（通信与信息系统专业论文）ofdm技术在无线远距离移动通信系统中的应用研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 利用超短波进行无线远距离移动通信传输时，仅需要不大的发射功率和适中的设备费 用。且其通信线路不易被摧毁。这些特点使得它在无线远距离通信领域有很广泛的发展前景。 但是，由于其信道特点，超短波无线通信也存在可靠性低、质量差的缺点。无法适应越来越 高的传输要求。本文主要从调制技术方面入手。针对无线远距离通信信道的一些问题，将正 交频分复用( o f d m ) 技术应用于超短波无线远距离移动通信系统，克服了超短波无线远距 离移动通信中所面临的多径衰落和多普勒频移等因素的影响。提高了整个通信系统的性能。 正交频分复用( o f d m ) 技术是一种多载波数字调制技术，虽然o f d m 的概念已经存 在了很长时间，但是直到最近随著多媒体业务的发展它才被人们认识到是一种实现高速 双向无线数据通信的良好方法。随著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技术的逐步引入，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。工夕一一一 本文从对无线远距离移动通信信道的特性研究出发，分析了其存在的问题。然后针对问 题提出了解决方案采用o f d m 技术来设计通信系统的调制器。文中给出了具体的设计 方法，和各种算法的比较分析，并综合性能和成本的考虑，从中选择出了适合于本文所讨论 的无线远距离移动通信系统的设计方案。 第一章给出了无线远距离通信研究和发展的概况。分析了其面临的一些问题。屏介绍 o f d m 技术的原理及其在解决无线远距离通信的一些问题的存在的优势和问题。最后还讨 沧了o f d m 技术发展的前景以及一些相关标准。i 产一 第二章深入分析了无线远距离移动通信信道的一些特性。并据此给出了本文所要研究的 无线远距离通信系统的信道模型。 第三章在上一章讨论的基础上，给出了o f d m 通信系统的基带传输结构。，详细进行了 o f d m 系统的信道估计模块的理论分析和各种实现方法的比较，给出了仿真结果，并据此 定出了本o f d m 系统所用的信道估计算法以及帧格式详细参数设置。同时，本章还对其它 几个关键模块，如调制解调，信道编码和同步定时等进行了理论分析和实现方法的研究。l 7 、 第四章根据o f d m 技术原理以及前面几章的分析结果，详细地给出了o f d m 通信系统 发送端和接收端的原理框图。钟确定了系统的传输参数。同时提出了一个适用于o f d m 无 线远距离移动通信的传输l 帧结构和o f d m 符号结构。最后对我们所要实现的无线远距离移 动通信系统的硬件平台的设计以及在系统中的数据传输流程进行了简要的介绍。 。、一 【关键字】：o f d m ，信道估计 t c m ， 晖 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t l o n g d i s t a n c ev h fw i r e l e s sc o m m u n i c a n o nt r a n s m i s s i o n r e q u i r e so n l y m o d e r a t e t r a n s m i s s i o np o w e ra n dr e a s o n a b l ee q u i p m e n tc o s t , a l s ot h ec h a n n e li sv e r yd i m c u l tt ob e d e s t r o y e d t h e s ec h a r a c t e r i s t i c sm a k e i t sd e v e l o p m e n t v e r yp r o m i s i n g h o w e v e r , d u e t ot h en a t u r e j fi t sc h a n n e l i ta l s oh a st h ed e f i c i e n c i e ss u c hl i k el o wr e l i a b i l i t ya r t dp o o rp e r f o r m a n c e t h e s e l i m i ti t s a p p l i c a t i o ni ne v e r - i n c r e a s i n gc o m m u n i c a t i o nd e m a n d t h i st h e s i s f o c u s e so ns o m e t e c h n i c a ld i 币c u r i e se n c o u n t e r e di nt h el o n gd i s t a n c ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o na n dt a c k l e st h et a s k b ya p p l y i