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北京邮电大学硕士论文c m m b 系统接收机同步算法研究与系统设计 c m m b 系统接收机同步算法研究与系统设计 摘要 随着通信与信息技术的不断发展，移动多媒体广播将成为广播电 视产业的一个重要应用。国内外各种移动多媒体广播的标准应运而 生，中国移动多媒体广播标准( c 舳) 就是其中一个值得关注的标 准。c m m b 系统采用正交频分复用( o f d m ) 技术，充分利用其频 谱效率高和抗由多径干扰引起的频率选择性衰落的优势以实现较高 速率地传输音频和视频信息。相对单载波系统而言，采用o f d m 技 术的c m m b 系统也存在一定的技术难点，同步就是其中之一。本文 将对基于c m m b 系统的符号同步，载波同步，时钟同步算法与技术 展开研究。 本文首先介绍了基于o f d m 技术的c m m b 系统的体系架构和关 键技术。 然后，研究了无线广播环境，c m m b 系统在地面传输应用中面 临的复杂地形条件，分析了符号同步误差、载波误差以及采样时钟误 差对于接收机带来的影响。 之后提出了适用于c m m b 系统的新的同步算法，分别是：符号 定时粗同步和细同步，载波频偏整数倍同步和小数倍粗同步与跟踪， 采样时钟跟踪同步，根据相应的仿真，这些算法在恶劣的环境下也能 取得很好的系统性能，准确的估计出符合c m m b 系统同步要求的同 步修正数值。 最后进行了c m m b 接收机同步系统的设计，提出实现系统同步 的整体方案，并分别将符号定时粗同步和细同步，载波频偏整数倍同 步和小数倍粗同步与跟踪，采样时钟跟踪同步进行适当的定点化，并 设计出相应的硬件实现结构，用以适应硬件实现，并对于同步系统的 补偿结构进行设计，完成实际补偿部分的算法与结构设计。 该方案充分考虑了c m m b 系统的特点，有效的利用了o f d m 前端 的同步信号以及o f d m 中间夹杂的导频信息，并充分考虑了硬件实现 的复杂度，实现了恶劣情况下o f d m 符号的同步，极大的减少了i c i 矛n i s i 。 北京邮电大学硕士论文c m m b 系统接收机同步算法研究与系统设计 关键词：中国移动多媒体广播，正交频分复用，同步算法，同步系统 北京邮电大学硕士论文c m m b 系统接收机同步算法研究与系统设计 s t u d yo ns y n c h o r o n i z a t i o na l g o r i t h m s a n ds y s t e md e s i g no fc m br e c e i v e r a b s t r a c t a l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m m u n i c a t i o na n di n f o r m a t i o n t e c h n o l o g i e s ，m o b i l em u l t i m e d i ab r o a d c a s t i n gs e r v i c ei sb e c o m i n ga l l i m p o r t a n ta p p l i c a t i o ni nt h eb r o a d c a s t i n ga n dt e l e v i s i o ni n d u s t r y v a r i o u s m o b i l em u l t i m e d i ab r o a d c a s t i n gs t a n d a r d sh a v eb e e na n n o u n c e d ，a m o n g w h i c hc h i n am o b i l em u l t i m e d i ab r o a d c a s t i n g ( c m m b ) s t a n d a r di st h e o n ew o r t hp a y i n ga t t e n t i o nt o c m m bu s e so 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 ) t e c h n i q u ea n dr e a l i z e st h eh i g hs p e e dt r a n s m i s s i o n o f a u d i oa n dv i d e oi n f o r m a t i o nb ym a k i n gf u l lu s eo fo f d m c h a r a c t e r i s t i c sf e a t u r e db yh i g hs p e c t r a le f f i c i e n c ya n dm u l t i p a t h i m m u n i t y h o w e v e r , c o m p a r e dw i t ht h es i n g l e c a r t i e rs y s t e m s ，c m m b s