（通信与信息系统专业论文）mbofdm系统同步技术的研究.pdf

南京邮电人学硕一f ：研究生学位论文摘要 摘要 超宽带( u w b ) 技术由于极高的传输速率，极低的发射功率己成为下一代无线通信的关 键技术之一。多带正交频分复用( m b o f d m ) 超宽带系统凭借它自身的优势已成为超宽带系 统的实现方案之一。m b o f d m 超宽带系统的核心技术是o f d m ，但是o f d m 技术对载 波频率偏差非常敏感，其频偏误差必须小于子载波间隔的百分之二左右才不会对系统的性 能有较大的影响。本文的重点就是对m b o f d m 超宽带系统的定时和频偏同步技术的研 究。 首先，详细介绍了超宽带系统的信道模型及其具体实现，概括介绍了m b o f d m 超宽 带系统的基本原理、技术特点和系统模型，重点介绍了o f d m 技术的基本原理及实现，讨 论了定时和频偏对o f d m 系统性能的影响。 其次，从定时和频偏的角度，对几种经典的同步算法进行了分析，研究。s c h m i d l c o x 的定时算法，由于其循环前缀的存在符号定时会产生一个平台，影响了符号定时。本文正 好利用这个平台用于帧检测，并讨论了不同循环前缀下的帧检测概率。m i n n 算法和本地滑 动相关算法用于符号定时，是本文提出的新的符号定时方案的基础。基于导频的频偏跟踪 方案是本文进行相位跟踪时参考的基准。 最后，提出了一种针对超宽带系统标准，适用于m b o f d mu w b 通信系统的同步方 案，这也是本文的最大贡献。该同步方案时域利用前导符完成了帧检测、结合本地训练序 列完成符号定时、频偏估计任务，在频域利用导频信号完成剩余载频跟踪任务。整个同步 方案计算量少，结构实现简单；同步算法和理想同步的性能曲线比较，说明该同步方案具 有良好的性能。 关键字：超宽带，同步，定时，频偏，导频 南京邮电大学硕 研究生学位论义 a b s t r a c t a b s t r a c t u l t r a w i d e b a n d ( u w b ) t e c h n o l o g yh a sb e c o m eo n eo ft h ek e yt e c h n o l o g i e sf o rt h en e x t g e n e r a t i o nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ，d u et oi t sh i g hb i tr a t e ，l o wt r a n s m i s s i o np o w e r m u l t i b a n d o r m 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 ( m b o f d m ) im l r bs y s t e m sh a sb e c o m eo n eo f u l t r a w i d e b a n ds t a n d a r d ，b yv i r t u eo fi t so w ns u p e r i o r i t y t h eo f d mi sc o r et e c h n o l o g yo f m b o f d ms y s t e m ，b u ti ti sv e r ys e n s i t i v et of r e q u e n c yo f f s e t i ft h ef r e q u e n c yo f f s e te r r o ri s l e s st h a n2 o fs u b c a r r i e rs p a c i n g ，i th a ss o m ei m p a c to nt h es y s t e mp e r f o r m a n c e t h ef o c u so f t h i sp a p e ri st i m i n ga n df r e q u e n c yo f f s e ts y n c h r o n i z a t i o no ft h em b o f d mu l t r a - w i d e b a n d s y s t e m f i r s t l y ，u l t r a - w i d e b a n dc h a n n e lm o d e la n di t ss p e c i f i ci m p l e m e n t a t i o na r ep