n go f d m ( o r t h o g n 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 ) t e c h n i q u e s i nt h e c o m m u n i c a t i o ns y s t e m t h i sh e n c ei m p r o v e st h eo v e r a l lc o m m u n i c a t i o ns y s t e m sp e r f o r m a n c eb y o v e r c o m i n g t h ee 虢c t ss u c hl i k em u l t i p a t hf a d i n ga n d d o p p l e rs p r e a di nt h ef r e q u e n c yd o m a i n 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 ) i sam u l t i c a r r i e rd i g i t a lm o d u l a t i o n t e c h n i q u e i t sc o n c e p t i o nh a sc o m e o u tf o ral o n gt i m e ，h o w e v e r , i ti sr e c e n t l yt h a ti t sr e c o g n i z e d a sa np r o p o s e dm e t h o di nb r o a d b a n db i - d i r e c t i o nw i r e l e s sd a t ac o m m u n i c a t i o n sw i t ht h e d e v e l o p m e n to fm u l t i m e d i as e r v i c e s w i t ht h ed e v e l o p m e n to fd s pc h i pt e e h n i q u e sa n d t h e i n t r o d u c t i o no f s o m em a t u r et e c h n i q u e s ，s u c ha sf f r ，i f f t ，t h ea p p l i c a t i o no f 6 4 ，1 2 8 2 5 6q a mi n h i g h s p e e dm o d e m ，t c m ，a d a p t i v e c h a n n e le q u a l i z a t i o n ，t h ei n s e r t i o no f g u a r di n t e r v a la n da oo n ， p e o p l ea r es t a r t i n gt of o c u so n t h ea p p l i c a t i o no f o f d mi nt h ef i e l do f m o b i l ec o m m u n i c a t i o n s b a s eo nt h es t u d yo f l o n gd i s t a n c ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ne h a n n e lc h a r a c t e r i s t i c s ，t h et h e s i s g i v e s a n a n a l y s i s o nt h e e x i s t i n gp r o b l e m sa n dp r o p o s e s as o l u t i o n ：i m p l a n t i n gt h eo f d m t e c h n i q u ei nc o m m u n i c a t i o ns y s t e mm o d u l a t o r i nt h et h e s i s ，d e t a i l e dd e s i g na r c h i t e c t u r ei sg i v e n ， t o g e t h e rw i t hac o m p a r i s o na m o n g t h ed i f f e r e n ta l g o r i t h m s af i n a ls o l u t i o ni nf a v o rt ot h el o n g d i s t a n c ew i r e l e s sm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e mi ss u g g e s t e da f t e ra no v e r a l lc o n s i d e r a t i o no f b o t h p e r f o r m a n c e a n dc o s t i nt h e c h a p t e ro n e ，t h e t h e s i s g i v e s ab r i e fi n t r o d u c t i o no ft h e l o n gd i s t a n c ew i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n s o m ep r o b l e m se n c o u n t e r e da r ea n a l y z e d o f d mt h e o r ya n di t sa d v a n t a g e sa n d d i s a d v a n t a g e sa r ea l s oi n t r o d u c e dh e r e a n t i c i p a t i o no f t h eo f d mt e c h n i q u ei sg i v e ni nt h el a t eo f t h ec h a p t e rw i t hs o m er e l a t e ds t a n d a r d s c h a p t e rt w og i v e sas t u d yo n t h ec h a r a c t e r i s t i c so f t h e1 0 n gd i s t a n c ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n c h a n n e l b a s e do nt h i sp r o p o s e st h ec h a n n e im o d e lw h i c ht h i sm e s i sw o u l dd i s c u s s b a s e do nt h ed i s c u s s i o no fc h a p t e rt w o ，c h a p t e rt h r e eg i v e st h eb a s e b a n dt r a n s m i s s i o n a r c h i t e c t u r eo fo f d mc o m m u n i c a t i o ns y s t e m d e t a i l e da n a l y s i so fc h a n n e le s t i m a t i o nm o d e lo f o f d m s y s t e ma n dc o m p a s s i o nb e t w e e ns e v e r a li m p l e m e n t a t i o ns c h e m ea r ep r e s e n t e d ，i n c l u d i n g t h es i m u l a t i o nr e s u l t a c c o r d i n gt ot h e s e ，t h ec h a n n e le s t i m a t i o n a l g o r i t h ma n dt h e d e t a i l e d t r a n s m i t t i n gf r a m es t r u c t u r ep a r a m e t e r sa r ep r o p o s e df o rt h ea p p l i c a t i o n a tt h es a m et i m e ，t h i s c h a p t e ra l s or e s e a r c h e s o nt h et h e o r ya n a l y s i sa n di m p l e m e n t a t i o n a p p r o a c h e so fo t h e rk e y m o d u l e s ，s u c ha sm o d u l a t i o n ，d e m o d u l a t i o n ，c h a n n e lc o d i n g ，t i m i n ga n ds y n c h r o n i z a t i o n a c c o r d i n gt ot h et e c h n i c a lt h e o r yo f0 f d ma n dt h ea n a l y s i sr e s u l t so ft h ef o r i f l e rt h r e e c h a p t e r s ，c h a p t e rf o u rg i v e s t h ed e t a i l e dt h e o r e t i c a ld i a g r a mo f t h et r a n s m i s s i o ne n da n d r e c e i v i n g e n do fo f d mc o m m u n i c a t i o n s y s t e m t h et r a n s m i s s i o np a r a m e t e r s a r ea l s od e c i d e da n t r a n s m i s s i o