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南京理工大学倾 ：学位论_ _ 盘：数字音频广播系统设计摘要o f d m - - 正交频分复用( 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 ) ，是一种无线环境下的高速传输技术，有望在未来成为无线通信系统的关键技术。1 9 9 5 年，欧洲电信标准协会( e t s i ) 首次提出了d a b 标准，这是第一个采用o f d m 的标准。本文着重研究了数字音频广播的系统结构。首先概述了o f d m 的发展、基本原理和应用以及移动信道的传播特性，接着分别研究了数字音频广播接收机和发射机的系统结构，以及数字音频广播系统实现的关键技术，然后详细论述了o f d m 解调模块f f t 的系统结构，主要研究了4 0 9 6 点f f t 采用基一4 按频率抽取实现的算法，整个f f t 模块包括了运算单元、读写缝址单元、旋转因子单元以及控制单元，并且在f p g a 中进行了硬件实现，并在m a t l a b 环境下对结果进行了验证。验证表明，数据的误差完全满足要求，说明整个f f t 运算模块的整体设计是正确可行的，完全可以应用o f d m 系统之中。关键词：正交频分复用数字音频广播快速傅立叶变换现场可编程门阵列堕室里三查兰堡主堂焦丝塞墼! 堡塑塑至堕塑盐a b s t r a c to 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 ) ，ah i g h - s p e e d _ t r a n s m i s s i o nt e c h n i q u eu n d e rw i r e l e s se n v i r o n m e n t ，p r o m i s e st ob eak e yt e c h n i q u ef o rw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m si nt h ef u t u r e ，i n1 9 9 5 ，e t s i ( e u r o p e a nt e l e c o r n m u n i c a t i o ns t a n d a r di n s i t i t u t e ) h a sf i r s t l yb r o u g h tu pd a bs t a n d a r d ，t h ef i r s ts t a n d a r di n t r o d u c i n g0 f d m t h i sp a p e rm o s t l ys t u d i e st h es y * t e ma r c h i t e c t u r ea fd i g i t a la u d i ob r o a d c a s t ，f i r s t l y娃d e s c r i b e st h ed e v e l o p m e n t , b a s i cp f i n c i p j ea n da p p l i e a t i d na n dp r o p a g a t i o nc h a r a c l e r i s t i co f m o b i l ee h n m l e l ，t h e ni n v e s t i g a t e st h es y s l e mg m a c t u r eo f d a bt r a n s m i t t e ra n dr c c e i v e rs e p a r a t e l ya n dt h ek e yt e c h n o l o g yo fr e a l i z a t i o no ft h ed i g i t a la u d i ob r o a d c a s ts y s t e ma n dt h e nd i s c u s s e st h es y s t e mc o m p o n e n to ff f t t h ed e m o d u l a t i o nm o d u l eo fo f d m t h ea 0 9 p o i n t sf f tm o d u l ee m p l o y sar a d i x 一4d e c i m a t i o n - i n f r e q u e n c ym g o f i t h m ，i n c l u d e sa r i t h m e t i ee l e m e n t ，r e a da n dw r i t ea d d r e s se l e m e n t ，t w i d d l ef a c t o re l e m e n ta n dc o n t r o ic l e m e n t ，i sr e a l i z e db yf p g a i nt h ee n d ，t h er e s u l ti sv e d f i e di nt h em a t l a b t h ev e r i f i e a t i o ni n d i c a t e st h a tt h ee l t o ro ft h er e s u l td a t am e e tt h ed e m a n d ，i ts h o wt h a tt h ed e s i g no f t h ew h o l ef f tm o d u l ei sf e a s i b l e , c o u t eb eu s e di nt h eo f d ms y s t e mk e y w a r d ：q p d ad a bf f tf p g a声明本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文中作了明确的说明。