y s t e ma l s oh a ss o m et e c h n i c a lb a r r i e r s ，o n eo fw h i c hi ss y n c h r o n i z a t i o n t h e r e f o r e ，t h i st h e s i sf o c u s e so ni n v e s t i g a t i n gs y m b o ls y n c h r o n i z a t i o n ， c a r r i e rs y n c h r o n i z a t i o na n dc l o c k s a m p l es y n c h r o n i z a t i o nb a s e d o n c m m b s y s t e m f i r s t l y , t h i st h e s i si n t r o d u c e st h ea r c h i t e c t u r ea n dk e yt e c h n i q u e so f o f d m - b a s e dc m m b s y s t e m t h e n ，t h eb r o a d c a s t i n ge n v i r o n m e n ti ss t u d i e d t h ec o m p l e xt e r r a i n c o n d i t i o n s ，w h i c ha r ep o s s i b l yf a c e d i nt h et e r r e s t r i a lt r a n s m i s s i o n a p p l i c a t i o n o fc m m bs y s t e m ，a r e s t u d i e d ，t o o t h es y m b o l s y n c h r o n i z a t i o ne r r o r s ，c a r r i e re r r o ra sw e l la ss a m p l i n gc l o c ke r r o rf o r t h ei m p a c to ft h er e c e i v e ra r ea n a l y z e d a f t e rt h a t ，a f t e rt h ec m m bs y s t e m a p p l i c a b l e t ot h en e w s y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h m sw h i c ha r ea p p l i c a b l et ot h ec m m bs y s t e m a r es e l e c t e d ，n a m e l y , s y m b o lc o a r s es y n c h r o n i z a t i o na n ds y m b o lf i n e s y n c h r o n i z a t i o n ；c a r r i e ri n t e g e rf 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 n ，c a r r i e r d e c i m a lf 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 na n dc a r t i e rd e c i m a lt r a c k i n g ； c l o c k s a m p l i n gs y n c h r o n i z a t i o nt r a c k i n g t h e s ea l g o r i t h m s i n p o o r 北京邮电大学硕士论文 c m m b 系统接收机同步算法研究与系统设计 c o n d i t i o n sc a l la l s oo b t a i ng o o ds y s t e mp e r f o r m a n c e ，a n de s t i m a t ee x a c t n u m e r i c a ls y n cc o r r e c t i o nv a l u e sw h i c hc a i lm e e tt h er e q u i r e m e n t so f c m m b s y s t e m f i n a l l y , t h ec m m b r e c e i v e rs y n c h r o n i z a t i o ns y s t e mi sd e s i g n e dt o a c h i e v e s y n c h r o n i z a t i o n o ft h eo v e r a l l p r o g r a m a n dt h e a l g o r i t h m s ，i n c l u d i n gs y m b o lc o a r s es y n c h