（通信与信息系统专业论文）ofdm技术在宽带远距离无线通信中的应用和系统实现.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘 要 远距离无线通信技术能够为人们在战场环境下或者是抵抗自 然灾害时进行指挥、 调度和 组织提供有效的通信保障， 一直是无线通信技术研究的一个重要领域。 近年来， 基于远距离 无线通信的指挥调度系统， 己 从传送简单的 指挥命令发展到传输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， 对远 颧离无线通信提出了宽带化的 要求。 木文从远距离无线通信的 现状和发展出发，分析了 远距离 无线通信对宽带业务的需求， 针 对高数据率无线传输所面对的严重的 路径衰落和多 径延时影响， 提出了 采用o f d m技术 的，基于软件无线电 架构的宽带远距离无线通信系统的实现方案。 第一章首先对远距离无线通信的 现状和发展进行了说明， 然后阐 述了 软件无线电技术的 基本原理， 给出了软件无线电中的 关键技术， 并分析了 其发展趋势。 接 卜 来仔细描述了o f d m 技术的基本思想， 并相对于单载波技术比 较了 其优势与不 足。 最后给出了 本文的 工作目 标和 基本要求。 第二章分析了无线通信信道的特征， 然后详细描述了o f d m技术的基本原理， 对o f d m 技术能够很好的对抗无线通信中所面临的多径衰落和多普勒频移的原因进行了阐述。 对 o f d m系统接收部分数据处理流程中的 各种算法进行了 讨论和研究，并进行了仿真，比较 各自的优势和不足。 第三章针对无线通信环境以 及实际应用需求给出了 整个宽带远距离无线通信系统的解 决方案。 然后对系统的各模块以及数据处理流程进行了详细的阐述。 并根据实际应用中遇到 的问题对一些关键算法进行的改进和完善。最后对跳频o f d m系统的实现进行了探讨。 第四章首先给出了系统仿真结果， 然后仔细描述了软件无线电构架的硬件平台以及软件 处理流程，最后给出了系统调试与实现过程中的测试结果。 【 关键字】 :宽带远距离无线通信 软件无线电 o f d m 前导字 同步 信道估计 跟踪 浙江大学硕士学位论文 ab s t r a c t l o n g d i s t a n c e w i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n h a s p r o v i d e d e ff e c t iv e s u p p o rt f o r b a tt l e f i l e d c o m m u n i c a t i o n a n d c o n t i n g e n c y c o n t r o l s y s t e m . i t i s a n i m p o rt a n t a r e a i n w i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n f i l e d . r e c e n t l y , l o n g d i s t a n c e w i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n s y s t e m s h a v e f a c e d n e w r e q u i r e m e n t . p e o p l e w a n t t o t r a n s mi t m o r e a n d m o r e i n f o r m a t i o n t h a n b e f o r e . b a s e o n t h e s t u d y o f w i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n c h a n n e l a n d s o m e p r o b l e m s e n c o u n t e r e d , p r o p o s e s a p r o j e c t s o l u t i o n : a w i d e b a n d l o n g d i s t a n c e w i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n s y s t e m b a s e d o n o f d m t e c h n o lo g y a n d s o f t w a r e r a d i o t e c h n o l o g y . i n t h e c h a p t e r 1 , t h e a r t i c l e g i v e s a b r i e f i n t r o d u c t i o n o f t h e l o n g d i s t a n c e w i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n . t