研究生签名：丛、丝沙r 年莎月矿日学位论文使用授权声明南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或上网公布本学位论文的全部或部分内容，可以向有关部门或机构送交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的全部或部分内容。对予保密论文，按保密的有关规定和程序处理。研究生签名：丛丝沙r 年石月擂日南京埋丁大学顺 j 学位论文数字音频广播系统设计1 引言1 1 移动通信的发展移动通信，是指通信双方或至少有一方处于运动中进行信息交换的通信方式。显然，这是一种人们生活和工作中非常实用的通信方式。例如。固定点与移动体( 汽车、轮船、飞机) 之间，移动体与移动体之间、人与活动中的人或入与移动体之间的信息传递，都属于移动通信。移动通信的主要应用系统：移动通信系统包括无绳电话、无线寻呼、陆地蜂窝移动通信、卫星移动通信等。移动通信在整个电信网中的位置：一个完整的电信网可以分为核心网部分和接入网部分。通常电信业务用户接入电信网接受服务的方式有三种基本方式：光纤接入、电缆接入、和无线接入。其中，无线接入中最主要的就是以移动通信方式接入。1 1 1 模拟移动通信系统模拟移动通信系统是蜂窝移动通信系统发展的早期阶段，在1 9 4 6 年，第一种公众移动电话服务被引进到美国的2 5 个主要城市，每个系统使用单个大功率的发射机和高塔，覆盖地区超过5 0 公里，但仅能以半双工模式提供语音服务，却使用1 2 0 k i q z带宽。虽然经过了后来技术的进步而提高了频谱使用效率，提供了全双工、自动拨号等功能，但提供的服务由于频道的数董很少以及呼叫阻塞等原理不能满足使用。在5 0 和6 0 年代，a t & t 的贝尔实验室和全世界其他的通信公司发展了蜂窝无线电话的原理和技术。利用在地域上将覆盖范围划分成小单元，每个单元复用频带的一部分以提高频带的利用率，即利用在干扰受限的环境下，依赖于适当的频率复用规划( 特定地区的传播特性) 和频分复用( f d m a ) 来提高容量。从而实现了真正意义上的蜂窝移动通信。一个典型的模拟蜂窝电话系统是在美国使用的高级移动电话系统f a m p s 2 6 1 。a m p s 系统采用7 , b 区复用模式，并可在需要时采用”扇区化”和”小区分裂”来提高容量。与其他第一代蜂窝系统一样，a m p s 在无线传输中采用了频率调制，在美陶，从移动台到基站的传输使用8 2 4 m h z 到8 4 9 m h z 的频段，而基站到移动台使用8 6 9 m h z 到8 9 4 m h z 的频段。每个无线信道实际上由一对单工信道组成，他们彼此有4 5 m h z 分隔。每个基站通常有一个控制信道发射器( 用来在前向控制信道上进行广查塞型三苎堂型! ! 兰垡堡苎鳌兰童塑塑墨堕堡羔一播) ，一个控制信道接收器( 用来在反向控制信道上监昕蜂窝电话呼叫建立请求) ，码分复用( c d m a ) 以及8 个或更多频分复用双工语音信道。1 1 2 第二代移动通信系统第二代移动通信是p a g s m 、窄带( n - c d m a ) 两太移动通信系统为代表的。g s m移动通信系统是基于t d m a 的数字蜂窝移动通信系统。g s m 是世界上第一个对数字调制、网络层结构和业务作了规定的蜂窝系统。g s m 是为了解决欧洲第一代蜂窝系统四分五裂的状态而发展起来的。在g s m 之前，欧洲各国在整个欧洲大酷上采用了不回的蜂窝标准，对用户来讲，就不能用一种制式的移动台在整个欧洲进行通信。另外由于模拟阿本身的弱点，使得它的容量也受到了限制。为此欧洲电信联盟在1 9 8 0 初期就开始研制一种覆盖全欧洲的移动通信系统，即现在被人们称为g s m 的系统。如今g s m 移动通信系统已经遍及全世界，邸所谓曙：球通”，目前我国的移动通信网就是以g s m 系统为基础的移动网络系统。g s m 移动数据业务主要分为电路型数据业务和分组型数据业务。g s m 第一阶段提供的9 6 0 0 b p s 以下数据业务及p h a s e2 + 阶段提出的h s c s d 都属于电潞型数据业务。p h a s e2 + 阶段提出的g p r s ，则属于分组型数据业务，后者相对于前者具有很显著的优越性。g p r s 是通用分组无线业务的缩写( g e n e r a lp a c k e tr a d i os y s t e m ) 是介于第二代和第三代之间的一种技术，通常称为2 5 g ，目前通过升级g s m 网络实现。