（信号与信息处理专业论文）降低ofdm系统峰均功率比的研究.pdf

哈尔滨工程大学硕十学位论文 摘要 随着通信技术的不断发展和成熟，人类社会正在进入一个新的信息化时 代。正交频分复用( 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 ，o f d m ) 技术 作为下一代通信技术的核心技术，对其研究也正广泛的进行。 正交频分复用( o f d m ) 是一种多载波调制传输方案，它可以被看作一种调 制技术，也可以被当作一种复用技术。其基本思想是将高速传输的数据流通 过串并转换，变成在若干个正交的窄带子信道上并行传输的低速数据流。 o f d m 技术将传送的数据信息分散到每个子载波上，使得符号周期长于多径 时延，从而有效地对抗多径衰落，o f d m 技术利用信号的正交性，允许子信 道频谱重叠，使得频谱利用率提高。 然而，o f d m 系统本身的一些不足也制约了其广泛的应用，例如信号的 同步问题，高峰均功率比( p e a k - t o - a v e r a g ep o w e rr a t i o ，p a p r ) 的问题。本 课题总结了目前国内外降低p a p r 的多种技术。目前，降低p a p r 的方法主 要可以归为三类：限幅类技术、编码类技术和概率类技术。其中：限幅类技术 是一类简单的、有效的降低p a p r 的方法，其最大的优点就是系统实现简单， 但是这种方法会引起信号的畸变，造成系统性能严重下降。编码类技术是利 用不同的编码方法，选择p a p r 较小的码组，不会使信号产生畸变，但计算 复杂度非常高，只适用于子载波数比较少的情况。当子载波数量较大时，编 码效率会非常低。概率类技术通过对信号进行线性变换，来降低高p a p r 出 现的概率，可以得到较好的性能，通常它需要较大的计算量，系统复杂度较 高。 本课题对概率类技术进行了重点的研究。在部分传输序列( p t s ) 算法的 基础上提出了改进的算法，和传统算法相比，在考虑相位因素的同时加入了 幅度的因素，使得系统的p a p r 性能得到了提升。在此基础上，对相位的取 值范围进行了研究和改进，增加相位的取值范围并不能明显的改善p a p r 性 能，改进方法降低了系统传输的复杂度。边带信息的直接传输，将产生峰值 哈尔滨t 程大学硕士学忙论文 再生问题。文章对此进行了研究，改进的算法较好的抑制了该问题。针对上 述改进算法，进行了实验仿真。结果验证了改进算法有效降低了p a p r ，减 少了计算量。 关键词：正交频分复用；峰均功率比；部分传输序列；边带信息；低复杂度 哈尔滨1 = 程大学硕+ 学位论文 i i i i i i i i i i i i i i i i i li i i i i i i i i i i a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g ya n db e c o m i n gm o r e m a t u r e ，h u m a ns o c i e t ye n t e ran e wi n f o r m a t i o nt i m e o f d m ( o r t h o g o n a l f 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 ya st h ec o r et e c h n o l o g i e so f t h en e x tg e n e r a t i o nc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , t h er e s e a r c hi sc a r r i e do u 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 g ( 0 f d m ) i sam u l t i c a r r i e r m o d u l a t i o nt r a n s f e rp r o g r a m o f d mc a nb es e e na sam o d u l a t i o nt e c h n i q u e ，a n d a l s ob es e e na sam u l t i p l e x i n gt e c h n i q u e t h eb a s i cp r i n c i p l ei st h a th i g h s p e e d t r a n s m i s s i o no fd a t af l o wt h r o u g ht h es e r i a l p a r a l l e lc o n v e r s i o ni n t oan u m b e ro f l o w s p e e dd a t as t r e a m sw h i c hh em o d u l a t e do no r t h o g o n a ln a r r o w - b a n