（电路与系统专业论文）mimoofdm系统同步技术研究.pdf

- - _ - _ _ - 一一j 中文摘要 m i m o 技术充分开发空间资源，利用多天线实现多发多收，在不需要增加带宽和天 线发送功率的情况下，成倍提高信道容量， o f d m 技术能够有效的抵抗无线信道衰落。 m 订0 技术和o f d m 技术相结合的m i m o o f d m 技术能够大幅度地提高无线通信系统的 信道容量和传输速率，并能有效地抵抗多径衰落、抑制干扰和噪声，是下一代移动通信 的核心技术。但是m i m o - o f d m 系统对时间和频率同步误差比较敏感，时间的不同步会 导致符号间干扰，而频率不同步则会导致载波间干扰，引起系统性能的严重下降。因此 准确的时间同步和频率同步对m i m o o f d m 系统来说是非常重要的。 本文首先分析了m 蹦o o f d m 系统发展、特点及基本原理，然后给出m i m o o f d m 系统同步误差模型，详细分析同步误差对m i m o o f d m 系统性能的影响，并在此基础上 对不同类型的m i m o o f d m 系统同步算法进行重点研究。针对集中式m i m o o f d m 系 统，利用恒包络零自相关( c a z a c ) 序列作为训练序列对v a nz e l s t a 提出算法进行改进， 并通过计算机仿真验证改进算法的性能。仿真结果表明，改进算法在信噪比较低时，也 有较好的同步估计性能。在相同条件下，较原算法频偏估计和定时同步性能都有所提高。 而对于分布式m i m o o f d m 系统，针对u p s p 算法的不足，给出了一种改进算法。改进 算法的定时度量函数具有尖锐相关峰值，能够准确的确定定时同步位置。仿真结果表明， 改进算法较u p s p 算法定时估计精度有了较大的提高。 关键词：多输入多输出；正交频分复用；定时同步；频偏估计 ribp，kh矿，ri ( 、 j ，j 一 h w 0卜钆l_玲pr坩y卜p小hi li|lllii|llrrrll l i i 勺 二 # j w， j1，。1i_r_，j a b s t r a c t u t i l i z i n g m u l t i a n t e n n aa n d d e v e l o p i n gs p a c er e s o u r c e st oa c h i e v e m u l t i - i n p u t m u l t i o u t p u t ，m i m oc o m m u n i c a t i o nc a ns i g n i f i c a n t l vi n c r e a s et h e c h a n n e lc a p a c i t yw i t h o u tb a n d w i d t ha n d t r a n s m i s s i o np o w e r i n c r e a s i n g o f d m t e c h n o l o g y c a n e f f e c t i v e l y r e s i s tt h e f r e q u e n c y s e l e c t i v e f a d i n g c h a n n e l s m i m o o f d mi st h ec o r et e c h n o l o g yo ft h en e x tg e n e r a t i o nm o b i l e c o m m u n i c a t i o nw h i c hi sc o m b i n e dw i t hm i m oa n do f d mt e c h n o l o g yc a n g r e a t l yi n c r e a s et h ec h a n n e lc a p a c i t ya n dt r a n s f e rr a t e s ，e f f e c t i v e l ya g a i n s tt h e m u l t i p a t hf a d i n ga n dr e s t r a i ni n t e r f e r e n c ea n dn o i s e h o w e v e r ，m i m o o f d m s y s t e mi sv e r ys e n s i t i v et ot i m i n ga n df r e q u e n c ys y n c h r o n i z a t i o ne r r o r t i m i n g e r r o rw i