秣之为2 5 g是比较恰当的，因为它是一个混合体，采用t d m a 方式传输语音，采用分组的方式传输数据。为了进一步向第三代移动通讯系统演进，g s m 系统将引入e d g e 技术。e d g e技术一个吸引人的地方在于它不需要对网络硬件和软件迸行大的改动，它在h s c s d和g p r s 的基础上，采用8 p s k 调制方式，可以每时隙波特率提高到4 8 k b p s ，e d g e同时还允许集中多达8 个时隙，从而使总带宽达至u 3 8 4 k b p s 。这些时隙可被灵活地用来同时传送多个业务删。1 3 3 第三代移动通信系统第三代移动通信系统最早是出国际电联予1 9 8 5 年提出的，当时称为末来公众陆地移动通信系统( f p l m t s ) ，后改为i m t 2 0 0 0 ，i t 指在2 0 0 0 年左右开始商用并工作q e 2 0 0 0 m h z 频段上的国际移动通信系统。1 9 9 7 年4 月，国际电联向各成员国的主管部门发出通知，征求1 m t - 2 0 0 0 无线接口候选传输技术，并将在此基础上制定国际南京理t 大学硕士学位论文数字音频广播系统设计标准。目前以宽带c d m a 作为主要的侯选多址技术。在c d m a 技术中可分为三类：w c d m a 技术，c d m a 2 0 0 0 技术，t d s c d m a 技术。美国t i at r 4 5 5 向i t u 提出的l m 方案称为c d m a 2 0 0 0 ，其核心是由l u c e n t 、m o t o r o l a 、n o r t e t 和q u a l c o m m 联合提出的w i d e b 如dc d m a o n e 技术。它代表了第二代移动通信系统c d m a o n e 投资集团的利益。以t d m a 为基础的g s m 系统在全球移动通信市场得到了巨大的发展。据统计，目前全世界移动通信系统有8 0 是基于t d m a 的，预计2 0 0 2 年以前，全世界g s m 用户将达3 亿。而w c d m a 正是代表了0 s m 集团的利益。t d - s c d m a il l 我国科学家李道本教授发明，并为北京太平洋连宇通信技术有限公司所拥有的专利技术，在信息产业部、科技部和中国无线标准研究组的大力支持下，已在今年3 月c d m a 第三代合作伙伴计划第二组( 3 g p p 2 ) 国际会议上被定为三个备选国际标准之一。i i 4 我国移动通信的发展我国已经成为世界范围内最大的移动通信网，用户总数为世界第一。1 9 8 7 年，我国在上海首次开通9 0 0 m h z 模拟蜂窝移动电话系统。属t a c s 制式同年1 1 月，广东省也建成开通了珠江三角洲的9 0 0 m h z 蜂窝移动电话网。1 9 9 4 年9 月广东省首先建成数字移动电话网，初期容量为5 万用户，于同年l o 月试运行。1 9 9 6 年，研制出自己的g s m 数字蜂窝移动通信系统全套样机，完成接入公众网的运行试验，并逐步实现产业化开发。1 9 9 6 年1 2 月在广州建成我国第一个c d m a 试验网，1 9 9 7 年l o 月广州、上海、西安、北京四个城市的c d m a 试验网通过了漫游测试，同年1 1 月，北京试验点向社会开放。2 0 0 2 年1 月中国联通j 】：= ：式建成以i s 9 5 标准为基础的c d m a 网。其中中兴有一定的市场份额。2 0 0 2 年9 月中国移动正式推出给予g s m 的2 5 g 的g p r s 系统，主要为了提供良好的数据业务，它被称为移动梦网。2 0 0 3 年初联通将正式推出急于c d m a 的2 5 g 的c d m a 2 0 0 0 1 x 系统。1 2 未来移动遥信的趋势未来移动通信网络( 4 g ) 将是全i p 网络。对此，两个主要的第三代移动通信标准南京理t 大学颂：【：学位论文数字音频广播系统设计化组织3 g p p 和3 g p p 2 ，都将第三代移动通信发展的目标定为全i p 网。可以想象，未来的移动通信核心网络将采用宽带i p 网络，在此i p 网上，承载从实时话音、视频到w e b 浏览、电子商务等多种业务，它将是一个电信级的多业务的统一网络，在无线部分使用宽带无线接入技术。未来的移动通信网络将真正实现移动和i p 的融合。归纳起来4 g 是一个可称为宽带接入和分布式网络，在车速环境下，提供大于2 m b s的比特传输速率，在室内或静止状况下提供2 0 m b f s 的比特速率，甚至可以提供1 0 0 1 5 0 m b s 的下载速率。在这样的传输速率下，4 g 所能提供的业务包括了高质量的影像多媒体业务在内的各种数据业务话音业务。4 g 网络要采用许多新的技术和新的方法来支撑t 包括：a m c ( a d a p t i v em o d u l a t i o na n dc o d i n g ) 自适应调制和编码技术、自适应混合a r q 技术、m i m o ( 多输入多输出) 和0 f d m ( 正交频分复用) 技术、智能天线技术、软件无线电技术以及网络优化和安全性等。