（电磁场与微波技术专业论文）基于ofdm技术的电力线通信系统中同步技术的研究与改进.pdf

摘要 摘要 近几年来电力线载波通信一直是一个研究热点，同时考到正交频分复用( o a 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 ) 技术由于具有抗频率选择性衰落、频谱效率高和抗 窄带干扰等优点，在现代通信中越来越受到重视，所以电力线载波通信中也采用了o f d m 技 术。但o f d m 系统对时间和频率偏差很敏感，因此准确的时间同步和精确的频率同步是o f d m 系统正常工作的前提。如何设计一种实现起来简单而性能又比较好的o f d m 系统同步方案， 国内外很多学者己经对此作了大量的研究，取得了很多成果，但仍旧需要作进一步的研究。 本文主要针对定时同步和频率同步的问题作了相关研究和改进。主要内容如下： 首先介绍了本课题相关技术的发展情况，课题的研究背景和意义；o f d m 的发展历史等。 其次介绍了o f d m 技术的基本原理，给出了o f d m 信号的基本特性以及一般o f d m 系统的 构成模型，详细介绍了o f 删系统中涉及到的关键技术。 然后介绍和分析了o f d m 系统中的同步问题，包括了载波频率偏差、符号定时偏差、时钟 频率偏差等对系统性能的影响。 然后重点介绍了s c l i d l 和c o x 提出的同步方案和h m i r m 等提出了一种改进的定时算 法，同时分析了基于i e e e 8 0 2 1 1 a 协议的帧结构的同步算法。提出了结合功率检测和延时相 关相结合的同步算法。 另外在前人同步技术研究的基础上，针对本系统所采用的同步算法，对算法的数字硬 件实现给出了合理的流程图，并详细的说明了频率偏移同步模块的f p g a 实现，给出了仿 真结果。 最后总结了全文的工作，对o 删技术的实现需要进一步完善的方面与后续工作进行了探 讨。 关键词：正交频分复用，定时同步，载波频率同步 h t ：r a z t a b s t r a c t p o w e r l i n ec a r r i e rf r e q u e n c yc o m m u n c a t i o nh a v eb e e nah o tr e s e a r c hp o i n ti nr e c e n ty e a r b e c a u s eo f r o b u s t n e s st oi m p u l s en o i s ea n df a s tf r e q u e n c ys e l e c t i v ef a d i n g , 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 nm u l t i p l e x i n g ( o f d m ) m o d u l a t i o nh a s a t t r a c t e dc o n s i d e r a b l ea t t e n t i o nf r o m r e s e a r c h e r s s op o w e r l i n ec a r r i e rf r e q u e n c yc o m m u n i c a t i o ns y s t e ma l s oc h o o s eo f d mt e c h n i q u e a so n eo fi t sk e yt e c h n i q u e h o w e v e r , o f d ms y s t e m sa r cv e r ys e n s i t i v et ot i m ea n df r e q u e n c y s y n c h r o n i z a t i o ne l l o r s m a n ye x p e r t sh a v ed o n ea l o to fr e s e a r c ha n dg o tl o t so fa c h i e v e m e n t s a b o u ts y n c h r o n i z a t i o ns c h e m e sw h i c hc b er e a l i z e ds i m p l ya n dh a v eg o o dp e r f o r m a n c e t h i sd i s s e r t a t i o ni n v e s t i g a t e st h et o p i co ft 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 nf o ro f d m s y s t e m s t h ec o n t e n to f t h ed i s s e r t a t i o ni ss h o w na sf o l l o w i n g f i r s t l y ，s o m er e l a t e dt e c h n o l o g ya b o u tt h i st a