oi t sa p r a c t i c a lc h a 曲e le s t i m a t i o nm e t h o d t h ec o n v e n t i o n a lc h a n n e le s t i m a t o ri no f d m s y s t e mw a sd e s i g n e dt oc o p ew i t ht h ew o r s t - c a s ec h a n n e lc o n d i t i o n ，t h u sp e r f o r m a n c e d e g r a d a t i o n c a nb ei n d u c e dd u et ot h e i m p e r f e c tc h a n n e le s t i m a t i o n t h en e w g e n e r a t i o no fo f d ms y s t e mm u s th a v et h ee s t i m a t o ff o rt h ec h a n n e ls t a t u s 。i no r d e rt 0 s e l e c tt h en e a ro p t i m a la l g o r i t h ma n di n t e r p o l a t i o nc o e m c i e n t sf i o rd i f & r e n tc h a n n e l c o n d i t i o n si nd i f 佗r e n tw i r e l e s st r a n s m i s s i o ne n v i r o n m e n t s c h a n n e lp a r a m e t e r s d e t e c t i n gm e t h o d si n c l u d i n gm a x i m u mm u l t i p a t hd e l a ya n dd o p p l e rf r e q u e n c yb a s e d o nt h et i m ea n d f i r e q u e n c yc o r r e l a t i o nf u n c t i o n sw e r ep r o p o s e d t h et i m es p r e a de s t i m a t i o na sab a s i cp a r a m e t e ri nt h ep a r a m e t e re s t i m a t i o ni sa f u n d a m e n t a lp r o b l e mi nw i r e l e s sm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s ；t h i se s t i m a t i o nm e t h o dh a s aw i d e r a n g eo fa p p l i c a t i o n s t h i sp a p e rm a i n l yr e s e a r c h e so nt h et i m e s p r e a d e s t i m a t i o nb a s e do np i l o t - a i d e d ，s u m m a “z e sm u l t i p a t ha n dt i m e v a r i e t v s t a t i s t i c p r o p e r t i e so fg e n e r a lw i r e l e s sc h a n n e l w eh a v ea n a l y z e dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e n d e l a ys p r e a da n dc y c l i cp r e n x ( c p ) ，t h en u m b e ro fp 订o ti no f d ms y s t e m t h et w o - d i m e n s i o n a lp i l o tp a t t e r ni sau n i q u em o d e lo ft h eo f d ms y s t e m ，t h e p r o p o s e da l g o r i t h m si n t h i sp a p e re s t i m a t et h ep o w e rd e l a yp r 0 1 f i l e ( p d p ) ，w h i c h u t i l i z et h e f r e q u e n c y - d o m a i nc o r r e l a t i o no fp i l o t a c c o r d i n gt ot h ep d p ，t h et w o l