（通信与信息系统专业论文）ofdmcdma系统中信道估计及扩频码的研究.pdf

| | i l fll i1 1 111 11 1ii i iu l y 17 9 6 3 8 3 声n i ：1 月用 月 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文o f d m c d m a 系统中信道估计 及扩频码的研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行 的研究工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学 或其他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 的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：秘渤 日 期：型 安! 五石 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或 其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校 可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同 媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：丞勤 日 期：逊6 翩签名2 豆堕 日期：丝i 217 ：7 提出了两种新的基于导频的信道估计算法：基于b 样条插值和迭代插值的信道估 计。这两种算法充分考虑了实际信道的非线性和突发性，能准确地估计出实际信道 的频率响应。经过修正或优化后，信道估计更加精确。仿真结果验证了本文算法的 优越性。关于扩频码的研究，首先提出了一种新的四维超混沌系统，对它的动力学 特性进行了详细的分析与研究。接着利用本文提出的超混沌系统，提出了一种新的 基于比特量化的扩频码的生成方法，对该扩频码的性能进行了详细的分析研究，并 与传统的扩频码进行了比较。最后，仿真结果验证该扩频码的良好的性能。 关键词：o f d m c d m a ，信道估计，混沌系统，扩频码 a b s t r a c t w i t ht h ea d v e n to ft h e21s tc e n t u r y , t h ew o r l dh a se n t e r e dt h ei n f o r m a t i o na g e ，a n d p e o p l eh a v eah i g h e rr e q u i r e m e n tt oc o m m u n i c a t i o n s o f d ma n dc d m a t e c h n o l o g i e s h a v eb e c o m et h ek e yt e c h n o l o g i e so f4 gw i t ht h e i ra d v a n t a g e s t h u s ，t h ec o l l e c t i o no f t h et e c h n i c a lm e r i t so ft h et w o s y s t e m s ，o f d m c d m as y s t e m ，h a sb e c o m et h ef o c u so f a t t e n t i o n c h a n n e le s t i m a t i o ni n0 f d ma n dt h es p r e a d i n gc o d ei nc d m aa r er e s e a r c h e di n t h i sp a p e r f o rc h a n n e le s t i m a t i o n ，t w oa l g o r i t h m sa r ep r o p o s e d ，a l g o r i t h mb a s e do n b s p l i n ea n di t e r a t i v ei n t e r p o l a t i o n b o t ha l g o r i t h m sa c c o u n tf o rt h en o n 1 i n e a rc h a n n e l a n du n e x p e c t e dc h a r a c t e r i s t i e so fa c t u a lc h a n n e l a n dc a na c c u r a t e l ye s t i m a t et h e f r e q u e n c yr e s p o n s e m o r e o v e r , c h a n n