nf l a m ea r c h i t e c t u r ea n do f d mc h a r a c t e ra r c h i t e c t u r e a p p l i c a b l e t oo f d m d i s c u s s i o no nt h e o r e t i e a la n a l y s i so nt h ee s t i m a t ec h a n n e lm o d u l e s ，f i v e ，t h ea r t i c l ei n t r o d u c e st h e 浙江大学硕士学位论文 l o n g d i s t a n c ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o na a l s op r e s e n t e d f i n a l l y , t h i sc h a p t e rg i v e sab r i e f i n t r o d u c t i o no ft h ed e s i g no ft h eh a r d w a r ep l a t f o r mf o r t h el o n gd i s t a n c e w i r e l e s sm o b i l e c o m m u n i c a t i o ns y s t e ma sw e l la st h ed a t at r a n s m i s s i o nf l a w tk e y w o r d 】 o f d m ，c h a n n e le s t i m a t i o n ，t c m ，l o n gd i s t a n c ew i r e l e s s m o b i l e c o m m u n i c a t i o n ，p i l o t , p r e a m b l e ，m u l t i - p a t hf a d i n g 第一章绪论 第一章绪论 超短波( v h f ) 无线电通信多年来被广泛的用于政府、军事、外交、气象、商业等各个 部门，用以传送语言、文字、图像、数据等信息。尤其在军事部门，它始终是军事指挥的重 要手段之。虽然卫星通信相对超短波通信能为用户提供宽得多的频带以及稳定的高质量通 信线路，但事实上，它还不能从根本上取代超短波无线电通信。并不是所有的用户都需要卫 星，都能得到卫星提供的通信线路。尤其在军事通信领域，卫星易于被敌方摧毁，这已经成 为一个现实的严重问题。 超短波无线通信在进行远距离传输时，仅需要不大的发射功率和适中的设备费用。且其 通信线路不易被摧毁。这是它吸引用户的最基本的原因。但是，超短波无线通信也存在可靠 性低、质量差的缺点，无法适应越来越高的传输要求。因此，现代超短波通信系统中采用了 许多新技术，如实时信道估计、分集接收、现代调制技术、差错控制以及各种自适应技术， 以求在发射功率不太大的情况下，使系统性能达到高质量水平忆 本文所设计的超短波无线远距离移动通信系统，主要从调制技术和差错控制两方面入 手。针对无线远距离移动通信信道的一些问题。将正交频分复用( o f d m ) 技术以及t c m 编码技术用于超短波无线远距离移动通信系统的信号调制和差错控制上，以提高系统性能。 下文首先从几种特定场合下的无线远距离移动通信发展现状出发。讨论了无线远距离移 动通信信道上进行高速数据传输所要解决的几个主要的技术问趣，然后介绍了o f d m 传输 技术以及它在解决这些问题上具有的优势分析了o f d m 技术发展的前景，最后给出本文 的主要工作。 1 1 无线远距离移动通信现状和发展 1 9 0 1 年1 2 月1 2 日。意大利发明家马克尼的研究小组，在加拿大的纽芬兰使用风筝天 线，接收到从相隔3 0 0 0 公里外，横跨大西洋的英国普尔杜发送的无线电信号字母st 。 开创了人类无线通信的新纪元。至今，无线移动通信的能力已经得到了举世瞩目的发展。越 来越多的无线通信方法和途径被发明。 无线通信初期人们使用长波及中波来通信。2 0 世纪2 0 年代初人们发现了短波通信， 商到2 0 世纪6 0 年代卫星通信的兴起，它一直是国际远距离通信的主要手段，并且对目前的 应急和军事通信仍然很重要。特别是在过去的十年里，整个无线移动通信领域在数字和射频 电路制造技术的进步以及新的大规模集成电路的发展推动下取得了巨大的进步，其便携移动 设备做的越来越小，成本更低，性能也更可靠【”。同时，随着通信技术的不断发展，超短波 技术在无线远距离移动通信领域的作用越来越大，慢慢代替了短波通信。 d 第一章绪论 一若干特定场合下的短波、超短波通信技术发展 1 军事领域 在众多的业务类别中军事领域一直是短波、超短波通信最重要的应用范围。在这一通 信领域的几次重大的技术突破，其原动力都来自军事市场。由于军事卫星通信手段在未来战 争中易被摧毁且难以紧急修复等弱点，人们对无线短波、超短波通信的军事价值有了新的 认识，所以。目前，乃至今后军事领域的通信仍将是无线远距离移动通信( 短波、超短波通 信) 最重要的市场。 