（通信与信息系统专业论文）ofdm系统自适应信道及比特分配与信道估计问题的研究.pdf

中文摘要+ 虽然逐渐进入试商用的第三代移动通信系统( 3 g ) 能够提供无线i n t e m e t 业 务和多媒体业务，但其仍然存在一些缺点和局限性。因此，提出一个针对多媒体 业务的移动通信系统、研究其相关新理论和新技术，已经被提上了议事日程。于 是人们开始研究和展望后三代或者第四代移动通信( 4 g ) ，将精力集中到如何提 高系统资源利用率、增强系统性能以及实现全球统一标准的目标上。 作为未来移动通信技术的热点，正交频分复用o f d m 技术开始得到人们的 广泛关注和深入研究。自适应技术与o f d m 的结合，即：o f d m 系统的自适应 调制技术，是目前一个重要的研究领域，本文正是针对o f d m 这新兴系统中 很有应用前景的自适应o f d m 技术进行了学习和研究。 本文首先介绍了o f d m 技术、自适应o f d m 的领域背景和基本原理，对现 有的自适应o f d m 算法进行了分析。然后，针对多用户o f d m 系统，将其信道 分配问题和比特( 功率) 分配问题相结合，提出了更优的o f d m 多用户组合调 制自适应分配算法( m c a b a ) 。算法在系统总的传输速率一定和满足传输质量 的基础上，针对各个子载波对于不同用户的实时信道状况，动态地为各个用户进 行子载波分配和比特( 功率) 分配，提出了采用组合调制方式的自适应方案，使 系统所需要的发射功率尽可能降低到最小。通过对本文算法进行了理论分析和系 统仿真，得到的结果证明：与现有的o f d m 自适应算法相比，本文m c a b a 算 法可以在保证一定服务质量的前提下，获得更优的功率、信噪比性能和频率效能。 另外，本文还讨论了o f d m 系统中的信道估计问题，提出了两种高效信道估计 模型，并通过将其应用于所搭建的白适应o f d m 系统中，分析了模型的性能以 及其估计误差对于系统性能的影响。最后，本文还讨论了过采样数字技术在 o f d m 系统中的应用。 关键词：正交频分复用o f d m自适应算法 比特分配 信道估计 + 本课题为国家白然利学基金资助项目( 基金弓：6 0 3 7 2 0 8 4 ) 信道分配 过采样 a b s t r a c t + a l t h o u g ht h eg r a d u a l l y c o m m e r c i a l i z e d3 r dg e n e r a t i o no f m o b i l ec o m m u n i c a t i o n c a r lp r o v i d ei n t e r n e ta n dm u l t i m e d i as e r v i c e ，i ti se q u i p p e dw i t hs o m el i m i t a t i o n sa n d d i s a d v a n t a g e s a s a r e s u l t ，a l la p p r o p r i a t em u l t i m e d i a - o r i e n t e ds y s t e ma n di t s r e l e v a n tr e s e a r c hi nt h e o r ya n dt e c h n i q u eh a v eb e e np u tf o r w a r dt ot h eo r d e ro ft h e d a y t h e r e f o r e ，m o r ea n dm o r ep e o p l eb e g i nt of o c u so nt h en e x t3 go r4 gm o b i l e c o l n m u n i c a t i o n t h ee f f i c i e n c yo fw i r e l e s sf r e q u e n c yr e s o u r c e ，t h ei m p r o v e m e n to f p e r f o r m a n c ea n dau n i q u es t a n d a r da l la r o u n dt h ew o r l do fo n es y s t e m a st h eh o t s p o to ff u t u r em o b i l et e c h n o l o g i e s ，o f d mh a sb e e nw i d e l ya n dd e e p r e s e a r c h e d ，i nw h i c ht h ea d a p t i v eo f d mi sav e r yi m p o r 【a n tr e s e a r c h i n gf i e l da t p r e s e n ta i m i n ga t t h i sv e r yf i e l d ，t h e p a p e rf i r s t i n t r o d u c e st h ep r i n c i p l e sa n d b a c k g