r e s e n t e d t h e o v e r v i e wo ft h em b o f d mu l t r a - w i d e b a n ds y s t e ma n do f d ms y s t e ma r ea l s op r e s e n t e d ，a n d t i m i n ga n df r e q u e n c yo f f s e ta r ed i s c u s s e d s e c o n d l y , t h i sp a p e ra n a l y z e ss e v e r a lc l a s s i c a ls y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h ma b o u tt i m i n ga n d f r e q u e n c yo f f s e t s c h m i d l c o xa l g o r i t h mh a sap l a t f o r mi ns y m b o lt i m i n g t h i sp a p e ra d o p t s t h i sp la t f o r mf o rf la m ed e t e c t i o n m i n na l g o r i t h ma n dt h el o c a ls l i d i n gc o r r e l a t i o na l g o r i t h mi s c o n s i d e r e da st h eb a s i so fan e ws y m b o lt i m i n gp r o g r a m p i l o tt r a c k i n gs c h e m ei sr e c o m m e n d e d i nt h i sp a p e r f i n a l l y , m b - o f d mu w bs y s t e ms y n c h r o n i z a t i o ns c h e m ei sp r o p o s e d ，w h i c hi sa l s ot h e g r e a t e s tc o n t r i b u t i o no ft h i sa r t i c l e i nt i m ed o m a i n ，t h i ss c h e m eu t i l i z e st h et r a i n i n gs y m b o l st o a c h i e v ef r a m ed e t e c t i o n ，s y m b o lt i m i n g , f r e q u e n c yo f f s e te s t i m a t i o n d u r i n gt h ef r e q u e n c y d o m a i n , i tm a k e su s eo fp i l o ts i g n a l st of u l f i l lc a r d e rf r e q u e n c yt r a c k i n g t h i ss c h e m eh a ss u c h a d v a n t a g e sa ss i m p l ec o m p u t a t i o na n de a s yt or e a l i z e t h es y s t e m sc o m p a r i s o nr e s u l t ，b e t w e e n t h ei d e a ls y n c h r o n i z a t i o na n dt h e s y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h m s ，s h o w st h es y n c h r o n i z a t i o n s c h e m e sg o o dp e r f o r m a n c e k e y w o r d s ：u w b ，s y n c h r o n i z a t i o n ，t i m i n g ，f r e q u e n c yo f f s e t ，p i l o tf r e q u e n c y i l 