目前，军事通信传递的信息，已从简单的指挥命令发展4 诸如雷达探测的数据、计算机 计算结果、高速图像传真信息和数字话音加密信息等一些要求较高的数字数据信息。因此， 对调制解调终端设备和短波通信系统提出了越来越高的要求。为了提高发信设备传输话音信 号时的发射效率，在调制体制信号检铡，传输速率三个主要方面发展了许多新的技术。如 传输速率的自适应技术、信号检铡的各种软判决技术：自适应均衡、最大似然序列检测、准 擐大似然序列估值等。此外，短波跳频技术、扩频通信系统以及天线自适应调零等多种新技 术，也陆续在军事短波、超短波通信领域发挥作用。 2 海上通信 在海上无线电通信中，短波单边带通信技术占有十分重要的地位。不论是潜艇、水面战 舰，还是远洋商船、渔轮和科考船队，都通过安装短波单边带电台来沟通与外界的联络。广 泛的应用领域和广阔的市场，有力的推动了海上短波通信技术的发展。 随着船舶通信业务和要求的不断提高，以及船用通信设备的日益增多，海上短波通信对 数据传输的速度要求逐渐增加，相互干扰和电磁兼容性破坏也变得严重起来。设计新颖的能 传输高速数字数据的宽带调制解调器成为技术发展的重点课题。 3 机载通信 机载短波、超短波通信是指飞机和地面通信战、飞机和海上舰船以及飞机和飞机之间的 短波通信，它是航空通信的重要手段。特别，当飞机要进行低空、超视距和远距离通信而又 缺乏现代预警机与机载卫星通信系统时。机载短波、超短波通信成了唯一的通信渠道。随着 现代航空事业的不断发展，对机载短波通信技术的要求和系统性能要求也越来越高。特别的， 由于飞机是高速运行的动目标，它因多普勒频移效应将对调制解调器的设计提出苛刻要求。 经过”八五”和”九五”两个时期的建设，我国民航地空通信的保障能力也得到了较大的改 善，超短波( 邗) 通信技术发展迅速，v h f 地空通信取代九十年代初期的h f 技术丽成为 主要通信手段。目前，在机场终端管制范围内，v h f 通信可提供塔台、进近、航站自动情 报服务、航务管理等通信服务。在航路对空通信方面，随着在全国中大型机场及主要航路( 航 线) 上的v h f 共用系统和航路v h f 遥控台的不断建设，京沪穗三角地区和其他国际航路 6 0 0 0 米以上高空管制区已基本实现v h f 通信覆盖。在一些繁忙航路上达到了3 0 0 0 米以上 的v h f 通信覆盖。p 1 第一章绪论 从九八年开始，地空数据通信在民航空管和航空公司飞行管理中得到了应用，民航建成 了以北京为主中心、各管理局为分中心，并且覆盖全国大部分航路的v h f 地空数据通信网。 该网是由中国民航自主管理、自成体系并与国际联网的地空数据通信系统，它可以为民航 当局、航空公司和空管部门提供有关飞机飞行过程中的实时动态及有关信息，并将地面有关 部门的相关信息及时传递给飞行中的飞机。今日的民航通信系统已基本步入现代化、系统化、 网络化的建设轨道，并且，能为保证飞行安全提供良好的通信保障 3 1 。 二小结 各种不同场合下的无线远距离移动通信应用各有特点，所要提供的服务和面l 临的问题并 不完全一样。因此，对不同的应用，通信系统的设计也不一样。要根据具体的传输要求和对 应的传输线路环境进行有针对性的设计。本文的所研究的无线远距离移动通信系统的设计目 标主要是针对陆地上的远距离无线移动通信应用，因此，在下文我们将主要针对陆地上的无 线移动信道来展开研究。 1 2 无线远距离移动通信需要考虑的一些问题 无线移动信道是现代通信系统中最为复杂的信道。发射机与接收机之间的传播路径非常 复杂，从简单的视距传播，到遭遇各种复杂的地物，如建筑物、山脉和树叶等。无线信道不 像有线信道那样固定并可预见，而是具有极度的随机性，特别难以分析。甚至移动台的移动 速度都对信号电平的衰落产生影响。无线电信号通过移动信道时会遭受来自不同途径的衰减 损害。有线信道中典型信噪比约为4 6 d b ，信噪比的波动通常不超过l 一2 d b ，与此相对照， 移动无线信道中信号强度的骤然降低即所谓衰落是经常发生的，衰落深度可达3 0 d b ，l s 之 内的显著衰落可达数十次【4 l 。由此可见，无线信道对于通信系统的性能有着非常重要的影响。 设计人员必须对无线信道的基本特性有很深刻的理解，从而针对所面临的无线信道的特性来 设计整个系统。 一般来说，信号在无线远距离移动通信信道的传输过程中，主要存在以下几个问题 自由空间路径损耗 对于无线远距离通信信道的信号传输来说，在没有障碍物阻挡传输的情况下，接收端接 收到的信号功率同发送端和接收端之间的天线距离的平方成反比。距离越远，接收到的信号 功率损耗得越厉害。 反射、衍射和散射的影响 在无线远距离通信信道中，在信号传输的过程中往往会遇到很多障碍物。如山脉、树木、 建筑等。从而使得传输中的电磁波收到反射、衍射和散射的影响。这些影响对于电磁波能量 的传播起着很重要的作用，同时也是产生无线信道衰落现象的最根本原因。 多径传插和多普勒频移带来的衰落影响 由于电磁波信号在无线远距离移动传输时，会遭遇很多障碍物，所以一般来说在收发天 第一章绪论 线之间没有视线方向上的电磁波传播。能量的传播主要依靠建筑物等障碍物的反射、衍射和 散射。这三种传播机制会产生大量的传播路径，使得同一个接收天线会接收到很多来自不同 方向的电磁波。这些电磁波传播路径不同，相位不同，路径损失不同当它们在天线处叠加 在一起构成接收信号时，就会产生多径效应。