（通信与信息系统专业论文）基于样值移位和码辅助的mccdma信道估计算法研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 多载波通信系统在未来宽带移动通信系统中将发挥重要作用，而准确地进 行信道参数估计则是多载波通信的一个关键问题。本文对多载波c d m a 系统中 的信道估计技术进行了深入研究，主要包括基于导频的信道估计和利用信道码 译码提供的辅助信息进行码辅助信道估计两类信道估计技术。 本文首先对多载波通信系统进行了简要分析，然后对多载波通信信道特性 进行了描述。信道对信号的作用主要有大尺度衰落和小尺度衰落两大类，本论 文主要研究小尺度衰落。小尺度衰落可以从信道的时间色散性和频率色散性两 方面进行研究。时延扩展造成信号间的符号间干扰，而移动台的相对移动会造 成多普勒频移，从而造成频率色散。 接着，本论文对o f d m 和多载波c d m a 的系统结构进行了讨论，对多载 波c d m a 系统中的导频信道估计技术进行了深入研究。论文仿真比较了线性插 值、二阶插值、三次样条插值和低通插值四种插值技术。重点研究了一种基于 时域样值移位的信道估计算法，提出了一种抵抗时间偏移的健壮性改进型信道 估计算法。 随后，论文对多载波c d m a 系统中基于码辅助的信道估计技术进行了研究。 在存在信道编码的系统中，导频信道估计和盲信道估计具有局限性，可以利用 信道码提供的信息来进行信道估计。该方法利用t u r b o 原理和e m 算法在信道 估计和检测之间迭代进行。仿真研究表明，该算法比导频信道估计算法和盲估 计算法的性能要好。在此基础上，本文提出了一种改进的信道估计算法，该算 法相对于原算法有一定的性能改善。 关键字0 f d m ；多载波c d m a ；信道估计；码辅助信道估计 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t m u l t i c a r r i e rc o m m u n i c a t i o ns y s t e m sw i l lp l a yk e yr o l ei nt h ef u t u r eb r o a d b a n d m o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m s h o w e v e r , w h e nt h et r a n s m i s s i o nr a t ei sh i g h ， a c c u r a t ee s t i m a t i o nt ot h ec h a n n e lp a r a m e t e r sb e c o m e sac r i t i c a lp r o b l e m t h i st h e s i s f o c u s e sm a i n l yo nt h ec h a n n e le s t i m a t i o nt e c h n i q u e sf o rm u l t i c a r r i e rc d m a s y s t e m s i n c l u d i n gp i l o t b a s e d c h a n n e le s t i m a t i o na n dc o d e a i d e dc h a n n e l e s t i m a t i o n t h et h e s i sf i r s tg i v e sa no u t l i n eo ft h em u l t i c a r d e rs y s t e m s ，a n dt h e nd i s c u s s e s t h ec h a n n e lc h a r a c t e r i s t i c s t h ec h a n n e li n f l u e n c e st h es i g n a l si nt w ow a y s 。l a r g e s c a l ef l u c t u a t i o na n ds m a l ls c a l ef l u c t u a t i o n a n dt h el a t t e ro n ei st h ee m p h a s i so ft h i s t h e s i s s m a l ls c a l ef l u c t u a t i o nc a nb ed e s c r i b e di nt w os c e n a r i o s ：t i m ed i s p e r s i v ea n d f r e q u e n c yd i s p e r s i v e d e l a ys p r e a dc a u s e si n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c e ，a n dt h er e l a t i v e m o t i o no ft h em o b i l es t a t i o nw i l lc a u s ed o p p l e rf r e q u e n c ys h i