（信号与信息处理专业论文）在水声通信系统中降低ofdm峰均比的研究.pdf

哈尔滨t 程大学硕+ 学何论文 摘要 正交频分复用( o f d m ) 技术是近几年兴起的一种在无线信道上实现高 速数据传输的新技术。它属于多载波调制技术，其传输速率高，对码间干扰 和信道选择性衰落具有很强的抵抗能力等特点，因此对o f d m 技术在水声通 信领域中的应用与研究具有很高的理论价值与实用价值。但o f d m 技术也有 其不可忽视的缺点即峰值平均功率比比较高。系统的峰值平均功率比越高 0 f d m 发射机输出信号的瞬时波动就越大。通常功率放大器的非线性会导致 信号的非线性失真，非线性失真会导致子载波间的交调干扰和带外辐射，破 坏子载波间的正交性，从而导致整个系统的性能下降。因此需要解决o f d m 系统存在的高峰值平均功率比的问题。 论文的主要内容如下： 给出了水声通信的发展现状和o f d m 技术在水声通信中的应用现状；同 时对o f d m 技术原理进行了详细的讨论以及给出了通用的o f d m 系统框图。 对o f d m 系统高峰值平均功率比( p a p r ) 问题进行了深入的分析并对算法 进行仿真，比较算法优劣适用范围等。通过以上研究得出一种适合工程实际 应用的算法，并对算法进行可行性分析。 关键词：水下声通信；o f d m ；峰值平均功率比 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 a b s t r a c t o r t h o g o n mf 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 ( o f d m ) t e c h n o l o g yi nr e c e n t y e a r si st h er i s eo faw i r e l e s sc h a n n e lt oa c h i e v eh i g h s p e e dd a t at r a n s f e ro fn e w t e c h n o l o g i e s i ti sam u l t i c a r r i e rm o d u l a t i o nt e c h n i q u ew h i c hh a sh i g ht r a n s f e r r a t e i th a sas t r o n gr e s i s t a n c ef o ri n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c ea n ds e l e c t i v ef a d i n g c h a n n e la n do t h e rc h a r a c t e r i s t i c s t h e r e f o r eo f d mt e c h n o l o g yh a sh i g h l y t h e o r e t i c a lv a l u ea n dp r a c t i c a lv a l u ei nt h eu n d e r w a t e ra c o u s t i cc o m m u n i c a t i o n a p p l i c a t i o na n dr e s e a r c hf i e l d o f d mt e c h n o l o g yb u ta l s oh a si t sd i s a d v a n t a g e t h a tc a nn o tb ei g n o r e d ，w h i c hi sh i g hp a p r t h eh i g h e rt h ep e a k a v e r a g ep o w e r r a t i oo fs y s t e m ，t h eg r e a t e ri n s t a n t a n e o u sv o l a t i l i t yo fo f d mt r a n s m i t t e ro u t p u t s i g n a l u s u a l l yt h en o n l i n e a r o ft h ep o w e ra m p l i f i e rw i l ll e a dt on o n l i n e a r d i s t o r t i o n ，n o n l i n e a rd i s t o r t i o nw i l l l e a dt oi n t e r - s u b c a r r i e ri n t e r f e r e n c ea n d c r o s s b a n dr a d i a t i o n ，d a m a g ea m o n gs u b c a r r i e r so r t h o g o n a l i t y , r e s u l t i n gi no v