（信号与信息处理专业论文）基于ofdm技术的电力线通信系统中同步技术的研究与实现.pdf

摘要 摘要 为了在电力线上实现i n t e m e t 的高速互联，解决在电力线上进行可靠、快速 的数据传输问题已被提上议程。但电力线是给用电设备传送电能的，而不是用来 传送数据的，所以电力线对数据传输存在许多问题。 而o f d m 技术在电力线高速数字通信应用成为热门。o f d m 采用f f t 和 i f f t 实现调制和解调，可以方便地使用d s p ( 数字信号处理) 器件来实现。采用 保护间隔和循环前缀来抗多径，从而有效地降低i s i ( 码问干扰) 和i c i ( 信道间干 扰) 。日前从国际学术会议发表的论文和公司产品来看，o f d m 调制技术在宽带、 高速p l c 中成为一种最有吸引力的技术，并有可能成为p l c 的标准。本文着 重研究o f d m 系统中的同步技术和同步方案。 本文首先介绍了o f d m 技术发展的历史，说明多载波技术的优势及其技术 难点，然后从基本的o f d m 原理出发，给出了o f d m 信号的特性以及一般o f d m 系统的构成模型。 然后本文分析了频率偏差，符号定时误差，采样时钟偏差对整个o f d m 系 统性能的影响，结果被用来帮助确定o f d m 系统同步算法的指标。分析还显示， 在一定条件下，采样时钟的偏差和载波频率的偏差相比，在子信道个数比较小的 情况下，其影响可以忽略不计。 本文还介绍了4 类典型的同步方案，描述了这些方案的思想以及各个主要步 骤。4 类方案分别是：基于循环前缀的同步估计方案：利用导频信号进行频率估 计；s c h m i d l 和c o x 提出的使用训练符号的方案以及i e e e 无线局域网标准8 0 2 1 1 a 的同步方案。这些方案的思想以及优缺点作为设计基于电力线通信系统中的同步 方案的参考。 本文参考和比较了一些已有的同步方案后，考虑到基于突发模式的传送机 制，提出针对电力线通信系统的一种改进的同步方案。同步方案的各部分算法以 及整个同步性能都有仿真结果，计算机模拟表明，此方案能检测大范围频率偏移， 帧头丌销小，运算简单，在恶劣信道条件下能保持很好的可靠性。 最后本文基于电力线信道特性选择实用的参数，设计了一个完整的o f d m 仿真平台用以测试，并且采用本文提出的同步方案，在多径信道条件下对系统的 误符号率进行了仿真，给出了衡量通信系统性能的最直接的指标。 关键词：j 下交频分复用，电力线通信，同步 a b s t r a c t a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，t h e r eh a sb e e nag r e a ti n t e r e s ti na p p l y i n go f d mi nh j i g h - r a t e w i r e l e s s w i r e l i n ec o m m u n i c a t i o n s o f d mb a s e dd i g i t a lc o m m u n i c a t i o ns y s t e m sa r e r o b u s ti n m u l t i p a t h c h a n n e l i na d d i t i o n ，o f d mc a na c h i e v eh i g hb a n d w i d t h e f f i c i e n c ya n d b e i m p l e m e n t e d w i t hf f t p o w e rl i n ei sac o n v e n i e n tm e d i u mf o rt r a n s m i t t i n gd a t a , b u tt h et r a n s m i s s i o n c h a r a c t e r i s t i ci sv e r yh o s t i l e m a n yk i n d so f l o a d sc o n n e c t e dt ot h ep o w e rl i n em a y a c t a sn o i s es o u r c e s ，t h u sa h i 【g hl e v e la n df l u c t u a t i n gi m p e d a n c ea n d t r a n s m i s s i o nl o s si n t h ep o w e rl i n ec a nb ec o n s i d e r a b l ep r o b l e m s w eu s eo 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 ) a s t h eb a s i ct r a n s m i s s i o n t e c h n i q u e i n p o w e r l i n e c o m m u n i c a t i o n t h i st h e s i