e le s t i m a t i o ni sm o r ea c c u r a t ew i t ha m e n d m e n to r o p t i m i z a t i o n f o rs p r e a d i n gc o d e ，f i r s tal l e ws u p e r - c h a o t i cs y s t e mi sp r o p o s e d ，i t s d y n a m i c si sa n a l y z e di nd e t a i l t h e nb a s e do nt h es u p e r c h a o t i cs y s t e m an e wb i t b a s e d q u a n t i t a t i v em e t h o dt og e n e r a t et h es p r e a d i n gc o d ei sp u tf o r w a r d d e t a i l e da n a l y s i sa n d r e s e a r c ho ft h ep e r f o r m a n e eo ft h en e w s p r e a d i n gc o d ei sc a r r i e do u t ，a n dc o m p a r e dw i t h t h et r a d i t i o n a l s p r e a d i n gc o d e s f i n a l l y , s i m u l a t i o nr e s u l t sv e r i f yt h a tt h eg o o d p e r f o r m a n c eo fs p r e a d i n gc o d e z h a n g0in ( c o m m u n i c a t i o na n di n f o r m a t i o ns y s t e m ) d i r e c t e db yp r o f t a n gl i a n g - r u i k e y w o r d s ：o f d m c d m a ，c h a n n e le s t i m a t i o n ，c h a o t i cs y s t e m ，s p r e a d i n gc o d e 硕十学位论文 录 状 2 4o f d m c d m a 系统原理 2 5o f d m c d m a 系统特点 2 6 小结 第三章o f d m 中的信道估计 3 1o f d m 信道估计概述 3 2 基于插值的信道估计 3 2 1 一阶线性插值算法 3 2 2 拉格朗同插值算法 3 2 3 基于m m s e 准则的插值算法 3 3 基于b 样条插值的信道估计算法 3 3 1b 样条插值估计 3 3 2 信道频率响应修正 3 4 基于迭代插值的信道估计算法 3 4 1 迭代插值估计 3 4 2 信道估计修正 3 5 算法分析 3 6 仿真结果分析 3 7 小结 第四章超混沌系统模型 4 1 常见的混沌系统 4 1 1l o g is t i c 混沌系统 4 1 2c h e b y s h e v 映射 4 1 3 三维l o r e n z 混沌映射 4 2 四维超混沌系统 4 2 1 超混沌系统的模型及典型混沌吸引子 4 2 2 基本动力学特性 4 3 小结 第五章c d h a 系统中的扩频码 5 1 扩频系统常见的伪随机码 5 1 1m 序列及其性质 5 1 2g o l d 序列及其性质 1 1 2 2 3 4 6 6 9 ll 1 3 1 5 1 7 19 1 9 2 0 2 l 2 2 2 3 2 3 2 3 2 4 2 5 2 5 2 5 2 6 2 7 3 0 3 1 3 l 3 1 3 3 3 4 3 5 3 6 3 9 4 4 4 5 4 5 4 5 4 7 华北电力人学硕十学位论文 5 2 基于混沌的扩频码 4 8 5 2 1 混沌序列的引入 4 8 5 2 2 基于混沌的扩频码的生成 4 9 5 2 3 混沌扩频码的优选原则 5 1 5 3 扩频码性能分析与比较 5 2 5 3 1 频数分析( 平衡性分析) 5 2 5 3 2 游程分析 5 4 5 3 3 相关性分析 5 5 5 3 4 保密性分析 5 6 5 4 系统性能仿真 5 7 5 5 小结 5 8 第六章总结与展望 5 9 参考文献 6 1 致谢6 6 在学期间发表的学术论文和参加科研情况6 7 i i 华北电力人学颂十学位论文 1 1 背景和研究意义 第一章绪论 2 l 世纪的到来，使全球经进入了高速的信息化时代，人类开始享受着现代科技 带来的各种迅捷、方便、丰富的信息交流方式。全球信息的高速化，要求信息的产 生和传输异常迅速。