e r a l l s y s t e mp e r f o r m a n c ed e g r a d a t i o n t h e r e f o r e ，o f d ms y s t e m sn e e dt oa d d r e s st h e p r o b l e mo ft h ee x i s t e n c eo ft h eh i g hp e a k a v e r a g ep o w e r r a t i o t h em a i nt h e s i sr e a d sa sf o l l o w s g i v et h ed e v e l o p m e n ts t a t u sq u oo ft h eu n d e r w a t e ra c o u s t i cc o m m u n i c a - t i o n a n dt h e a p p l i c a t i o no ft h e s t a t u sq u oo fo f d mt e c h n o l o g yi nt h ea c o u s t i c c o m m u n i c a t i o nf i e l d ；s i m u l t a n e o u s l yt h i st h e s i sd i s c u s s e st h eo f d mt e c h n i q u ei n d e t a i la n dg i v e sag e n e r i co f d ms y s t e mb l o c kd i a g r a m 。t h et h e s i sh a sad e e p a n a l y s i so fh i g hp e a k a v e r a g ep o w e rr a t i o ( p a p r ) p r o b l e mo fo f d m s y s t e m ，a n d h a sm a k eas e r i e so ft h ea l g o r i t h m ss i m u l a t i o nt oc o m p a r et h em e r i t so ft h es c o p e o fa p p l i c a t i o no ft h ea l g o r i t h m s t h r o u g ht h ea b o v es t u d i e s ，t h et h e s i sh a sc o m eu p w i t has u i t a b l ea l g o r i t h mf o rt h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o no fe n g i n e e r i n ga n df e a s i b l e a n a l y s i sa l g o r i t h m k e yw o r d s ：u n d e r w a t e r a c o u s t i cc o m m u n i c a t i o n ；o f d m ；p a p r 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用己在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：乃艇摔 日期：州年2 ，月2 j 日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 口在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后 口 解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。，、 作者( 签字) ：多雌导师( 签字) ：彗劫渤 日期：炒7 年二月贰曰多刀甲年7 月必日 哈尔滨1 ：程大学硕十学位论文 第1 章绪论 1 1 引言 随着人们对海洋资源的开发利用，水下通信技术越来越受到人们的关注。 由于海洋中光波、电磁波随着传输距离的增加衰减极快所以无法用在中等距 离以上的信息传递，尽管可以通过电缆和光纤进行水下通信，但对于水下的 移动设备而言却是很不方便的，所以唯一的途径就只能依靠在海水中可以远 距离传输的声波，即水声通信。但是遗憾的是由于海洋环境的复杂性，海洋 声信道存在具有强多途、通信频带有限以及高噪声等特性，由于这诸多不良 因素的存在使得海洋水声信道成为迄今为止难度最大的无线通信信道。 海水介质是有损耗的【，传播过程中声能逐渐损失转变为热能，这与海 水成分、温度、压力、声波的频率以及传播方式有关。在1 0 0 k h z 以下声波 被吸收的原因仁1 。