si st oi n v e s t i g a t et h es y n c h r o n i z a t i o nt e c h n i q u e sa n ds y n c h r o n i z a t i o n s c h e m e sf o ro f d m s y s t e mi np o w e rl i n ec o m m u n i c a t i o na n dd i v i d e di n t o t h r e e p h a s e s f i r s t l y , t h et a s ki st os t u d yo f d m b a s i cp r i n c i p l e sa n dt h en e c e s s a r ye l e m e n t s f o rc o n s t r u c t i n ga no f d m s y s t e ma n dt h u sa n a l y z es o m en o n - i d e a le f f e c t so nt h e p e r f o r m a n c e o fo f d md i g i t a lc o m m u n i c a t i o n s ，w h i c hi n c l u d e f i q u e n c yo f f s e t ， s y m b o lt i m i n go f f s e ta n ds a m p l i n gc l o c kd e v i a t i o n t h es e c o n ds t e pi st oi n v e s t i g a t es o m et y p i c a ls y n c h r o n i z a t i o ns c h e m e s ，s u c ha s t h e s y n c h r o n i z a t i o n m e t h o db a s e do n c y c l i cp r e f i x ，s c h m i d l a n dc o x s s y n c h r o n i z a t i o ns c h e m ea n d8 0 2 1 l a , a ni e e e s t a n d a r do f w i r e l e s sl a n a f t e r c o m p a r i n g t h e i rp e r f o r m a n c ea n dp r a c t i c a b i l i t ya sw e l la st h e i rm e r i t sa n d d r a w b a c k s ，an o v e ls y n c h r o n i z a t i o ns c h e m ei sd e v e l o p e d ，i n c l u d i n gt h em o d i f i e d t r a i n i n gs y m b o la n dt h es y n c h r o n i z a t i o nf l o w a l s oi m u l a t i o ni sa f f o r d e dt oe v a l u a t e t h ep e r f o r m a n c eo f t h en e w s y n c h r o n i z a t i o ns c h e m ea n di m p r o v e t h en e wm e t h o d f i n a l l y , a c c o r d i n g t op o w e rl i n ec h a n n e lp r o p e r t y , w ec h o o s es u i t a b l ep a r a m e t e r s t ob u i l dt h eo f d ms i m u l a t i o np l a t f o r m t h es y m b o le r r o rr a t eo ft h e s y s t e mi s c a l c u l a t e db y c o m p u t e r s i m u l a t i o n st os h o wt h ep e r f o r m a n c e k e y w o r d s ：o f d ms y s t e m s ，p o w e rl i n ec o m m u n i c a t i o n ，s y n c h r o n i z a t i o n 学位论文独创性声明 s 毛1 8 s 7 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，也不包含为获得东南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仟何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意， 签名盗整口期：坦姐 【 关于学位论文使用授权的说明 东南大学、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) 授权东南大学研究生院办理。 