（通信与信息系统专业论文）scfde系统的同步技术研究.pdf

摘要 摘要 当前，宽带无线接入技术已经成为无线通信技术发展的必然趋势。在无线宽 带通信系统中，信道的多径效应会严重影响通信的可靠性。相对于单载波时域均 衡( s c t d e ) 的复杂度大和正交频分复用( o f d m ) 的技术峰均比高的问题，单 载波频域均衡( s c f d e ) 技术，可以有效对抗信道的频率选择性衰落，实现高速 率、大容量的通信传输，是宽带无线接入系统物理层的重要组成技术。 本文首先介绍了s c f d e 传输系统的基本原理，在多个方面与传统的o f d m 传输系统进行了比较，并介绍了两者结合的方案，s c f d e 有效的结合了o f d m 和单载波传输的优点。然后针对s c f d e 系统的同步技术，对传统的同步方案进 行了详细的理论分析。之后重点研究了基于特殊训练序列结构的同步方案，详细 阐述了其同步需要进行的各个步骤。最后，结合m a t l a b 仿真，将本文的同步方 案与其他方案进行了仿真对比。通过仿真可知，本文采用的基于特殊训练序列的 同步方案，定时位置准确，是一个较佳的选择。 关键词：单载波频域均衡定时同步频率同步频域均衡训练序列 a b s t r a c t n o w a d a y s ，b r o a d b a n dw i r e l e s sa c c e s st e c h n i q u eh a sb e e na ni n e v i t a b l et r e n df o r w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n i q u ed e v e l o p m e n t i nb r o a d b a n dw i r e l e s sc o m m u l l i c a t i o n t h e m u l t i - p a t h e f f e c t m a yg r e a t l ya f f e c tt h er e l i a b i l i t yo ft h ec o m m t m i c a t i o n p e r f o r m a n c e i nc o n t r a r yt ot h eh i g hc o m p l e x i t yo fs c t d e ( s i n g l ec a r r i e r - t i m e d o m a i ne q u a l i z a t i o n ) ，a n dt h eh i g hr a p r ( p e a ka v e r a g ep o w e rr a t i 0 1o fo 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 ) ，s c f d e ( s i n g l ec a r r i e r - f r e q u e n c v d o m a i ne q u a l i z a t i o n ) a l l o w sa l l a d v a n t a g e o u so fh i g h s p e e dd a t at r a n s m i s s i o ni n f r e q u e n c y 。s e l e c t i v ef a d i n gc h a n n e l i tb e c o m e so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tc o m p o n e n t s o ft h eb r o a d b a n dw i r e l e s sa c c e s st e c h n i q u e i nt h i se s s a y , f i r s t l y , t h ep r i n c i p l eo ft h es c f d et r a n s m i s s i o ns y s t e mi sa n a l y z e d t h e ni ti sc o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a lo f d mt r a n s m i s s i o ns y s t e mi nm a n y a s p e c t s a sw e l lt h ec o m b i n a t i o no ft h e s et w os y s t e m si si n t r o d u c e d t h es c f d e e f f e c t i v e l v c o m b i n e st h ea d v a n t a g e so fo f d ma n ds i n g l ec a r t i e rt r a n s m i s s i o n a r e rt 1 1 a t t l l e s y n c h r o n i z a t i