主要是硫酸镁离子的驰豫吸收引起的，超过1 0 0 k h z ，主要 是由于介质的粘滞性引起的附加吸收，在5 k h z 以下吸收损失比硫酸镁离子 的驰豫吸收要大的多，其机理是硼酸盐的驰豫吸收，所以能够用于数据传输 的水声信道带宽及其有限，与此同时海水中不均匀分布的声速剖面造成声线 的弯曲，而声波的界面反射和随机散射又引起声波接收信号的多途效应。因 此为了实现水下的高速通信，必须先要解决的是由有限的信道带宽和信号的 多途效应引起的码间干扰等问题，而在这许多问题中能否有效的解决多途问 题又成了水下通信成败的关键。 1 2 水声通信的研究现状 发达国家一直非常重视水声通信领域的研究、开发。在上世纪8 0 年代早 期，水声通信系统的通信距离与通信速率的乘积大约为0 5 k m x k b i t 。从早期 简单的频移键控，发展到多频、多相的多维编码( m f s k ，m p s k ，q p s k 等) 以及采用自适应均衡，频率分集、空间分集和卷积码、纠错码等许多复杂技 术的结合。水声通信研究涉及新型水声通信调制方式、信源和信道编码、信 道均衡、以抗衰落抗干扰为重点的相干和非相干水声通信信号处理、多址媒 体接入等许多方面。在提高水声通信距离、数据传输率、可靠性、低截获率 哈尔溟丁程大学硕十学何论文 i i i 等性能上取得了不少进步。现在这一指标提高到浅海4 0 k m x k b i t 和深海 1 0 0 k m x k b i t 左右p 1 ，研究主要集中在美、英、法日本等国家的大学和科研机 构。 新型的水声通信技术，如直扩或跳频扩频通信、正交频分复用等在发达 国家正深入、广泛地研究和应用。同时，时反镜等新概念水声通信技术也受 到越来越多的重视。 进入二十一世纪，水声通信技术的进步更加显著，特别是随着电子技术 和商用d s p 技术的快速发展，以水声调制解调器和组网通信技术为典型的规 范化产品的开发和应用正得到重视和逐步投入应用。如：美国国际水下公司 为潜水员开发的8 通道水下无线对讲机s s b 1 0 0 1 b 和s t x 一1 0 1 m 系统，无需 手的操作，可在潜泳的同时进行语音通信。现已装备美国海军和英国皇家海 军。新开发的m a g n a c o m 系统通信距离可达5 英里。d a t a s o n i c s 公司的 a t m 8 0 0 系列通信速率1 2 0 0 b p s ，通信距离1 0 k m 。n e w c a s t l e 大学开发的a m 2 0 0 水声调制解调器可直接与计算机串n , w 连，以9 6 0 0 ，1 9 2 0 0 的速率在2 公里 的范围内通信。l i n k q u s e t 公司u w m 系列产品与a m 2 0 0 有相似的功能，其 中u w m 7 0 0 0 在通信速率5 5 0 0 b p s 时，通信距离可达7 公里。 8 0 年代中后期哈工程大学、声学所、厦门大学先后进彳亍了数字水声通信 的研究。中科院声学研究所从事的高速水声通信技术研究，厦门大学利用跳 频技术实现了实时的语音通信。九十年代末至本世纪初，又有7 1 5 所、西工 大等单位先后开展了水声通信技术的研究，其中西工大学主要研究水雷的远 程遥控技术；6 9 7 1 厂和中科院声学所还引进消化了白俄罗斯的扩谱通信技 术，并以此为基础进行了通信声纳型号的研制，东南大学对水声通信网络中 数据链路传输协议等进行了仿真研究。哈尔滨工程大学的研究内容涉及信道 仿真技术，m f s k 、q p s k 调制、多频编码、自适应均衡等技术，在湖上和海 洋进行了长距离数据和图像传输。 国内技术水平落后的一个重要原因是投入太少。百万元的投入与美国数 十亿美元的投入实在不能相比。尽管如此，在点对点通信技术方面国内的跟 踪面较宽，几乎研究了文献上所有的信道编码及信道均衡技术，有关的实验 研究也较深入，积累了一定的技术储备，成绩也是有目共睹的p 儿”。 2 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 1 3 正交频分复用技术在水声通信中的应用 正交频分复用( o f d m ) 技术是一种无线环境下的高速传输技术，该技 术的基本原理是将高速串行数据变换成多路相对低速的并行数据并对不同的 载波进行调制。这种并行传输体制大大扩展了符号的脉冲宽度，提高了抗多 径衰落的性能嘲1 射。传统的频分复用方法中各个子载波的频谱是互不重叠的， 需要使用大量的发送滤波器和接收滤波器，这样就大大增加了系统的复杂度 和成本。同时，为了减小各个子载波之间的相互串扰，各子载波间必须保持 足够的频率间隔，这样会降低系统的频率利用率。而现代o f d m 系统采用数 字信号处理技术，各子载波的产生和接收都由数字信号处理算法完成，这样 做则极大的简化了系统的结构。由于o f d m 系统中各子载波是彼此正交的可 以使各子载波上的频谱相互重叠，提高频谱利用率。当传输信道中出现多径 传播时，接收子载波间的正交性就会被破坏，使得每个子载波上的前后传输 符号间以及各个予载波间发生相互干扰。为解决这个问题，在每个o f d m 传 输信号前面插入一个保护间隔，它是由o f d m 信号本身决定的，只要多径时 延不超过保护间隔子载波的正交性就不会遭到破坏。 