m p o n a n td l s p e r s l o np a r a m e t e r s ，n a m e l yr o o t - m e a n - s q u a r e d ( r m s ) d e l a ys p r e a da n d m a x i m u me x c e s sd e l a yo ft h ec h a i l n e l ，a r ee s t i m a t e d a tl a s tw ec a nr e a it i m et r a c k t h ec h a n n e lp a r a m e t e r sa n da d a p t i v ea d ju s tt h e mi no f d m s y s t e m 1 i 硕士学位论文 s i m u l a t i o ns h o w st h a tw ec a no b t a i nt h ea p p r o x i m a t e l ys t a t i s t i c a li n f 0 唧a t i o no f c h a n n e lm o d e l sd e l a yp a r a m e t e r s a d a p t i v ec h a n n e le s t i m a t i o na l g o r i t h mc a na l s o i m p r o v e t h e仃a n s m i s s i o ne m c i e n c ya n da c h i e v et h e o p t i m i z a t i o nf o rs y s t e m r e d u n d a n c yi n f o r m a t i o n k e yw o r d s ：o f d m ，c h a n n e le s t i m a t i o n ，d e l a ys p r e a de s t i m a t i o n ，p d p i i i o f d m 系统多径时延及信道估计理论研究和算法实现 图1 1 图1 2 图1 3 图1 4 图1 5 图2 1 图 图 图 图 图3 4 图3 5 图4 1 图4 2 图4 3 图4 4 图4 5 图4 6 图4 7 图5 1 图5 2 图5 3 图5 4 图5 5 图5 6 图5 7 图5 8 插图索引 4 g 网络分层图3 o f d m 系统模型框图6 o f d m 系统原理框图7 o f d m 信号的频谱9 插入保护间隔的o f d m 符号1 0 瑞利衰落发生器1 9 多径衰落信道模拟框图1 9 导频图案2 3 基于f f t 的时域插值法信道估计框图2 6 基于f f t 的变换域插值法信道估计框图2 6 低通插值算法估计框图2 7 二维导频插入结构2 8 最大多径时延不同时信道估计误码率3 l 导频数目不同时信道估计误码率3 l 时延估计算法框图3 3 多径时延点判决3 6 不同信噪比下的p d p 3 6 f 加估计误差比较3 7 每帧平均功率时延谱( p d p ) 3 7 添加时延估计及反馈控制信道的系统模型3 9 系统导频结构4 0 导频数目及c p 长度随f 懈自适应调整4 l 改进的信道估计框图4 3 不同导频数目下信道估计性能( 一) 4 4 不同导频数目下信道估计性能( 二) 4 5 内插滤波系数与信道匹配性仿真4 6 不同信道估计插值算法的比较4 6 i v 硕士学位论文 符号标注 召：系统带宽 ：子载波个数 z ：系统采样间隔 m ：每帧包含的符号数 z ：第0 个子载波的载波频率 五：第七个子载波的载波频率 ：频域数据符号 毛：时域数据符号 疋：保护间隔长度 ( 衄) 。：相干带宽 ( 乃。：相干时间 f ，：第，条路径时延值 厶：第，条路径多普勒频移值 1 9 j ：第，条路径相移值 j j i ( f ) ：第，条路径复增益值 f 一：最大多径时延 厶一：最大多普勒频移 g ：模拟信道抽头数目 址：抽头分辨率 三：信道多径数 f ：信道平均时延 f 膦：信道均方根时延 ，：导频时间间隔 r ：导频频率间隔 r k p 。，m ：所有符号与导频符号的互相 关矩阵 v s ( 七) ：o f d m 频域发送信号 x ( ，2 ) ：o f d m 时域发送信号 办( ) ：信道时域冲激响应 w ( 疗) ：信道噪声时域表示 y ( 厅) ：o f d m 时域接收信号 】，( 七) ：o f d m 频域接收信号 疗( 七) ：频域信道估计响应 j i ( 刀) ：时域信道估计响应 r ( 钔：频率相关函数 r ( 出) ：时间相关函数 ，( f ) ：功率时延谱 s ( 厶) ：多普勒功率谱 r ( ) ：信道频域自相关 p ( f ) ：第f 个导频子载波的位置 ( 疗) ：加性高斯白噪声时域表示 矿( j | ) ：加性高斯白噪声频域表示 枷，p 一- ：内插滤波器加权系数 f ，i 胁：内插滤波器时延参数 o ：噪声信号方差 w ：二维维纳滤波器系数矩阵 r ：导频符号自相关矩阵 仉m 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法 律后果由本人承担。 