（通信与信息系统专业论文）超宽带mbofdm接收技术的研究.pdf

l- 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位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的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南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作了明确的说明 并表示了谢意。 研究生签名： 应查 日期： 凌厶：f ：凸 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括以电子信息形式刊登) 论文的全部内容或中、英文摘要等部分内容。论文 的公布( 包括以电子信息形式刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：二扬导师签名： 摘要 摘要 超宽带( u l 仃aw i d e b 锄d ，u w b ) 无线通信技术具有传输速率高、时间分辨率优异、系 统容量大、抗多径干扰能力强、功耗低和成本低等优点。在频谱资源日益紧张、传输速 率不断提高的今天，超宽带无线通信技术已逐渐成为无线通信领域研究与开发的一个热 点，并被视为下一代无线通信的关键技术之一。而正交频分复用( o n h o g o n a lf r e q u e i l c y d i v i s i o nm u l t i p l e x i n 舀o f d m ) 技术，由于具有高速数据传输能力、频谱利用率高、对抗 频率选择性衰落能力强、信道频域均衡技术简单等优点，特别适合于宽带无线通信。2 0 0 5 年1 2 月，对于u w b 的主流实现方案之一m b o f d m ( m u l t i b 锄do n h o g o n a lf r e q u e l l c y d i v i s i o nm u l t i p l e x i n 曲， 欧洲计算机制造联合会( e u r o p e a nc o m p u t e rm a n u f a c t u r e r s 弱s o c i a t i o n ，e 锄a ) 通过了e c m a 一3 6 8 3 6 9 标准，规定了物理层和媒体接入控制层( m e d i 啪 a c c e s sc o 曲旧l ，m a c ) 之间的接口特性。 本学位论文基于e c m a 3 6 8 3 6 9 标准，着重研究超宽带m b o f d m 系统接收方案， 并进行了设计和实现，最后对仿真系统的性能进行详细的分析。本文的篇章结构如下： 第一章首先介绍了u w b 技术的概念、定义、标准、主要特点及应用。 第二章简要阐述了o f d m 技术的基本原理，接着分析了o f d m 技术的优缺点，最 后，介绍了o f d m 技术的一些关键问题。 第三章简要介绍o f d m 系统中的同步技术，仔细研究了符号定时同步、频率同步的 实现算法，并对基于b l u e 算法的o f d m 、m b o f d m 系统频偏估计，进行了性能的仿 真和分析。接着对o f d m 系统的信道估计、均衡问题做深入讨论，并进行了典型算法 的详细介绍。 第四章基于e c m a 3 6 8 3 6 9 标准设计和实现了超宽带m b o f d m 系统接收方案。首 先对标准和u w b 信道进行了介绍，然后着重根据接收方案，在a w g n 信道和i ，w b 信 道中对系统同步性能进行了详细的仿真和分析。其中，同步包括帧同步、符号定时同步、 载波频偏估计和相位跟踪。利用漏检概率和虚警概率，获得最佳帧同步门限值；利用能 量检测法能够可靠的检测帧的到来；由于训练序列对噪声和频偏具有很强的鲁棒性，利 用滑动相关能够比较准确的进行符号定时同步；利用时域、频域、不同的相关距离、以 及基于b l u e 算法进行了频偏估计值的性能的详细比较，得出基于b l u e 算法频偏估计 性能更优，但复杂度更高的结论。相位跟踪将残余的频率偏差引起的相位偏差进行了及 时的校正。论文中也对于不同的频域均衡方法进行了仿真分析，对于d c m 调制解调方 式也给予了详细的阐述，其中得出s u n g c h 眦g 算法充分利用两个符号之间的相关性来进 行解调，性能更优。最后，基于e c m a 3 6 8 3 6 9 标准，在理想和非理想状态下，对超宽 带m b o f d m 系统性能进行了详细的仿真及分析，并就符号定时同步、载波频偏估计对 系统性能的影响进行了仿真，以及对f f i 、t f i 交织模式进行了性能比较。 