（通信与信息系统专业论文）基于混沌序列的ofdm同步算法.pdf

声明尸刚 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于混沌序列的o f d m 同 步算法，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的 研究工作和取得的研究成果。据本人所知，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 华北电力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。 学位论文作者签名：垄塑 日 期：垫! 望：l ： 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用 影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被 查阅或借阅；学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意 学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名： 日期： 么 ) o l ot 弓6 导师签名：匣垦垒 日期：鲨! ! ：兰：2 华北电力人学硕十学何论文 摘要 正交频分复用( o f d m ) 技术具有良好的频谱利用率、抗符号干扰和抗 多径衰落等优点，是无线通信领域的研究热点。 、 本文着重研究基于混沌序列的o f d m 同步算法。首先在分析已有的几个 混沌系统的基础上提出一个新的超混沌系统。然后仿真几种经典的同步算法 并提出基于混沌序列的同步算法，其中包括基于等分结构训练序列的 s i s o o f d m 符号和载波同步算法、改进的s c h m i d l & c o x 的s i s o o f d m 符 号和载波同步算法和基于混沌序列的m i m o o f d m 符号和载波同步算法。 仿真结果表明基于本文算法具有较高精度定时偏差和载波频偏估计。同时由 于混沌序列是由混沌系统方程和初始值决定，且混沌系统对初始值十分敏 感，用混沌序列替代常规的训练序列从某种程度上增强算法的保密性。 关键字：o f d m ，同步，混沌系统 a b s t r a c t 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 gt e c h n o l o g yh a st h ea d v a n t a g e s o fg o o ds p e c t r a le f f i c i e n c y , a n t i - s y m b o li n t e r f e r e n c e ，a n t i - m u l t i p a t hf a d i n ga n di s t h er e s e a r c hf o c u si nt h ef i e l do fm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s 0 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 mb a s e d o nc h a o t i c s e q u e n c e i s r e s e a r c h e d f i r s t l y , an e wh y p e r c h a o t i cs y s t e mi sp r e s e n t e di nt h ea n a l y s i so f s e v e r a l c h a o t i cs y s t e m s t h e nt h e0 f d ms y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h mb a s e do n c h a o t i cs e q u e n c e si sp r e s e n t si nt h es i m u l a t i o no fs e v e r a lc l a s s i ca l g o r i t h m s w h i c hi n c l u d e ss y m b o la n dc a r r i e rs y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h mo fs i s 0 0 f d m s y s t e mb a s e do nla t t a i n m e n ts t r u c t u r e i m p r o v e ds c h m i d l & c o xs y m b o la n d c a r r i e l s y n