h e n d e s c r i b e s t h e b a s a l t h e o ry o f s o ft w a r e r a d i o a n d g i v e s t h e k e y t e c h n o l o g y i n s o ft w a r e r a d i o f i e l d . o f d m t h e o ry w it h i t s a d v a n t a g e s a n d d i s a d v a n t a g e s a r e a l s o i n t r o d u c e d h e r e t h e l a s t g i v e s t h e t a r g e t o f t h i s t h e s i s i n t h e c h a p t e r 2 , f i r s t g iv e s a n o v e r v i e w o f t h e w i r e le s s m o b i l e c o m m u n i c a t i o n c h a n n e l . t h e n t h e t h e o ry o f o f d m i s d e s c r i b e d h e r e d e t a i l e d l y . a ft e r t h a t , d i s c u s s e s t h e a l g o r i t h m s o f t h e d i g i t a l s i g n a l p r o c e s s i n g i n o f d m s y s t e m . a c c o r d i n g t o t h e s i m u l a t i o n r e s u l t , f i n d s o u t t h e a d v a n t a g e s a n d d i s a d v a n t a g e s o f e a c h s c h e m e . i n t h e c h a p t e r 3 , b a s e d o n t h e w i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n c i r c u m s t a n c e , g iv e s a w h o l e p r o j e c t s o l u t i o n f o r t h e w i d e b a n d l o n g d i s t a n c e w i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n s y s t e m . t h e n d e s c r i b e s e a c h m o d u l e o f t h e s y s t e m . a c c o r d i n g t o t h e p r o b l e m s e n c o u n t e r e d i n d e b u g , t h e i m p r o v e d s c h e m e s f o r s o m e k e y t e c h n o l o g y a re p r e s e n t e d . a t l a s t , t h e p r o c e s s i n g a r c h i t e c t u r e i s p r o p o s e d f o r t h e f r e q u e n c y h o p p i n g a p p l i c a t i o n . i n t h e c h a p t e r 4 , f i r s t g i v e s t h e r e s u l t o f s y s t e m s i m u l a t i o n . t h e n t h e h a r d w a r e p l a t f o r m a n d s o ft w a r e p r o c e s s i n g a r c h i t e c t u r e a r e s h o we d . i n t r o d u c e d h e r e . a t l a s t , t h e r e s u l t a n d s o m e f i g u r e s a r e k e y w o r d s : w i d e b a n d l o n g d i s t a n c e w i re l e s s c o m m u n i c a t i o n , s o f t w a re r a d i o , o f d m , p rea mb l e , s y n c h ron i z a t i o n , c h a n n e l e s t i m a t i o n , t r a c k i n g 浙江大学硕士学位论文 第一章 绪论 人类在长期的劳动和社会实践中创造了文字， 丰富了 语言， 并利用它们充分地表达和交 流人们的意志和感情， 传递各种信息， 推动了社会进步和经济发展。 