另外，为了使4 g 与各种通信网融合必须使4 g 网支持多协议【2 矾。从技术层面看，第三代移动通信系统只要是以c d m a 为核心技术，而第四代移动通信系统技术则是以o f d m 最受瞩目。o f d m 技术的主要思想是在频域内将给定的信道分成许多窄的正交子信道，在每个子信道上使用一个载波进行调制，并且各个子载波并行传输，这样尽管总的信道是非平坦的，即具有频率选择性，但每个子信道是相对平坦的，并且在每个子信道上进行的是窄带传输，信号带宽小于总的相应带宽，因此就大大减弱了信号波形阃韵干扰。同时由于o f d m 子信道的频谱是可以相互交叠的，这样就提高了频谱效率。从理论上来说，o f d m 与单载波传输具有相同的信道容量。但是在具体的通信环境中，在存在严重符号间干扰或者多径影像的信道上采用o f d m 传输可获得较好的性能。近来受到国内外广泛关注的研究领域是o f d m 在下一代蜂窝无线通信系统中的应用，o f d m 与多天线技术以及空时编码技术的结合可以大大提高蜂窝通信系统的性能，目前，o f d m 已经基本被公认为是下一代蜂窝通信系统的核心技术。目前o f d m 技术已经在众多的高速数据传输领域得到了应用，如：欧洲的数字音频和视频广播( d a b d v b )高清晰数字电视( r d t v )欧洲和北美的高速无线局域网系统( 如h i p e r l a n t 2 和i e e e8 0 2 ，1 a b g )高比特率数字用户线( x d s l ) 。数字音频广播( d a b ) 是在现有模拟调幅( a m ) 和调频( f m ) 广播的基础上发展起来的，它可以提供更优质的语音质量、更新的数据业务以及更高的频谱效率，它所提供的语音质量可以与c d 音质相媲美。1 9 9 5 年，欧洲电信标准协会( e t s i ) 首次提出了d a b 标准，这个第一个采用0 f d m 的标准。南京理工大学硕士学位论文数字音频广播系统设计1 3 本文的主要工作本文将以o f d m 为核心，详细的讲述o f d m 的原理及其基本结构、硬件实现方法以及它的应用，同时详细的讲述第一个采用o f d m 标准的数字音频广播( d a b )的发送机和接收机的整体结构，d a b 的传播特性和传播机制，以及接收机部分硬件模块的实现。各章节安排如下：首先在第二章就展开了对o f d m 的讨论，论述的o f d m 的发展、原理以及硬件实现的可能性。然后论述移动通信的传播特性和工作方式，还有未来移动通信的关键技术，从而进一步全面的论述了移动通信的机理。然后在第三章论述了d a b 发射机系统结构及其主要原理，详细讲述的d a b 的传输模式、传输特性、节目构成，接着描述了d a b 发射机的基带通信模块以及发射终端。在第四章中讲述了d a b 接收机的基本组成模块、实现方法，接收分析了由于移动信道的特点而对d a b 信号产生延时和频偏的影响，以及如何借助硬件的方法消除这些偏差。恢复原来完整的d a b 信号，同时还论述了d a b 接收机硬件实现时的一些关键技术。在第五章中，详细讲述了d a b 接收机的o f d m 解调模块的f p g a 实现，讲述了o f d m 解调所采用的f f t 原理，以及在实际中所采用的f f t 的算法，接收详细讲述了f f t 硬件实现的结构单元，每个单元的基本原理、所采用的算法，并于最后在m a t l a b 环境下检验了f f t 系统的可行性，南京理t 大学颂”仁学位论文数字音频广播系统设计2o f d m 的基本原理及其应用2 1o f d m 的发展无线通信与个人通信在短短的几十年间经历了从模拟通信到数字通信、从f d m a 到c d m a 的巨大发展，目前又有新技术出现，比以c d m a 为核心的第三代移动通信技术更加完善，我们称之为“第四代移动通信技术”。纵观移动通信的发展史，第一代模拟系统仅提供语音服务，不能传输数据；第二代数字移动通信系统的数据传输速率也只有9 6 b i t s ，最高可达3 2 k b i t s ；第三代移动通信系统数据传输速率可达到2 m b i f f s ；而我们目前所致力研究的第四代移动通信系统可以达到l o m b i t s 至2 0 m b i t s 。虽然第三代移动通信可以比现有传输速率快上千倍，但是仍无法满足未来多媒体通信的要求，第四代移动通信系统的提出便是希望能满足提供更大的频宽需求。第四代移动通信系统计划以o f d m ( 正交频分复用) 为核心技术提供增值服务，它在宽带领域的应用具有很大的潜力。较之第三代移动通信系统，采用多种新技术的o f d m 具有更高的频谱利用率和良好的抗多径干扰能力，它不仅仅可以增加系统容量，更重要的是它能更好地满足多媒体通信要求，将包括语音、数据、影像等大量信息的多媒体业务通过宽频信道高品质地传送出去o f d m 的英文全称为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 ，中文含义为正交频分复用技术。这种技术是h p a 联盟( h o m e p l u gp o w e r l i n ea l l i a n c e ) i 业规范的基础，它采用一种不连续的多音调技术，将被称为载波的不同频率中的大量信号合并成单一的信号，从而完成信号传送。