l ll e a dt oi n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c ea n dt h ef r e q u e n c yo f f s e ti n t r o d u c e t h ei n t e r - c a r r i e ri n t e r f e r e n c e ，b o t hc a u s et h e s e r i o u sd e c l i n eo fs y s t e m p e r f o r m a n c e t h e r e f o r e ，a c c u r a t et i m i n gs y n c h r o n i z a t i o na n df r e q u e n c yo f f s e t f o rm i m o - 0 f d m s y s t e mi sv e r yi m p o r t a n t t h ed e v e l o p m e n t ，c h a r a c t e r i s t i c sa n db a s i cp r i n c i p l e so fm i m o o f d m s y s t e ma r ea n a l y z e df i r s t l yi nt h i sp a p e r t h e n ，s y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h m sf o r d i f f e r e n tm i m o o f d ms y s t e ma r ed i s c u s s e di nd e t a i l ，b a s e do nt h ei n t r o d u c e s y n c h r o n i z a t i o ne r r o rm o d e lo fm i m o 一0 f d ms y s t e ma n dd e t a i l e da n a l y s i s a b o u tt h ei n f l u e n c eo fs y n c h r o n i z a t i o ne r r o ro nt h es y s t e m a i m i n ga tt h e c e n t r a l i z e dm i m o 一0 f d m s y s t e m ， u s e c o n s t a n t a m p l i t u d e z e r o a u t o c o r r e l a t i o n ( z a c a c ) s e q u e n c ea st h et r a i n i n gs e q u e n c et oi m p r o v e t h ev a nz e l s t a ss y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h ma n dt e s tt h e p e r f o r m a n c eo ft h e i m p r o v e da l g o r i t h mb yc o m p u t e r s i m u l a t i o n i nl o ws n r ，t h es i m u l a t i o nr e s u l t s s h o wt h a tt h ei m p r o v e da l g o r i t h mh a sab e a e rs y n c h r o n i z a t i o np e r f o r m a n c e u n d e rt h es a m ec o n d i t i o n s ，b o t hf r e q u e n c yo f f s e te s t i m a t i o na n dt i m i n g s y n c h r o n i z a t i o np e r f o r m a n c ea r ei m p r o v e d f o rt h ed i s t r i b u t e dm i m o - o f d m s y s t e m ，a i m i n ga tt h es h o r t c o m i n g so fu p s pa l g o r i t h m ，t h ep a p e rp r o p o s e da k i n do fi m p r o v e da l g o r i t h