经过广大科技工作者的 悉心研究和提炼加工， 将传递信息和双向 交流的工具逐步完善， 其功能不断地由 低级到高级 发展， 终于形成了一门独立的学科， 这就是通信。 二卡 世纪是通信技术迅猛发展的一 个世纪， 随着新世纪的到来，人们刘通信质量和速率要求不断提高， 通信技术也在不断的发展。 远距离无线通信是现代无线通信研究的一个重要领域， 在许多有线通信无法正常工作的 地方， 远距离无线通信系统扮演了重要的角色。 比如在受到重大自 然灾害有线通信系统遭到 毁灭性破坏时、 在战场上无法迅速有效架设有线通信系统时， 远距离无线通信系统就成为了 人们进行指挥、调度和组织的有力保障。 利用超短波进行远距离无线移动通信传输时，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。 但是超短波无线通信也存在可靠性低、 质量差的不足， 无法适应越来越高的传输要求。 不过 随着软件无线电 技术的提出 很多过去无法实现的复杂算法已 变得可行， 同时正交频分复用正 交频 分复 用 ( o r th o g o n a l f r e q u e n c y d iv i s i o n m u lt ip l e x i n g , o f d m) 技术的发 展也为宽 度无 线通信提供了有效可实现的解决方案，这些都为远距离无线通信系统提供了新的发展方向。 1 . 1远距离无线通信的现状和发展 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， 直到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p 1 。 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， 已 经在远距离无线通信中扮演了 重要的 角 色。 1 . 1 . 1远距离无线通信的应用领域 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 信领域的儿次重大的技术突破， 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。 在海上无线电 通信中， 短波单边带通信技术也占 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。 浙江大学硕十学位论文 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。 机载短波、 超短波通信是指 匕 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， ,己是航空通信的重要手段。 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。 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。 1 . 1 . 2宽带远距离无线通信 现在基于远距离无线通信的指挥调度系统， 己 从传送简单的指挥命令发展到传输诸如雷 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超短波通信系统提出了 越来越高的要求。 为了 提高数据传输的质量和速率， 在调制体制、 信号检测、 同 步技术以 及信道编码等方 面发展了许多新的技术。 如传输速率的自 适应技术、 信号检测的各种软判决技术、自 适应均 衡、 最大似然序列检测、 准最大似然序列估值等。 软件无线电 技术的发展和成熟为这些复杂 度高、计算量大的技术的实现提供了有效的实现途径。 随着o f d m技术的应用于超短波远距离无线通信系统， 由于o f d m固有的优势使得采 用o f d m技术的宽带远距离无线通信系统可以比 较容易的 对抗无线通信中 所面临的多 径衰 落和多普勒频移，大大提高了 整个通信系统的性能。 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。 1 .2软件无线电技术 军用通信电台 主要为h f nh f / u h f波段的各种电台。随着技术的发展，军用电台也经 历了从模拟到数字化，从点对点的通信到网络化的发展。在上世纪末，h f - a l e . a t c - v h f / h f , d a ta l i n k l l / 1 2 / 1 4 / 1 6 等各种 数 据链相继 研究 成功并在西 方发 达国 家陆 海空 各 军种中 广泛应用; 同时， 用于 信号监听 和分析的宽带数字化接收机也相继出 现。 但是新的问 题也日 益暴露出来， 由于各个电台的波段、 传输速率、 调制方式等各不相同， 相互间通信十 分不便， 这给各军种联合协同 作战带来困 难。 单一 模式的电台和数据链平台 显然已 经不能满 足未来建立在高度信息共享基础上的战争。 