关键字：超宽带e c m a 3 6 8 3 6 9 正交频分复用同步 丝兰坐坚 a b s t r a c t u l 旬mw i d e b 甜l d ( i r w b ) p o s s e s sm em e r i t so fk 小t r a i l s m i s s i o nd a t ar a t ea n dc a p d b i l i t x e x c e l l e n ta n “i m e i 衙e n c ea b i l i t ml o w 吮1 s m i s s i o np o w e ra n dc o s t t - o ( 【a 矾p e o p l ee x p e c th i g h d a t ar a t ew i t l ll i m i t e ds p e c 觚l mr e s o u r c e u n d e rt l l i sb a c k g r o u n d ，u w bh a sb e c o m e 锄 i m e r e s t e dr e s e a r c h6 e l di nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ，a l l di ti sc o n s i d e r c da u so n eo ft h ek e y t e c l l n o l o 西e sf o rt l l en e x t2 e n e r a t i o nw i r e l e s sc 0 m m u n i c a t i o ns y s t 锄s o n l l o g o n a lf r e q u c n c y d 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 i q u e ， w i t ht h ea d v a i l t a g eo fh i 曲d a t ar a t e ，t l i 曲 b a i l d w i d t he m c i e n c y ，r o b u s 协e s st o 仔c q u 朗c ys e l e c t i v ef a d i n ga n ds i m p i i c i t yo fe q u a l i z a t i o n i i l 仔e q u e n c yd o m a i n ，i se s p e c i a i l ys u i t a b l e f o rw i d e b a n dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n m u l t i b a n do r t h o g o n a lf r e q u e n c v 肼v i s i o nm u l 邱l e x i n g ( m b o f d m )i so n eo fm e m a i n s t r e 锄s c h e m e so fu w b e u p e a nc o m p u t e rm a n u f a c t l l r 钉sa s s o c i a t i o n ( e c m a ) p r o p o s e se c m a 3 6 8 3 6 9s t 锄d a r di 1 1d e c e r n b 2 0 0 5 ，w h i c hs p e c i f i e su w bp h y s i c a l ( p h y ) s u b 1 a y e r 觚dm e d i 啪a c c e s sc o n 仃0 1 ( m a c ) s u b l a l 婀t b a s e do ne c m a 3 6 8 3 6 9s t 锄d a r d ，r e 嘣v i n gt e c 量l f l i q u e so fm b o f d m - b a s e du w b s v s t 嘲a r ei n v e s t i g a t e da n dr e a l i z e di nt l l i st h e s i s f i n a l l ys y s t e i l lp 柏n n 锄c ei s 觚a l y z e di n d e t a i l t h es t n 】c n 】r eo fm i sp a p e ri sa r r a n p 丽a sf b l l o w s ： c h a d t e ro r l ei n t r o d u c e sc o n c e p t ，s t 锄d a r d ，c h 孤a c t 砸s t i c 趾da p p l i c a t i o no fu w b c h a