s k i sd e s c r i b e d ，s u c ha st h eh i s t o r ya n d d e v e l o p m e n ta b o u to f d m ， s e c o n d l y t h eb a s i ct h e o r yo fo f d ms y s t e ma n dt h es y s t e mm o d e la i n t r o d u c e d w ea l s o i n t r o d u c e dt h eb a s i cc h a r a c t e r i s t i c so fo f d ms i g n a l t h ek e yt e c h n i q u e sa g ep r o p o s e da n d d i s c u e s s e di nd e t a i l t h i r d l y ，s y n c h r o n i z a t i o nt e c h n i q u e h a sb e e n a n a l y s e d t h e e r r o r so ff r e q u e n c y s y n c h r o n i z a t i o n ，t i m i n gs y n c h r o n i z a t i o n ，a n dt h es a m p l i n gr a t es y n c h r o n i z a t i o na r cd i s c u s s e di n d e t a i l a f t e r w a r d s ，s o m et y p i c a ls y n c h r o n i z a t i o ns c h e m e sh a v eb e e ns t u d i e d i n c l u d es c h m i d la n d c o x sm e t h o da n dh m i n n sm e t h o d a tt h es a m et i m e ，s y n c h r o n i z a t i o nm e t h o db a s e do n i e e e 8 0 2 1l ap r o t o c o lh a sb e e nd i s c u e s s e d w ea l s op r o p o s e dam e t h o dw h i c hc o m b i n e dt h e p o w e rd e t e c t i v ew i t ht i m ed e l a yc o r r e l a t i o n s i m u l a t i o n sr e s u l t sh a sb e e np r e s e n t e d t h e n ，a f t e rs u m m e r i z i n gt h ew o r ke x p e f j c e ，t h er e a l i z a t i o no fs y n c h r o n i z a t i o nu s i n g f p g ai s i n t r o d u c e d ，e s p e c i a l l yt h em o d l eo fc a r r i e rf r e q u e n c yo f f s e te s t i m a t i o n a l s o , t h e s i m u l a t i o nr e s u l t sa g es h o w n a tl a s t , s o m ec o n c l u s i o n sa n da d v i c ea r eg i v e nt oi m p r o v es y n c h r o n i z a t i o no fo f d m s y s t e m 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 , t i m i n gs y n c h r o n i z a t i o n ， c a r t i e rf r e q u e n c ys y n c h r o n i z a t o 1 i 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。 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( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文 的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：导师签名：日期： 绪论 第一章绪论 随着科技的进步，生活水平的不断提高，对信息量的需求越来越多，不管是无线移动通 信业务还是有线通信业务都对语音、数据、图像服务质量q o s 和传输速率的要求也越来越高。 