签名：监导师签名 l 期：哆，3 一口 第一章绪论 第一章绪论 1 1 多载波传输技术的发展史 早在1 9 5 7 年，c o l l i n sk i o e p l e x 就提出一种多载波h fm o d e m ，利用的是多 载波传输原理：即将串行传送的数据分成若干个数据流，分别调制到不同的载波 上，进行并行传输。多载波技术有多种不同的称谓：如多载波调制( m t d t i c a r r i e r m o d u l a t i o n ) 、正交复用q a m ( q u a d r a t u r ea m p l i f i e rm o d u l a t i o n ) 、正交f d m ( o r t h 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 ) ，当应用于a d s l ( a s y m m e t r i c a l d i g i t a l s u b s c r i b e rl o o p ：非对称数字用户环线1 时，则被称为数字多音频d m t ( d i g i t a lm u l t i t o n e ) 技术。在本论文中，将用o f d m 来代表多载波技术。 o f d m 技术的历史要回到1 9 6 6 年。当时b e l l 实验室的r w c h a n g 写了一篇 文章关于将代限信号综合用于多信道传输的文章。他提出一种在线性带限信道上 同时传输多路信息传输方法，能同时避免信道间干扰( i c i ：i n t e r - c h a n n e l i n t e r f e r e n c e ) 和符号间干扰( 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 ) 1 9 6 7 年，b r s t a l t z b e r g 对c h a n g 提出的方法进行了性能分析，得出很重要的结论，即在并行传输系统 中，相邻信道问的串扰将是信道畸变的主要原因，因此系统设计的重点应在于尽 量减少相邻信道间的串扰，而不是完善每一个单独的信道。随后，在1 9 7 1 年 w e i n s t e i n 和e b e r t 将d f t ( d i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o r m ：离散傅立叶变换) 用于 0 f d m 系统的调制解调。他们的目的是要简化系统的处理过程，使系统无需用 一组振荡器来产生多个子载波。为了防止i s i 和i c i ，他们在o f d m 符号间引入 了保护间隔，同时在时域使用了升余弦窗。虽然他们的系统在弥散信道中不能保 证很好的正交性，但d f t 的引入对o f d m 技术仍是一个重要的贡献。在o f d m 的发展过程中，另一个重的贡献应该归功于p e l e d 和r u i z 。他们在1 9 8 0 年提出 了循环前缀c p ( c y c l i cp r e f i x ) 的概念，用于解决保持子载波正交性的问题。与 通常在符号间插入空的保护时间来防止i s i 的作法不同，他们是将o f d m 符号 进行循环扩展。这种方法有效的将信道与传送符号之间的线性卷积近似成圆卷 积，当c p 比信道的脉冲响应时间长时，能够很好的保证子信道之间的正交性。 当然c p 也引入了与其长度成正比的系统能量损失，但与他所消除的i c i 比较起 来，这种能量的损失是可以承受的。到了9 0 年代，各种基于o f d m 技术的通信 标准相继出现。目前，欧洲的数字视频广播( d v b ) 和数字音频广播( d a b ) 的物理 层标准中都使用了o f d m 技术。无线局域网( w l a n ：w i r e l e s s l a n ) 也是o f d m 应用的热点。e t s i 和i e e e 的新一代w l a n 物理层标准h i p e r l a n 2 和8 0 2 1 l a 都使用了o f d m ，能达到最高5 4 m b p s 的数据速率。并且，d m t 已经被广泛应 第一章绪论 用于数字用户线( x d s l ) 。 1 2 电力线通信的发展 电力线通信是通过电力线载波方式来传送i 叫络信息，其历史可追溯到2 0 姑 纪2 0 年代。那时，主要集中在l l k v 以l 的高压远距离传输，工作频率为1 5 0 k h z 以下，该频段成为欧洲电技术标准化委员会电力线通信的l f 式频段。到2 0 世纪 5 0 年代，低频高压电力线通信技术已广泛用于监控、远程指示、设备保护以及 语音传输等领域。5 0 年代后至9 0 年代早期的3 0 多年，电力线通信开始应用在 小压和低压电网上，其开发工作主要集中在电力线自动抄表、电网负载控制和供 电管理等领域，但并没有导致电力线通信大量的产- 昏及服务的出现。 