c h r o n i z a t i o na l g r o r i t h mo fs i s 0 0 f d ms y s t e ma n ds y m b o la n d c a r r i e rs y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h mo fm i m o o f d ms y s t e mb a s e do nc h a o t i c s e q u e n c e s t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h e s ea l g o r i t h m sh a v eh i g h e r a c c u r a c yo fs y m b o lt i m i n go f f s e te s t i m a t i o na n dc a r r i e rf r e q u e n c y0 f f s e t e s t i m a t i o n s i m u l t a n e o u s l y , t h ec o n f i d e n t i a l i t yo ft h es y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h m i se n h a n c e db yu s i n gc h a o t i cs e q u e n c er e p l a c et h ec o n v e n t i o n a lt r a i n i n gs e q u e n c e a st h a tt h ec h a o t i cs e q u e n c ei sd e p e n d e db yc h a o t i cs y s t e me q u a t i o na n di n i t i a l v a l u e s a n dt h ec h a o t i cs y s t e mi sv e r ys e n s i t i v et ot h ei n i t i a lv a l u e z u oq i ( c o m m u n i c a t i o na n di n f o r m a t i o ns y s t e m ) d i r e c t e db yp r o f t a n gl i a n g r u i k e y w o r d s ：o f d m ，s y n c h r o n i z a t i o n ，c h a o t i cs y s t e m 华北电力人学硕十学位论文 目录 中文摘要 英文摘要 第一章绪论1 1 1 选题背景和研究意义1 1 2 国内外研究动态2 1 3 论文结构及主要内容安排3 第二章o f d m 系统的基本原理5 2 1s i s o o f d m 系统5 2 1 1s i s o o f d m 系统基本原理5 2 1 2s i s o o f d m 信号描述7 2 2m i m 0 - 0 f d m 系统8 2 2 1m i m o o f d m 系统基本原理8 2 2 2m i m o o f d m 信号描述9 2 3 小结1 0 第三章o f d m 系统的同步技术与同步误差1 1 3 1 信道描述1 1 3 2o f d m 系统同步技术的概述1 3 3 3s i s o o f d m 系统的同步误差1 4 3 3 1 符号定时偏差1 4 3 3 2 频率偏差1 5 3 4m i m o o f d m 系统同步误差1 8 3 4 1m i m o o f d m 系统同步误差模型1 8 3 4 2 同步误差对m i m o o f d m 系统的影响1 9 3 4 2 1 符号定时误差1 9 3 4 3 2 载波频率偏差2 1 3 5 小结2 2 第四章混沌系统分析2 3 4 1 混沌基本理论2 3 4 1 1 混沌定义2 3 4 1 2 混沌的基本特征2 4 华北电力人学硕十学位论文 4 1 3 奇怪吸引子2 5 4 1 4 分又及l y a p u n o v 指数2 6 4 2 混沌模型2 7 4 2 1 改进的l o g i s t i c 混沌模型2 7 4 2 2l o r e n z 混沌模型2 9 4 3 超混沌模型3 2 4 3 1 王超混沌模型3 2 4 3 2 新的超混沌系统3 6 4 4 混沌系统性能分析4 1 4 5 小结4 2 第五章符号定时同步4 3 5 1o f d m 系统传统定时同步算法4 3 5 1 1s c h m i d l & c o x 定时同步算法4 3 5 1 2m i n n & l e t a i e f 定时同步算法4 5 5 1 3p a r k & c h e o n 定时同步算法4 6 5 2 