p t e rt w dd c s 函b e st h e 矗m d 锄e n t a lt l l e o r yo fo f d m ，觚a l y z e s 地a d v a n t a g e s 砒l d d i s a d v a n t a 窖r e s ，锄dp r e s e n t st t 伧s d i e m eo fo f d mi nd e t a i l c h a p t e rm r e ep r o 访d e ss y n c h r o i l i z a t i o na l g o r i m m si nr e c e i v e r ，i l l c l u 出n gs ”n b o lt i m i n g s v n c l o i l 主z a t i o na n dc a l l r i e r 仔e qu i e i l c yo f e te s t i m a t i o n o f d ma n dm b - o f d ms y s t e m c 硎e rf e q u e n c vo 任l s e te s t i m a t i o na f es m l a t e d 锄da n a l y z e db a s e do nb l u ea l g o r i m m t h e ns o m ec h a l l n e le s t i m a t i o na lg i d r i t i l i n sa n de q u a l i z a t i o na l g o r i t h m sa r e 矗l r t h e rd i s c u s s o d c h a d t e rf o u ri n 仃o d u c e sm es t 锄d a r da i l du w bc h 锄n e lm o d e lf i r s t l y t 1 1 e i ls y s t 咖 s v i l c h r o i l i z a t i o i l i n c l u d i n g 丘锄ed e t e c t i o mc 硎e r 矗e q u 饥c yo 仃e t 懿t i m a t i o n ，觚dp h a s e 缸a c l 【i n 瓯i ss i m u l a t e di na w g n 锄du w bc h a n i l e la c c 0 r d i n gt 0r e c e i v i n gs c h e n l e s o m ek e y i s s u e sa r ed i s c u s s e d 。s u c ：ha st l l em r e s h o i do f 厅锄ed e t e c t i o n ，c 0 m p 撕s o no ff c q u e n c yo f f s e t c s t i m a t i o np e r f o 肌a i l c ci l ld i 伍自嘶td i s t a n c e d o m a j n ，锄da 1 9 0 r i t h m s t h e 玛d i 岱参r e n t e q u a l i z a t i o na l g o r i m m sa n di l u a lc 硎e rd 伽o d u l a t i o n ( d c m ) a l 星r o r i t i l i i l sp 拍m a n c ei s c o m p 砌a tl a s t ，m ei n t e 毋a t o ds y s t 锄i ss i 埘【u l a t e d 砒l d 锄a l y z e di nb o 1i d e a l 砒l dn o i 卜i d e a l o o n d i t i o n s k e yw o r d s ：u w b ，e c m a 3 6 8 3 6 9 ，o f d m ，s y i l c h r 0 i l i z a t i o n 甘录 目录 摘要】 a b s t r a c t i 目j 录i 第一章绪论1 1 1 弓i 言1 1 2 超宽带概述1 1 3 超宽带的定义及标准2 1 4 超宽带信号特点及应用4 1 5 论文主要工作和章节安排4 第二章正交频分复用技术简介5 2 1 引言一5 2 2o f d m 基本原理5 2 2 1o f d m 时频分析6 2 2 2d f t 实现8 2 2 3o f d m 信号过采样8 2 2 4 频谱利用9 2 2 5 保护间隔1o 2 2 6o f d m 系统框图1 2 2 3o f d m 系统的优缺点1 3 2 4o f d m 系统的关键问题1 3 2 5 本章小结1 5 第三章o f d m 接收技术的研究17 3 1o f d m 系统中的同步技术17 3 2o f d m 系统同步算法1 9 3 2 1 基于s c 定时同步和频偏估计方案。