f t ，r e s u l t i n gf r e q u e n c y s p r e a d n e x t t h es y s t e ms t r u c t u r eo fo f d ma n dm u l t i c a r d e rs y s t e ma r ed i s c u s s e d ， f o l l o w e db yt h ep i l o tb a s e dc h a n n e le s t i m a t i o nf o rt h em u l t i c a r d e rc d m as y s t e m s e x t e n s i v es i m u l a t i o na n dc o m p a r i s o n sa r ec a r d e do u tf o rt h ef o u ri n t e r p o l a t i o n t e c h n i q u e s ：l i n e a ri n t e r p o l a t i o n ，s e c o n d o r d e ri n t e r p o l a t i o n ，c u b i cs p l i n ei n t e r p o l a t i o n a n dl o w p a s si n t e r p o l a t i o n a f t e ri n v e s t i g a t i n gas a m p l es h i f t e dc h a n n e le s t i m a t i o n t e c h n i q u e ，t h i st h e s i sp r o p o s e da ni m p r o v e dr o b u s tc h a n n e le s t i m a t i o nt e c h n i q u e t h e n ac o d e a i d e dc h a n n e le s t i m a t i o nt e c h n i q u ef o rm u l t i c a r d e rs y s t e m si s i n v e s t i g a t e d i ti ss h o w nt h a t ，i nt h ep r e s e n c eo fp o w e r f u le r r o r - c o r r e c t i n gc o d e ，t h e c o n v e n t i o n a lp i l o t b a s e da n db l i n dc h a n n e le s t i m a t i o nt e c h n i q u e sw i l lh a v eap o o r p e r f o r m a n c e t oo v e r c o m et h i sp r o b l e m ，i ti sr e c o m m e n d e db ys o m er e s e a r c h e r st o e x p l o i tt h ei n f o r m a t i o np r o v i d e db yt h ec o d e i e t om a k eu s eo ft h ei t e r a t i v et u r b o p r i n c i p l ea n de ma l g o r i t h m s b ym a k i n g i t e r a t i v eo p e r a t i o nb e t w e e ne s t i m a t i o na n d d e t e c t i o n ，i ti sp o s s i b l et oa p p r o a c hah i g h e rp e r f o r m a n c e b a s e do nt h i st e c h n i q u e ， a ni m p r o v e dc o d e a i d e dc h a n n e le s t i m a t i o na l g o r i t h mi sp r e s e n t e di nt h i st h e s i s i ti s s h o w nt h r o u g hc o m p u t e rs i m u l a t i o nt h a tt h ep r o p o s e di m p r o v e da l g o r i t h mp r o v i d e s m o r ea c c u r a t ee s t i m a t i o nt h a nt h eo r i g i n a la l g o r i t h m k e y w o r d s ： o f d m ；m c c d m a ；c h a n n e le s t i m a t i o n ；c o d e - a i d e d c h a n n e l e s t i m a t i o n 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所 