于是人们开始寻找新的无线电通信实现方法， 和 民用无线通信领域一样，软件无线电技术是解决这一问题的有效途径。 浙江大学硕士学位论文 1 . 2 . 1软件无线电的提出 软件无线电最初是应用于军事领域。1 9 9 2 年5 月m 工 l t r e公司的j e o . mi t o l a 在美国电 信系统会议上首次提出了“ 软件无线电” 的概念， 其目 的就是希望建立开放式、 标准化、 模 块化的 通用硬件平台， 将各种功能， 如频率、调 制方式、 数据率、 加密模式、 通信协议等都 用软件来完成。 这样的系统具有很好的兼容性、 可升级性和开放性。 由于它与军方对无线电 台的要求十分吻合， 能保证通信设各的 通用性、 兼容性和可升级性， 所以 美国军方对软件无 线电技术十分重视。并运用这一 思想开始对多波段、多模式无线电台进行研究。 强大的 数据服务、窄带和宽带 多媒体服务、高频谱利用率， 宏蜂握、 微蜂窝、微微蜂窝 超高比特率 ( 1 0 m b / s ) 更强 大的多媒体服务 数字话音、信息和数据服 模拟移动电话 技术、 i阅 各代系统的处理能力 1 9 8 0 1 9 9 0 2 0 0 02 01 02 0 2 0 图1 . 1软件无线电 发展趋势 近年来， 随着民 用移动通信和个人通信技术飞速， 各种通信系统得到了 广泛的 应用， 并 处在不断的更新换代之中。 而不同通信服务采用的通信系统或者说不同标准的通信设备， 其 调制方式、 频段、 传输速率、 多址接入方法等不尽相同。 无论是现在广泛使用的 第二代蜂窝 通信系统还是即 将登场的第三代移动通信系统， 都有多种接口 标准， 这给全球通信造成了 一 定困 难。我们知道，现有的 无线电 接收/ 发送机大多采用流水式信号处理结构和专用集成电 路来实现接收/ 发送，一般只适用于单一工作模式。当 然就无法和其它通信系统兼容，对各 种通信服务的 适应性也比 较差。 因此 需要研究新的多波段、 多速率、 多模式、 可升级和具 有开放性结构的智能型无线接收/ 发送机。鉴于软件无线电的特点以及在军用领域的逐渐深 入研究， 人们注意到软件无线电 技术是解决这些问题的希望所在， 并开始注重软件无线电技 术在民用移动通信领域的研究与应用。欧洲的 a c t s计划就是研究如何把软件无线电技术 应 用于 新 一 代的u m t s 系 统。 它 包 括f i r s t ( f le x ib le i n t e g r a t e d r a d io s y s t e m s t e c h n o lo g y ) , f r a me s( f u t u r e r a d i o wi d e b a n d mu lt i p l e a c c e s s s y s t e m s ) 、s o r t( s o ft w a r e r a d i o t e c h n o lo g ie s ) , t r u s t ( t r a n s p a r e n t r e - c o n fi g u r a b le u b iq u it io u s t e r m in a ls ) 等子 项目 ， 分 别 浙汀大学硕十学位论文 对软件无线电硬件平台、 接入、 终端等关键技术进行研究。 将来的个人软件无线电平台， 将 相当于现在的个人计算机， 实现标准化、 模块化、 软驱动， 根据需要运行相应的软件就可以 进行相应的无线通信n n 图1 . 1 是软件无线电 在移动通信发展过程中的进展情况示意图。 可以看到， 随着需求和 技术的发展，软件无线电技术将在3 g和未来的超3 g无线通信系统中得到广泛应用。 1 . 2 . 2软件无线电的基本概念 软件无线电的 基本概念是在一个通用硬件平台 上， 通过软件加载的方式用软件来实现所 有无线电系统的通信功能 。 软件无线电的关键思想是将a 。 以 及d / a尽可能靠近天线， 以 及用软件来完成尽可能多的 无线电功能。 为此， 软件无线电以 硬件为基本平台， 该平台具有 模块化和标准化的特点， 并以总线方式进行连接。 它将使得通信具有很大的通用性、 灵活性， 并使得系统互联和升级非常方便。一个典型的软件无线电 平台 可以 将硬件单元划分成射频、 中频、 基带、 信源和信令等各层， 它们具有模块化结构， 各层之间的 连接通过控制总线和数 据 总 线 实 现 2)(3)(41 如将软 件无线电 的基本思想用到无线电 通信中， 将不需要为每一种新的通信体制重新建 网、 更换设备， 只需在各个通信系统中 建设统一的 硬件平台， 然后不论是现有的各种体制和 标准还是将来新出 现的体制和标准， 都以 软件加载的方式进行更新换代。 需要更新的软件可 以通过一个统一的软件提供商来供给， 软件可以以无线电波的形式从空中下载。 使用这样一 种理想的软件无线电概念后， 所有的体制和标准更新， 以及不同体制之间的兼容， 都可以 通 过更换适当的软件来完成， 这样既节 省了 重新建网的费用， 也缩短了从研究到应用的周期。 