伴随着社会发展、经济增长以及人们物质生活及精神生活水平 的提高，通信系统面临着新的挑战。有一点可以肯定的是，在不久的将来，必将普 及高度个人化、高速、多媒体的移动通信与接入服务。 2 0 世纪初期到中期，以奈奎斯特、哈特利、香农等为代表的科学家们奠定了数 字通信的理论基础。其中香农关于信道最大传输极限及所达到的性能界限的最初结 论及其推广已作为通信系统设计的基准。2 0 世纪术，不仅无线通信理论发展飞速， 数字通信技术在实际中也获得广泛的应用。其中一个重要突破就是实现、演示了第 一个数字蜂窝扩频码分多址系统( c d m a ) 并将其标准化。近几年来，一种新的技术 正交频分复用( o f d m ) 也开始引起人们广泛的关注。随着第三代移动通信技术逐 渐进入商用，宽带无线传输技术将继续被广泛关注，成为通信技术研究的重点。 纵观移动通信的发展历程，移动通信系统的传输速率经历了四个划时代的变 化。最初的第一代模拟通信系统主要提供语音服务和简单的信令；到第二代数字移 动通信系统时，单用户传输速率可达到9 6 k b p s ，这时主要传输数字语音，当然可 以同时使用多个时隙实现相对较高速率的数据通信；在第三代移动通信系统传输速 率最高可达2 m b p s ，这其中又因传输环境的不同有所区别：静止环境为2 m b p s ，慢 速环境为3 8 4 k b p s ，快速移动环境为1 4 4 k b p s ，卫星移动通信为9 6 k b p s 第四代移 动通信系统，又称下一代移动通信系统，其预计系统速率可达到2 0 m b p s ，甚至更 高，国际电信联盟正在着手有关标准的组织工作。如何实现这一目标，是各个研究 者关注的焦点。当前主要着眼于通信网络的交换、传输和接入等各个环节，尤其是 在移动环境和有限频谱资源条件下，如何稳定可靠高效地支持高速率的数据传输值 得研究。正交频分复用( o f d m ) 技术因其网络结构高度可扩展，且具有良好的抗噪 声性能和抗多径信道干扰的能力以及频谱利用率高而被普遍认为是下一代移动通 信系统必不可少的技术。而码分多址( c d m a ) 技术因其具有容量大、抗干扰能力强、 频率规划简单等优点也成为下一代移动通信的研究焦点。 然而无论是o f d m 还是c d m a 它们自身都存在一些固有的局限性。比如传统 的c d m a 系统属于窄带扩频系统，它的数据速率比较低，不能胜任高速数据通信 的需要，限制了其应用等。为此，1 9 9 3 年出现了一种新的思想把o f d m 引入 到c d m a 中，于是出现了o f d m c d m a 的概念，开创了c d m a 应用新纪元。采 华北电力人学硕+ 学位论文 用o f d m - c d m a 的优势就是可以把高速数据流分成多路低速数据流，分别调制到 不同的子载波上，获得频率分集，提高了抗多径干扰的能力，与d s c d m a 相比它 可以提供更高的数据速率。 在o f d m 中，为了在接收端能够对信号进行准确的解调，需要对信号进行均 衡，这就需要对信道进行估计以获得均衡所需的信道状态信息( c s i ) 。信道估计作 为o f d m 关键技术之一，对系统的性能起着至关重要的作用。由于未来移动通信 用户移动速度更快，信道的快变特性更加明显，对信道估计与跟踪算法提出了更高 的要求。另外，多天线及智能天线通信系统在未来移动通信中将得到更加广泛的应 用，多输入多输出通信系统中的信道估计也是现在和未来的研究重点之一。未来移 动通信技术的发展和应用，直接依赖于对无线信道的认识和估计。因此，信道估计 技术是系统中的一项关键技术。 c d m a 系统中最常见的技术是基于直接序列扩频的c d m a 技术，即d s c d m a 系统。其在移动通信系统中的应用则成为c d m a 技术的主流，而扩频码的设计对 扩频系统的性能起着极其重要的作用。随着同益增长的用户数目的需求，人们对扩 频码提出了新的要求，如何获得大量性能优良的扩频码r 益成为人们研究的热点。 1 2 课题国内外发展动态 1 2 1o f d m 中信道估计技术的研究现状 实际的通信系统通常分为两种：相干接收系统和非相干接收系统。所谓非相干 接收系统是指，当系统发射端使用差分编码，传输的信息调制到子载波问的变化中， 在接收端对信息进行解调时不需要信道信息便能够完成解调，这样便从一定程度上 简化了系统接收端。采用这种方法的最大优点是接收端不需要知道信道信息，因此 接收机比较简单。当然这种方法也有它的不足之处，与相干系统相比，系统的传输 性能要降低3 - 4 d b 1 , 2 】。为了弥补这一损失，实际应用中通常选择相干系统。系统在 接收端进行相干解调时，需要用到所有子载波上的信道信息，然而无线电波信号在 移动通信信道中传播非常复杂，除了电波的反射、散射和绕射，还包括复杂的环境 及移动台对电波传输的影响，这些因素的综合作用，使电波传播变得异常复杂，不 再呈现简单的线性或规则性。