基于混沌系序列的定时同步算法4 9 5 2 1 基于混沌序列的s i s o o f d m 定时同步方法4 9 5 2 1 1 基于z 等分结构训练序列的定时同步算法4 9 5 2 1 2 改进的s c h m i d l & c o x 定时同步算法5 2 5 2 2 基于混沌序列的m i m o o f d m 定时同步方法5 5 5 3 小结5 7 第六章载波同步5 8 6 1o f d m 系统传统载波同步算法5 8 6 1 1m o o s e 载波同步算法5 8 6 1 2s c h m i d l & c o x 载波同步算法6 0 6 2 基于混沌序列的载波同步算法6 3 6 2 1 基于混沌序列的s i s o - o f d m 载波同步方法6 3 6 2 1 1 基于等分结构训练序列的载波同步算法6 3 6 2 1 2 改进的s c h m i d l & c o x 载波同步算法6 5 6 2 2 基于混沌序列m i m o o f d m 载波同步方法6 7 6 3 小结6 8 华北电力人学硕十学位论文 第七章总结和展望6 9 参考文献7 l 致谢7 6 在学期间发表的学术论文和参加的科研项目7 7 华北电力人学硕十学何论文 1 1 选题背景和研究意义 第一章绪论 现代无线通信技术的发展始于2 0 世纪2 0 年代，但直到2 0 世纪7 0 年代中期才 得到蓬勃发展。1 9 7 8 年底，美国贝尔实验室成功研制先进移动电话系统系统，并搭 建蜂窝模拟无线通信网。欧洲和同本也相继开发出模拟蜂窝移动通信网。这一阶段 诞生的模拟移动通信统称为第一代移动通信系统，简称l g ( t h e1 s tg e n e r a t i o n ) 。l g 系统的核心技术为频分多址( f d m a ) 和模拟技术，它的主要缺点是频谱利用率低、 系统保密性差和抗干扰能力差，仅达到模拟话音一般的质量要求，并不能满足f 1 益 增长的用户需求。从2 0 世纪8 0 年代中期开始，数字移动通信系统开始发展并进入 成熟时期。欧洲率先推出全球移动通信系统( g s m ：g l o b a ls y s t e mf o rt h em o b i l e c o m m u n i c a t i o n s ) ，美国和r 本随后也相继推出了各自的数字移动通信系统。2 0 世纪 9 0 年代初，美国高通公司推出了窄带的码分多址蜂窝移动通信系统( c d m a ：c o d e d i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) ，随后这种新的无线接入技术在无线通信领域占有越来越 高的地位。这些数字无线通信系统被称为第二代移动通信系统，简称2 g ( t h e2 n d g e n e r a t i o n ) 。2 g 系统以g s m 系统和i s 9 5 系统为代表，达到了高质量的语音通信要 求且传输速率为9 6 k b p s 。g p r s ( g e n e r a lp a c k e tr a d i os y s t e m ) 和e d g e ( e n h a n c e d d a t ar a t ef o re v o l u t i o n ) 被视为二代到三代过渡技术，在2 g 的基础上增加了无线数 据通信业务。随着人们对通信业务的范围和速率的要求不断提高，现有的2 g 通信 网已很难满足新的业务需求。为了满足市场的需求，业界已开始研制第三代移动通 信系统3 g ( t h e3 n dg e n e r a t i o n ) 。3 g 系统以c d m a 技术为核心，其最大的传输速 率为2 m b p s ，能够支持互联网接入、视频及其它更高速率的业务，在话音业务基础 上提供互动多媒体业务，如多媒体视频会议、国际互联网接入、文件传输和电子邮 件等多种业务。随着移动用户对通信速率和业务种类的需求不断增加，移动通信技 术的飞速发展，未来移动通信将朝着高速率传输、多业务种类的方向发展i l 之j 。4 g ( t h e4 n dg e n e r a t i o n ) 通信系统计划以正交频分复用( o f d m - o r t h o g o n a lf r e q u e n c y d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 为核心技术提供增值服务l 】。 较之3 g 通信系统，采用多种新技术的o f d m 系统具有良好的抗多径干扰能力 和更高的频谱利用率，它不仅增加系统容量，更重要的是能更好的满足多媒体通信 要求，包括语音、数据、影像等大量信息的多媒体业务。作为一种高效的并行传输 技术，o f d m 将高速数据流在多个子载波上并行传输，大大增长了符号周期，增强 了抗码间干扰和信道衰落的能力，适用于恶劣的无线多径衰落信道中p 。6 j 。