j . m i t o l a在他提出的 软件无线电 系统结构中， 认为理想的软件无线电 平台 应该由 多波 段的r f 天线、 超高速的宽带a d / d a变换器、 可编程硬件平台( 如d s p 处理器和通用c p u ) 组成。 a d / d a变换器直接对射频信号进行量化或生成射频信号， 由d s p 处理器完成上/ 卜 变 频、调制解调、 信道编解码、 加解密、 信源编解码，用主处理器 如通用 c p u ) 来实现系 统的控制和人机界面。 如图1 .2 所示， 为一 个典 型的 软 件无线电 收 发 机模型 15 1 。 对于硬 件平台 而 言， 理想的目 标就是要尽量减少模拟电路环节，让宽带a / d和d / a模块尽量靠近天线， 使得我们可以依 靠强大的数字信号处理器件就可以 是实现无线信号的接收发送。 这样才有可能按不同需要， 通过软件来更换和重新配置数字信号 处理功能。 但实际 上受到物理器件水平和数字通信技术 的限制， 很难实现全波段的射频信号数字化处理。 早期只能 在较低的波段和低速率数字通信 系统中， 如短波电台可以 使用多 波段r f 天线、 高速的a / d . d / a变换器和d s p 处理器来实 现软件无线电 通信。随 着近年来模拟/ 数字器件水平、数字信号处理技术、 全数字调制解调 技术的 发展， 软件无线电 技术逐渐走向 实际 应用领域。 所以， 灵活的硬件平台结构和软件构 架、合理的 无线网络结构、高速宽带数字膜 拟器件、 各种数字信号处理技术和全数字化调 制解调方法等成为软件无线电研究的关键所在。 浙江大学硕士学位论文 虽然目 前研究的软件无线电系统己经不仅仅是指无线信号接收发送 ( 含信道编解码、 调 制解调 和中频处理) ， 还包括信源编解码子系统、网络服务支持子系统、 加解密子系统和相 应的操作系统， 但是接收发送子系统仍然是软件无线电技术的核心。 同时， 开放的标准软件 无线电结构和分层模型也在讨论之中。 梅 _r_art ald ddcdla ducayk 订i1dsp 可 图 1 .2软件无线电模型框图 1 . 2 . 3软件无线电中的关键技术 通过前面的 描述， 总体上我们可以 把软件无线电的 主要特点归纳如下: 其一， 它具有很 强的灵活性， 通过增加软件模块很容易增加新的功能， 可以 与其他任何电台 进行通信并能作 为其他电台的射频中 继， 还能通过无线方式加载和更新软 件。 其二，它具有很强的开放性。 它采用标准化、 模块化软硬件结构。 硬件可以 随着器件发展进行更新和扩展， 软件也可以 根 据需要进行升级。 这样既能保证和原有的 系统兼容， 还可以不断提高性能 增强功能。 下面 我们将对软件无线电的一些关键技术作讨论说明。 1 、开 放式总线结构:软件无线电的重要特点是其开放性，这主要体现在所采用的开放 式标准化总线结构 l 。 先进的标准化总线， 使软件无线电能更好地发挥其适应性广、 升级换 代方便等方面的特点， 因而标准化的总线是构筑硬件平台 和软件平台的基础。 目 前一股采用 控制总线和高速数据总线的双总线结构。 控制总线可采用v m e 总线、 p c i 总线等， 而数据 总线结构则是软件无线电体系结构的关键，目 前还没有形成标准。 2 , 宽带 / 多频段天线: 这是软件无线电 不可替代的 硬件出入口， 只能靠硬件本身来完成， 不能用软件加载实现其全部功能。 对这部分的要求包括: 天线能 覆盖所有的 工作频段; 能用 程序控制的方法对功能及参数进行设置。 实现的技术包括组合式多频段天线及智能化天线技 术;模块化、通用化收发双工技术;多倍频程宽带低噪音放大器方案。 3 、模数转换部分:模数转换部分主要包括采样速率和精度。 采样速率一般要求大于信 号带宽的2 .5 倍; 而采样精度在8 0 d b的 动态范围 要求下不能 低于 1 2 位。常采取多个a / d 并联使用的方法。 4 、数字下变频部分:数字上/ 变频是d / a及 a / d变换后首先要完成的处理工作。 包 括数字变频、 滤波和二次采样， 是系统中数字处理运算量最大的部分，需用高 速d s p芯片 完成。 5 ,高速信号处理部分:这部分主要完成基带处理、调制解调、比 特流处理和编译码_ f 作，它既是核心部件也是一个主要瓶颈。单路数字话音编译码、调制解调可用单个 d s p芯 片实现，也可用多个d s p 芯片并行处理来提高能力 浙江大学硕士学位论文 6 、信令处理部分:软件无线电的任务是将通信协议及软件标准化、通用化和模块化。 无线接入是无线通信的重要内容， 其协议的主体部分是公共空间接口， 目 前已形成许多不同 的标准。 因此当用软件无线电实现多模互联时， 实现通信信令处理是很必要的。 这就需要把 现有的各种无线信令按软件无线电的要求划分成儿个标准的层次，开发出 标准的信令模块， 研究出通用的信令框架。 1 . 3 o f d m技术 近年来人们对无线通信的质量、速率、服务的要求越来越高，同时随着 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技术的逐步引入， o f d m 作为一种可以有效对抗信号波形间干扰的高速传输技术，引起了广泛关注。