r o u n do fa d a p t i v eo f d m c o m b i n i n gt h ew i r e l e s sc h a n n e la n db i ta l l o c a t i o n s ， t h ep a p e rp r o p o s e san o v e lm u l t i - - u s e rc o m b i n e d m o d u l a t i o na l g o r i t h mo fa d a p t i v e o f d m ，w h i c hc a nr e m a r k a b l yr e d u c et h et o t a lp o w e rn e e d e db yt h es y s t e ma n d i m p r o v et h ee f f i c i e n c yo ff r e q u e n c yr e s o u r c ew i t ht h ea s s u r a n c eo ft r a n s m i s s i o nq o s s i m u l a t e di nt h ea d a p t i v eo f d ms y s t e mw i t hm a t l a b ，t h ep e r f o r m a n c eo ft h i s a l g o r i t h mi sc o m p a r e dw i t hp r e s e n ta n dt r a d i t i o n a la l g o r i t h m s ，a n dt h er e s u l t sv e r i f f t h ed i s t i n c ti m p r o v e m e n t so f p e r f o r m a n c e sb o t hi np o w e ra n ds n ra sw e l l b e s i d e s c o n c e r n i n ga b o u tt h ev i t a lp a r to fo f d m ，i e c h m m e je s t i m a t i o n ，t h e p a p e rp r e s e n t st w oe f f i c i e n td o m a i nm o d e l so fc h a n n e le s t i m a t i o n a n db o t ho ft h e m o d e l sa r ea n a l y z e da n ds i m u l a t e di nt h ep r e m e n t i o n e da d a p t i v eo f d ms y s t e m ，a n d t h er e s u l ts h o w st h a tt h em o d e l sc a r li m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo ft h es y s t e mi nq u i t ea d i s t i n c td e g r e e a tl a s t ，t h ep a p e rd i s c u s s e st h ea p p l i c a t i o no fd i g i t a l t e c h n o l o g y ， o v e r - s a m p l i n gi no f d ms y s t e ma n da n a l y s e st h ec o n t r i b u t i o nm a de f f e c to fi tt ot h e w h o l es y s t e m k e yw o r d s ：o f d m a d a p t i v ea l g o r i t h m c h a n n e la l l o c a t i o n b i ta l l o c a t i o nc h a r m e le s t i m a t i o n o v e r - s a n a p l i n g + t h ew o r ki ss u p p o s e db yt h en a t i o ns c i e n c ef o u n d a t i o no f c h i n au n d e rc o n t r a c tn o 6 0 3 7 2 0 8 4 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，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，也不包含为获得墨盗盘堂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 签字r = | 期：2 0 0 5 年月1 8 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫洼盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特援权叁鲞盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部1 3 或机构送交i 仑文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 贸蕃 导师签名 、血，絮叫中 签字日期：2 优挎年月，8 日 签字日期： 口广年月彦f | 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 在现今日益进步的信息时代，信息的传输即通信在各种信息技术中起着至关 重要的支撑作用。