（通信与信息系统专业论文）hinoc系统抗单频干扰技术的研究与实现.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 本课题来源于上海明波通信技术有限公司的国家基金核高基项目 ( 2 0 0 9 z x 0 10 3 3 0 0 3 0 01 ) 。h i n o c ( h i g hp e r f o r m a n c en e t w o r ko v e rc o a x ) 接入技 术一种利用有线电视网同轴电缆实现高性能双向信息传输的中国三网融合宽带 接入解决方案。在h i n o c 接入技术中，采用o f d m 传输方式。由于o f d m 系 统本身的抗干扰特性而受到邻近射频干扰的影响或者由于射频器件本身的非理 想特性，都会在信道中形成单频干扰，造成系统各方面性能的下降。使h i n o c 系统不能正常工作。而目前h i n o c 系统中却无任何抗单频干扰机制，所以对于 h i n o c 系统而言，如何消弱或者消除单频干扰，成为关系到整个系统性能的最 关键问题之一。 本文分析了单频干扰产生的原因、单频干扰的分析模型，根据单频干扰的 特性，结合其在h i n o c 系统中的表现形式，提出基于变换域门限判决的单频干 扰检测方案：利用受干扰的子载波上所得信号的功率远大于信号的平均功率的 特点，将接收到的信号通过快速傅里叶变换，在频域上进行子载波功率的比较， 判断单频干扰的存在性，若存在，同时得出单频干扰的频率和强度信息。 本文根据单频干扰检测方案得到的单频干扰检测信息，提出基于时域和频 域相结合的单频干扰抑制方案：对于所检测到的单频干扰，在时域采用陷波滤 波器滤除单频干扰，并基于自动增益控制机制调整信号功率；在频域对受单频 干扰的子载波进行屏蔽处理，使之不传输有效数据。 本文进行了基于变换域门限判决的单频干扰检测方案和基于时域和频域相 结合的单频干扰抑制方案的软件设计和硬件设计，并设计了相应的测试方案。 最后，对本文提出的抗单频干扰技术分别进行了软件仿真和硬件测试，测 试结果表明，在实际h i n o c 系统中存在强度相当于信号1 0 d b 的单频干扰时， 当单频干扰与系统子载波正交时，系统的性能提升了约1 2 d b ；当单频干扰与系 统子载波非正交时，系统性能提升了约8 d b 。而软件仿真的性能结果比实际测试 的结果还要好一些。 从上述结果可以看出，本文提出的抗单频干扰方案能够有效对抗单频干扰 对h i n o c 系统的影响。本课题分析与解决的问题对h i n o c 系统甚至是有线信 道o f d m 系统的设计与调试都有很好的实际指导作用。 关键字：h i n o c 系统，单频干扰，方案设计，硬件实现，仿真分析。 a b s t r a c t t h i sp a p e ri so r i g i n a t e df r o map r o j e c tn a m e dh i n o cf r o mn a t i o n a ln a t u r a l f o u n d a t i o no fc h i n a ( 2 0 0 9 z x 0 1 0 3 3 0 0 3 0 0 1 ) i n s h a n g h a ib w a v et e c h n o l o g y c o ，l t d h i n o c ( h i g hp e r f o r m a n c en e t w o r ko v e rc o a x ) a c c e s st e c h n o l o g yi sak i n d o fb r o a d b a n da c c e s ss o l u t i o n su s i n gc a t vc o a x i a lc a b l et oa c h i e v eh i g l lp e r f o r m a n c e b i d i r e c t i o n a li n f o r m a t i o nt r a n s m i s s i o nf o rt h r e e n e t w o r k s c o n v e r g e n c eo fc h i n a i n t h eh i n o ca c c e s st e c h n o l o g y , w eu s et h eo f d mt r a n s m i s s i o nm o d e d u et ot h e a n t i - i n t e r f e r e n c ec h a r a c t e r i s t i c sw h i c hc o u l db ei n f l u e n c e db yt h ea d j a c e n tr a d i o f r e q u e n c yi n t e r f e r e n c eo ft h eo f d ms y s t e m si t s e l fo rt h en o ni d e a lc h a r a c t e r i s t i co f t h er fd e v i c ei t s e l