南京邮电大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个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的地方外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京邮电大学或 其它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 所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 日期： 南京邮电大学学位论文使用授权声明 南京邮电大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所 送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存 论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密 论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。 论文的公布( 包括刊登) 授权南京邮电大学研究生部办理。 研究生签名： 导师签名： 日期： 。宁、 南京邮电人学颂 j4 i j f 究生学位论文 第一章绪论 1 1 论文背景 第一章绪论 近年来无线通信技术迅猛发展，各种无线通信系统相继出现，使得无线频谱资源过度 贫乏。为了满足消费者对更高的容量、更快速的服务以及更安全的无线连接的需求，我们 不得不在过度拥挤以及有限的无线频谱上寻找新的增强型技术。超宽带技术通过允许新的 业务与当前的无线通信系统以最小或者没有干扰的方式共存，为几乎枯竭的无线频谱资源 提供了一种极有前途的解决方案。 1 1 1 超宽带的发展 超宽带技术早在六、七十年代就已在雷达信号处理领域引起了人们的注意，只是受到 当时技术条件的限制，未能得到快速的发展和广泛的应用。随着微电子技术和射频、天线 技术等的快速发展，特别是低成本高采样速率和高处理速率v l s i 超大规模集成芯片韵飞 速发展，使超宽带信号处理和超宽带无线通信的实用化成为了可能，其特殊的优越性日益 受到关注。如今，超宽带无线通信己经成为研究热点。 美国联邦委员会f c c ( f e d e r a lc o m m u n i c a t i o nc o m m i s s i o n ) 对u w b 系统开放了7 5 g h z 的带宽( 3 1 g h z 1 0 g h z ) ，并定义了u w b 信号。f c c 规定【1 u w b 信号的绝对带宽大于 5 0 0 m h z 或相对带宽大于0 2 。相对带宽定义如下： ! 五二型 2 0 ( 1 1 ) 1 c 式中，厶，五为功率较峰值下降1 0 d b 时所对应的高端频率和低端频率，兵- - ( 厶+ 无) 2 ， 为信号的中心频率。现在的u w b 己不仅仅局限于最初的脉冲通信了，而是包括了任何使 用超宽频谱( 只要带宽大于5 0 0m h z 或相对带宽大于0 2 ) 的无线通信形式。 2 0 0 2 年4 月，美国联邦通信委员会f c c 发布了民用u w b 设备使用频谱和功率的初步 规定。根据f c c 的规定，室内u w b 通信的实际使用频谱范围为3 1 1 0 6 g h z ，并在这一 范围内，有效各向同性发射功率( e i r p , e f f e c t i v ei s o t r o p i cr a d i a t e dp o w e r ) 不超过 - 4 1 3 d b m m h z 。f c c 规定的室内u w b 通信频谱范围和功率限制如图1 1 所示。 南京邮i u 人学顾l ：研究生学位论义 第一章绪论 只( d b m m h z “) 0 9 e 1 6 1 1 9 93 1 1 0 6f 【6 h z ) 图1 - 1u w b 通信频谱范围和功率图 目前，u w b 的规范化工作还在进行中。在f c c 对民用u w b 系统制定初步规定之后， 欧洲、日本、和新加坡的有关部门也着手进行了u w b 通信的规范化工作。国际上u w b 通信的标准化工作主要在i e e e 8 0 2 1 5 无线局域网工作组内进行，其中t g 3 a 任务组进行 i e e e 8 0 2 1 5 - 3 高速w p a n 物理层可选标准的制定工作，s g 4 a 研究组进行i e e e 8 0 2 1 5 4 低 速w p a n 物理层可选标准的研究工作。 1 1 2 超宽带的技术特点 u w b 技术具有高性能、低功耗和低成本的优良特性，具体而言，它有以下特点： l 、 隐蔽性好。