随着人类对于未来通信的需求向宽带化、个人化、智能化、移 动化的方向发展，移动通信将在未来通信系统中扮演举足轻重的角色，成为现代 通信系统中不可缺少的组成部分。因此，世界各国都在致力于现代移动通信技术 的研究与丌发。 移动通信，顾名思义，是指通信双方至少有一方在运动状态中进行信息传输， 如：移动台( 运动状态下的车辆、船舶、行人等) 与固定点之间，或者移动台之 间的通信都属于此范畴。现代移动通信是一门复杂的高新技术，集中了无线通 信与有线通信的最新技术成就以及网络技术、计算机技术等多领域的科技成果。 移动通信的发展正朝着“个人通信”这一更高阶段发展，这也是未来移动通信的 目标“5 w ”，即：任何人( w h o e v e r ) 可以在任何时间( w h e n e v e r ) 任何地 点( w h e r e v e r ) 与任何人( w h o m e v e r ) 进行任何方式( w h a t e v e r ) 的通信f 2 】。 1 1 研究背景 移动通信从上世纪8 0 年代中期第一代模拟移动通信系统开始商用至今，经 历了第二代数字移动通信系统( 2 g ) 从萌芽到完善的整个发展过程，到如今第 三代移动通信系统( 3 0 ) 的试商用，足以证明移动通信的发展速度势不可挡。 移动通信发展到当今，已经基本形成了第三代( 简称3 g ) 标准的格局，即： w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 和t d s c d m a 三种制式。3 g 系统是一个综合系统，它 包括海陆空全球三维服务、综合业务数据网i s d n ( i n t e g r a t e ds e r v i c ed i g i t a l n e t w o r k ) 和多媒体等多种业务、地面通信系统和卫星通信系统、几十米的微小 区和几百公里的卫星小区、多种空中接口和接入方式和向高低速移动用户提供 服务等等内容。这是一个高度智能、全球覆盖、具有个人服务特色的移动通信网， 而“具有个人服务特色”是第三代移动通信系统的本质特征。 国际电信联合会标准化建议协会 t u ，r 对未来移动通信业务量、i m t - 2 0 0 0 所需频谱和2 0 1 0 年后业务量增长趋势做了预测：2 0 1 0 年，上行业务将比2 0 0 0 年增加2 9 倍、下行业务增加7 7 倍，其中话音业务量仅为2 0 0 0 年总业务量的2 倍，其余8 6 倍都是急剧增长的多媒体业务。由此可见，用户对高速移动数据业 务及多媒体业务的需求越来越迫切，音频、视频、图像以及i n t e r n e t 业务等必将 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 成为未来移动通信的主导业务，而这些业务的顺利开展则对无线链路的传输能力 和网络组成形式提出了更新的需求1 3 | d 虽然逐渐进入试商用的第三代移动通信系统能够提供无线i n t e r n e t 业务和多 媒体业务，但其仍然存在一些局限和缺点，如3 g 网络还不能提供个完全开放 的业务平台，使得运营商无法在其上面自由地开发新业务。同时，目前3 g 系统 的高数据速率方案并不成熟，其访问速率有限，最大的传输速率是2m b i t s ，仅 限于室内环境或移动速率不高的环境；在车载运动环境下，其传输速率最高只能 达到1 4 4k b i t s ，难以应对多媒体业务增长的需要。而且当多种业务同时存在时， 语音业务会受到高速传输的数据业务的影响，其结果会使系统容量降低。因此， 提出一个针对多媒体业务的移动通信系统，研究其相关新理论和新技术，已经被 提上了议事f | 程。于是人们丌始研究和展望后三代或者第四代( 4 g ) 移动通信， 以更有效地提供多种业务。与3 g 相比，4 g 将在技术和应用上有质的飞跃，目 前兼容移动通信技术的第四代移动通信标准诈在业界萌动【4 】。 第四代无线移动通信系统( 4 g ) 与3 g 系统相比，有许多优点： 信息传输速率比3 g 高一个数量级： 主要发展以数字宽带( b r o a d b a n d ) 为基础的概念： 灵活性大大增强，能自适应地进行资源分配，能够处理变化的业务流： 在不同的信道条件下，有很强的自组织性和灵活性； 4 g 移动通信技术将让所有移动通信运营商的用户享受共同的4 g 服务： 其技术应该能根据网络的状态和特定的信道条件，使低速码率与高速码率的 用户能够同时共存； 能够综合固定、移动、广播网络和其它网络一些的规则，实现对这些功能体 分布的控制； 其技术将以几项突破性技术为基础，如：一些光纤产品公司用以提高i n t e m e t 主干带宽的技术，其无线频率资源的使用效率比2 g 和3 g 高得多。 