（检测技术与自动化装置专业论文）ofdm系统中帧起始时间检测与同步问题研究.pdf

捅要 下一代无线移动通信系统要求能够提供高速宽带的多媒体业务，但在无线环境下， 高速数据通信受到频谱资源、功率和多径衰落等诸多因素的限制。近年来，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 yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 技术受到越来越广泛的关注， 其并行传输机制、内在抗符号问干扰和多径信道分集等特性，在衰落信道中显示了很强 的数据传输性能，同时由于其子载波间的正交性，o f d m 系统具有很高的信道利用率， 具有十分广阔的应用前景。 然而，o f d m 技术也存在着不足，首先，在无线环境中传输的0 f d m 信号以符号 形式进行处理，对定时要求高，为了能够正确解调，必须从接收信号中提取出正确的符 号起始位置，减少码间串扰的影响；其次，o f d m 技术的高频谱利用率和传输可靠性 均以子载波的正交性为基础，对频率偏移敏感，如果载波发生频率偏移，失去正交性， 就会导致严重的子载波间干扰，降低系统整体性能。因此，在设计o f d m 接收机时， 需要对时间、频率的偏移进行有效的估计和补偿，尽可能减小对系统性能的影响。 本文针对无线局域网中的o f d m 同步问题进行研究。在o f d m 无线局域网系统 中，传输数据以帧的方式突发传送，每帧的帧头都是由训练符号和循环前缀所组成的前 导结构，为设计出有效的时间同步算法以及进行正确的信道估计奠定了基础。本文的主 要工作如下：首先，改进训练符号和导频信息，引入特殊的同步块与码型，提高了同步 的准确度，同时经过仿真试验，表明运用此方法能较好得降低误码率。然后在此基础上 利用训练序列的共轭对称性和相邻符号的重复性进行更为精确和快速的帧起始时间定 位，设计出一种新得时间同步算法，同时给出了o f d m 系统改进后在多径衰弱信道的 误码率。这些工作为4 g 系统的设计与基站分布提供了详实得方案。 关键词：正交频分复用；w l a n ：训练序列；时间同步； a b s t r a c t o n eo f t h er e q u i r e m e n t so f n e x tg e n e r a t i o no f w i r e l e s sm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e mi s t op r o v i d et h et r a n s m i s s i o no f t h em u l t i m e d i as e r v i c e sw i t hh i i g h e rs p e e da n dw i d e rb a n d w i d t h i nt h ew i r e l e s se n v i r o n m e n t ，t h ef r e q u e n c yr e s o u r c e s ，p o w e ra n dw i r e l e s sf a d i n gc h a n n e le t c 1 i m i th i g h e rd a t at r a n s m i s s i o n i nt h e s e sy e a r s ，o 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 n m u l t i p l e x i n g ) t e c h n i q u eh a sb e e np a i dm o r ea n dm o r ea u e n t i o nb e c a u s e i th a ss t r o n g t r a n s m i s s i o na b i l i t yi nw i r e l e s sc h a n n e l s w h i c hc o m e sf r o mi t so w np a r a l l e lt r a n s m i s s i o n m e c h a n i s m i n h e r i t e dr o b u s t n e s st oi n t e rs y m b o li n t e r f e r e n c ea n dt h ed i v e r s i t yw i t ht h e m u l t i p a t hc h a n n e l m e a n w h i l e ，o f d ms y s t e mh a sv e r y h i g hc h a n n e lu t i l i z a t i o nr a t i ob e c a u s e o ft h eo r t h o g o n a lp r o p e r t i e sa m o n gi t ss u bc a r r i e r s 聃m i l et h eo f d mt e c h n i q u ea l s oh a s s o m es h o r t c o m i n g ss u c