作者签名： 日期：口尸年歹月了日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：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电子版，允许论 文被查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分 内容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 存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收 录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 日期： 日期： 伊尸年 矽年 否只 6 只 矿日 j 日 硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 现代社会己步入信息时代，通信技术在其中起着支撑作用。由于人类社会对 通信的需求越来越高，世界各国都在致力于现代通信技术的研究与开发，而无线 移动通信是现代通信系统中不可缺少的组成部分。 今天，无线移动通信己经成为人们日常生活不可缺少的重要通信方式之一， 而人们对移动通信业务需求的迅速增加是无线移动通信技术发展的根本推动力。 现代移动通信是一门复杂的新技术，集中了现有的无线通信和有线通信的最新技 术成就，也融合了网络技术和计算机技术的许多成果。未来通信的目标是能在任 何时间、任何地点、向任何人提供快速可靠的通信服务。 1 1 1 无线通信技术发展过程 无线技术的发展使得有线网络扩展至无线移动网络，加速了现代通信系统的 发展。移动性是现代社会最重要的特征之一，任何事物、任何人都处在不断的移 动当中，因而信息的传递也需满足处于移动中的人们的需求。移动通信的发展给。 我们的生活方式、商业模式，甚至价值观、距离观念和时间观念都带来了巨大的 影响和冲击。 从上世纪8 0 年代至今，移动通信技术飞速发展，已经历了三个主要发展阶段， 每一代的发展都是技术的突破和观念的创新。第一代主要采用模拟和频分多址 ( f d m a ) 技术。第二代( 2 g ) 起源于9 0 年代初期，主要采用时分多址( t d m a ) 和码分多址( c d m a ) 技术。第三代移动通信系统( 3 g ) 由卫星移动通信网和地 面移动通信网组成，支持高速移动环境，可以提供更宽的频带，不仅传输话音， 还能传输高速数据，从而提供快捷方便的个人通信服务。1 9 9 9 年，日本提出的宽 带码分多址( w c d m a ) ，美国提出的c d m a 2 0 0 0 及中国提出的时分双工一同 步码分多址( t d s c d m a ) 三大主流3 g 标准正式确定。然而，第三代移动通信 系统仍是基于地面标准不一的区域性通信系统，尽管其传输速率可高达2 m b s ， 但仍无法满足多媒体通信的要求。第三代合作伙伴计划( 3 r dg e n e r a t i o n p a r t n e r s h i pp r o j e c t3 g p p ) 从2 0 0 4 年1 1 月开始着手其长期演进计划( l o n gt e r m e v o l u t i o nl t e l 【l ，2 】，l t e 的目标是增大蜂窝通信系统的覆盖范围和容量，提高吞 吐量，降低成本并减少服务时延，同时改善服务质量，为用户提供新的体验和感 受。l 1 e 的发展将在现有3 g 规划频带上，以成熟的b 3 g ( b e y o n d3 g ) 新技术为 o f d m 系统多径时延及信道估计理论研究和算法实现 基础，向第四代移动通信系统系统平滑过渡，并保持通信系统在未来的可持续发 展性。 表1 1 移动通信系统发展状况 第一代( 1 g )第二代( 2 g )第三代( 3 g ) 长期演进( l 1 e ) 时间1 9 8 4 1 9 9 6 19 9 6 2 0 0 02 0 0 0 2 0 1 02 0 0 4 2 0 1 2 ( 预计) 服务模拟移动电话数字语音高速数据更高速率数据传输 语音数据消息宽带视频 多媒体 网络宏蜂窝微蜂窝全球化统一标 结构微微蜂窝准 无线局域网无缝漫游 应用模拟调制数字调制c d m a 与t d dm i m o 技术f d d f d m ac d m a和f d d 结合h a r q 使用t d d 和 g p r sa m c f d d 的t d m a 频带8 0 0 m h z 8 0 0 + 19 0 0 m h z2 g h z + 应用a m p sc d m alx ( i s 一9 5 )c d m a 2 0 0 0m c c d m a 系统t a c sg s m d c s 19 0 0w c d m at d o f d m a e t a c st d m ai s 1 3 6t d s c d m a ( 提案) n m t 4 5 0 9 0 0p c s1 9 0 0 n t tj d c j t a c s 厂n t a c s 1 1 2 第四代移动通信技术 第四代移动通信技术( 4 g ) 的定义到目前为止依然有待明确，它的技术参数、国 际标准、网络结构、乃至业务内容均未有明确说法。