1 9 3 2 2 基于b l i j e 算法的频偏估计。2 l 3 2 3 基于b u j e 算法的m b o f d m 系统的频偏估计一2 3 3 3 信道估计2 5 3 3 1 频域l s 信道估计算法2 7 3 3 2 时域l s 信道估计算法2 8 3 3 3 频域l m m s e 信道估计算法2 8 3 4 均：衡3 0 3 5 本章小结3 0 第四章基于e c m a 。3 6 8 3 6 9 标准超宽带m b o f d m 系统接收技术的研究。3 l 4 1e c m a 3 6 8 3 6 9 标准31 4 1 1e c m a 3 6 8 3 6 9 标准概述。31 4 1 2p l c p 子层。3 3 4 2im 僵信道模型3 6 4 3 系统同步方案3 7 4 3 1 帧同步3 8 4 3 2 符号定时同步4 0 4 3 3 载波频偏估计4 5 东雨大学硕- 上学位论文 4 3 4 相位跟踪一：。5 0 4 4 信道估计与频域均衡5 2 4 5d c m 调制与解调5 3 4 6 超宽带m b o f d m 系统性能仿真5 6 4 7 本章小结6 l 第五章结束语6 3 5 1 论文全文总结6 3 5 2 下一步工作6 4 至5 【谢6 5 参考文献6 7 n 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 进入二十一世纪，世界处于飞速发展的信息革命和创新时代，信息技术革命席卷全 球，并逐渐改变着整个世界的发展。在过去的三十年中，信息技术经历了几次大的革命 浪潮，其中的一次是因特网的出现，另一次则是随着通信技术、计算机技术、大规模集 成电路技术、网络技术以及信号处理等技术的不断进步，无线移动通信技术的飞速发展。 无线技术的发展使得有线网络扩展至无线移动网络( 包括因特网) ，加速了现在通信系统 的发展。时至今日，无线通信已经成为人们同常生活中不可或缺的重要通信方式之一。 无线网络是无线移动通信和计算机网络结合的产物。无线网络的初步应用，可以追 溯到五十年前的第二次世界大战期间，美国陆军采用无线电信号做资料的传输。他们研 发出了一套无线电传输科技，并且采用相当高强度的加密技术，得到美军和盟军的广泛 使用。这项技术使得许多学者产生了灵感。在1 9 7 1 年时，夏威夷大学的研究员创造了 第一个基于封包式技术的无线电通讯网络，称为a l o h n e t 网络，从这时开始，无线网 络可以说是正式诞生了。无线网络最大的优点是摆脱了有线连接，而付出的代价则是需 要面对恶劣的无线信道环境和有限的频谱资源，因此，也面临更多、更大的挑战【1 1 。在 恶劣的无线通信环境中，随着人们对信息传输容量和质量需求的日益增长，如何利用有 限的频谱资源传递更多的信息，即无线网络的频谱效率问题成为无线网络设计的核心问 题之一。 按未来全球个人多媒体通信的全面覆盖域要求，无线网络技术可分为无线个域网 ( w p a n ) 、无线局域网( w l a n ) 、无线城域网( w m a n ) 和无线广域网( w w a n ) 通过这些 覆盖模式的相互补充和融合，可覆盖三维物理空间的任何角落，并有效地在任何时候连 接至任何个人用户。个人用户可以随时随地享受到个性化的无线多媒体服务。其中， w p a n 是一种最接近用户的无线接入手段，在未来全球个人通信网络中占据重要地位。 w p a n 是相当小型的随意网络，主要用于连接家庭各种家电、娱乐设备的无线网络，覆 盖范围一般在1 0 米左右，其显著特征为短距离、微功率、低成本。这种网络不依赖于 任何基础设施，网络覆盖范围内的各种设备可以根据需要自组织地进行组网，网络拓扑 极具灵活性。借助于网关设备，w p a n 还可以接入到w l a n 等外部网络，实现资源共 享。 近年来，短距离无线通信系统，传输距离为1 0 1 0 0 米，呈现了巨大的发展潜力。 w p a n 的核心思想是用无线电或红外线代替传统的有线电缆，组建个人化的信息网络。 实现w p a n 的主要技术有：蓝牙，i r d a ，h o m e r f 以及超宽带等。其中ir w b 是近年来 引起极大关注的无线传输技术。它具有传输速率高、系统容量大、抗多径干扰能力强、 功耗低、成本低、功率谱密度低和频谱共存等特点，因此，超宽带技术被视作短距离、 高速无线连接最具开发潜力的物理层技术之一。 1 2 超宽带概述 随着无线通信技术的发展，各种无线通信系统相继出现，使可利用的频谱资源日趋 饱和。然而，人们对无线通信系统的要求在不断提高，希望其数据传输速率更高、成本 更低、功耗更小。