ha sb e i n gs e n s i t i v et ot l l e t i m es y n c h r o n i z a t i o ne r r o ra n dt h ef r e q u e n c yo f f s e t i nt h eo f d ms y s t e m t h ed a t ai st r a n s m i t t e da so n es y m b o l ，s oi no r d e rt od ot 1 1 ec o r r e c t d e m o d u l a t i o n ，t h ec o r r e c ts t a r o fs y m b o ls h o u l db eg o tf r o mt h er e c e i v e ds i g n a l st or e d u c e t h ee f f e c to fi s i s e c o n d l y , t h eh i g hf r e q u e n c yu t i l i z a t i o na n dt h er o b u s tt r a n s m i s s i o no f o f d ma r ef o u n d e do nt h eo r t h o g o n a lp r o p e r t i e so f t h es u bc a r d e r s ，s oi f t h ef r e q u e n c yo f f s e t i sg e n e r a t e da n dt h eo r t h o g o n mp r o p e r t i e sa m o n gs u bc a r r i e r si sl o s t ，t h a tw i l lc a u s et h ei n t e r c a r r i e ri n t e r f e r e n c ea n dh i g hb e ro fs y s t e m a sar e s u l t ，i nt h eo f d ms y s t e m ，h o wt o s y n c h r o n i z ei naq u i c ka n da c c u r a t em a n n e ri sq u i t ea ni m p o r t a n ti s s u e w h i c ha f f e c t st h e p 言r f o r m a n c eo ft h ew h o l es y s t e m s ot h ec o r r e s p o n d i n gt i m ea n df r e q u e n c ys y n c h r o n i z a t i o n a l g o r i t h m ss h o u l db ep r o p o s e da n dr e a l i z e di nt h eo f d m r e c e i v e rd e s i g n t h i sp a p e rs t u d i e s t h es y n c h r o n i z a t i o nt e c h n i q u ei nt h e0 f d ms y s t e m w h i c hi st od oe 伍c i e n te s t i m a t i o na n d c o m p e n s a t i o no f t i m et oe n h a n c et h es y s t e mp e r f o r m a n c e 1 1 1 ew o r ki nt h i sp a p e ri sb e l o w ：f i r s ，i m p r o v et h et r a i n i n gs e q u e n c e ，t h er e s u l ti sg o ti n s i m u l a t i o n i ts h o w st h a tt h i st r a i n i n gs e q u e n c ec o u l dl o w e rt 1 1 eb e r t h e n ，b a s e do nt h i s ，i m o d e lan e w t r a i n i n gs e q u e n c ew i t hi t ss p e c i a lc h a r a c t e r k e yw o r d s ：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 ) ；w l a n ；t r a i n i n g s y m b o l s ；t i m es y n c h r o n i z a t i o n ； i v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本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 本人为获得江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 确的说明并表示谢意。 