1 2 正交频分复用o f d m 技术 移动通信的传播条件非常恶劣，在短波电离层反射信道、对流层散射信道、 移动信道、广播信道等实际信道中，由于云层、山脉、城市中林立的高层建筑的 影响，这些信道中传输的信号会产生多径衰落现象( m u l t i p a t hf a d i n g ) ，从而引 起严重的符号间干扰i s i ( i n t e r s y m b o li n t e r f e r e n c e ) ，限制了信息传输速率的进 一步提高。解决此问题的传统方法是使用自适应均衡技术等技术来对抗多径干 扰，但均衡技术较为复杂，白适应均衡器的制作、调试往往成为通信系统研制的 天津大学硕士学位论文 第章绪论 成为未来移动通信的主导业务而这些业务的顺莉开展则对无线链路的传输能力 和网络组成形式提出了更新的需求 3 1 。 。 虽然逐渐进入试商用的第三代移动通信系统能够提供无线i n t e r n e t 业务和多 媒体业务，但其仍然存在一些局限和缺点，如3 g 网络还不能提供个完全开放 的业务平台，使得运营商无法在其上面自由地开发新业务。同时，目前3 g 系统 的高数据速率方案并不成熟，其访问速率有限，最大的传输速率是2m b i v s ，仅 限于室内环境或移动速率小高的环境；在车载运动环境下，其传输速率最高只能 达到1 4 4k b i t s ，难以应对多媒体业务增长的需要。而且当多种业务同时存在时， 语音业务会受到高速传输的数据业务的影响，其结果会使系统容量降低，因此， 提出一个针对多媒体业务的移动通信系统，研究其相关新理论和新技术，已经被 提上了议事f 程。于是人们玎始研究和展望后三代或者第四 ( 4 g ) 移动通信， 以更有效地提供多种业务。与3 g 削比，4 g 将在技术和应用上有质的飞跃，目 口兼容移动通信技术的第四代移动通信标准正在业界萌动。 第四代无线移动通信系统( 4 g ) 与3 g 系统相比，有许多优点： 信息传输速率比3 g 高一个数量级： 主要发展以数字宽带( b r o a d b a n d ) 为基础的概念； 灵活性大大增强，能自适应地进行资源分配，能够处理变化的业务流； 在不同的信道条件下，有很强的自组织性和灵活性； 4 g 移动通信技术将计所有移动通信运营商的用户享受共同的4 g 服务； 其技术应浚能根据网络的状态和特定的信道条件，使低速码率与高速码率的 用户能够同剥共存： 能够综合固定、移动、广播网络和其它网络一些的规则，实现对这些功能体 分括的控制； o - 其技术将以几项突破性技术为基础如：些光纤产品公司用以提高i n t e r n e t 主干带宽的技术，其无线频率资源的使用效率比2 g 和3 g 高得多。 1 2 正交频分复用o f d m 技术 移动通信的传播条件非常恶劣，在短波电离层反射信道、对流层散射信道、 移动信道、广播信道等实际信道中，由于云层、山脉、城市中林立的高层建筑的 影响，这些信道中传输的信号会产生多径衰落现象( m u l t i p m hf a d i n g ) ，从而引 起严重的符号间干扰 s i ( i n t e r s y m b o li n t e r f e r e n c e ) ，限制了信息传输速率自皇进 一步提高。解决此问题的传统方法是使用白适应均衡技术等技术米对抗多径干 扰，但均衡技术较为复杂，白适应均衡器的制作、调试律往成为通信系统研制的 扰，但均衡技术较为复杂，自适应均衡器的制作、调试往往成为通信系统研制的 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 瓶颈，而且随着传输带宽的不断增加，均衡器的复杂性也越来越高，其成本不断 增加且实现的难度越来越大。因此，频分复用o f d m 技术作为一种抗多径衰落 的技术开始越来越广泛的受到通信业内人事的重视和青睐f 5 】【“。 o f d m 通过将高速数据流分成若干路低速的数据流，并以此对相互正交的 载频( 子载波) 进行调制，从而使每路载频上传输数据信号的脉冲大大展宽，故 每子载波上传输的信号带宽大大减小，这样就在很大程度上避免了频率选择性 衰落( f r e q u e n c y s e l e c t i v ef a d i n g ) 对传输信号的影响。另外，o f d m 在符号之间 插入保护间隔( g u a r di n t e r v a l ) ，从而很大程度上增强了抗多径衰落的能力。 正是凭借其优良的性能，o f d m 技术的应用在通信领域日益广泛，除了被 欧洲数字电视标准d v b t 和数字音频广播d a b 标准所采纳以外，目前已经成 为w l a n ( e t s ih i p e r l a n 2 和i e e e8 0 2 1 l a ) 和宽带无线接入( i e e e8 0 2 1 6 ) 的核心技术。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的技术逐步引入到移动通信领域中来，人们 开始将越来越多的精力集中于开发o f d m 技术在移动通信领域中的应用。