近年来，随着i n t e m e t 技术的飞速发展，利用2 2 0 v 低压电力线传输高速数 据的价值越来越为人们所重视，因为它具有不用布线、覆盖范围广、连接方便的 显著特点，被认为是提供“最后一公里”解决方案最具竞争力的技术之一。 但电力线是给用电设备传送电能的，而不是用来传送数据的，所以电力线对 数据传输存在许多问题。其中，最主要的问题在于噪音和信弓衰减。电力线通信 的噪爵在电力信道中，最严重的干扰源几乎没有与简单的高斯白噪声相同的地 方，他们既可以是脉冲的或者是频率选择性的，或者两者兼有的。他们主要来自 j 二低爪电网相连的负载，以及无线电f 1 播的干拢；而信号的衰减是与通信信道的 物理长度和低压电网的阻抗匹配相关的。由于负载的开关会引起电力线 ：供电电 流的波动，从而导致在电力线的周围产生电磁辐射，所以，沿电力线传送数据时， 会出现许多意想不到的问题。在这样的噪声环境f ，很难保证数据传输的质量。 而且，电力线通信的噪葺和信号衰减是随时间变化的，很难找到规律。因此，电 力线通信的环境极为恶劣。 目前，电力线数据通信所采用的技术主要有f s k 技术和扩频( s s ) 技术等。 f s k 主要存在的问题是各种噪音对通信质量的影响和带宽限制对传输速率的制 约；s s 技术速率较高，抗干扰性能优异，但占用频带宽，均衡实现复杂。另一 种o f d m 技术在电力线高速数字通信应用成为热门。美国i n t e l l o n 公司等公司组 成家庭插座电力线联盟( t h e h o m e p l u g p o w e r l i n e a l l i a n c e l ，旨在推动以电力线 为传输媒介的数字化家庭。2 0 0 1 年七月，该联盟宣布确立了高速电力线网络通 信协议的1 0 版本，该协议中采用的关键调制技术就是o f d m 技术，可以在配 电网电力线上实现1 4 m b s 的数据传输。 第一章绪论 1 3o f d u 系统的优缺点 总体而言，o f d m 多载波系统相比于但载波系统有四大优点：一，较强的 抗多径能力。由于o f d m 的符号符号间隔比较长，对多径效应、脉冲噪声和快 速衰落有较强的抵抗能力；二是有效利用带宽，o f d m 子载波频谱的交叠使用 使其频谱利用率比单载波系统要高的多；三是o f d m 的一个很好的特性是可以 根据不同频率上的s n r 选择传送不同的比特数，如果可以利用这个特性，o f d m 将是一个很好的设计方案。对于未知信道，o f d m 常用的方法是在不同的子信 道上分配相同的比特数( 就像无线信道一样，参考t h ei e e es t a n d a r dd r a f t8 0 2 1 l a f o r w i r e l e s s l a n ) ，并用卷积码和分错码来纠正在接收端发现有较大的衰落的频 率；四是无需线性均衡，从而避免了噪声的增强。另外，可以用数字f f t 实现 调制解调也是o f d m 系统的优点之。 当然，要实现o f d m 也存在技术上的难点。首先，它对同步的要求很高。 因为子载波之间的问隔较小，所以系统对由多普勒频移或收发端载波频偏产生的 偏差要比单载波系统要敏感得多。频偏会破坏子载波之间的正交性，引起i c i ， 并且降低解调信号的信噪比。o f d m 系统对定时的要求也很高，若定时发生偏 差，落在c p 之外，就会产生i s ，系统性能将急剧下降。其次，o f d m 系统对 相位偏差也是非常敏感的，相位偏差会影响f f t 之后解调信号的星座分布偏移， 从而导致系统性能降低。另外一个问题是多载波调制之后的发送信号大约是服从 高斯分布的，因此发送信号的幅度变化很大，这就要求功率放大器有很好的线性 程度，否则，当发送信号幅度超出功率放大器的线性区域时，会引起子载波中的 互调现象，产生i c i 以及导致很高的带外辐射。因此，在o f d m 系统中，如何 降低多载波信号的功率峰均比( p e a k t o a v e r a g er a t i o ) 也是一个很重要的研究课 题。 1 4 论文内容安排 本文的主要任务是研究基于o f d m 技术的电力线通信系统中的同步技术。 针对电力线环境，包括信道模型以及噪声模型，提出一种合适的同步算法，并且 设计一个较为完整的o f d m 系统仿真方案，给出相应的性能。论文的内容主要 包括六章，其中第一章是绪论，主要介绍电力线通信以及多载波技术的发展历史 和应用现状；第二章给出o f d m 的数学原理和o f d m 的系统构成；第三章讨论 了o f d m 系统的同步任务，包括分析各种非理想的同步对系统接收性能的影响， 然后介绍了一些典型同步算法以及一些协议中所使用的同步方案，并分析了他们 各自的优缺点。第四章，给出了一个较为完整的基于o f d m 技术的电力线通信 第一章绪论 系统中的同步方案，进行系统仿真，给出并分析和仿真结果；第五章总结全文工 作，提出系统性能改进的方向以及需要进一步研究的o f d m 技术。 第= 章o f d m 系统介绍 第二章o f d m 系统介绍 o f d m 的主要思想是将高速串行码流转变成并行的低速码流，调制到等频 率间隔的一组相互正交的子载波上【1 】。