接收机接收到的信号是从多条路径传播来的多个信号 的叠加。而多径衰落导致接收信号的幅度、相位和到达时间的剧烈变化，所以在接 收机内，为了能够准确的恢复出发射端的发送信号，必须要进行信道估计，以获得 所有子载波上的参考相位和幅度。信道估计的方法有很多种，通常我们可以将其分 为如下三大类。 第一类是基于导频或训练序列的方法哺吲。这类方法根据导频符号在之前还是之 后分为时域导频符号和频域导频符号插入法。如由h e n r i ks c h o b c r 等人提出的采用 2 华北电力人学硕十学位论文 二维w i n n e r 滤波器自适应跟踪时变信道的算法哺1 、f r i e d e rs a n z i 等人提出的自适应 信道估计算法、线性高斯内插估计方法、最大似然估计算法、基于最小方差无失真 响应波束成形技术的码定时估计方法等h 8 1 。当利用导频做信道估计时较常见的方法 是先估计出各个导频上的信道响应，然后通过插值来完成全部数据上的信道估计。 常用的插值方法有常值插值、线性插值、多项式插值、内插滤波器插值等陋川，在选 择这些插值方法时需要综合考虑性能与运算量。这类信道估计方法性能好，原理清 晰且较易实现，但不能适应快速时变信道环境，当信道随时间发生一定变化后，该 方法将出现严重的信道参数失匹配问题，造成系统的信号检测性能迅速下降。 第二类是判决反馈信道估计n p 汜1 。这类方法的基本原理是，假定在两个o f d m 数据符号的时问间隔内，信道是不变化的或者说其变化是可以忽略的。系统在发送 数据前，首先向接收端发送一个己知的训练符号，从而获取初始值，在传输数据过 程中，使用数据符号解码后的数据作为训练序列来获得估计值。这种方法在传输数 据中不需要发送导频符号，采用判决反馈的方法来获得c s i ，这样可以有效地提高 系统的传输效率。该方法的主要不足是，当信道出现突发错误时，容易产生误差扩 散，从而降低系统性能，甚至使系统瘫痪，只有等到新的训练符号到达才能重新工 作。 第三类是盲信道估计方法3 。16 1 。由于判决反馈法容易产生误差扩散，而使用导 频或训练序列必然占用一定的带宽，从而降低系统的带宽利用率。为了解决这些问 题，人们提出了盲信道估计的算法。这些算法有基于自相关矩阵子矩阵的盲估计算 法，也有基于子空间分解的盲信道估计算法幅1 。还有一种是基于发送符号循环 统计量的相关匹配盲信道估计算法 1 6 o 此外，类似的还有基于信号循环前缀的盲信 道估计算法，以及由基于输入信号的高阶统计量的盲信道估计算法等等n 引。然而盲 信道估计算法也有它的固有局限性，首先是其计算复杂度要高于基于导频和插值的 信道估计算法，另外它存在信号或者符号估计的不确定问题。 1 2 2c d m a 中扩频码的研究现状 扩频技术从4 0 年代被人提出来之后，得到了迅速的发展。5 0 年代，麻省理工 学院研究成功n o m a c 系统，成为扩频通信研究发展的丌端，从此它就广泛应用于 军事通信、卫星侦察等7 1 。1 9 9 0 年1 月，c c i r 在研究未来公众陆地移动通信系统 计划的技术报告中，明确建议采用扩频通信技术；美国国家航空和航天管理局也提 出了采用扩频通信多址方式的频谱利用率高于采用频分多址方式的频谱利用率的 技术报告，开始了将扩频通信技术应用到移动通信n 刖。1 9 9 1 年5 月，w l l i i n a c y l e e 论证了在蜂窝移动通信中具有功率控制的c d m a 系统容量是f m 方式的2 0 倍、 t d n i a 方式的4 倍，这对c d m a 通信技术的研究和应用产生了重大而深远的影响。 以c d m a 2 0 0 0 、w c d m a 、t d s c d m a 为主流的第三代移动通信系统标准的确立 3 华北电力人学硕+ 学位论文 及应用，以及对第四代移动通信的研究，奠定了c d m a 通信技术在移动通信中的 稳固地位，从而把扩频通信的研究、应用和发展推向了新阶段n9 2 引。 扩频技术由于其本身具备的优良性能而得到广泛应用，迄今为止，其最主要的 两个应用领域仍是移动通信系统和军事抗干扰通信，而直扩系统与跳频系统则分别 是在这两个领域应用最多的扩频方式。一般而言，在军事通信中跳频系统主要用于 对抗故意干扰，在卫星通信中也用于保密通信。直扩系统，即d s c d m a 系统，主 要是一种民用技术，在移动通信系统中的应用则成为扩频技术的主流。北美的以 c d m a 技术为基础的i s 9 5 和欧洲的g s m 标准都在第二代移动通信系统( 2 g ) 的 应用中取得了巨大的成功。而在目前建议的所有第三代移动通信系统( 3 g ) 标准中 都采用了某种形式的c d m a 。因此c d m a 技术成为目前扩频技术中研究最多的对 象，而扩频码的设计对扩频系统的性能起着至关重要的作用。 