得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 分析和讨论了无线信道的衰落特性，仿真实现了一种应用正弦波叠加法的 瑞利衰落信道，并将仿真得到的概率密度益线和自相关曲线与理论曲线相比较， 得出该瑞利衰落信道仿真模型符合理论要求的结论；给出了m c c d m a 系统的 系统结构模型，并对m c c d m a 系统中的几种单用户检测算法进行了仿真研究； 对m c c d m a 中基于导频辅助的信道估计技术进行了研究，并对线性插值，二 阶插值、样条插值，低通插值等插值技术进行了仿真研究，比较了几种插值算 法的性能；对一种基于时域样值移位的信道估计算法进行了仿真研究，提出了 一种抵抗定时同步误差的改进方法；对采用了信道编码的m c c d m a 中的信道 估计技术进行了研究，仿真实现了一种基于码辅助的信道估计算法，该算法与 基于数据辅助的信道估计算法相比有较好的性能，并提出了一种改进的码辅助 信道估计算法，该算法相对原算法的性能有一定的提高。 西南交通大学曲南父通大字 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密西使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“ ) 学位论文作者签名：巷置 日期：泐8 丘2 弓 指导老师签名 日期：跏g ，彭 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1m c - c d m a 与信道估计研究背景及意义 移动通信技术在现代社会人类生活中发挥着十分重要的作用，它使人们的 交流变得更加便捷有效。反过来，人类对通信的需求也促进了通信技术的发展。 眼下，人们已经不满足于传统的语音数据业务，对传输图像、视频等多媒体信 息的宽带业务的需求与日俱增。现有的通信系统还不能有效的满足这一需求。 因此，人们把目光投向了下一代通信系统( n g n ，n e x tg e n e r a t i o nn e t w o r k ) ， 也被称作4 g 。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 n m u l t i p l e x i n g ) 技术作为一种优异的多载波传输方案，是4 g 技术的主要传输方 案之一1 1 】1 2 】。 o f d m 方案在1 9 6 6 年由c h a n g 首次提出1 3 1 。之后o f d m 技术被应用到多种 高频军事系统中，如k i n e p l e x 、a n d e f t 以及k n t h r y n 等。由于o f d m 系统需要多组振荡器，所以并没有得到广泛的应用。1 9 7 1 年，w e i n s t e i n 和e b e r t 提出了用d f t 技术来实现o f d m 系统的调制和解调，从而避免了应用多组正 弦波振荡器1 4 1 。p e l e d 和r u i z 在1 9 8 0 年提出了循环前缀的概念嘲，用与解决子载 波之间保持正交性的问题。近年来，高速数字信号处理芯片( d s p ) 的发展、数字 信号处理技术和超大规模集成电路( v l s l ) 的发展使得制约o f d m 技术发展的障 碍不复存在，o f d m 技术开始得到迅速发展并被广泛应用。o f d m 技术现在已 经应用在d a b 系统，d v b 系统 6 1 ，i e e e8 0 2 1 l a l n 。h i p e r l a n 2 和日本的m m a c ( m u l t i m e d i am o b i l ea c c e s sc o m m u n i c a t i o n s ) 1 8 l 系统当中。 o f d m 可以很方便地同c d m a ( c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ，码分多址) 相 结合而实现多址接入。o f d m 跟c d m a 有三种结合方式，分别是 m c d s c d m a ( m u l t i - c a r r i e rd i r e c ts e q u e n c ec d m a , 多载波直接序列扩频 c d m a ) i g l 、m t - c d m a ( m u l t i - t o n e c d m a ，多音 c d m a ) t 1 0 1 和 m c c d m a ( m u l t i c a r r i e rc d m a , 多载波c d m a ) i l l l 。现在研究最广泛的是 m c c d m a 。m c c d m a 由j p l i n n a r t z 等人在1 9 9 3 年提出1 1 2 1 。由于m c c d m a 技术结合了o f d m 技术和c d m a 技术的优点，所以成为4 g 系统的候选方案之 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 o 由于m c c d m a 接收端使用相干接收技术，所以必须对信道状态信，g ( c s i ) 进行估计。