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，预计第三代以后的移动通 信的主流技术将是o f d m技术 1 2 1 3 1 . 3 . 1 单载波调制解调技术 二十世纪是通信技术发展的新纪元， 它首先是从模拟通信开始的。 最早是调幅和调频调 制解调技术， 后来发展单边带和残留 边带调制解调技术。 调幅通信的优点是占用频带窄， 因 此节省频率资源; 但它的抗干扰能力差， 因此通信质量难以 提高。 调频通信则正相反， 它的 抗干扰能力很强， 通信质量有明 显改善; 但它要占 用很宽的 频带， 不利于频率复用。 单边带 调制则是模拟通信中的新技术， 它不仅占用频带最少， 而且抗干扰能力也很强; 但它在技术 上要求很高， 特别是同步指标很严格， 因此要采用锁相技术和频率合成器， 这类调制方式在 远洋通信中首先得到推广。 自 从1 9 3 4 年美国学者r e e v e s 提出 脉冲编码调 制 ( p u l s e c o d e m o d u l a t i o n , p c m)的 概 念以后， 应该说通信数字化的时代已经开始了， 数字通信的崛起促进了 通信技术的重大革新 和通信业务的飞速发展。 数字通信的崛起要归功于数字调制技术的发展。从开始时的二元调制，包括幅度键控 ( a m p l it u d e s h i ft k e y i n g , a s k ) 、 频率键 控( f r e q u e n c y s h i ft k e y i n g , f s k ) 和相位键控( p h a s e s h i ft k e y i n g , p s k ) ，发展到多元调制技术，极大地提高了 数字信号传输的频带利用率， 而 且改善了误码性能。先后采用的多元数字调制技术有连续相位调制 ( c o n t in u o u s p h a s e m o d u l a t i o n , c p m) 、 多元相位调 制 ( m - a ry p h a s e s h ift k e y in g , m p s k ) 、正交幅 度调制 ( q u a d r a t u r e a m p l it u d e m o d u l a t io n , q a m) 、以 及网 格编码调 制 ( t r e ll i s c o d e m o d u la ti o n , t c m) 等， 特别是t c m技术， 将编码技术与调制技术有机地融合一体， 依靠卷积码的良 好 抗干扰特性，改善误码性能，同时它又保持了极高的 频带利用率。 但是随着人们对无线通信的质量和速率的要求越来越高， 单载波调制解调技术所面临的 无线信道的时间弥散和频率弥散的问 题越来越严重。 由于无线信道存在多径效应， 数字信号 庄无线信道上传输时会产生一定的时延，造成接收信号中的码间干扰 ( i n t e r s y m b o l 浙江大学硕士学位论文 i n t e r f e r e n c e , i s i ) ，从而引起判决出错，严重影响了信号的传输质量。 特别是在提高码元速 率时， 这种影响将会更大， 码元的 速率越高， 码元周期就越短， 时 延扩展会跨越更多的 码元。 另一方面， 码元速率提高后， 信号的带宽会变宽， 当信号带宽接近或大于 信道的相关带宽时， 信道的时间弥散就将对接收信号造成频率选择性衰落。 因此时间弥散是无线信道传输速率受 限的一个主要原因。 虽然目 前单载波调制解调系统使用的均衡技术， 可以在一定程度上减轻 时间弥散问 题， 但它是以 增加噪声为代价的。 而且， 单载波系统中 较短的信元周期， 也严重 影响了对噪声和衰落的抵抗性 随着无线移动互联网中各种多媒体业务，特别是实时性业务助出 现， 接入和数据传输 的 速率都需要有较大的提高。 鉴于目 前单载波调制解调技术的不足， 在无线移动互联网 今后 的发展中， 物理层上需要采用新的调制解调技术， 由前面的分析可知， 这种调制解调技术既 要有较高的码元传输速率， 又要有校长的码元周期，以减小i s i 。 于是产生了 这样一个想法: 将所要传输的数据流分解成若干个子数据流， 用这些子数据流去并行调制若干个载波， 然后 合成输出。 这样一来， 每个子数据流就可以具有低得多的 传输比 特速率， 减小了 前后码元的 重叠机会和信号的 传输带宽， 从而降低了i s i 和频率选择性衰落， 而总的传输速率并不会降 低。 相反， 如果适当 提高 子数据流的传输速率， 还可以 提高整个数据流的传输速率， 整个过 程相当于是对速率的 一次 “ 分集” 过程，这种想法即我们所说的多载波调制 ( m u l t i - c a r r ie r mo d u l a t i o n , mc m)技术。 1 . 3 . 2 多载波调制解调技术和o f d m技术的发展 多载 波调制技术 可以 追溯到2 0 世纪5 0 年 代和6 0 年 代早期。 经典的 频分复用( f r e q u e n c y d iv i s i o n m u lt ip l e x , f d m) 系统中， 独立 产生 各个窄 带信号， 并 把它 们分配到 不同的 频带 上 进行传输， 在接收端利用滤波器进行分离。 