f , i nt h ec h a n n e li tw i l lb ef o r m e dw i t ht h es i n g l e f r e q u e n c y i n t e r f e r e n c e n l 每s i n g l ef r e q u e n c yi n t e r f e r e n c ew o u l dc a u s et h e p e r f o r m a n c e d e g r a d a t i o na n dt h eh i n o cs y s t e mc a l l tw o r kn o r m a l l y a n da tt h ep r e s e n th i n o c s y s t e mt h e r ei sn oa n ym e c h a n i s mf o rs i n g l e f r e q u e n c y i n t e r f e r e n c er e s i s t a n c e s oi n t h eh i n o cs y s t e m ，h o wt ow e a k e no re l i m i n a t es i n g l e f r e q u e n c yi n t e r f e r e n c e ，w h i c h i sr e l a t e dt ot h ep e r f o r m a n c eo ft h ew h o l es y s t e m ，b e c o m eo n eo ft h em o s tc r i t i c a l i s s u e s t h i sp a p e ra n a l y z e dt h ec a u s e so fs i n g l e f r e q u e n c yi n t e r f e r e n c ea n dt h e s i n g l e f r e q u e n c y i n t e r f e r e n c e m o d e l i n g a c c o r d i n g t ot h ec h a r a c t e r i s t i c so f s i n g l e f r e q u e n c yi n t e r f e r e n c e ，a n dc o m b i n e dw i t hi t sp e r f o r m a n c ei nh i n o cs y s t e m ， w ep r o p o s e dt h e s i n g l e f r e q u e n c y i n t e r f e r e n c ed e t e c t i o ns c h e m eb a s e do nt h e t h r e s h o l dd e c i s i o nm e c h a n i s mo nt h et r a n s f o r md o m a i n b e c a u s eo f t h es u bc a r r i e ri n t h es i n g l ef r e q u e n c ys i g n a lp o w e ri sf a rg r e a t e rt h a nt h ea v e r a g es i g n a lp o w e r , w ew i l l r e c e i v et h es i g n a lt h r o u g ht h ef a s tf o u r i e rt r a n s f o r m ，t h e nc o m p a r et h ep o w e ro fa l l t h es u bc a r r i e r s ，j u d g et h ee x i s t e n c eo ft h es i n g l e f r e q u e n c yi n t e r f e r e n c e i fi t e x i s t s ， c a l c u l a t st h ef r e q u e n c ya n d s t r e n g t ho f t h ei n t e r f e r e n c e a c c o r d i n gt ot h ed e t e c t i o ni n f o r m a t i o nf r o mt h es i n g l ef r e q u e n c yi n t e r f e r e n c e d e t e c t i o ns c h e m e ，w ep r o p o s e dt h es i n g l e f r e q u e n c yi n t e r f e r e n c es u p p r e s s i o ns c h e m e b a s e do nc o m b i n i n go ft h et i m ed o m a i na n df r e q u e n c yd o m a i ni n f o r m a t