dc h a n n e l o nt h ep a r a l l e lt r a n s m i s s i o n o f d mt e c h n o l o g yd i s t r i b u t e sd a t a , s e n d st h e mt o e a c hs u b c a r r i e r , a n dm a k e st h es y m b o lc y c l el o n g e rt h a nt h em u l t i - p a t hd e l a yi n o r d e rt o e f f e c t i v e l yc o m b a t i n gm u l t i - p a t hf a d i n g o f d mt e c h n o l o g y u s e s f r e q u e n c yo r t h o g o n a lt e c h n i q u e ，a l l o w sc h a n n e ls p e c t r u mo v e d a p ，a n di m p r o v e s s p e c t r u me f f i c i e n c yd o u b l e d h o w e v e go f d ms y s t e mi t s e l fp r o b l e ml i m i t si t sw i d ea p p l i c a t i o n s ，s u c ha s s i g n a ls y n c h r o n i z a t i o n ，h i g hp e a l 【p o w e ra n da v e r a g ep o w e rr a t i o ( p a p r ) p a p e r f o c u s e so nh i 曲p a p r ，a n ds u m m a r i z ev a r i e t yo ft e c h n i q u e st or e d u c et h ep a p r i nd o m e s t i ca n da b r o a d a tp r e s e n t ，t h em a i nm e t h o d st or e d u c et h ep a p rc a nb e c l a s s i f i e di n t ot h r e ec a t e g o r i e s ：l i m i t i n ga m p l i t u d ec a t e g o r yt e c h n o l o g y , c o d i n g c a t e g o r yt e c h n o l o g y a n dt h ep r o b a b i l i t yo fc a t e g o r yt e c h n o l o g y l i m i t i n g a m p l i t u d et y p et e c h n o l o g yi sak i n do fs i m p l ea n de f f e c t i v ew a yt o r e d u c et h e p a p r ，a n di t sg r e a t e s ts t r e n g t hi ss i m p l e ，b u tt h i sa p p r o a c hw i l lc a u s ed i s t o r t i o no f t h es i g n a l ，r e s u l t i n gi nas e r i o u sd r o pi ns y s t e mp e r f o r m a n c e c o d i n gc a t e g o r y t e c h n o l o g yu s ed i f f e r e n tc o d i n ga n ds e l e c tr e l a t i v e l ys m a l lp a p r f r o ma l lc o d e s ot h a tt h es i g n a lw i l ln o tp r o d u c ed i s t o r t i o n ，b u tt h ec o m p u t a t i o n a lc o m p l e x i t yi s 哈尔滨工稃大学硕士学位论文 v e r yh i g h ，a p p l yo n l yi ns m a l ln u m b e ro fs u b - c a r r i e r w h e nt h en u m b e ro f s u b c a r r i e rb e c o m el a r g e ，c o d i n ge f f i c i e n c yw i l lb ev e r yl o w t h ep r o b a b i l i t y c a t e g o r yt e c h n i c a ls i g n a