然而 o f d m 系统对同步误差十分敏感，首先，由于o f d m 信号的解调是通过f f t 变换 l 华北电力人学硕十学位论文 完成的，必须从接收信号中提取出准确的符号起始位置，即确定f f t 变换窗口的起 始位置以减少码间干扰( i s i ) ，其次各个载波之间保持j 下交才能解调得到每一路的 数据，如果载波发生频率偏移，各个子载波之间的正交性受到破坏，将引起严重的 载波间干扰( i c i ) ，每个子载波上的数据都将受到其余多个子载波上数据的干扰， 解调性能迅速恶化。因此如果o f d m 同步技术未得到很好的解决，就会使o f d m 整体性能下降，所具有的各种优点无法得到充分的体现【7 8 】。 混沌序列只由混沌系统方程和初始值决定，可产生任意长周期的序列，对初始 值敏感，自相关性良好【9 。1 0 】。将混沌系统运用到o f d m 同步可以增强系统的保密性， 增强抗破译，提高o f d m 的同步精度。因此尝试将混沌序列用于o f d m 同步算法 的研究，对o f d m 系统同步性能的改善具有重大研究意义。 1 2 国内外研究动态 由于同步技术对o f d m 系统的性能有着十分重要的影响，因此o f d m 系统的 符号同步和频率同步的研究已成为o f d m 技术领域的热点。1 4 1 。至今为止，人们已 经提出各种符号同步和载波同步算法。同步算法大体上可分为基于数据辅助的同步 估计算法和非数据辅助同步估计算法两类。其中，数据辅助算法是通过使用训练序 列或导频序列对时间、频率同步参数进行估计【1 5 2 0 1 。这类算法的同步估计性能一般 比较好，但由于插入了训练序列或导频序列，会使系统的数据效率有所降低。这类 算法的研究主要集中与如何设计更加合理的训练序列或导频序列及其结构。非数据 辅助的同步估计算法不需要使用训练序列或导频序列，而是利用传输信号本身具有 的统计信息进行同步估计【2 卜2 3 1 。这类算法的主要优势是可以充分利用宝贵的频谱资 源，具有较高的数据效率，缺点是在同步性能上不如数据辅助类算法，算法的运算 复杂度也相对较高。 在数据辅助类同步算法方面，1 9 9 4 年m o o s e 提出基于最大似然估计( m l e ) 的载波估计算法【2 4 1 ，其基本思想是通过在接收端计算f f t 变换符号相位差从而得到 载波频率偏移的估计，是一种基于重复符号的同步算法。该算法缺点是未能提供符 号同步，且只能估计小数倍频偏值。同年c l a s s e n 提出利用自相关函数进行频偏和 定时偏差的联合同步【2 5 1 ，但该算法采用步长搜索的方式进行频偏估计，计算量太大。 1 9 9 7 年，s c h r n i d l & c o x 对c l a s s e n 算法进行改进【2 昏2 7 1 ，利用两个训练序列完成符号 和频率的联合同步。该算法较适用于分组和连续传输的o f d m 系统，相对于c l a s s e n 算法，该算法在不降低符号和频率同步精度的情况下，提高了算法的速度，较好的 解决了o f d m 系统的符号和频率联合同步问题。1 9 9 9 年，m o r e l l i 提出在一个o f d m 符号长度内使用多等分结构的训练符号的方案【2 8 1 ，从而扩大频偏估计的范围，并提 高估计的精度。基于m o r e l l i 算法，h y o u n g k y us o n g 提出多个重复短训练符号结构 2 华北电力人学硕十学 7 ：论文 【2 9 1 ，并采用多级算法分步获得载波频率偏移的估计，在保证估计精度的情况下扩大 载波频率估计范围。针对s c h m i d l & c o x 算法中存在的定时平台问题，m i n n 修改训 练序列的内部结构，使得符号同步的性能得到改善【3 0 1 。p a r k 进一步改进 s c h m i d l & c o x 算法中训练序列的结构，从而进一步提高了符号同步的精度【3 。此后， 研究人员的工作主要集中在提出一系列改进的训练序列或导频序列及其结构，用以 提高同步估计的性能和数据传输效率，并降低系统复杂度。2 0 0 3 年，马章勇等人设 计特殊的导频符号【3 2 1 ，通过导频符号的相关性估计定时偏差和频率偏差，并利用过 采样技术提高估计精度。2 0 0 5 年，严春林等人构造了一种具有重复结构的同步训练 序列【3 3 1 ，并通过两次频率偏差估计完成频率同步。2 0 0 6 年，罗仁泽等人采用叠加训 练序列作为o f d m 系统的同步训练序列【3 4 】，通过叠加训练序列的能量分配来实现 o f d m 同步。同时，罗仁泽等人还将改进的l o g i s t i c 混沌序列用于o f d m 同步p 引， 该算法基于常规的t u f v e s s o n 算法【3 6 1 ，将混沌序列替代p n 序列，提高了算法的同 步精度，在一定程度上增强了系统的保密性，但由于改进的l o g i s t i c 混沌系统相对 简单，算法的保密程度并不高。