宽带化已成为当今通信技术领域的主要发展方向，而且，提供的大量业务还必须满足用户的 速率等方面的要求，所有这些都对通信系统的性能提出了更高的要求，尽管通信技术的不断 成熟和发展，如今的通信传输方式可以说多种多样，变化日新月异，从最初的有线通信到无 线通信再到现在的光纤通信。然而，从通信技术的实质来看，上面所述基本上都是传输介质 和信道的变化，突破性的进展并不多。由于传输媒介的不同，各信道传输信息的能力也不尽 相同，移动通信信道的相干带宽是限制信道传输能力的主要因素之一，在短波电离层反射信 道、对流层散射信道、移动信道，“播信道等实际信道中，由于云层、山脉、城市中林立的高 层建筑的影响，会产生多径衰落现象，引起严重的码间干扰( i s i ) ，限制了信息传输速率 的提高。电力线载波通信技术，英文简称p l c ( p o w e rl i n ec o m m u n i c a t i o n ) ，也是最近几年 的研究热点，是指利用已有的配电网作为传输媒介，实现数据传递和信息交换的一种技术。 以电力线为媒介，在传输能量的同时进行通信这一技术具有悠久的历史，早在上个世纪人们 已经成功地在高压电力线上传输语音、继电保护、远程控制信号。随着数字化时代的到来， 利用高速率传输的数字语音、数字图像、i n t e r n e t 数据来获取信息的需求迅猛增长。由于电 力线可靠性高，具有天然的拓扑结构，电力线数字载波通信在配电网自动化、家用网络、 i n t e r n e t 接入网中获得了越来越多的关注。电力线信道的主要特点是多径延迟效应、噪声电 平高、阻抗变化大、信号电平衰减剧烈等，这与移动通信信道有很多相似之处，特别是多径 衰落这一特征，同时，两者都会引起严重的符号间干扰和码间干扰。 传统的解决方法是采用自适应均衡技术来对抗多径衰落，由于均衡技术较为复杂，所以 自适应均衡器的制作、调试往往成为通信系统研制的瓶颈。随着传输带宽的不断增长，均衡 器的制作越来越复杂、成本不断增加。为了有效地利用有限频率资源以满足高速率大容量的 业务需求，必须采用专门的技术来克服信道多径衰落以降低对均衡器的依赖、降低噪声，达 到改善系统性能的目的。在众多技术中正交频分多路o f d m 技术显示出其优越的性能，o f d m 作为一种可以有效对抗载波间干扰的高速传输技术引起了广泛关注。 在o f d m 概念提出的早期，o f d m 的实现是依赖于对正弦发生器阵列和平行数据中的相干 解调，结构复杂。快速傅立叶变换f f t 的使用使得o p d m 技术的实现变得高效、容易，特别 是近年来，随着数字信号处理d s p 和超大规模集成电路v l s i 的技术迅速进步，o f d m 技术实 现的最初障碍如大量的复数计算和高速存储器等问题不复存在了，高速m o d e m 采用的6 4 、1 2 8 、 2 5 6 q a m 栅格编码技术、软判决技术、信道自适应技术、插入保护时段减少均衡计算量等成熟 技术的逐步引入大大地扩展o f d m 系统的功能，增强了o f d m 系统的性能。o p d m 技术在许多领 域都得到了应用，o f d m 技术已被欧洲的数字电视标准d v b - t 和数字音频广播( d a b ) 标准所 采纳，美国“家庭插电联盟”( t h eh o m ep l u gp o w e r l i n ea l l i a n c e ) 确立为其1 0 版本规范 的关键调制技术。近年来，由于数字信号处理( d s p ) 技术的飞速发展，o f d m 已经作为w l a n 和宽带无线接入的关键技术，而且它将成为未来移动通信系统的核心技术。0 f 叫已被视为第 四代移动通信最具竞争力的传输技术。 东南大学硕士学位论文 1 1 本课题研究背景和意义 l - 1 1 课题的研究背景 电力线载波通信系统是最近几年来的研究热点之一，特别是在国际上一些发达国家，针 对本国的电力线网络来进行相关方面的研究也已经取得了很大的进展，同时也推出了一系列 的产品。我国早在2 0 0 1 年5 月1 8 日，国家信息产业部就止式批准了国电通信中心的i s p 业务申 请。但是由于在低压配电网上实现可靠、安全的通信是相当困难的，目前p l c 的服务质量还 不稳定。中国的配电网与国外的相比有一定的筹别，如居民小区的电力线路不规范，电源布 线不均匀，使得国外产品在中国的使用受限制，很多情况f 根本不能使用。而且p l c 系统的 j 二作还受到电磁辐射电磁干扰等等很多因素的制约。所以中国非常需要这个领域的相关研究 丁作。本课题也是得到了国家的支持，是国家科技攻关计划项目，项目名称为“基于o f d m 的宽带高速电力载波通信系统”，编号为2 0 0 2 b m l o c 。 r 而足国际f ：的一砦公司订电力线载波通信系统所取得的一些成果。n o i w e b 在 廿界上首 次成功寅现配电网 二的2 5 个终端_ f j 户的电爵与数据通信试验后( 1 9 9 21 9 9 3 ) ，肝发出在2 蛐z 带宽内数据传输速率为1 m b p s 的系统。1 9 9 3 年，英国s w e b 公司成功地在。