r o n i z a t i o na n ds y m b o lf i n e s y n c h r o n i z a t i o n ；c a r t i e ri n t e g e rf 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 n ，c a r t i e r d e c i m a lf 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 na n dc a r r i e rd e c i m a lt r a c k i n g ； c l o c ks a m p l i n gs y n c h r o n i z a t i o nt r a c k i n g ，a r et u r n e di n t o f i x e d p o i n t s ， a n da r ed e s i g n e di n t oac o r r e s p o n d i n gh a r d w a r ei m p l e m e n t a t i o ns t r u c t u r e t oa d a p tt oh a r d w a r ei m p l e m e n t a t i o n a l s o ，t h ec o m p e n s a t i o ns t r u c t u r eo f t h es y n c h r o n i z a t i o ns y s t e mi sd e s i g n e dt oc o m p l e t et h ea c t u a la l g o r i t h m a n ds t r u c t u r eo ft h ec o m p e n s a t i o np a r to ft h es y s t e m t h ep r o g r a mt a k e sf u l la c c o u n to ft h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ec m n i b s y s t e m ，e f f i c i e n t l yu s e st h es y n cs i g n a lw h i c hi si nf r o n to ft h eo f d m s i g n a l sa sw e l la st h ep i l o t sw h i c ha r em i x e di nt h eo f d ms i g n a l t h e d e s i g ng i v e s f u l lc o n s i d e r a t i o nt ot h e c o m p l e x i t y o fh a r d w a r e i m p l e m e n t a t i o n ，a n dr e a l i z e so f d ms y n c h r o n i z a t i o n u n d e rab a d e n v i r o n m e n t ，g r e a t l yr e d u c i n gt h ei c ia n di s i k e yw o r d s ： c m m b ，o f d m ，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 y n c h r o n i z a t i o ns y s t e m 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本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，除了文中特另j j j n 以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 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。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：茎：圭日期：进：! ：! = i 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。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磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名：奎；至日期： 坐望：! 主 导师签名： 第2 页 日期：j 窖u 一 北京邮电大学硕士论文c m m b 系统接收机同步算法研究与系统设计 1 1 引言 第一章绪论 随着社会经济文化的发展，人们对传媒和信息的获取方式己经趋于多样化。 现代人的生活节奏明显加快，需要随时随地都能获取信息。然而，传统的电视设 备仅仅限于固定及有线的接收方式，大大限制了人们获取实时节目的范围。