（通信与信息系统专业论文）ofdm在移动通信中的应用研究.pdf

摘要 摘要 本文从提高无线移动传输系统传输速率和对抗多径的角度，研究o f d m 调制技术在 无线移动通信中的应用。对o f d m 在蜂窝移动通信g p r s 中的收发机用m a t l a b 进行了 模拟，并用m a t l a b 编写了o f d m 收发系统及同步算法和子载波调制算法的仿真程序。 最后用v h d l 硬件描述语言完成o f d m 收发系统中最主要的f f t 模块的设计。 本文工作重点之一是对o f d m 接收系统中的同步方法进行研究。所以，本文从 o f d m 系统的脆弱点，即对频偏的敏感入手，以o f d m 系统用于g p r s 领域时接收机 的同步顺序，对分组同步、定时同步、采样同步、频率同步和相位跟踪以及信道估计进 行了分析，同时对各同步中用到的主要算法用m a t l a b 进行了仿真。并用模拟系统对 o f d m 接收机理想同步及部分同步和完全同步时的系统性能进行了模拟比较。 本文的重点之二是用v f i d l 语言实现了o f d m 收发系统中的主要模块f f t 的模拟 仿真， 此外，本文还从目前无线移动通信存在的问题入手，对o f d m 在蜂窝移动通信g p r s 中的应用进行了研究分析，并对其收发机进行了模拟。 关键词：o f d m ，多径衰落，调制，物理层，定时同步，采样同步，频率同步 溜裁大学工学璎士学侮浚文 a p p l i c a t i o n r e s e a r c ho fo f d mo nm o b i l ec o m m u n i c a t i o n t h et h e s i sr e s e a r c h e st h ea p p l i c a t i o no fo f d mm o d u l a t i n gt e c h n o l o g yo nm o b i l e c o m m u n i c a t i o nb a s e do ni m p r o v i n gt r a n s f e re f f e c ti nl i m i t e db a n db r o a da n do v e r c o m i n g m u l t i _ _ p a t hf a d i n g s i m u l a t e sr e c e i v ea n dt r a n s f e ro fg p r sb a s e do no f d mb ym m l a b ，a n d p r o g r a m s o ns y s t e mo fo f d mr e c e i v e - t r a n s f e ra n ds y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h m sa n d m o d u l a t i o na l g o r i t h m su s i n gm a t l a b t h el a s t , d e s i g n sf hm o d u l eu s i n gv h d l 。 t h ep r i m a r yo n ei st or e s e a r c hs y n c h r o n i z a t i o nf 娃e a s u r eo fo f d mr e c e i v i n gs y s t e m n a m e l y , s i n c es e n s i t i v et of r e q u e n c yo f f s e t t i n g ，b a s i n gr e c e i v e rs y n c h r o n i z a t i o no r d e ro f g p r sr e c e i v i n gs y s t e m ，a n a l y s e sa n ds i m u l a t e s g r o u p i n g s y n c h r o n i z a t i o n , t i m i n g s y n c h r o n i z a t i o n ，s a m p l i n gs y n c h r o n i z a t i o n ，f r e q u e n c ys y n c h r o n i z a t i o n , p h a s et r a c k i n ga n d c h a n n e le s t i m a t i o n 。m o r e o v e r , s i m u l a t e sa n dc o m p a r e si d e a ls y n c h r o n i z a t i o n ，p a r t i a l s y n c h r o n i z 甜o na n de n t i r e t ys y n c h r o n i z a t i o n t h es e c o n d ， i m p l e m e n t so f d mm o d u l a t i o nb yf p g a t h et h i r d ，d e s i g n sp h y s i c a ll a y e ro f g p r so f m o b i l ec o m m u n i c a t i o ni n2 g h z f r e q u e n c y b a n d ，a n ds i m u l a t e si t sm o d u l a t i o na n dd e m o d u l a t i o nu s i n gm a t l a b 。 