m t i m i n gm e t r i cf u n c t i o no fi m p r o v e da l g o r i t h mh a s t h es h a r pp e a kt h a tc a na c c u r a t e l yd e f i n et h el o c a t i o no ft i m i n gs y n c h r o n i z a t i o n i i i i v ab e t t e r d i v i s i o n 目录 中 文摘要i a b s t r a c t i i i 第一章绪论1 1 1 研究背景1 1 2m i m o 技术概述1 1 3o f d m 技术概述2 1 4m i m o o f d m 技术概述3 1 5 研究目的及意义3 1 6 论文工作安排4 第二章m i m o o f d m 系统基本原理5 2 1m i m o 基本原理5 2 2o f d m 基本原理。6 2 2 1o f d m 系统原理结构7 2 2 2o f d m 调制解调8 2 2 3o f d m 抗干扰技术9 2 3m i m o o f d m 基本原理1 0 2 4 本章小结1 2 第三章m i m o o f d m 系统同步分析1 3 3 1m i m o o f d m 同步误差模型13 3 1 1 集中式m i m o o f d m 1 4 3 1 2 分布式m i m o o f d m 1 4 3 2m i m o o f d m 同步误差分析1 4 3 2 1 载波频偏影响1 4 3 2 2 定时误差影响1 6 3 2 3 采样频偏影响1 9 3 3m i m o o f d m 同步研究现状1 9 3 3 1 数据辅助同步1 9 3 3 2 非数据辅助同步2 0 3 4 本章小结2 1 第四章集中式m i m o o f d m 系统同步技术2 3 v 4 1 集中式m i m o o f d m 同步模型2 3 4 2 经典同步算法介绍2 3 4 2 1m o d y 等人提出的方法2 3 4 2 2b l a s tm i m o 系统中的载波频偏估计2 5 4 2 3v a nz e l s t a 等人提出的方法2 6 4 3 改进的同步方法2 8 4 3 1c a z a c 序列特性2 8 4 3 2 改进算法描述2 9 4 3 3 仿真结果及分析2 9 4 4 本章小结31 第五章分布式m i m o o f d m 系统同步技术3 3 j5 1 分布式m i m o o f d m 同步模型3 3 5 2 已有同步算法介绍3 3 5 2 1 频率同步3 3 5 2 2 定时同步3 5 5 3 一种改进的同步方法3 7 5 3 1u p s p 算法描述3 7 5 3 2 改进的同步算法描述3 8 5 3 3 仿真结果及分析3 9 5 4 本章小结4 0 总结与展望4 1 6 1 论文工作总结4 1 6 2 下一步研究工作4 1 参考文献4 3 致谢4 7 攻读硕士学位期间发表的论文4 9 v i 一 第一章绪论 一 第一章绪论弟一旱殖了匕 1 1 研究背景 2 0 世纪中后期，移动通信技术和市场获得了迅猛的发展，从第一代模拟通信( 1 g ) 到第二代数字通信( 2 g ) ，再到第三代多媒体通信( 3 g ) ，目前人们又已把视线投到了第 四代移动通信系统( 4 g ) ，移动通信已成为当代通信领域内发展潜力最大、市场前景最广 阔的热点技术。目前，第二代移动通信系统( 2 0 ) 正在以前所未有的速度快速发展，第三 代数字移动通信系统( 3 g ) 网络也已逐渐铺开，下一代移动通信系统( 4 g ) 的研究工作各 国也已经展开。 随着世界范围内移动用户数量的不断增大和移动业务需求的增长，人们对移动通信 的容量和质量等方面的要求也进一步提高。目前全球各国在促j 畦( 3 g ) 用于商业的同时， 也把工作重点放在了下一代移动通信( 4 g ) 的开发上面，研究( 4 g ) 相关技术上的突破和 创新，极大的提高无线通信系统的容量和传输速率，满足人们的需求。在未来移动通信 ( 4 g ) 中系统的数据传输速率将会达到1 0 0 b i t s 甚至会更高，能够实现全球无缝漫游，支 持的业务从话音扩展到数据、图像、视频等诸多业务，还有对实时性要求很高的流媒体 业务，( 4 0 ) 移动通信可以根据这些业务对速率要求的不同来动态的进行调整。因此，对 服务质量和传输速率的要求越来越高，对移动通信系统的性能提出了更高的要求。