由于这种技术具有在杂波干扰下传送信号的能力。因此常常会被利用在容易受外界干扰或者抵抗外界干扰能力较差的传输介质中。征交频分复用( o f d m ) 技术是一对多载波数字通信调制技术。它由多载波调制o “c m ) 技术发展而来。美国军方在上世纪6 0 年代就建造了世界上第一个m c m 系统，并随后衍生出采用多个子载波和频率重叠技术的o f d m 系统。1 9 7 0 年1 月有关o f d m 的专利被首次公开发表。1 9 7 1 年，w e i n s t e i n 和e b e r t 在i e e e 杂志上发表了用离散傅立叶变换实现多载波调制的方法。8 0 年代，人们对多载波调制在高速调制解调器、数字移动通信等领域中的应用进行了较为深入的研究，但在之后相当长的一段时问，o f d m 技术的发展遇到了很多似乎难于解决的问题。首先，o f d m 要求各个子载波之间相互正交，尽管理论上发现采用快速傅立叶变换( f f t ) 日- j 以很好地实现这种调制方式，但实际上，如此复杂的实时傅立叶变换设备在当时是根本无法完南京理_ _ f _ ：人学硕卜学位论文数字音频广播系统设计成的。此外，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也都是o f d m 技术实现的制约条件。后来经过大量研究，终于在2 0 世纪8 0 年代，m c m 获得了突破性进展，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，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。随麓d s p 芯片技术的发展，格栅编码( y r e l l i s c o d e ) 技术、软判决技术( s o f t d e c i s i o n ) 、信道自适应技术等的应用，o f d m 技术开始从理论向实际应用转化。2 0 世纪9 0 年代，o f d m 开始被欧洲和澳大利亚应用于广播信道的宽带数据通信、数字音频广播( d a b ) 、高清晰度数字电视( h d t v ) 和无线局域网( w l a n ) 等。此外，还由于其具有更高的频谱利用率和良好的抗多径干扰能力，也被看作第四代移动通信的核心技术之一【3 l 【4 1 。o f d m 技术得到广泛应用的主要原因在于：( 1 ) o f d m 可以有效的对抗多径传播所造成的符号间干扰，其实现复杂度比采用均衡器的单载波系统小很多。( 2 ) 在变化相对较慢的信道上，o f d m 系统可以根据每个子载波的信噪比来优化分配每个子载波上传送的信息比特，从而大大提高系统传输信息的容量。( 3 ) o f d m 系统可以有效的对抗窄带干扰，因为这种干扰仅仅影响o f d m 系统的一小部分子载波。( 4 ) 在广播应用中，利用o f d m 系统可实现又吸引力的单频网络。与传统的单载波传输系统相比，o f d m 的主要缺点在于：( 1 )o f d m 对于载波频率偏移和定时误差的敏感程度比单载波系统要高。( 2 )o f d m 系统中的信号存在较高的峰值平均功率比( p a r ) 使得它对放大器的线性要求很高。2 2o f d m 的基本原理在传统的多载波通信系统中，整个系统频带被划分为若干个互相分离的子信道( 载波) 。载波之间有一定的保护间隔，接收端通过滤波器把各个子信道分离之后接收所需信息。这样虽然可以避免不同信道互相干扰，但却以牺牲频率利用率为代价。而且当子信道数量很大的时候，大量分离各予信道信号的滤波器的设置就成了几乎不可能的事情。上个世纪中期，入f f 、j 提出了频带混叠的多载波通信方案，选择相互之间正交的载波频率作子载波，也就是我们所说的o f d m 。这种“正交”表示的是载波频率问精确的数学关系。按照这种设想，o f d m 既能充分利用信道带宽，也可以避免使用高南京理t 大学颂卜学位论文数字音频广播系统设计速均衡和抗突发噪声差错。o f d m 是一种特殊的多载波通信方案，单个用户的信息流被串并变换为多个低速率码流，每个码流都用一个子载波发送。o f d m 不用带通滤波器来分隔子载波，而是通过快速傅立叶变换( f f t ) 来选用那些即便混叠也能够保持正交的波形。下图给出了o f d m 的原理图。s p图2 1o f d m 原理结构图其中，s ( f ) = 吉靠p 皿砝妒( 2 1 )j i 。0暑为经过q p s k 或q 处d 调制后的数据符号。厂为载波间的频率间隔。保证各个载波是征交的。这里s ( t 1 是连续信号。为了实现o f d m 信号，用抽样频率f 的抽样函数对s ( t ) 进行信号抽样也就是在一个符号周期丁内，r 2 呱5 石1 ，有n 个数据同时调制n 个不同频率的载波，得到n 个已调信号，将这n 个信号相加朝得到中心频率为0 的o f d m 信号。但是在实际中要制造上千个由不同振荡频率、同步q - 作的调制器是不可能的，不但经济上不能承受，技术上实现也是很困难的。上式可变形为：砌) = 专篓聊e 夸= 专蓑册“删 l ，( 2 3 )冷口“蔓坼一i i“一v瓢肌扣上=川旧fs里以这所塑塞里三查兰堡圭兰竺堡苎墼兰童塑塑墨竺垦盐一一此时o f d m 调制就变为大家熟悉的i f f t 变换了。