海洋水声信道中多途效应的存在造成接收信号的畸变和严重的码间干 扰，给水声通信系统的设计带来了巨大的困难，信道中的相位起伏使得载波 恢复和相干解调变得十分困难。在常用的高速水声通信技术中，采用相位相 干( p s k q a m ) 调制要面对信道起伏时的相干解调问题，而且要适应收发端 相对运动所带来的多普勒频移。o f d m 作为一种可有效对抗码问干扰、频谱 利用率高的高速传输系统引起人们的广泛关注，与水下通信技术相结合更加 开发了水声通信的新纪元。 1 4 正交频分复用技术中的关键技术 在具体应用中，o f d m 系统需要解决的关键技术一1 问题包括以下几个方 面： ( 1 ) 同步技术 同步性能的好坏对o f d m 系统的性能影响很大。o f d m 系统中的同步包 括载波同步、样值同步和符号同步三部分。与单载波调制系统相同，载波同 3 哈尔滨t 稃大学硕十学何论文 步是为了实现接收信号的相干解调，而符号同步是为了区分每个o f d m 符号 块的边界。因为每个o f d m 符号块包含n 个样值，样值同步是为了使接收 端的取样时刻与发送端完全一致。o f d m 系统中的同步一般分为捕获和跟踪 两个阶段，对于突发式的数据传输，一般是通过发送辅助信息来实现同步。 与单载波系统相比，o f d m 系统对同步精度的要求更高，同步偏差会在o f d m 系统中引起i s i 和i c i 。 ( 2 ) 信道估计 如前所述，加入循环前缀后的o f d m 系统可等效为n 个独立的并行子 信道。如果不考虑信道噪声，n 个子信道上的接收信号等于各自子信道上的 发送信号与信道的频谱特性的频率乘积。如果通过估计方法预先获知信道的 频谱特性，将各子信道上的接收信号与信道的频谱特性相除，即可实现接收 信号的正确解调。信道估计的方法有很多，在无线通信中，一般采用插入导 频的方法进行信道估计，如何设计导频图案和性能好、复杂度低的信道估计 算法是o f d m 系统中的一项重要研究内容。 ( 3 ) 峰值平均功率比 在时域中，o f d m 信号是n 路正交子载波信号的叠加，当这n 路信号 按相同极性同时取最大值时，o f d m 信号将产生最大的峰值。该峰值信号的 功率与信号的平均功率之比，称为峰值平均功率比，简称峰均比( p a p r ) 。 在o f d m 系统中，p a p r 与n 有关，n 越大，p a p r 的值越大，n = 1 0 2 4 时， p a p r 可达3 0 d b 。大的p a p r 值对发送端的功率放大器的线性度要求很高。 如何降低o f d m 信号的p a p r 值对o f d m 系统的性能和成本都有很大影 响。 ( 4 ) 信道编码 信道编码可显著地提高数字通信系统的抗干扰能力。在o f d m 系统中， 可使用任意传统的信道编码，如分组码、卷积码、网格编码调制( t c m ) 以 及t u r b o 码等，现在的发展方向是在o f d m 系统中结合多天线技术使用空时 编码，即所谓的m i m oo f d m 技术，这项技术可显著地提高o f d m 系统的 性能，成为下一代无线通信系统的热点技术。 ( 5 ) 信道时变性的影响 信道的时变性引起接收信号的多普勒扩展，使o f d m 信号的正交性遭到 4 ， 哈尔滨t 程人学硕士学位论文 破坏，引起子载波之间的干扰，造成系统性能下降。克服多普勒扩展的传统 方法是采用信道编码加交织技术来抵抗信道性能的下降。最近的发展是利用 多普勒分集技术将多普勒扩展变害为利，从而提高系统的性能。 ( 6 ) 自适应技术 采用o f d m 技术的好处是可以根据信道的频率选择性衰落情况动态地 调整每个子载波上的信息比特数和发送功率，从而优化系统性能，称为自适 应比特和功率分配，在许多文献中也称为自适应调制技术。在多用户情况下， 如何为每个用户最优地分配系统资源，从而使系统的发送功率最低或者使系 统的传输速率最高，是一个非常复杂的问题。在o f d m 系统中使用自适应技 术，还应该考虑频率分组、时间间隔、信道总延迟和信道估计误差等因素， 其中信道估计误差对性能的影响较大。 ( 7 ) 其他相关技术 除了以上与0 f d m 本身相关的技术之外，在具体系统中使用0 f d m 技术时， 还应该考虑具体系统的实际情况。 1 5 论文的主要研究内容 本文深入研究了o f d m 系统峰值平均功率比的问题，通过对各种抑制 o f d m 系统峰值平均功率比算法及对实际工程应用中的影响的分析并提出一 种新的改进算法。 本文分为四章，内容安排如下： 第一章主要介绍了论文的背景意义、水声通信的现状及o f d m 技术在水 声通信中的应用。 第二章介绍了o f d m 系统的基本原理及优缺点分析。 第三章主要阐述了o f d m 系统峰值平均功率比的产生分布以及本论文 中所有仿真的参数说明等。 第四章则重点仿真分析了抑制o f d m 系统峰值平均功率比的各种算法， 对其优劣进行分析并提出了一种在工程实践中具有应用价值的新算法。 最后总结全文，提出以后的研究方向。 