而带 宽在移动通信中是非常稀缺的资源，如果人们要在频谱资源不变的情况下进行大容量和 高速率的传送数据，就必须采用较现在更高的技术来充分的利用频率资源，以满足高速 率、大容量的业务需求；同时克服高速数据在无线信道下的多径衰落，降低噪声和多径 干扰，提高系统性能【l j 。 多输入多输出( m i m o ) 技术利用空时编码极大的提高通信系统容量，而占用的频谱 和天线的发送功率并没有增加。正交频分复用( o f d m ) 技术将带宽划分为若干相互正交 的子带来提高通信容量，并有效的抑制信道衰落。将两者有机结合的m i m o - o f d m 技术 的信道容量和传输速率都有了成倍的提高，通信质量也有了质的飞跃，而且此项技术并 不会额外的增加无线通信系统的其他开销，从而引起了全球通信界的浓厚兴趣，纷纷投 入财力和人力进行开发研究。因此，m i m o o f d m 技术具有非常广阔的研究和发展前景。 1 2m i m o 技术概述 m i m o 技术是一种多天线技术，它的接收和发送两端均采用多天线技术来提高移动 通信系统的容量，降低干扰和噪声并抑制信道衰落，改善通信质量。而且通过前人的理 论研究和实践验证，m i m o 的空间复用增益以及空间分集增益也可提高无线通信系统信 1 m i m o - cf d m 系统同步技术研究 可靠性，降低信号传输误码率 2 1 。m i m 0 技术还可以通过与信道编码技术相结合，进 的提高移动通信系统的性能。m i m o 技术的诸多优势，注定其成为通信界研究的热点。 人们对m i m o 技术的研究可以追溯到上世纪9 0 年代中期，在那时a t & tb e l l 实验 室完成了m i m o 的奠基工作。在1 9 9 5 年前后，b e l l 实验室的f o s c h i i l i 、t e l a t a r 等人从理 论上证明了使用多个发送和接收天线的通信系统链路容量可以成倍的增长，即在拥有m 根发送天线、，根接收天线的m i m o 系统中，信道容量随i l l i n ( m ，) 线型增长。在1 9 9 6 年，f o s c l l i i l i 提出了一种基于空分复用的m i m o 处理算法，也称为对角贝尔实验室分层 空时( d b l a s t ) 算法【3 】。在此基础上，w e l n i 衄s k y 等人采用垂直贝尔实验室分层空时 b l a s t ) 算法建立了一个m i m o 实验系统 4 1 ，取得了令人振奋的结果，用实验结果验 证了理论研究的正确性，证明了m i m o 技术在衰落信道中提高信道容量和增加系统可靠 性的可能，引起了世界各国对m i m o 技术的研究热潮。随着对m i m o 技术研究的深入， m i m o 技术的空时编码技术随之诞生，目前并已成为业界的研究热点方向，常用的空时 码包括空时分组码和空时网格码。空时编码进行空间和时间的编码来获得一定的空间分 集和时间分集，实际应用中在两者之间进行合理的选择，从而进一步来降低信道误码率。 1 3o f d m 技术概述 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 nm u l t i p l e x i n g ) 技术是一种效率很高的多载波 调制技术，它把信道在频域分割成为很多个相互正交的子信道，并把信道中传输的高速 数据分割为若干个低速的子数据，并将这些低速的子数据调制到各个子载波上进行并行 的传输【5 1 。并且子载波之间的正交性使得o f d m 可以在带宽受限的信道上同时传输多路 比特流而不会引起载波间干扰( i c i ) 和符号间干扰( i s x ) 。其技术特点表现如下： j ( 1 ) 抗干扰和多径衰落的能力强。o f d m h b 各子载波相互正交性减少了各载波之 间的相互干扰( i c i ) ，而且由于信道带宽大于每个子信道上的信号带宽，虽然系统总的信 道是非平坦的，也就是说信道是频率选择性信道，但是相对于整个信道来说每个子信道 是平坦的，这就极大的减少了符号间干扰( i s i ) 。因此，o f d m 能够减小无线信道多径衰 落的影响，其实质是通过将频率选择性衰落信道转换成相对平坦的子信道来实现。此外， 在2 2 3 节中将详细介绍o f d m 利用循环前- 缀( c p ) 还将会进一步提高其抵抗无线信道多 径衰落的能力。 ( 2 ) 频谱利用率高。o f d m p _ , 信道在频域分割成为很多个相互正交的子信道，并 把信道中传输的高速数据分割为若干个低速的子数据，并将这些低速的子数据调制到各 个子载波上进行并行的传输，而且这些子载波是可以重叠传输的，因此它的频谱利用率 也就提高了。 2 一一 第一章绪论 ( 3 ) 实现方便，结构简单。