o nt e c h n i q u eo fs c - f d es y s t e m si ss t u d i e d ，i nw h i c h , s o m et r a d i t i o n a l s y n c h r o n i z a t i o ns c h e m e sa r ea n a l y z e di nd e t a i l l a t e r , b a s e do nas p e c i a ls t r u c t u r eo f t r a i n i n gs e q u e n c e ，an e ws y n c h r o n i z a t i o ns c h e m ei sm a i n l yr e s e a r c h e d a tt h ee n do f t h i se s s a y , a c c o r d i n gt ot h es i m u l a t i o ni nm a t l a b ，t h es c h e m ep r o p o s e di nt h i se s s a y i sc o m p a r e dw i t ho t h e rt r a d i t i o n a ls c h e m e s t h r o u g ht h er e s u l t so fm e s i m u l a t i o n i ti s o b v i o u st h a tt h es y n c h r o n i z a t i o ns c h e m em a i n l yd i s c u s s e di nt h i s e s s a y , b a s e do na s p e c i a ls t r u c t u r eo ft r a i n i n gs e q u e n c e ，c a np r e c i s e l yp o s i t i o nt h et i m i n gl o c a t i o na n di sa b e t t e rc h o i c e k e y w o r d ：s c - f d e t i m i n gs y n c h r o n i z a t i o n f r e q u e n c ys y n c h r o n i z a t i o n f r e q u e n c yd o m a i ne q u a l i z a t i o n t r a i n i n gs e q u e n c e 就西安电子科技大学 学位论文独创性( 或创新性) 声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 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 注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果；也不包含为获得西安电子科技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任何贡献均已在论文中做了明确的说 明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名： 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保 留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后 结合学位论文研究课题再攥写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在一年解密后适用本授权书。 本人签名： 导师签名： f7 雄鹰 日期 日期三菱乏坦。笸：型 第一章绪论 第一章绪论 进入2 1 世纪以来，无线通信系统以迅猛的技术进步速度为用户提供了越来越 高速、可靠的无线接入服务。随着用户对各种实时多媒体业务需求的增加和互联 网技术的迅猛发展，可以预计，未来的无线通信技术将会具有更高的信息传输速 率，为用户提供更大的便利，其网络结构也将发生根本的变化。新一代的无线通 信系统对系统软件和硬件的性能、成本、尺寸和功耗等技术指标都提出了更加严 格的要求】。其中，如何提高无线通信系统调制解调方案的性能就是人们非常关心 的问题，即以更低的系统运算复杂度、更简单的硬件结构、更低的硬件成本提供 误码率更小的数据传输。 1 1 无线通信的发展史 无线电的发明是1 9 世纪末最为重要的技术成就之一。1 8 8 8 年，德国科学家赫 兹发现了电磁波；1 8 9 6 年，俄国人波波夫首次把无线电报拍到2 5 0 米远的地方， 而意大利人马可尼制出了无线电通讯设备；1 8 9 7 年，马可尼第一次展示了无线电 使在英吉利海峡行驶的船只和固定站之间保持连续不断的通信能力，距离为1 8 海 里，开创了人类无线电通信的新纪元。2 0 世纪6 0 年代，贝尔实验室提出了蜂窝的 概念，使无线通信摆脱了传统的大区域结构，为无线通信的大规模商用奠定了基 础。