一般的概念称为宽带 ( b r o a d b a n d ) 接入和分布网络，是集3 g 与宽带无线局域网( w l a n ) 于一体， 并能够传输高质量视频图像，它的图像传输质量与高清晰度电视不相上下。对全 速移动用户能提供1 5 0 m b s 的高质量影像服务，将首次实现三维图像的高质量传 输。4 g 系统包括宽带无线固定接入、宽带无线局域网、移动宽带系统和互操作的 广播网络( 基于地面和卫星系统) 。其w l a n 能与b i s d n 和a t m 兼容，实现广 带多媒体通信，形成综合宽带通信网( i b c n ) ，它还能提供信息之外的定位定时、 数据采集、远程控制等综合功能。此外，4 g 可以在d s l 和有线电视调制解调器 没有覆盖的地方部署，然后再扩展到整个地区。很明显，4 g 有着不可比拟的优越 2 硕士学位论文 性。 目前，中国、日本、韩国以及欧洲等国家对第四代移动通信的研究工作已经启 动，欧洲的项目为“第六框架”，日韩两国都是自己独立研究，目前对4 g 的研究 还处于初级阶段，并没有进入实质部分，还谈不上频段的划分，i t u ( i n t e m a t i o n a l t e l e g r a p hu n i o n ) 计划从2 0 0 4 年起征求第四代移动通信的方案，2 0 l o 年制定出 全世界统一的第四代移动通信标准。 4 g 通信系统应达到以下的特征： ( 1 ) 通信传输速度更高，数据率超过u m t s ( u n i v e r s a lm o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o n ss y s t e m ) 标准的要求，上网速率从2 m b ，s 提高到实际达l o 2 0 m b s ，最高应可达t 0 0 m b s 。 ( 2 ) 以移动数据为主面匈i n t e m e l 大范围覆盖高速移动通信觋络，改变以传 统移动电话业务为主设计移动通信网络的设计观念。 ( 3 ) 采用多天线或分布天线的系统结构及终端形式，支持手机互助功能，采 用可穿戴无线电，可下载无线电等新技术提高终端的智能性。 ( 4 ) 发射功率比现有移动通信系统降低1 0 1 d o 倍，能够较好地解决电磁干 扰问题。 ( 5 ) 支持更为丰富的移动通信业务，包括高分辨率实时图像业务、会议电视 虚拟现实业务等，使用户在任何地方可以获得任何所需的信息服务，且服务质量 得到保证。 环境珐 环境屡 图1 14 g 网络分层图 第四代移动通信系统的网络体系结构可以由下而上分为：物理层、网络业务 执行技术层、应用层等3 层。物理网络层提供接入和选路功能；中间环路层作为 o f d m 系统多径时延及信道估计理论研究和算法实现 桥接层提供q o s 映射、地址转换、安全管理等。物理网络层与中间环路层之间也 可以提供开放式接口，用于提供其他服务。4 g 的网络分层图如图1 1 所示。 第四代移动通信系统的关键技术包括信道传输；抗干扰性强的高速接入技术、 调制和信息传输技术；高性能、小型化和低成本的自适应阵列智能天线；大容量、 低成本的无线接口和光接口；系统管理资源；软件无线电、网络结构协议等。但 若从技术层面看，由于移动通信信道存在多径时延扩展的突出特点限制了数据速 率的提高，因为如果数据速率高于信道的相干带宽，信号将产生严重失真，信号 传输质量大幅度下降。而正交频分复用技术( o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ，o f d m ) 由于具备完全解决上述问题的特点，可作为对高速数据传输 的一种潜在的解决方案，在f d m a 、t d m a 、c d m a 和o f d m 等多址方式中， o f d m 是4 g 系统最为合适的多址方案。因此，o f d m 被认为是4 g 最主要的核 心技术。 1 1 3o f d m 技术发展现状及前景 o f d m 技术的应用有近4 0 年的历史，最初主要用于军用的无线高频通信系统。 1 9 6 5 年，r w c h a n g 的一篇关于将带限正交信号用于多信道传输的研究论文首次对 o f d m 的基本原理进行了描述，提出了在线性带宽受限的信道中实现无信道间干 扰( i n t e r - c a r r i e ri n t e r f e r e n c e ，i c i ) 和码间干扰( i n t e 卜s y m b o li n t e r f e r e n c e ，i s i ) 的 多信道传输原理【3 1 。