目前国内外对将混沌序列用于o f d m 同步的研究还 比较少。 在非数据辅助的o f d m 同步算法方面，1 9 9 7 年，v a nd eb e e k 首先提出了使用 利用循环前缀中包含的冗余信息估计符号定时偏差和载波频率偏差1 37 1 ，该算法称为 最大似然( m l ) 法，可以估计的频偏范围为正负一个子载波问隔。由于该算法在加 性高斯白噪声信道下提出，因此并不适合色散信道。针对循环前缀的相关性在多径 信道环境下变差的缺点，t a k a h a s h i 提出使用原始数据符号与循环前缀的幅度差进行 同步位置提取【3 8 1 。该算法在高信噪比条件下可提高系统的同步精度，但在低信噪比 条件下同步性能较差。c h e n 提出利用迭代算法降低最大似然法的计算复杂度，并提 出寻找迭代收敛可靠的初始点的算法【3 9 】。由于基于循环前缀的同步算法的主要缺点 是易受到多径的干扰，因此非数据辅助的同步算法的主要研究方向是提高多径信道 下算法的性能。利用o f d m 接收信号本身所具有的二阶循环平稳特性，b y u n g j o o n p a r k 于2 0 0 4 年提出利用接收信号自相关函数中包含定时偏差和载波频率偏差信息 对同步参数进行估计，该算法的优点是对衰落信道具有适应性该算法，但它不适用 于子载波个数多或接收信号是高斯随机过程的情况f 4 0 1 。h u il i u 和u f a u kt u r e l i 等人 提出基于子空间方法的o f d m 同步算法【4 卜4 2 1 。张艳等人提出的基于m u s i c 算法的 o f d m 系统参数盲估计仿真算法，该算法将空间谱估计中的多重信号分类算法应用 于o f d m 系统参数盲估计【4 3 1 。2 0 0 5 年，郭罩婷等人通过扩大周期平稳信号的循环 周期，提出一种基于信号周期平稳特性的盲参数快速估计方法。该算法可实现整个 o f d m 基带带宽范围内的频偏估计【4 4 1 。 1 3 论文结构及主要内容安排 华北电力人学硕十学位论文 本文将o f d m 系统分为s i s o o f d m ( 单输入单输出正交频分复用) 系统和 m i m o o f d m ( 多输入多输入正交频分复用) 系统，并分析其各自的优缺点。本文 的工作点主要体现在两个方面：其一是在分析现有的几种混沌系统的基础上，提出 一个新的超混沌系统，并分析其各种特性；其二是在分析几种传统的o f d m 算法、 仿真实现并进行性能比较的基础上，提出两种基于混沌系统的s i s o o f d m 符号定 时同步算法，两种基于混沌系统的s i s o o f d m 载波同步算法，一种基于混沌系统 的m i m o o f d m 符号定时同步算法，一种基于混沌系统的m i m o o f d m 载波同步 算法。 本文的章节安排如下： 第一章主要介绍选题背景及意义，讨论分析国内外对o f d m 同步算法的研究动 态，指出现阶段对混沌序列用于o f d m 同步算法的研究的必然性和重要性。 第二章主要介绍s i s o o f d m 系统基本原理、s i s o m i m o 信号的数学描述、 m i m o o f d m 系统基本原理和m i m o o f d m 信号的数学描述，并列举了o f d m 技 术和m i m o 技术的优缺点。 第三章主要介绍无线信道对信号的影响，阐述o f d m 系统的同步技术，推导定 时同步偏差和频率偏差对s i s o o f d m 系统造成的影响，在介绍m i m o o f d m 系统 同步误差模型的基础上，推导了符号定时偏差和频率偏差对m i m o o f d m 系统的影 响。 第四章首先介绍混沌基本理论，其主要包括混沌的定义、混沌的基本特征、奇 怪吸引子以及l y a p u n o v 指数，然后对改进的l o g i s t i c 混沌系统、l o r e n z 混沌系统和 王超混沌系统的奇怪吸引子、l y a p u n o v 指数、混沌序列的相关性等进行了详细的分 析，最后提出了一个新的四维系统，并验证该系统具有超混沌性以及分析其相关特 性。 第五章首先介绍s c h m i d l & c o x 符号定时同步算法、m i n n 符号定时同步算法和 p a r k 符号定时同步算法这三种经典的传统算法，并对算法进行仿真实现，分析各自 的优缺点，然后提出两种基于新的超混沌系统的s i s o o f d m 符号同步算法和一种 基于新的超混沌系统的m i m o o f d m 符号同步算法，其中前者包括基于三等分结 构训练序列的符号定时同步算法和改进的s c h m i d l & c o x 符号定时同步算法。 第六章首先介绍m o o s e 载波同步算法和s c h m i d l & c o x 载波同步算法这两种种经 典的传统算法，并对算法进行仿真实现，分析各自的优缺点，然后提出两种基于新 的超混沌系统的s i s o o f d m 载波同步算法和一种基于新的超混沌系统的 m i m o o f d m 载波同步算法，其中前者包括基于等分结构训练序列的载波同步算 法和改进的s c h m i d l & c o x 载波同步算法。 