超宽带信号的带宽可达1 g h z 以上，且所需平均功率很小，信号被隐蔽 在环境噪声和其他信号中很难被第三方检测出。 2 、处理增益高。超宽带无线电的处理增益主要取决于脉冲的占空比和发送每个比特 所用脉冲数，可以做到比目前实际扩谱系统高得多的处理增益。 3 、 多径分辨能力强。超宽带无线电发射的是持续时间很短的脉冲且占空比很低，多 径信号在时间上时可分离的，可以很容易分离出多径分量。 4 、传输速率高。无线网络要提供高质量的多媒体业务，其信息速率不低于5 0 m b p s 。 从信号传播的角度考虑，由于多径影响的消除而使得超宽带可传输高速率的数据业务。 5 、穿透能力强。实验证明，超宽带无线电具有很强的穿透树叶和障碍物的能力，有 希望填补常规超短波信号在丛林中不能有效传播的空白。而且超宽带技术还能实现隔墙成 像等。 6 、低功耗。超宽带无线电的功耗很低，仅为1 4 m w ，大大延长了电源的供电时间。 2 南京邮电人学硕i ：研究生学位论文第一章绪论 1 2 本文的研究意义 超宽带通信系统由于其极高的传输速率，极低的发射功率等优点受到了国内外学者和 商家越来越多的重视，超宽带技术己经成为下一代w p a n 和w l a n 的备选方案。目前关 于超宽带通信的研究主要有两个方向，一种是基带脉冲式超宽带通信系统的研究；另一种 是利用载波调制的超宽带通信系统，其中载波调制超宽带通信系统又包括利用m b o f d m 和d s - c d m a 技术进行超宽带信号传输。这两种方案各有优缺点，目前己经成为高速超宽 带通信的两种各选方案：基带脉冲式超宽带方案不用射频，成本较低，无需载波同步，但 对定时同步的要求非常高，如果采用相干接收，则同步的要求将是皮秒量级，这在实现上 比较困难；多带o f d m 超宽带系统由于利用了循环前缀，使其对定时的要求大大降低，只 要定时误差小于前缀长度与信道时延之差就可以实现准确的解调。但是o f d m 技术对载波 频率偏差非常敏感，其频偏误差必须小于子载波间隔的百分之二左右才不会对系统的性能 有较大的影响。 同步技术是任何通信系统中的关键技术，是通信的基本条件。没有良好的定时，系统 性能也就无从谈起，尤其对超宽带通信系统而言，由于其占用了非常大的带宽，传统的针 对窄带系统的定时同步方法对其未必适用，而目前对超宽带系统同步技术的理论和应用研 究还处于起始阶段，现有的各种方案并没有很好的利用超宽带信号的特点实现快速可靠的 步，针对这一关键问题进行研究将非常有意义。 本课题主要研究的是针对超宽带通信系统的同步技术，重点是多带o f d m 超宽带通信 系统的同步技术。m b o f d m 的核心技术是o f d m ，而o f d m 易受频率偏差的影响由于 子信道的频谱相互覆盖，这就对它们之间的正交性提出了严格的要求。然而由于无线信道 存在时变性，在传输过程中，会出现无线信号的频率偏差，例如多普勒频移，或者发射机 载波频率与接收机本地振荡器之间存在的频率偏差，都会使得o f d m 系统子载波之间的正 交性遭到破坏，从而导致子信道间的信号相互干扰，这种对频率偏差敏感是o f d m 系统的 主要缺点之一。 在多带o f d m 超宽带系统中，同步的任务和基本原理与常规的o f d m 系统类似，所 不同的是常规的o f d m 系统只有一个主频，而多带o f d m 超宽带系统具有多个主频，而 且频率偏差一般只有小数部分，但是工作信噪比比常规o f d m 系统更低，如何在极低信噪 比下获取足够的估计性能将是一个值得研究的课题，本课题将这个问题作进一步的研究分 析。 3 南京邮电人学顾l j 研究生学位论义第一币绪论 1 3 论文的内容安排 本论文的主要任务是研究u w b 传输技术，侧重于研究m b o f d mu w b 系统中的同 步技术，提出了一整套基于o f d m 调制技术的u w b 无线通信系统的同步方案本文的共分 六个章节，各部分章节安排如下： 第一章简单介绍了超宽带的发展、技术特点以及本文的研究意义。 第二章分析了超宽带信道，并给出了超宽带信道模型，详细介绍了超宽带系统实现 方案之一：m b o f d mu w b 系统。 第三章主要讨论了o f d m 系统。首先，介绍了o f d m 的基本原理，包括其频谱利用 率、i f f t f f t 调制和循环前缀( c p ) ；然后，分析了各种非理想同步因素对系统性能造成的 影响如载波频率偏差和符号定时偏差的影响等。 第四章对o f d m 系统中的同步算法作了进一步的研究讨论。