地区性 i 限遥测系 统( r m s ) 中采蚪3 中、低压配电网进行两路数字载波通信，将已有的水、电表计j j 电能农讨连 接起来，能提供包括水、天然气、电能的自动抄表等功能。美国a n 公司于1 9 9 6 年推出了 l o o k b p s 的电j 线调制解调器芯片。1 9 9 9 年3 月1 1 日，德国r w e 能源股份有限公司和瑞 ? a s c o m 公- j 利川公用电网传输电话和数据，并可以以高于当时i s d n 技术2 0 倍的速度在冈特网上浏 览、传送数据。2 0 0 1 年5 月美国i n t e l l o n 公司推出了基丁| 正交频分复用( o f d m ) 技术的电力线 通信芯片，速率达到1 4 i b p s 。2 0 0 2 年7 月i n t e l l o n 与台湾u k 公司台作推出新的1 4 m b p s 电力线 通信芯片，该芯片集成了u s b1 1 、以太网接口、m i i 接口，以及d a c ，a d c 乘i a g c ，是一个系统 级芯片( s o c ) 。2 0 0 4 年1 月 n t e l l o n 公司在拉斯维加斯展示了在家庭内的电力线上同时传输多 路高清晰视频数据流的技术，数据率高达2 0 0 l m o p 。 1 1 2 课题的研究意义 基于o f o m 技术的电力线通信系统中的同步技术是整个系统关键技术之一，不管在无线 通信还是在有线通信中，信道编码、信号同步、信道估计、降低峰均比( p a r ) 等技术都是 保证通信系统止常：r 作的关键技术。 信号同步技术是任何一个通信系统都需要解决的实际问题，其性能直接关系到整个通信 系统的性能。可以说没有l i = 确的同步算法，就不可能进行可靠的数据传输，它是信息可靠传 输的前提。当采用同步解调或相干解调时，接收端需要提供一个与发射调制载波同频同相的 相干载波，这种获取相干载波的过程就称为载波同步。对于数字通信系统，接收端的最住采 样时刻应对应于每个码元间隔内接收滤波器的最人输出时刻，因此，对丁数字通信，除了载 波同步的问题外，还有符号同步的问题。符号同步的目的是使接收端得到与发送端周期相同 的符号序列，并确定每个符号的起i r 时刻，进而实现块同步或帧同步。 对1 ：o f d m 系统，当然也不可避免的存在载波同步和符号同步的实现问题，但是每个o f d m 符号是山经串并转换的h 个样值符寸组成的，所以在o f 删系统中，除了：述数字通信系统中 的载波同步平符号同步外，还包括了样值同步。o f d m 系统中的样值同步包括样值定时i 司步和 样值频率同步。符号定时同步的e j 的是使接收端确定每个o f d m 符号的起j f ：时刻，即确定准确 2 绪论 的f f t 窗位置，并进一步实现块同步或帧同步；样值定时同步是为了使接收端确定每个样值 符号的起止时刻。 本文主要针对基于o f d w 系统中的信号同步技术作深入的分析和研究。 1 2 唧i 发展历史 o f i ) m ( o r t h o g o n a tf 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，中文名称为正交频分复 用，是多种传输技术的综合。o f 删在无线通信中被称为o f 删，而在有线通信中一般被称为 a d s l ( a s y m m e t r i cd i g i t a ls u b s c r i b e r1 i n e s ) 或d m t ( d i s c r e t em u l t i t o n e ) 。o f 删是一种 频谱部分重叠的多载波调制技术，最早于2 0 世纪5 0 年代末应用于军队无线通信。 早期的o f d m 应用实例是= a n o s c i o 可变数据速率调制解调器，用于高频无线电，该 系统采用p s k 调制，通过一个频分多路的子信道集，产生多达3 4 个平行低速率的信道，用 8 2 h z 的信道间隔来安排正交的频率给连续的信号单元，提供保护时间。o f d m 也用于其他 高频军事系统，如a n d e f t 。 6 0 年代中期，c h a n g 提出一种带限信号的多信道传输方法，即在一个线性带限信道上同 时传输多路信息，并消除载波间干扰( i n t e r - c a r r i e ri n t e r f e r e n c e ，i c i ) 及符号间干扰 ( i n t e r s y m b o li n t e r f e r e n c e ，i s l ) 。1 9 7 1 年，w e i n s t e i n 和e b e r t 将d f t ( d i s c r e t ef o u r i e r t r a n s f o r m ) 引入o f d m 系统，用它来进行基带调制和解调。但是他们利用了符号保护间隔和 时域升余弦窗来控制i s i 和i c l ，这使得载波间的正交性受到了破坏。在1 9 8 0 年，p e l e d 和r u i 提出了循环前缀( c p ) 方式代替了保护间隔来控制i s i 和i c i ，解决了正交性的问题，为o f d m 做出了另一重大的贡献。