2 0 世纪7 0 年代，具有高可靠性的固态微型射频硬件的发展使移动通信逐渐成 熟起来。至今，无线通信在经历了从模拟通信到数字通信、从d f m a 至c d m a 的 飞快发展，是技术更新最快、市场容量最大的产业。从7 0 年代末到上个世纪末的 2 0 多年时间里。无线通信系统从第一代发展到了第三代，进入了一个飞速发展的 时期。 无线通信发展到今天，越来越多服务内容对数据传输速率提出了越来越高的 要求，而频谱资源严重不足已经日益成为制约无线通信事业发展的瓶颈。虽然第 三代移动通信可以比现有传输速率快上千倍，但是仍无法满足未来多媒体通信的 要求。因此，如何充分开发利用有限的频谱资源，提高频谱利用率，成为当今无 线通信技术研究的热点之一。在提高频谱利用率的同时，保证传输的可靠性也是 一个重要的问题。未来的无线通信应用对应用环境有更高的要求，这就需要新的 无线通信技术能够适应更加恶劣的信道，能够克服各种不利影响。 2 0 世纪9 0 年代末，自i t u r 推出3 g 移动通信标准之后，各个国家和地区为 了在下一代无线通信系统的标准中占有一席之地，纷纷启动了新一代无线通信系 s c f d e 系统的同步技术研究 统的技术和标准化研究工作。有关新一代无线通信系统的名称目前尚不统一，这 些名称有4 g ，b 3 g ，b e y o n di m t - 2 0 0 0 等多种，我们统称为第四代无线通信系统 ( 4 g ) 。4 g 系统的数据率会更高，服务质量会进一步增强，频谱利用率、安全性、 智能性、传输质量、灵活性等得到明显的提高。4 g 系统应能支持多种业务，体现 移动与无线接入网和i p 网络不断融合的发展趋势，因此4 g 系统应当是一个全i p 的网络。 1 2s c f d e 系统同步技术的研究背景与意义 1 2 。1 研究背景 无线移动通信的特点主要集中在以下几个方面： ( 1 ) 共道干扰 因频率复用造成的共道干扰是目前应用系统中同时工作在相同信道下的多个 用户所必须首先考虑的问题。 ( 2 ) 多径现象 由于移动环境的复杂性，通常从发送端到接收端的信号包含有反射、衍射和 绕射等多种信号成分，不同信号成分到达接收器的强度、时间和方向不同，并且 在不同环境下差别很大。由于不同多径分量的达到时间不同，造成接收信号的时 域展宽，时域展宽直接造成接收信号的码间干扰，从而限定了信道所能传输的信 号的最大速率。 ( 3 ) 衰落 由于多径效应( 矢量叠加) 的影响，接收器接收到的信号功率会随收发两端 间距离而大幅度的波动( 通常可达2 0 d b ) 。衰落通常可分为阴影衰落( 慢衰落) 和 多径衰落( 快衰落) 。慢衰落是由于遮挡效应造成的，其信号的局部平均近似呈对 数正态分布，而快衰落是由于接收信号分量的相位差引起的，其信号近似呈瑞利 分布。实际接收信号是由快衰落信号与慢衰落信号的乘积得到。由于收发两端之 间的相对运动，使得接收信号存在多普勒频移，又由于多径现象，不同的多径分 量有着不同的多普勒频移，从而使接收信号的带宽整体被展宽。多普勒频移的大 小反映了信道特性变化的快慢，多普勒频移越大，信道变化越快，信号的衰落也 越严重i 2 。 针对无线通信系统中存在的问题，特别是在宽带高速率传输时，时延扩展跨 越更多的码元，这种影响会更大，因此时间色散是无线信道传输速率受限的一个 主要原因。如果单用时域均衡减轻码间干扰( i s i ) ，需要较多滤波器抽头才能得到 可接受的均衡效果，而且随着多径时延扩展的增大，均衡复杂度成指数增长。第 四代( 4 g ) 移动通信系统速率可达1 0 m b s 、2 0 m b s 甚至1 0 0 m s ，在这样高的系 第一章绪论 统传输速率下的时域均衡是不实际的。 鉴于单载波时域均衡( s c t d e ) 调制解调技术的不足，无线通信物理层上需 要采用新的调制解调技术，正交频分复用( o f d m ) 和单载波频域均衡( s c f d e ) 正是在这样的大前提一下被提出来，成为当今无线通信研究的热点，被作为 i e e e 8 0 2 1 6 a 的备选方案。 1 2 2 研究意义 o f d m 是一种高效的调制方式，因其优越的抗多径能力和频谱利用率而被广 泛地应用到宽带数字通信的各个领域。s c f d e 则是针对o f d m 系统过大的峰值 平均功率比( r a p r ) ，将发送端的i f f t 模块移至接收端，使用f f t 变换把数据变 换到频域进行处理，增加了一定的接收机复杂性，但却提高了发送端的发射功率， 从而提高了系统效率。s c f d e 系统具有良好的抗频率选择性衰落能力，可以满足 下一代无线通信系统的传输要求。 近来，对s c f d e 的讨论日渐增多，并且已经被纳入i e e e 8 0 2 1 6 无线城域网 ( m a n ) 标准中，作为宽带无线接入的物理层兼容方案，应用于2 1 1 g h z 的非视 距传输环境，面向小型企业和家庭办公( s o h o ) 。另外，k a d e l 于1 9 9 7 年最先提 出单载波频域均衡和分集结合的方案，i e e e 8 0 2 1 6 曾提出过s c f d e + m i m o 的多 天线方案，但是并没有给出具体的系统结构和实现方法。