l st h r o u g ht h el i n e a rt r a n s f o r m a t i o n , t or e d u c et h e p r o b a b i l i t yo ft h ee m e r g e n c eo fh i g h - p a p c a ng e tab e t t e rp e r f o r m a n c e n l i s m e t h o du s u a l l yn e e d sm o r ec o m p u t i n gc a p a c i t y , h i 曲s y s t e mc o m p l e x i t y p a p e rm a i n l yr e s e a r c ht h ep r o b a b i l i t yc a t e g o r yt e c h n i q u e b a s e do nt h ep a r t t r a n s f e rs e q u e n c e ( p t s ) m e t h o dp r o p o s ea m e t h o d c o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a l m e t h o d ，t h ep r o p o s e dp r i n c i p l ea d dt h ea m p l i t u d ef a c t o ro fs i g n a lo nt h eb a s eo f p h a s ef a c t o ro ft r a d i t i o n a lm e t h o d n l ep r o p o s e dm e t h o dc a l lr e d u c et h ep a p r s i g n i f i c a n t l y o nt h i sb a s i s ，t h er a n g eo fp h a s eh a sb e e ns t u d i e d i n c r e a s i n gt h e r a n g eo fp h a s ed o e sn o ts i g n i f i c a n t l yr e d u c et h ep r o b a b i l i t yo ft h ee m e r g e n c eo f h i 曲p a p r s or e d u c i n gt h er a n g eo fp h a s ec a nr e d u c et h ec o m p l e x i t yo ft h e t r a n s m i s s i o ns y s t e ma n dr e d u c et h ec o m p u t ea m o u n t i ft r a n s l a t i n gs i d ei n f o r m a t i o nd i r e c t ，t h ep e a kp o w e rw i l lb er e g e n e r a t e p a p e rr e s e a r c ht h er e g e n e r a t i o n a n dp r o p o s e dm e t h o dc a ns o l v ei t 1 1 1 ep r o p o s e d p r i n c i p l ei ss i m u l a t e d ，t h er e s u l to f t h es i m u l a t i o ns h o wt h a tt h ep r o p o s e dm e t h o d c a ns i g n i f i c a n t l yr e d u c ep a p ra n dc o m p u t ea m o u n to f s y s t e m k e yw o r d s ：o f d m ；p a p r ；p t s ；s i ；l o w c o m p l e x i t y 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。除文中己注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体己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，均己在文中以明确方式 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) ：、刃毅群 日期：p 叼年乡月i 弓目 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。膨密学位论文待解密后适用本声明。 