哈尔滨t 释人学硕十学位论文 第2 章o f d m 的原理 正交频分复用( o f d m ) 可以被看作是一种调制技术或复用技术，是由 并行传输体制发展而来的，与频分复用技术( f d m ) 十分相似，都是通过划 分不同的频带作为多址接入的方式。传统的频分复用方式是将并行传输的数 据调制到不同频率的载波上，各载波之间插入一定的保护间隔以防止子信道 间的信道干扰( i c i ) ，子频带的间隔必须大于乃奎斯特宽度，这样导致频带 的浪费使其频谱利用率很低。而正交频分复用则是将高速的数据流通过串并 转换分成低速数据流，以并行的方式调制到多个子载波上，但这多个子载波 阳j 相互正交，可以消除i c i 的影响可使频谱相互交叠。图2 。l 为f d m 和o f d m 调制原理图，如图所示o f d m 调制方式频谱利用率比f d m 高的多。 而与单载波调制方式相比，o f d m 技术最重要的优越性体现在频率选择 性信道上。在单载波系统中，一次衰落或者干扰会导致整个链路失败，而 o f d m 系统中某一时刻只会有少部分的子信道受到深度衰落的影响。信号经 无线信道传输之后o f d m 予载波仍然保持正交，信道的干扰就被减小为在每 个子载波上乘以一个复传输因子，信号的解调并不复杂，其优越性显而易见。 保护间隔 传统的频分复用( f d m ) 调制 频率 图2 1f d m 和o f d m 调制原理图 6 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 2 1 o f d m 的基本原理 o f d m 技术的主要思想川吖嘲就是将高速的数据流通过串并变换分成多个 低速数据流，然后分别放到相应的子载波上同时并行地传输。由于每个子信 道中的符号周期相对增加，从而减轻无线信道的多径时延扩展对系统的影响， 并且通过在o f d m 符号之间插入保护间隔，令保护间隔大于无线信道的最大 时延扩展，就可以最大限度的消除多径带来的符号间干扰( i s i ) 。如果采用 循环前缀作为保护间隔，还可以避免多径带来的信道间干扰( i c i ) 。其中每 个子载波都可以用正交幅度调制( q u a d r a t u r ea m p l i t u d em o d u l a t i o n ，q a m ) 或相移键控( p h a s e s h i f t k e y i n g ，p s k ) 进行符号调制。 2 1 1o f d m 系统的实现 o f d m 系统具体实现过程如f ： 在o f d m 的发送端，输入为二进制比特流，然后可以采用q a m 或p s k 对信源产生的数据进行一次预调制，也就是将各个并行信道上的二进制数据 映射为信号星座图上的点，即形成复数形式的数据序列。各子信道上的调制 方式可以不同也可以相同。在比较平缓的子信道上加载较多的比特调制，而 对衰落大的予信道加载很少或不予加载。由快速傅里叶逆变换( 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 ，i f f t ) 数字信号处理器对该复数并行序列进行第二次调制， 即用一组彼此正交的正弦和余弦信号对原来的信号进行频率调制，得到调制 后的并行时域信号，将此信号通过并串转换，将各通道的数据流合并为串行 数据流后插入循环前缀( c y c l i cp r e f i x ，c p ) 这样的保护间隔后即得到了一个 o f d m 信号。而后通过d a 转换送入低通滤波器进行滤波，滤波后得到的即 是被送到信道发射出去的实际发送信号。这里的低通滤波器也被称为成型滤 波器，它的主要作用是限制发送信号的带宽，改善信号的边带频谱特性，有 良好的抗混叠效应。这里的信道可以是各种信道，既可以是有线信道也可以 是无线信道，如果是无线信道就需要对d a 转换后的信号进行上变频处理， 以调制到所需的频带上去。 o f d m 的接收端，是与发送端完全相反的过程。通过信道的信号经过低 通滤波器得到模拟信号，这个滤波器也被称为匹配滤波器，它的作用是对输 7 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 入信号中较强的频率成分给予较大的加权，对较弱的频率成分给予较小的加 权，由于匹配滤波器的这个特性我们可以从噪声中最佳地滤出有用信号。该 信号通过模数转换器( a n a l o g t o d i g i t a l ，a d ) 后变成数字信号，将这个数字 信号去除c p 并进行串并转换，然后由快速傅里叶变换( f a s tf o u r i e r t r a n s f 0 1 t i i ，f f t ) 数字处理器对该数据进行解调后得到并行复数信号，该信号 再经过并串转换和数字解调后恢复为与最初发送的原始信号基本相同的信号 完成整个接收过程。如图2 2 所示。 