理论研究分析表明，独立均匀分布的伪随机序列( 即b e r n o u l l i 序列) 是扩频序 列的理想模型，然而由于它存在不易产生、无法实时分发等缺点，故难以在实际扩 频通信系统中应用堙。为此，人们设计了多种伪随机序列代替它做扩频序列，如m 序列、g o l d 序列等，它们几乎全部是通过移位寄存器产生的，且在实际应用中总存 在一些问题，例如由于典型的m 序列数量有限，人们将m 序列扩展到g o l d 序列， 数量上有了较大增加，但选择平衡的g o l d 序列工作量太大，且仍不能满足同益增 长的数量的需要。自8 0 年代以来，非线性混沌理论的不断发展和逐步成熟为扩频 码的研究工作带来了新的希望。混沌现象是在非线性动态系统中出现的确定性的、 类似随机的过程，这种过程非周期( 或者说周期无穷长) 、不收敛但是有界，并且 对初始值极其敏感，因此十分适用于扩频通信心2 2 引。但是目前已有的混沌扩频序列 的产生方法主要采用一维的混沌映射，该方法简单且易实现。由一维混沌映射迭代 产生的混沌扩频序列虽然有比较理想的平衡性和互相关性，但是复杂度不够高，保 密性不理想。 1 3 本文主要工作和内容安排 作为无线接入的两种核心技术，o f d m 和c d m a 凭借它们自身特有的优点， 在3 g 中得到了广泛的应用。目前它们的技术已经相当成熟。但是，随着社会的发 展单一的o f d m 或c d m a 技术已渐渐无法满足人们的需求，为此基于这二者结合 的o f d m c d m a 联合调制的多模式通信开始引起人们的关注。本文分别研究了 o f d m 中的信道估计和c d m a 中的扩频码的设计这两种核心技术。本文主要结构 安排如下： 第一章阐述了本文的选题背景及意义、国内外的研究动态和本文的主要内容以 及结构安排。 4 华北电力人学硕十学何论文 第二章阐述了o f d m c d m a 联合调制通信系统的概念，对它的工作原理及系 统特点进行了详细的描述。接着分别介绍了o f d m 和c d m a 系统的工作原理和特 点，并且从抗干扰能力，调制方式，峰均功率比等方面对二者的优缺点进行了分析 与比较。 第三章提出了两种新的基于导频的信道估计算法：基于b 样条插值和迭代插值 的信道估计。首先给出了两种算法的原理及特点，并对它们的性能进行了研究与分 析。理论分析表明这两种算法充分考虑了实际信道的非线性和突发性，能准确地估 计出实际信道的频率响应。经过修j 下或优化后，信道估计更加精确。最后给出了算 法的仿真结果。 第四章着重于混沌系统的理论研究。首先介绍了几种常见的低维混沌系统，对 他们的原理及特点进行了简要的分析。接着提出了一种新的四维超混沌系统，给出 了该混沌系统的数学模型。然后分别从混沌吸引子、l y a p u n o v 指数和l y a p u n o v 维 数、分俞图等方面对它的动力学特性进行了详细的分析与研究。验证该混沌具有复 杂的动态行为，是一个新的超混沌系统。 ， 第五章着重研究c d m a 系统中的扩频码。在介绍了c d m a 扩频系统中最基本 的m 序列和g o l d 序列的基础上，将混沌引入扩频系统中。接着利用第4 章提出的 超混沌系统生成混沌序列，对其性能进行了详细的分析与研究。在此基础上提出了 一种新的扩频码的生成方法，并与传统的基于混沌的扩频码进行了比较。最后，给 出了仿真结果，验证该扩频码具有良好的性能，适合用于c d m a 系统中。 第六章对论文工作进行总结，明确下一步研究方向。 ， 华北电力人学硕十学位论文 第二章o f d m c d m a 联合调制通信系统 调制方式和多址技术在一个移动通信系统中发挥着非常重要的作用。数字移动 通信经过了f d m a 、t d m a 、c d m a 的演进过程，c d m a 引起了人们的广泛关注， 究其原因是与其它多址方式相比c d m a 有着其特殊的优势。但是随着人们对传输 速率的要求越来越高，对脉冲宽度的要求进一步提高，于是在多径衰落严重的无线 环境中就会引起明显的码间干扰。而o f d m 由于其具有良好的抗码间干扰和多径 干扰等优势渐渐引起人们的关注。因此当第四代移动通信系统成为人们关注焦点的 时候，人们开始思考究竟什么样的多址方式更适合第四代移动通信系统。在综合考 虑o f d m 和c d m a 的优缺点的基础上，人们开始研究一种兼顾二者优点的全新的 通信模式。为此o f d m c d m a 联合调制模式成为人们关注的焦点乜卜驯。 o f d m 是一种特殊的多载波传送方案，它把单个用户的信息流串并变换为多 个低速率码流，且每个码流都用一个载波发送。它放弃传统的用带通滤波器来分隔 子载波频谱的方式，而改用跳变频率方式使用那些即便频谱发生混叠也能够保持正 交的波形。由此，在多载波调制的子信道中，大大地降低了数据的传输速率，明显 加长了信号波形周期，同时由于各个子载波之间存在一定的保护间隔，这样就有效 地避免了码间干扰。因此，o f d m 成为人们研究第四代移动通信的核心之一。 