i o n i nt i m e d o m a i nu s ean o t c hf i l t e rf o rf i l t e r i n go u tt h es i n g l ef r e q u e n c yi n t e r f e r e n c ea n da d j u s t t h es i g n a lp o w e rb a s e do nt h ea u t o m a t i c g a i nc o n t r o lm e c h a n i s m ；i nf r e q u e n c y d o m a i nm a s kt h es u bc a r r i e rs i g n a lc o n t a m i n a t e db yi n t e r f e r e n c e m a d et h es o f t w a r e d e s i g na n dh a r d w a r ed e s i g nf o r t h es i n g l ef r e q u e n c y i n t e r f e r e n c ed e t e c t i o ns c h e m eb a s e do nt h et h r e s h o l dd e c i s i o nm e c h 砌s mo nt l l e t r a n s f o r md o m a i na n dt h es i n g l ef r e q u e n c yi n t e r f e r e n c es u p p r e s s i o ns c h e m eb a s e d0 n c o m b i n i n go ft h et i m ed o m a j na n df r e q u e n c yd o m a i ni n f o r m a t i o n a n da l s od e s i g n e d t h ec o r r e s p o n d i n g t e s tp r o j e c t t h es o f t w a r es i m u l a t i o na n dh a r d w a r et e s th a v eb e e nd o n ef o rt h es c h e m e t h e r e s u l t ss h o w e dt h a t ，i nt h ea c t u a lh i n o cs y s t e mw i t hs i n g l ef r e q u e n c yi n t e r f e r e n c e o ft h e i n t e n s i t ye q u i v a l e n tt o t h e s i g n a l o flo d b ，w h e nt h e s i n g l ef r e q u e n c y i n t e r f e r e n c ea n do n eo fs u bc a r r i e r sw e r e o r t h o g o n a l ，t h ep e r f o r m a n c eo ft h es y s t e m p r o m o t e da b o u t 12d b ；w h e nt h e s i n g l ef r e q u e n c yi n t e r f e r e n c ea n da n y o n eo f s u b 。c a r r i e rw e r en o n o r t h o g o n a l ，t h ep e r f o r m a n c eo ft h es y s t e mp r o m o t e da b o u t8d b a n dt h ep e r f o r m a n c er e s u l t so fs o f t w a r es i m u l a t i o nw e r ee v e nb e t t e r t h er e s u l t sa b o v es h o wt h a tt h i ss c h e m ew e p r o p o s e dc a l lb ev e r ye f f e c t i v ef o r t h es i n g l ef r e q u e n c yi n t e r f e r e n c er e s i s t a n c e t h i st o p i cw i l lb eag o o dg u i d et ot h e d e s i g na n dd e b u g g i n go fh i n o cs y s t e me v e no f d ms y s t e m k e y w o r d s ：h i n o cs y s t e m ，s i n g l ef r e q u e n c yi n t e r f e r e n c e ，s c h e m ed e s i g n , h a r d w a r er e a l i z a t i o n ，s i m u l a t i o na n d a n a l y s i s 武汉理工大学硕士学位论文 第一章绪论 本章首先介绍课题的研究背景，包括三网融合的大趋势和h i n o c 系统的相 关技术，以及h i n o c 系统中抗单频干扰技术的研究现状，接着给出本课题的研 究意义，以及本文的主要工作内容。 