可靠的信道信息能保证接收的准确性。同时，信道估计技术对同步、 子载波分配等都有不同程度的影响。因此，准确的估计信道状态信息，成为 m c c d m a 系统中的一个关键问题之一。 1 2m c - c d m a 信道估计国内外研究现状 信道估计算法一般分为数据辅助信道估计算法和盲信道估计算法两种。数 据辅助信道估计算法也称为导频辅助信道估计算法，该算法利用训练序列或导 频来进行信道估计。由于它实现简单，所以研究得也最为深入。研究的内容主 要集中在导频图案的设计，导频处的信道估计算法和各种插值算法【”1 1 - 7 l 。但是 数据辅助信道估计算法需要插入导频或训练序列来得到信道估计值，降低了系 统的频谱效率。盲信道估计算法由于不需要导频，所以不会牺牲频谱效率。盲 信道估计算法有基于子空间的盲信道估计算法1 1 9 1 4 1 9 1 和基于高阶统计量的盲信道 估计算法等1 2 0 l 1 2 2 1 。盲信道估计算法的缺点是收敛速度较慢，计算量相当大，这 阻碍了它在实际系统中的应用。 由于数据辅助信道估计算法有计算量低的优点，盲信道估计算法有频谱效 率高的优点，结合这两种算法的半盲信道估计算法引起了研究者的广泛关注。 e m ( e x p e c t a t i o nm a x i m i z a t i o n ，期望最大化) 算法是应用得最广泛的一类半盲信道 估计算法1 2 3 1 1 7 5 1 。该算法首先通过导频辅助信道估计算法得到信道的初始值，然 后通过求期望和最大化期望两步得到信道的估计值。在编码m c c d m a 中，借 助于t u r b o 码原理和e m 算法，可以通过首先求编码调制符号的期望，然后求 出使代价函数最大的信道值而得到信道估计值，这就是码辅助信道估计算法的 思想。码辅助信道估计算法一般和数据检测相结合，在数据检测和信道估计之 间迭代进行。 1 3 本文的研究思路与内容安排 m c c d m a 结合了o f d m 和c d m a 的优势，具有较高的传输速率，被认 为是未来第四代移动通信系统的候选传输方案之一。m c c d m a 需要在接收端 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 进行相干接收，因此信道估计技术成为m c c d m a 中的关键技术之一。本文对 m c c d m a 中的基于样值移位的信道估计算法和码辅助信道估计算法进行了 研究。 全文的内容安排如下： 第一章是绪论，对m c c d m a 的发展背景进行了简要的介绍，并对全文的 内容安排进行了描述； 第二章分析了无线信道的频率选择性特性和时间选择性特性，对瑞利衰落 信道进行了分析和仿真； 第三章对组成m c c d m a 的c d m a 技术和o f d m 技术分别进行了介绍， 然后对m c c d m a 中的单用户检测技术进行了讨论和仿真。 第四章对m c - c d m a 中基于样值移位的信道估计算法进行了研究。 m c c d m a 中经常采用的是基于数据辅助的信道估计方法。数据子载波处的信 道值由对导频子载波处的值进行插值而得到。线性插值算法是最简单的一种插 值算法，但其精度不高。基于样值移位的信道估计算法可以提高其精度。在本 章中，首先仿真比较了采用线性插值、二阶插值、三次样条插值和低通插值这 四种插值算法的m c c d m a 系统性能。然后详细介绍了基于样值移位的信道估 计算法并用计算机仿真验证了该算法。最后针对该算法易受同步误差影响的缺 点，提出了一种改进方法。仿真结果表明，采用改进方法的系统对同步误差有 显著的抵抗效果。 第五章对编码m c c d m a 通信系统中的信道估计算法进行了研究。在编码 m c c d m a 中，数据辅助信道估计算法和盲信道估计算法都有一定的局限性。 而利用信道码译码过程中所提供的信息来进行信道估计的码辅助信道估计算法 具有一定的优越性。由于码辅助信道估计算法需要计算编码调制符号的后验概 率，因此在本章中，首先介绍了t u r b o 码原理和计算后验概率的b c j r 算法。 然后描述了一种基于e m 算法的码辅助信道估计算法，并对该算法进行了仿真 实现。最后提出了一种改进的基于码辅助的信道估计方法。仿真表明，该改进 算法相对于原算法性能有一定的改善。 最后一章对全文进行了总结，并对存在的问题和今后的研究方向进行了展 望。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 第2 章无线信道传输特性 无线通信系统的性能受到移动无线信道的制约。发射机与接收机之间的传 播路径非常复杂，既有简单的视距传播路径，也有遭遇各种障碍物的非视距传 播路径。电磁波传播的形式一般可归结为反射、绕射和散射三种方式。各种经 过不同路径到达接收端的信号由于到达接收端时的时延和相位不同，接收的合 成信号的强度将时而增强，时而减弱。这就是多径衰落效应。多径衰落严重影 响了无线系统的性能，必须在接收端进行补偿。为了研究信道对无线信道的影 响，我们需要建立一种合理的信道模型。无线信道的传输模型一般可以分为大 尺度衰落和小尺度衰落两种。 2 1 大尺度衰落 大尺度衰落描述了长距离内接收信号的缓慢变化，这些变化一般是由于发 射天线和接收天线之间传播路径上的地表特征所造成的。