未 签名：盟醐2 7 “肌 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解江南大学有关保留、使用学位论文的规 定：江南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和 磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以将学位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、缩印或扫描等复制手段保存、 汇编学位论文，并且本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定 签名：在坦 年弓只| f 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 随着移动通信技术的迅猛发展，无线通信多样化的发展趋势要求无线设备能够支持 从0 0 1 m b p s 低速率到4 5 0 m b p s 高速率的不同数据传输速率，也能支持不同时延要求的 实时性业务和不同可靠性要求的非实时性业务。宽带无线接入和无线局域网w l a n ( w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k s ) 形式灵活，往往采用无需执照的工作频段，投入成本低， 同时又能支持更高速的数据传输和更大的系统容量，适合高速无线业务的传输。因此， 宽带无线接入和无线局域网作为下一代无线通信系统的不可或缺的组成部分，逐渐成为 研究热点。其中，如何有效的利用有限的无线频率资源，在恶劣的信道环境中实现高速 率、高质量的多媒体业务传输则成为未来无线通信系统设计所要解决的主要问题之一， 即如何解决现有的频率资源紧张和确保大容量信息的高稳定性、高可靠性与高质量传输 等问题。另外，随着人们不断开发更高频段的频谱资源来满足无线业务的需求，在高频 段进行高速移动通信时，必将面临严重的频率选择性衰落。因此为提高传输信号的性能， 必须研究和发展智能传输技术，以便更有效的抑制这种衰落。近年来随着计算机网络的 普及和无线技术的发展，无线网络已经逐渐成为提高工作和生产效率不可缺少的工具。 无线网络是使用无线传输媒体的网络，其作为有线网络的补充，可以满足移动、重定位、 特殊网络的要求，覆盖有线网络难以涉及的范围。采用无线网络进行通信也是移动通信 最具发展前景的方向之一，作为蜂窝技术的补充，它通过微蜂窝，微微蜂窝和极小蜂窝 的结构填补特殊区域，完成对移动通信多层次的需要，并提高有限频谱资源的利用率。 今后，高速无线网络的应用范围将如同今天的有线网络一样广泛，首先无线网络的灵活 性则是有线网络所不能比拟的，而且有线网络在升级和维护方面的费用也远高于无线网 络。所以，无线网络已经扩展到许多重要的应用领域，如机场、宾馆和救灾等情况下的通 信。与有线网络不同的是，要求无线网络必须支持高速突发数据业务；在室内使用时要 解决包括多径衰落、码问干扰( i s i ，i n t e rs y m b o l i n t e r f e r e n c e ) 等问题。为了满足这些要求， o f d m ( 正交频分复用) 通信被提出来。o f d m 在频域将信道划分成许多子信道，并且 这些予信道的频率保持正交的同时频谱相互叠加，这样减小了子信道之间干扰的同时， 提高了通信的效率。同时在每个子信道上信号带宽小于信道带宽，故虽然整个信道是非 平坦的频率选择性衰落的，但是每个子信道相对是平坦的，这样就大大减小了符号间干 扰。由于o f d m 具有抗多径干扰能力强，频率利用率高等特点，受到广泛关注，已被 视为第四代移动通信最具竞争力的传输技术l 。 1 2o f d m 的发展状况 o f d m 的提出已有近4 0 年的历史，第一个实际应用是军用的无线高频通信链路， 但这种多载波传输技术在双向无线数据方面的应用却是近1 0 年来的新趋势。经过多年 的发展，该技术在广播方式下的音频和视频领域已得到广泛应用。近年来，由于数字信 江南大学硕士学位论文 号处理( d s p ) 技术的飞速发展，o f d m 作为一种可以有效对抗i s i 的高速传输技术， 引起了广泛的关注。o f d m 技术已经成功的应用于非对称数字用户环路( a d s l ) ，无线 本地环路( w l l ) ，数字音频广播( d a b ) ，高清晰度电视( h d t v ) ，无线局域嘲( w l a n ) 等系统中，它可以有效地消除信号多径传播所造成的i s i 现象，因此在移动通信中的应 用也是大势所趋。1 9 9 9 年i e e e 8 0 2 1 1 a 通过了一个5 g h z 的无线局域网标准，其中采用 了o f d m 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( b r a n ) 的局域网标准也把o f d m 技术定为它的标准调制技术。 1 9 9 2 年1 2 月，包括e r i c s s o n ，n o k i a 和w i l a n 在内的7 家公司发起了国际0 f d m 论坛，致力于策划一个基于o f d m 技术的全球性统一标准。