在这样的背景下，超宽带( u l 的w i d e b a n d ，u w b ) 【2 1 技术引起了人们的 东南人学硕1 二学位论文 重视，已逐渐成为无线通信领域研究与开发的一个热点，高速u w b 无线传输技术的主 要应用于室内通信、高速无线局域网、家庭网络、无绳电话、安全检测、位置测定、雷 达等，它被视为下一代无线通信的关键技术之一。 u w b 的历史渊源，可以追溯到一百年前波波夫和马可尼发明越洋无线电报的时代， 马可尼在18 9 7 年演示的第一个无线通信系统就符合超宽带无线电这个词的含义。现代意 义上的超宽带u w b 无线技术，出现于6 0 年代，当时又被称为“冲激无线电”。i ，w b 技术 在上世纪7 0 年代获得了重要的发展，其中多数集中在军用雷达和通信系统中。到8 0 年代 后期，该技术开始被称为“无载波”无线电，或脉冲无线电。1 9 8 9 年美国国防部( d e f 朋s e a d v a n c e dr e s e a r c hp r o i e c t s a g e n c y d a r p a ) 首次使用超宽带这个术语。 为了研究u w b 在民用领域使用的可行性，自1 9 9 8 年起，美国联邦通信委员会( f e d e r a l c o m m u n i c a t i o nc o m m i s s i o n ，f c c ) 对超宽带无线设备对原有窄带无线通信系统的干扰及 其相互共容的问题开始广泛征求业界意见，在有美国军方和航空界等众多不同意见的情 况下，f c c 仍开放了u w b 技术在短距离无线通信领域的应用许可。这充分说明此项技术 所具有的广阔应用前景和巨大的市场诱惑力。 2 0 0 2 年2 月，这项无线技术首次获得了f c c 的批准用于民用通信，这是u w b 发展 史上具有罩程碑意义的事件。2 0 0 2 年4 月，f c c 赋予i m 侣新的定义和免授权使用频段， 从而引起了世界各国的广泛关注。f c c 将im 僵技术的应用领域划分为成像系统、雷达 系统以及通信与测量系统三个大类，分别进行了详细规定。 目前，i m ，b 的规范化工作还在进行中，在f c c 对民用u w b 系统制定初步规定之后， 欧洲、同本、新加坡的有关部门也着手进行了u w b 通信的规范化工作。国际上叭b 通 信的标准化工作主要在i e e e8 0 2 1 5w p a n 工作组内进行，其中t g 3 a 任务组进行i e e e 8 0 2 1 5 3 【3 】高速w p a n 可选标准的制定工作，s ( 弭a 研究组进行i e e e8 0 2 1 5 4 低速w p a n 物 理层可选标准的研究工作。自2 0 0 2 年以来，u w b 技术得到了空前迅速的发展。 1 - 3 超宽带的定义及标准 超宽带信号的定义是：信号的相对带宽大子等于2 0 ，或者信号在o d b 处的绝对带宽 大于等于5 0 0 m h z ，则这个信号就是超宽带信号。 其中，相关带宽定义为： ， ，一，、，一，、 笠丝型= 望匣_ 卫 2 0 或者形5 0 0 m h z l h 七l l c 式中厶、石分别为功率较峰值下降l o d b 时对应的上截止频率和下截止频率，形为频带 宽度，z = ( 厶+ 无) 2 为中心频率，绝对带宽则是指上截止频率厶与下截止频率五的 差。 根据f c cp a r t l 5 【4 】规定，i m 忸通信系统可使用的免授权频段为3 1 g h z l o 6 g h z 共 7 5 g h z 带宽。为保护现有系统( 如，g p s ：g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e r n 系统、移动蜂窝系统 等) 不被u w b 系统干扰，针对室内、室外应用对u w b 系统的辐射谱密度进行了严格限 制，规定i ，w b 系统的最高辐射谱密度为- 4 1 3 d b i i l m h z ，如图1 1 所示。可见，i 、糯 无线通信系统占据的带宽可以高达5 0 0 m h z 至7 5 g 耐z ，这是现有无线通信系统无可比 拟的。同时，in 船无线通信系统具有极低的辐射功率，在3 1 g h z - 1 0 6 g h z 频段的总 辐射功率仅为2 5 5 d b m 。 从f c c 对超宽带的新定义和频谱分配中，可以得出以下结论：第一，超宽带不再局 限于传统的无载波窄脉冲和时域调制，u w b 只是供不同技术利用的可得带宽。第二， 绝对带宽大于5 0 0 m h z 的民用无线电信号即为u w b 信号。因为i ，w b 民用通信系统可 2 第一章绪论 使用的免授权频段为3 1 g h z 1 0 6 g h z ，如果相对带宽大于2 0 ，则绝对带宽必然大于 ，1 。一一一一。