这使得接收到得信号相位差异和功率差别非常 大。 此外，由于传播环境中的物体的移动，以及发送台和接收台之间的相对移动，会产生多 普勒频移。而各个多径信号的多普勒频域也是不一样的，这就会造成不同多普勒频移对信号 产生不同的调频。 另外，信号的带宽对传输也有影响。如果信号带宽大子多径信道的带宽( 多径信道可以 看成一个时变系统，它的带宽可以用相干带宽表示) ，那么接收信号就会失真，但接收信号 的能量在很小的范围内变化不大，衰落并不严重。而如果发射信号的带宽与信道相比是窄带 的，那么信号的幅度变化就会很快。 综上所述，无线信道对无线远距离移动传输信号的传输过程影响非常显著，要设计好的 传输系统，就必须综合考虑无线信道的各种特性。我们将在下一章对无线远距离移动信道进 行深入研究。 1 30 f d m 技术在解决这些问题上的优势 在上节所述的无线远距离移动信道传输影响中，路径传播损耗与反射、散射等带来的能 量损失主要影响到无线区的覆盖。而反射、散射和衍射带来的多径衰落以及多普勒效应严重 影响信号传输质量，且不可避免，必须采用合理的技术来减少其影响。在此，我们引入o f d m 技术。 o f d m ( 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 ) ，又称正交频分多路复用， 是一种频谱部分重叠的多载波调制技术，最早于2 0 世纪5 0 年代末应用于军队无线通信。 o f d m 的主要思想是使用并行数据及频分多路( f d m ) 的方式来克服噪声及多径干扰，从而避 免使用高速复杂的均衡器。同时达到最大限度地利用可用频带、获得商频谱利用率地目的。 1 3 10 f d m 技术原理 o f d m 技术的基本原理是把调制在单载波上的高速串行数据流，分成多路低速的数据流， 调制到多个载波上并行传输“”3 ，各个载波上的调制方式可以相同，也可以不同。 一个o f d m 信号由频率间隔为f 的n 个子载波构成。因此。系统总带宽b 被分成n 个等距离的子信道。所有的子载波在一个间隔长度为t s = 1 f 的时问内相互正交。第k 个 子载波信号用函数鼠( f ) ，k = l ，n - 1 来描述。 一7 第一章绪论 阶愕潞裂 、 ， 既然系统带宽b 被分为n 个窄带子信道，所以o f d m 组的持续时间t s 就是相同带宽 的单载波传输系统的n 倍。对一个给定的系统带宽，子载波个数的选取要满足符号持续时 间大于信道的最大延迟。子载波信号鼠( f ) 加上一个长度为t g 的循环前缀( 称为保护间隔) 删髀引归f 机v t - t g , t 烈s z ， 保护1 9 隔的作用是可以明显降低多径信道上产生的i s i 。这是o f d m 传输技术的一个重 要优势。插入保护间隔的方式有很多种，可以在o f d m 符号组前加入全0 值保护间隔，也 可以加入和o f d m 符号的后一部分相同的循环前缀做保护间隔。保护间隔的长度也要根据 系统的延时特性来选择。在接收机t 删去保护闻隔而只估计时间间隔【o ，t s 】。从这点看，保 护间隔是纯粹的系统开销。整个o f d m 组的持续时间是t t s + 1 g 。如果保护间隔t 6 比无线 信道最大延迟还大那么就既不产生i s i 也不影响子载波的正交性，仅在保护间隔内才出现 与先前已传信息的干扰，而在估算的时间阅隔内。多径信道仅仅改变子载波信号的幅度和相 位。 每个子载波可以由复调制符号s 。k 独立调制。这里下标n 表示时间间隔，而k 表示子 载波在该o f d m 符号的序号。因而在符号持续时间t 内，第n 个o f d m 符号可以表示为： s 。( f ) = 去s 咄g t ( 卜n 丁) ( 1 - 3 ) 、，v 1 0 由所有o f d m 符号构成的时间连续信号是； s ( f ) = 去s g i ( f 一”r ) 4 ) v v n = 0k = o 由于子载波信号相互正交，即使在频域有频谱交叠，调制符号s 。k 可以通过相关技术 恢复： ( g ，g ，) = f 5 9 ( f ) g ；( f ) d r = t s g ，( 1 - 5 ) & 。= 譬( 蹦嘎g 。( t - n t ) ) ( 1 - 6 ) 在实际应用中，发射机的数字信号处理部分首先产生离散的o f d m 信号s 。( t ) 。因为 o f d m 系统的带宽b = n af ，所以信号必须在抽样时间间隔at = 1 b = i n f 抽样。信号的抽 样写作j 。，i = o ，1 ，n 一1 ，而且可以进行如下计算： 第一章绪论 ，：嘉芝文，删，w 吖vt = o ( 1 7 ) 上面的等式严格描述了离散傅立叶逆变换( i d f t ) ，一般用i f f r 实现。图1 - 1 描述了 o f d m 调制和加入循环前缀作为保护间隔的机理。 、 + 坠o ， 、 并 出 s n ，k 巴 变 盆 换 s 。n - - 1 。 图1 - 1o f d m 调制机理 在o f d m 系统中，信号在经过i f f t 调制后，还应用进一步的信号处理来避免带外辐射。 如果功率放大器限制了o f d m 信号的幅度峰值。