o f d m 以其较高的频谱利用率，较好的抗多径衰落的能力，以及自适应的调制技术等优 点受到了极大的关注，被认为是4 g 最有可能采用的关键技术【7j 。 此外，o f d m 还易于结合空时编码、分集、干扰抑制以及智能天线等技术， 以最大限度的提高物理层信息传输的可靠性；其与自适应调制、编码及动态子载 波分配、比特分配算法等技术的结合，将使系统的性能得到显著的改善和优化。 1 3 问题的提出 随着下一代移动通信技术的提出，人们将精力集中到如何提高系统资源利用 率和系统性能上。作为未来移动通信的关键技术，o f d m 技术成为业界研究的 热点。自适应技术与o f d m 的结合，即：o f d m 系统的自适应调制技术，是目 前个重要的研究领域。 无线通信链路的条件时刻随用户的不同而改变，而且邻道干扰和用户问干扰 已经成为阻碍系统资源利用率提高的主要障碍，所以一个好的无线系统就要具有 对其系统内每一个用户动态的进行调谐和调整的能力，而且也要能够在每条链路 上对不可预测的条件进行调整。调整的机理有很多，包括多径衰落调整、纠错和 重发等，白适应调制也是常用的一种。但在传统的多用户自适应调制中，处于深 衰落的子载波性能较差，系统会自动将其舍弃，从而导致了无线资源的浪费。 本课题主要针对多载波调制技术的典型代表o f d m 技术，将自适应技 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 术应用于o f d m 系统，将无线信道的信道分配和比特分配问题相结合，提出了 更优的o f d m 多用户组合调制自适应分配算法( m c a b a ) 。算法在系统总的传 输速率一定和满足传输质量的基础上，针对各个子载波对于不同用户的实时信道 状况，动态地为各个用户进行子载波分配和比特( 功率) 分配，提出了采用组合 调制方式的白适应方案，使系统所需要的发射功率尽可能达到最低。 在o f d m 系统中，对于无线信道的准确估计很大程度上决定了系统的传输 性能，本文针对o f d m 系统提出了两种采用辅助导频信号的改进的时频域变换 信道估计模型，两种模型基于时频域二维导频插入原理，分别采用了时频域变换 以及频域变换的方法，并通过在相同信道冲击响应条件下将两种模型应用于 o f d m 系统中，分析和比较了两种估计模型的性能、应用环境和优缺点。 另外，本文讨论了过采样数字技术在o f d m 系统中的应用。为了克服d f t 中由于按照传统采样定理采样而带来的伪信号现象，过采样技术被应用到o f d m 系统中以改善d f t 性能。同时，过采样技术的应用可以避免由于信道的频率选 择性衰落而导致的重构失真，使频域信号能够更好的反映信号变化的细节，而且 对控制o f d m 系统峰均功率比p a r 性能起到了改善的作用，从而达到改善o f d m 系统p a r 性能的效果。 1 4 硕士期间主要工作和创新点 1 4 1 主要工作 本论文完成的主要工作包括以下内容：在m a t l a b 仿真平台上，搭建了完 整的o f d m 系统；实现了信源的多种调制方式，提出了组合调制的自适应调制 方案；将提出的多用户组合调制自适应算法应用于搭建的o f d m 系统，并对其 性能进行了分析；提出了两种信道估计模型，通过仿真分析和比较了两种模型的 性能和应用环境；将信道估计模型应用于搭建的自适应o f d m 系统，对误差影 响进行了讨论；对过采样数字技术在o f d m 系统中的应用进行了理论分析；通 过仿真说明了过采样技术对于o f d m 系统的影响。 1 4 2 本文创新点 本文的创新点主要有以下几点： 1 对于传统针对单一用户或单一业务的比特分配方法进行了改进，提出了比 特分配和信道分配相结合的更优的o f d m 多用户自适应分配算法； 2避免了现有多用户自适应分配算法中调制方式单一、不能充分实现调制方 d 天津大学硕士学位论文第一章绪论 式优势的缺陷，提出了将不同调制方式优点相结合的组合调制自适应分配 算法； 3 将所提出的自适应算法应用于o f d m 系统进行了算法的性能分析，并与现 有自适应算法进行了性能比较； 4 针对信道模型不同的应用环境，采用所提出改进的o f d m 时频域变换估计 模型讨论了所研究估计方法的性能和适用条件； 5 对过采样技术对于o f d m 系统的贡献和影响作出了理论分析和仿真说明。 1 4 3 论文总体结构 本论文的总体结构如下： 第一章绪论主要阐述研究领域的背景、所探讨问题的提出及论文的主要工 作和创新点； 第二章o f d m 技术概述介绍本课题的基础技术o f d m 技术的概念及 o f d m 系统综述： 第三章o f d m 系统自适应信道分配及比特分配问题综述简要说明自适应 o f d m 系统中的比特分配问题和自适应o f d m 技术目前的研究动态， 对现有的自适应分配算法进行了总结和分析； 第四章o f d m 系统在频率选择性衰落信道中的多用户组合调制自适应分配算 法提出了一种次最优的自适应o f d m 信道及比特分配算法，采用 了组合调制的自适应调制方案，并对提出的算法进行了理沦分析和系统 仿真，讨论了算法的性能改善程度； 第五章两种针对o f d m 系统的时频域高效信道估计模型针别o f d m 系统 中重要的信道估计环节，讨论了所提出的两种改进的时频域信道估计模 型，比较了其性能和应用环境； 第六章o f d m 系统中过采样技术的应用过采样技术被应用到o f d m 系统 中以解决d f t 技术易园传统采样方式而引起有用信息丢失的问题，通 过对过采样技术的理论分析及仿真，阐明了应用过采样技术对于o f d m 系统性能的改善： 第七章结束语。 