其基本原理是将总的信道带宽分成多个 带宽相等的子信道，每个子信道单独通过各自的子载波调制各自的信息符号，因 此在时域的每个o f d m 符号持续时间比单载波长很多，于是抗多径衰落性能比 单载波好很多。另外，o f d m 符号中引入的保护问隔能有效地克服多径信道的 延时扩展，消除码问干扰，因此消除了采用复杂均衡器的必要。 2 1o f d m 信号 在单载波通信中，由于信道只用来传输个码元，信道的非理想频响特性往 往会导致码问干扰，如果把信道带宽划分为若干予信道，这样每一条子信道近乎 理想，可以有效的利用可用带宽，同时抑制码问干扰。多载波通信就是利用各个 相互独立的子信道同时传输码元。多载波传输把经过调制映射( 如q a m p s k ) 的信息数据调制到多个子载波上并行发射出去，o f d m 的各个子载波相互正交。 也就是选择一组f 交基 j g ( ，k ) = e j 2 c k t , 0 t t ，( 2 1 ) i g ( t ，k ) = 0 ，o t h e r w i s e 、 其中r 为时域码元长度；子载波频率五= f o + 坶，k = 0 , 1 ，n 一1 。f o 是最低使 用频率，为子载波问隔，且满足a f = 1 t 。这种子载波频率的设定保证了载 波g ( t ，) 之间的正交性： - 【g ( t ，t ) g + ( f ，o d t ：f 。，：矾r 。一，z 砷旃： e 1 2 x k 手班：z 万( 一，) 2 2 然后把经q a m d p s k 调制映射过的信息数据五，。加载到这些正交基上去，得到 信号的代数表达式为：j ( ，) = 五 g ( t n t ，t ) = e ( f ) ， ( 2 3 ) 为子载波个数，f ( f ) 表示时域第1 个符号。由于载波g ( t ，七) 之间的正交性，解 调器可以很方便的从接收信号中提取出传输符号： “= i 1 + l t s ( t ) g ( 船矽= x i ， k = o ，n 一1( 2 4 ) 第二章o f d m 系统介绍 2 2 正交载波与频谱重叠 从本质上说，o f d m 是实现多载波系统的一种新方式。与一般的f d m 信号 不同的是o f d m 由于采用了正交的子载波，允许各个子载波频谱重叠，因此可 以极大得提高频谱利用率。下面用最简单的例子来给出o f d m 与单载波频谱以 及传统多载波频谱的比较。假定单载波符号波形也为矩形，o f d m 符号波形为 矩形，当子信道个数n = 1 6 时，两者的频谱比较如图2 1 所示，显然o f d m 的频 谱衰减要比单载波系统的频谱快很多。 图2 1o f d m 信号与单载波信号频谱比较( n = 1 6 ) yv 嘭r 咿 罗 ( 2 。m 1 t 图2 2o f d m 与f d m 信号的频谱比较 假定系统传输速率为rb i t s 的b p s k 信号，o f d m 符号波形为矩形，且只 考虑频谱主瓣。如图2 2 所示，o f d m 系统所用的主瓣带宽为形。= ( n + 1 ) 丁， 而传输速率r = n ，这里r 为o f d m f d m 时域符号的长度，且1 r 为o f d m 子载波间隔。而对于f d m 系统，为保证接收端正确区分各个子载波，f d m 个子 载波之间的主瓣不能重叠，所以f d m 的信号主瓣带宽为形。= 2 n 丁，同样传 输速率r = | v r 。因此当n 趋向于无穷大时，f d m 系统的所用带宽仍为2 r ， ，l1 而o f d m 系统的带宽为! 地形脚= 舡m ( + 1 ) t = ! 皿二享r = r ，比f d m 系 ”“ ”v 统节约了一半带宽，而两者的信号速率相同，所以o f d m 系统的频谱利用率 第= 章o f d m 系统介绍 = 万g 疋i z l f d m 系统的两倍。另外可以发现，当n 足够大时，则可忽略o f 。m 两端子载波的旁瓣，其带宽近似为n a f ，而系统抽样率也为n a f ，恰好等于其奈 奎斯特抽样率，引起的频谱失真很小。 2 3 用i d f t d f t 实现调制解调 从式( 2 1 ) 和( 2 3 ) 可见，要实现一个o f d m 传输系统，需要一组振荡器产生n 个子载波，接收端也要对n 个载波进行同步。当n 很大时，系统的硬件构成是 非常庞大而不经济的。1 9 7 1 年，w e i n s t e i n 和e b e r t 提出将d f t 技术引入到o f d m 系统，使o f d m 系统变得经济实用。对o f d m 的基带信号在符号周期内以 ，= r 为间隔进行抽样，考虑第，个时隙的o f d m 码字，得到的离散抽样值 为： ：芝五。e 矗“；b 。：艺 。胆“i n o 以茎n 一1 ( 2 5 ) 可见，对_ o ) 以正抽样得到的n 个样值k 。 正好是 的i d f t 。因此实际的 o f d m 系统都在基带使用i f f t 算法来实现，然后经过低通滤波、d a 转换。如 果使用基带有线传输，如a d s l 中，直接送入传输信道；如果使用无线传输， 如d v b d a b 系统以及w l a n ，则调制到射频载波上发射出去。