o f d m 把信道在频域分割成为很多个相互正交的子信 道，它们只是总的信道的- - d , 部分，这样信道均衡设计起来就会简单很多，避免了复杂 均衡器的设计，大大简化了系统，可以显著降低系统的实现复杂度。 o f d m 以其独特的优点受到了越来越多的关注，它的应用目前也得到了广泛的推 广，例如：其在高速率数据用户线( h d s l ) 、非对称数字用户线( a d s l ) 以及无线城域网 i e e e 8 0 2 1 6 等等中已得到了广泛的应用。 1 4m i m o o f d m 技术概述 m i m o 在收发两端均采用多天线技术来提高移动通信系统的容量，抑制信道衰落， 改善通信质量，但是实际的无线信道是频率选择性信道，对于m i m o 系统来说是无法解 决这种信道的深度衰落的。目前利用均衡技术可以解决m i m o 系统中的这个问题，也可 以利用o f d m 技术来解决。通过近年的研究人们认为o f d m 技术是4 g 的关键技术，4 g 通信要有频谱利用率很高的技术来实现，但是对于o f d m 来说它的频谱利用率还是有局 限的，这就需要在空间资源上进行充分的开发利用，因此研究者将两种技术进行有机的 结合开发出m i m o o f d m 技术，此项技术的问世，使移动通信的数据传输率有了极大的 突破。而且o d f m 把信道中传输的高速数据分割为若干个低速的子数据，另外o f d m 还 添加循环前缀( c p ) ，因此它的抗多径干扰能力进一步增强。此外它的c p 前缀长度大于 多径时延，这就使得m i m o o f d m 系统的码间干扰降致最低，这就使得现有的很多通信 网络经过改造都可以利用m i m o o f d m 技术来实现移动通信的无缝对接。 目前，世界各国都把下一代移动通信系统( 4 g ) 的研究列为重点研究项目，力争在移 动通信领域走在世界的前列，制定行业标准。因此，m i m o o f d m 技术以其在移动通信 领域上突出的技术优势和巨大的潜在商业价值，成为全球范围未来移动通信( 4 g ) 研究 的热点领域。 1 5 研究目的及意义 同步是传送数据进行可靠恢复的基础，时间和频率同步一直以来都是o f d m 以及 m i m o o f d m 的关键技术。在m i m o o f d m 系统中，由于天线对间子信道以及多普勒影 响的不同，使得每一对发送天线和接收天线之间存在着不同的载波频偏。频偏的存在破 坏了各个子载波之间的正交性，从而产生载波间干扰( i c i ) 造成系统性能严重下降。此外， o f d m 系统需要在接收端确定每帧数据的到达时刻和f f t 窗的位置，才能达到准确解调。 因此，m i m o o f d m 系统中，有效的定时同步和频率同步是极其重要的。在本论文中， 深入的研究- j m i m o o f d m 系统的同步技术，并结合计算机仿真验证所提出改进算法的 m i m o o f d m 系统同步技术研究 同步性能，使其具有实际应用价值。 1 6 论文工作安排 本文首先分析了o f d m 技术和m i m o 技术的原理及相关技术，在此基础上深入研究 了m i m o o f d m 系统的原理结构，并进一步给出了m i m o o f d m 的系统误差模型。然后 对m i m o o f d m 系统同步误差进行分析。接下来针对集中式和分布式m i m o o f d m 系统 载波频率同步、符号定时同步算法进行深入研究，讨论各种方法的使用范围及其优缺点， 并分别给出了集中式和分布式m i m o o f d m 系统的一种改进算法。 论文共分为五章，论文内容安排如下： 第一章介绍了m i m o o f d m 技术的发展、课题研究的背景以及课题研究的意义。 第二章分析了m i m o 技术基本原理及相关技术、o f d m 技术基本原理及相关技术， 在此基础上对m i m o o f d m 技术的基本原理及系统模型进行了研究。 第三章给出了m i m o o f d m 系统的同步误差模型，详细分析了载波频偏、定时误差 及采样频偏对系统的影响，并总结了m i m o o f d m 系统同步研究现状。 第四章介绍了集中式m i m o o f d m 系统的几种经典同步算法，针对v a nz e l s t ，a 等人 的算法提出了一种改进算法。最后进行计算机仿真验证改进算法的有效性，并与v a n z e l s t a 等人的算法进行了比较。 第五章对分布式m i m o o f d m 系统同步进行研究，介绍了几种分布式m i m o o f d m 系统同步算法，并对u p s p 算法进行改进，最后通过计算机仿真及与u p s p 算法比较验证 改进算法的同步性能。 