o f d m 发送端 击 l 并数 赴 并 插入 f 由 模 转 循环 f转转 前缀 换 t 换换 o f d m 接收端 信道 并 _ 卜一 由 去掉模 f 串 数 转 f 并插入 , ( - - - 循环 f转转 换 t 换前缀换 _ 卜一 图2 2o f d m 糸统买士见框图 2 1 2o f d m 信号正交性的分析 o f d m 调制信号d ( t ) 可以写成公式( 2 - 1 ) ，其x ( t ) 为复等效基带信号 踯，= 1 防f1 缶。- i 槲删m 7 卜砌) = x ( t ) e j 2 舐, ( 2 - 1 ) x ( f ) = 专篓d ( ，z ) e 口_ “， ( 2 - 2 ) 对x ( ，) 进行抽样，抽样速率为1 t ，即靠= k t ，则有 讹) = 专篓m 心删，= 脚p ( 刀) 】 ( 2 - 3 ) 哈尔滨t 程大学硕+ 学位论文 其中0 k ( n 1 ) ，由( 2 3 ) 式可以看出，o f d m 调制解调可以通过 发射端的i d f t 和接收端的d f t 变换来实现。而对于i d f t d f t 变换的计 算，通常都采用成熟的i f f t f f t 算法来实现，以大幅度减少计算量，提高 实现效率。图2 3 为包含4 个子载波的o f d m 符号。 4 图2 3 包含4 个子载波的o f d m 符号 设o f d m 信号发射周期为 0 ，t ，子载波数为n ，令，= 以+ ( i 一七) y ， z 、 为信号中的任两个子载波，可为子载波问频率间隔，由正交性计算 公式： r = c e x p ( j 2 a f k t ) e x p ( j 2 a f ，t ) + d t ( 2 - 4 ) 将z = 以+ ( f 一七) a f 矛1 1 ( 2 3 ) 式带入上式，可以得到： r ：r e x p c 2 万( 后一，y ，丁，出= 吾；主： c 2 5 ， 由上式可以得出结论，o f d m 信号任意子载波之间都是互相正交的。体 现在频谱上就是每个子载波的频谱为s i nx x 形状，其峰值对应其它所有载 9 1 8 6 4 2 o 2 4 6 8 j 0 o o 0 o o 0 0 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 波的频谱中的零点，因而o f d m 接收机能有效地对每个子载波解调。如图 2 4 所示。从图中可见满足正交性准则。当n 数目非常大时，所有载波组合 在一起时，总的频谱非常接近于矩形频谱如图2 5 所示，频带利用率理论上 可以达到s h a n n o n 信息论极限。这一点同单载波相比具有明显的优越性。在 实际应用中，由于难以制作适当的奈奎斯特滤波器，单载波系统的带宽利用 率很少超过8 0 ，而o f d m 系统可以实现近1 0 0 的频谱效率。另一方面， 由于各子载波上的信息是互不相关的，它们按指数规律相加，时域内的合成 信号非常接近于白噪声。早在5 0 年代，哈尔凯维奇就从理论上证明：要克服 多径衰落的影响，信道中传输的最佳信号波形应该具有白噪声的统计特性， 这从另一方面说明了o f d m 系统对抗多径干扰的潜力。 瑙 罂 s 1 凰 图2 4 o f d m 信号子载波频谱示意图 1 0 哈尔滨：r 程大学硕十学位论文 图2 5o f d m 信号各子载波合成频谱示意图 2 1 3o f d m 信号保护间隔和循环前缀 由于信道引起的码间干扰和信道间干扰( 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 ) 的存在，o f d m 信号子载波之间的j 下交性会受到破坏，无法在接收端通过f f t 将各子载波上的信息分开。尽管多载波调制可以延长符号周期，增强系统抗 i s i 的能力，但是这仍然不能完全消除i s i 。在引入n 个子载波后，信号的多 径时延相对于符号周期减小了，但是当前符号仍然会与前一符号的时延产生 重叠，从而产生i s i ，使子载波之间不再能够保持良好的正交状态。一个简单 的解决方法是增加符号周期或者增加载波数，以使i s i 造成的影响减少至可 以忽略。但由于多普勒频偏效应等困难以及f f t 计算量的限制，该方法并不 可行。 另一个方案就是在每个符号的前面加上保护间隔。该保护间隔扮演着缓 冲器的角色，其目的是使先前符号产生的多径信号在当前符号到达接收机之 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 前消失，从而避免了使用复杂的均衡器来克服i s i ，这也是o f d m 系统的一 个优势。保护间隔的长度必须至少等于时延扩展，大多数系统将保护间隔设 定为最大可允许的时延扩展加上一定的误差余量。加了保护时间后一个 o f d m 符号的持续时间变为： t t t + 瓦 ( 2 - 6 ) 丁为o f d m 的符号周期，等于子载波频率间隔的倒数，疋为保护间隔。 保护间隔的插入，导致o f d m 的频谱利用率和系统传输速率的下降，降至原 来的t ( 丁+ 疋) 倍。因此疋的选取通常小于t 4 ”。 保护时间内的信息设置为何值是个需要考虑的问题。