本论文豳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) ：、习毅辉 日期： 为叮年弓月1 弓日 导师( 签字) ： 伽甲年弓月l 乡日 哈尔滨r 丁稃大学硕十学位论文 第1 章绪论 1 1 研究背景 现代移动通信是一门复杂的高新技术，不但集中了无线通信和有线通信 的最新技术成就，而且集中了网络技术和计算机技术的许多成果。目前，移 动通信已经从模拟通信发展到数字移动通信阶段，并朝着个人通信这一更高 阶段发展。未来移动通信的目标是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【1 】。由于移动通信的个人化和便利性，随着移动通信技术的发展和衍 变，移动通信日益成为人们工作、生活中一种不可或缺的通信及获取信息及 交流的工具。 现在的市场主流仍然是2 g 通信技术，例如欧洲的全球移动通信系统 ( g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l e ，g s m ) 和美国的窄带码分多址( c o d e d i v i s i o n m u l t i p l ea c c e s s ，c d m a ) 移动通信系统等。随着人们对通信业务范围和业 务速率要求的不断提高，出现了3 g 移动通信系统，例如中国的t d s c d m a 技术等【1 。2 1 。由于3 g 的核心网没有完全脱离2 g 的结构，普遍认为未来将会 应用4 g 移动通信系统：该系统可以容纳更加庞大的用户改善通信质量，达 到高速传输的目的。同时，也要求未来的4 g 技术能有效的克服无线信道衰 落、多径效应和有效对抗符号间干扰( i n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c e ，i s i ) ，o f d m 是一种多载波调制技术，频谱利用效率高，可以有效对抗符号间干扰【3 】。在 当前的各种解决方案中，o f d m 技术最具有前景。o f d m 技术已经获得了广 泛的研究和关注，初步应用于移动f m 信道进行的高速数据通信、高速数字 用户环路( h d s l ) 、非对称数字用户环路( a d s l ) 、数字广播( d a b ) 以及 高清数字电视( h d t v ) 等各种通信系统中。目前，也提出了许多与o f d m 相结合的技术，这些技术包括：空时码、小波变换和自适应技术等，为o f d m 成为下一代高速、无线宽带通信技术中所采用的关键技术之一奠定了基础。 哈尔滨t 稃大学硕十学位论文 1 2 发展的历史和现状 纵观移动通信的发展历史，从贝尔实验室首次发明蜂窝移动通信至今， 移动通信已经和正在经历着三代演变。 第一代移动通信系统是采用f d m a 方式的模拟蜂窝系统，如：北美的 a m p s ，英国的t a c s 和北欧的n m t 等。模拟通信的主要问题是频率的利用 率低，能提供的业务种类有限，不能提供高速数据业务，保密性差，易被窃 听，移动设备成本高，体积大，网络的管理控制存在问题等。 第二代移动通信系统是以t d m a 或c d m a 为主的数字蜂窝系统，主要 支持电路交换型业务，这一系统能支持较高质量的语音传输并提供低速率的 数据业务和短消息服务。它的成功代表有欧洲的g s m 系统、北美的i s 9 5 c d m a 系统和日本的j d c 和p h s 系统。 第一、第二代通信系统远远不能满足未来用户的业务需求，并且随着用 户数目的迅猛增加，现在的系统远远不能满足用户容量的发展需要。于是一 种能提供全球漫游功能、支持多媒体业务且有足够容量的第三代移动通信系 统就应运而生了。第三代移动通信系统( i m t - - 2 0 0 0 ) 主要采用宽带c d m a 技 术。它借助c d m a 技术，将i n t e m e t 与移动通信有机地结合在一起，从而在 移动领域能真正开展从话音、数据到多媒体的通信业务。第三代移动通信系 统的主要技术有欧洲提出的w - c d m a 、北美提出的c d m a 2 0 0 0 和中国提出 的t d - - - s c d m a 4 1 。第三代移动通信将实现宽带和综合多种业务的需求，不 仅能提供高质量的语音业务，而且能提供高速率的数据传输业务。第三代移 动通信系统的数据传输速率，在静止或步行情况下能达到2 m b i t s ，在车速 情况下能达到3 8 4 k b i t s ，在高速情况下能达到14 4 k b i t s 。 随着人们对无线通信的服务质量、容量、功能等需求的不断增加，特别 是随着移动用户数的剧增和互联网的迅速普及，i n t e m e t 作为全球最大和最丰 富的信息内容来源，人们希望能随时随地接入互联网，获得各种各样的服务， 不受时间和地点的限制。同时随着社会的发展，人们对通信的要求越来越高， 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 对各种业务，如移动w e b 浏览、视频会议、移动商务、文件传递、e m a i l 、 教育、远程医疗、基于位置的服务，公司和数据库访问等的移动无线i n t e r n e t 接入，提出了更多的需求。