4 华北电力人学硕十学位论文 第二章o f d m 系统的基本原理 2 1s i s o o f d m 系统 2 1 1s i s o o f d m 系统基本原理 o f d m 基本原理是将信道分成个带宽相等的子信道，发送端将输入的 串行高速码流转变成低速的并行码流，分别调制到一组相互正交的子载波 上。接收端利用这些子载波之间的正交性将每一路信号分离出来实现解调。 图2 1 为o f d m 系统的组成框图。 图2 - 1o f d m 系统模型 如图所示，发射端的输入信号经过相移键控( p s k ) 或者正交幅度调制 ( q a m ) 等映射方式形成调制信号，然后进行串并变换，将一路串行信号变 为并行的n 路。再通过o f d m 调制将数据调制到多个相互正交的子载波上 并再次进行并串变换，并经过数模转化模块，发送滤波处理和载波调制模块， 最后经过发射机发送出去。接收端执行与发送端相反的过程，对射频( r a d i o f r e q u e n c y ，r f ) 信号变频后进行抽样，得到离散的样点，然后估计定时偏差 寻找o f d m 符号的起始位置，估计频率偏差进行补偿频偏，再进行o f d m 解调补偿信号，得到最终的接收数据。 其中可用离散傅立叶逆变换( i d f t ) 来实现o f d m 调制，同样，在接 收端可以使用离散傅立叶变换( d f t ) 来实现o f d m 解调f 4 5 1 。离散傅立叶 华北电力人学硕十学位论文 变换是一种将时域和频域数字信号联系在一起的数学变换形式。快速傅立 叶变换( f f t ) 是d f t 计算应用的一种快速算法，由于其具有高速且易于实 现的优点，在实际的o f d m 系统中大都采用i f f t 和f f t 来实现调制解调。 在时域上，将输入的数据流串并变换到个并行的子信道上使得每个调 制子载波上的数据符号周期扩大为原始数据符号周期的倍，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干扰( i s i ) ，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 ) ，且该保护间隔的长 度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 下一个符号产生干扰。在这段保护间隔内，可以不插入任何的信号，作为一 段空闲的传输时段，如图2 2 所示。然而由于多径传播的影响，这种情况会 产生信道间干扰( i c i ) ，破坏子载波之间的j 下交性，即不同的子载波之间产 生干扰，如图2 3 所示。每个o f d m 符号所包括的非零子载波信号会同时出 现在该o f d m 符号的延迟信号中。图2 3 中给出的第一个子载波、第一个子 载波的延迟信号以及第二个子载波信号。如图所示，由于在f f t 运算时间长 度内，第二个子载波的多径延迟与第一个子载波之间的周期个数不再是整数 倍关系，从而第二个子载波的多径延迟与第一个子载波不满足正交关系，所 以当接收机试图对第一个子载波进行解调时，第二个子载波的多径延迟就会 对此造成干扰。同样，当接收机对第二个子载波进行解调时，第一个子载波 的多径延迟也会对第一个子载波造成干扰。 卜瓦 k 第扣1 个o f d m 符号第i d o f d m 符号 l 一一一一r 一 l 一一一一7 一 卜 图2 - 2 保护间隔消除i s i 6 华北电力人学硕十学侮论文 第个了载波 止，一 ? ，( 。 ，i 、，7 ，p 、 ，、 第一：个了载波 、，7 一、 波的多径延迟 图2 3 空闲间隔对i c i 的影响 拳， 为了消除多径所造成的i c i ，在o f d m 符号的保护间隔内插入循环前缀 信号，即将i f f t 之后得到时域信号的最后一段复制到保护间隔内，如图2 4 所示。这样就保证在f f t 周期内，o f d m 符号的延迟副本内所包含的波形周 期个数为整数，仅各个子载波的幅值和相位发生变化，而不影响各个子载波 的正交性。此时，只要时自j 小于保护间隔疋的时延信号，在解调过程中就可 避免产生i c i 。 复制 ，一 一i 匿= 二了二二二：囝 一一一+ 一一一 、： 瓦t ( f f t 瞰分时间度) 图2 4 带循环前缀的o f d m 符口结构 2 1 2s i s o o f d m 信号描述 首先，第k 个子载波上数据映射后的数据记为坝助，经n 点i f f t 变换 后，频域信号变为时域上的抽样信号工( 刀) ： m ) = 胛酗( 纠= 专薹砸矿删n = o , 1 , - , n - i ( 2 - 3 ) 华北电力人学硕十学位论文 插入长度为l 的循环前缀后，信号s ( 刀) 可以表示为： s c 行，= 二 菇+ 以：= 。