则可能引起子载波频谱的带外辐射和子载 波频谱的副瓣。最后信号进行数模转换并发送出去。 在接收端，假定保护间隔长度t o 的值大于倍道最大多径延迟，近似认为信道在一个 o f d m 数据包时间间隔内是一个时不变信道。则在接收机估计的时间间隔内，对所有传播 路径的接收信号的贡献乘以各自的复信道传输因子加到原始的被调制的子载波信号上。采 用式( 1 - 6 ) 的相关技术就可以把接收到的信号( f ) 分解为正交的子载波信号： r ；掣 。磊巍各个子载波在整个码无溺期主篷正交秘时后，由式( 卜5 ) 、( 1 喃) 可知，冀 舞接收瓿耀各予载波对接投信号在璃元鬟耪 上傲褶关积分，就母叛戈失粪静恢复密各个子 裁波上戆数据。嚣潍德号豹合成频谱；# 常近钕予矩形，冤圈1 - 3 。其频带荦l 用率霹班接近 1 0 0 。 图l oo f d m 信峰的食成频谨 3 )o f d m 系统结构简单，成本低。 在单载波系统中，通常都邋过设计自适成均衡器来消除多径的影响，在高速数字通信 中，均衡器的抽头系统常常簧求很大，这就增加了均衡器的复杂度和成本。而0 f d m 系统具 有伉髓的抗多径干抗性能和宣躐的信道嵇计方法，无须设计复杂的均衡器，大大简他了系统， 弼置发送和按l | 芟可黻通过i f n ( 快逮反鳞立许交换) 和f f t 来实现，实糯起来魄较简单。 第一章绪论 二0 f d m 技术的缺点 虽然0 f d m 有上述几大优点。但是，也并非尽善尽美，同样其信号调制机制也使得o f d m 信号在传输过程中存在着一些劣势： 1 ) 对相位噪声和载波频偏十分敏感。 这是0 f d ? j 技术一个非常致命的缺点，o f d m 在采用i f f t 来实现调制对，每个子载波都是 采用矩形脉冲成型的。这带来两个不利因素：a ) 当频率间隔增加时，子载波系统频谱副瓣 衰减缓慢，会产生带外干扰；b ) 如果频率同步误差不能被忽略，则每个子载波都会在其它 子载波上引起干扰。即整个o f d m 系统对各个子载波之间的正交性要求格外严格，任何一 点小的载波频偏都会破坏子载波之间的正交性，引起i c i “”，同样，相位噪声也会导致码元 星座点的旋转、扩散，从而形成i c i 。而单载波系统就没有这个问题，相位噪声和载波频偏 仅仅是降低了接收到的信噪比s n r 。而不会引起互相之问的干扰。 2 ) 峰平比( p a p ：p e a k t o a v e r a g ep o w e r ) 过大。 0 f d m 信号由多个子载波信号组成这些子载波信号由不同的调制符号独立调制。由于 传送的数据是一个随机过程，o f d m 信号的幅值也是一个随机过程。根据中心极限定理，如 果子载波的数量很多，0 f 蹦信号的幅值将服从复高斯分布。由此说来0 f d m 信号的峰值功 率和平均功率之比很大，即同传统的恒包络的调制方法相比，0 f d m 调制存在一个很高的峰 值因子。因为o f d m 信号是很多个小信号的总和，这些小信号的相位是由要传输的数据序列 决定的。对某些数据，这些小信号可能同相，而在幅度上叠加在一起，从而产生很大的瞬时 峰值幅度而峰平比过大将会增加a d 和d a 的复杂性，而且会降低射频功率放大器的效率。 同时，在发射端，放大器的最大输出功率就限制了信号的峰值，这会在o f d m 频段内和相邻 频段之间产生干扰。 3 )所需线性范围宽 由于o f d m 系统峰值平均功率比( p a p r ) 大，对非线性放大更为敏感，故o f d m 调制系 统比单载波系统对放大器的线性范围要求更高 1 40 f d m 技术发展历史和前景 1 9 6 6 年以来，就有文献提出了频谱交叠的f d m 系统。接下来就有了用离散傅立叶变换 ( d f t ) 实现f d m 系统的提案。1 9 7 1 年w e i s t e i n 和e b e r t 提出了一个完整的o f d m 系统。 包括用f f t 产生信号以及在多径信道中加入保护闻隔。此后在迸一步的各种研究中，对 o f d m 系统在平坦及频率选择性衰落信道下的性能进行了理论和实现的分析。 虽然，6 0 年代的一些文献里就已经提出了o f d m 的基本原理。但是由于当时没有功能 强大的半导体集成电路器件。所以未能有效地实现这些想法。9 0 年代后，由于能够使用f f t 1 2 第一章绪论 技术实现有效地调制，伴随着近年来数字信号处理技术、半导体技术的飞速发展及大规模集 成电路的应用，o f d m 进入实用化阶段。目前，即使是较复杂的高速率o f d m 传输系统在 技术上也是可行的。从而o f d m 在频率选择性的无线信道中的应用开始发挥其优势。另一 方面，新一代的无线宽带远距离移动通信中对传送的数据量要求越来越大，例如m p e g - - 2 视频需要5 1 0 m b p s 的数据速率。而h d t v 需要2 0 m b p s 的数据速率。在带宽和功率受限 的条件下，必须采用o f d m 这样的高效调制技术。 o f d m 在卫星通信、数字音频广播( d a b ) 、数字视频广播( d v b ) 和第三代移动通信 巾得到了广泛的应用。