在这 一环境之下，移动多媒体广播很快切入人们的视角，获取了巨大的发展空间。 移动多媒体广播技术是指面向移动设备，如手机、车载接收机、p d a 等高 速移动或者便携电子设备广播传送实时音视频内容、多媒体以及数据等增值业务 广播电视新技术。业界之所以对移动多媒体广播技术高度重视，是因为该项新技 术的应用已突破了原有的看电视必须在固定地点的局限，广播电视通讯界都认为 是各自的又一个业务增长点，是带动广电和通讯产业发展的一个新链条，是今后 几年广播电视技术发展的一个必然趋势。 目前，国际上比较成熟的移动多媒体广播相关技术标准包括：以数字广播为 基础的t - d m b ( t e r r e s t r i a l d i g i t a lm u l t i m e d i ab r o a d c a s t i n g ) 标准【l 】、欧洲的 d v b h ( d i g i t a l v i d e o b r o a d c a s t i n g - h a n d h e l d ) 标准【2 】以及美国高通的 m e d i a f l o ( f o r w a r dl i n ko n l y ) t 3 1 。t - d m b 是韩国推出的地面数字多媒体广播系 统。d v b h 是d v b 组织为通过地面数字广播网络向便携及手持终端提供多媒体 业务所制定的传输标准。m e d i a f l o 是美国高通公司于2 0 0 5 年推出的标准。 t - d m b 虽然是由韩国推出的地面数字多媒体广播系统，从严格意义上讲， 仍然是欧洲的国家标准。该标准建立在欧洲厂商开发的尤里卡1 4 7 数字音频广播 ( d a b ) 系统的基础上，在技术上作了一些修改，以便向手机、p d a 和其它便携设 备传播空中数字电视节目。t - d m b 的最大优势是可以在不影响t d s c d m a 系统 原有语音和数据业务的基础上，为多媒体广播提供一个较高速率的传输通道，节 约了大量成本。 d v b h 系统是欧洲数字电视广播标准d v b t 系统基础之上发展起来的手持 电视广播标准，基本兼容原有的标准。d v b h 网络结构可以支持单频网、实时 广播、流媒体等多种业务类型。信道调制部分采用了与d v b t 相同的信道编码 和调制方式。为了满足手持式装置接收的特性，d v b h 在耗电上的目标是将天 线、电视调谐器和o f d m 译码电路等的总耗电量控制在1 0 0 m w 以内；为提高 电池的使用时间，终端周期性地关掉一部分接收电路以节省功耗；为了满足便携 的需求，d v b 终端的天线更小巧，移动更为灵活；传输系统能保证在各种移动 速率下顺利接收d v b h 业务；系统具有很强的抗干扰能力，能提供足够的灵活 北京邮电 学碗论立c m m b 系统接收帆同步算# 研究系统醴* 性以满足不同传输带宽和信道带宽应用等。 m e d i af l o 方案是美国高通公司提出的采用单向广播网络和3 g 移动通信网 相结合的网络结构，采用o f d m 调制加t u r b o 码的信道传输方案，支持实时广 播、流媒体和非实时数据广播业务系统。高通的m e d i af l o 方案在复接方面定 义了复用协议；在功耗节省方面，考虑了时域和频域综合技术降低终端的功耗， 在用户认证方面采用了3 g 网络类似的认证系统。在信道估计的设计方面，该系 统主要利用时域导频进行估计，和普通的频域离散导频估计系统具有类似的性 能。m e d i a f l o 在系统和终端表现上都优于t _ d m b 和d v b h ，比如频道切换时 间和相同频带可容纳的频道数。但t - d m b 和d v b h 现在的商用成熟度领先于 m e d i a f l o 。 1 2c m m b 系统传输方案 12 1c m m b 体系构架 c m m b 系统标准 1 是由中国国家广播电影电视总局广播科学研究院提出， 于2 0 0 6 年1 1 月1 日正式实施的中国广播电影电视行业标准。c m m b 系统采 用s 波段大功率卫星信号覆盖全国，利用地面增补转发器同频同时同内容转发 卫星信号补点覆盖卫星信号盲区，利用无线移动通信网络构建回传通道，从而组 成单向广播和双向交互相结合的移动多媒体广播皤络，实现全国天地体覆盖， 全国漫游吼其体系架构如图1 1 所示 一只 _ j i i 。 “二一一 +t ! ! 哆一j 豳 9 毋 图1 i c m m b 体系构架【8 l 地面发射中心将信号发射到s 波段同步卫星后，同步卫星对接收到的信号 进行转发，转发后的s 波段信号直接被地面的接收终端接收f 束，也可以通过增 补转发器处理后被地面的接收终端接收下来。 c m m b 足钊对我田幅员辽阔、传输环境复杂、东部地区城市密集、西部地 北京邮电大学硕士论文c m m b 系统接收机同步算法研究与系统设计 区人口稀疏的特点，以及用户众多和业务需求多样化的情况，立足我国国情，通 过吸纳成熟的先进技术设计的“天地一体化的技术体系，拥有低成本、可快速 实现移动多媒体广播信号全国覆盖的优点。 广科院己于今年上半年成功实现c m m b 系统的路测，同时c m m b 系统 实验网已在6 个奥运城市和深圳、广州基本铺设成型，广电总局希望可以在 2 0 0 8 奥运会期间有3 7 个城市提供相关业务。 