同样，在接收 端，先对接收信号听( f ) 采样得到如。 ，再对佛。) 求d f t 即可得位。 ，即 专参e - j 2 2 7 = 专d f t ( f ，( 砌 ( 2 6 ) 其中在接收端乘以系数去目的是保证i f f t 或f f t 变换前后能量一致。由以上 川 推导可以看出可以用i d f t d f t 来实现o f d m 系统的调制。下面给出了基于 i d f t d f t 快速调制和解调实现的o f d m 系统： 言 。艋o 啦、 ， 样 石1 z 妊、 - 牧 o - _ 七 哥 xni ( a ) o f d m 调制 第二章o f d m 系统介绍 y l o 船略 r b 0 k 轼 一一 辞 y u 啦 一i i - - , r 1 1 l 靶 转哥 州 ， 翠 k - r l ，n iy 1 牧 。 ( b ) o f d m 解调 图2 _ 3 基于i d f t d f t 快速调制和解调实现的o f d m 基带系统 2 4 共轭扩展和虚载波 2 4 1 共轭扩展 在o f d m 系统中，传输的数据经过n 点i f f t 变换调制到n 个子载波上， 构成一个o f d m 符号，值得注意的是，此时的o f d m 信号是一个复信号，而实 际传送的信号应为实信号。有线通信和无线通信处理这个问题有着不同的方法。 无线通信是通过u q 路调制到载频上，如图2 4 所示。而有线通信一般使用频段 较低，并不需要载频，因此在有线通信中采用的方法是把要传输的并且已经经过 星座映射的数据共轭扩展成2 n 个点，然后对这些点做2 n 点i f f t 就产生实际传 送的信号，如图2 5 所示。 o i f f r_ i = 行 n 串行 图2 4 ，无线信道中o f d m 系统调制框图 i f f t并行 爿互，咂 2 n串行 图2 5 ，有线信道中共轭扩展o f d m 系统调制框图 第二章o f d m 系统介绍 2 4 。2 虚载波 另外一点需要说明的是，经过i f f t 调制的o f d m 信号是数字信号，因此其 频谱是以系统采样率1 r 为周期循环的。为了在带宽有限的信道中传送o f d m 信号，必须对其进行滤波。 周期性的o f d m 信号频谱图如图2 6 ( a ) 所示。它由n 个子载波频谱组成， 子载波间隔为= 1 7 。因此由于发送出去的信号一般会经过一个带限滤波把信 号限定在一定频带内。由于理想的矩形滤波器是不可实现的，必须使用具有一定 过渡带的滤波器，最常使用的是升余弦滤波器。在升余弦滤波器的过渡带内，信 号有较大的衰落，显然在这个频带内的子载波是不适合传输数据的。另外，由于 在靠近第0 个子载波以及靠近第n 1 个子载波的部分会出现频谱混叠，因此，同 样把频带边界的子载波弃置不用，即o f d m 的子载波群两端都要留出只个子载 波作为保护带，这些子载波上的数据置为零，如图2 6 所示。 ( a ) 没有虚载波的数字0 f d m 信号频谱 n 个子载波的频谱 重 谱 ( b ) 数字0 f d m 信号通过升余弦滤波器 n 个子载波的频谱 000 1 _ 卜 n 一1 n1 o00 + + + n12 ( c ) 带有2 凡个虚载波的o f d m 信号频谱 图2 6 虚载波的引入 9 第二章o f d m 系统介绍 2 5 循环前缀 循环前缀是o f d m 技术中很有特色的部分，它的主要优点就是几乎消除了 使用均衡器的必要。信号在多条路径上传播而先后到达接收端，这种现象会引起 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 ) 。o f d m 在每个符号前部留出一段保护 带( g u a r dt i m e ) ，又叫做前缀( p r e f i x ) ，其时问宽度大于信道的最大时延扩展 ( d e l a ys p r e a d ) 。这样前一个符号的多个时延信号完全被前缀吸收，不会影响后 一个符号。一般的，实际系统中，前缀使用的是符号最后一段时域信号的拷贝， 这种使符号具有循环结构的前缀叫做循环前缀( c p ：c y c l i cp r e f i x ) 。引入循环前缀 叫做保护带，可以让信道与o f d m 信号的线性卷积近似为循环卷积，并且可以 消除符号之间和符号内部的i s i 。如果接收机的符号定时存在误差，但仍能保证 d f t 窗口在这个符号以内，那么定时误差只会使解调结果中带有附加相移，并 不会破坏子载波之间的正交性。 加上循卦耵墩f f 马o f d m 付芍 ，复制、 c y c l i cp r e f i xl t i m e ln n + l 图2 7 带循环前缀的o f d m 符号 单载波调制系统在多径环境下使用多级均衡器来消除符号间干扰( i s i ) 。众所 周知，均衡器的复杂性和运算量随着均衡器的抽头数的增加呈指数增长，对于数 据速率超过1 0 m b p s 的单载波系统，其均衡器都是非常复杂和昂贵的。o f d m 系 统在接收端只需要简单的去除前缀，只对后面长度为t 的一段符号做解调，就 可以消除i s i 了。 