由于本人水平有限，文中不免出现一些错误和不足之处，敬请各位老师批评指正。 天津人学硕士学位论文第二章o f d m 技术概述 第二章o f d m 技术概述 o f d m 是一种多载波数字调制技术，也可以当作一种复用技术。它将宽带 信道划分为许多相互正交的子载波，并将高速数据流分散到多个f 交的子载波上 进行传输，从而使每子载波上的符号速率大幅度降低、符号持续时间大大加长， 因而对时延扩展和频率选择性衰落都有较强的抵抗力，并且通过加入保护时隙有 效地降低了由传输延时带来的符号间干扰i s i l 5j 。本章详细阐述了o f d m 的基本 原理、o f d m 系统模型、快速傅里叶变换、保护间隔和循环前缀、降低系统的 带外辐射以及o f d m 技术的优缺点等等，并介绍了o f d m 技术的发展和应用。 2 1o f d m 系统基本原理 2 1 1o f d m 基本模型 图2 - 1o f d m 系统基本结构框图 o f d m 系统的完整组成框图见图2 i 。一个o f d m 符号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相移键控p s k 或者正交幅度调制 q a m 符号的调制 6 l 。 令表示子载波个数，7 _ 表示o f d m 符号宽度，4 ( i = o ，1 ，m 1 ) 是分配给 每个子载波的数据符号长度，尼是第0 个子载波的载波频率，r e c t ( t ) = 1 ，i f i 主t 2 ， 则从卜“开始的o f d m 符号可以表示为式( 2 - i ) ： 天津大学硕士学位论文 第二章o f d m 技术概述 。，：r e 篓一r e c t ( r 一。一吾 e x ，z 石( 正+ 手) 。一。， ，t sr 。+ 丁 c z 一， 0t t + ，。 兰埝一 _ _ _ 一 r 刊一巫剑3 e 1 6 0 7 8 一心l _ 蜘 岭州积分p s p +坐惦煎h p s ： g ，一j 7 8 一，“r 纽办一峪一t 碎 图2 - 2o f d m 系统功能实现框图 多数文献中常采用复等效基带信号来描述o f d m 的输出信号，如式( 2 2 ) 。 其实部和虚部分别对应o f d m 符号的同相和正交分量，在实际中可分别与相应 子载波的c o s 分量和s i n 分量相乘，构成最终的子载波信号和合成的o f d m 符号a 图2 - 2 给出了o f d m 系统功能实现框图，其中，= 2 移，且石2 工+ i 7 1 。 t 一三，e x 一 ，z 万c ，一，。， ，、r 茎r 。十r c z 一：， f t + f 。 图2 - 3 为一个o f d m 符号内包括4 个子载波的实例，其中所有的子载波都 具有相同的幅值和相位( 在实际应用中，根据数据符号的调制方式，每个子载波 的幅值和相位都可能是不同的) ，每子载波在一个符号周期内都包含整数个周期， 且各相邻子载波之间相差1 个周期。 图2 - 3o f d m 符号内包括4 个子载波的实例 p rc已，d m吼 ，、l = ) s 天津大学硕士学位论文第啊二章o f d m 技术概述 这一特性刘于载波之可的“正爻性”，写为式( 2 3 ) ： 事f e x p c ，。r ，e x c 一一，埘。，a r = ：i ： c ：s ， 例如对式( 2 2 ) 中的第个子载波进行解调，然后在时间t 内进行积分，得： ( i 一2 事f + 7e x p 一，2 万( ，一r s ， 荛；d ，e x 一 ，2 尼手c r r s ， d f 。：一。， = 手静卜x - 卜丌孚” d ，= 吒 根据式( 2 。4 ) 可以看出，对第个子载波进行解调可以恢复出期望的符号西， 而对于其它载波来浼，由于在积分间隔内频率差别( f j ) t 可产生整数倍个周 图2 。4o f d m 系统子载波符号的频谱( 经过矩形脉冲成型) 这种正交性还可以从频域角度来理解。根据式( 2 - 1 ) ，每个o f d m 符号在 其周期r 内包括多个非零的子载波。因此其频谱可看作周期为，的矩形脉冲的频 谱与一组位于各子载波频率上的d 函数的卷积。矩形脉冲的频谱为s i n c ( f n 函数， 这种函数的零点出现在频率为i t 整数倍的位置上。此现象可参见图2 - 4 ，其中 给出了在相互覆盖的各个子载波内，经过矩形波形成型后得到符号的s i n c 函数频 谱，易看出：在每一子载波频谱信号的最大值处，所有其它子载波的频谱值恰好 为零。由于在对o f d m 符号进行解调的过程中，需要计算这些点上所对应的每 一子载波频率的最大值，因此，就可以从多个相互重叠的予载波符号频谱中分别 提取出每个子载波符号，而不会受到其它子载波的干扰。 