但是，由于早期的正交频分复用系统需要使用基带成形滤波器 阵列，正弦波载波发生器阵列和相干解调阵列实现调制和解调，当子信道数目很 大时，系统复杂性太高，造价昂贵难以接受，从而限制了其进一步发展。1 9 7 1 年， w 色i n s t e i n 和e b e n 将离散傅里叶逆变换( i d f t ) 和离散傅里叶变换( d f t ) 应用到正交 频分复用系统的调制和解调中，避免使用频分复用系统中的子载波发生器和相干 解调器组，使得全数字化的o f d m 实现成为可能【4 1 。1 9 8 0 年，p e l e d 和r u i z 提出了采 用循环前缀( c y c l i cp r e f i xc p ) 解决正交性问题的方法l5 ，至此o f d m 技术基本形成。 近年来，由于超大规模集成电路( v e r yl a r g es c a l ei n t e g r a t e dc i r c u i t s ，v l s i ) 技 术和数字信号处理( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ，d s p ) 技术的发展，大量复杂运算 和高速存储的问题得以解决。随着大载波数的正交频分复用系统f f t 芯片的应用， 大大推动了o f d m 技术在无线通信环境中的实用化，使o f d m 技术在无线高速数据 传输领域成为的主导。 现阶段o f d m 技术已得到更为广泛的应用，特别是广播方式下的音频和视频 传输，如非对称数字用户环路( 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 i n e ，a d s l ) 、无线 本地环路( 、斩r e l e s sl o c a jl o o p ，w l l ) 、数字音频广播( 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 ) 、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 ) 、高清晰度电视 4 硕士学位论文 ( h i g h - d e n n i t i o nt e l e v i s i o n ，h d t v ) 等。 在无线局域网中，o f d m 等技术业已开始得到应用，以提升w l a n 的性能。 如8 0 2 1 1 a 和8 0 2 1 1 9 都采用o f d m 调制技术，提高了传输速率，增加了网络吞 吐量。1 9 9 9 年i e e e 8 0 2 1 1 a 通过了一个5 g h z 的无线局域网标准，其中采用了 o f d m 调制技术并将其作为它的物理层标准。欧洲电信标准协会( e u r o p e a nt e l e c o m m u n i c a t i o n ss t a n d a r d si n s t i t u t e ，e t s i ) 的宽带射频接入网( b r o a dr a d i o a c c e s sn e t w o r k ，b l u n ) 的局域网标准也把o f d m 定为它的标准调制技术。为了 进一步提升无线局域网的数据传输速率，实现有线与无线局域网的无缝结合， i e e e 成立了i e e e 8 0 2 1 1 n 工作小组，以制定一项新的高速无线局域网标准。 8 0 2 1 l n 计划采用m i m o ( m u l t i p l e i n p u tm u l t i p l e o u t p u t ) 与o f d m 相结合， 使传输速率成倍提高。宽带正交频分复用w - o f d m ( w i d e b a n do f d m ) 己经正式通 过i e e e 组织的认证，在宽带无线接入中得到应用，成为i e e e 8 0 2 1 6 a 标准物理 层调制技术【6 7 】。其他基于0 f d m 技术的专利v e c t o r o f d m ( v o f d m ) 、 n a s h o f d m 等也趋于完善。 为满足未来无线多媒体通信需求，人们在加紧实现3 g 系统商业化的同时， 开始了b 3 g 的研究。从技术方面看，3 g 主要以c d m a 技术为核心技术，而未来 移动通信系统则以o f d m 技术最受瞩目。在宽带接入系统中，由于o f d m 系统 具备良好的特性，将成为下一代蜂窝移动通信网络的有力支撑。4 g 等未来移动通 信以数据通信和图像通信为主，数据通信的速率比3 g 要大大提高，还特别注重 与互联网结合，通信以i p 协议为基础等等。其中就牵涉到很多关键技术，如为了 达到高速传输以及高q o s ( q u a l i t yo f s e i c e ) 的保障，必须使频谱利用率提高、 信号抗衰落能力增强、抗码间干扰能力显著增强等，我们需要o f d m 等先进的调 制技术。