目前，s c f d e 与空时处 理、干扰抵消等技术相结合的研究已经开展，更进一步地提高了频谱利用率，改 善了系统的性能，在宽带无线通信领域有着广阔的应用前景。 1 3 本文的研究内容及章节安排 本文围绕s c f d e 系统中的同步技术展开分析研究，采取理论和计算机仿真 相结合的方法，对比了多种同步方案的算法性能，验证了本文重点讨论的基于特 殊训练序列的同步方案的优越性，在理论和实践方面求证研究的正确性和可行性。 主要进行了以下几个方面的工作： ( 1 ) 阐述了s c f d e 系统的基本原理，较为全面地分析了s c f d e 系统的核心 技术，将其与o f d m 系统在多个方面进行了比较，分析了s c f d e 的优越性，并 介绍了两者结合的方案。 ( 2 ) 针对s c f d e 系统的同步技术，分别研究了同步误差对系统性能的影响、 同步过程中的定时同步、频率同步以及频域均衡技术，详细介绍了一些常用的传 统同步方案，在理论上先对其进行了分析比较。 ( 3 ) 重点研究了基于特殊训练序列结构的同步方案，并将其与其他基于辅助数 据的同步方案的定时估计和频偏估计进行了仿真对比，之后结合m a t l a b 仿真， 4s c f d e 系统的同步技术研究 将此方案与插入导频的频域估计算法进行了误码性能比较。 本论文的结构安排如下： 第二章阐述了s c f d e 系统的基本原理。 第三章介绍了s c f d e 系统的同步技术。 第四章讨论了基于特殊训练序列的同步方案，对其同步过程进行了详细的数 学描述与理论分析。 第五章通过m a t l a b 仿真对各种同步方案进行了性能比较，验证了前面章节 的理论分析。 第六章总结全文内容，指出本课题有待于进一步深入研究的问题，并展望该 领域的研究发展趋势。 第二章s c f d e 系统基本原理 第二章s c f d e 系统基本原理 宽带无线系统的传输信道中存在严重的多径衰落，由它所引起的信道时延扩 展使时域均衡器的复杂度大大增加，均衡器成了制约单载波系统性能提升的“瓶 颈”。近年来，在单载波调制基础上发展起来的频域均衡( f d e ) 技术倍受关注， 成为无线宽带技术研究的热点。频域均衡引入了高效的快速傅立叶变换( f f t ) 算 法，使计算复杂度大为降低，同时减小了均衡器的结构复杂度，极大提升了系统 性能。i e e e 8 0 2 16 a 标准已经将单载波频域均衡( s c f d e ) 技术定为建议的物理 层传输技术之一。 2 1s c f d e 系统概述 2 1 1 模型描述 s c f d e 系统和o f d m 系统结构上存在着相似性：两种系统都对数据进行了 块操作，并都在数据块之间循环前缀来消除相互干扰；两种系统都使用了时域频 域和频域时域的变换，并在频域实现对信道的均衡。下面先简单介绍一下o f d m 的基本原理【3 4 ，5 1 。o f d m 系统结构图如图2 1 所示。 图2 1o f d m 系统结构图 o f d m 系统的基本原理是将信道分成若干正交子信道，将高速数据信号转换 成并行的低速子数据流，调制到每个子信道上进行传输。正交信号通过接收端采 用相关技术分开，可以在一定条件下减少子信道间干扰。每个子信道上的信号带 宽小于信号的相关带宽，因此每个子信道可看作是平坦衰落信道，从而消除了码 间干扰。由于每个子信道的带宽仅仅是原信道带宽的一小部分，信道均衡就变得 相对容易，o f d m 全部载波频率有相等的频率间隔，它们是一个基本震荡频率的 整数倍，正交指各个子载波的信号频谱是正交的。 6 s c f d e 系统的同步技术研究 s c f d e 系统与o f d m 系统的结构很相似，区别仅在于，o f d m 系统将i f f t 处理放在了发送端用以将符号复用到正交子载波上，而s c f d e 系统将i f f t 处理 放在了频域均衡后用以将频域信号恢复为时域信号。由于系统结构的相似性，使 两者的计算复杂度基本相当，都集中在f f t 和i f f t 上，都与数据块长度的对数成 正比【6 1 。s c f d e 系统原理如图2 2 所示。 图2 2s c - f d e 系统结构图 为了方便讨论，省略了符号映射、f f t 和i f f t 前后的串并、并串以及信号 编解码模块。信号的处理流程为：输入符号插入长度为虬的前缀( 可选) 以后， 形成长度为的符号( 数据块) 送入信道；在接收端同步以后，去掉前缀，对每 个传输符号变换到频域进行均衡后再恢复回时域，就得到接收的信息。对应于时 域均衡的滤波器结构，这里的频域均衡器是在频域上的单抽头滤波器，相当于将 时域的抽头系数变换到频域上得出的。 s c f d e 系统的复杂度基本上集中在了接收端，并且接收端的频域均衡系数是 s c f d e 系统的核心部分。 2 1 2 数学描述 考虑无线信道为准静态信道，在一个数据块的时间间隔内不变。设发送符号 序列为瓦且各符号变量之间不相关，均值为零，方差为尸，数据块长度为，符号 周期为r 。