o f d m 一帧符号的实际频谱图样如图2 5 所示，各子载波合成后的总频谱形 状非常近似矩形频谱，其频谱宽度接近于传输信号的奈奎斯特带宽，所以o f d m 系统的频谱利用率较高。由于省掉了带通滤波器，从而简化了系统；而且由于每 个子载波上所传信息互不相关，故其叠加后在时域内合成的信号近似于白噪声。 早在5 0 年代，哈尔凯维奇就从理论上证明了信道传输的最佳信号形式应具有类 似白噪声的统计特性，这也从另一方面验证了o f d m 系统对抗多径衰落的能力。 天津大学硕士学位论文 第二章o f d m 技术概述 2 d 一4 0 要 趔 粤_ 6 。 舢删 椰m删川。蚺帆帆肿悱帆m 圳一晰脚肌 4 3 2 1 d 第1 8 帧 频率( 眦z 图2 - 5 0 f d m 频谱实例( 矩形) 2 1 2o f d m 的d f t ( f f t ) 实现 对于子载波数较大的系统，式( 2 - 2 ) 中o f d m 复等效基带信号可采用离 散傅罩叶逆变换i d f t 实现。令式( 2 - 2 ) 中的t s = o ，且忽略矩形函数，对信号 s ( 0 以t n 的速率进行抽样，即令户k t n ，( k = o ，1 ，_ 1 ) ，则可以得到： ：s ( t 7 1 i n ) ：兰如x p ( 等) ( o s 茎_ 1 ) ( 2 - 5 ) 可见s 女的计算等效为对4 进行i d f t 运算。同样，在接收端为了恢复出原始 的数据符号讲，可以对s 进行逆变换( 即进行d f t ) ，得到式( 2 - 6 ) ： d ，= 艺驴x p ( - j 兰警) ( o i n - 1 ) ( 2 _ 6 ) = 0 o d f t i d f t 的计算复杂度随运算点数的增加呈现二次方增长，而快速傅罩 叶变换f f t i f f t 计算复杂度的增加速度只是稍稍快于线性变化。点i d f t 运 算需要实施j v 。次复数乘法，而对于常用的基2i f f t 算法，其复数乘法的次数仅 为( 2 ) l 0 9 2 n 。而且随着子载波个数n 的增加，上述两种算法复杂度之恻的差距 也越来越明显，以1 6 点变换为例：i d f t 和i f f t 中所需要的乘法数量分别是2 5 6 次和3 2 次。因此，在o f d m 系统的实际应用中常采用f f t i f f t 。 2 1 3 保护间隔和循环前缀 应用o f d m 一个最主要的原因是它可以有效的抵抗多径时延扩展。通过把 输入的数据流串并变换到个并行的子载波中，使得每个用于调制的子载波的 数据符号周期扩大为原始数据符号周期的倍，因此时延扩展与符号周期的比 值也同样降低倍。为了最大限度地消除符号间干扰i s i ，还可以在每个o f d m 符号之间插入保护间隔( g i g u a r di n t e r v a l ) ，且一般大于无线信道的最大 天津大学硕士学位论文第二章o f d m 技术概述 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g i 内可以不插入任何信号( 即保留一段空闲的传输时段) ，但在此情况下 多径传播将导致载波间干扰i c i ，使子载波之问的正交性遭到破坏，此效应可见 图2 - 6 。每个o f d m 符号中都包含所有非零子载波信号，但同时亦会出现o f d m 符号的时延信号，因此，图2 - 6 中给出了第一子载波和第二子载波的延时信号。 由图可见：在f f t 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为整数，故当接收机对第一子载波进行解调时会出现第二子 载波的干扰；同样，当对第二子载波进行解调时也会存在来自第一子载波的干扰。 v 一 保护同矾f f t = l 子载波问隔 图2 - 6 由于多径的影响，空闲g i 对子载波之间造成干扰 为消除多径传播造成的i c i ，需要在o f d m 符号g i 内插入循环前缀c p ( 如 图2 7 ) 以保证在f f t 周期内o f d m 符号延时副本内所包含波形的周期个数也 是整数。这样，时延小于的信号就不会在解调过程中产生i c i 。 ：；：高o f 。m 符号长鹱 图2 7o f d m 符号的循环扩展 图2 8 给出了两路多径衰落信道中的信号，实线表示经第一路径到达的信号， 虚线表示经第二路径到达的、实线信号的时延副本。实际上，o f d m 接收机所 能看到的只是所有这些信号之和，但是为了更加清楚地说明多径的影响，图中对 每个子载波信号进行了区分。由图可见：o f d m 载波经过b p s k 调制后，在符 天津大学硕+ 学位论文第二章o f d m 技术概述 号的边界处可能发生1 8 0 0 的相位跳变。对于虚线信号，这种相位跳变只能发生 在实线信号相位跳变之后，若多径时延小于g i 就可以保证在f f t 运算时阳j 长 度内不会发生信号相位的跳变。因此，o f d m 接收机所收到的仅仅是存在某些 相位偏移的、多个单纯连续正弦波形的叠加信号，而且这种叠加不会破坏子载波 之间的正交性。