大尺度衰落与发送天 线和接收天线之间的距离成正比，并且在不同的地形特征下( 比如海边、内陆) 有不同的衰减因子。 2 1 1 自由空间的衰落 自由空间传播是一种理想的传播模式。它描述的是当传输中不存在反射、 绕射和散射时，只存在电磁波能量扩散而引起的传播损耗的情形。在自由空间 传播中，接收端的接收功率为： c = 器( 2 - 1 ) 其中，c 是发射天线的发射功率，g f 和q 分别是发射天线和接收天线的增 益。a 是传输电波的波长，d 是发射天线和接收天线之间的距离，l 是系统损耗 因子，一般为1 。定义自由空间的传播损耗： 咒目只e ( 2 2 ) 写成对数的形式( 单位是d b ) ： 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 忍= 一1 0 l 暖p 卑) = - 1 4 7 6 + 加l 蹭( 回+ 加l o 酊) 一1 0 l o g ( q ) 一1 0 1 0 9 ( g r ) ( 2 - 3 ) 其中，c 是光速，即3 x 1 0 8 m s ，f 是传输电波频率。可见，自由空间传播 损耗与发射天线和接收天线的增益成反比，与传输距离、传输频率的平方成正 比。 2 1 2 实际无线信道中的衰落 o k u m u r a 较早给出了无线移动应用中一些综合( 包括天线高度，覆盖面积) 的路径损耗数据的测量，h a t a 根据o k u m u r a 的结果归纳出参数方程。一般地， 无论室内或室外无线信道的传输模型都表明：平均路径损耗l 。 ) 是收、发端距 离d 的函数，它与d 和参考距离比之比值的1 1 次方成正比，用数学表达式表示 为： 莉( 孚) “ ( 2 4 ) “o 。 ) 通常写成d b 形式： 亏丽( 扭) ：tp 。) ( 扭) + 1 加l o g ( 孚) ( 2 5 ) c 0 参考距离以是远离发射天线的一个点与发射天线之间的距离。一般地，对 于大单元d 。取l k m ，对于微单元d o 取1 0 0 m ，对于室内信道如取l m t 2 s l 。 2 2 小尺度衰落 小尺度衰落简称衰落，是指无线电信号在短时间或短距离传播，其幅度、 相位或多径时延快速变化，以至于大尺度路径损耗的影响可以忽略不计的情形。 这种衰落是由于同一传输信号沿两个或多个路径传播，以微小的时间差到达接 收机，导致信号间互相干扰所引起的。这些延迟波被称为多径波。接收机天线 将它们合成一个幅度和相位都急剧变化的信号。合成信号的变化快慢取决于多 径波幅度、相对传播时间及传播信号的带宽。 信道对输入信号的影响主要体现在时间色散和频率色散上。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 2 2 1 信道的时间色散特性 发射信号到达接收天线的各条路径分量经历的传播路径不同，因此具有不 同的时间延迟，这就使得接收信号的能量在时间上被扩展。最大时延扩展是 第一个到达接收天线的分量与最后到达的信号分量之间的时间差。此外，对时 延扩展还有平均时延扩展f 、均方根时延扩展瓯等多种参数描述方法。 平均时延扩展是功率延迟分布的一阶矩，定义为： 呱2p 瓴k 珏弦2 每百 p 6 均方根时延扩展是功率延迟分布的二阶矩的平方根，定义为 q ；如2 一仃) 2 ( 2 - 7 ) ：f 22 ；焉 仁酌 与时间色散相对应的是相干带宽。相干带宽置是表征多径信道特性的一个 重要参数，它是指某一特定的频率范围，在该频率范围内的任意两个频率分量 都具有很强的幅度相关性。如果相干带宽定义为频率相关函数大于0 9 的某特定 带宽，则相干带宽近似为阱 坑。盍( 2 - 9 ) 其中，q 为信道的均方根时延扩展。 2 2 2 信道的频率色散特性 时延扩展和相干带宽描述了无线信道的时间色散特性，但不能描述无线信 道的时变性。无线信道的时变性是由发射机和接收机的相对运动或者信道中其 它物体的运动引起的。描述无线信道时变性的两个重要参数是多普勒扩展和相 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 干时间。 当无线电发射机与接收机作相对运动时，接收信号的频率将会发生偏移。 当两者作相向运动时，接收信号的频率将高于发射频率；当两者作反向运动时， 接收信号的频率将低于发射频率，这种现象称为多普勒效应。对于电磁波而言， 因为多普勒效应造成的频率偏移取决于两者相对运动的速度，可将这种频率偏 移写为： 厶一兀二- c o s q ，( 2 1 0 ) c 其中，厶为接收端检测到的发射机频率的变化量，兀是发射机的载频，v 是发射机与接收机之间的相对速度，驴为移动方向与电波入射方向的夹角，c 为光速。 多普勒扩展描述了无线信道的时变性所引起的接收信号的频谱展宽程度。 当发射机在无线信道上发送一个频率为厶的单频正弦波时，由于前述的多普勒 效应，接收信号的频谱被展宽，将包含频率为厶一厶一兀+ 厶的频谱分量，其中 艿为多普勒频移，这一频谱称为多普勒频谱。接收信号的多普勒频谱上不等于 0 的频率范围定义为多普勒扩展，用历来表示。 与多普勒扩展相对应的一个时间参量是相干时间乏，它在时域描述信道的 频率色散特性。相干时间与多普勒扩展成反比，它是信道冲激响应维持不变的 时间间隔的统计平均值。