设加性高斯白噪声的采样值服从高斯分布，均值为零，方差为盯2 且互 不相关。 设每个映射后的码元毛组成一个传输数据块( 符号) ，信道冲击响应为魂， 令符号的码元数小于信道冲击响应吃的长度，则每个接收到的数据符号可以表示 为： = 吃0 + 刀= 0 ，1 ，n 一1 ( 2 - 1 ) 式中，固为卷积符号。假设发送信号矗的平均功率是尸，式中心为加性的高 斯自噪声，其方差为仃：。经过f f t 变换以后，频域表示为： 第二章s c f d e 系统基本原理 k = 五巩+ 圪 k = 0 ，1 ，1 一，n - 1 ( 2 - 2 ) 吼是信道的频率响应，假设同步和信道估计都是理想的，进行频域均衡以后 乙= k 峨+ k( 2 - 3 ) 为前馈频域滤波器的系数，判决前的信号为： 乙= 专墓k 峨p 7 警砌+ 专薹圪e f 等h ( 2 4 ) 若采用迫零( z f ) 均衡，哌= 圻1 ，则 乙= 专篓k p l 等蛔+ 专薹圪何1 p ，警h。2 5 ， = 以+ t 但是，当信道衰落很大( 夙很小) 时，式( 2 5 ) 等号右边第二项噪声的权重很 大，对影响信号判决非常大，通常采用最小均方误差( m m s e ) 均衡n 2 南 p 6 ， 2 2s c f d e 系统的帧格式 i e e e 8 0 2 1 6 a 标准中建议了s c f d e 系统发送信号的过程、编码方式、负载帧 格式以及突发过程( b u r s tp r o c e s s ) 中的突发特征参数( b u r s tp r o f i l ef o r m a t ) 。 s c f d e 系统的负载帧包括负载数据和周期性插入负载数据序列中的导频信号组 成。导频信号是由独特字( u w ) 信号组成的。 2 2 1s c f d e 系统负载帧格式 s c 系统负载帧格式根据传输方式可以分为连续传输模式和突发传输模式两 种，根据插入导频字( u w ) 的块数不同又可以分为单块导频字传输模式【8 】和多块 导频字传输模式【9 】。 插入单块导频字的连续传输模式如图2 3 所示，如果u w 序列的长度为尸，数 据块的长度为d ，则系统的传输效率为d ( d + p ) 。 u wd a t au wd a t au wd a t a 卜一f f tb i o c k 叫 图2 3s c 系统插入单块u w 的连续传输模式 s c f d e 系统的同步技术研究 为了同步和均衡器训练的目的，可以考虑使用两块或者更多的紧挨着的u w 序列块周期性地插入到一个数据序列中，如图2 4 所示。数据前面的u w ( 阴影部 分) 组成了一个具有理想周期子相关性质的周期序列；在每个f f t 块中数据块后 面的独特字则作为其随后的那个独特字的循环前缀，抵抗符号间干扰( 1 s i ) 。此时 系统的传输效率为d ( d + 2 p ) 。 吲。a t au w 朔。a t a u w 卜一f f tb l o c k 叫 图2 4s c 系统插入多块u w 的连续传输模式 由于使用了f f t f i f f t 运算，接收端信号必须分块处理，发送端的发送信号也 应该使用分块操作。单载波频域均衡思想是建立在卷积定理的基础上的，即两个 时域信号的卷积等于这两个信号频域形式的乘积。但是要注意的是，此定理在连 续时域是成立的，但是在离散时域的情况下一般是不成立的，除非使用无限大的 样值点或者至少一个卷积信号是周期性的( 在该情况下，信号可以被循环卷积) 。 因为我们只能使用有限的样值点，所以只能像o f d m 一样利用循环前缀的概念使 信息码在我们感兴趣的时间区内呈现周期性，从而使得线性卷积变成循环卷积。 在o f d m 中使用的是c p ，在s c f d e 中使用的是u w 。o f d m 中的c p 只是对负 载数据块最后若干个码元的复制，因此，预先并不知道c p 的内容，且其内容随数 据块的不同而不同，所以，c p 不能用于信道估计、均衡和同步等。s c f d e 中采 用的u w 就不同了，u w 不是任意的，它可以选择合适的序列，内容一直相同， 并且，u w 是被当作数据符号来处理的。 2 2 2 独特字u w 的设计 在s c f d e 系统中，u w 有如下作用： ( 1 ) 数据块前面的u w 序列一方面与o f d m 系统中c p 的作用类似，可以克 服前一符号帧对该帧的干扰，另一方面可以用作同步和信道估计中的导频； ( 2 ) 用作循环前缀时要求u w 序列的长度必须大于信道最大时延的长度； ( 3 ) 用作信道估计时要求u w 序列有很好的相关性和宽带的、平稳的频率响 应。 理想情况下，u w 序列的f f t 频谱应该在所有频率上具有均等或近似均等的 幅值，以产生较宽带宽的、平稳的频率响应以保证信道中的每个频率成分都可 以被统一地加以检测。相应地，u w 序列的非零延迟循环自相关函数在理想情况下 应该为零。如果从硬件比较容易执行的角度考虑，希望使用二进制序列，那么也 第二章s c f d e 系统基本原理 可以使用长度为2 ”一1 的伪噪声( p n ) 序列，但是作为u w 序列的伪噪声序列需要 添加一个正交的很小的支流分量。 