现在0 f d m 论坛的成员已经 增加到4 6 个，其中主要成员为1 5 个。我国的信息产业部也已经参加了o f d m 论坛，可 见o f d m 在无线通信中的应用已引起国内通信界的重视。2 0 0 0 年1 1 月，o f d m 论坛的 固定无线接入工作组向i e e e 8 0 2 1 6 _ 3 的无线城域网委员会提交了一份建议书，提议采用 o f d m 技术作为i e e e 8 0 2 1 6 3 城域网的物理层标准。随着i e e e 8 0 2 1 1 a 和 b r a n h y p e r l a n 2 两个标准在局域网中的普及应用，o f d m 技术将会进一步在无线数字 本地环路的广域网领域做出重大贡献。o f d m 由于其频谱利用率高，成本低等原因越来 越受人们的关注。随着人们对通信数据化，宽带化，个人化和移动化的需求，o f d m 在综 合无线接入网领域将越来越受到j 1 1 泛的应用。随着d s p 芯片技术的发展，d f t i d f t ， 6 4 1 2 8 2 5 6 q a m 的高速m o d e m 技术，格状编码技术，轻判决技术，信道白适应技术， 插入保护间隔，减少均衡计算量等成熟技术的逐步引入，人们开始集巾精力开发o f d m 技术在移动通信领域的应用，预计3 g 以后得的移动通信的主流技术将使o f d m 技术。 d a b 是在a m 和f m 等模拟广播基础上发展起来的，可以提供与c d 相媲美的音质 以及其他的新型数据业务。1 9 9 5 年，由e t s i 制定了d a b 标准，这是第一个使用o f d m 技术的标准。接着在1 9 9 7 年，基于o f d m 的d v b 标准也开始使用。再a d s l 应用中， o f d m 被当作典型的离散多音频调制( d m tm o d u l m i o n ) 技术，成功地用于有线环境中， 可以在1 m h z 带宽内提供高达8 m b i t s 的数据传输率。1 9 9 8 年7 月，经过多次修改之后， i e e e 8 0 2 1 1 标准组决定选择o f d m 作为w l a n ( 工作于5 m h z 频段) 的物理层标准， 目标是提供6 m b i l s 到5 4 m b w s 的数据速率，这是o f d m 第一次被用于分组业务通信系 统中，此后，e t s i ，b r a n 以及删a c 也纷纷采用o f d m 技术作为其物理层标准。 此外，o f d m 还易于结合时空编码、分集、干扰抑制以及智能天线等技术，最大 程度地提高物理层信息传输的可靠性，如果再结合自适应调治，自适应编码以及动态子 载波分配，动态比特分配等技术，其性能可以进一步得到提高。 1 30 f d m 的优越性与不足 o f d m 是种多载波传输技术，个子载波把整个信道分割成个子信道，个 子信道并行传输信息。o f d m 系统有许多非常引人注目的优点： 第一，抗衰落能力强。o f d m 把用户信息通过多个子载波传输，尽管整个信道是有 可能是极不平坦的衰落信道，但在各子信道上的衰落却是近似平坦的。在每个子载波上 第一章绪论 的信号时自j 就相应地比同速率的单载波系统上的信号时间长很多倍，使o f d m 对脉冲噪 声( i m p u l s en o i s e ) 和信道快衰落的抵抗力更强。同时，通过子载波的联合编码，达到 了子信道间的频率分集的作用，也增强了对脉冲噪声和信道快衰落的抵抗力。因此，如 果衰落不是特别严重，就没有必要再添加时域均衡器。 第二，o f d m 具有非常高的频谱利用率。普通的o f d m 系统为了分离开各子信道的 信号，需要在相邻的信道间设置一定的保护间隔( 频带) ，以便接收端能用带通滤波器 分离出相应子信道的信号，造成了频谱资源的浪费。o f d m 系统各子信道问不但没有保 护频带，而且相邻信道间信号的频谱的主瓣还相互重叠，但各子信道信号的频谱在频域 上是相互正交的，各子载波在时域上是正交的，o f d m 系统的各子信道信号的分离( 解 调) 是靠这种正交性来完成的。另外，o f d m 的个子信道上还可以采用多进制调制( 如 频谱效率很高的q a m ) ，进一步提高了o f d m 系统的频谱效率。 第三，适合高速数据传输。o f d m 自适应调制机制使不同的子载波可以按照信道情 况和噪音背景的不同使用不同的调制方式。当信道条件好的时候，采用效率高的调制方 式。当信道条件差的时候，采用抗干扰能力强的调制方式。再有，o f d m 加载算法的采用， 使系统可以把更多的数据集中放在条件好的信道上以高速率进行传送。因此，0 f d m 技术 非常适合高速数据传输。 第四，抗码问干扰( i s i ) 能力强。码间干扰是数字通信系统中除噪声干扰之外最 主要的干扰。造成码问干扰的原因有很多，实际上，只要传输信道的频带是有限的，就 会造成一定的码间干扰。o f d m 由于采用了循环前缀，对抗码间干扰的能力很强。 当然，与单载波系统比，o f d m 也有一些困难问题需要解决。这些问题主要是： 第一，同步问题。