9 0 年代以后，能够使用f f t 技术实现有效的调制，并随着近年来数 字信号处理技术、半导体技术的飞速发展及大规模集成电路的应用，例如超大规模集成电路 技术的最新进展可以提供商业化的高速f f t i f f t 等芯片，为0 f d m 技术的实际应用和人规模使 用提供了有力的保障。 由于o f d m 高效率的频带利用率，所以其可以支持更高速率的数据传输。目前数字音频 广播( d a b ) 、数字视频广播( d v b ) 和后三代移动通信都广泛应用了o f 嗍技术。同时无线局域 网( w l a n ) 的i e e e 8 0 2 1 l a 和e t s ih i p e r l a n 2 工作组都推荐0 f d m 作为5 g h zw l a n 的调制方 案，码速率为6 5 4 1 9 0 p s 。而且在2 0 0 1 年7 月，0 f d m 就被美国“家庭插电联盟”( t h eh o m e p l u gp o w e r l i n ea 1 l i a n c e ) 确立为其1 0 版本规范的关键调制技术。 1 3 本文的主要研究内容和章节安捧 研究o f d m 系统问题对于本系统有举足轻重的影响，目前国内外的很多学者提出了许多 同步方案，在论文中我将会对当前比较流行的几种同步方案作比较详细的研究。由于o f d m 同 步的参数很多，而且，各种应用系统中有各自特点，针对不同的应用系统寻找性能好、鲁棒 性强、容易实现的同步方案仍旧是一个需要研究的课题，我们在大量阅读国内外学者关于同 步技术研究文献的基础上，通过自己的归纳和总结，同时结合我们系统的实际情况，得到了 个完整的同步流程，并且对同步算法有所改进和提高以适应在电力线信道环境下的工作要 求。在此过程中可以运用m a t l a b 等相关的仿真软件来进行可行性分析和性能分析。并且在 f p g a 平台上实现了该同步流程。相关的研究文章已经发表在期刊杂志以及会议论文上。 本论文的章节安排如下： 第一章绪论简要讲述了课题的研究背景和研究意义，回顾了o f d m 技术的发展，介绍 o f d m 的技术特点和应用领域。 东南大学硕士学位论文 第二章o f d m 技术的原理及其关键技术，主要讲述了o f d m 技术的基本原理、o f d m 符号的结 构、系统组成等。 第三章o f d m 系统的同步问题分析，深入分析了载波频率偏差、定时偏差、时钟频率偏差 等因数对于o f d m 系统的影响，并给出了相关的仿真结果。 第四章o f d m 系统中的同步算法研究，对几种比较典型的定时同步方案进行了分析，同时 也详细介绍了基于m l 的时频联合估计算法，同时设计了一种适合本系统的定时同步方案。 第五章介绍了本系统的开发环境，以及在开发中使用的j ：具，包括综合l ：具和仿真 具， 详细介绍了本系统中同步模块的实现方式，对小数频偏和整数频偏模块给出了最后的仿真结 果。 第六章结束语。 0 f d m 技术的原理及其关键技术 第二章o f d m 技术的原理及其关键技术 o f d m 是一种块传输技术，同时是一种特殊的多载波传输技术，它具有良好的抗噪声 性能、抗多径干扰能力以及高频谱利用率，适于在频率选择性衰落信道中进行高速数据传输。 总的来讲其基本原理是将总的信道带宽分成多个带宽相等的子信道，每个子信道单独通过各 自的子载波调制各自的信息符号，因此在时域上每个o f d m 符号持续时间比单载波长很多， 于是抗多径衰落能力比单载波好很多。带循环前缀的o f d m 符号可以有效的对抗多径和时延所 引起的i s i 和i c i 。0 f d m 的另一个重要的优点就是可以利用f f t i f f t 来实现调制与解调，这 可以大大减少系统实现的复杂性。 2 10 f d m 技术的基本原理 2 1 10 f d m 技术的基本特征 一个o f d m 符号之内包含了多个经过调制的子载波的合成信号，其中每个子载波都可以收到 相移键控( p s k ) 或者正交幅度调制( q a m ) 符号调制。假设一个o f d m 符号由个正交的 子载波组成，在这个子载波上调制了| 路平行的数据流，每个基带子载波的形式为： 九o ) = e r a t 。( 2 1 ) 其中= 2 n f k ，五为第k 个子载波的载波频率。 如果n 表示子信道的个数，t 表示o f d m 符号的宽度，一( j = o ，l ，n 一1 ) 是分配给每个 子信道的数据符号，z 是第。个子载波上的频率，r e c t ( t ) = 1 ，l f l r 2 因此从f = f ，开始的 o f d m 符号可以表示为( 在不考虑循环前缀的情况下) ： 一1 s ( f ) = r e d ，r e c t ( t t s t 2 ) e x p j 2 x ( f 。+ i t ) ( t 一) 】 t s - t + 丁( 2 - 2 ) 1 = 0 s ( f ) = o t t + 在有些文献中，通常采用等效基带信号来描述o f d m 的输出信号，见式( 2 3 ) 其中实 部和虚部分别表示o f d m 符号的同相和正交分量，在实际中可以分别与s i n f f 【l c o s 相乘，构成 最终的子信道信号和合成的o f d m 符号。 