当然，系统加入循环前缀也带来了一定的性能损失。首先，系统损失了信号 能量，因为能量的l ( n + 工) 被用来传送循环前缀，而循环前缀在接收端解调时 时被删除不用的。其次，循环前缀降低了系统的有效带宽利用率，即每单位带宽 的比特率。理论上，使用m 进制数字调制的o f d m 系统可以达到 l o g ，m b i t s s h z 。假定输入系统的比特流速率为r = 1 r ，则m 进制调制后的速 率为1 ( t l o g ：m ) ，而每个子载波上符号速率为1 ( n t l o g ：m ) ，等于子载波间隔 6 f 。o f d m 的带宽为：w 2 南，因此带宽利用率为卢2 参2 l 。9 2 m 。但 是在加上循环前缀之后，为保持信息速率不变，o f d m 总的抽样速率上升为 1 0 第二章o f d m 系统介绍 等，赤，o f d m 的带宽也增大到等矽，而系统有效比特率仍然 为r ，所以带宽利用率就降低为丙笔卢。 虽然循环前缀对系统造成了一定的性能损失，但与它带来的优点相比较，这点损 失是允许的，而且循环前缀还可以用来做同步和信道估计，这在第三章中会讲到。图 2 8 给出了使用循环前缀的发送和接收图。 2 6 参数选择 图2 8 使用循环前缀的发送和接收图 _ t tn l j b t 在一个o f d m 系统中，有一系列参数需要选择，如子载波的个数，保护带 长度，符号长度，以及子载波问隔，每个子载波上面的映射方式，以及纠错码的 方式等等。这些参数通常取决于系统要求，如：有效带宽，要求的比特率，信道 的时延等等。 在o f d m 系统中，子载波个数n 是个很重要的参数，它的选择会影响子信 道带宽，载波问干扰i c i 的大小，最终影响系统的误码性能。参数n 的选择主要 取决于相干带宽和相干时间的折衷。 o f d m 系统的一个重要的优点对频率选择性衰落不敏感，究其本质是因为 它把一段衰落的频带切割为n 个独立的子带，由于每个独立子载波所占的带宽 较窄，这个子载波所占的频带也就比较平缓，那么整个频带的衰落对没个子载波 上传输的数据就不是很敏感。但就此引发了另一个问题，就是o f d m 信号对时 间选择性衰落比较敏感。 假设给定系统的带宽，在相同的信道条件下，当增大时，子载波问间隔 减小，则在时域一个o f d m 符号的持续时间变长，这就使得一个符号问隔时间 内信道的变化增大，信道估计的难度加大，当信道的变化非常显著时，更进一步 破坏子载波问的正交性，引入了i c i ，增大了系统的误码率；而当n 减小时，子 载波间隔增大，那么可能在子载波所占带宽内会出现不平稳，即频率选择性衰落 第二章o f d m 系统介绍 现象，从时域角度看，子载波间隔的增大会使o f d m 符号持续时间变短，而为 了避免相同的时延信道引起的符号间干扰i s i 所需的循环前缀的时间长度不变， 于是系统的冗余度升高，带宽利用率更低，能量损失更大，误码率上升。可见， 子载波数n 必须在上述两种极端情况下做出折衷选择，使系统得误码率最小。 另外，确定n 值时也要考虑物理实现的复杂度，一旦取得太大之后，光 i f f t f f t 的计算复杂度就会非常可观，而且o f d m 信号的峰均功率l l ( p a p r ： p e a k t o a v e r a g ep o w e rr a t i o ) 是和n 成正比的，所以不宜取大。而另一方面，另 一个影响n 取值的因素是循环前缀t ，它是直接由信道的时延扩散决定。作为 原则，前缀的长度应该是延时扩展的2 4 倍。最后的数值还取决于调制方式和编 码方案。高阶的q a m 调制比q p s k 对i s l 和i c i 更加敏感，而如果采用更强的 纠错能力的编码方案则能减弱这种敏感性。一旦给定可用带宽，确定了t 就得 到相对前缀长度l 。为了降低前缀造成的信噪比损失，符号周期n 也不应该取得 太小。一个实用的设计是使符号周期不小于前缀长度的5 倍，这样前缀引起的信 噪比损失小于l d b 。所以为一个实际系统确定n 的值时，往往是综合考虑上述 种种因素选取一个折衷的n 值。 2 7o f d m 系统构成 一个基本的o f d m 系统构成如图2 9 所示，上面为发射机，下面为接收机。 接收机与发射机的结构具有很强的对称性。它对信息的处理过程如下： 输入输出 系统的输入端是二进制比特流( 或图像或随机序列或文本文件) a 。 编码解码 0 f d m 信号经过多径信道，某些子载波可能深度衰落状态，完全丢失所携带的 信息，前向纠错码( f e c ) 可以恢复那些错误。另外，信道中可能发生一些 连续的突发错误，而交织( i n t e r l e a v i n g ) 可以将这些连续的突发错误打散为 单个的随机错误。对于不同的数据以及不同的信道条件需要不同的编码方 案。比如传送一般的有用数据，可以采用的编码方式是维特比( v i t e r b i ) 。里 德一所罗门( r e e ds o l o m o n ) f e c 以及交织；而对于敏感的控制数据，可以 采用的是t u r b o p r o d u c t c o d i n g ( t p c ) 。 