如果将保护时间内 的信息置为空，则由于多途传播的影响，将使各子载波之间丧失j 下交性，而 导致子载波间的干扰4 1 。o f d m 中采用循环扩展前缀( c y c l i cp r e f i x ，c p ) 作 为保护间隔，即将一个o f d m 符号中的最后一段数值复制后，添加到o f d m 符号的前面，如图2 6 所示。 一一、 图2 6 加循环扩展前缀的o f d m 符号 o f d m 系统中，由于引入了保护间隔，降低了对同步的要求。由于保护 间隔是数据信号最后l 个采样点的完全复制，所以如果符号同步位置没有估 计正确，而是估计到保护间隔内，由f f t 的循环移位定理可知，参照图2 7 ， 可以得到下面的结果： 图2 7 多途叠加的o f d m 符号 设，( 门) 是接收到信号的一个长度为n 的数据序列，尺( 尼) = 阡丁 厂( 门) ，m 1 2 哈尔滨1 二稃大学硕十学侮论文 为同步位置估计差值，( 行) 为由估计的同步位置采样得到的数据序列，长度 也为n ，r ( 七) = 阡丁旷( 行) 】。可以看到，( 以) 是r ( n ) 的一个循环移位，则由 f f t 的循环移位定理得： r ( 七) = e x p ( j 2 x k m ) r ( 七) ( 2 - 7 ) 因此，若同步位置估计偏差m 个采样点，经过f f t 后仅相当于相位偏 转2 x k m n ，可以在f f t 输出端估计出并加以校正。这样就保证在f f t 周 期内，时延小于保护间隔的时延信号就不会在解调过程中产生i c i 。 由( 2 2 ) 式，加循环前缀后的一个码元的时域表示可以写为： n - i x ( t ) = d ( n ) e x p ( j 2 n f t )一t f t ( 2 - 8 ) n = 0 则完整的时域o f d m 信号可以表示为： + v l j ( f ) = d ( m ，n ) e x p ( j 2 n f , , ( t m t ) ) g ( 卜m t ) ( 2 9 ) d ( m ，n ) 是第m 个符号中第n 个子载波上调制的数据，g ( f ) 是每个符号的 脉冲波形，定义为： g ( f ) = 亿巍g 卯 ( 2 - 1 0 ) 当信号经过多途信道后，接收机接收到的信号可以表示为： r ( t ) = i s ( t r ) h ( r ，t ) d r + 行( f ) ( 2 - 11 ) 占 其中，乃( f ，f ) 为信道的冲击响应，n ( t ) 为加性高斯白噪声。 在时间段 f 丁，i t + 丁 内，对接收到的信号做傅立叶变换，由上式得到输 出信号为： = 吾鼻+ 7 r ( f ) e x p ( 一歹2 翮( f f 丁) it ) at (2- 12 ) 假设多途信道的冲击响应为： h ( r ，f ) = h o ( f ) 艿( f ) + h 。( f ) 占( r r 。) ( 2 1 3 ) 其中，是主信道的信号复包络，k 是第m 条路径的信号复包络，f m 是第m 哈尔滨j r 程大学硕十学何论文 条信道路径的时延，假设k 不超过丁，把f 。分为两类： 0 f 册疋沏= 1 ，m 1 ) ( 2 1 4 a ) 乙 r m t + t( m = m i + 1 ，m + m 2 ) ( 2 1 4 b ) 即m 。为相对延时不超过保护间隔的传输路径数目，m ：为相对时延大于 保护间隔的传输路径数目。 将公式( 2 - 1 3 ) 代入( 2 1 1 ) ，则由( 2 1 2 ) 我们得到： 铲+瓢p印吲r+2半-j2tmrmt(ho h m e - j 2 t m r m t ) 以，= + 办。p 叫2 玎+ 二警) 以， 一鬟篓- r mi - t gh m e - j 2 庸r r - j 华咖c c 半 蔫篆字k e - j 2 破( r - t ) i t - j 半咖c c 坐学型饥， ( 2 1 5 ) 一：nu 其中，s i n c ( x ) = a i i i , a ， 1 。，为加性高斯白噪声。 x 。 对公式分析可知，其中的第一项为所需要的信号乘以信道的响应，由于 存在多途传输的影响，信道的响应已不平坦，这是由于到达接收端的各个多 径传输信号的相位在各个子信道是不同的，因而在叠加后或被加强、或被衰 减。第二项为i c i ，是其余子信道在当前时刻发送的信号对该子信道的干扰， 这一干扰是由于o f d m 信号的严格正交性被多径传输破坏所造成的，式中的 s i n e 函数表明，与该子信道相隔较远的子信道由于s i n e 函数的拖尾较小，故 干扰较小，而相隔较近的子信道的干扰较大。第三项为i s i ，是各个子信道在 前一时刻发送的信号对该子信道当前时刻信号的干扰。 从上面的公式可以看出，若多径信道的相对时延不大于保护间隔，则公 式( 2 1 5 ) 右边的第二项和第三项就不存在，因为这两项是由大于保护间隔的多 径传输路径所产生。也就是说如果保护时段足够长，使得、满足公式( 2 - 1 4 a ) ， 则接收信号中不存在i c i 和i s i ，只含有本信道的信道特征分量和所传信号。 