首先，结合本文研究的 m b o f d m 系统，介绍了几种o f d m 系统中典型的同步方案，包括符号定时，小数倍频偏 估计，以及频偏跟踪的同步算法。 第五章提出了一整套基于特殊训练序列的同步方案。该同步方案中定时同步分帧检 测、符号定时同步、载波频率同步三步。帧检测与符号定时同步采用峰均比低的随机序列， 符号定时同步时构造的新的度量函数使粗同步的性能得到改善；载波频率同步，分为捕获 和跟踪阶段。捕获阶段的频偏估计在时域进行，跟踪阶段的相位偏转则利用导频方案，大 大提高了相位跟踪性能，适用于u w b 系统。给出了u w b 系统中同步各阶段的性能曲线 图。同时，为了从整体上评价同步的性能，文中还比较了理想同步与非理想同步情况下系 统的性能。 第六章总结全文，并展望下一步的工作。 4 南京蛳si u 人学侦i 研究生学位论文第二章超宽带信道及m b o f d m 系统 第二章超宽带信道及m b o f d m 系统 在无线通信系统中，信道对整个通信系统的性能有着重大影响。u w b 信道是一个相 对崭新的信道，用恰当的信道模型正确、合理地描述出其特性，对于u w b 系统设计而言 有着十分重要的意义。目前针对超宽带通信已经有多种信道模型【2 】f 3 1 ，其中主要包括i n t e l 多径信道模型、s c h o l t z 信道模型以及a t & t 信道模型，这几种模型都是经过大量的实测数 据分析拟合得到的。8 0 2 5 1 3 a 工作组在上述模型的基础上进行了筛选和整理，统一了超宽 带信道模型，即8 2 0 1 5 3 a 超宽带信道模型。 本论文针对m b o f d m 系统同步的所有仿真和分析均采用此信道模型。该信道的密集 多簇多径的特点对符号定时影响较大，因此在此章研究该信道很有意义。超宽带载波调制 系统实现有两种方案：d s c d m a 载波调制和m b o f d m 载波调制，但是本文只研究 m b o f d mu w b 系统方案。 2 1 超宽带信道模型 i e e e8 0 2 1 5 3 a 的信道模型工作组广泛地征求各方面的意见，得到了很多公司和研究 机构的响应，收集到很多信道模型的建议和基于实测数据所做的总结，然后对这些建议进 行广泛的讨论和综合，最后借鉴s y 模型，并对它做了一些修改，提出了一个能被普遍接 受的信道模型：i e e e8 0 2 1 5 3 a 的超宽带标准信道模型【4 】。这个信道模型既能够给出对实际 信道重要特性比较准确的描述，又能保持信道模型的相对简单和易用性。下面我们对这个 信道模型的进行详细介绍，主要分为路径损耗模型、多径模型和信道时变性三个方面。 2 1 1 路径损耗模型 路径损耗模型的主要目的是体现出传输距离对系统性能的影响，以便对比各物理层方 案是否能够在指定的距离处提供充分的性能。u w b 通信的路径损耗可采用自由空间损耗模 型，它是基于f r i i s 传播公式得出的。 系统的平均发射功率为弓，发射天线增益为q ，接收天线增益为g r ，c 为光速，发 射信号的几何中心频率为z = 厶。l ，其中厶i n ，厶。为信号的一1 0 动频带边界，则在 接收端得到的功率为： 气 南京邮i 【1 人学硕 ：研究生学位论义 第二章超宽带信道及m b o f d m 系统 最= 弓g q ( 南) 2 则自由空间的传播损耗为： 三：曼：j l ( 4 n d f 。2 最q q c 2 1 2 多径模型 ( 2 1 ) ( 2 - 2 ) i e e e8 0 2 1 5 3 a 标准信道模型是基于宽带室内信道模型s v 信道模型，并对它做了一些 修改，用对数正态分布代替瑞利分布描述径的幅度。在这个模型中，信道的多径用下式来 描述： 1 k h i ( t ) = 置吒i 8 ( t 一乃一) ( 2 3 ) i = 0k = 0 式中，行表第f 路实现， 代表观察到的总簇数， k 代表每一簇中接收到的总径数， 口：，) 是信道的第i 个实现的第，簇中第k 径的多径增益系数， 刀) 为第，簇的延迟， ，) 为第，簇的第k 径分量相对于第，簇的第0 径的时延， 置) 表示对数正态阴影衰落系数。 根据定义，我们有= o ，省略标记f ，记人为簇的到达率，z 为径的到达率，则簇 和径的到达时间的分布密度函数为： p ( 乃l 乃一。) = a e x p 一a ( 巧一乃一。) 】， 0 p ( q ，ii i 1 ) ，) = 3 e x p 一允( t ，一i - 1 ) ，) 】，k 0( 2 4 ) 多径模型的路径系数为： 2 0 1 。g 。