理论分析和实践都表明，o f d m 系统对同步系统的精度要求更高， 大的同步误差不仅造成输出信噪比的下降，还会破坏子载波间的正交性，造成载波间干 扰，从而大大影响系统的性能，甚至使系统无法正常工作。 第二，o f d m 信号的峰值平均功率比( 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 ) 往往 很大，使它对放大器的线性范围要求大，同时也降低了放大器的效率。0 f d m 在未来通 信系统中的应用，特别是在未来移动多媒体通信中的应用，将取决于上述问题的解决程 度。 1 4o f d m 的应用 ( 1 ) o f d m 在a d s l 中的应用 a d s l 使用了正交频分复用技术将话音与数据分开，虽然话音与数掘在同一条电话 线上，但是话音和数据分别在不同的频带上运行，所以互不干扰。即使边打电话边上网， 也不会发生上网速率下降，通话质量下降的情况。 f l a s h - - o f d m 是f 1 a r i o n 为了在主网上实现使用l p 网络的永久接入服务而开发 的传输技术。由于用户在高速互联网接入服务中可以无线方式永久接入，因此还被称为 “无线版a d s l ”。n e x t e l 从2 0 0 2 年便开始对f l a s h o f d m 进行技术检测和传输试 验，韩国也有多家通信运营商进行试验服务。 江南大学硕士学位论文 ( 2 ) o f d m 在电力线通信中的应用 电力线通信技术简称p l c ( p o w e rl i n ec o m m u n i c a t i o n ) 是指利用电力线传输数据和 话音信号的一种通信方式。目前只需通过连接在电脑上的“电力猫”，再插入家中任何 一个电源插座，就可以实现最高1 4 m 的速度上网冲浪，这一速度比a d s l 目前最高限速 5 1 2 k 快2 0 多倍，而且使用成本低廉。 然而，电力线作为通信信道，存在着高噪声、多径效应和衰落的特点。o f d m 技术 能够在抗多径干扰、信号衰减的同时保持较高的数据传输速率，在具体实现中还能够利 用离散傅立叶变换简化调制解调模块的复杂度。o f d m 技术用于提高电力线网络的传输 质量，即使在配电网受到严重干扰时，o f d m 仍可提供带宽并且保证带宽传输效率。因 此它在电力线高速通信系统中的应用有着非常乐观的前景。 ( 3 ) 0 f d m 在有线电视网络中的应用 目前，为了提供上行回传信道，h f c 接入网可采用s d m ( 空分复用法) 、t d m ( 时 分复用法) 、w d m ( 波分复用法) 和o f d m ( 正交频分复用法) 等方式。但目前解决同轴电 缆分配网双向传输的主要手段还是正交频分复用法。 正交频分复用法是将光节点以下的电缆的工作频率作频率分割，利用不同的频段实 现上下行信号的同时传输，一般低频段用于上行信道，高频段用于下行信道，上下行频 段的分割点频率的高低，主要取决于h f c 接入网要实现的功能和所需传输的信息量。 另一方面，o f d m 可以同时传输很多信号、容许更长的符号周期却并不降低信息 量。所以，在符号周期比较长的前提下，通常的脉冲比它能中断的符号周期短得多。结 果载波噪音比的参数值就相当高，所以信息也可以保持其完整性和准确度了。假设载波 信噪比确实因为较大的脉冲干扰而降低，对信号的中断影响也是有限的，而信号错误则 可以通过纠错算法得以调整。 ( 4 ) o f d m 在数字电视中的应用 目前全球共有3 套国际数字电视地面传输系统标准，美国1 9 9 6 年高级电视系统委 员会( a t s c ) 研发的a t s c 8 v s b ；欧洲1 9 9 7 年提出的数字视频地面广播d v b - t c o f d m ；日本1 9 9 9 年提出的地面综合业务数字广播i s d b - - to f d m 。我国清华大学 微波与数字通信国家重点实验室提出的地面数字多媒体与电视广播系统( d m b t ) ，它采 用时域同步正交频分复用技术( t d s o f d m ) 。d m b t 传输系统既适用于地面数字多媒 体电视广播系统，也适用于其它宽带传输系统。 ( 5 ) o f d m 在数字音频广播中的应用 数字音频广播的三项关键技术是：即信源编码、信道编码和网络覆盖规划。而d a b 的信道编码技术是一种抗回波传输的信道编码技术，在具体处理上利用o f d m 技术将 信号分成大量的窄带子信道传输再用卷积码和v i t e r b i 解码算法结合。在误码的比特与传 输信道有最佳匹配，能提供大于2 0 d b 增益，这种方法的特点是使源编码的比特与传输 信道有最佳匹配，有足够的误码保护，在多径反射在提供极好的服务，特别是在移动和 便携状态下，接收具有高的频谱效率并能适应低的发射功率。o f d m 在一定程度上综合 了窄分段和宽分段各自的优点，在1 5 m h z 带宽中，可以一起传送5 6 套立体声高质 4 第一章绪论 量节目，信噪比可达8 0 d b 以上。 ( 6 ) o f d m 在第4 代( 4 g ) 移动通信系统中的应用 第四代移动通信系统的关键技术包括信道传输；抗干扰性强的高速接入技术、调制 和信息传输技术：高性能、小型化和低成本的自适应阵列智能天线；大容量、低成本的 无线接口和光接口：系统管理资源；软件无线电、网络结构协议等。