而目前正在研发的3 g p pl t e 技术也选用o f d m 及其改进型作为基本多 址技术。但考虑到o f d m 技术在上行链路的峰均比高，3 g p p 只在下行链路使用 o f d m a 技术，而在上行链路使用单载波技术，包括交织的频分多址( i f d m a ) 、 单载波频分多址( s c f d m a ) 和离散傅里叶变换一扩展正交频分复用( d f t s o f d m ) 。因此我们可以预见，o f d m 技术将在未来发挥如今c d m a 技术对于移 动通信一样的重要作用，甚至产生更广泛的影响。 1 2o f d m 技术基础 o f d m 是一种特殊的多载波传输方案，它可以被看作是一种调制技术，也可 以被当作一种复用技术。多载波传输把数据流分解成若干子比特流，这样每个子 数据流将具有低得多的比特速率，用这样的低比特率形成低速率多状态符号再去 调制相应的子载波，就构成多个低速率符号并行发送传输系统。o f d m 是对多载 5 o f d m 系统多径时延及信道估计理论研究和算法实现 波调制( m u l t i - c a r r i e rm o d u l a t i o n ，m c m ) 的一种改进。它的特点是系统中各个子信 道的载波相互正交，所以扩频调制后的频谱可以相互重叠，这样不但减小了子载 波间的相互干扰，同时又提高了频谱利用率。 o f d m 技术的主要思想就是在频域内将给定信道分成许多窄的正交子信道， 在每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，在多载波调 制的子信道中，数据传输速率降低了，符号持续时间加长了，因而对时延扩展有 较强的抵抗力，减轻由无线信道多径时延扩展所产生的时间弥散对系统造成的影 响，减小了符号间干扰的影响。o f d m 可以在不同的子信道上自适应地分配传输 负荷，这样可优化总的传输速率。o f d m 技术还能对抗频率选择性衰落或窄带干 扰。此外，在o f d m 符号之间插入保护间隔，令保护间隔大于无线信道的最大时 延扩展，这样就可以最大限度地消除由于多径而带来的符号间干扰( i s i ) 【8 】。同时， o f d m 采用循环前缀作为保护间隔，从而避免了多径带来的信道间干扰( i c i ) 。 1 2 1o f d m 系统模型 o f d m 系统下行链路收发信机的典型框图如图1 2 所示。发送端将被传输的 数字信号首先进行编码，交织，调制，并进行i d f t 变换将数据频谱表达式变到 时域上。插入保护间隔后经由数模转换，并由射频( r a d i of r e q u e n c y ，r f ) 单元发送。 i f f t 变换与i d f t 变换的作用相同，只是有更高的计算效率。在该系统中，上半 部分对应于发射链路，下半部分对应于接收链路。 图1 2o f d m 系统模型框图 信号经无线信道传播后，接收端进行与发送端相反的操作，将射频信号与基 带信号进行混频处理，并用f f t 变换分解频域信号，子载波的幅度和相位被采集 出来并转换回数字信号。信道估计器和信道均衡器分别对信道衰落进行估计和补 偿。i f f t 和f f t 互为反变换，选择适当的变换将信号接收或发送。当信号独立 于系统时，f f t 变换和i f f t 变换可以被交替使用。采用i f f t 和f f t 来实现o f d m 6 硕士学位论文 系统中各个子信道的正交调制和解调，正是o f d m 系统的优点之一。 图1 3 给出了o f d m 系统基本原理框图。在接收端，将接收到的同相和正交 矢量映射回数据信息，完成子载波调制。一个o f d m 符号之内包含多个经过调制 的子载波合成信号，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( q a m ) 符号的调制。如果表示子载波的个数，z 表示o f d m 符号的持 续时间( 周期) ，( 七= o ，1 ，一1 ) 是分配给每个子信道的数据符号，五是第0 个 子载波的载波频率，其他子载波大大载频以= 以+ 七t ，矩形函数 心c f ( f ) = l ，i ，j z 2 ，则从，= f ，开始的o f d m 符号可以表示为【9 】： 川肚隆鲥”一争唧h z 寺训忆鲻似， l 七皇o 二 l上ji i 、1 17 x o ) = 0 ，f z + r 。 图1 3o f d m 系统原理框图 其复等效基带信号来描述o f d m 的输出信号。 x ( ，) = 篓，p c f ( f 一一手) e x p i 2 万事。一) i ，f + t ( 1 2 ) x ( ，) = & ，p d ( f 一一鲁) e x p l 2 7 r 睾。一) i ，f + tr1 七昌0 l _ j 、1 - 7 z ( d = 0 ，f i + 其中实部和虚部分别对应于o f d m 符号的同向和正交分量，在实际应用中分 别与相应子载波的余弦分量和正弦分量相乘，构成最终的子信道信号和合成的 o f d m 符号。 