1 2 2c m m b 关键技术 c m m b 系统采用我国自主研发的核心传输技术s t i m i 技术。s t i m i 技术体 系利用大功率s 波段卫星信号覆盖全国，利用地面增补转发器同频同时同内容转 发卫星信号补点覆盖卫星信号盲区，利用无线移动通信网络构建回传通道，从而 组成单向广播和双向交互相结合的移动多媒体广播网络。s t i m i 技术体系采用了 最先进的信道纠错编l d p c 编码、基于时隙的帧结构和o f d m 调制技术、 逻辑信道技术、用于快速同步的信标技术等一系列先进的技术，支持8 m h z 和 2 m h z 带宽，数据率范围2 7 - 1 2 m b p s t r l 。 c m m b 系统发射机部分如图1 2 所示，主要由前向纠错码、交织、星座映 射、加连续导频和离散导频、o f d m 符号成帧、扰码、o f d m 调制、映射到射 频等部分组成。 0 f d m 基带 颏域0 f d m 到射 符号 扰码成帻 调制频的 形成变换 图1 0 2 c m m b 系统发射机框图 相对于其他多载波系统，c m m b 系统采用了高效的l d p c 码，能够获得 接近于香农理论极限的纠错能力；设计了新的离散导频和连续导频，如图1 3 所示，离散导频不承载任何信息，主要用来辅助接收机进行信道估计，进行相干 检测和解调，而部分连续导频上承载了系统传输指示信息；并且还设计了基于时 隙的帧结构，如图1 - 4 所示。 北京邮电大学硕士论文c m m b 系统接收机同步算法研究与系统设计 有效予载波 涟续导簸 - 鼻敷警赣 t 曩 图i - 3 c m m b 系统信号分布图 l 2 5 m 窖1 乞篱努 i 图1 - 4 c m m b 系统帧结构 物理层信号每一秒为一帧，划分为4 0 个时隙。每个时隙的长度为2 5 m s ， 包括1 个信标和5 3 个o f d m 符号。信标结构如图1 5 所示，发射机标识信 号( t x l d ) 用于标识不同发射机，同步信号用于实现系统快速同步捕获。o f d m 符号如图1 1 l 所示，采用固定长度的c p ，可以用于符号同步。在符号之间又 加入了保护间隔( g u a r di n t e r v a l ) ，相邻符号之间通过窗函数加权后，前一个符 号的尾部g i 和后一个符号的头部g i 相互叠加，这里的保护间隔主要起到使 符号间平滑，加快o f d m 信号功率谱带外部分下降速度的作用。 2 0 4 8 u s 图i - 5 c m m b 系统信标结构 北京邮电大学硕士论文c m m b 系统接收机同步算法研究与系统设计 复翻 7 一 一f 一 ) 臻g 榭错研职帮耽研” 嬲 匿 g io i 蕊翻 t g t u 复制 图1 - 6 c m m b 系统o f d m 符号结构 c m m b 标准与三种国际手机数字电视标准性能比较结果如表1 1 所示。 表1 - 1c m m b 与t - d m b 、d v b - h 、m e d i a f l o 标准性能比较【2 】 d m bd v b hm e d i a f l oc m m b 带宽 1 5 4 m h z6 8m h z6m h z8m h z ( 2 m h z ) 最大传输速率 1 1 5m b p s12 m b p s ( 8 m b p s )1 1m b p s1 2m b p s 频率分集 1 5m h z8m h z6m h z8m h z 时间分集 0 2 5 s 0 2 5 s o 7 5 s 0 5 s 频道切换 1 5 s5 s1 5 s1 s 系统理论性能( e b n o ) 2 o2 o1 0- 1 0 调制技术o f d mo f d mo f d mo f d m 信道编码 r s + c o n vr s + c o n yr s + 1 、u r b or s + l d p c 业务复接 t s 流t s 流自定义t s 流 逻辑信道无 时分时频分时频分 节电模式无时分时频分时频分 q o s 支持 无无 有有 1 2 3c m m b 提供服务以及特点 根据移动多媒体广播电视的特点和业务发展需要，c m m b 业务平台主要由 公共服务平台、基本业务平台、扩展业务平台等三个平台构成。 ( 1 ) 公共服务平台是向用户提供公益服务的移动多媒体广播电视业务平台， 主要由公益类广播电视节目和政务信息、紧急广播信息构成。c m m b 公共服务 平台播出的内容和开展的业务，为向合法用户提供的无偿服务。 ( 2 ) 基本业务平台是向用户提供基本数字音视频广播服务和数据服务的业 务平台，包括卫星平台和地方平台传送的数字音视频广播服务和数据服务。 c m m b 基本业务平台向合法用户提供的服务，为有偿服务。 北京邮电大学硕士论文c m m b 系统接收机同步算法研究与系统设计 ( 3 ) 扩展业务平台是根据用户不同消费需求向用户提供扩展广播电视节目 服务和综合信息服务的业务平台。