目前大规模集成电路的应用使得i f f t 变换成为可能，从而使o f d m 成为一种真正的可以实现的通信技术。o f d m 是一种无线环境下的高速传输技术。无线信道的频率响应曲线大多是非平坦的，而o f d m 技术的主要思想就是在频域内将给定信道分成许多正交子信道，在每个子信道上使用一个子载波进行调制。并且各子载波并行传输。这样，尽管总的信道是非平坦的，具有频率选择性，但是每个子信道是相对平坦的，在每个子信道上进行的是窄带传输，信号带宽小于信道的相应带宽，因此就可以大大消除信号波形闯的干扰。由于在o f d m 系统中各个子信道的载波相互正交，它们的频谱是相互重叠的，这样不但减小了子载波间的相互干扰，同时又提高了频谱利用率。o f d m 技术属于多载波调制( m u m c a r r i e r m o d u l a t i o n ，m c m ) 技术。有些文献上将o f d m 和m c m 混用，实际上不够严密。m c m 与o f d m 常用于无线信道，它们的区别在于：o f d m 技术特指将信道划分成正交的子信道，频道利用率高；而m c m ，可以是更多种信道划分方法【2 “。o f d m 增强了抗频率选择性衰落和抗窄带干扰的能力。在单载波系统中，单个衰落或者干扰可能导致整个链路不可用，但在多载波的o f d m 系统中，只会有一小部分载波受影响。此外，纠错码的使用还可以帮助其恢复一些载波上的信息。通过合理地挑选予载波位置，可以使o f d m 的频谱波形保持平坦，同时保证了备载波之间的正交。o f d m 尽管还是一种频分复用( f d m ) ，但已完全不同于过去的f d m 。o f d m 的接收机实际上是通过f f t 实现的一组解调器。它将不同载波搬移至零频，然后在一个码元周期内积分，其他载波信号由于与所积分的信号正交，因此不会对信息的提取产生影响。o f d m 的数据传输速率也与子载波的数量有关。o f d m 每个频带的调制方法可以不同，这增加了系统的灵活性，大多数通信系统都能提供两种以上的业务来支持多个用户，o f d m 适用于多用户的高灵活度、高利用率的通信系统。2 3 移动洹信的传播特点2 3 1 多普勒效应多普勒效应是为纪念c h r i s t i a nd o p p l e r 而命名的，他于1 8 4 2 年首先提出了这一理论【2 3 j 。他认为声波频率在声源移向观察者时变高，两在声源远离观察者时变低。一个常被使用的例子是火车，当火车接近观察者时，其汽鸣声会比平常更刺耳你可以在火车南京理t 大学硕i 二学位论文数字音频广播系统设计经过时听出刺耳声的变化。同样的情况还有：警车的警报声和赛车的发动机声。把声波视为有规律间隔发射的脉冲，可以想象若你每走一步，便发射了一个脉冲，那么在你之前的每一个脉冲都比你站立不动是更接近你自己。而在你后面的声源则比原来不动时远了一步。或者说，在你之前的脉冲频率比平常变高，而在你之后的脉冲频率比平常变低了。多普勒效应不仅仅适用于声波，它也适用于所有类型的波形，包括光波。科学家e d w i nh u b b l e 使用多普勒效应得出宇宙正在膨胀的结论他发现远处银河系的光线频率在变高，即移向光谱的红端这就是红色多普勒频移，或称红移若银河系正移向他。光线就成为蓝移在移动通信中，当移动台移向基站时，频率变高，远离基站时，频率变低，所以我们在移动通信中要充分考虑”多普勒效应”。当然，由于日常生活中，我们移动速度的局限，不可能会带来十分大的频率偏移，但是这不可否认地会给移动通信带来影响，为了避免这种影响造成我们通信中的问题，我们不得不在技术上加以各种考虑，也加大了移动通信的复杂性。2 3 2 信号的衰减移动通信系统多建于大中城市的市区，城市中的高楼林立、高低不平、疏密不同、形状各异，这些都使移动通信中无线电波的传播路径进一步复杂化，并导致其传输特性变化十分剧烈。据以上原因，使移动台接收到的电波一般是直射波和随时变化的绕射波、反射波、散射波的叠加，这样就造成所接收信号的电场强度起伏不定，这种现象称为衰落。在移动通信中，无线电波主要是以窒闷波豹形式传播。但是由于表面波随着频率的升高衰减增大传播距离很有限。所以在分析移动通信信道时，主要考虑直达波和反射波的影响。认为在接收端的接收信号是直达波和多个反射波的合成由于到达移动台天线的信号不是单一路径来的，而是许多路径来的众多反射波的合成。由于电波通过各个路径的距离不同，因而各个路径来的反射波到达时间不同，相位也就不同。不同相位的多个信号在接收端迭加，有时迭加而加强( 方向相同) ，有时迭加而减弱( 方向相反) 。这样，接收信号的幅度将急剧变化，即产生了衰落。这种衰落是出多径引起的，所以称为多径衰落。它使接收端的信号近似于一种叫做r a y l e i g h 分布的数学分布，故多径快衰落又称为r a y l e i g b 衰落【2 3 】。此外，接收信号除瞬时值出现快衰落之外，场强中值( 平均值) 也会出现缓慢变化。变化的原理主要有两方面：一是地区位置的改变；二是由于气象条件变化，大气的条件发生缓变，以致电波的折射传播随时间变化而变化，多径传播到达固定接收点的信号的时延随之变化。