- ，l 。，, - l ，+ 1 一, 。- 一1 c 2 - 4 ) 信号经过基带成型滤波器后进入信道，接收端信号a ( n ) o - - j 以表示为： r ( 刀) = s ( ，1 ) 圆j i l ( ，1 ) + m 万) ( 2 - 5 ) 式中| l ( 玎) 是信道的冲激响应，w ( 行) 是加性高斯白噪声。 无线通信系统中，假定信道是多径频率选择性衰落信道，其信道的冲激 响应用h ( r ，) 表示： h ( r ，f ) = 鸟( f 芦( r 一乃) ( 2 - 6 ) 式中h i ( t ) 是第，径的复冲激响应，f 为时延参数，_ 对应于第，径的时延， p 为多径个数。 通过接收端同步算法，估计出符号定时点和频率偏移，并删除循环前缀。 即： j ，( 疗) = r ( 刀+ 三) 刀= o ，l ，n l ( 2 7 ) 对y ( 行) 作f f t 变换后，得到频域解调信号y ( 助： y ( 后) = 肿 y ( 力) ) = y ( n ) e 一7 2 。h 7 ( 2 8 ) 2 2m i m o o f d m 系统 2 2 1m i m o o f d m 系统基本原理 ( 1 ) m i m o 技术 为了满足宽带多媒体业务的传输要求，新一代移动通信系统要求更高的 数据传输速率；另一方面有限的频谱资源又要求未来系统具有更高的频谱利 用率。在功率受限与频谱受限且信道恶劣的无线传输信道环境下，空间维的 利用对于提高系统性能有着非常重要的意义。m i m o 技术以其高速率、高频 谱的优点而备受关注。 华北电力人学硕十学位论文 发送接收 图2 - 5m i m o 系统的基本模型 前 三 鬻 窜 如图2 5 所示为m i m o 系统的原理图。传输信息流经过空时编码形成m 个信息子流z ，【后】( 待l ，2 ，m ，k = l ，2 ，n ) 。这m 个信息子流分别由m 个 天线发射出去，经空间信道后由，个接收天线接收。多天线接收机利用先进 的空时解码技术分开并解码这些数据子流，从而实现最佳的处理。 系统容量表示通信系统最大传输，是表征通信系统的重要标志之一。对 于发射天线数为m ，接收天线数为r 的m i m o 系统，功率和带宽固定时 多输入多输出系统的最大容量或容量上限随最小天线数的增加而线性增加。 而在同样条件下，在接收端采用多天线或天线阵列的普通智能天线系统，其 容量仅随天线数的对数增加而增加。 ( 2 ) m i m o 与o f d m 技术的结合 未来的宽带无线通信系统将存在两个严峻的挑战：带宽效率和多径衰 落。o f d m 技术通过在频域内将频率选择性多径衰落信道转换为平坦信道来 减少多径衰落的影响。而m i m o 技术能够在空间中产生独立的并行信道同时 传输多路数据流，在不增加系统带宽的情况下增加频谱效率。因此将o f d m 和m i m o 两种技术相结合，就能达到两种效果：1 ) 通过分级达到很强的可 靠性；2 ) 系统具备很高的传输速率。除此之外，在m i m o o f d m 系统中加 入合适的数字信号处理算法还能更好地增强系统的稳定性。 m i m o o f d m 技术通过在o f d m 传输系统中采用阵列天线来实现空间 分集，它同时利用了时间、频率和空间三个分集技术，使无线系统对干扰、 噪声和多径容限的大大增加。 2 2 2m i m o o f d m 信号描述 假设m i m o o f d m 系统中有m 个发射天线和f 个接收天线。串行的高 速信息比特流经过串并变换、映射编码等空时编码后成为m 个子数据流。这 些子数据流分别经过o f d m 调制，最后由m 个天线同时发射出去，如图2 - 6 所示。 9 华北电力人学硕+ 学位论文 一 酬：t 哕1y ，叭， 一 一一- o f d m i j $ f _ 一一、：，：= ：，一：o f d m 解调 p ! i 熏l 丽五语三：孓n 丧乏兰型f 。瓣之i 一曾j 一蓁一嘲j 嚣_ ： 耋| i - - 4 p y l n l 静!呲，乒七，。1 蓥 x 小p 声。i 。 一一l 一 po f d m 调制； l o f d m 解调l - 一 设o f d m 系统的载波数为n ，循环前缀的长度为m ，将第n 个o f d m 符号期间内发送的t 个采样记为向量j ( 以) ，将接收到的n , x ( n + n g ) 表示 为向量，( 刀) ，则有： s ( 行) = ( 0 m 飒以】，【万】) 7 ( 2 - 9 ) ，( ，1 ) = ( 枷】，规以】，嚏r ( 2 - 1 0 ) 其中叭行】_ ( s i i l l ，o 】，s i n ，l 】 ，i 【力，n - 1 ) rf = l ，2 ，m 乃【万】= ( - 以，o 】，r a n ，l 】，【甩，+ 以一l 】) 7 j = 1 ，2 ， 将第i 个发射天线和第j 个接收天线之间的信道冲激响应表示为h j i ( f ，0 ， 则m i m o 信道由一个r m 的矩阵坝刀) 给出： ( 以) = 【啊( 疗) ，红( ，1 ) ，h ( 刀) 】 ( 2 1 1 ) 囊( 刀) = 刀) ，k ( 露) ，h m , 肋) 】7 ( 2 1 2 ) m i m o o f d m 系统的接收信号可用矩阵形式表示为： ，( 刀) = h ( n ) xx ( ，1 ) + 从厅) 。 