提供的服务主要由四方面构成，一是经营类的 广播电视付费节目；二是经营类的音视频点播推送服务，利用系统闲置时间将用 户订制的广播电视节目推送到用户终端；三是综合数据信息服务，主要有股票信 息、交通导航、天气预报、医疗信息等；四是双向交互业务，主要有音视频点播、 移动娱乐、商务服务等。目前，c m m b 主要以音视频服务为主，扩展服务中综 合信息、双向交互等服务将随着业务的发展逐渐推广应用。c m m b 扩展业务平 台向合法用户提供的服务，为有偿服务。 c m m b 具有其他标准无法比拟的优点： ( 1 ) c m m b 借助卫星通信，能极好地解决移动终端( 手机电视) 信号流畅 的问题； ( 2 ) c m m b 由国家广电总局管理，其负责的电影，电视，广播载体，具有丰富 的电视内容资源，c m m b 也是2 0 0 8 年奥运会新媒体的直播载体。 ( 3 ) 收费低廉，c m m b 兼顾国家媒体信息发布功能 基于上述优点，c m m b 的主要特点是： ( 1 ) 可提供数字广播电视节目、综合信息和紧急广播服务，实现卫星传输 与地面网络相结合的无缝协同覆盖，支持公共服务。 ( 2 ) 支持手机、p d a 、m p 3 、m p 4 、数码相机、笔记本电脑以及在汽车、 火车、轮船、飞机上的小型接收终端，接收视频、音频、数据等多媒体业务。 ( 3 ) 采用具有自主知识产权的移动多媒体广播电视技术，系统可运营、可 维护、可管理，具备广播式、双向式服务功能，可根据运营要求逐步扩展。 ( 4 ) 支持中央和地方相结合的运营体系，具备加密授权控制管理体系，支 持统一标准和统一运营，支持用户全国漫游。 ( 5 ) 系统安全可靠，具有安全防范能力，具有良好的可扩展性，能够适应移 动多媒体广播电视技术和业务的发展要求。 截至2 0 0 8 年6 月，国家广电总局已颁布7 项移动多媒体广播电视行业标准， 分别为： ( 1 ) g y t2 2 0 1 2 0 0 6 移动多媒体广播第1 部分：广播信道帧结构、信道 编码和调制 ( 2 ) g y t2 2 0 2 2 0 0 6 移动多媒体广播第2 部分：复用 ( 3 ) g y t2 2 0 3 2 0 0 7 移动多媒体广播第3 部分：电子业务指南 ( 4 ) g y t2 2 0 4 2 0 0 7 移动多媒体广播第4 部分：紧急广播 ( 5 ) g y t2 2 0 5 2 0 0 8 移动多媒体广播第5 部分：数据广播 ( 6 ) g y t2 2 0 6 2 0 0 8 移动多媒体广播第6 部分：条件接收 北京邮电大学硕士论文c m m b 系统接收机同步算法研究与系统设计 ( 7 ) g y t2 2 0 7 2 0 0 8 移动多媒体广播第7 部分：接收解码终端技术要求 目前，c m m b 正在全国3 7 个城市试验播出，广电计划将于明年开始商业运 营。3 7 个城市为：北京、天津、上海、重庆、昆明、南宁、广州、福州、杭州、 贵阳、长沙、武汉、哈尔滨、长春、沈阳、石家庄、济南、南京、合肥、南昌、 郑州、太原、西安、兰州、银川、西宁、拉萨、乌鲁木齐、呼和浩特、成都、海 口、大连、青岛、厦门、深圳、宁波、秦皇岛。 1 3 论文的主要内容 本论文着重通过对c m m b 系统的o f d m 技术以及同步技术的分析，提出了一 种易于f p g a 实现的c m m b 同步解决方案。该方案不仅降低了硬件实现的复杂 度，而且在恶劣的环境下也能取得很好的系统性能。下面简单介绍一下本文的主 要内容： 第二章c m m b 系统使用的关键技术o f d m 技术，无线信道模型以及同 步技术的概述与影响。 第三章介提出c m m 系统符号同步，载波同步，时钟同步的相关算法，并 对其性能进行仿真。 第四章介绍了c m m b 系统同步方案的整体解决方案，算法定点化以及相关 补偿技术的设计。 第五章对未来系统的改进与发展做出展望。 下面，将分章节详细介绍这些内容。 北京邮电大学硕士论文c m m b 系统接收机同步算法研究与系统设计 第二章o f d m 技术与同步技术 2 1 正交复用频分( o f d m ) 技术 2 1 1o f d m 技术发展 o f d m 技术在2 0 世纪5 0 年代和6 0 年代早期已经应用于多种高频无线 链路中，如k i n p l e x 、a n d e f t 等。1 9 6 6 年1 2 月，r w c h a n g 在【1 3 】中首 次阐明了o f d m 技术。c h a n g 对其基本原理进行了描述，即通过在没有信道间 干扰( i n t e r - c h a n n e li n t e r f e r e n c e ，i c i ) 和码间干扰( 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 ) 的一个线性带宽受限的信道上同时传输多个信息，其不同于其他多载波调制技术 就在于这些载波是可以叠加的，但必须是相互正交，这样比普通多载波调制技术 的频谱利用率几乎一下子提高了一倍。但是由于当时需要在调制和解调时使用大 量的正弦波发生器，导致成本和复杂度过高，o f d m 技术没有受到足够的重视。 