然而如果多径时延超过了g i ，则由于f f t 运算时间长度内可能 会出现信号相位的跳变，故第一路径与第二路径信号的叠加信号内就不再仅包括 单纯连续正弦波形信号，从而导致子载波之间的f 交性遭到破坏。 图2 8 时延信号对o f d m 符号造成的影响实例 加入o i 而带来的功率损失定义为式( 2 - 7 ) ，当保护间隔咒占o f d m 符号e d , 时间长度7 1 的2 0 时，功率损失不到l d b ，而信息速率损失为2 0 。然而，g 1 的插入可消除i s i 和多径所造成的i c i 影响，因此这个代价是值得的。加入g i 之后基于i d f t ( i f f t ) 的o f d m 系统框图如图2 9 。 丁、 v 目。“= 1 0 1 0 9 l o f 了a g + 1( 2 7 ) 图2 - 9 加入g i 之后、利用i d f t d f t 实施的o f d m 系统框图 当子载波数目a t 较多时，o f d m 符号周期7 _ 相对于信道脉冲响应长度r 。 很大，i s i 的影响就很小：而若相邻o f d m 符号间的g i 满足三- f 。，则可以 完全克服i s i 的影响。同时，为了保持子载波之问的正交性，该g l 必须是循环 茎堡查堂堡主堂垡笙壅 茎三童里! 里坚垫查塑堕 前缀c p ，即：将每个o f d m 符号后疋时段中的样点复制到o f d m 符号的前面， 形成前缀。此时o f d m 的符号周期为咒= 疋+ t ，g i 的离散长度( 样点个数) k 满足式( 2 - 8 ) ，包含g i 、功率归一化的o f d m 的抽样序列 ) 如式( 2 9 ) ，这 样经过信道h ( r ，) 和加性白高斯噪声a w g n 作用后的接收信号如式( 2 。1 0 ) 。 2 竽 c 2 - 8 ) ls j _ 2 赤萎即止”“ p o ”- 1 ) ( 2 - 9 ) y ( 0 = f x ( t r ) h ( t r ) d i + n ( f )( 2 1 0 ) 接收信号( 力经过a d 变换后得到的接收序列饥) ( v = 上g ，- 1 ) 为对j ，( 砷按 刀抽样速率得到白勺数字抽样，i s l 只会对接收序列的莳工p 个样点形成干扰，故 将前k 个样点去掉就可完全消除i s i 的影响。对去掉g i 后的序列饥) ( v = 0 ，l ， n - i ) 进行d f t 变换，得到d f t 输出的多载波解调序列 月。) 如式( 2 1 1 ) ： b 2 专萎儿p 1 2 ” 划，1 ，a t - 1 ) ( 2 - 1 1 ) 通过适当选择子载波个数n 的取值可使信道响应平坦，而且g i 的插入还有 助于保持子载波之间的f 交性，因此o f d m 有可能完全消除i s i 和多径带来的 i s i 的影响。这样，接收信号的频域表达式可表示为式( 2 1 2 j ，其中凰为第” 个子载波的复衰落系数，代表第”个子载波的加性高斯白噪声a w g n 。 尺。= h ，s 。+ 。( h = 0 ，n 一1 )( 2 - 1 2 ) 鸟蚕叫江 与毒叫江 s pp s ；i； h n 、n n i 甑蚕叫池 2 - 1 0 基于o f d m 的多载波系统的等效频域系统 根据式( 2 - 1 2 ) ，多载波传输系统可以等效为图2 1 0 中的频域系统，此系统 有 7 个并行的子系统，且每个子系统仅受乘性复干扰和加性白高斯噪声的影响。 天津大学硕士学位论文 第二章o f d m 技术概述 图2 - 1 1 为o f d m 符号的时频域结构。在实际应用中，经常将个o f d m 符号组合成一个o f d m 帧，帧长为功= m 瓦。 t ，= n ：t j 图2 - 1 1o f d m 彳芍：号的时频结构图 2 1 4 带外功率辐射以及加窝技术 心 芝 | | 根琚式( 2 - 1 ) ，1 鼠设，。20 ，得到功率归一化的o f d m 信号的复包络如下式： 印卜赤委d , r e c t ( ，一专) e x p ( i ，2 荆 。3 ) 其中1 、厂万是功率归一化因子，= 石+ f ? 1 。o f d m 符号的功率谱密度旧( 厂) 2 为n 个子载波上信号的功率谱密度p s d 之和，如式( 2 - 1 4 ) ： 陬仆专驰丁筹f 2 弦，a ， 图2 1 2o f d m 信号的功率谱密度p s d 天津大学硕士学位论文 第二章o f d m 技术概述 图2 1 2 给出了= 1 6 且各子载波具有相同发送功率时o f d m 信号的p s d 图，纵坐标为归一化的p s d ( 单位为d b ) ，横坐标为归一化的频率，：扎图中的 打点线为第一调制子载波而的p s d ，其它各调制子载波的功率谱为将第一调制子 载波而的p s d 依次在频率上进行l 厅位移得到，所有个子载波的p s d 之和构 成以实线绘出的o f d m 符号的总功率谱密度。由图可见，当增大时，在归一 化频率厂丁 一0 5 ，0 5 内幅频特性会更加平坦、边缘会更陡峭，更能逼近理想的低 通滤波特性。为便于比较，图中同时给出了b p s k 的归一化p s d ( 虚线所示) 。 根据o f d m 符号的p s d ，其带外功率衰减比较慢，即：带外辐射功率较大。