因此预计未来高速多媒休业务将取代实时语音业 务成为下一代移动通信系统的主流。这就使支持多媒体业务和全球无缝漫游 成为下一代移动通信系统的主要目标。 虽然4 g 对大多数人来说还很新鲜，但是4 g 并非近期才提出的概念。早 在9 0 年代初期，欧洲就开始对4 g 进行研究，并打算研究出能满足2 0 2 0 年 移动通信需求的超高速率移动通信技术。研究的结果是起草了一个称之为移 动宽带系统m b s 的粗略标准。虽然关于这个标准还有许多问题需要解决， 但可以肯定的是，这个网络将是一个采用高频段小蜂窝结构、速率可以达到 1 0 0 m b p s 的网络。 2 0 0 0 年1 0 月6 日，在加拿大蒙特利尔市成立于i m t2 0 0 0a n db e y o n d 工 作组，这是由国际电信联盟( 1 t u ) 发起的，旨在统一全球移动通信标准的工作 组。2 0 0 1 年，以欧美5 大通信设备制造商( 法国阿尔卡特、瑞典爱立信、美 国摩托罗拉、芬兰诺基亚、德国西门子) 为中心成立了无线世界研究论坛 ( w w r f ) ，该论坛作为在全球范围内探讨、研究4 g 标准的个非营利性组织， 正在积极地推进4 g 标准的制订以及相关技术的研究工作。根据4 g 移动论坛 提供的资料，截止到2 0 0 2 年底，全球各大公司在4 g 上的投资将超过3 0 0 亿。 并且，与以前的各代通信系统不同，4 g 将不再仅仅提供蜂窝通信相关的产品。 目前世界发达国家都正在积极进行4 g 技术规范的研究制定工作，以期能在 全球4 g 规范制定中享有发言权【5 】。 1 3o f d m 技术的优点和不足 正交频分复用是一种特殊的多种载波调制技术，它的基本思想是将高速 传输的数据流通过串并转换，变成多路的并行低速数据流，分别调制在各自 正交的窄带子载波上合成一个o f d m 符号进行传输。这个传输的方法使得 o f d m 技术具备以下优点： 哈尔滨t 程大学硕十学付论文 1 、高速传输的数据流通过串并转换，使得每一个子载波上数据符号持 续长度相对增加，从而有效减小由于无线信道的时间弥散所带来的i s i ，减小 接收端的均衡复杂度，有时可以不采用均衡器，仅通过循环前缀就可以消除 i s i 的影响； 2 、o f d m 系统由于各子载波之间存在正交性，允许子信道的频谱相互 重叠，最大限度利用频率资源，当子载波个数很大时候，系统的频谱利用率 提高近一倍。 3 、各个子信道的正交调制和解调可以通过采用快速傅立叶反变换 ( i n v e r s ef a s tf o u r i e rt r a n s f o t i n ，i f f t ) 和快速傅立叶变换( f a s tf o u r i e r t r a n s f o r m ，f f t ) 来实现，随着大规模集成电路与d s p 技术的发展这是非常 容易实现的。 4 、无线数据业务一般存在非对称性，即下行链路中的数据传输要大于上 行链路中的数据传输量，这就要求物理层支持非对称的高速数据传输，o f d m 系统可以通过不同数量的子信道来实现上下行链路中不同的传输速率。 5 、o f d m 易于和其他多种接入方法相结合构成o f d m a 系统，其中包 括读载波码分多址m c c d m a ，跳频o f d m 以及o f d m t d m a 等。 但是o f d m 系统由于存在多个正交的子载波而且其输出信号是多个子 信道的叠加，存在以下缺点： 1 、频率的敏感性。容易受到频率偏差的影响，由于子信道的频率相互覆 盖，这就对它们之间的正交性提出的严格要求。无线信道的时变性，信号传 输中造成的频谱偏移，接收机和发射器之间的频率偏差，都会造成o f d m 系 统的子载波之间的正交性造成破坏导致子信道间干扰( i n t e r - c h a n n e l i m e r f e r e n c e ，i c i ) f 6 】o 2 、高的峰均功率比值( p e a k t o a v e r a g ep o w e rr a t i o ，p a p r ) 。和其他的 多载波系统样，o f d m 系统的输出信号是多个子信道的叠加，多个信号同 相位叠加将会产生教大的峰值，信号的瞬时功率将会远远高于信号的平均功 率，导致较大的p a p r ，对发射机的功率放大器动态范围和线性度提出了很 4 哈尔滨工程大学硕十学位论文 高的要求，由此可能带来信号的失真，使信号的频谱发生变化，从而导致子 载波之间的正交性遭到破坏，产生干扰，使得系统的性能恶化。 1 4 降低p a p r 技术的研究现状 目前，降低p a p r 的方法主要可以归为三类：限幅类技术、编码类技术和 概率类技术： l 、限幅类技术是一类简单的、有效的降低p a p r 的方法，其最大的优点 就是系统实现简单，但是这种方法会引起信号的畸变，造成系统性能严重下 降。 2 、编码类技术是利用不同的编码产生峰均功率比较小的o f d m 符号， 不会使信号产生畸变，但计算复杂度非常高，只适用于子载波数比较少的情 况。当子载波数量n 较大时，编码效率会非常低。 