换句话说，相干时间就是指一段时间间隔，在此间隔 内，接收信号的幅值具有很强的相关性。如果基带信号的符号周期正大于信道 的相干时问，则在基带信号的传输过程中信道可能发生改变，导致接收信号发 生失真。相干时间的一种定义方法为： c 0 4 2 3( 2 1 1 ) 融 其中，厶为最大多普勒频移，肺一厶二。 2 3 小尺度衰落类型 信号通过移动无线信道时，其衰落类型取决于发送信号的特性及信道特性。 信号参数( 如带宽、符号周期等) 和信道参数( 如均方根时延扩展和多普勒扩 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 展) 之问的关系决定了不同的发送信号将经历不同的衰落类型。移动无线信道 中的时间色散和频率色散机制可能导致4 种显著的效应，这些是由发送信号、 信道和发送速率的特性引起的。当时延扩展引起时间色散以及频率选择性衰落 时，多普勒扩展就会引起频率色散以及时间选择性衰落。这两种传播机制彼此 独立。图2 - 1 给出了四种不同类型衰落的树图。 小尺度衰落 ( 基于多径时延扩展) 平坦衰落 1 信号带宽 符号周期 快衰落 1 高多普勒扩展 2 相干时间 符号周期 3 信道变化慢于基带 信号变化 图2 1 小尺度衰落类型 2 3 1 平坦衰落 如果移动无线信道的带宽大于发送信号的带宽，且在带宽范围内具有恒定 增益及线性相位，则接收信号将经历平坦衰落过程。这种衰落是最常见的一种。 在平坦衰落的情况下，接收机处的频谱特性与发送端的频谱特性相同。然而， 多径效应将使信道增益发生变化，从而接收信号的强度也会随着时间变化。平 坦衰落信道的特性如图2 2 所示。 平坦衰落的条件可概括如下： 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 ，色( 2 - 1 2 ) 瓦q 其中，瓦是传输模型带宽的倒数( 如信号周期) ，e 是传输模型的带宽，q 和色分别是信道的r m s 时延扩展和相干带宽。 姗皿r ( 厂) 一；。l 1 f c c c 图2 2 平坦衰落信道的特性 2 3 2 频率选择性衰落 如果信道具有恒定增益且线性相位响应带宽小于发送信号带宽，那么该信 道特性会导致接收信号产生频率选择性衰落。在这种情况下，信道中冲激响应 具有多径时延扩展，其值大于发送信号波形带宽的倒数。此时，接收信号中存 在着经历了衰减和时延的发送信号波形的多径波，产生接收信号失真。频率选 择性衰落是由信道中发送信号的时间色散引起的。这样信道就引起了符号间干 扰0 s 1 ) 。频域中接收信号的某些频率成分比其它分量获得了更大的增益。图2 3 给出了频率选择性衰落信道的特征。 对于频率选择性衰落而言，发送信号频谱s ( 0 的带宽大于信道的相干带宽 毋。由频域可以看出，不同频率获得不同增益时，信道就会产生频率选择。当 多径时延接近或超过发送信号的周期时，就会产生频率选择性衰落。由于信号 s ( t ) 的带宽大于信道冲激响应带宽，频率选择性衰落信道也称为宽带信道。随着 时间变化，信号s ( t ) 在频谱范围内的信道增益与相位也发生了变化，导致接收信 号“t ) 发生时变失真。信号产生频率选择性衰落的条件为 且 西南交通大学硕士研究生学位论文第10 页 ，e凹) ls o f 通常若互 l o o t , ，该信道是平坦衰落的；若互1 0 c t ，该信道是频率选择性的。 0r 图2 - 3 频率选择性衰落信道的特性 2 4 瑞利衰落信道仿真 在移动无线信道中，瑞利分布是最常见的用于描述平坦衰落信号接收包络 或独立多径分量接收包络统计时变特性的一种分布类型。设平坦瑞利衰落信道 的冲击响应为j i l p ) ；吃o ) + j h q ( t ) ，：抓i 习丽。则r 服从瑞利分布，其 概率密度函数为1 2 7 1 p ； 考e x p ( _ 驴r 2 ) ( o r s o o ) ( 2 - 1 4 ) 【0 ( r 0 ) 其中，仃是包络检波之前所接收电压信号的均方根值，盯2 是包络检波之前 的接收信号包络的时间平均功率。不超过某特定值r 的接收信号包络的概率由 相应的累积分布函数( c d f ) 给出： p ( 尺) 一p r ( ，s r ) = f p ( ，) 办- 1 - e x p ( 一虿r 2 ) ( 2 - 1 5 ) 令 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 瑞利衰落的时域特性可以由它的自相关函数来表征。瑞利衰落的自相关函 数满足下式： 尺 p ) = ef h ( t + f ) j l l o ) 1 = j o ( 幼厶z ) ( 2 1 6 ) 其中，。 ) 是一类零阶贝塞尔函数，厂d 是最大多普勒频移。 要仿真产生服从瑞利衰落分布的随机数，常用的方法是正弦波叠加法 ( s o s ，s u mo f s i n u s o i d s ) 1 2 * 1 。 本文仿真所使用的瑞利信道仿真器如式( 2 1 7 ) 所昶2 9 l 。 j i l o 五) = 吃0 z ) + 心 t ) 一击耋c o s 2 石l , c o s 【学m 啪+ ( 2 - 1 7 ) j 击薹血 2 ：r f oc o s 【学脚凡) 其中，0 ，口。