由 于滤波器边带的限制每个子载波上的 频谱之间 必须有一段间隔， 其频谱的利用率并不高， 如下 图所示。 图1 .3传统多载波系统频域示意图 浙江大学硕十学位论文 r . w c h a n g在 2 0世纪 6 0年代中期发表的一篇论文，首次阐明了 现在我们所讨论的 o f d m技术。 c h a n g对其 基本原理进行了 描述，即 在一个没有载波间 干扰 ( i n t e r c a r r ie r i n t e r f e r e n c e , i c i ) 和符号间 干扰( i n t e r s y m b o l i n t e r f e r e n c e , i s i ) 的 带宽 受限的 信道上同 时 传输多路比特流。 o f d m 系统不同于传统的多载波调制技术在于其各子载波的频谱在保证 止交性的条件下可以 进行叠加， 这样就充分的利用了 频谱资源， 为高速数据传输提供了 一条 有效的 途径。 正交载波在频域的叠加如图1 .4 所示，可以 看到它对带宽的 利用率大大高于传 统的多载波系统。 图1 .4 叠加的正交载波频域示意图 o f d m信号在时域上的波形可以看成是各个子载波上的信号的叠加， 如图1 . 5 所示。 图 中 可以 看到分别调制在四 个子载波的波形， 以 及它们的叠加波形。 为了简单起见， 这里每个 子载波上的 波形都是正弦波， 可以 看到即 使在每个子载波上是简单的正弦波， 它们的叠加波 形也是很杂乱的， 这是o f d m时域信号的一个特点。 o f d m时域信号不是恒包络信号， 而 且其幅度变化很剧烈。这可以 利用中心极限定律来解释，设 共有 n个载波，同时可以认为 每个子 载波上的信号是独立同分布的， 这样根据中心极限定律可知， n越大， 它们的叠加波 形越符合高斯分布。所以时域叠加波形不是恒包络信号，同时其幅度变化也很剧烈。 图1 .5 o f d m时域信号叠加示意图 浙江大学硕士学位论文 w e i n s t e n 和e b e rt于 1 9 7 1 年首次建议使用离散傅立叶逆变换 ( i n v e r s e d i s c r e t e f o u r i e r t r a n s f o r m , i d f t ) 和离 散傅立叶变换 ( d i s c r e t e f o u r i e r t r a n s f o r m , d f t ) 来实现基带调制 和解调，随之有人提出 使用快速傅立叶逆变换 ( i n v e r s e f a s t f o u r i e r t r a n s f o r m , i f f t ) 和快 速傅立叶变换 ( f a s t f o u r i e r t r a n s f o r m, f f t ) 来对信息数据进行调制和解调。由于i f f t / f f t 的引入，使得利用软件无线电实现全数字化的o f d m无线传输系统成为了可能。 随着传输速率的提高， 由 于多径造成的符号问 干扰问 题越来越突出。 对于单载波系统需 要采用复杂的均衡技术来解决这个问 题。 而o f d m系统由 于其特殊的结构使得可以 采用较 简便的 方法来抵抗多 径对信号的 影响。 p e l e d 和r u iz 引 入了 循环前缀 ( c y c l i c p r e fi x , c p ) 的概念， 对o f d m信号进行周期扩展，只要循环前缀长于信道的冲击响应， 就能有效的 抵 抗多径造成的 码间干扰。 使用c p的 代价是要丧失部分信号能 量， 这与c p的 长度成正比 不过使用c p 所获得的好处远远大于各种能量的损失。 近年来，由 于 数字信号处 理技 术 ( d ig ital s ig n a l p r o c e s s i n g , d s p ) 的发 展， o f d m作 为一种可以 有效对抗1 s 1 的高速传输技术，引 起了 广 一 泛的关注。 在宽带无线应用的 环境下， o f d m技术的 优势更加突出， 而且可以 利用有效的 新技术来修正和弥补o f d m的固有缺点。 1 . 3 . 3 o f d m技术的优势以 及不足 由于o f d m信号的上述机制和特点， 使得o f d m技术有了 许多单载波技术没有的优点。 在远距离 无线通信的 应用中有其独特的 优势。 1 、 抗干扰能力强 o f d m技术可以 有效的 抵抗频率选择性衰落和窄带干扰。 在无线通信中存在多径效应， 应， 当多径时延增大到与码元周期可比 时。 就会引 起码间 干扰。 对于单载波系统， 一个衰减 或干扰就可能导致整个通信链路失效，而在多载波系统中，只有一小部分子载波会被影响 这时可以 通过纠错编码来解决。 o f d m 技术把每条子信道上的数据率降低， 通过多 个子信 道并行传输， 大大扩展了 码元周期， 同时通过在时域上增加周期性前缀， 可以 很好的克服多 径干扰的问题。 同单载波系统相比， o f d m 传输技术最重要的 优越性体现在频率选择性信道上。