1 1 课题研究背景 1 1 1 三网融合的大趋势及h i n o c 技术的提出 三网融合是当前各国信息基础设施发展的共同趋势，也是网络领域研究和 应用的重要方向和热点课题【l 】。三网融合即电信网、广播电视网和互联网的融合， 涉及技术融合、业务融合、市场融合、终端融合乃至行业政策、管制等多方面 的融合。目前主要是业务应用方面的融合。通过技术改造，提供包括语音、数 据、图像等在内的综合多媒体通信业务。 要实现三网融合，需要建立能够支持各种类型数字化业务的强大网络进行 支撑【2 】o 在我国“十一五 发展规划中，首次将“三网融合”这一重大技术动向 写入其中【3 1 。根据全球三网融合的大趋势，结合我国有线电视网覆盖面广以及我 国地域广阔、人口众多且国民消费水平较低的国情，选择具有优异的性能价格 比的h f c ( h y b r i d f i b e rc o a x ) 网络构建宽带综合业务网1 4 j ，是一种切合实际的 做法。但由于目前基于h f c 网络实现的c a b l em o d e m 技术存在种种问题【5 ，6 j ，这 就需要我们自主研发新的适合我国具体国情的宽带接入技术。 有线电视网是我国重要的信息化基础设施，经过多年来的建设和改造，已 经发展成为由光纤干线和同轴电缆分配网络通过光节点结合而成的h f c 双向宽 带传输网络。另一方面，根据我国有线电视网标准，使用7 5 0 m h z 以下的频段 传输广播电视节目，而并未被使用7 5 0 m h z 以上频段的带外信道。据测算，在 该带外信道内有超过2 g b p s 的可用物理带宽。这就为利用有线电视网带外信道 构建宽带接入网提供了坚实的基础1 7 j 。 h i n o c ( h i g hp e r f o r m a n c en e t w o r ko v e rc o a x ) 技术就是在这样的背景下应 运而生的。h i n o c 技术是利用在现有有线电视同轴电缆设计基础上，在7 5 0 m h z 以上频带组建多业务宽带接入网。在同一根同轴电缆上可以通过频分复用方式 武汉理工大学硕士学位论文 构建多个h i n o c 信道为更多的用户提供更高速率的服务。h i n o c 技术可以完全 利用现有的有线电视网同轴电缆分配网络，只需要增加相应的h i n o c 设备( 包 括局端设备h b ( h i n o cb r i d g e ) 和终端设备( h i n o cm o d e m ) ) ，即可实现满 足三网融合的多接入技术。而且利用的是7 5 0 m h z 以上频段的带外信道，所以 不会与现有的电视信号产生冲突。用户可以边进行h i n o c 接入技术带来的高速 的数据传输业务边收看现有的电视节目。h i n o c 系统可以提供至少4 0 m b p s 的数 据传输速率，可以支持多种传统或者新型的增值业务。 1 1 2h i n o c 系统原理及技术特点 h 1 n o c 技术( 国家广播电影电视总局广播科学研究院，等： 高性能同轴 电缆接入网( h i n o c ) 物理层传输模式及媒质接入控制协议( 面向n g b 电缆接 入技术的建议方案) ，2 0 1 0 ) 是一种利用有线电视网同轴电缆，实现高性能双 向信息传输的实用高效的中国三网合一宽带接入解决方案。该系统网络最大覆 盖范围不小于1 0 0 米，频率范围为7 5 0 m h z 1 0 0 6 m h z ，保留更低频段和更高频 段的可扩展性。单信道带宽为1 6 m h z ( 8 m h z 可选) ，单信道内支持的最大用户 数为3 2 个。采用o 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 i n g 即正交频 分复用技术) 传输方式，t d d t d m a 双t 多址方式。支持动态带宽分配( d b a ) 、 网络管理、v l a n 和组播过滤功能。支持v o i p 、h d t w s d t v 、v o d 、高速上 网等传统与新型业务。 h i n o c 技术由于要实现至少4 0 m b p s 的高速传输，对于系统方案的设计要 求较高，为了最大限度的提高同轴电缆的利用率，h i n o c 系统采用数据帧的传 输方式，系统工作带宽为8 * nm h z ( 建议1 1 为2 ) ，系统采用单载波与o f d m 技术相结合的传输方式。每个帧由前导序列、保留字与负载段构成。前导序列 与保留字采用单载波方式，其中前导序列为p n 序列，用于帧同步等功能，保留 字暂定为零。负载段采用o f d m 方式，带宽内包含2 5 6 个子载波。为了抑制带 外干扰，频带两侧的子载波作为频域保护间隔，不用于传输信息，而用于传输 信息的有效子载波为2 1 0 个，有效带宽为6 5 6 2 5 nm h z 。 