在x d s l a d s l 等有线接入技术中也使用的o f d m 调制方法，称为 d m t ( d i s e r e t em u l t i t o n e ) 。目前，关于无线局域网( w l a n ) 的i e e e 8 0 2 1 1 ( a 1 和e t s ib r a n h i p e r l a n - - 2 工作组都推荐o f d m 作为5 g i - i zw l a n 的目标是组建宽带高速的完全不要布线 的家庭网络。 1 5 本文的主要工作 本文从提高无线远距离移动传输系统对抗多径和多普勒频移的性能角度出发，研究了无 线远距离移动通信系统中的o f d m 调制技术应用。给出了o f d m 无线远距离移动通信系统 发送和接收的实现设计框图。并在m a t l a b 仿真环境下，利用m a t l a b 语言模拟o f d m 信号的 实际数据流程，编写了整个o f d m 调制解调系统的仿真程序，对o f d m 系统进行了算法仿 真。 本文的工作重点是对o f d m 解调系统中信道估计方法的研究。因此，本文首先从对无 线远距离移动通信信道存在的特性分析出发，确定了本文所要研究的无线远距离移动通信系 统的信道模型。在此基础上，对信道估计的各种算法做了理论上的比较分析，确定了本文所 研究的o f d m 系统的信道估计方式。然后在m a t l a b 仿真环境下，用s i m u l i n k 模块搭建了多 径信道模型用来对信道传输性能进行仿真。根据仿真结果确定了信道估计的各个参数。并给 出了仿真的误码率值，对系统的设计效果进行了检验分析。 此外，本文还研究了t c m 编码在o f d m 系统中的应用。针对无线远距离移动通信系统 的特点提出了一种对不同的o f d m 符号子载波进行不同调制度的q a m 映射的t c m 编码方 法，来对抗传输时不同频段之间的干扰。提高传输质量。同时，利用m a t l a b 仿真环境，对 不同信道情况下的各种不同的编码方式进行了比较仿真，根据仿真结果对t c m 编码的性能 进行了分析检验。 另外，本文还介绍了o f d m 调制子系统其它模块：i d f t d f t 调制解调、同步定时等模 块的原理和实现方法，给出了各个模块具体算法的比较分析，并综合性能和成本的考虑，从 中选择出了适合于本文所讨论的无线远距离移动通信系统的设计方案。 最后本文还简单介绍了整个无线远距离移动通信系统的硬件平台设计以及数据流程。 1 3 - 籀二章远距离宽带无线移动通信信道模型研究 第二章远距离宽带无线移动通信信道模型研究 无线通信系统的性能主要受到移动无线信道的制约。要了解o f d m 技术的意义，最大 程度的利用其特点来设计出性能良好的无线远距离移动传输系统，首先薷要清楚的了解无线 远距离移动传输环境，对无线信道的基本特性有很深刻的理解。因此，本章从对无线远距离 移动信道的特性研究入手，对各种信道模型进行了分析比较。然后根据我们所要开发的 o f d m 通信系统的具体应用范围确定了系统的通信信道的模型。以便后文对系统展开理论 和实际算法的研究和设计。 2 1 无线移动信道衰落特性研究 对于室外远距离无线移动通信的应用来说，对信号传输质量影响最深的应属路径衰落和 多径效应。路径衰落决定了系统的应用覆盖范围，而多径效应产生的多径衰落和多普勒频移 给传输质量带来了很大的影响，需要采用相应的技术予以消除。因此。我们对该应用的信道 研究主要集中多径给信道特性带来的时间和频率色散的影响上。另外。我们所要实现的 o f d m 传输系统主要是针对超短波通信领域的应用。系统频段为；3 0 8 0 m h z 。初步系统 发射频率定在3 0 m ，处于短波和超短波交界的地方。主要通过地波方式传播。而不是通过 电离层传播。因此可以忽略电离层的一些影响，包括电离层的反射、吸收等等。而对多径的 考虑也主要集中在地面反射和传输路径中的阻挡体带来的散射而产生的多径。 2 1 1 无线远距离移动信道的路径损耗 路径损耗定义为有效发射功率和接收功率之问的差值，表示信号衰减，单位为d b 的正 值。路径损耗主要由两部分组成：自由空间传播损耗、反射散射及穿透和绕过物质时产生 的损耗。 一自由空间损耗 自由空间损耗是指接收机和发射机之间是完全无阻挡的视距路径时，发送的电磁波的衰 减程度。随着发射机和接收机之间距离的不断增加，电磁波强度将不断衰减。自由空间中距 发射机d 处天线的接收功率，由f r i i s 公式给出脚： 只( d ) = 丽p t g t g , 2 z ( 2 1 ) 第二章远距离宽带无线移动通信信道模型研究 其中，p t 为发射功率；p r ( d ) 是接收功率，为t - r 距离的函数；g f 是发射天线增益；g ，足 接受天线增益；d 是t - r 间距离，单位为米；l 是与传播无关的系统损耗因子：a 为波长， 单位为米。天线增益与它的有效截面相关，即： g = 等 其中有效截面a c 与天线的物理尺寸相关，a 则与载频相关 c2 肥 = 一 f： ( 2 2 ) ( 2 3 ) 其中，f 为载频，单位为h z ；巧。为载频单位为r a d $ ；c 为光速，单位为m s 。p t 和p r 必 须具有相同单位，g 。和g r 为无量纲量。综合损耗l ( l i ) 通常归