，一 和删h a ( a ) 室内( b ) 室外 图1 1f c c 规定的室内、室外i 、b 系统辐射谱密度限制4 1 5 0 0 m h z ( = 3 g h z 木2 0 ) 。第三，一般对于中心频率 1 5 g h z 的情况使用绝对带宽定义。比如：军用i n 糟系统的中心频率为 1 5 g h z ，则相对带宽大于2 0 时的绝对带宽为3 0 0 m h z 左右，此时用相对带宽定义比较 合适。 f c c 并没有规定i 用噶的时域波形特征，因此，可以有多种方式产生超宽带信号。 其中传统方法是利用纳秒级的基带窄脉冲来实现，调制方式包括脉冲幅度调制( p u l s e a m p l i t i l d em o d u l a t i o n ，p a m ) 和脉冲位置调制( p u l s ep o s i t i o nm o d u l 撕o n ，p p m ) 等，无需正 弦载波直接发射调制后的窄脉冲至空中，这种方式称之为超宽带冲激无线电( i i n p u l s e r a d i o ，i r - u w b ) ：另一类实现lt w b 的方法载波调制方式。这两种方式的基本特点都是 采用共享的方式使用极宽的频谱，从而可以提供很高的数据速率( 最高可达1 g b p s 以上) 。 目前，高速ir 、船技术有两种相互竞争的标准，一方是以h l t e l 与德州仪器为首支持 的m b o a ( m u l t i b a n do f d m 砧l i a n c e ) 提出的多带o f d m ( m u l t i b 锄dc i n 的g o n a l f r a q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g m b o f d m ) 标准，m b o f d m 方案是将f c c 规定的 3 1 g h z _ 1 0 6 g h z 可用的频段划分为多个满足超宽带定义的子频带，每个子频带带宽大 于5 0 0 h z ，并且每个子频带信号是许多个正交子载波合成的正交频分复用信号。另一个 是以美国m o t o r o l a 为主导的双子带直扩码分多址( d i r e c ts e q u e i l c es p r e a d i n 争c o d e d i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ，d s c d m a ) 标准，后来演变成d s 1y w b 标准。d s c d m a 方案 则把经过d s c d m a 扩频之后的信号通过载波调制，可在任何合适的频带范围内传输。 多年来，双方在标准的竞争中各不相让，两种方案均处于l ，w b 完整架构的最底层，各 有其特点，二者的分歧体现在i ，w b 技术的实现方式上，前者采用多频带o f d m 方式， 后者为双频带脉冲方式。目前，这两个阵营均表示将单独推动各自的技术。 基于m b o f d m 的w i m e d i ai ，w b 平台已作为国际上第一个商用i n 粕标准。作为 评估、开发和认可电信和计算机标准的国际组织之一，欧洲计算机制造联合会( e u r o p e a i l c 伽u t e rm a l l u f a 蛐s 嬲s o c i 撕o i l e 锄a ) 于2 0 0 5 年l2 月通过了e c m a 3 6 8 3 6 9 p 儿6 j 标 准，目前已被接纳为i s o 国际标准。e c m a 3 6 8 标准定义了系统的物理层( p h y s i c a ll a y p h y ) 及其控制层一媒体接入控制层( m e d i u ma c c e s sc o 劬r o l ，m a c ) ，e c m a - 3 6 9 标准则 规定了m a c p h y 接口特性。 3 东南大学硕：l ：学位论文 1 4 超宽带信号特点及应用 超宽带信号的本质特点就是它的带宽极宽，传输速率高，短距离上传输速率高达几 百m b p s 至l g b p s ，具有极低的辐射功率，可以降到背景噪声的水平，因此可以与其他 无线通信系统共存，这对提高r 益紧张的无线频谱资源的利用率是非常有利的，u w b 系统尤其适用于室内等多密集多径场所的高速无线接入和军事通信应用中。 在基带u w b 通信系统中，脉冲的宽度极窄，同时一般情况下占空比较小，其时间、 空问分辨能力都很强，因此，窄脉冲u w b 信号的多径信道分辨能力极高；且发射信号 不需要调制载波，发射机结构简单，成本较低，系统的功耗很低。基于载波调制的u w b 通信系统中，通过频谱搬移从而可以更加灵活有效的利用频谱资源，而且载波调制系统 的信号处理方法与一般的通信系统采用的方法类似，技术成熟度高，在目前的技术水平 下，比基带脉冲方式更容易实现，但是系统的功耗和实现的复杂度相对较高。 