在h i n o c 控制协议高性能同轴电缆接入网( h i n o c ) 物理层传输模式及 媒质接入控制协议( 面向n g b 电缆接入技术的建议方案) 瞵j 中规定的h i n o c 系统发射机的功能模块构成如图1 1 所示： 2 武汉理工大学硕士学位论文 数星座o f d m 调组基带到 映射 斗 制加循环 帧 斗 射频变 前缀 换 图1 1h 1 n o c 系统发射机功能模块 来自上层的数据和心领信息经过加扰、前向纠错信道编码( 可选) 、星座 映射、o f d m 调制及插入循环前缀后，组成不同类型的帧，再经过基带到射频 信号的变换，最后通过射频单元发射。其中o f d m 调制部分是发射机的核心功 能模块。 1 1 3h i n o c 系统中抗单频干扰技术的研究现状 通常，通信系统中的抗干扰方法主要有以下几种： 1 ) 频率分集。将信号通过直接序列扩频或跳频，分散到非常宽的频带，从而 减小干扰的影响范围。 2 ) 时间分集。将信号进行时间跳变，分散到非常宽的时间段内，在不同的时 刻进行发送，从而减小干扰的影响程度。 3 ) 空间分集。通过使用多付天线来接收信号，然后再进行合并，迫使干扰信 号只能从某一付进入接收机从而对干扰信号的进行了很大程度的衰减，以减少 干扰的影响。 h i n o c 系统采用单载波与o f d m 技术相结合的传输方式，每一帧的负载段 采用o f d m 的方式，带宽内有2 5 6 个子载波。使用o f d m 的重要关键之一是可 增加抵抗频率选择性衰减的能力，亦增加抵抗单频干扰( 本文中的单频干扰包括 频率单一的干扰或者干扰带宽相对于整个系统很窄的窄带干扰等一切可以用单 一频率干扰来建模的干扰) 的能力。因为o f d m 系统把高速数据流通过串并转换， 使得每个子载波上的数据符号持续长度相对增加，而单频干扰只能影响一小部 分的子载波，因此o f d m 系统在某种程度上能抵抗单频干扰。而且在h i n o c 技术中，数据帧可以通过自适应调制机制以及前向纠错编码等方式有效地对抗 单频干扰。但是，当单频干扰能量相对于信号能量很大时，如果没有针对单频 干扰的一些特殊处理方法，系统解调性能将严重降低，而使得o f d m 的优势无 法体现出来。 在h i n o c 控制协议中也并没有之处相关的处理方法，而在实际的系统运行 3 武汉理工大学硕士学位论文 时，由于临近射频干扰或者射频器件的非理想性，经常会给系统带来单频干扰， 给系统性能带来很大的损失，所以抗单频干扰技术成为h i n o c 系统中最关键的 问题之一。 目前的文献中，通信系统中单频干扰抑制的方法很多，包括：利用了扩频 信号和单频信号频谱特性不同对干扰进行线性预测的方法、非线性预测方法； 利用感兴趣的信号扩展码和单频干扰的二阶统计量的线性码辅助方法，以及基 本上利用了有用信号和单频干扰信号的所有信息的最大似然码辅助技术等。多 年来的研究表明，抗单频干扰技术可以大幅度提高扩频通信系统的干扰容限。 已有的抗单频干扰技术大致可以分为三类：预测技术、变换域技术、码辅助技 术。 基于预测的抗单频干扰技术的基本思想是利用单频信号和宽带信号在可 预测性上的差异，得到一个单频干扰的精确复制，然后在接收信号中消除足够 的信号，从而达到抑制单频干扰的目的。基于预测的单频干扰抑制可分为线性 预测滤波器【9 小1 与非线性预测滤波器【1 乒1 8 】两种。该方法由于预测算法必须具有高 度的自适应性，实现复杂度很高，应用并不广泛。 在抗单频干扰技术中，最有用的技术之一是基于变换域的处理技术【l 眦3 1 。 在变换域的处理中，最基本的思想就是寻找一种合适的变换把干扰能量限制在 有限的变换域子带中，同时使有用信号的谱尽可能的扩散在整个变换域上，从 而大量的取出单频干扰。变换域抗干扰技术的研究主要集中在基于滤波器组和 子带变换的抗干扰技术方面。典型的处理方法是判断出干扰位置后，对各个变 换域系数以权值0 或l 进行加权，即取出受干扰影响较大的变换域系数，保留 受干扰影响较小的变换域系数。其中接收端加窗就属于最典型的变换域处理技 术。变换域抗干扰方法由于县有许多优点，被认为是一种极具潜力的抗干扰策 略，在时域很复杂的滤波过程可以在变换域经过简单的相乘来实现，而且在时 域无法实成的理想的滤波器传递函数，如矩形滤波器等，也可以很方便的在变 换域实现。 码辅助技术【2 抛7 】抗单频干扰主要用于当干扰时一个数据速率比扩频码速 率低得多的数字通行系统。通常情况下，所讨论的抑制单频干扰的大多数方法 多是基于预测一相减结构。在这些滤波器技术分析中，窄带信号被建模为确定 性正弦信号或者自回归信号，这样的模型大大简化了分析。当干扰是个数据 速率比扩频码片率低得多的数字通信信号时，这样的干扰虽然也是单频干扰， 但却不再适合模拟为确定性正弦信号或自回归信号。在这种情况下，需要采用 4 武汉理工大学硕士学位论文 数字干扰模型，来研究抑制这种数字窄带干扰的最有扩频接收机。 以上三种方法都是基于一般通信系统系统提出的，而目前的文献中并没有 针对h i n o c 系统的抗单频干扰方法。结合h i n o c 系统的特点，采用以上三种 方式的抗单频干扰抑制技术，普遍不足在于其方案的复杂度和鲁棒性。