但若从技术层面看， o f d m 被认为是4 g 的核心技术之一。 移动通信信道的突出特点之一就是信道存在多径时延扩展，它限制了数据速率的提 高，因为如果数据速率高于信道的相干带宽，信号将产生严重失真，信号传输质量大幅 度下降。而o f d m 技术由于具备频谱利用率高，有较强的抗多径干扰、抗频率选择性 衰落和频率扩散能力等特点，是对高速数据传输的一种潜在的解决方案，因此，0 f d m 技术已基本被公认为4 g 的核心技术之一。 ( 7 ) o f d m 在3 5 g 宽带无线接入中的应用 当前，3 5 g 地面固定无线接入技术在我国已经迅速铺开，并表现出良好的发展势 头，目前已有一些公司，如中华通信公司、中国电信、中国移动、中国联通等公司采用 3 5 g h z 无线接入网为集团用户提供宽带业务。它将有力地带动我国的无线接入技术的 发展，将为用户提供更加丰富多彩的业务和服务。而在这其中o f d m 更是开始广泛应 用于3 5 g h z 无线接入系统的设备中。一些厂商纷纷在自己原有系统的基础上应用 o f d m 技术，大唐就是其中之一。 大唐结合市场的需求，采用了当前无线通信领域的先进技术，有针对性的推出了在 该频段上采用o f d m 技术、基于i p 的r 2 0 0 0a c c e s so f d m 宽带无线接入系统，为 运营商提供了一种经济、高效、实用的i p 业务接入解决方案。 ( 8 ) o f d m 在w i m a x 无线城域网中的应用 i e e e8 0 2 1 6 标准是一种无线城域网络( w m a n ) 技术，利用该技术可以把无线热 点( h o t s p o t s ) 连接起来，i e e e 将这个新标准编号为8 0 2 1 6 a ，又称w i m a x ，即全球微 波接入互操作性( w o r l d w i d ei m e r o p e r a b i l i t yf o rm i c r o w a v ea c c e s s ) ，它出现于2 0 0 1 年 1 2 月，在2 0 0 3 年1 月正式获得批准，是一项无线城域网( w m a n ) 技术，是针对微波 和毫米波频段提出的一种新的空中接口标准。8 0 2 1 6 a 标准规范中明确定义了0 f d m 技术 作为无线数据传输方式。 i e e e 8 0 2 1 6 a 标准规定在特许频段，可以使用单载波调制或正交频分复用，对于非 特许频段，必须使用正交频分复用调制方式。i e e e 8 0 2 1 6 a 标准采用了0 f d m 技术，增 加了传输距离，降低了运营成本。 此外，o f d m 在无线局域网中也得到了很好的应用。o f d m 在8 0 2 1 l a ，8 0 2 1 1 9 ， 8 0 2 1i n ，h y p e r l a n 2 和超宽带( u w b ) 无线通信技术中都是其关键技术。 1 5 本文的主要内容和研究目标 在移动通信系统中，可以通过许多方式来提高频带利用率，包括进行码率压缩、采 用微微蜂窝结构等方式。然而伴随着每一代新的移动通信系统的产生，系统数据传输速 江南大学硕士学位论文 率和传输带宽不断提高，对传输技术的发展提出了新的要求，要求传输技术的改进能够 进一步提高频带利用率，同时保证其在衰落信道中仍能保持良好的传输性能。在新兴的 传输技术中，正交幅度调匍j ( q a m - - q u a d r a t u r e a m p l i t u d e m o d u l a t i o n ) 可以实现高速传输 速率和高效频带利用率，但是q a m 固有的抗干扰性能差的特点制约了它在无线高速通 信领域的迸一步应用。尽管c d m a 技术通过扩展频谱的方式提供良好的抗干扰性，然 而，单纯的c d m a 不足之处在于其频带利用率不高，无法更有效的利用频带，也无法 支持更高的传输率。o f d m 技术作为多载波传输技术的一种，其并行传输机制、内在 抗符号间干扰和多径信道分集等特性，在衰落信道中显示了很强的数据传输性能，同时 由于其子载波间的正交性，o f d m 系统具有很高的信道利用率，具有十分广阔的应用前 景。这种技术早在6 0 年代就已被提出，但由于其当时实现过于困难和昂贵，并未广泛 应用。9 0 年代起，数字信号处理技术的迅猛发展为o f d m 技术在无线数据通信领域的 应用提供了良好的基础。o f d m 技术已被欧洲数字电视标准d v b t 和数字音频广播 d a b 标准所采纳，目前已经作为w l a n ( h i p e r l a n 2 和i e e e8 0 2 1 l a ) 和宽带无线接入 ( 1 e e e8 0 2 1 6 ) 的核心技术。然而，o f d m 技术仍然存在一些固有的问题，影响其在 无线通信领域的深入发展。这些问题包括：对载波频率偏移和定时同步误差比单载波更 敏感；由于o f d m 信号的峰值和平均值的功率比( p a p r p e a k t o a v e r a g e p o w e r r a t i o ) 高， 有比较大的动态范围要求，所以对放大器的线性要求比较高。