对于离散信号x ( 玎) ，定义它的点d f t 和i d f t 为： x ( 七) ：胛【x ( 刀) 】：笔x ( 刀) 阿锣 肛u m ) = 肼邓( 纠= 专笔琊) 陈切 j j = o ，l ，一1 n = o ，1 ，一l ( 1 3 ) 式中，= p 2 霄。对于比较大的系统来说，式( 1 2 ) 中的o f d m 复等 7 o f d m 系统多径时延及信道估计理论研究和算法实现 效基带模型可以采用i d f t 来实现。为了叙述的简洁，令式( 1 2 ) 中的，。= 0 ，并 忽略矩形函数，对信号x ( r ) 以z 的速率进行抽样，即f = 等仰= o ，1 ，一1 ) ， 可以得到： 一c 务篓一( 等卜一， 4 ， 可以看到矗等效为对进行i d f t 运算。同样在接收端，为了恢复出原始数据符 号，可以对毛进行d f t 变换，可以得到： & = 篓e x p ( 一歹警) 邝一 5 ) 根据上面的分析可以得到，o f d m 系统的调制和解调可以分别由i d f t d f t 来代替。通过点i d f t 运算，可以把频域数据符号& 变换为时域数据符号，经 过射频载波后，就可以发送到无线信道中。其中每一个i d f t 输出的数据符号毛都 是由所有子载波信号经过叠加而生成的，即对连续的多个经过调制的子载波的叠 加信号进行抽样得到的。在o f d m 系统的实际应用中，可以采用更加方便快捷的 快速傅里叶变换( i f f t f f t ) 来实现。 1 2 2 子载波间的正交性 在o f d m 系统内，子载波问相互正交使得频域内各个子载波的频谱可以相互 重叠，从而提高了频谱利用率，下面我们将分别从时域和频域角度来说明这种正 交性。 1 ) 时域角度 每个子载波在一个o f d m 符号周期内都包含整数倍个周期，而且相邻子载波 之间相差一个周期。这一特性可以用来解释子载波间的正交性，即： 丢f e x p ( m e x p ( 一m 前= 器篙 ( 1 6 ) 接收端可以利用此正交性，通过数学方法而不是带通滤波器来完成子载波的 分离( 解调) 。以第七个子载波为例，接收端只需对接收信号在乃时间内进行积分， 即： 反= 丢f + ，e x p ( 一，2 ：专。一，) 篓簟e x p ( ，2 7 r 毒。一， 西 。7 ， = 专争r 唧卜警”，弘= 以 根据上式可以看到，对第j | 个子载波进行解调可以恢复出期望符号。而对于其 8 硕士学位论文 他载波来说，由于在积分间隔内，频率差别o 一七) z 可以产生整数倍个周期，所 以其积分结果为零。 2 ) 频域角度 根据式( 1 1 ) ，每个o f d m 符号在其周期z 内包括多个非零的子载波。因此 其频谱可以看作是周期为z 的矩形脉冲的频谱与一组位于各个子载波频率上的6 函数的卷积。矩形脉冲的频谱幅值为s i i l c ( 仍) 函数，这种函数的零点出现在频率 为l z 整数倍的位置上。在每一个子载波频率的最大值处，所有其它子信道的频 谱值恰好为零，因此在对o f d m 符号进行解调时，可以从多个互相重叠的子信道 符号频谱中提取出每个子信道符号，而不会影响到其它子信道的干扰。从图1 4 可以看出，o f d m 符号频谱实际上可以满足奈奎斯特准则，即多个子信道频谱之 间不存在相互干扰，因此可以提供较高的频谱利用率。这种一个子信道频谱的最 大值对应于其它子信道频谱的零点可以避免i c i 的出现。 图1 4o f d m 信号的频谱 1 2 3 保护间隔和循环前缀 o f d m 得到广泛应用的一个重要原因在于它可以有效地对抗多径时延扩展。 通过把输入数据流串并转换到个并行的子信道中，使得每个调制子载波的数据 周期扩大为原始数据符号周期的倍，因此时延扩展与符号周期的数值相比也同 样降低了倍。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 插入保护间隔瓦，而且该保护间隔疋一般要大于无线信道中的最大时延扩展，这 样一个符号的多径分量就不会对下一个符号造成干扰。在这段保护间隔内可以不 插任何信号，即是一段空白的传输时段。然而在这种情况下，由于多径传播的影 响，会产生子载波间的干扰( i c i ) ，即子载波问的正交性遭到破坏，不同子载波间 产生干扰。 为了消除由于多径所造成的i c i ，o f d m 符号需要在其保护间隔内填入循环前 缀信号。所谓循环前缀，即在每个o f d m 符号前插入其尾部的疋个抽样值，这样 就可以保证在一个f f t 周期内，o f d m 符号的延时副本内所包含的波形周期个数 也是整数。在这种情况下，时延小于保护间隔疋的时延信号就不会在解调过程中 9 o f d m 系统多径时延及信道估计理论研究和算法实现 产生i c i 。在o f d m 系统中加入保护间隔后，会带来功率和信息速率的损失，但 是插入保护间隔可以消除i s i 和由于多径造成的i c i 的影响，因此这个代价是值 得的。 添加循环前缀信号作为保护间隔后的o f d m 符号结构见图