3 、概率类技术通过对信号进行线性变换，来降低高p a p r 出现的概率， 可以得到较好的性能，通常它需要较大的计算量，系统复杂度较高。主要包 括选择映射法( s l m ) 和部分传输序列法( p t s ) 。这类方法不受子载波数和星 座调制方法的限制，大大降低了高p a p r 出现的概率，是一种有效地降低 o f d m 系统p a p r 的方法。这类方案在结构上容易实现，应用灵活，因此是 目前看来最具应用潜力也是研究最为热门的方案。本课题主要针对该类方法 进行了学习、研究。 1 5 本课题的结构安排 第1 章介绍了通信技术的发展过程和未来移动通信的发展方向，o f d m 技术在未来移动通信技术中的意义以及o f d m 的研究现状。 第2 章阐述了o f d m 系统的基本原理、系统的模型和实现方法，介绍 了系统的关键技术。 第3 章介绍了o f d m 系统的高峰均功率比问题。首先，给出了p a p r 的定义，然后分别介绍和分析了几种常用降低p a p r 方法的优点和缺点。 第4 章讨论了基于i f f t 和f f t 变换的o f d m 系统，并且对传统的p t s s 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 算法进行了改进，对相位的选择范围也进行了改进。对改进算法的边带信息 进行了研究，对边带信息进行了有效的处理。 结论提出了今后需要继续研究、改进的方向。 6 哈尔滨t 稃大学硕十学何论文 第2 章o f d m 技术的原理 2 1o f d m 技术原理 传统的多载波通信是采用频分复用( f d m ) 技术，每个子信道上的信号 利用不同的调制频率来进行区分7 捌。但是为避免子信道之间的信道间干扰 ( i c i ) ，子频带的间隔必须大于奈奎斯特宽度，这会造成频带的浪费。解决 这个问题的办法是允许相临的子信道存在一定的重叠，通过保证子信道上信 号的正交性来消除i c i 的影响。采用脉冲成形技术，并将子信道的频率间隔 选择为每个符号间隔的倒数的整数倍，就可以保证子信道间的正交性。这也 是正交频分复用( o f d m ) 的处理方式 9 1 。传统的频分复用技术和o f d m 的 调制原理如图2 1 所示，o f d m 的频谱利用率得到了很大的提高。 传统的绷分复用t l ：a m ) 多囊波调捌 正交频分复用( o f o m ) 多羹波调铹 频搴 图2 1f d m 和o f d m 的调制原理图 o f d m 技术是将高速串行数据分成成百上千路低速并行数据，并分别对 不同的子载波进行调制，这种并行传输方式大大扩展了符号的脉冲宽度，提 高了抗多径衰落的性能【1 0 。1 1 1 。 假设o f d m 信号的符号周期为丁，如果子载波频率之间的最小间隔为 1 r ，即设频率为： 五= z + k t ，则式( 2 一1 ) 成立： 7 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 p 帆2 斫，d t = 嚣；等 沼。 可见，各个子载波满足正交性条件，o f d m 符号的波形如图2 2 所示。 每个子载波的调制频谱为s i n ( x ) x 形状，其主峰值对应于其他的载波频谱的 零点。各个子载波组合在一起，总的频谱形状非常的近似矩形频谱，其频谱 的宽度接近传输信号的奈奎斯特带宽，从而简化了系统。o f d m 符号的频域 波形如图2 3 所示。 ! ： j 。|j。 。|。 j。j 。j 图2 2o f d m 符号的波形示意图 8 哈尔滨丁程大学硕十学位论文 jlij 图2 3o f d m 符号的频谱示意图 另外，由于载波上所传输的信息互不相关，相加后在时域合成的信号非 常接近白噪声，早在5 0 年代，就从理论上证明：信道传输的最佳信号形式应 该具有类似白噪声的统计特性。这就从另一方面说明了o f d m 系统抗多径衰 落的能力。 o f d m 信号是把串行信号分割成三路并行信号，分别调制在正交的子载 波上而产生。其中任意一路、周期为丁的、子载波数为k 的o f d m 信号s ( t ) 为： r 一1 s ( f ) = x ( k ) e x p ( 2 7 r j k t t ) ( 2 - 2 ) 实际的o f d m 系统为数字系统，得到信号s ( n ) ，表示为： r 一1 s ( ，z ) = x ( k ) e x p ( 2 n j n n ) ( 2 3 ) 七= 0 在发射端对x ( k ) 进行点的i f f t 便产生了o f d m 符号；在接收端， 对接收到的信号进行f f t ，还原出信号f 1 2 】。 2 2o f d m 的系统框图 在发送端，基带二进制输入比特流先后经过信源编码、串并转换分成多 个子数据流，然后对各个子信道数据进行正交调制( i f f t ) 后相加，插入循 o 哈尔滨工程大学硕士学位论文 环前缀，后经过射频( r a d i of r e q u e n c y ，r f ) 放大后再发送，接收端去掉循 环前缀，并对各个信道进行解调( f f t ) ，转换成串行数据流，再进行译码恢 复出原来的信号【1 3 1 。