映射逆映射 q a m d q p s k 模块对信道编码之后的数据流巩进行一次预调制得到x 。，各子信 道上的调制方式可以不同，比较平缓的子信道上加载较多的比特调制，衰落 大的子信道上加载很少或者不加载比特，这个模块可以增加系统的传输速 率。 第二章o f d m 系统介绍 插入导频去除导频 某些子载波预留出来做导频，接收端利用导频来进行同步检测、跟踪以及信 道估计。导频方便了接收机的设计，但是使有效的数据载波减少，所以要在 导频的数量和接收机的性能和复杂性之间折衷。 i d f t d f t 经过串并( s p ) 转换和i d f t 调制得到时域信号z h ，x t 。表示的是第，个 符号中第n 个采样。 n 去周期头 在o f d m 符号之间加入长度为l 的保护间隔成为循环前缀c p ，这段c p 是把当 前码元尾部的一段复制到码元最前面，它可以消除多径衰落引起的i s i ，即 s l , n ：n - i 五。p 脚品，屯聆一1 。 发射端接收端 把s ，。经过并串转换和d a 模块，就得到实际发送信号s ( f ) 。而框图中的l p f 为成型滤波器，其主要作用是限制发送信号带宽，改善信号边带频谱特性， 使其有较好的衰减，减少混叠效应。接收端实际是发送端的逆过程，只是多 了一个同步模块，这一步将在下面的章节中仔细说明。 2 8o f d m 用于低压电力线通信的设计 现在一般可以选择的物理传输媒介有3 种：电话线，无线以及电力线。当 然，电力线为这三种中最恶劣的物理媒介，但是它具有两个非常吸引人的优点： 第一，它和电话线一样，不需要做射频硬件，因此与无线通信比，其代价降低了 很多；第二，也是最主要的一个优点，就是已有的电力线网络遍布世界各地，选 择使用电力线通信，成本很低。 电力线对于通信系统来说是一个恶劣的信道。如果把室内任意二个电源插座 之间的信道看成是一个传输函数，这个传输函数的幅度和相位随着频率大范围的 波动，这是因为在这个传输信道上有各种各样阻抗不同的负载而引起的。在某些 传输频率上，接收端得到的传输信号可以有较小的衰落，然而在另外一些频率上， 信号可能衰落到噪声能量以下。更加恶劣的情况是传输函数产生时变。当在插座 上插入一个新的设备，或者接入电力线的阻抗为时变阻抗( 如开关电源和电动 机) ，都会产生时变的传输函数。因此，不同的插座之间的信道变化很大。对于 这种情况，需要一种自适应的方法来补偿。 除了信道传输函数的不理想，噪声的干扰也是同样不可忽略的。在电力信道 中，最严重的干扰源几乎没有与简单的高斯白噪声相同的地方，他们既可以是脉 第一二章o f d m 系统介绍 冲的或者是频率选择性的，或者两者兼有的。典型的噪声源有硅控整流器及一些 电源产生的工频噪声，它会造成整数倍工频上的频谱突变；平滑频谱噪声，其频 谱很平坦，可以看作有限带宽的白噪声，家电中的小电机是产生这类噪音的根源； 单脉冲丁扰，通常由丌关切换、闪电、温度调节器或电容充放电引起；非同步周 期噪声，如电视、计算机监视器等行扫描频率对电网的干扰。另外，还有业余无 线电等入侵噪声。 针对这种复杂的信道特性，电力线数据通信所采用的技术主要有f s k 技术 和扩频( s s ：s p r e a ds p e c t n u n ) 技术等。f s k 主要存在的问题是各种噪音对通信 质量的影响和带宽限制对传输速率的制约；s s 技术速率较高，抗干扰性能优异， 但占用频带宽，均衡实现复杂。 随着o f d m 调制技术的成熟、以及d s p 和v l s i 器件的飞速发展，现在开 始普遍把o f d m 技术应用到电力线通信中。美国i n t e l l o n 公司等公司组成家庭插 座电力线联n ( y h e h o m e p l u g p o w e r l i n e a l l i a n c e ) ，旨在推动以电力线为传输媒 介的数字化家庭。2 0 0 1 年七月，该联盟宣布确立了高速电力线网络通信协议的 1 0 版本。该协议中采用的关键调制技术就是o f d m 技术，并且是在突发模式下 使用。而对于载荷编码方式是v i t e r b i ，r e e ds o l o m o nf e c 以及交织，而对于敏感 的控制数据，采用的是t u r b op r o d u c tc o d i n g ( t p c ) 。这样可以在配电网电力线 上实现1 4 m b s 的数据传输。 4 第二章o f d m 系统介绍 匝靶螺峨盆蓦口8一an圈 一茸富一霉早；妒靶#捌担制 臀鼙)l霉嘏基$监器要b白每日吕 5 第三章o f d m 系统中的同步 第三章o f d m 系统中的同步 多载波调制解调器，就像任何一个数字通信调制解调器，需要一个可靠的同 步方案。第一，它需要找出一个o f d m 符号的起始位置；第二，它必须估计并 且纠f 接收信号的载波频率偏移量，因为任何的偏移量都会带来 i c i ( i n t e r c a r r i e r - i n t e r f e r e n c c ) 。频域并行传输n 个数据意味着一个时域符号的持 续时间较长，因