。最后对论文进行了总结，提出课题有待进一步研究的方向。 4 第二章m i m o o f d m 系统基本原理 第二章m i m o o f d m 系统基本原理 m i m o - o f d m 系统将m i m o 技术和o f d m 技术进行有机的结合，利用空间复用技术 使移动通信的数据传输速率有了成倍的提高，并利用空时分集技术和正交频分复用技术 增强通信系统的可靠性，提高频谱资源利用率，被认为是未来移动通信中一项极具竞争 力的技术，成为4 g 移动通信技术研究的热点。 2 1m i m o 基本原理 m i m o 系统的基本原理就是其收发两端均采用多天线技术，通过开发空间资源来实 现增大通信系统的信道容量的目的。 按照m i m o 系统的拓扑关系的不同种类，研究人员将其分为集中式和分布式两类系 统来进行研究，这两类系统的不同之处是它们的发送端和接收端的天线放置方式是不同 的。对于第一类系统来说，它的发送端以及接收端各个天线之间的间距可以忽略，因此 可认为各天线对之间的时延和大尺度衰落相同；而在第二类系统中，发送端或接收端各 个天线之间相隔较远，各天线对之间的时延和大尺度衰落各不相同。还有一种分类是根 据它的结构不同，又可将其分为采用空间复用( s m ) 和采用空间分集( s d ) 两种方案的系统 模型。除了上面的两种分类，近年来研究人员研究在分集增益和复用增益两者之间进行 折中来设计系统，因为两者一方的提高会导致另一方的降低，根据实际系统的需要在两 者之间兼顾考虑来设计系统。 本文在m i m o o f d m 系统同步研究中采用的是空间分集( s d ) 方案的m i m o 系统，它 是利用在空间上对信号进行编码从而获得分集增益的系统。这种系统的结构原理框图如 图2 1 所示： 空 空 时 时 编 解 码 码 图2 1m i m o i 系统框图 f i g 2 - 1m i m os y s t e mb l o c kd i a g r a m 在图2 1 中发送端的天线数为f ，接收端的天线数为r ，对经过前端处理的信号 s ( 尼) 进行空时编码后得到r 个发送数据h ( 七) ， ( k = l ，2 m ) 。在发送端把这f 个数 5 m i m o o f d m 系统l 司步技术研究 据流经过m 个天线发送出去，经由无线信道传输，在接收端用m 个天线对信号进行接 收。在接收机中对接收到的信号进行空时解码后，再经过后续的信号处理，从而获得最 佳的接收信号。m i m o 系统正是利用这些信号处理技术来实现来低误码率和高可靠性的 信号传输。 如图2 1 所示有m 个发送天线和，个接收天线的m i m o 系统，每个收发天线对之间 形成一个m i m o 子通道，则收发天线对之间形成，擘| 信道矩阵h 表示为： h = 啊2 啊n r 吃2 吃n r k z t n r ( 2 1 ) 该信道被称为复瑞利衰落信道，但是如果信号带宽增加，此时信道的多径时延就会 接近甚至超出发送信号的符号长度，此时的信道就不再是复瑞利衰落信道，而成为频率 选择性衰落信道。这时单纯的依靠m i m 0 技术是无法解决这种信道的多径衰落的，这时 可以结合o f d m 技术将信道进行转化来进行信号处理。 在这样的m i m o 系统中，经过空时编码处理得到的m 个子数据在同一个信道中同时 进行传输，不会增加信道带宽的占用率。m i m o 利用多天线在空间上形成很多个相互独 立的信道，并在这些信道中并行的传送信息，从而使无线通信系统的容量有了极大的提 高，实现大容量的通信。 图2 1 所示有m 个发送天线和，个接收天线的m i m o 系统，假定信道为独立的瑞利 衰落信道，并且m 、r 很大，则信道容量c 近似为： c 彻= m b l 0 9 2 ( p 2 ) ( 2 2 ) m = m i n t n , ，m 】 ( 2 3 ) 其中：m 为f 、，中的较小者，曰为信号带宽，p 为接收端平均信噪s n r 。从式 ( 2 2 ) 可以看出，当b 和p 固定时，此时系统的容量随着最小天线数的增加而线性增加。 这样通过采用多天线技术就实现了提高通信系统的容量的目的。 通过以上的研究分析可知，m i m o 技术实现了大容量的通信，而且是在不增加通信 系统带宽的情况下实现的，有效的利用了无线通信宝贵的频谱资源。而且通过前人的理 论研究和实践验证，m i m o 的空间复用增益以及空间分集增益也可提高无线通信系道的 可靠性，降低信号传输误码率。随着对m i m o 技术研究的深入， m i m o 技术的空时编 码技术随之诞生，目前并已成为业界的研究的另一个热点方向。