2 3 小结 本章首先介绍了s i s o o f d m 系统的基本组成框图，分析其发送端和接 收端的基础功能模块，且重点分析其f f t 调制和循环前缀模块，然后描述 s i s o o f d m 的信号的数学表达，接着介绍了m i m o o f d m 的基本原理，并 分析m i m o 技术与o f d m 技术的结合给m i m o o f d m 系统所带来优势，最 后描述m i m o o f d m 系统信号的数学表达。 l o 华北电力人学硕+ 学位论文 第三章o f d m 系统的同步技术与同步误差 3 1 信道描述 在一个理想的无线信道中，接收信号只包含一条直接路径，然而在实际 的陆地移动系统中，由于移动台处于城市建筑群等地形复杂的区域内，其天 线将接收来自多条路径的信号，再加之移动台自身的移动，使得基站与移动 台之间的无线信号多变且难以控制。对无线信道的建模通常采用统计的方法 【4 5 4 8 1 ，并且通过在特定频段上的信道测量来进行。电磁波的传播机理是多种 多样的，同样无线电信号通过无线信道时所受到的衰落也是多种多样的。 无线信道对信号的影响一般可以分为三种：( 1 ) 无线信道的大尺度衰落： ( 2 ) 阴影衰落：( 3 ) 多径衰落。无线信号的大尺度衰落和阴影衰落主要影 响无线区域的覆盖范围，合理的设计能使这些不利因素降到最低限度。而多 径效应却对信号的传输质量存在严重的影响，且不可避免的。除此之外，接 收端和发送端的相对移动还将导致多普勒效应。以下将详细介绍这三种衰 落。 ( 1 ) 无线信道的多径衰落 无线信道的主要特征就是接收机所接收到的信号是通过不同的直射、反 射、折射等路径到达接收机，即多径传播。不同相位的多个信号在接收端进 行叠加，同相叠加则会使信号幅度增强，而反相叠加则会削弱信号幅度。这 样接收信号的幅度将会发生急剧的变化从而产生衰落。 从时域的角度看，如果发射端发射一个窄脉冲信号，在接收端将收到多 个窄脉冲信号，每个信号的衰落和时延以及窄脉冲信号的个数都是不同的， 这就造成了信道的时间弥散性。这种由多径效应引起的接收信号宽度扩展现 象称为时延扩展。定义l 。，为最大时延扩展，图3 1 给出了接收端接收信号 的情况。在传输过程中，由于时延扩展，接收信号中的一个符号的波形会扩 展到其它符号中，从而造成符号间干扰( i s i ) ，i s i 限制了数字多通道系统的 最大传输符号率。 从频域的角度看，多径信号的时延扩展将导致频率选择性衰落，即针对 信号中的不同频率成分，无线传输信道会呈现不同的随机响应。由于信号中 不同频率成分的衰落不一致，经过衰落后，信号波形就会发生畸变。 因此，多径效应影响o f d m 系统同步定时的准确性，导致子载波信号的 幅度和相位畸变，破坏子载波的正交性，引入i c i 和i s i 。 华北电力人学硕十学位论文 功 率 双 ，厂 卜 1 r _ 一 7 图3 - 1 多径接收信口 7 一 时问 ( 2 ) 无线信道多普勒频移 信道的时变性是指信道的传递函数随时间发生变化，即在不同的时刻发 送相同的信号，在接收端接收的信号是不相同的，如图3 2 ( a ) 所示。多普 勒频移是时变性在移动通信系统中的具体体现之一，即单一频率信号经过时 变衰落信道之后会呈现为具有一定带宽和频率的包络信号，如图3 2 ( b ) 所 示，这又可称为信道的频率弥散性。 发送 广 ( a ) 信道时变性 1 2 接收 厂 _ 广 华北电力人学硕十学位论文 频率 一丁、接收机丁、 、 接收机 l 一一l 一j 一一!一_ l 一一- - - 砺石 频率 ( b ) 信道频率弥散性 图3 - 2 无线信道时变性示意图 信号的多普勒频移是由接收端和发射端位置的相对移动产生的，对于速 度是v 的移动台，其接收的多普勒频移可表示为： ， ， 厶= c o s p = y - - s - 。c o s o = 厶c o s o ( 3 - 1 ) lc 其中c = 3 x 1 0 8 m s 表示光速，z 表示载波频率，厶表示最大多普勒频移。 多普勒频移的范围是厶。通常它比载波频率z 小得多。当移动台向入 射波方向移动时，多普勒频移为正，即移动台接收信号的频率会增加。反之， 移动台接收信号的频率会减小。 在o f d m 中，由于系统对载波相位的偏移极为敏感，多普勒频移直接影 响同步信号的定时和频率偏移估计的精度。当多普勒频移较大时，信号的错 误定时概率将增大，可导致解调性能急剧下降。 3 2o f d m 系统同步技