i e e e 8 0 2 1 6 a 标准规定了使用多相位的f r a n k z a d o f f 序列或者c h u 序列【l l 】 作为u w 序列。并规定在1 2 5 m b s 到2 0 m b s 的通信速率下，u w 序列的长度缺 省值u = 6 4 ，u w 序列由i 路( 同相) 和q 路( 正交) 信号组成。表2 1 中列出了 u w 的类型、长度和支持方式i l 引。 表2 1u w 的类型、长度和支持方式 长度u序列类型支持方式 o可选 8c h u 可选 可选 1 6f r a n k z a d o f f ( 速率1 2 5 m 符号秒以下 时必选) 3 2c h u 可选 6 4 f r a n k z a d o f f 可选( 缺省) 1 2 8 c h u 可选 可选 2 5 6f r a n k z a d o f f ( 速率2 0 m 符号秒以上 时必选) 5 1 2c h u可选 u w 序夕0 的i 蹯信号和q 路信号为： i n ：c o s ( o n ) 纠门】- s i i l ( p 【玎】) 式中，刀为1 到u 的任意整数。 ( 刀) = 堡u ( ，z = p + g 厕) = 万2 7 r p q ( 2 - 7 ) ( 2 - 8 ) ( 2 9 ) ( 2 - 1 0 ) s c f d e 系统的同步技术研究 式中，p = o i ，而一1 ；q = o 1 ，而一1 。 c h u 序y o 。长度u = 酗 图2 5 长度为6 4 和2 5 6 的c h u 序列散射图 图2 6 长度为6 4 和2 5 6 的f r a n k z a d o f f 序列散射图 图2 5 和图2 6 分别是长度为6 4 和2 5 6 时的c h u 序列和f r a n k - z a d o f f 序列的 散射图。从图中可以看出，图中每个点的模相同，是一个常量值，只有每个点的 相位不同。 2 3s c f d e 与o f d m 比较 o f d m 技术是一种多载波调制方式，可以有效地克服载波干扰和码间干扰。 但是o f d m 技术对定时误差、载频同步比较敏感，而且峰均比较大；而基于o f d m 系统信号处理方式的s c f d e 系统方案有效的结合了o f d m 和单载波传输的优点： ( 1 ) 与多载波有近似的均衡性能，在时间色散严重时，复杂度远小于时域均衡； ( 2 ) 受频率选择性衰落的影响较小； 第二章s c f d e 系统基本原理 ( 3 ) 在信道中传送的是在时域上调制的信号，包络起伏较小， ( 4 ) 不需要保证子载波之间的严格正交，对频偏敏感性小。 下面从净比特率、信道容量、峰平比( p a i 心) 、误码性能、 s c f d e 系统与o f d m 系统进行比较1 3 , 1 4 】。 2 3 1 净比特率比较 峰平比较小： 复杂度等方面对 个输入信号经过串并变换后组成一个数据块( 符号) ，为了最大程度地消除 符号间干扰，需要每个符号之间插入保护间隔( g hg u a r di n t e r v a l ) ，g i 的长度三 要大于无线信道的最大时延扩展，这样上一个符号的多径分量只会对下一个符号 的保护间隔产生影响，而不会干扰下一个符号，这个保护间隔一般用原始的符号 进行循环扩展作为循环前缀( c p ：c y c l i cp r e f i x ) 。s c f d e 和o f d m 的数据块结 构如图2 7 所示。 图2 7s c f d e 和o f d m 的数据块结构 从图2 7 可以看出，s c f d e 和o f d m 系统的净比特率为： r s c - m e = r 删= 而n ( 2 - 1 1 ) 2 3 2 信道容量比较 假设频域均衡采用m m s e 均衡，则s c f d e 的信道容量为： p 一_ l o l 一1 ， r 乩g ：( + 警 ( 2 - 1 2 ) 信道容量是： ( 2 - 1 3 ) 由于它是平行组合的积信道，各个信道的输入、输出彼此独立，同时工作， 各个子载波分配功率相同，均为p ，则每个o f d m 符号的瞬时信道容量为： s c f d e 系统的同步技术研究 c 一乩惭k = 0 + 吲 p 一1 卧hk：pi仃2-1 1 u 专薹丽脚r ， c 5 c 脚加鹤e c o f l ) m 一一一 ( 2 - 1 5 ) ( 2 - 1 6 ) 因此，只有在信道是非频率选择性衰落时，s c f d e 系统才和o f d m 的信道 容量相等，其他情况下，前者的信道容量要小。 2 3 3 峰平比( p a r p ) 比较 发射机的末级是电子设备功耗的主要部分，也是成本最高的部分。因此，通 信系统发送端的功率是一个关键问题，应尽可能使大功率放大器工作在高效率状 态。系统对大功率和信号失真两者之间的要求总是相互矛盾的，这就要求功率放 大器具有较大的动态范围，以避免信号失真引起传输信号的频谱扩散和带内失真 引起的误码率增加。但是，提高放大器性能有时要付出很高的代价，会导致系统 成本大幅度提高，所以一般希望发送信号的动态范围越小越好，以便降低对功放 的要求。 