空时编码进行空间和时 间的编码来获得一定的空间分集和时间分集，实际应用中在两者之间进行合理的选择， 第二章m i m o o f d m 系统基本原理 从而进一步来降低信道误码率。 2 2o f d m 基本原理 o f d m 把信道在频域分割成为很多个相互正交的子信道，并把信道中传输的高速数 据分割为若干个低速的子数据，并将这些低速的子数据调制到各个子载波上进行并行的 传输，而且这些子载波是可以重叠传输的，因此它的频谱利用率也就提高了。这些相互 正交的子信道，它们只是总的信道的- - d , 部分，这样信道均衡设计起来就会简单很多， 避免了复杂均衡器的设计，大大简化了系统，可以显著降低系统的实现复杂度。相比单 载波系统来说，o f d m 系统中一次的信道衰落或干扰并不会使整个系统的传输链路陷入 瘫痪，因为对于o f d m 系统来说它具有抵抗频率选择性信道衰落的能力，并且0 f d m 利 用循环前缀( c p ) 还将会进一步提高其抵抗无线信道多径衰落的能力。循环前缀( c p ) 的 加入，使整个o f d m 系统的符号间干扰( i s i ) 和子载波间干扰( i c i ) 有了极大的降低，甚至 能有效的消除这些干扰。 2 2 1o f d m 系统原理结构 o f d m 收发系统原理框图如图2 2 ： 图2 - 2o f d m 收发系统框图 f i g 2 - 2o f d m t r a n s c e i v e rb l o c kd i a g r a m 整个0 f d m 系统分为发送和接收两个部分。在发送端，由信源发送的信息首先经过一 系列的信号处理得到调制信息瓯，再把最进行串并变换，这样就把一路信号转化成了 路并行的传输信号，对应个不同的子载波，采用适当的调制方式进行星座映射， 得到各个子载波上的调制信号，然后将这路信号做点i f f t 变换并将得到的这些数 据调制到各个正交的子载波上进行同时传输，把上一步中得到的n 个样点定义为一个 0 f d m 符号，然后将这些样值点加循环前缀c p 就构成了一个完整的o f d m 符号，最后把经过 o f d m 调制得到的信号进行d a 转换并通过发送天线发送致无线信道；经过信道传输，在 接收端对对接收到的信号进行一系列的相反操作，如进行a d 转换，得到数字信号，在 7 m i m o o f d m 系统同步技术研究 假设各种同步都已完成的情况下，去除c p 部分，经串并转换后对个样点作点f f t 变 换，得到各个子载波上的接收信号。然后再通过星座点逆映射，得到每个子载波上的接 收信号，最后再经并串转换得到接收比特流疋，兄再经过后续的一系列逆信号处理就 可以恢复出原始的发送信号。 分析上图2 2 我们可以发现，相对于单载波系统，o f d m 系统有自己一些独特的信号 处理部分。第一个独特部分是o f d m 系统的各个子载波之间是相互正交的，避免了载波间 的干扰，在发送端有i f f t 处理模块，而在接收端则有f f t 处理模块，经过这样互逆的信 号处理，就可以分离出来每一路的传送数据。第二个独特之处也是显而易见的，那就是 在发送端添加循环前缀c p ，而在接收端将它去除，这一信号处理的好处在于它将发送信 号与信道的卷积运算转换为循环的而不再是线性的，这样就大大提高了o f d m 系统对抗符 号间干扰( i s i ) 的能力，提高系统性能。 2 2 2o f d m 调制解调 o f d m 调制解调原理框图如图2 3 ： 美滓 串 久e 皿聊 s | + 并 笺 口嗍- i l p 图2 3o f d m 调制解调原理框图 。 f i g 2 3o f d m m o d u l a t i o n d e m o d u l a t i o nb l o c kd i a g r a m 在发端，高速的串行数据流经过串并转换后，转换成n 路并行的低速数据流，再调 制到个正交的子载波上，送入信道进行传输。在发送端合成的传输信号s ( f ) 的低通复 包络信号j ( r ) 表示为： 彳f n ：f n - 1dp j 2 ：c n t 仃 ( 2 4 ) j p ) = 巩p 仃 【2 。4 ) 调制到高频的待发送o f d m 信号s ( f ) 表示为： 折、一上掣i r 艮k j 2 卿o t t ( 2 - 5 ) j ( f ) = 寺叠( 枷斫， ) vn = o 其中，j ( f ) 一般从p s k 或q a m 星座点中取出，六为第疗个子载波的频率，r = n a t o f d m 数据符号周期，出为采样间隔，n 为o f d m 符号的采样点数。