1 9 7 1 年，w e i n s t e n 和e b e r t 在 1 4 】中首次建议使用离散傅立叶变换 ( d i s c r e t ef o u r i e r t r a n s f o r m , o f t ) 和离散傅立叶逆变换( i n v e r s ed i s c r e t ef o u r i e r t r a n s f o r m ，i d f t ) 来实现基带的调制和解调，不仅可以避免使用大量的子载波振 荡器和相关解调器组，而且可以进一步通过使用快速傅立叶变换( f a s tf o u r i e r t r a n s f o m ，f f t ) 和快速傅立叶逆变换( i n v e r s ef a s t f o u r i e rt r a n s f o r m ，n ：v r ) 来 实现全数字快速低复杂度的调制和解调，大大推动了o f d m 技术的发展。在 c h a n g 发表 1 3 】后，s a l t z b e r g 在【1 4 】中对o f d m 进行了分析，得出了o f d m 主 要的限制就是信道间干扰。正由于此，p e l e d 和r u i z 在 4 】中引入了循环前缀 ( c y c l i cp r e f i x c p ) 的概念，只要设计循环前缀持续时间大于信道最大时延扩展， 就可以实现循环卷积，这样就可以消除i s i 和i c i 。1 9 9 0 年，b i n g h a m 在 1 6 】 中进一步完善了o f d m 的体系结构，为o f d m 的普及应用铺平了道路。 到现在为止，o f d m 技术已被诸多无线通信标准，如：d a b ( d i 西t a l a u d i o b r o a d c a s t i n g ) 标准、d v b 标准、m e d i a f l o 标准、i s d b t 标准、t - d m b 标准、 c m m b 标准、t o m m b 标准、c d m b 标准、无线局域网( i e e e8 0 2 1 1a g , e t s i b r a nh i p e r l a n 2 ) 标准、无线广域网( i e e e8 0 2 1 6a d e ) 标准以及第四 代无线通信标准所采纳。 2 1 2o f d m 技术的基本原理 正交频分复用( o f d m ) 的基本原理就是把高速的数据流通过串并变换，分成 若干个子比特流，使每个子数据流具有较低的传输比特率：并利用这些数据去调 制若干个载波，这样各子载波的数据传输速率相对较低，码元周期较长。所以它 能充分地利用频带宽度，有效地减少和克服符号间干扰( i s i ) 。并且它利用逆快速 北京邮电大学硕士论文 c m m b 系统接收机同步算法研究与系统设计 傅立叶变换( i f f t ) 和快速傅立叶变换( f 网来分别实现调制和解调，是实现复杂 度最低、应用最广的一种多载波传输方案 2 1 2 1o f d m 的基本模型 o f d m 符号是多个经过调制的子载波信号之和，其中每个子载波的调制方 式可以选择相移键控( p s k ) 或者正交幅度调制( 。如果用n 表示子信道的个 数，t 表示o f d m 符号的宽度，喀( i = o ，l ，n 1 ) 是分配给每个子信道的数据 符号，z 是第0 个子载波的载波频率，则从仁开始的o f d m 符号可以表示【9 】 为： 删地 篓吐删。一t 争唧陋z + 扣舻+ 丁加小 在很多文献中，经常采用如下所示的等效基带信号来描述o f d m 的输出信 号： j o ) = d i r e c t ( t - t , 一寺) c x p ( 2 万专。一) ) ，f + r 式( 2 - 2 ) 实部和虚部分别对应于o f d m 符号的同相和正交分量，在实际中可以分别 与相应子载波的c o s 分量和s i n 分量相乘，构成最终的子信道信号和合成的 o f d m 符号。图3 - 1 给出了o f d m 系统基本模型的框图 1! p 一。 r 映 融助 r 。口，l 矾 相 、gl 鲫 v 7 射矿粕i 矾 加 土、 v r 图2 i o f d m 的基芩模型框图 s ( n , o 调制时每个f 载、彼在一个o f d m 符号周别内郡包笛整效借个周别，向且各 个相邻子载波之间相差一个周期。接收端第j 路子载波信号的解调过程为：将接收 信号与第j 路的解调载波相乘，然后将得到的结果在o f d m 符号的持续时间t 内进行积分，即可获得相应的发送信号t 1 6 1 ， 弓= 当r e x p ( 勘弦t a ) 萎n - i a le 则2 每r t d ) d t = ! t 艺i = o4r 唧万字( 渺= 嘭 式( 2 - 3 ) 北京邮电大学硕士论文c m m b 系统接收机同步算法研究与系统设计 可知，对第j 个子载波进行解调可以恢复出期望信号伪。而对于其他载波来 说，由于在积分间隔内，频率差别( i - j ) t 可以产生整数倍个周期，所以其积分 结果为零。 图2 2 给出了o f d m 符号中各个子载波信号的频谱图。从图中可以看出， 在每一子载波频率的最大值处，所有其他子信道的频谱值恰好为零。