一l s ( ，) = d , r e c t ( t - t , 一t 2 ) e x p ( j 2 7 r ( i t ) ( t 一) ) s ，+ 丁 ( 2 3 ) i - - - o s ( t ) = 0 t f + 子载波间的正交性可以由下面的关系表示： 东南大学硕士学位论文 1 丁f e x p ( ，2 万f ) e x p ( 一，2 万厶f ) = l l 。, ，r m a = n 打 因此，对式( 2 3 ) 中的o m m 符号第i 个子载波进行解调 即利用了匹配滤波器的方式来进行解调表达式如下所示： ( 2 - 4 ) 然后在时间t 内进行积分 d j = 1 t f + e x p ( 一j 2 万手( f t a ) n 萎- i z ，e 甜。一一丁2 ) e x p ( _ ，2 石手( ，一) m = 矿 ( 2 - 5 ) 由上式可以看出，对箭个子载波进行解调可以恢复出期望符号，而对其它载波来讲， 积分结果为零。图2 1 中给出了一个o f d m 符号内包括4 个子载波的实例。其中所有的子载波 都具有相同的幅值和相位。 图2 1 包含4 个子载波的o f d m 符号 下面我们研究一下o f d m 符号的频谱，因为每个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 上的艿函数的卷积。矩形脉冲的频谱幅值为s i n c ( j r ) 函数，这种函数的零点出现在频率为 l r 整数倍的位置上。下图2 2 给出了o f d m 符号的频谱图，从f 面的频谱图中也可以解 释止交性。 飞。； ， v： 。 _ 1 a 产、j j j 卜j 一= 、堍= ：b扩v 一妒、眵、l忒：弋# 。a 、掣尹、：= 少鬻影￥夕 翌竣j ，? ? 一7? 爹嘭 、t 二少、字 ：| 、一 。q c y 图2 - 2o f d m 系统子信道符号的频谱图 qi qii 0 f d m 技术的原理及其关键技术 2 1 2f f t i f f t 在o f d m 系统中的应用 1 9 7 1 年，w e i n s t e i n 和e b e r t 将o f t ( d i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o r m ) 引入0 f d m 系统， 用它来进行基带调制和解调。为o f d m 的实际应用作出了巨大贡献，特别是对于n 比较大的 系统来讲，快速傅立叶变换技术的应用使得整个o f d m 系统得结构大大简化。 在式( 2 3 ) 中，为了简化分析，令f j = 0 ，并且忽略矩形函数，这对我们分析不会有 本质上的影响，椭s s ( t ) ，以r 的速率进行抽样，即令f = k t n ( k = o ，1 ，一1 ) ， 则可以得到： 铲( k t 悱篓z 州_ ，争 ( 嘁- 1 ) ( ：击) 由上面的表达式我们可以看出，s k 就是对谚的i f f t 变换，所以由数字信号处理的知识 我们可以得到，在接收端，对& 作f f t 变换就可以恢复出数据信号吐，即： z = 芝k = o & 吲，警 z = & 吲，等 jt ( o s f 一1 )( 2 - 7 ) 根据以上分析，我们可以看到，o f d m 系统的调制与解调可以用i f f t f f t 来代替，将 原始的数据信号看成是频域信号，通过i f f t 运算将数据信号转换为时域信号，然后经过射 频载波调制后，其中每个o f d m 符号都是由子载波信号进过叠加而得到的，通过相应的信 道，在接收端作f f t 变换将时域信号转换为频域信号，而这个过程即完成了o f d m 的调制 解调。 2 1 3 具有循环前缀的o f 聊符号 首先我们看信号在一个非理想信道( 扩散信道) 上传输时所产生的两个问题，第一个 问题是信道的扩散破坏子载波之间的正交性，导致子载波间干扰i c i 。此外，系统可以连续 地发送多个o f d m 符号，因此扩散信道可能会导致连续o f d m 符号之间的码间干扰i s i 。我 们知道在单载波系统中，在多径环境下使用多级均衡器来消除符号间的干扰( 1 s 1 ) ，但是， 均衡器的复杂度和运算量随着均衡器的抽头数的增加呈指数增长，对于数据速率超过 1 0 m b p s 的系统，其均衡器是非常复杂和昂贵的。所以选择在连续的o f d m 符号之间插入一 个保护时段，可以避免在扩散环境中的i s i ，但是，这个保护时段必须能避免子载波正交性 的破坏。 在1 9 8 0 年p e l e d 和r u i 提出了循环前缀( c p ) 方式代替了保护间隔来控制i s i 和i c i ，解 决了正交性的问题，为o f d m 做出了另一重大的贡献。利用一个循环前缀，在连续的o f d m 符 号之间，循环前缀既保持了子载波之间的正交性叉阻止了码问干扰，这样接收机中均衡的实 现变得1 e 常简单，有时候甚至不需要均衡模块。 