k e yw o r d s ：o f d m ，m u l t i - p a t hf a d i n g , m o d u l a t e ，d e m o d u l a t e ，p h y s i c a ll a y e r , t i m i n g s y n c h r o n i z a t i o n , s a m p l i n gs y n c h r o n i z a t i o n , f r e q u e n c ys y n c h r o n i z a t i o n 。l 河北大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明： 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 人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得河北大学或其他教育机构的学位或证书 所使用过的材料。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 的说明并表示了致谢。 作者签名：蔓垒苎篁i 墨日期：丛年生月尘曰 学位论文使用授权声明 本人完全了解河北大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国 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。学校可以公布 论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年月日解密后适用本授权声明。 2 、不保密d 。 ( 请在以上相应方格内打“”) 作者签名： 导师签名： 万磊纠# i 2 羔勉 日期：竺! 年l 月生同 日期：乏竺年生月丝f i 第1 章引言 本章作为引言，主要介绍无线移动通信技术的发展历史以及移动通信面临的各种问 题，阐述研究o f d m 传输技术的目的和意义。然后介绍本文的主要工作。 1 1 无线移动通信的发展历史 无线移动通信在短短的几十年间经历了从模拟通信到数字通信、从频分复用到码分 复用的巨大发展，目前出现的新技术比以码分复用c d m a 为核心的第三代移动通信技 术更加完善。在移动通信的发展史中，第一代模拟系统仅提供语音服务；第二代数字移 动通信系统的数据传输速率最高也只可达到3 2 k b i v s ：第三代移动通信系统数据传输速 率可达到2 m b w s ；而目前所致力研究的第四代移动通信系统可以达到1 0 m b w s 至 2 0 m b i t s 。虽然第三代移动通信的传输速率已有很大发展，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要实现无所不在的、高质量的、高速率的移动多媒体通信，作 为其发展趋势之一的o f d m ( 正交频分复用) 传输技术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离品质地传 送出去。 1 _ 2 研究目的和意义 移动通信信道是现代通信系统中晟为复杂的信道，发射机与接收机之间的传播路径 非常复杂。一般来说，信号在无线远距离移动通信信道的传输中，主要存在自由空问路 径损耗，反射、衍射和散射的影响以及多径传输和多普勒频移带来的衰落影响。路径传 播损耗、散射等带来的驻量损失主要影响到无线区的覆盖，而反射、散射和衍射带来的 多径衰落严重影响信号的传输质量，且不可避免。所咀我们需要采取合理的技术来减少 其影响，o f o m ( 正交频分复用) 作为一种有敏对抗符号间干扰( i n t e r s y m h o i 其影响，o f d m ( 正交频分复用) 作为种有效对抗符号问干扰( i n t e r s y m b o i 灏托丈学_ 互学硕士学位论文 i n t e r f e r e n c e 。t s i ) 蛉商速传输技术餐受瞩目。 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 ，o f d m ) 技术是一种 褒效并行多载波传输技术，它垮获传送豹蕊速率宰行数攥分鼹并调制裂多个荠行黪正交 子信道中，从而使得每个子信道的码元宽度大于信道时延扩展，再通过加入循环前缀， 傈证系统不受多径干挠弓| 起静i s t 鼹影响：簧绞豹频分多路传输方法是将频带分为若予 个不相交的子频带来并行传输数据流，备个子倍道之间鼹保留足够的保护频带。而o f d m 系统由于各个予载波之阙存在芷交性，允许子信遭的颥谱楣互踅叠，困j 比可以凝大限度 地利用频谱资源；o f d m 各个子信道的藏交调制和解调可以采用i f f t 和f f t ，随着大规 模集成电路与d s p 的发展，i f f t 和f f t 容易实现；在光线数据渡务一般存在菲对称性， o f d m 系统可以邋过使用寒困数爨的予信道实玟上褥_ 摹曩下牙链路中懿不对称传簸速率；懿 外o f d m 易于和麒它多种接入方法结合使用，构成o f d m a 系统，使得多个用户可以同时 裂用o f d m 按拳遴牙售惑傣送。 但怒o f d m 系统由于存在多个正交的予载波，而且其输出信号足多个子信道的叠加， 匿琵与举载波楣晓，它燹易受频率德差的影确，丽置存在较高鹣峰值乎均功率蹴。