( 与展，) o cn o r m 口，( 从，砰+ 霹) ，或旧展，1 = 1 0 心+ 啊+ 也炮。 6 ( 2 5 ) ( 2 6 ) 南京邮i u 人学硕i j i f 究生学位论义 第二章 其中，z lo cn o r m a l ( o ，万；) 和，z 2o cn o r m a l ( o ，呸2 ) 相互独立，分别对， 等概率取+ 1 和1 来表示由于反射引起的信号极性发生翻转，当是第z 的第k 个多径的衰落。并且，对于每一簇各个多径分量上的衰落， e i 考；屈，1 2 = = ( 2 。e 一乃，r p 一珞，丫 其中乃是第，簇的附加延迟，q 。是第一簇的第一条径的平均能= 是簇内径的衰减因子。肌。定义为： 1 0 1 n ( q o ) 一1 0 乃f 一1 0 q ，7 ( o 1 2 + 亡 以，。弋面矿一一 由于总的多径能量的对数正态分布的信道增益的变化是用置砉 现来说，包含在似，) 中的总能量都是正态分布并且是一致的，n - - j 以 化为单位值： ， 2 0 1 0 9 1 0 ( x f ) o cn o r m a l ( o ，c r2 ) 图2 1 是一个双指数模型示意图，分别显示了簇的衰落和径的旁 2 1 3 信道的实现 0 图2 = 1 双指数模型示意图 该信道模型有7 个关键的参数： 人：簇的到达率； 旯：簇内径的到达率； 1 1 ：簇的能量衰减因子； 7 南京邮il 1 人学硕：l ：研彳t 生学位论义 第二章超宽带信道及m b o f d m 系统 丫：径的能量衰减因子； 0 - 1 ：簇的对数正态分布的标准差( 扭) ； 0 2 ：径的对数正态分布的标准差( 拈) ； 0 - 3 ：阴影衰落因子* 的对数正态分布的标准差( d b ) ； 为了确定这些参数的值，信道模型工作组先根据收集到的大量的实测数据，得到下面 的几个统计量： 平均附加时延岛( m e a ne x c e s sd e l a y ) 均方根延迟扩展2 r m s ( r m sd e l a ys p r e a d ) 径的数目n i l o 拈 ( 处于最强径一l o d b 范围内的径数) 径的数目n p ( 8 5 ) ( 含有能量的8 5 的路径数) 平均功率延迟谱 ( p o w e rd e c a yp r o f i l e ) 得到这些统计量之后，再通过拟合的方法可得出上述的7 个参数的值。由于所测量的 信道环境有较大的差异，经过拟合得到的参数反映了不同信道的特点。根据这些差异，工 作组得到了4 种典型的信道，分别记为c m l ，c m 2 ，c m 3 和c m 4 ，它们分别对应于：0 - - 4 米的 视距信道( l o s ) ，米的非视距信道( n l o s ) ，和l o 米的非视距信道( n l o s ) ，以及极端非 视距信道。表的2 1 和表2 2 分别给出了这四种道模型的目标信道特征以及信道参数。 表2 1 目标信道特征 目标信道特征 c m lc m 2c m 3c m 4 距离( m )o 4o 44 1 0 无定义 是否视距 l o sn l o sn l o sn l o s 平均时延靠( n s ) 5 0 51 0 3 81 4 1 8 无定义 r m s 时延f 胱( n s ) 5 2 88 0 3 1 4 2 82 5 n p l o 以 无定义无定义3 5无定义 n p ( 8 5 ) 2 43 6 16 1 5 4 无定义 南京邮电 肇坝iw ，注学论z 第一章d 宽* 遭雎m bo f d m 系统 表2 - 2 不同信道模型的参数 信道模型参数 c m 2c m 3 l o s ( 0 4 m ) n l o s ( 0 - -n l o s h ( 极端n l o s 多径信 4 m )1 0 m ) 道) a ( 1 n s ) 0 0 2 3 3 2 ( 1 n 3 ) r t 6 779 g i ( 招) 33 9 4 l33 9 4 l i 。( 棚) 3 ，9 4 t ( 如) 图2 - 2 为4 种信道模型的实现，每个图形包含1 0 0 个信道实现，横坐标代表时问轴 纵坐标代表信道幅度。其模型实现如下图所示： 。札- l 鄹 咿n r t i r oem q ( 町c m 】 孵 | | = ： 御c m 2 0 n 0 4 0 0 o 日 m 京u 人学m 】a ， ! = ：! ! ! 塑! ! ! ! ! ：! ! 型! 1 4 j ，虹m 。 孵 孵邪1 研 ： 赫隅乩。 