超宽带技术可以应用于无线多媒体局域网、家域网、个域网中；超宽带系统能进行 高速无线通信；在雷达定位和成像系统中，u w b 技术拥有比全球定位系统( g p s ) 更高的 定位精度；超宽带系统也可以应用于智能交通系统，为汽车防撞系统、测速、收费系统 提供解决方案；在军事、勘探、安全、公安、救援、医疗、测量等等领域具有很大的应 用潜力。 1 s 论文主要工作和章节安排 本论文的章节内容安排如下： 第一章绪论简要介绍u w b 技术的概述、定义、标准、特点及应用。 第二章详细讨论o f d m 技术。主要包括o f d m 技术的基本原理、优缺点及关键问 题。 第三章对o f d m 接收技术进行研究，就同步、信道估计、均衡问题做深入讨论，并 进行了典型算法的详细介绍。重点描述了基于b l u e 算法的o f d m 、m b o f d m 系统频 偏估计，并对其进行详细的性能仿真和分析。 第四章基于e c m a 3 6 8 3 6 9 标准设计和实现了超宽带m b o f d m 系统接收方案。首 先对e c m a 3 6 8 3 6 9 标准和u w b 信道进行了介绍，然后着重根据接收方案，在a w g n 信道和u w b 信道中对系统同步性能进行了详细的仿真和分析。其中，同步包括帧同步、 符号定时同步、载波频偏估计和相位跟踪。接着对于不同的频域均衡方法进行了仿真分 析，对d c m 调制解调方式也给予了详细的阐述，论文的最后，基于e c m a - 3 6 8 3 6 9 标 准，实现了超宽带m b o f d m 系统。在理想和非理想状态下，对整个系统性能进行了详 细的仿真及分析。 4 第二章正交频分复用技术简介 第二章正交频分复用技术简介 o f d m 【7 1 技术是一种特殊的多载波传输方案，它可以被看作是一种调制技术，也可 以被看作是一种复用技术。o f d m 技术具有高速数据传输能力和良好的对抗频率选择性 衰落或窄带干扰，以及频谱利用率高等优点，它可以适应将来高速运动体下行数据链传 输速率高、系统容量大、抗多径干扰能力强的应用需要。因此，o f d m 得到越来越多国 内外学者的关注。本章主要研究o f d m 技术的基本原理、优缺点、以及关键技术【8 】【9 】 等。 2 1 引言 o f d m 早起源于2 0 世纪5 0 年代中期，它由多载波调制( m u l t ic a 而e rm o d u l a t i o n ， m c m ) 发展而来。美国军方早在上世纪的5 0 、6 0 年代就创建了世界上第一个m c m 系统， 在1 9 7 0 年衍生出采用大规模子载波和频率重叠技术的o f d m 系统。但在以后相当长的 一段时间，o f d m 理论迈向实践的脚步放缓了。由于o f d m 的各个子载波之间相互正 交，采用快速傅立叶变换( f a s tf 0 嘶e rt r a i l s f o 肌，f f t ) 实现这种调制，在实际应用中，实 时f f t 设备复杂度、发射机和接收机振荡器的稳定性以及射频功率放大器的线性要求等 因素都成为o f d m 技术实现的制约条件。后来经过大量研究和开发，终于在2 0 世纪8 0 年代，m c m 获得了突破性的进展，大规模集成电路让f f t 技术的实现不再是难以逾越 的障碍，并且随着数字信号处理芯片技术的发展，格栅编码( 1 r e l l i sc o d e ) 技术、软判决 技术( s o rd e c i s i o n ) 、信道自适应等技术逐渐成熟，一些其它难以实现的困难也都得到了 解决。自此，o f d m 走上了通信的舞台，逐步迈入高速m o d e m 和数字移动通信的领域。 2 0 世纪9 0 年代，o f d m 开始被欧洲和澳大利亚广泛用于广播信道的宽带数据通信，数 字音频广播( d a b ) 【1 0 】、数字视频频广播( d v b ) 【j 、高清晰度数字电视( h d t 、厂) ，无线局域 网( w u 州) 和非对称高比特率数字用户线技术( a d s l ) 。其中大都利用了o f d m 可以有 效消除信号多径传播所造成的符号间干扰( i n t e rs y m b o lh t 引f 打锄c e ，i s d 的这一特征。同 时，o f d m 作为标准也在迅速发展。1 9 9 9 年通过的5 g h z 频段无线局域网标准 i e e e 8 0 2 1 l a ，采用了o f d m 调制技术，并将其作为它的物理层标准；欧洲电信标准协 会( e t s i ) 的宽带射频接入网推出的局域网标准h y p e r l a n 2 也把o f d m 定为它的标准调制 技术；已具雏形的第四代移动通信( 4 g ) 也准备采用o f d m 作为传输标准。