各个子载波之间是 一 第二章m i m o o f d m 系统基本原理 - 二_ 二= = = = _ 2 ：二： 相互正交的，频谱相互重叠，因此，可以获得较高的频谱利用率。 接收端接收到信号后进行如下的解调： 色= ；r m ) p 川巩衍= 7 i 土乙n - i 或聊p 川矾，衍 = 手篓吃j c r e j 2 z ( n - m ) t t 西 但。6 o f d m 系统各个子载波都是正交的，即： r w 出：黑：二朋仉7)0 向 l，刀m k 由公式( 2 7 ) 可以看出，当子载波相互正交时可以恢复出原始信号乞：以，从而实现 信号的传输。 在实际应用中，通常利用f f t 变换完成调制解调功能【6 】。对式( 2 5 ) 以周期扯进行采 样，可以得到： s ( n a t ) ：百1 己n - 1 彬2 一，o 刀一1 ( 2 - 8 ) 式( 2 - 8 ) 为星座符号j o ) 的反离散傅立叶变换( i f f t ) 。在接收机中，可以用一个离散 傅立叶变换( f f t ) 解调。因此，频分复用可以在基带实现，而不需要使用传统的带通滤 波器方法。同时，d f t 的快速算法f f t 算法的发展大大降低了计算复杂度，从而为o f d m 技术的广泛应用莫定了基础。 2 2 3o f d m 抗干扰技术 o f d m 本身将信道在频域上分割成为很多个相互正交的子信道，并把信道中传输的 高速数据分割为若干个低速的子数据，并将这些低速的子数据调制到各个子载波上进行 并行的传输，这样就把原本为频率选择性的衰落信道转化成为了平坦衰落信道，从而大 大的降低了多径衰落对系统性能的影响。为了进一步降低o f d m 系统符号间的干扰i s i ， 在o f d m 调制中加入了保护间隔，只要保证无线信道的最大时延扩展小于插入的保护间 隔的长度，构成的这个o f d m 符号的多径分量就不会干扰到下一个o f d m 符号【6 】。作为 被插入保护间隔的信号也可以不包含任何信息，这样就为保护间隔的插入带来了很多方 便。但是在多径衰落信道下，插入保护间隔会破坏子载波的正交性，引起子载波间干扰 i c i 7 1 。为了解决这个问题，p e l e d 等人提出了循环前缀的概念【引。把保护间隔用循环前缀 ( c p ) 来代替，它的构造就是将o f d m 符号的最后几个样点复制到符号的最前面，并使循 环前缀的长度大于信道最大延时长度，这样o f d m 符号间干扰就会被消除。这是因为循 9 m i m o - o f d m 系统同步技术研究 _ 一一一 环前缀的加入将发送信号与信道的卷积运算转换为循环的而不再是线性的，这样就大大 提高了o f d m 系统对抗符号间干扰( i s i ) 的能力，甚至会将其完全消除，提高系统性能。其 结构原理如图2 4 所示。 矧o f d m 数据符号长度 l ： o f d m 符号长度 ： 图2 4 循环前缀结构 f i g 2 - 4c y c l i cp r e f i x e ss t r u c t u r e 引入循环前缀也会带来不利的因素，即系统功率和信息速率的损失，其中功率的损 失可定义为【9 】： v o , e = 1 0 l o g l o 喹删 ( 2 - 9 ) 其中，疋为数据符号的时间长度，z 为循环前缀的时间长度。而信息速率则由原始 的r b i t s 下降为r 瓦( t + 毛) b i t s 。在系统情况允许的条件下，可以选择瓦口砭可以减 小损失。尽管循环前缀的引入带来了这些不利的因素，但它能够消除i s i 和多径造成的i c i 影响，因此还是很值得的。 2 3m i m o 0 f d m 基本原理 m i m o o f d m 系统是在o f d m 基础上结合多天线技术而成的，所以它的基本原理和 o f d m 的系统是相似的，图2 5 给出了一个m i m o o f d m 系统的基本结构原理框图。分析 其框图可知，由信源发送的信号经过m p s k 或q a m 调制之后得到的调制信号s i n ，k 】被送 入一个空时编码器进行空时编码，s i n ，k 】在空时编码之后被转化成了m 路并行传输的编 码信号，他们在经过后续的信号处理后将从m 根发送天线发送致信道之中。进行空时 编码之后接着进行o f d m 调制，经过o f d m 调制之后的数据送入到d 彳变换模块进行数 模转换，经过这些信号处理之后得到的已调信号经过变频器把频率变换到一定的频率后 经过发送天线发送到无线信道中进行传输。 l o 第二章m i m o o f d m 系统基本原理 一：二 r 一- - - 一一- 。- - - - 一一一一- 一一一i s n ，k 】 空 p s h f f t h s p i ii 叫a dj