设数据符号调制成毛的星座图集合为a ，定义数据符号的最大幅度和每个 符号的平均能量分别为： a 一= m a x 融川 ( 2 - 1 7 ) 仃；= ( 1 i a 删i ) 蚶 ( 2 1 8 ) a e a 则s c f d e 系统与o f d m 系统的p a r p 分别为： 以r p c 贼= a 基o r ： ( 2 - 1 9 ) 以即删= n a 一2 仃： ( 2 2 0 ) 由式( 2 。1 9 ) 和式( 2 2 0 ) 可知，s c f d e 相对于o f d m 在峰平比上有很大优势。 2 3 4 误码性能比较 设信道的频率响应以构成的矩阵h 的特征值为人= d g a g ( & ，疋，九) ，则 s c f d e 系统每一个传输数据在信号判决处的信噪比均为： 第二章s c f d e 系统基本原理 蜊一。商 q 。2 d 设o f d m 系统每一子信道的信号均采用相同的调制方式，则在信号判决处， 其第七路子信道的信噪比为： 畔2 赢 g 。2 2 由式( 2 2 1 ) 和式( 2 - 2 2 ) 可以看出，对于一个符号的数据而言，s c - f d e 和o f d m 系统在信号判决处噪声的总能量是相同的，不同的是，在o f d m 系统中，这种噪 声随传输数据在数据块中的位置不同而不同，对应于每个子信道的衰落不同；而 在s c f d e 系统中，该噪声则对数据块中的每一个传输数据都是相同的，也就是 说，s c f d e 的i f f t 扩展了子信道噪声的影响，由此产生了两个系统在判决信噪 比上的差异。 s c f d e 一个符号中的所有数据的信噪比相同，而o f d m 每个数据的信噪比 均不相同，与每个子信道的衰落有关，这种差异造成了s c f d e 和o f d m 系统不 同的平均误码性能。对于二进制调制信号，信号判决产生的误码率可以一般性地 表示为： = q ( a 4 s n r ) ( 2 2 3 ) 式中，么为与调制信号在信号空间中的距离特性有关的参数。采用多进制调制 时，可以表示为其所对应的二进制调制的误码率的增函数形式，所以仅仅考察二 进制系统完全可以反映所有系统的性能【1 5 , 1 6 。 s c f d e 相比于o f d m 系统，展宽了子信道的干扰。在信噪比较高的情况下， 频率选择性衰落，特别是窄带干扰，使得o f d m 的某符号( 对应一子载波) 无法 正确解调信号，造成误码；而s c f d e 系统由于i f f t 的操作将窄带干扰扩展到了 整个信号，平均了其影响。 但是在低信噪比的情况下，s c f d e 的上述优势缺转变成了劣势。由于所有子 信道条件都比较差，单载波仍然在扩展干扰，使得所有信号的信噪比均处在较低 的水平，导致大规模的误码；而o f d m 则在可用子载波上能够准确判决出信号， 若进行自适应的调制或者灵活的接入，则可以最佳的利用信道，得到较好的结果。 因此，对于一般的s c f d e 系统在低信噪比条件下，s c f d e 系统的误码性能 略差于o f d m ；而在高信噪比条件下，s c f d e 则能取得显著优于后者的误码性能。 2 3 5 复杂度比较 由于系统结构的相似性，s c f d e 与o f d m 的计算复杂度基本相当，都集中 1 4s c f d e 系统的同步技术研究 在f f t 和i f f t 上，都与数据块长度的对数成正比。在讨论系统复杂度时一般以复 数乘法次数m ，来衡量： m 笋靴= m p = n f r r + 2 * ( n r 州c m ) p 2 4 ， 2 4s c f d e 与o f d m 相结合 由于s c f d e 和o f d m 在系统结构上的相似性，使这两种系统的共存成为可 能【1 7 】。一种同时支持s c f d e 和o f d m 的双模式系统如图2 8 所示。 基站 终端用户 下行链路0 f d m 发射机下行链路o f d m 接收机 上行链路s c 接收机 上行链路s c 接收机 图2 8s c - f d e 和o f d m 双模式系统结构图 由图2 8 可知，双模式系统在下行链路中采用o f d m ，在上行链路中采用 s c f d e 。由于o f d m 系统和s c f d e 系统的相似性，双模式系统的实现并不复杂。 采用这种双模式结构有以下两个好处： ( 1 ) 它将复杂的信号处理都集中到了一端，适合在基站中实现； ( 2 ) 移动台的发送机采用单载波调制，大大降低了对功率放大器的要求，降低 了移动台成本。 2 5 本章小结 在宽带无线系统的传输中，均衡器成了制约单载波系统性能提升的“瓶颈 。 近年来，在单载波调制基础上发展起来的频域均衡( f d e ) 技术成为无线宽带技术 研究的热点。频域均衡引入了高效的快速傅立叶变换( f f t ) 算法，使计算复杂度 大为降低，同时减小了均衡器的结构复杂度，极大提升了系统性能。i e e e 8 0 2 1 6 a 标准已经将单载波频域均衡( s c f d e ) 技术定为建议的物理层传输技术之一。 