只有这些问题必须彻底解 决后，o f d m 技术才能成为一种实用的、经济的、能解决多径干扰的数据传输技术。 基于以上考虑，本文主要任务是研究o f d m 系统的定时同步问题。在多径环境下， 比较几种定时同步算法的性能，并在此基础上提出了相应的改进算法，同时完成新帧定 时估计算法并给出相应的仿真结论。 第- - 章o f d m 系统及其关键技术 第二章o f d m 系统及其关键技术 2 1 引言 正交频分复用( o f d m ) 的应用始于2 0 世纪6 0 年代f 2 】【3 】【4 】，主要用于军事通信中， 但因结构复杂限制了其在其他通信领域中的进一步推广。7 0 年代，人们提出了采用离散 傅氏变换实现多载波调治，由于f f t 和i f f t 易用d s p ( 数字信号处理技术) 实现，使 o f d m 技术开始走向实用化。 o f d m 在频域把信道分成许多正交子信道，各子信道问保持正交，频谱相互重叠， 这样减少了自信道间干扰，提高了频谱利用率。同时，在每个子信道上信号带宽小于信 道带宽，虽然整个信道的频率选择性是非平坦的，但对每个子信道是平坦的，大大减少 了符号间的干扰。此外，通过在o f d m 中添加循环前缀可增加其抗多径衰落的能力。 由于o f d m 把整个信道分成相互正交的子信道，因此抗窄带干扰能力强，因为这些干 扰仅仅影响到一部分子信道。 正是由于o f d m 具有抗多径能力强，频谱利用率高的优点，因此受到广泛关注。 本章将重点介绍o f d m 的基本原理，随后概要介绍o f d m 技术的关键技术。 2 2o f d m 的基本原理 2 2 1o f d m 的产生及其系统的组成 o f d m 的思想早在2 0 世纪6 0 年代就已经提出，由于使用模拟滤波器实现起来的 系统复杂度较高，所以一直没有发展起来，2 0 世纪7 0 年代，s b w e i n s t e i n 提出用离散 傅里叶变换( d f t ) 实现载波调制1 5 】，为o f d m 的实用化奠定了理论基础；在8 0 年代， l j c i m i n i 首先分析了o f d m 在移动通信应用中存在的问题和解决方法1 6 ，从此以后， o f d m 在移动通信中的应用得到了迅猛的发展。 在o f d m 系统的收发机中，发送端将被输的数字信号换成子载波幅度和相位映射， 并进行离散傅里叶逆变换( i d f t ) ，将数据的频谱表达式变到时域上，i f f t 变换与i d f t 变换的作用相同，只是有更高的计算效率，所以适用于所有的应用系统。其中，上半部 分对应于发射机链路，下半部分对应于接收机链路。由于f f r 操作类似于i f f t 操作， 因此发射机和接收机可以用同一个硬件设备。当然，这种复杂性的节约意味着该收发机 不能同时进行发送和接受操作。 o f d m 系统的组成框图如图2 1 所示。输入比特序列完成串并变换后，根据采用的 调制方式完成相应的调制映射，形成调制信息序y l j x ( n ) ，对x ( n ) 进行f f t i f f t ，计算出 o f d m 己调信号的时域抽样序列，加上循环前缀c p ，再作d a 变换，得到o f d m 已调信号 的时域波形。接收端先对接收信号进行a d 变换，去掉循环前缀c p ，得到o f d m 已调信 号的抽样序列，对该抽样序列作d f t f f t ，即得到原调制信息序y l j x ( n ) 。 江南大学硕士学位论文 图2 一lo f d m 系统的组成框图 循环前缀c p 的引入使得o f d m 传输在一定条件下可以完全消除由于多径传播造成 的符号间干扰( i s i ) 和子信道间干扰( i c i ) 的影响，大大推进了o f d m 技术实用化的 进程【3 】。图2 - - 2 是循环前缀示意图。o f d m “符号”( s y m b 0 1 ) 是一个容易产生歧义的 概念。在多数o f d m 文献中，o f d m “符号”指的是调制信息序p o x ( n ) ，而x ( n ) 的各分量 ( 即各子载波上的调制信息) 也用“符号”( s y m b 0 1 ) 表示。为避免这种混乱，我们将 x ( n ) 连同循环前缀称为o f d m “帧符号”，简称“符号”，称x ( n ) 的分量为“帧内符号”。 o f d m 系统中的符号问干扰( i s l ) 指的是帧符号间的干扰，具体是指除去循环前缀后的 帧符号问的干扰，同样符号同步也是指帧符号同步。这样与o f d m 文献中的名称基本一 致，而又不会引起误解。 、 图2 2 循环前缀示意图 2 2 2 系统的调制和解调 一个o f d m 符号之内包括多个经过调制的子载波的合成信号，其中每个予载波都 可以受到相移键控( p s k ) 或者正交幅度调制( q a m ) 符号的调制。如果n 表示子信 道的个数，t 表示o f d m 符号的宽度，一( f = o ，l ，一1 ) 是分配给每个信道的数据符号， 正是第0 个子载波的载波频率，r e c t ( t ) = l ，1 1 | t 2 ，则从r = t ，开始的o f d m 符号 可以表示位： - l m ： s ( r ) = r e d , r e c t ( t - t ，一i 1 ) e x p ( _ ，2 万( 五+ 吉) ( ，一，) 】) r ，- t - t ，+ 7 i = o 1 s ( f ) = 0 ， t + t ， ( 2 1 ) 然而在多数文献中，通常采用复等效基带信号来描述，见式( 2 2 ) 。