还有最 直接的方法是子载波屏蔽，但是仅仅在频域上采取子载波屏蔽的方法，只是被 动的绕开了干扰，并不能彻底的消除干扰的影响，特别是干扰严重的时候。所 以本文结合h i n o c 系统的特点，在基于变换域的处理技术的基础之上，提出了 基于变换域的单频干扰检测技术和时域频域相结合的单频干扰抑制技术，并经 过一系列的设计仿真与实现验证，证实了该技术的有效性和可靠性，而且实现 复杂度不高，鲁棒性较强，是一种真正适合h i n o c 系统的抗单频干扰技术。 1 2 课题研究意义 在h i n o c 系统中，在一直以来的协议中并没有任何关于抗单频干扰的处理 机制，但是现实的系统应用中，由于邻频干扰或者射频器件的非理想性等因素 总会给系统带来或多或少的单一频率的干扰或者其带宽相对于系统带宽很窄的 干扰，这些干扰通常情况下都可以用一单一频率的干扰进行建模分析，所以统 称为单频干扰。 单频干扰会对h i n o c 系统带来影响，特别是当单频干扰的强度较大的时候， 会严重影响系统的同步及解调性能，使系统接受性能严重恶化，不能正常工作。 而原有h i n o c 协议中并没有任何关于解决这一问题的考虑，所以抗单频干扰技 术成为h i n o c 系统提高性能的最关键技术之一。 h i n o c 系统主要采用o f d m 的调制技术，所以可以部分借鉴o f d m 系统 的抗单频干扰相关技术，同时必须结合h i n o c 系统本身的特点，研制出真正适 合h i n o c 系统的抗单频干扰技术，能真正提高h i n o c 系统的性能。 本文针对h i n o c 系统的特性和单频干扰的特性，进行分析，部分借鉴o f d m 系统的抗单频干扰相关技术，同时结合h 1 n o c 系统本身的特点，提出基于变换 域的单频干扰检测技术和时域频域相结合的单频干扰抑制技术，并进行了仿真 实现验证，提出的抗单频干扰技术对h i n o c 系统甚至o f d m 系统的应用都有 着指导意义。 s 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 本文的主要工作 目前h i n o c 系统中无任何抗单频干扰机制从而使得抗单频干扰技术成改善 h i n o c 系统性能的最关键技术，针对这一情况，本文研究了真正适用于h i n o c 系统的抗单频干扰方案的设计与实现，主要从单频干扰的检测和单频干扰的抑 制两个方面着手，完成了其方案的研究设计和硬件实现，并在h i n o c 系统中完 成了仿真测试及验证，提高了h i n o c 系统抗单频的性能，并提高系统的吞吐量， 在h i n o c 系统存在单频干扰时，保证系统能正常运行。 论文的主要工作内容如下： 第一章绪论部分主要介绍了本课题的三网融合及h i n o c 技术的研究背景及 研究意义，并介绍了论文的主要工作和结构安排。 第二章进行h i n o c 系统单频干扰分析，研究了单频干扰在h i n o c 系统中 产生的原因和单频干扰模型的建立，详细介绍了单频干扰对h i n o c 系统产生的 影响原理及现象。 第三章主要介绍h i n o c 系统抗单频干扰方案研究，包括基于门限判决的变 换域单频干扰检测方案和时域频域相结合的单频干扰抑制方案。给出了详细的 方案原理说明，并通过c 语言平台的仿真，比较分析了方案的有效性和性能。 第四章主要介绍了h i n o c 系统抗单频干扰技术硬件实现，包括基于门限判 决的变换域单频干扰检测方案硬件实现和时域频域相结合的单频干扰抑制方案 的硬件实现。给出了详细的硬件设计方案以及模块化设计实现，并通过f p g a 及h i n o c 系统真实运行场景的测试与验证，进一步证明了方案的有效性和优越 性。 第五章对本文所涉及的设计工作进行了总结，并整理出设计中的不足之处 以及还需要进一步研究的内容。 6 武汉理工大学硕士学位论文 第二章h i n o c 系统单频干扰分析 本章首先阐述了单频干扰的产生机理和分析模型，然后通过算法分析及仿 真验证分析单频干扰对h i n o c 系统性能的影响，为抗单频干扰技术的提出提供 理论基础。 2 1 单频干扰产生机理及分析模型 本文中的单频干扰是指一切可以等效为单一频率的干扰，可以是单一频率 的干扰，也可以是几种频率非常相近的干扰组成的窄带干扰。由于窄带干扰在 系统的带宽中占非常小的一部分，所以为了方便研究，一般将这种窄带干扰等 效为一单一频率的干扰，进行建模，也称单频干扰。 单频干扰在信号上表现为有用信号上叠加了一个单一频率的信号，即一个 正弦信号，在h i n o c 系统中，单频干扰的主要来源【2 1 1 有： ( 1 ) 接收机的非线性失真或接收机硬件本身的直流不平衡，形成直流偏移， 直流偏移可以看成是频率为零的单频干扰。 ( 2 ) 邻近射频干扰，当信道中存在强载波信号( 如带载波的调制信号) ， 当载波的频率落在有用信号的带宽中时，与信号一起经过下变频之后干扰的载 波还是落在信号的有用带宽中，造成单频干扰。 ( 3 ) 射频器件的非理想特性，在正交上下变频器中，理想情况下是信号与 正交载波相乘的过程，但是由于硬件的非理想特性，导致向下变频之后信号携 带了上下变频器的载波信号，形成单频干扰。 