本章首先介绍了s c f d e 系统组成，并对各组成部分进行了简单的说明。 s c f d e 系统和o f d m 系统结构上存在着相似性：两种系统都对数据进行了块操 作，并都在数据块之间插入循环前缀来消除相互干扰；两种系统都使用了时域频 第二章s c f d e 系统基本原理 域和频域时域的变换，并在频域实现对信道的均衡。区别仅在于，o f d m 系统将 i f f t 处理放在了发送端用以将符号复用到正交子载波上，而s c f d e 系统将i f f t 处理放在了频域均衡后用以将频域信号恢复为时域信号。 接着介绍了s c f d e 系统的负载帧传输格式，分析了导频独特字u w 序列的 产生方法，并对u w 序列的性能进行了研究，为后面的章节打下基础。在s c f d e 系统中，数据块前面的u w 序列一方面与o f d m 系统中c p 的作用类似，可以克 服前一符号帧对该帧的干扰，另一方面可以用作同步和信道估计中的导频。 本章还将s c f d e 与o f d m 在多个方面进行了性能比较，包括净比特率、信 道容量、峰平比( p a i 冲) 、误码性能、复杂度等。o f d m 技术对定时误差、载频 同步比较敏感，而且峰均比较大，而基于o f d m 系统信号处理方式的s c f d e 系 统方案有效的结合了o f d m 和单载波传输的优点。之后介绍了o f d m 与s c f d e 相结合的双模式系统。 第三章s c f d e 系统同步技术 第三章s c f d e 系统同步技术 前面第二章中的数学模型推导都是在发射机和接收机之间理想同步的前提下 得到的。然而在实际传输中，很难达到这种理想情况，事实上，由于各种因素的 存在，接收机的采样时钟丁肯定不同于r ，同样，也会存在载波的偏差厂，另外 符号的定时偏差绣，也需要考虑到。这也就意味着，需要在接收端对这些偏差需 要进行估计和补偿。因此，s c f d e 接收端的同步主要有以下三个任务： ( 1 ) 帧同步：包括到达检测和符号起始位置估计； ( 2 ) 定时同步：包括采样偏差的估计和跟踪； ( 3 ) 载波同步：包括载波偏差的估计和跟踪。 3 1 同步误差分析 送信号上加起限带作用的成型滤波函数g r ( t ) ，假设经过a w g n 信道，接收到的 信号【1 8 ，1 9 】可以表示为： y ( f ) = 厄而所( 卜n t ) e 川p 鲈+ v ( f ) ( 3 1 ) 式中，e 为每个映射符号的平均功率，矽为收发的频率偏移，g r ( t ) 为发送 g r ( t ) = i 恐瓯( 厂) p 2 矽d f ( 3 - 2 ) 2 p 万 a 为其滚降特性。接收端经过匹配滤波器g r ( f ) = g ；( 一f ) ，得到： 儿= x j o ( a f ) + 善洲寸+ p 3 ， s c f d e 系统的同步技术研究 厶( 矽) = e 所( ，z m 舯川p 龇 = e g r ( f + a f ) g r ( f ) e - 2 t r f n t d f 、。 2lv ( n t t ) g r ( t ) d t ( 3 - 5 ) 接收信号相当于旋转了吼= 2 p a 7 的角度，这种旋转由晓见来补偿。如果 载波频偏满足l 妒i a ，且2 i 妒l l - a ，则有： w ，= l - a - 例+ 争( 陶卜一i a ：1 ) c o s ( 嘲 o _ 6 ， 对于较小的妒，有： s o ( a f ) 1 _ 警 ( 3 - 7 ) 这意味着传输信号被因子l 厶( 鲈) l 1 衰减，得到单载波系统的码间干扰功率： k c ( 鲈) e i s o ( s ) 1 2 行= - m * o = 等薹e 叫+ 辫申a f ) g r ( f ) g 月( f 蝴( 3 - 8 ) 一e i lg r ( f ) g r ( f + a f ) a f l 一1 仅( p a s t 4 6 4 a 由式( 3 8 ) 可知，频偏对纯粹单载波系统造成的误差相当于造成了信号旋转和 衰减。但是，这个结论仅仅是判决前的频偏对单载波系统造成的影响，当这个频 偏出现在s c f d e 系统的f f t 之前，就会影响到频域均衡的准确性。下面先讨论 频偏对o f d m 的影响。 对o d f m 进行分析，得到由于频偏引起的码间干扰功率为： ( 钔= v o r - r , u _ r s ) ( a f ) + v o r w , ) a ( a f ) + v o f d m ) a ：( 矽) 巨嵩删，a y ) 盹l s o ( , , s ) 1 2 o 西 式中，为循环前缀的长度，。c 。为干扰的权重函数： 叫蟛) _ 1 一勰 ( 3 - 1 0 ) 由式( 3 1 0 ) 可知，频偏对o f d m 系统造成的影响包括不同符号造成的码间干扰 i s i ，相同符号不同载波造成的载波间干扰i c i l ，不同符号不同载波造成的载波间 第三章s c f d e 系统同步技术 1 9 干扰i c l 2 。在o d f m 窗口估计正确的时候，i s i 和i c l 2 为零，只剩下载波间干扰 i c l l ，而