山于 o f d m 子载波的正交性在无线信道传输之后还被保留，信道干扰的影响就被减小为在每个 子载波上乘一个复传输因子。 因 而它的信号均衡很容易。 这种情况下接收机的 信号处理过程 将会非常简单。 而在相同的带宽下， 传统的 单载波传输可能就无法进行均衡了。 2 , 频带利用率高 传统的多载波系统为了 避免产生载波间干扰， 各个子载波在频带上是不重叠的， 接收机 可以 用传统的滤波器加以 分离和提取， 但是这样频带利用率很低。 在o f d m系统中，各个 子载波的频谱是重叠的， 每个子载波都采用矩形脉冲成型。其频谱是 s i n e函 数， 在频域上 可以 很好的 保证不同的子载波信号的正交性， 而没有信道间干扰的 发生。 同时提高了 系统的 频带利用率。 浙江大学硕士学位论文 3 、实现比较方便 而o f d m系统具有优良 的抗多径干扰性能 和直观的 信道估计方法， 无须设计复杂的 均 衡器， 大大简化了 系统。 同时基于i d f t / d f t的o f d m有快速算法， 可用i f f t / f f t 算法实 现o f d m调制解调。 且随着d s p 技术的发展， i f f t / f f t 运算可以 很容易的在d s p 上实现。 使得o f d m技术在宽带无线通信中，实现起来比较方便。 o f d m技术有上述的优势， 但也井非尽善尽美。 由 于其信号产生的机制， 也使得o f d m 信号在传输过程中也存在一些劣势。 1 、对载波频率偏移很敏感 当载波频率发送偏移时， 即 使是很小的 偏差都会使得每个子载波在其它子载波土引 起干 扰， 破坏了o f d m系统的正交性， 造成了 载波间干扰。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 起互相之间的干扰。 2 、信号峰均比过高 如前面所述，由 于o f d m信号产生的 机制， o f d m信号的时域波形符合高斯分布。因 此与传统的恒包络的调制方法相比，o f d m 信号的峰值功率和平均功率之比 很大。峰均比 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。 1 . 3 . 4 o f d m技术应用和前景 o f d m的发展已 有近4 0 年的 历史， 第一 个o f d m技术的实际应用是军用的无线高频通 信链路。 但这种多载波传输技术在双向 无线数据方面的应用却是近十年来的 新趋势。 经过多 年的 发展， 该技术在广播式的音频和视频领域已 得到广泛的应用。 主要的 应用包括: 非对称 的 数字用户 环路( a s y m m e t r i c d ig ita l s u b s c r ib e l in e， a d s l ) 、 数字 音频广播 ( d ig it a l a u d io b r o a d c a s t in g，d a b ) ,数字视频) 播 ( d ig ita l v id e o b r o a d c a s t in g， d v b )等。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o f d m调制技术被采用为它的 物理 层标准。2 0 0 0 年 1 1 月，o f d m论坛的固定无线接入工作组向i e e e 8 0 2 . 1 6的无线城域网委 员会提交了一份建议书， 提议采用o f d m技术作为i e e e 8 0 2 . 1 6 城域网的物理层标准。 随着 i e e e 8 0 2 . 1 i a 和h i p e r l a n / 2 两个 标准 在局 域网 的 普及 应用， o f d m技术将会进一步 在无线 数据本地环路的广域网 领域做出 重大贡献。 o f d m 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。随着人们对通信数据化、宽带化、个人化和移动化的需求， o f d m 技术在宽带无线通信领域将越来越得到广泛的 应用。 1 . 4本文的主要工作 本文从远距离无线通信的现状和发展出发， 分析了目 前远距离无线通信对宽带业务的迫 浙江大学硕士学位论文 切需求，针对高数据率无线传输所面对的严重的路径衰落和多径时延影响，提出了采用 o f d m技术的，基于软件无线电架构的宽带远距离无线通信系统的实现方案。 首先针对无线移动信道的特点， 对o f d m技术进行了仔细的研究。 把o f d m系统与单 载波以及传统的多载波系统进行了对比，深入的研究了o f d m系统在对抗无线信道中严重 路径衰落和多径时延时的 优势。 并且对不同 条件下的算法， 例如盲估计算法与基于辅助数据 的估计算法， 进行了比 较和m a t l a b 仿真，分析了各自 的 优势和不足。 然后根据系统的应用 环境以及实际需求确定了该宽带远距离无线通信系统的实现方案和具体参数。 接着详细分析了基于软件无线电架构的系统实现方案。 分别给出了发射端与接收端的系 统框图。并对基于软件无线电 技术的o f d m接收机的两个主要部分，前端数据采集