嗍 孵 i on = t i m em s l ( c ) c m 3 f d l c m 4 酗2 - 2 超宽带系统信道模型 由图可以看到：u w b 的工作坏境，其信道十分复杂，根据i e e e8 0 2 15 3 a 中提议的超 宽带系统常用信道模型，最简单的c m i 信道的有效时延长度可能会达到6 0 n s 以上，对于 更复杂的c m 4 模型而言，甚至会多于2 0 0 n s 。更重要的，c m i 的可分辨径径数可以达到 2 0 径，而对于更复杂的c m 4 模型而言，它的可分辨径径数会达到5 0 - 6 0 径，大能量的主 径径数也会有l o 径以上。 2 2m b o f d m u w b 通信系统 m b - o f d mu w b 系统方案州6 悝目前i e e e 8 0 21 53 a 工作组正在进行高速无线个域网 ( w p a n ) 物理层可选标准的指定的两个候选方案之一，采用了调制载波的信号形式。 2 2 1 多带o f d m 的概述 m b o f d m u w b 方案与传统的o f d m 通信有很多相似之处，但同时又符合f c c 关于 u w b 的定义具有u w b 的优点和缺点，是目前较新的一种u w b 通信实现方式。这个方 案的要点有： ( 1 ) 将31 g h z 一1 06 g h z 整个频带划分为1 4 个5 2 8 m h z 的频段。如图2 - 3 所示，并 将这1 4 个子带分为5 个带组，其中前4 个带组每组含3 个子带，第5 带组只含2 个子带， 实际只使用第一带组。每个5 2 8 m h z 的频段使用o f d m 方式传输信息，一共有1 2 8 个子载 波，其中1 0 0 个用于传输信息，信息采用q p s k 调制；2 1 个子载波用于载波和相位跟踪， 1 0 个子载波用于用户自定义的导频，剩下6 个子载波备用。o f d m 子载波的信号可以通过 1 2 8 点的f f t i f f t ( 快速傅里叶正反变换) 来产生。 1 0 南* “b 顿l 研究生学位论j第一章超宽带竹遒发m b - o f d m 系统 b i l d 咖”删钿- 州洲o i 砷q蛐口唧6 訾掣訾l 紫訾掣 絮紫翟l 搿紫 盘温兰盟盆盛盟盟盏盟盛盛盟翟 图2 - 3m b - o f d m 于带和带组分配 ( 2 ) 采用6 06 n s 的循环前缀，有较强的抗多径能力。如图2 _ 4 所示，采用95 n s 的保 护间隔，为频段问的切换提供了充足的时间。通过跳频，将信息比特交织到所有的子载波 上，可获得比较好的频率分集效果，提高抗频率选择性衰落和抗干扰性能。 阻厂 m “；i睫_ i | | i 豳臣i p e r l t x l9 3 75 “ z j d l l j l l 2 图2 - 4m b 4 ) f d m 传输示意图 ( 3 ) 多带o f d m 方案具有良好的可扩展性能够兼顾到目前技术的可实现性和以后 的可升级性。系统可支持的数据速率有5 5 ，8 0 ，1 1 0 ，1 6 0 ，2 0 0 ，3 2 0 ，4 0 8 m b i t e d s 。使用 的频带可以从3 个频段组扩展到7 个频段组。表2 - 3 给出了m b o f d m 系统的基本参数。 ( 4 ) 对于数据速率在加2 0 0 m b i t s s 下的应用，i f f t i 拘输入信号可以是共扼对称的， 这样输出信号为实信号这时数模转换和混频器只需要实现正交两路中的璐，降低了复杂 度。 南京邮i u 人学顺l 研究生学位论义 第一二章趟宽带信道及m b o f d m 系统 表2 3m b o f d m 系统基本参数 参数 数值 抽样频率z 5 2 8 m h z 子载波数( f 丌大小) 南 1 2 8 数据子载波数d 1 0 0 导频子载波数户 1 2 保护子载波数g 1 0 使用的子载波数r 1 2 2 子载波频率间隔a ， 4 1 2 5m h z i f f r 和f f t 周期骗 2 4 2 4 2 n s 零填充后缀数赢 3 7 零填充后缀时间长度 7 0 0 8 n s o f d m 符号间隔五蹦 3 1 2 5i i $ 符号速率b w 3 2 m h z 每个符号的总抽样数虬 1 6 5 2 2 2 多带o f d m 系统方案 系统采用基于帧( f r a m e - b a s e d ) l 拘突发结构，以更利于进行高速无线多媒体通信。每个 帧的最前面是前导符，用来进行帧检测、符号定时、频偏估计和信道估计。前导符后面依 次是物理层帧头、媒体接入控s o ( m a c ) 层帧头和有效数据。