这种由阴影效应和气象原因引起的信号变化，称为慢南京理工大学硕士学位论文数字音频广播系统设计衰落。后一原因引起的变化较小，通常忽略。慢衰落接收信号近似服从一种叫做对数正态分布的数学分布，变化幅度取决于障碍物状况、工作频率、障碍物和移动台移动速度等。快衰落和慢衰落是由相互独立的原因产生，随着移动台的移动，这二者构成移动通信接收信号不稳定的因素。正如前面所说的那样，无线信道中电波的传播不是单一路径来的，而是许多路径来的众多反射波的合成。由于电波通过各个路径的距离不同，因而各个路径来的反射波到达时间不同，也就是各信号的时延不同。当发送端发送一个极窄的脉冲信号时，移动台接收的信号由许多不同时延的脉冲组成，我们称为时延扩展。综上所述，无线信道包括了电波的多径传播，时延扩展，衰落特性以及多普勒效应，在移动通信中，我们要充分考虑这些特性以及解决的方案。2 4 正交频分复用工作方式蜂窝系统中是以信道来区分通信对象的，一个信道只容纳一个用户进行通话，许多同时通话的用户，互相以信道来区分这就是多址。移动通信系统是一个多信道同时工作的系统，具有广播和大面积覆盖的特点。在移动通信环境的电波覆盖区内，如何建立用户之间的无线信道的连接，是多址接入方式的问题。当以传输信号的载波频率不同来区分信道建立多址接入时。称为频分多址方式( f d m a ) ；当以传输信号存在的时间不同来区分信道建立多址接入时，称为时分多址方式( t d m a ) ；当以传输信号的码型不同来区分信道建立多址接入时，称为码分多址方式( c o m a ) 。目前在移动通信中应用的多址方式有：频分多址( f d m a ) 、时分多址( t d m a ) 、码分多址( c d m a ) 以及它们的混合应用方式等。正交频分复用( o f d m ) 本身是一种调制鼓术，但它可以很容易地与多种多址接入技术相结合。时分多址( t d m a ) 、频分多址( f d m a ) 和码分多址( c d m a ) ，o f d m 都可以与它们结合，分别构成o f d m - t d m a 、o f d m f d m a 、o f d m - c d m a 3 种技术。2 4 1o f d m t d m a时分多址是在一个宽带的无线载波上。把时间分成周期性的帧，每一帧再分割成若干时隙( 无论帧或时隙都是互不重叠的) ，每个时隙就是一个通信信道，分配给一个用户，系统根据一定的时隙分配原则使各个移动台在每帧内只能按指定的时隙向基站发射信号( 突发信号) ，在满足定时和同步的条件下，基站可以在各时隙中接收到各移动台的信号而互不于扰。同时，基站发向各个移动台的信号都按顺序安排在预定的时隙中传输，各移动台只要在指定的时隙内接收，就能在合路的信号南京理t 大学椰ll 学位论文数字皆壤广播系统设汁( t d m 信号) 中把发给它的信号区分出来。所以t d m a 系统发射数据是用缓存突发法，因此对任何一个用户而言发射都是不连续的。这就意味着数字数据和数据调制必须与t d m a 一起使用，而不像采用模拟f m 的f d m a 系统由于时分复用( t d m a )更考虑时间上的问题，所以我们要注意通信中的同步和定时问题，否则会因为时隙的错位和混乱而导致接收端移动台无法正常接收信息。在_ i _ f 交频分复用时分多j t i ：( o f d m t d m a ) 系统中，信息的传送是在时域上按帧来进行的，每个时间帧包含多个时隙，每个时隙的宽度等于1 个o f d m 符号的时间长度，有信息要传送的用户根据各自的需求可以占用1 个或多个o f d m 符号。每个用户在信息传送期间，可占用所有的系统宽带，即该用户的信息可以在o f d m 的所有子载波上进行分配。2 4 2o 嗣d m c d m 渔码分多址系统为每个用户分配了各自特定的地址码，利用公共信道来传输信息。c d m a 系统的地址码相豆具有准正交性，以区别地址，而在频率、时间和空间上都可能重叠。也就是说，每一个用户有自己的地址码，这个地址码用于区别每一个用户，地址码彼此之间是互相独立的。也就是互相不影响的，但是由于技术等种种原因，我们采用的地址码不可能做到完全正交，即完全独立，相互不影响，所以称为准正交，由于有地址码区分用户，所以我们对频率、时间和空间没有限制，在这些方面他们可以重叠。系统的接收端j 必须有完全一致的本地缝址码，用来对接收的信号进行相关检测。其他使用不同码型的信号因为和接收机本地产生的码型不同雨不能被解调。它们的存在类似于在信道中引入了噪声或干扰，通常称之为多址干扰。o f d m 与c d m a 扩频技术相结合的方法可分为诱类：频域扩频和时域扩频。频域扩频通常称为m u l t i c a r r i e rc d m a ( 简称m c c d m a ) 。时域扩频有两种不同的构成方法：分别m u l t i c a r r i e rd s - c d m a ( 简称m c - d s c d m a ) 和m u l t i t o n ec d m a ( 馕1 称m t c d m a ) 印。o ) m c c d m am c - c d m a 是最早提出的o f d m 与c d m a 相结合的方案。在此方案中，每个信息符号先经过与扩频序列的各位相乘，相乘后对应于不同码片的信号分别调制到不同的予载波上，若扩频序列的长度为l ，信息符号则分别调制到l 个子载波上，调制方式可采用二进制相移键控( b p s k ) 。