和凡是在( 0 ，2 n r ) 2 _ n h 艮从均匀分布的随机变量。厶是最大多普 勒频移。瓦是抽样间隔，1 1 是样值序号。该仿真器主要统计特性如下： e i i 啊o ) 1 2 l e i i o ) 1 2 l = 0 5 e h , ( o h o ( t ) - 0 ，p ) = e 【啊o ) o + z ) 】= j 。( 2 石f o z ) p ) = ，o ( 幼，d f ) 仿真参数的取值为n - - 1 0 0 0 0 0 ，f d = 1 8 0 h z t s = 0 0 0 1 s 。 图2 - 4 信道幅值概率密度仿真曲线图 ( 2 1 8 ) ( 2 1 9 ) ( 2 2 0 ) ( 2 2 1 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 趔 斗k 罂 皿 信道实部的自相关值仿真 图2 - 5 信道实部的自相关值仿真曲线图 图2 4 为信道幅度概率密度的仿真曲线图。由图可见。仿真得到的概率密 度曲线跟理论上的概率密度曲线吻合得很好。图2 5 为信道的实部的自相关值 的仿真曲线图，由图可见，仿真值与理论值十分接近。由仿真结果可以看出， 该仿真器较好地满足了瑞利衰落信道的统计特性。 通过对多个时变瑞利衰落信道仿真器赋予不同的增益和时延就可构成时变 多径衰落信道仿真器，如图2 6 所示。通过调整多径瑞利衰落信道仿真器各路 径的时延和增益，图2 6 所示的仿真器可实现频率选择性衰落信道和平坦衰落 信道的仿真。 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 2 5 本章小结 图2 - 6 多径瑞利衰落信道仿真器 本章主要总结了无线信道的传输特性。移动通信系统中的大尺度衰落效应 可以通过系统设计而得到消除，所以最主要的影响因素是小尺度衰落。在本章 中，具体讨论了小尺度衰落中信道的时间色散性和频率色散性，并对小尺度衰 落类型进行了总结。多径信道的统计特性一般服从瑞利分布，因此，在最后， 对瑞利衰落模型进行了讨论和仿真。 西南交通大学硕士研究生学位论文第14 页 第3 章m c - c d m a 系统模型与原理 3 1c d m a 扩频通信技术 扩频通信的基本特点是其传输信息所用信号的带宽远大于信息本身的带 宽。除此以外，扩频通信还具有如下特征：( 1 ) 是一种数字传输方式；( 2 ) 带 宽的展宽是利用与被传信息无关的函数( 扩频函数) 对被传信息进行调制实现的。 ( 3 ) 在接收端使用相同的扩频函数对扩频信号进行相关解调，还原出被传信息。 根据仙农( c e s h a n n o n ) 在信息论研究中总结出的信道容量公式仙农 公式： c = w l 0 9 2 ( 1 + s n ) ( 3 - 1 ) 式中：c 一信息的传输速率s 一有用信号功率w 二频带宽度n 一噪声功率 由式中可以看出：为了提高信息的传输速率c ，可以从两种途径实现，即 加大带宽w 或提高信噪比s n 。换句话说，当信号的传输速率c 一定时，信号 带宽w 和信噪比s n 是可以互换的，即增加信号带宽可以降低对信噪比的要求， 当带宽增加到一定程度，允许信噪比进一步降低，有用信号功率接近噪声功率 甚至淹没在噪声之下也是可能的。扩频通信就是用宽带传输技术来换取信噪比 上的好处，这就是扩频通信的基本思想和理论依据f 3 0 i ，t 。 处理增益和抗干扰容限是扩频通信系统的两个重要性能指标。一般把扩频 信号带宽w 与信息带宽f 之比称为处理增益g 。，即： g p z w a f( 3 - 2 ) 它表明了扩频系统信噪比改善的程度。除此之外，扩频系统的其他一些性 能也大都与g p 有关。因此，处理增益是扩频系统的一个重要性能指标。 系统的抗干扰容限膨，定义如下： m _ r = g p 一【p ) o + k 】 ( 3 3 ) 式中：( s n ) 。= 输出端的信噪比，l s = 系统损耗 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 由此可见，抗干扰容限m ，与扩频处理增益g p 成正比，扩频处理增益提高 后，抗干扰容限大大提高，甚至信号在一定的噪声湮没下也能正常通信。通常 的扩频设备总是将用户信息( 待传输信息) 的带宽扩展到数十倍、上百倍甚至千 倍，以尽可能地提高处理增益。 频谱的扩展是用数字化方式实现的。在一个二进制码位数所占时段内用一 组新的多位长的码型予以置换，新码型的码速率远远高出原码的码速率，由傅 立叶分析可知新码型的带宽远远高出原码的带宽，从而将信号的带宽进行了扩 展。这些新的码型也叫伪随机( p n ) 码，码的位数越长系统性能越高。通常， 商用扩频系统p n 码码长应不低于1 2 位，一般取3 2 位，军用系统可达千位。 目前常见的码型有以下三种： m 序列，即最长线性伪随机系列； g o l d 序列； w a l s h 函数正交码。 当选取上述任意一个序列后，如m 序列，将其中可用的编码，即正交码， 两两组合，并划分为若干组，各组分别代表不同用户，组内两个码型分别表示 原始信息1 和”0 ”。系统对原始信息进行编码、传送，接收端使用相关处理器对 接收信号与本地码型相关进行相关运算，解出基带信号( 即原始信息) 实现解扩， 从而区分出不同用户的不同信息。