为了提高系统的实际性能，通常增加信道编码、交织技 术和插入导频等功能模块。o f d m 系统基本框图如2 4 所示。 图2 4o f d m 系统基本框图 2 2 1 系统的信源编码与解码 当前在移动通信、卫星通信以及航天器的测量跟踪控制中，应用比较多 的数字载波调制技术是多进制相移键控。对于m 进制的相移键控调制 ( m p s k ) 技术，设定m 进制的符号间隔为z ，已调信号的载波相位是m 个 可能的离散相位之一，其中的每一个载波相位对应于k 个二进制符号 ( m ：2 置) 。 m 进制相移键控调制所产生的恒包络信号在数学模型上可以表示如下， 如式( 2 - 4 ) 所示： j o ) = 4 2 p e x p ( ，( 2 万z f + 口p ) + 包) ) ( 2 - 4 ) 但是，实际上发射的信号是s ( f ) 的实部，即： r e s ( t ) ) = 2 尸c o s ( 2 万正f + 口o ) + 晓) ( 2 5 ) 其中：p 表示发射功率，z 表示载波频率( 单位为h z ) ，包表示载波相 位，护( f ) 表示调制信号相位。 并且，该信号的数据相位在每一个符号时隙z 内，等概率的取值，即： 1 0 哈尔滨丁程大学硕十学位论文 屈= 学小1 ，2 ，m ( 2 - 6 ) 这样，p ( r ) 可以假设为随机脉冲序列，如式( 2 7 ) 所示： = 幺p o 一刀互) ( 2 - 7 ) 其中，见表示在第刀个符号时隙胛e f 伽+ 1 ) 瓦内的信息相位，取值范 围为上述可能的膨个属，p ( t ) 为一个宽度为霉的单位幅度矩形脉冲。两者 之间的关系为： 乃= 瓦l 0 9 2m ( 2 - 8 ) 其中：z 为m 进制的符号间隔，五为二进制的符号间隔。可以知道，必 进制的符号间隔是二进制符号间隔的l o g ，m 倍。 由上面的讨论可知，信号的星座图是在单位圆上均匀分布的m 个点，并 且相邻个点之间的弧长为2 万m ( 弧度) 【1 4 1 。因此，在第刀个符号时隙内传输 的复数信号为： s ( t ) = 4 2 ee x p ( _ ，( 2 刀z f + 幺+ 包) ) ，刀i f + 1 ) en = o o ，+ ( 2 - 9 ) 如果，假设p ( r ) 为矩形脉冲信号，则基带信号2 p p ( 织在这个相同的时 隙内为常数，并且包络为2 尸。 因此，m p s k 可以看作由有多个正交载波的多电平振幅键控信号的相加 而形成的，其m 进制的符号间隔为乏= 磁，其中k = l 0 9 2m 。在产生m p s k 信号的时候，可以将二进制序列经过串并转换后，变为k 比特的并行码序列， 这就相当于将二进制码变化为m 进制码，而且，这些并行码再经过脉冲成形、 正交调制，最后相加就得到所要求的m p s k 信号【l t l 5 1 。 在系统中采用的编码方法是q p s k 方法，相应的m = 4 。用正交支路和同 相支路表示的正交相移键控。该信号对应的正弦载波有4 个可能的离散相位 状态，每一个载波携带两个二进制符号。通常情况下，它的相位集有两种。 第一种为 屈 = 万4 ，3 万4 ，5 刀4 ，7 万4 ) ，称之为万4 系统的q p s k 。第 二种常用的相位集表示为 屈) = o ，万2 ，万，3 x 2 ) ，称为万2 系统的q p s k t l 6 1 。 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 1 1 将这些相位信息投影到正交的幅度上，可以等价的写出q p s k 信号在第珂个 符号时隙内的正交支路和同相支路的表达式为： j ( f ) = 尸( + ) e 2 砺+ 已 ( 2 1 0 ) 其中：a l n 表示正交支路的幅度信息，表示同相支路的幅度信息。 两者统计独立，等概率的取值l 。传输的信号可以表示为： s ( t ) = 尸朋，( r ) c o s ( 2 万工f + 包) 一尸o ) s i n ( 2 万工f + 包) ( 2 1 1 ) 其中：( f ) = a 1 p ( t - n t , ) m q ( t ) = a 伽p ( t 一行t ) q p s k 的正交调制原理框图见图2 5 所示。 ( 2 1 2 ) 按 删 。龠 照 7 奇 i 二进制序列 a n 偶 c o s ( c o c t ) + 1 q p s k 笔 厂 分 7 为 + jl 两 - 际磊习望型- 硒 路 图2 5q p s k 信号的调制原理框图 从图2 5 可以看出，实现q p s k 调制的过程是：先把二进制双极性不归 零码【1 7 】序列f a n ，经过数据分离，变成奇偶两路数据，两路的码元宽度z 展 宽为2 乃。其中奇路数据 口2 川 进过延时送入q 信道，对载波s i n c o 。t 进行二进 制相位调制。对应的偶路数据 口2 。 送入，信道，对载波c o s ( o , tj 硅行二进制相 位调制。最后，将两路信号相加得到q p s k 信号。 相应的解调原理框图见图2 6 所示。 