c d m a 即码分多址，它是在数字技术的分支扩频通信技术上发展起来的一 种崭新而成熟的无线通信技术。c d m a 技术是建立在扩频技术的基础上的，即将需 要传送的具有一定信号带宽的信息数据，用一个带宽远大于信号带宽的高速伪随机 码进行调制，使得原始数据信号的带宽被扩展，然后经过载波调制并发送出去。接 收端使用与发送端完全相同的伪随机码，与接收的带宽信号进行相关处理，把宽带 信号转换成原始信息数据的窄带信号即解扩，从而实现信息通信。c d m a 已经被确 定为第四代移动通信的关键技术之一。 o f d m c d m a 联合调制，最初是由台湾东华大学的杨庆隆博士在2 0 0 1 年1 0 月撰文提出并在理论上分析论述过，不过在他的论文中只论述了多载波的c d m a ， 而没有提到具体的多模式的调制和通信；虽然在国际4 g 手机的多次研究讨论会上 也曾提出o f d m 与c d m a 兼容的问题，但是关于它的设计思想和具体方案一直未 得到解决。本文所提出的，是这两种技术相结合的一种调制技术，以及如何灵活实 现多模式的兼容通信。讨论这种新技术之前，先分析一下c d m a 和o f d m 两者各 自的技术原理及特点。 2 1o f d m 通信技术原理 o f d m 是一种多载波传输技术，它的基本原理就是把高速的数据流通过串并变 6 华北电力人学硕十学位论文 换分解为在多个载波上同时并行传输的低速数据流。对于低速并行的子载波而言， 由于符号周期被展宽，可以减轻由于无线信道的多径时延扩展所引起的时间离散对 系统造成的影响。当每个o f d m 符号中插入一定的保护间隔后，码间干扰就可以 忽略。图2 - 1 给出了o f d m 等效路径示意图，从图中可以看出，在o f d m 系统中， 原有信道带宽被分割为个子信道，信息数据分割为多个并行的数据流在各个子信 道上同时传送。这样可以在各个子信道上将符号周期延长倍，使子信道的码元速 率远小于各子信道的相干带宽瞳7 l 。这意味着，原有的频率选择性衰落信道可以转换 为多个平坦衰落信道，有效地抑制了多径特性引起的频率选择性衰落。 啊： 一丑墨。一一，o 一 h i n n ：i ，圆一一囝一+ 图2 io f d m 系统等效路径 o f d m 是一种特殊的多载波调制技术，相邻子载波之间的频率间距和时域上的 时域窗使各个子载波的功率谱满足积分意义上的正交。正是基于这样的j 下交性， o f d m 系统发射端可以通过同时对各个子载波进行调制，系统接收端可以在对基带 接收信号进行低通滤波后，使用f f t 对各个子载波同时实现解调，也就是o f d m 系统使用基带信号处理实现子载波的正交。o f d m 系统可以将高速的串行数据符号 流分为多个并行的低速支数据符号流，每个支数据符号流通过一个子载波进行传 输，所以各个子载波上的符号率比较低。为了克服传统滤波器分离子载波多载波传 输系统频谱利用率低的缺点，o f d m 系统使用功率谱相互重叠子载波。图2 - 2 为 o f d m 系统基带原理框图。 输入符号一，一一， 一 i 一一1 = 刮串并变化 剖调制 j i f f t i 一 c p 1 i 一 信道、 刊甜两专茧蠹鬟f 一肿f 去藻c p 图2 2o f d m 系统框图 在o f d m 系统中一个o f d m 符号内包含多个经过调制的子载波，o f d m 符号 7 华北电力人学硕十学位论文 可以表不为： s ( f ) = d l r e c t ( t - t ，- t 2 ) e x p ( j 2 ，r f ( t t ) ) ( 2 一1 ) i = o 其中：乞st 乞+ r n 子载波的个数； t o f d m 符号的持续时间( 周期) ； 吐分配给每个子信道的数据符号； z 第f 个子载波的载波频率； m f ( f ) 矩形函数，r e c t ( t ) = l ，it 阵t 2 r e c t ( t ) = o , t 乞+ r 式中，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，f = c + i t ， 而且各个相邻的子载波之间相差一个周期，其j 下交性证明如下： 对式( 2 1 ) 中的第，个子载波进行解调，然后在时间长度7 内进行积分，即 匆= 坩1 钉。e x p 一j 2 万( f 一) n - - 1 4e x p 一j 2 万等( f 一) 础 1 5 卢o ( 2 2 ) 。 一 = ；1 一n - i d ，r e x p 一j 2 万孚( f _ t ，) l e t = 乃 j i = o j 由式( 2 2 ) 可以看出，对第个子载波进行解调可以恢复出期望的符号，而对其 它子载波来说，由于在积分间隔内，频率差别( i 一，) 丁可以产生整数倍个周期，所 以积分结果为零。 