图2 3 给出了带循环前缀的o f d m 符号，从图中我们可以清楚地看到带循环前缀的o f d m 符 号的构造方式。数学表达式如f 式表示： 7 东南大学硕士学位论文 印) = 专篓琊2 帅，小r ， ( ，) 为信道的 冲击响应，h ( k ) 为在频率为五时的h ( t ) 的傅立叶变换，即： h ( ) = f 6 矗( r 弦2 嘶以 ( 2 9 ) 则： r ( f ) = s ( f ) + 办( f ) = 万l 刍n - i ( ) 爿( 七) p ，2 硝 ( 2 - 1 0 ) 由上面的分析我们可以知道在每个子载波上，在接收端只是由日( t ) z ( 七) 代替了在发 射端的x ( k ) ，所以这， = 不会破坏子载波间的上e 交性。至于如何在接收端去除信道对数据的 影响那是一个单独的研究方向，可以通过纠错编码和信道估计来解决这个问题。 我们已经知道循环前缀可以很好的解决子载波间干扰和符号问干扰，但是一个比较明显 的缺点就是循环前缀的引入带来了一定的性能损失，设一个o f d m 符号由长度为n 的数据部分 和长度为l 的循环前缀组成，所以整个o f d m 符号的长度蔓j n + l ，很明显l ( n + ) 被用来传送 循环前缀，而循环前缀在接收端解调时是被删除不用的。其次，循环前缀降低了系统的有效 带宽利用率，即每单t 市带宽的比特率。理论上，使垌 f 进制数字调$ 1 i 拘o f d m 系统带宽利 用率可以达到1 0 9 2 m b i t s s h z 。假定输入系统的比特流速率为r = 1 t ，则m 进制调制后 的速率为l ( t l 0 9 2 肼) ，而每个子载波上符号速率为1 ( n t l 0 9 2 m ) ，等于子载波间隔可。 m 的带鼽= 瓦b ，冈此带宽利用率为2 万r = l 0 9 2 肌但是鲫上循 o f d m 技术的原理及其关键技术 环前缀之后为保持信息速率不变，。删总的抽样速率上升为等而b ，故 。f d i m 的带宽也增大到! 与笋矽，而系统有效比特率仍然为r ，所以带宽利用率就降低为 丙n 石。但是引入循环前缀引起的能量损耗和带宽利用率的降低与克服i c i 和l s i 比起来是 利大于弊，所以o h ) m 技术被很多的通信标准确立采用。 2 2 离散时问o f d i i 系统的主要构成 对于本系统而言，基本上是一个典型的离散时间o f i r i 系统，其构成如图2 - 4 所示，我 们可以看出发射模型和接收模型具有很强的对称性，整个系统的工作流程表述如下： 发射端： 1 ：信号输入 由上位机产生数据流，同时按照系统的帧格式要求发送； 2 ：数据编码 o f d m 信号经过多径信道，某些子载波可能经过深度衰落状态，完全丢失所携带的信息， 前向纠错码( f e c ) 可以恢复那些错误。另外，信道中可能发生一些连续的突发错误，而交 织( i n t e r l e a v i n g ) 可以将这些连续的突发错误打散为单个的随机错误。对于不同的数据以及 不同的信道条件需要不同的编码方案。比如传送一般的有用数据，可以采用的编码方式是维 特比( v i t e r b i ) ，里德一所罗门( r e e ds o l o m o n ) f e c 以及交织；而对于敏感的控制资料， 可以采用的是t u r b op r o d u c tc o d i n g ( t p c ) 。 3 ：信号的映射( p s k q a m 调制) 在编码的基础上对数据流进行p s k o a m 调制，提高信道的带宽利用率，提高抗干扰能力， 同时这个模块还可以提高整个系统的传输速率，处理完后再传送给下一级进行处理； 4 ：i f 阿变换( o f d m 调制) 在经过前面的一系列的基带信号编码和映射以后，数据进行串并转换，然后进行i f v r 处理，将信号放到各个子载波上的同时进行信道分配，信号从频域变换到时域中，在送入下 一步处理前先进行并串转换，将并行的数据变成串行的数据流； 5 ：d a 转换和载波搬移 将数据流加入循环前缀和同步头，这个时候我们系统的帧结构就完全形成了，然后 进行d a 转换，d a 转换后进行成形滤波，然后进行载波搬移。将处理好的数据送入传输信 道： 接收端： 6 ：下变频 信号经由信道的传输，在接收端首先进行载波搬移，这是和发送端相对应的一个将信号 下变频过程，当然其中还包含低噪声放大，自动增益控制等模块； 7 ：a d 变换 在信号作完下变频以后，经过a d 采样将模拟信号变为数字信号，在o f d m 系统中我们 往往采用过采样技术。 8 ：同步处理 我们系统的同步分为四步，即符号粗同步、小数频率估计和纠正、整数频率估计和纠正 以及精细同步，整个同步过程需要很好的控制时钟，在完成以上的同步过程后，还应加入相 位的估计和纠正、最佳采样点判别、信号的帧进行处理、丢弃信号帧中的循环前缀和同步头 0 东南大学硕士学位论文 等处理单元，具体在后面的章节中详细介绍； 9 ：f f t 变换( 0 f d m 解调) 先对数据进行串并转换，然后作f f t 变换，这一步是对应于发送端的i f v r 的过程，经 过这一步，数据信号从时域变换到频域中； 1 0 ：信道估计 由于是非理想性信道，所以在数据的传输过程中会引入差错，这就需要信道估计模块来 补偿信道的损失，在我们的系统中，信道估计的实现采用了块状信道估计的算法，充分利用 系统的帧结构中的同步头，在经过同步处理以后，信号帧的同步头中的数据已经得到了频率 偏移纠正，然后在信道估计的时候利用其中的同步头来进行估计，即基于时域训练序列的信 道估计算法，提高系统的频带利用率。