如假定o f d m 系统共有l 个子载波。则c d m a 系统的扩频增益等于。南京理t 人学颂l 学位论文数字音频广播系统设计在直接序列扩频( d s c d m a ) 系统中，信息在许多时间码片上用同一载波频率进行发送，而在m c c d m a 系统中，信息是在许多载波频率码片上同时进行发送的。可见d s - c d m a 与m c c d m a 系统之间有“时间频率”的对应关系：m c c d m a 把信息同时调制在不同载波频率分量上( 频率码片) ，接收时对频率码片进行分集接受；d s c d m a 把信息同时调制在不同的时隙( 时间码片) 上。但是使用统一载拨频率，接收时对时间码片进行分集接收。( 2 ) m c - d s - c d m a在m c d s c d m a 方案中输入信息比特首先进行串并变换，被分配到并行支路上，然后，各支路上的信息符号分别用长度为l 的扩频码进行直接序列扩频，扩频后的信息再分另用各自的载波进行b p s k 调制，调制后的信息进行求和后发送。( 3 ) m t - c d m a在m t - c d m a 方案中，输入的信息符号首先经过串并变换，调制到不同的载波上，以形成o f d m 信息，o f d m 的符号周期为瓦。然后再经过长度为l 的扩频码扩频，扩频后每个子载波的带宽扩展为l r , , ，而相邻予载波的间隔仍然保持以前的l 瓦。m t c d m a 一般采用较长的扩频序列，比d s c d m a 能容纳更多用户。2 4 3o f d “f d m a频分多址为每一个用户指定了特定信道，这些信道按要求分配给请求服务的用户。在呼叫的整个过程中，其它用户不能共享这一频段。f d m a 系统是基于频率划分信道。每个用户在一对频道中通信。若有其它信号的成分落入一个用户接收机的频道带内时，将造成对有用信号的干扰。o f d m f d m a 在许多文献中又被称为0 f d m a 。这种多址接入方案与传统的频分复用( f d m a ) 很类似，它通过为每个用户提供部分可用子载波的方法来实现多用户接入。与传统f d m a 的不同之处在于，o f d m a 方法不需要在各个用户频率之间采用保护频段去区分不同的用户。o f d m a 接入方案的优势之一是可以很容易地引入跳频技术，即在每个时隙中，可以根据跳频图样来选择每个用户所使用地子载波频率。每个用户使用不同地跳频图样进行跳频，可以把o f d m a 系统变化城为跳频c d m a 系统，从而可以利用跳频的优点为o f d m 系统带来好处。与直扩c d m a 或者m c c d m a 相比，跳频o f d m a 的最大好处在于可以为小区内多个用户设计正交跳频图样。从而可以较容易地消除小区内地干扰。南京理t 人学顾士学位论文数字静频广播系统设计2 5 正交频分复用的应用目前o f d m 技术已经在众多的高速数据传输领域得到了应用，如：欧洲的数字音频和视频广播( d a b d v b ) 、高清晰数字电视( h d t v ) 、欧洲和北美的高速无线局域网系统( 如h i p e r l a n 2 和i e e e8 0 2 1l a b g ) 、高比特率数字用户线( x d s l ) 。当前，人们正在考虑在基于i e e e8 0 2 1 6 标准的无线城域网( m a n ) 、基于i e e e8 0 2 1 5 标准的个人信息网( p a n ) 以及未来的下一代无线蜂窝移动通信系统中使用o f d m 技术。下面，以数字音频广播以及i e e e8 0 2 1 1 a 无线局域网为例论述o f d m在实际通信系统中的应用。2 5 1 数字音频广播数字音频广播( d a b ) 是在现有模拟调幅( a n d 和调频( f m ) 广播的基础上发展起来的，它可以提供更优质的语音质量、更新的数据业务以及更高的频谱效率，它所提供的语音质量可以与c d 音质相媲美。1 9 9 5 年，欧洲电信标准协会( e t s i ) 首次提出了d a b 标准，这个第一个采用o f d m 的标准。在d a b 系统中使用o f d m 的个重要原因是可以使用单频网络，这样可以大大提高系统的频谱效率。在单频网络中用户可以从不同的发射机同时接受相同的信号。由于不同的发射机达到用户的距离不同，使得来自不同发射机的到达信号之间会存在时延( 时延等于距离差除以光速) ，对于用户来说，这种情况等同于不同径的衰落信道，因此，只要两个信号之间的传播时延小于o f d m 符号的保护问隔，就不会出现符号间干扰( i s i ) 和子信道间干扰( i c i ) 。另外，两个时问移位信号的叠加，使得合成信号处于深度衰落的概率要远远低于一个信号处于深度衰落的概率，因此可以获得分集的好处。关于d a b 的具体结构将在一下章节中具体论述。2 5 2 无线局域网出于与现有的有线局域网相比，无线接入方式具有可提供便捷灵活的接入方式，并且支持移动性等优点。自上世纪9 0 年代以来，无限局域网( w l a n ) 技术得到了人们的广泛关注。1 9 9 7 年6 月，国际电器与电子工程师( i e e e ) 协会通过了i