单频干扰的一般分析模型为： x ( t ) = , 4 c o s ( w t + 妒) ( 2 一1 ) 其中a 为其幅度，w 为其频率，西为其相位。这即为本文中所讨论的单频 干扰的一般模型，这种干扰在h i n o c 系统中会带来各方面的影响，需要我们在 系统层面采取一定的措施消弱或消除单频干扰。 7 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 单频干扰对h i n o c 系统的影响 h i n o c 系统中采用o f d m 调制方式，单频干扰对h i n o c 系统的影响可以 从o f d m 系统的层面来进行理解。单频干扰对系统的影响主要体现在影响系统 的同步性能和恶化系统的s n r 性能。 2 2 1 单频干扰对h i n o c 系统同步性能的影响 同步在所有的通信系统中都有着非常重要的地位，其性能直接关系着整个系 统的性能。只有在系统达到同步之后，一切的通信过程才能成为可能，没有准 确的同步，就不可能有可靠的通信传输。数字通信系统中的同步主要分为网同 步，帧同步以及位同步三个层次【3 2 3 4 1 。对于o f d m 通信系统来说，主要有以下 几个方面的同步要求【3 5 3 8 】： 1 ：载波同步，接收端与发送端的载波频率相同，相位相同； 2 ：采样同步，接收端与发送端抽样的频率相同，起止时刻相同； 3 ：帧同步，发送端i f f t 与接收端f f t 变换的起止时刻相同； 单频干扰会对o f d m 系统的帧同步产生影响。o f d m 系统中常用的一种帧 同步方法是相关同步法，相关同步的原理是基于信号的相似性。假设发射端发 送一段用于帧同步的特殊序列x ( 七) ( 这个序列一般是伪随机序列) 作为每帧的 帧头，这个帧头序列经过信道时会受到噪声的影响，假设噪声为加性高斯噪声 甩( 七) ，信道的衰减系数为6 ，则收端接收到的信号为： y ( 七) = x ( k ) 幸6 + 甩( 七) ( 2 - 2 ) 将该接收到的信号与事先存储的本地序列x ( k ) 进行相关运算，得到g ( 七) g ( 后) = y ( 后) 宰x ( 七) = x ( 后) 宰x ( 七) 宰6 + x ( 七) 以( 后) ( 2 3 ) x ( 七) 是一段伪随机序列，伪随机序列具有的良好的自相关性与互相关性， 假设z ( 后) 的自相关值为么，则有： p 幸k 旷研) l = 苫，：二三 弦4 ， 式中，【1 ，表示圆周移位操作。由于加性高斯白噪声与任何其他的信号的互 相关结果为0 ，因此( 2 3 ) 是可以写为： 8 武汉理工大学硕士学位论文 g ( 后) = a 奎6 ( 2 5 ) 通过对g ( k ) 的判断即可识别出是否有帧头伪随机序列经过，从而达到帧同 步的目的。但是g ( k ) 的值是一个绝对相关值，它受到信道衰减因子的影响，一 般o f d m 会使用另一种相关值与绝对相关值一起来联合进行帧同步的检测，也 就是相对相关值r ( k ) r ( 尼) = 9 2 ( k ) p o w ( x ( k ) ) = a ( 2 6 ) p o w ( x ( k ) ) 为帧头x ( k ) 的功率通过对g ( k ) 与r ( k ) 的联合判断即可以知道是 否有帧的同步信号通过，即可以达到帧同步的目的。 单频干扰对o f d m 系统的影响之一体现在单频干扰会导致信号功率的增加 从而使得相对相关值下降，从而导致同步的失败。设信道中单频干扰信号为 s ( k ) = b e o s ( w k + ) ，则此时接收到的信号为： y ( 尼) = x ( k ) 幸6 + 5 ( 尼) - i - n ( k ) ( 2 7 ) 计算得到的绝对相关值为： g ( 尼) = y ( 七) 幸x ( 七) = x ( 七) 宰x ( 七) 宰6 + x ( 尼) 幸刀( j | ) + x ( 七) 幸s ( 七) ( 2 - 8 ) 七七七七 由于伪随机序列的互相关性，x ( 七) 掌，2 ( 七) = o ，x ( 尼) 奉s ( 后) = o ，所以有： kt g 。( 七) = g ( 七) = a 宰6 ( 2 9 ) 计算得到的相对相关值为： r ( 七) = 9 2 ( k ) p o w ( x ( k ) ) = r ( 后) ( 2 一l o ) 1 + 寿 从上述的推导可以看出，单频干扰并不影响帧同步的绝对相关值，但是由 于功率的增大，它会造成相对相关值的降低，当单频干扰强度比较大的时候， 相对相关值可能会低于预期设置的阈值，从而导致同步的失败。图2 1 、2 2 、2 3 是单频干扰对o f d m 系统帧同步的影响的仿真结果。 9 武汉理工大学硕士学位论文 耄 霉 s y n c h r o n l z a t i 0 1 1u n d 钎t h ei n l u e n c eo fs f i 图2 1 单频干扰对绝对相关值的影响 s y n c h r o n i z a t i o nu n d e rt h ei n f l u e n c eo fs f i 图2 2 单频干扰对功率的影响 s y n c h r o n i z a t i o nu n d e rt h ei n f l u e n c eo fs f i o a t ac o u n u n 图2 3 单频干扰对相对相关值的影响 从图2 1 中可以看出，单频干扰并不影响信号的绝对相关值，从图2 2 、2 3 可以看出单频干扰的加入提高了接收信号的功率，从而使得信号的相对相关值 降低。