当然还有各种不同的信道估计技术，可以参考相应的 文献： 1 1 ：信号的解映射 针对发送端的映射模块，在接收端必须进行解映射； 1 2 ：译码 以本系统为例，编码模块采用了卷积编码，解码模块采用v i t e r b i 译码，这是一种最 人似然解码，v i t e r b i 译码实际就足找到条最佳路径，这种译码方式也是比较流行的一种 译码方式； 1 3 ：译码完成以后，就得到t - 相应的数据可以交给后续的处理单，l 来迸 jf 一步的处理。 图2 - 4o f d m 系统的基本框图 2 3o f 聊系统中的关键技术简介 2 3 1 编码技术 信道编码可以显著地提高数字通信系统的抗干扰能力，目前比较流行的编码方式有分组 码、卷积码、网格编码调制( t c m ) l 2 ) , 及t u r b o 码等，当然纠错拧制编码足移动通信中0 f d m 系 统的一个天键部分，也是研究的热点之一，在衰落环境中的0 f b m 常常采用编码来提高其性 0 f 删技术的原理及其关键技术 能，这样常常被称为编码o f 咖或者c o f d m ，o f i ) m 编码除了抗衰落外，编码也可以用于处理连 续o f 蹦符号之间码间干扰i s i 所引起的长回波干扰。 目前一些采用o f d m 技术的通信标准，包括欧洲的d v b t ，i e e e8 0 2 1 l a 等协议采用了基 于p u n c t u r e d 卷积编码，允许等错误保护和不等错误保护。编码技术也可以解决o f 删系统的 峰均比过高的问题。现在发展的方向是在0 f 删系统中结合多天线技术使用空时编码，即所谓 的m i m o - - o f d m 技术，这项技术可以显著地提高o f 删系统的性能，成为下一代通信系统的热点 技术。 2 3 2 峰值功率平均功率比的降低方法 多袭波系统有峰均比过高的问题，o f d m 系统当然也存在这样的问题。所谓峰均比， 就是峰值功率与平均功率比，简称( p a p r ，p e a k - t o - a v e r a g eb o w e r _ r a t i o ) 。相对于单载波系 统，o f d m 发射机的输出信号的瞬时值会有较大波动，这是由于o f d m 信号是由多个子载波的 叠加构成的，所以就有可能产生很大的峰值功率，这就要求功率放大器、a d 、d a 转换器 等具有很大的线性动态范围，因为这些部件的非线性也会对动态范围较大的信号产生非线性 失真，从而影响o f d m 系统的性能。 峰均比指峰值功率与平均功率比，定义如下： p p a p r ：1 0 l g 二呈堕( 棚) ( 2 - 1 1 ) t a v g 其中，础是o f d m 系统中传输信号的峰值功率，是平均功率。 对于数字信号，又可以定义为： m a x 1 矗门 。e 矗1 2 】 式中，吒表示经过逆傅利叶变换后产生的o f d m 信号，e 【】表示数学期望。 对于o f d m 系统出现的峰均比过高的问题目前也有几种解决办法，包括信号预畸变技术、 编码技术、选择性映射( s l m ) 、部分发送序列( p l s ) 等，在实际的系统中，我们有必要 组合使用上述的一些方法，从而以最小的代价来实现最佳的性能。 2 3 3 信道估计技术 信道估计是通信领域的一个研究热点，它是进行相关检测、解调、均衡的基础。由于 o f d m 多载波的出现，这为信道估计技术的应用提供了新的空间。从最早的无分集的单载波 信道估计到现在的有分集的多载波信道估计，从时域或频域信道估计到现在的时频域二维估 计，信道估计的性能在不断的提高。 在通信网络中应用o f d m 技术时，可采用相干解调或差分解调方式。由于差分解调的信 号包含在相邻符号的相位差之中，不需要进行信道估计，接收机较为简单，但是与相干解调 相比，在信噪比方面会有3 d b 的损失。并且，差分解调无法应用多电平调制技术，冈此为了 获得更高的数据速率和频谱利率与良好的系统性能，通常采用相干解调方式。而相干解调 东南大学硕士学位论文 依赖于对各载波上信号相位与幅度的变化的了解，因此需要对信道做出准确的估计，在 o f d m 系统中，研究如何获得最佳的信道估计十分重要。 对t - o f d m 通信系统，信道估计的算法很多。信道估计从大的角度可以分为非盲估计和 盲估计以及在此基础上产生的半盲估计。所谓非盲估计是指在估计阶段，首先利用导频来获 得导频位置的信道信息，然后为下面获得整个数据传输阶段的信道信息做好准备。盲估计是 指不使用导频信息通过使用相应信息处理技术获得信道的估计值。与传统的非盲信道估计技 术相比，盲信道估计技术使得系统的传输效率大大提高，然而由于盲信道估计