其中实部和虚 第二章o f d m 系统及其关键技术 部分别对应于o f d m 符号的同相和正交分量，在实际中可以分别与相应子载波的c o s 分量和s i n 分量相乘，构成最终的子信道信号和合成的o f d m 符号。图2 3 中给出了 o f d m 系统基本模型的框图，其中，= z + i t 。 一l，r： s ( ，) = d ，r e c t ( t - t ，一寺) e ) 畎，2 万专( f 一，) ) r ，f ，+ 丁 t = 0 厶1 s ( ，) = 0 t t + f ， ( 2 2 ) 上 叫竺卜。咿 i 土 鼍叶互卜 _ 电扣 s p + 1 叵 p s 土 点田叶妒 积分p 一仑厂 图2 3o f d m 系统基本模型框图 一个o f d m 符号内所有的子载波都具有相同的幅值和相位，但在实际应用中，根 据数据符号的调制方式，每个子载波的幅值和相位都可能是相同的。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，而且各个相邻子载波间相差一个周期“1 。这一 特性可以用来解释子载波问的正交性，即： 吾r e x p ( 刎) e x p ( - j n , ，枷= * ：i ： ( 2 3 ) 例如对式( 2 2 ) 中的第j 个子载波进行解调，然后在时间长度t 内进行积分，即： z = 手j ? “e x p ( 一，2 丌手( f 一) ) 荟n - i ze x p ( ，z 万手( f r ，) 击 ，：舢 = 7 l 刍n - i zr e x p 陋孚。沙= 以 一 根据上式可以看到，对第j 个子载波进行解调可以恢复出期望符号d 而对于其他载波来 说，由于在积分间隔内，频率差另u ( i - j ) 仃可以产生整数倍个周期，所以其积分结果为零。 这种正交性还可以从频域角度来理解。根据式( 2 1 ) ，每个o f d m 符号在其周期t 内包括多个非零子载波。因此其频谱可以看作是周期为t 的矩形脉冲的频谱与一组位于 各个子载波频率上的函数的j 卷积。矩形脉冲的频谱幅值为s i n c ( ：f r ) ，这种函数的零点 出现在频率为1 t 整数倍的位置上。 这种现象可以参见图2 - - 4 ，其中图( a ) 是单个子载波的频谱，图( b ) 是经过矩形脉冲 江南大学硕士学位论文 成型的多个载波的频谱。在每一个子载波频率的最大值处，所有其他子信道的频谱值恰 好为零。由于在对o f d m 符号进行解调过程中，需要计算这些点上所对应的每一个子 载波频率的最大值，因此可以从多个相互重叠的子信道符号频谱中提取出每个子信道符 号，而不会受到其他子信道的干扰。 从图2 4 可以看出，o f d m 符号频谱实际上可以满足奈奎斯特准则，即多个子信 道频谱之间不存在相互干扰，但这是出现在频域中的”j 。因此这种一个子信道频谱的最 大值对应于其他子信道频谱的零点可以避免信道问干扰( i c i ) 的出现。 c a ) 单个载波频谱( 6 ) 经过矩形脉冲成型的子信道频谱 图2 4 载波频谱 2 2 3 保护间隔和循环前缀 应用o f d m 的一个最主要的原因是它可以有效地对抗多径时延扩展。通过把输入 的数据流串并变换到n 个并行的子信道中，使得每个用于去调制子载波的数据符号周期 可以扩大为原始数据符号周期的n 倍，因此时延扩展与符号周期的比值也同样降低n 倍。为了最大限度地消除符号间干扰，还可以在每个0 f d m 符号之问插入保护间隔 ( g u a r d i n t e r v a l ) 而且该保护间隔长度r 。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造成干扰。在这段保护间隔内，可以不插入任何信 号，即是一段空闲的的传输时段。然而在这种情况中，由于多径传播的影响，则会产生 信道间干扰( 1 c i ) ，即子载波间的正交性遭到破坏，不同的子载波间产生干扰1 5 j 。这种 效应可见图2 5 。其中的纵向实线表示的是子载波中心频率位置。每个o f d m 符号中 都包括所有的非零子载波信号，而且也同时会出现该o f d m 符号的时延信号。由于在 f f t 运算时间长度内，一个子载波与带有时延的另一个子载波之问的周期个数不再是整 数，所以当接收机试图对一个子载波进行解调时，另一个子载波会对此造成干扰。 第二章o f d m 系统及其关键技术 ， _ ： j ，? ? j 2 j | | j 0 j _ j ，： ， ? ： j 1 i ： ： ： i ；i j ， 1 ， 。 ： 睽曩誉 7 i 一| 、 ij + ；j 、t 、? 、 j 咎 t j 、 k 图2 5o f d m 频谱存在载波间干扰 为了进一步说明多径传播对o f d m 符号所造成的影响，可以参见图2 6 ，其中给 出了两路径衰落信道中的信号，实线表示经第一路竞达到的信号，虚线表示经第二路竞 达到的实线信号的时延信号。实际上，o f