则在利用绝对相关值和相对相关值进行帧同步检测时候，会导致同步的 失败、丢失和误判等，从而严重影响h i n o c 系统的同步性能。 2 2 2 单频干扰对h i n o c 系统信噪比的影响 单频干扰不仅影响o f d m 系统的帧同步，它还使接收的信号的信噪比降低， f爸堂，墨，田，ni西，|q詈：i，ie 武汉理工大学硕士学位论文 影响整个系统的解调性能和系统吞吐量。 假设一个o f d m 系统中，发端的频域信号为嚷+ 以，七( o ，n 1 ) ，系统 有n 个子载波，符号的持续时间是丁，则发端经过过o f d m 调制后的时域波形 为： m ) ：n - i ( 叩。s ( 2 7 r 幸等) + b ks i n ( 2 7 r 木等) ) ( 2 1 1 ) 假设信号在经过信道的时候，受到了幅度为彳，频率为。，初始相位为妒加 性的单频干扰，此时，接收端接收到的信号为： r o ) ：n - 1 ( 叩。s ( 2 厅i k t ) + 以s i n ( 2 z r * 等) ) + a c o s ( 2 矾h 似o f 。岛 ( 2 1 4 ) 因此，当单频干扰的频率刚好为某个子载波的频率时，只会干扰与单频干 扰频率相等的那个子载波，对其他的子载波没有干扰，换句话，系统所有的子 载波中，只有与单频干扰频频率相同的子载波的信噪比会下降。图2 4 中在 h 1 n o c 系统中在4 m ( 为某个子载波的频率) 处添加强度相当于信号2 0 d b 的单频 干扰的时候，系统的各个子载波的s n r 值。其中h i n o c 系统有2 5 6 个子载波 ( 有效子载波数位2 1 0 个) 信道白噪声相当于信号为4 0 d b 。 n o n g l e - f r e q u e n o yi n t e l - f - r e n o 图2 - 4 单频干扰与某一子载波正交时系统的s n r 值 武汉理工大学硕士学位论文 从仿真结果中可以看出，当单频干扰与系统某一子载波正交时，仅对与它 频率相等的子载波的信噪比有影响，对其的子载波没有干扰作用。 另外的一种情况就是单频干扰的频率不等于任何一个子载波的频率时，即 单频干扰和信号的子载波间非正交，接收到的信号经过解调后为： a k + ，枣b t = a k + ，6 + a e - j p 叫f ( 兀+ i ，r 矿s i n ( t r ( - f o + k t 一) t ( 2 1 5 ) 。 万( o + 七t ) t 从上上可以看出，系统所有的载波上的数据都会被这个单频干扰信号干扰， 并且离单频干扰频率点越近的子载波所受到的干扰会越大。图2 5 在h i n o c 系 统中在4 0 3 1 m ( 不与任何一个载波正交) 处添加强度相当于信号2 0 d b 的单频干 扰的时候，系统的各个子载波的s n r 值情况。其中h i n o c 系统有2 5 6 个子载 波( 有效子载波数位2 1 0 个) ，信道白噪声相当于信号为- 4 0 d b 。 ( a ) 无单频干扰时系统s n r 曲线( b ) 无单频干扰时系统s n r 曲线 图2 5 单频干扰下系统的s n r 曲线 从图2 5 的仿真结果上可以看出，当单频干扰的频率不与某个子载波上相等 时，单频干扰频率点附近的所有子载波都会受到干扰。并且越靠近这个频率点 的子载波所受到的干扰越大。 武汉理工大学硕士学位论文 c o n s t e l l a t i o nw i t h o u tt h ei n i t u e c l k 冶o fs f i 9 ：o9o ：o9o ：o ：o6o ：ooo ：q 1 0 ( ) 0 - 5 0 0 0 5 0 01 0 0 01 5 0 0 伽卜霉舞量翻噫萋 1 0 w r 。t 1 r 1 广= 一 5 0 0 - e 蟹一孽7 孽蹲够和莲 o 【一一羹扣曼一蔓当嘲笺一戋一蚕，霉一 o f - 凄j i i 箩事一净耐一霉一i 一彰一 棚 一一萝一，一番j 吩一i 雾。一 i o ，：警d l b 幽蚤，。 1 0 0 0 f 一赣唪螂赫蕊一 ( a ) 没有单频干扰时系统的星座图 ( b ) 存在单频干扰时系统的星座图 图2 - 6 单频干扰导致星座图的恶化 虽然在单频干扰频率不同情况下对子载波的s n r 值的影响有所不同，但它 们都会影响系统的时偏和频偏估计，从而严重影响系统的解调性能，使接收信 号的星座图变得模糊，增加系统的误码率。图2 - 6 为在h i n o c 系统中在4 m ( 与 一个子载波正交) 处添加强度相当于信号2 0 d b 的单频干扰的时候，接收端的星 座图情况。其中系统采用6 4 q a m 的调制方式，信道白噪声相当于信号为4 0 d b 。 从图中可以看出，接收到的星座图由于单频干扰的加入会产生旋转