物理层帧头、m a c 层帧头和有 效数据进行信道编码、交织、q p s k 调制后，进行反向快速f o u r i e r 变换( i f f t ) ，并添加循 环前缀，生成o f d m 符号，多个o f d m 符号与前导符合并形成一个数据帧。其中物理层 和m a c 层帧头的传输速率为5 5 m b p s ，有效数据的传输速率为l1 0 m b p s 。在接收端，接收 1 2 南尿邮 l 1 人学坝i j 研究生学位论义第一二帝超宽带信道及m b o f d m 系统 天线的输出( 经过带通滤波器和低噪声放大器( l n a ) 后) 进行下变频。下变频输出的基带 信号经滤波后，进行模数变换( a d c ) ，得到基带数字信号。接下来进行帧检测、符号定时 和频偏估计。频偏估计得到的频偏用来对帧后面的数据进行频偏纠正，紧接着进行信道估 计。以上步骤都是在前导符中完成。后面的数据，去掉循环前缀和保护间隔后，经f f t 变 换到频域，并用信道的频域响应进行频域均衡，数据部分经过q p s k 解调、解交织和v i t e r b i 译码，得到输出数据。图2 5 给出了系统框图。 另一路数据 图2 - 5m b - o f d mu w b 系统框图 图2 5 中用到前导符，在此详细介绍一下前导符。前导符在一帧的最前面，用来完成 时间同步、载波频偏估计和信道估计。前导符包括两部分：帧同步序列和信道估计序列。 在m b o f d m 系统中定义了两种前导符：标准式前导符和突发式前导符，前者包含2 4 个 帧同步序列和6 个信道估计序列，而后者只有1 2 个帧同步序列和6 个信道估计序列。文 献 7 1 对帧结构有详细的叙述。 南京邮i 也人学坝i j 研究生学位论文 第二章超宽带信道及m b o f d m 系统 2 3 本章小结 本章首先详细介绍了超宽带通信的信道模型以及其具体的实现方法，表明超宽带信道 不同于常规通信信道，具有多径到达分簇，簇内再分径的特点。接着本章介绍了m b o f d m 超宽带通信系统的基本原理及系统结构。该系统利用o f d m 技术的基本原理，将不同的频 带进行时频编码实现高数据速率通信，这种通信方式频谱利用率高，技术相对成熟，在多 径环境下可以获得较好的性能。 1 4 南京邮l 【1 人学硕l j 研究生学位论义 第三章o f d m 系统及同步问题 第三章o f d m 系统及同步问题 o f d m 技术是m b o f d mu w b 系统的核心技术，前面介绍m b o f d m 时已经提到该 系统和常规的o f d m 系统有很多相似之处。为了更好的研究m b o f d m 系统，本章节详 细介绍o f d m 系统的基本原理以及o f d m 系统中存在的一些同步问题。其中介绍同步问 题时，仅介绍了载波频偏和符号定时对o f d m 系统的影响，没有详细介绍采样时钟偏差对 o f d m 系统的影响。由于本文研究的同步技术仅包括载波频偏和符号定时，不考虑采样时 钟的偏差，假定采样时钟处于理想状态。 o f d m 技术是一种特殊的频分复用机制，它的基本思想是将高速的串行数据流转换为 多个低速的并行数据流，再调制到多个正交的子载波上进行传输，每个子载波上的数据流 经历的是一个几乎平坦的衰落信道。o f d m 技术增加了数据符号的时间周期长度，再通过 在o f d m 符号前加入个长度大于信道最大时延扩展的循环前缀，就能够很好的克服由多 径衰落引入的符号间干扰，因此该技术具有很强的抗多径衰落特性。 3 1o f d m 的基本原理及实现 3 1 1o f d m 系统的基本原理 一个o f d m 符号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( 删) 符号的调制8 1 。假设表示子载波的个数，r 表 示o f d m 符号的持续时间，或( k = o , k ，n - 1 ) 是第七个子载波上传输的数据，石是第0 个 子载波的载波频率，矩形脉冲成型函数为r e c t ( t ) = 1 ( 1t 峰t 2 ) ，则从t = 开始传输的o f d m 符号可以表示为： m 眦e 融n - i 聊r ( 母冲m 厶廿训鲻 仔- ， 其复等效基带信号可以表示为： s o ，= 蒸d 。旭c r ( r 一一吾) e x p 2 万事。一， ， r + r c 3 2 ， 南京邮i b 人学烦i ：研究生学位论文第三章o f d m 系统及同步问题 蛩一嗡野 寓 b 每一一蛩 并 并 +旦卧 串 变 是；牵。 变 换 换 图3 - 1o