o f d m 信号频谱实际上是满足奈奎斯特准则的，即多个子载波之间没有相互干 扰。这种正交性还可以从频谱角度来理解。每个o f d m 符号在其周期丁内包含多 个非零子载波，所以可以将其频谱看作是周期为丁的矩形脉冲的频谱和一组位于各 个子载波频率上的仃函数的卷积。矩形脉冲的频谱幅值函数为s i n ( f ) 函数，此函数 的零点出现在频率为1 t 整数倍的位置上。图2 - 3 给出了相互覆盖的各个子信道内 经过矩形波成形得到的s i n ( f ) 函数频谱。在每一个子载波频率的最大值处，所有其 它子信道的频谱值都刚好为零。由于在对o f d m 符号进行解调的过程中，必须计 算这些点上所对应的每一个子载波频率的最大值，所以可以从多个相互重叠的子信 道符号频谱中提取出每个子信道符号，而不受到其它子信道的干扰。 华北电力人学硕十学位论文 图2 - 3 各了信道的信口频谱图 2 2c d m a 中的扩频通信技术原理 c d m a 技术是建立在扩展频谱通信理论的调制和多址连接技术基础上的。所谓 扩展频谱通信，可简单表述如下：扩展频谱通信技术是一种信息传输方式，其信号 所占有的频带宽度远大于所传信息必需的最小带宽；频带的扩展是通过一个独立的 码序列来完成，用编码及调制的方法来实现的，与所传信息数据无关：在接收端则 用同样的码进行相关同步接收、解扩及恢复所传信息数据【2 8 , 2 9 】。图2 - 4 为通用的 c d m a 系统原理图。 粼输入，f 紫交织 码 “” 一一 图2 4c d m a 系统原理图 从图中可以看出，在发送端输入数据首先经过编码、交织处理，然后进入c d m a 扩频，接着通过脉冲调制成形，最后由射频处理器将信号调制到高频频段发射出去。 在接收端，经过与发送端完全相反的一系列逆处理，最后还原得到原始信号。 在c d m a 系统中，最常用的是基于直接序列扩频的d s c d m a 系统。所谓直 接序列( d s ) 扩频，就是直接用具有高码率的扩频码序列在发送端去扩展信号的频 谱。而在接收端，用相同的扩频码序列去进行解扩，把展宽的扩频信号恢复成原始 的信息。图2 5 为直扩系统的组成与原理框图。 9 一码 一 f 一 输据数 华北电力人学硕十学位论文 ；镐翁卜一磊翥一嚣蓊0l 变频芝譬一篡嚣芦i 调制广| 1 调制 调制 。父狈缸；田_解调r一i i u , i 一_ 忑卫i 一0 一j l 荔鏊：鬈颦： 嘉嚣：手嚣 l 翟签；孳窘| 裂笙 亳裂1 生逻j- - 堡j 茗，1 星篡 图2 - 5 直序扩频通信t 作原理 在发送端输入的信息首先经过信息调制形成数字信号，然后再由扩频码发生器 产生的扩频码序列去调制数字信号用以展宽信号的频谱。展宽后的信号再经过高频 调制到射频发送出去。 在接收端，首先将接收到的宽带射频信号变频至中频，接着由本地产生的与发 送端完全相同的扩频码序列去相关解扩。最后经过信息解调、恢复成原始信息输出。 直序扩频通信在空间传输时所占有的带宽相对较宽，而接收端又采用相干检测 来解扩，将有用宽带信息信号还原成窄带信号，而将非所需信号扩展成宽带信号， 然后经过窄带滤波技术提取出有用的信号。这样对于各种干扰信号，由于其在接收 端的非相关性，解扩后窄带信号中只有非常微弱的成份，信噪比很高，所以抗干扰 性强。 在当前的商用通信系统中，扩频通信是唯一能够工作在负信噪比条件下的通信 方式。 宽带干扰和脉冲干扰在扩频设备中被抑制的物理过程，可以用图2 6 和图2 7 加以描绘。对于各种形式的人为的( 如电子对抗中) 干扰或其它窄带或宽带( 扩频) 系 统的干扰，只要时间、波形或码元稍有差异，解扩后仍然保持其宽带性，而有用的 信号将被压缩，如图2 6 所示。 接收输入端 f “o z 于扰 解扩后 f 图2 - 6 扩频系统抗宽带十扰能力示意图 对于脉冲干扰，带宽将被展宽到b ，而有用信号恢复( 压缩) 后，保证高于干扰， 1 0 华北电力人学硕十学位论文 见图2 7 所示。 接收输入端 f 解扩后 图2 7 扩频系统抗脉冲干扰能力示意图 由于扩频系统这一优良性能，误码率很低，正常条件下可低到1 0 。1 0 ，最差条件 下约1 0 _ 6 ，完全能满足国内相关系统对通道传输质量的要求。 2 3o f d m 与c d m a 的特点和比较 目前在选择c d m a 或o f d m 作为点到多点( p m p ) 的关键技术时大多数固定宽 带无线接入设备商都要从系统频谱利用率的高低、系统容量的大小、抗多径信道干 扰能力的强弱、能否支持高速率多媒体服务等诸多因素考虑。而在这些方面这两种 技术都各有千秋，不相上下。因此设备商需要根据实际情况权衡利弊，进行综合分 析，从而做出最佳选择。 c d m a 技术是基于扩频通信理论的调制和多址连接技术。o f d m 技术属于多载 波调制技术，它的基本思想是将信道分成许多正交子信道，在每个子信道上使用一 个子载波进行调制，并且各个子载波并行传输。