1 4 哈尔滨工程大学硕十学位论文 2 1 4o f d m 系统基本参数的选择 在o f d m 系统中，参数的选择需要在多项要求冲突中进行折中考虑。通 常来讲首先要确定3 个参数：保护间隔、符号周期和子载波的数量。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。一 般按照以下步骤来确定o f d m 系统的各参数： ( 1 ) 确定保护间隔：根据经验，一般选择保护间隔的时间长度应为移动 环境信道时延扩展均方根值的2 到4 倍。 ( 2 ) 选择符号周期：确定了保护间隔之后，便可以确定o f d m 系统符号 周期的长度。为了最大限度的减少由于插入保护间隔所引起的信噪比损失， o f d m 符号的长度要远远大于保护间隔的长度；然而符号周期长度的增大将 会增加系统实现的复杂度，频率偏差更敏感，因此在实际系统中，一般选择 符号周期长度为保护间隔长度的5 倍，这样由保护间隔的插入引起的信噪比 损失可控制在l d b 左右。 ( 3 ) 子载波数量的确定：子载波的数量可以直接利用一3 d b 带宽除以子载 波间隔( 即去掉保护间隔之后的符号周期的倒数) 得到。或者可以利用所要 求的比特速率除以每个子信道中的比特速率来确定子载波的数量。每个子信 道中传输的比特速率由调制类型，编码速率以及符号速率来确定。 ( 4 ) 子载波的调制方式：o f d m 的子载波调制一般采用q a m 或m p s k 方式。不采用频率调制方法的原因在于子载波是频率正交的，并且携带独立 的信息，调制子载波频率会破坏这些子载波的正交特性。只要使得o f d m 各 子载波保持正交性任何调制方式都是可以的，甚至各子载波采用不同的调制 方式也是允许的。 2 20 f d m 技术的优缺点分析 o f d m 技术之所以能够在众多当前以及面向未来的通信系统中得到广泛 的采用是因为o f d m 存在以下优点： ( 1 ) 频带利用率高 如图2 1 所展现的，o f d m 采用了相互正交的子载波，子信道的频谱可 以部分重叠，而不是采用传统的利用保护频带分离子信道的方式，从而提高 1 5 哈尔滨t 稃人学硕十学位论文 了频带利用效率。 ( 2 ) 抗噪声和多径衰落能力强 o f d m 系统可以把一个串行传输的高速数据流转化到多个低速率的并行 信道上，这样在每个子载波上传输的符号周期就相应地比同速率的单载波系 统上的符号周期长很多倍，从而使o f d m 对脉冲噪声和多径时延失真的抵抗 力更强。另外由于o f d m 系统把频率选择性衰落和脉冲干扰的影响分散到许 多个符号上，有效地使衰落或脉冲引起的突发错误随机化，这样通过子载波 的联合编码，对各个子载波进行统一的纠错编码达到了子信道间的频率分集 作用，也增强了对脉冲噪声和多径时延失真的抵抗力。 ( 3 ) 降低了均衡的复杂性 由于o f d m 系统把整个可利用带宽划分成许多个窄带子信道，对每一个 子信道而言，符号周期大大变长，单个子信道上的频率响应变得相对平坦了 许多，从而使信道引入的符号间串扰变得不再重要，因此需要的均衡要比串 行系统简单。通常只需一个简单的算法就能够使每个子信道上的均方误差得 到最小化。 ( 4 ) 易于实现真正的数字化调制解调 与传统的f d m 系统不同，随着数字信号处理技术和大容量可编程逻辑 器件技术的发展，借助于f f t i f f t 变换对，o f d m 系统在基带可非常容易 的实现对信号的全数字调制与解调，从而简化了通信系统的实现。 当然，o f d m 技术并非十全十美，制约它在实际通信系统中发挥设计性 能与广泛应用的两个主要缺点是： ( 1 ) 对同步错误的敏感，尤其对载波频率偏移和相位噪声非常敏感， 若不采取有效措施，多普勒效应也会对系统性能产生严重影响。 ( 2 ) 高峰均比问题，由于o f d m 信号是由多个经过调制的独立的子载 波信号相叠加而成，这样的合成信号就有可能产生较大的峰值功率，从而导 致较高的p a p r ，该值的增大会大大降低放大器的功率效率，对放大器的线 性度提出更高的要求。 2 3 本章小结 本章主要介绍了o f d m 技术的基本原理，给出了o f d m 系统实现方法 1 6 哈尔滨t 程火学硕十学何论文 及框图，讨论了o f d m 系统的关键技术，如同步技术，峰值平均功率比技术， 信道估计技术等，同时给出了o f d m 系统基本参数的确定，分析了o f d m 技术的优缺点，为后面的研究打下了坚实的理论基础。 1 7 哈尔滨下程人学硕十学位论文 第3 章o f d m 系统的峰值平均功率比 高峰值平均功率比( p e a k t o a v e r a g ep o w e rr a t i o n ，p a p r ) 是o f d m 系统 无法避免的主要缺点之一，也是o f d m 系统实际应用必须解决的关键技术之 一。由于高峰均功率比的存在，系统的功率放大器，a d ，d a 转换器等需要 具有很大线性动态范围，否则由此而引起的信号非线性失真，