此外，o f d m 还易于结合空时编码、分集、干扰( 包括i s i 、i n t e rc a m e ri n t e r 】衙饥c e i c l ) 抑制以及智能 天线等技术，最大限度地提高物理层信息传输的可靠性。如果再结合自适应调制、自适 应编码以及动态子载波分配、动态比特分配算法等技术，可以使其性能进一步得到优化。 2 2o f d m 基本原理 为了使数据传输没有码间干扰，符号持续时间必须比信道时延大。但是如今对于那 些需要提供宽带高速率数据传输的应用来说，发送符号持续时间接近甚至小于信道时延， 所以码间干扰就特别严重，数字通信系统性能急剧下降，无法正常工作。信道均衡是经 典的抗码间干扰技术，在许多移动通信系统中都采用了均衡技术消除码间干扰。但是如 果数据速率非常高，采用单载波传输数据，往往要设计几十甚至上百个抽头的均衡器， 这是硬件设计的噩梦。多载波调制的基本思想正是为了满足高速率传输和无符号间干扰 5 东南人学硕十学位论文 的需要发展起来的。多载波调制把高速传输的比特流经过串并变换形成若干个子比特流， 这样每个子比特流将具有低得多的比特速率，用这样的低比特率形成的低速率多状态符 号再去调制相应的子载波，就构成多个低速率符号并行发送的传输系统，每个子信道上 经历的是平坦衰落。因此，每个子信道上的码间干扰很小。在接收端，用同样数量的子 载波进行相干解调，获得低速率比特流，经过并串变换恢复得到高速比特流。o f d m 正是对多载波调制的一种改进，它的特点是各子载波相互正交，所以扩频调制后的频谱 可以相互重叠，不但减小了子载波问的相互干扰，还大大提高了频谱利用率。此外， o f d m 系统中还引入了保护问隔( g u 砌i n t e r v a l ，g i ) 。当保护间隔长度大于最大多径时延 扩展时，可以完全消除由于多径信道带来的码间干扰影响。如果采用循环前缀( c y c l i c p r e f i x ，c p ) 作为保护问隔，还可以避免由于多径传播带来的信道问干扰。因此，o f d m 系统既可以维持发送符号周期远远大于多径时延，又能够支持高速的数据业务，并且不 需要复杂的信道均衡。 2 2 10 f d m 时频分析 一个o f d m 信号之内包括多个经过调制的子载波的合成信号，每个子载波都可以进 行相移键控( p h a s h i rk e 妒n 岛p s k ) 或者正交幅度调制( q u a d r a t l 】r ea m p l i t u d e m o d u l a t i o i l ，删) 符号的调制，假设为子载波的个数，丁为o f d m 符号的持续时问， 喀( f = 0 l ，一1 ) 是分配给每个子信道的数据符号，z 是第f 个子载波的载波频率， 愆订( f ) = l ，h 丁2 ，则从f = 乓开始的o f d m 符号可以表示为： r 必 阶 丢枷o _ 廿2 ) e x p u 2 以“啾卜伽以鱼鼠 ( 2 1 ) lo ， 乞+ ， 吁齿一 夺一时( 一t ) 8 少l f 信 l 口朋 主 口 s ( t ) 信 r ( t ) 、 g l ( t )一一卜+丐 g l 奉( 一t ) 叠道 飞：厂一 l w - l 加 e 朋“ 面矸如叫务一卧。午t ) 图2 1o f d m 系统基本模型框图 一 其中j ( f ) 的实部和虚部分别对应于o f d m 符号的同相和正交分量。图2 1 给出了o f d m 系统的基本模型的框图，其中w = 2 刀u + f d ，在接收端，将接收到得同相和正交矢量 映射回数据信息，完成子载波解调。 图2 2 给出了一个o f d m 符号内包括四个子载波的实例。其中所有的子载波都具有 相同的幅度和相位。可以看出，每个子载波在一个o f d m 符号周期内都包含整数倍个 周期，而且各个相邻的子载波之间相差一个周期。这一特性可以用来解释子载波之间的 正交性，即： 6 第二二章正交频分复用技术简介 ；r 州俐一触= 僻i ： o n n 2n 3n n 50 6n 70 8n 9 时甸 x ，矿 图2 2o f 【) m 符号内包含四个子载波的情况 ( 2 2 ) 对上式第f 个子载波进行解调，然后在时间长度丁内进行积分，即： 匆= * 唧( 墒扣，) 篓幺唧( 廊知，卜 亿3 ， = ；篓喀r 唧( 讹万孚c ，卜= 嘭 根据式( 2 3 ) 可以看到，对第f 个子载波进行解调可以恢复出期望符号哆。而对于其它载 图2 3o f d m 系统中子信道符号的频谱图 ： 波来说，由于在积分间隔内，频率偏差1 2 可以产生整数倍个周期，所以积分结果为o 。 二f 。 以上是对o f d m 的基本原理的时域分析。 o f d m 的这种正交性也可以从频域来分析。根据式( 2 1