o f d m 和c d m a 技术各有其优点 和缺点。c d m a 具有众所周知的优点，而采用多种新技术的o f d m 也表现出了良 好的网络结构可扩展性、更高的频谱利用率、更灵活的调制方式和抗多径干扰能力。 本文将主要从调制技术、峰均功率比、抗窄带干扰能力等方面分析这两种技术在性 能上的具体差异【3 0 , 3 1 】。 ( 1 ) 调制技术。通常来说，无线系统中为了提高系统的频谱效率，可以采用 1 6 q a m ( 证交幅度调制) 、6 4 q a m 或者更高阶的调制方式来实现，并且一个性能良 好的通信系统应该在频谱效率和误码率之间获得最佳平衡。 在c d m a 系统中，下行链路可以采用多种调制方式，但i j i 提是每条链路的符 号调制方式需要一致，在上行链路上不能采用多种调制技术，这样使得c d m a 系 统不够灵活。并且，链路的非正交性使得采用高阶调制方式的用户必将会对采用低 阶调制的用户产生很大的噪声干扰。在o f d m 系统中，每条链路都可以采用独立 的调制方式，因而该系统在上行和下行链路上都可以很容易地同时实现多种混合调 制方式。因此我们可以引入“自适应调制”的概念。它增加了系统的灵活性，例如， 终端可以根据信道条件的好坏自适应地选择采用如6 4 q a m 的等较高阶调制或 l l 华北电力人学硕十学位论文 q p s k ( 四相移相键控) 等低阶调制方式。这样，系统就可以在频谱利用率和误码率 之间做出最佳选择。此外，虽然信道间干扰限制了某条特定链路的调制方式，但是 可以通过网络频率规划和无线资源管理等方法来弥补这一点。 ( 2 ) 峰均功率比( p a p r ) 。p a p r 也是设备商们需要考虑的一个重要因素。这是 因为如果p a p r 过高会使得发送端对功率放大器的线性要求很高，这就意味着要提 供额外功率、电池备份和扩大设备的尺寸，这将导致基站和用户设备的成本大大增 加。 通常c d m a 系统的p a p r 在5 l l d b 左右，并且会随着数据速率和使用码数 的增加而增加。目前可采用很多技术来改善c d m a 系统的p a p r 。 在o f d m 系统中，信号包络的非恒定性使得系统对非线性很敏感。如果非线 性敏感性不能得到有效改善，o f d m 技术将不适用于使用电池的传输系统和壬扭 等。目前可以降低o f d m 的p a p r 技术有很多种。 ( 3 ) 抗多径干扰能力。在无线信道中，多径传播效应将会造成接收信号相互重 叠，导致信号波形间相互干扰，最终使得接收端判断出现失误，严重地影响信号传 输的质量。为了抵消这种信号白干扰，c d m a 接收机采用了r a k e 分集接收技术 来区分和绑定多路信号能量。为了减少干扰源，r a k e 接收机提供一些分集增益。 然而由于多路信号能量不均等，实验表明，倘若路径数目超过7 或8 条，这种信号 能量的分散将使得信道估计精确度降低，r a k e 的接收性能就会很快下降。 o f d m 技术与r a k e 接收的思路不同，它是将待发送的信息码元通过串并变 换降低速率，以增大码元周期，从而削弱了多径干扰的影响。与此同时使用循环前 缀( c p ) 作为保护问隔，有效地减少甚至消除了码间干扰，并且确保了各个信道之间 的相互正交性，从而信道间干扰大大减少。当然，这样做使带宽利用率降低，且损 失了一部分能量：c p 越长，能量损失就越大。 ( 4 ) 抗窄带干扰能力。c d m a 的最大优势是其具有很强的抗窄带干扰能力。因 为整个扩频信号只有很小一部分受干扰影响；而o f d m 中窄带干扰也只影响其频 段的很小一部分，而且受到干扰的部分频段系统可以不使用，或者采用前向纠错和 使用较低阶调制等方法来解决。 ( 5 ) 均衡技术。均衡技术可以补偿时分信道中由于多径效应而产生的符号间干 扰( i s i ) 。在c d m a 系统中，信道的平坦衰落带宽远远小于信道带宽。由于扩频 码自身良好的自相关性，使得在无线信道传输中的时延扩展可以被看作是被传信号 的再次传送。当这些多径信号相互间的延时超过一个码片的长度时，r a k e 接收端 就可以将其视为非相关的噪声，而不再需要进行均衡处理。对o f d m 系统而言， 在一般的衰落环境下，均衡不是改善系统性能的有效方法，这是因为均衡的实质是 补偿多径信道特性。而o f d m 技术本身已经利用了多径信道的分集特性，因此在 o f d m 系统中均衡不是必须的。 1 2 华北电力人学硕十学位论文 ( 6 ) 功率控制技术。在c d m a 系统中，解决远近效应的重要方法是功率控制技 术，而且功率控制的有效性决定了网络的容量大小。而在o f d m 系统中功率控制 不是其基本需求。o f d m 系统引入功率控制的目的是使得信道间干扰达到最小化。 ( 7 ) 网络规划。在c d m a 系统中，频率规划问题不很突出，而扩频码的设计规 划却成为