1 2 哈尔滨t 稃大学硕十学位论文 图2 6q p s k 信号的相干解调 采用相干解调方式。积分器在一个符号间隔内z 积分，分别取其实部 和虚部，进行判决，门限为0 ，即：大于0 判决为1 ，反之判决为1 。 2 2 2 串并转换 在数字通信系统中，数据传输的典型形式是串行数据流，每一个数据符 号的频谱可以占据整个可以利用的传输带宽。但是在o f d m 系统中，采用了 并行传输的方式。进行串并转换的目的是将原始的高速数据变换为相对低速 的并行数据【1 8 j 。转换后的数据周期变大，从而可以有效的减轻由无线信道的 多径时延扩展造成的符号间干扰( i s i ) 。 表2 1 列出了单载波和多载波传输方式在符号时间、速率、频带带宽和 对于i s i 敏感度等几方面参数的比较19 1 。其中，k 表示子载波的个数，z 表示一个o f d m 符号周期。 表2 1 单载波和多载波传输方式的比较 系统参数单载波多载波 速率 瓦i ki 频带宽度 k | t s1 t , i s l 敏感度 2 x r r ,2 k i + k o 5 r , ( 假设保护带宽为o s r , ) 2 2 3f f t 和i f f t 的实现 通过点的i d f t 运算，把频域数据符号x ( k ) 变换为时域数据符号 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 s ( n ) ，经过射频载波调制后，发送到无线信道。其中每个i d f t 输出的数据 符号s ( n ) 都是由所有子载波信号经过叠加而生成的。 在o f d m 系统的实际应用中可以采用更加方便和快捷的i f f t f f t 运 算。点的i d f t 运算需要实施2 次的复数乘法，而使用i f f t 运算可以显 著地降低运算的复杂度。对于常用的基2 i f f t 算法来说，其复数乘法次数仅 为( n 2 ) l 0 9 2 ( ) 。 在实际应用中，对于一个o f d m 符号进行点抽样，或者点i f f t 运 算所得到的个输出样值往往不能真正的反映连续o f d m 符号的变化特性， 其原因在于：由于没有采用过采样技术【2 0 】。这些样值被送到模拟数字转换器 ( a d ) 时，就有可能导致生成伪信号，这是系统所不允许的。这种伪信号 的表现就是：当以低于信号中最高频率的两倍的频率进行抽样，当抽样值被 还原后，信号中不含有原有信号的高频成分，呈现出虚假的低频成分。因此， 需要引入过采样技术。在原有的抽样点之间再加入一些抽样点，构成a n ( 口 是整数) 个抽样值。这种过采样技术可以通过利用i f f t f f t 的方法来实现： 实施i f f t 运算时，需要在原始的个输入值的中间添加位一1 ) n 个零，而实 施f f t 运算时，需要在原始的个输入值后面添加陋一1 ) 个零f 1 4 1 。 2 2 4 保护间隔和循环前缀 应用o f d m 系统的一个重要原因在于它可以有效地对抗多径时延扩 展，将传输的数据流转化为路并行的低速子信号传输，使得每个调制子载 波的数据周期可以扩大为原始数据的上倍，因此时延扩展与符号周期的数值 比同样也降低倍。为了最大限度的消除i s i ，还可以在每个o f d m 符号之 间插入保护间隔( g u a r di n t e r v a l ，g i ) ，而且保护间隔长度l 一般大于无线信 道的最大时延扩展，尽量避免一个符号的多径分量对下一个符号的干扰【2 l 】。 早这段保护间隔内不可以插入任何信号，即是一段空白的传输时段。然而这 种情况下，多径传播会产生子载波之间的干扰( i c i ) ，子载波之间的正交性 遭到破坏，这种效应如图2 7 所示。 1 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第二子载波对第一子载波带来的 图2 7o f d m 系统中多径干扰示意图 每个o f d m 符号中都包括所有非零的子载波信号，而且也可以同时出 现该o f d m 信号的时延信号，图2 7 给出了第一子载波和第二子载波的时延 信号，可以看出，由于在f f t 运算时间长度内( 积分区间) ，第二个子载波 的周期不再是第一子载波的整数倍，所以当接收机对第一子载波进行解调时， 第二子载波会对第一子载波产生干扰。同样，当接收机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。 为了消除多径传输造成的i c i ，一种有效地方法是将原来的时间宽度为t 的o f d m 符号进行周期扩展，用扩展信号来填充保护间隔，这种保护间隔是 一种循环复制，如图2 8 所示。保护间隔瓦内的信号成为循环前缀( c y c l i c p r e f l x ，c p ) 。循环前缀的信号和o f d m 符号的尾部时间宽度为的信号相 同，在与前一个o f d m 符号的交接点没有任何的间断。 哈尔滨工程大学硕十学位论文 1 、- ： 保护 l m 翰出 缀护 f ) 1 肌 阔瀚问黼 阱 瑰h 孵阈。 ：无： ， ， 符号一1 ： 符号n ：符譬斛l 图2 8