扩频通信的原理见p f l ( 3 1 ) 。 图3 - 1 扩频通信原理 由图可见，一般的无线扩频通信系统都要进行三次调制。一次调制为信息 调制，二次调制为扩频调制，三次调制为射频调制。接收端有相应的射频解调， 扩频解调和信息解调。根据扩展频谱的方式不同，扩频通信系统可分为：直接 序列扩频( d s ) 、跳频( f h ) 、跳时( t h ) 、线性调频以及以上几种方法的组合。 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 扩频通信具有许多窄带通信难以替代的优良性能，使得它能迅速推广到各 种公用和专用通信网络之中。简单来说主要有以下几项优点： ( 1 ) 抗干扰性强，误码率低 如上所述，扩频通信系统由于在发送端扩展信号频谱，在接收端解扩还原 信息，产生了扩频增益，从而大大地提高了抗干扰容限。根据扩频增益不同， 甚至在负的信噪比条件下，也可以将信号从噪声的淹没中提取出来，在目前商 用的通信系统中，扩频通信是唯一能够在负信噪比条件下工作的通信方式。 各种形式人为的干扰( 如电子对抗中) 或其他窄带或宽带( 扩频) 系统的干扰， 只要波形、时间和码元稍有差异，解扩后仍然保持其宽带性，而有用信号将被 压缩。由于扩频系统这一优良性能，其误码率很低，正常条件下可达1 0 1 ”，最 差条件下也可达1 0 - 。应该说，抗干扰性能强是扩频通信的最突出的优点； ( 2 ) 易于同频使用，提高了无线频谱利用率 无线频谱十分宝贵，虽然从长波到微波都已得到开发利用，仍然满足不了 社会的需求。为此，世界各地都设计了频谱管理机构，用户只能使用申请获得 的频率，依靠频道划分来防止信道之间发生干扰。 由于扩频通信采用了相关接收这一高技术，信号发送功率极低( 1 w ，一 般为1 - 1 0 0 m w ) ，且可工作在信道噪声和热噪声背景中，易于在同一地区重复 使用同一频率，也可以与现今各种窄带通信共享同一频率资源； ( 3 ) 抗多径干扰 在无线通信中，抗多径干扰问题一直是难以解决的问题，扩频通信利用扩 频编码之间的相关特性，在接收端使用相关技术从多径信号中提取出最强的有用 信号，也可把多个路径来的属于同一码序列的波形相加使之得到加强，从而达 到有效的抗多径干扰。 ( 4 ) 扩频通信是数字通信，特别适合数字话音和数据同时传输，扩频通信自身具 有加密功能，保密性强，便于开展各种通信业务。扩频通信容易采用码分多址、 语音压缩等多项新技术，更加适用于计算机网络以及数字化的话音、图像信息 传输； ( 5 ) 扩频通信绝大部分是数字电路，设备高度集成，安装简便，易于维护，也十 分小巧可靠，便于安装，便于扩展，平均无故障率时间也很长； ( 6 ) 另外，扩频设备一般采用积木式结构，组网方式灵活，方便统一规划，分期 实施，利于扩容，有效地保护前期投资。 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 3 2 正交频分复用( 0 f d m ) 技术 正交频分复用( o f d m ) 是一种特殊的多载波传输方案，它可以被看作一种调 制技术，也可以被当作一种复用技术嗍。正交频分复用( ( o f d m ) 最早起源于6 0 年代中期，首先应用于军事跳频通信系统中。到8 0 年代中期，随着欧洲在数字 音频广播( d a b ) 方案中的采用，该方法得到了广泛的应用。通过采用o f d m ， 可以提高系统抗多径干扰的能力，从而缓解整个系统对于信道均衡的要求，使 系统能更加充分地利用信道带宽，同时也能提供更高的传输速率。 3 2 10 f d m 基本原理与模型 o f d m 是把高速率的串行数据通过频分复用来实现数据的并行传输。 o f d m 系统的基本原理是在并行的子载波上通过频分复用方式传送经过信号映 射的数据。通过仔细地选择子载波间隔，使得每个子载波正好通过其他所有子 载波的过零点。这样尽管每个子载波的频谱互相交迭，但频谱互相保持正交， 彼此之间并不会相互干扰 3 3 1 。o f d m 的频谱示意图见图( 3 2 ) 。图中只画出了3 个子载波作为示意。 图3 - 2o f d m 的频谱示意图 每个o f d m 符号是多个经过调制的子载波的信号的合成信号。其中每个子 载波的调制方式可以选择相移键控( p s k ) 或者正交幅度调制( q a m ) 。如果n 表示 子信道的个数，t 表示o f d m 符号的宽度，d i ( i = 0 ，1 ，n - 1 ) 是每个子信道的 数据符号，是第i 个子载波的载波频率。从t = t 开始o f d m 符号就可以表示 为： 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 s ( t r e 馐n 2 - 1 ：e x p 【( 例正一了i + 0 5 ) ) 】 拶钆+ z ( 3 _ 4 ) s 膝：或+ 2 c x p 【( 伽瓴一了地t h 弘旭。打( 3 4 ) 为便于以后的理论分析和推导，通常采用下面的等效基带信号来描述 o f d m 的输出信号： = ；n 善2 - 1 ：e x p 【( 幼；) ) 】 s + r ( 3 5 ) 其中，式( 3 5 ) 的实部和虚部分别对应于o