也就是说， 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，各子载波信号之间的正交性避免了子信道间干扰( i c i ) 的出现 图2 - 2 0 f d m 符号各个子载波信号的频谱图 2 1 2 2 在o f d m 系统里应用快速傅里叶变换 o f d m 复等效基带信号可以采用离散傅立叶逆变换【5 1 7 1 【8 1 ( i d e t ) 方法实 现。令式3 2 中的乞= o ，并且忽略矩形函数，对信号s ( t ) 以t n 的速率进行抽样， 即令做t n ( k = 0 ，1 一，n 1 ) ，可以得到： & ：s ( k t n ) ：艺吐e x p ( j 警) ，( o k n _ 1 ) 式( 2 - 4 ) 1 = 0 v 可以看到，& 等效为4 的i d f t 运算。在接收端，为了恢复出原始的数据符 号西，可以对j 。进行d f t 变换，得到 喀：n - i s ke x p ( 一j 譬) ，( n - 1 ) 式( 2 5 ) k = o v 根据上述分析可以看到，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n 点i d f t 运算，把频域数据符号4 变换为时域数据符号s 。，经过载 波调制之后，发送到信道中其中每一个i d f t 输出的数据符号s 。都是由所有子载 波信号经过叠加而生成的。在接收端，将接收信号进行相干解调，然后将基带信 号进行n 点d f t 运算，即可获得发送的数据符号d ，。 在of dm 系统的实际应用中，可以采用更加方便快捷的快速傅立叶变换 ( f f t i f f t ) 来实现调制和解调。n 点i d f t 运算需要实施2 次的复数乘法，而 i f f t 可以显著地降低运算的复杂度。对于常用的基2i f f t 算法来说，其复数乘 北京邮电大学硕士论文 c m m b 系统接收机同步算法研究与系统设计 法的次数仅为( n 2 ) l 0 9 2 ( n ) ，而采用基4i f f l r 算法来实施傅立叶变换，其复数乘 法的数量仅为( 3 8 ) n ( 1 0 9 2 n 2 ) 。 用f f t 实现o f d m 的调制解调，能有效地提高数据的传输速度。同时也非 常经济、方便、实用。 2 1 2 3 保护间隔和循环前缀 o f d m 技术的一个重要优点是可以有效的对抗多径时延扩展。通过把输入 的数据流串并变换到n 个并行的子信道中，使得每个用于去调制子载波的数据 符号周期可以扩大为原始数据符号周期的n 倍，因此时延扩展与符号周期的比 值也同样降低n 倍。为了最大限度地消除符号间干扰，在每个o f d m 符号之间 要插入保护间隔( g u a r di n t e r v a l ) ，该保护间隔长度t 9 一般要大于无线信道的最大 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，可以不插入任何信号，即保护间隔是一段空闲的传输时段。然而在这种 情况中，由于多径传播的影响，会产生信道间干扰( i c i ) ，即子载波之间的正交性 遭到破坏，使不同的子载波之间产生干扰 由于在f f r 运算时间长度内，第一子载波与带有时延的第二子载波之间的 周期个数之差不再是整数，所以当接收机试图对第一个子载波进行解调时，第二 个子载波会对此造成干扰。同样，当接收机对第二子载波进行解调时，也会存在 来自第一个子载波的干扰。 为了消除由于多径传播造成的i c i ，我们将原来宽度为t 的o f d m 符号进行 周期扩展，用扩展信号来填充保护间隔，我们将保护间隔内的信号称为循环前缀。 循环前缀中的信号与o f d m 符号尾部宽度为z 的部分相同。在实际系统中 o f d m 符号在送入信道之前，首先要加入循环前缀，然后送入信道进行传送。 在接收端，首先将接受符号开始宽度为z 的部分丢弃，将剩余宽度为t 的部分 进行傅里叶变换，然后进行解调。通过在o f d m 符号加入循环前缀可以保证在 f f t 周期内，o f d m 符号的延时副本内包含的波形的周期个数是整数。这样， 延时小于保护间隔疋的延时信号就不会在解调的过程中产生i c i 。 当子载波个数比较大时，o f d m 的符号周期t 相对于信道的脉冲相应长度 k 。很大，则符号间干扰( i s i ) 的影响很小；而如果相邻o f d m 符号之间的保 护间隔l ，满足i e m a x ，的要求，则可以完全克服i s i 的影响。同时为了保持 子载波之间的正交性，该保护间隔必须是循环前缀，即将每个o f d m 符号的后瓦 时间中的样点复制到o f d m 符号的前面，形成前缀，此时o f d m 的符号周期为： i = i + 丁。 2 1 2 40 f d m 参数选择 在o f d m 系统中，我们需要确定以下参数符号周期，保护间隔，子载波的 北京邮电大学硕士论文c m m b 系统接收机同步算法研究与系统设计 数量。这些参数的选择取决于给定信道的带宽，时延扩展以及所要求的信息传输 速率。o f d m 系统的各参数一般按照一下步骤来确定： ( 1 ) 确定保护间隔：根据经验，我们一般选择保护间隔的时间长度为时延 扩展方根值的2 到4 倍。 ( 2