频辜 偏差会使o f d m 系统子载波之间的磁交性遭到破坏，导致子信道间于扰( i c i ， i n t e r c h a n n e li n t e r f e r e n c e ) ，较高的峰值平均功率阮可髓带来信号畸变，使信号的 频谱发嫩变化，从而导致各个子信道的歪交性邀到破坏，产生干扰，使蓉统性怒恶化。 这些问题使得o f d m 目前的应用一般限于无线本地局域网( w l a n ) 和有线电话网上基于 现有镊双绞线的j 对称藏e e 特警数字震户技寒( 絮a d s l ) ，嚣要怒它应耀予4 g 移动逶售 的物理屡，还存在许多挑战，因此对于o f d m 在移动通信中的应用研究，无论对理论还 是实黢整具骞露重要懿意义。 由予上述原因，本课题研究的主要目的是从提高移动传输系统对抗多径和多普勒频 移鹃往靛角度，研究移动通信中o f d m 调截解调技术的艨用，对于两步闯题避哥予分析研 究，提出有效的改进方法。最后用f p g a 实现o f d m 调制技术的主要模块f f t 。 1 3 本文的主要工作 无线移动通信已从语音通倍发展到包括语音、数据、图像、甚至视频的综合多媒体 遁信，倦警前的无线移劝通信流燕由予受到带宽限制，很难得到大的掇离，所以将来的 2 一 第1 苹引言 移动通信需要新的调制技术来满足迅速发展的传输要求。本文主要从调制技术方面入 手，针对移动通信的一些问题，将正交频分复用( o f d m ) 技术应用于移动通信系统， 克服无线移动通信面临的多径衰落和多普勒频移，同时在有限的带宽使传输速率得到很 大提高。 本文把o f d m 运用于无线移动通信的g p r s 业务，在2 g 频段对它的调制和解调进 行了模拟，同时对它的致命弱点一同步进行了分析研究，并对其调制用f p g a 进行了实 现。 第l 章主要介绍无线移动通信技术的发展历史以及移动通信面临的各种问题，阐述 研究o f d m 传输技术的目的和意义 第2 章对无线移动通信的发展以及移动通信面临的问题进行了介绍，阐述了有望成 为第四代移动通信物理层的o f d m 传输技术的基本原理和优缺点。 第3 章对2 g 频段移动通信的g p r s 业务的物理层用o f d m 进行了设计，并用 m a t l a b 对其调制和解调进行了模拟。 第4 章讨论o f d m 的同步问题和子载波的调制。从接收机的同步顺序入手，对其同 步进行了分析研究，对同步方法提出一些改进。同时用m a t l a b 建立了其传输的系统模型， 对符号定时、采样定时和频率同步进行了模拟，对理想同步下的系统性能和部分同步及 全同步下的性能进行了对比。并用此系统对子载波不同调制方法的系统性能进行了分 析。 第5 章对0 f d m 的调制用f p g a 进行了实现，对调制模块中的一些关键模块给出了实 现说明。 滗靶大学工学硕士学位殓文 第2 章o f d m 基本原理及优缺点 2 。1 无线移动僖道麓衰藩与多普勒频移 与其宦通信信道相比，移幼信道是最为复杂的一种。电波的传播方式主要是空间波， 包括直射波、折射波、散射波以及它们的合成波，瓶且移动台的移动傻得移动台与基站 之耀夔嚣线继遘多交显难戬羧黝。 一般菇乏说，接收信号的功零可以表示为( 2 。1 ) ： p ( d ) 一ld1 s ( d ) r ( d )( 2 - 1 ) 其中电波在自由空间传搔损耗idi1 为大尺废衰落，由传播环境的地形起伏和障碍 甥怼逑波懿隧塞号 起载弱影袋落s ( d ) 爻孛尺度衰落，壶无线电波在警阕技播薅静反毒重、 绕射秘徽瓣等造成豹多径寰藩r ( d ) 交小尺度衰落。 除了以上三种衰落，移动台的移动会使信道出现时变性，造成多酱勒频移。多普勒 效应所引超的附加频率偏移称为多普勒频移( d o p p l e rs h i f t ) 。可以用( 2 2 ) 式表示： 五= 要c o s 0 = 鉴e 。s 0 = 厶c o s 0( 2 2 ) f 其中工表示载波频率，c 袭示光速，矗表示最大多普勒频移，v 袭示移动台的运动 速度，也即多普勒频移与载波频率和移动台运动速度成正比。0 为入射角，当移动台向 入射波方向移动时，0 小于9 0 度，多普勒频移为正，否则背向入射波方向运动，0 大 予9 0 凄，多营赣频移为受。受予存在多巷羲鬏移，摹一频率静售号( 磊) 至l 这接收臻 时，频谱魑分布在( 五一厶， + 厶) 内存在一定宽度的频谱。 从时域上，相干时间( a t ) ，可表示为( 2 3 ) ： ( ) f 一 ( 2 - 3 ) 在相干时间这段时间间黼内，两个到达信号脊很强的幅度相关性，如果符号带宽大 于无线信号的相干时间，那么信号的波形可能会发生变化，造成信号的畸变，产生时间 第2 章o f d m 基本壕理殷优缺点 选择性衰落，即快衰落。 路径费攒撰耗与发菇、教袈等繁宋豹辘爨损失圭簧影穗副无线嚣的覆盏。嚣反鬟、 散射和衍射带来的多径衰落殿多普勒效应则严重影响信号传输质量，且不可避免，必须 采取合理鹣投术减少其影痢。譬翦o f d m 按求是最萼f 久注意豹克骚多径于挠技术。 2 20 f 0 麓酶演进 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 ) 是一耱特殊豹猿分复瘸。 频分复用f 蝴技术的使用在个世纪前就已得到应用，比如低速率的电报业务，就题在 一个宽带信游中使用不同载波频率弗行传输。侄是，为了在接收端熊较容荔堍分离这些 信号，传统多载波系统中备溅波频率要分隔褥足够邋，同时爱采用保护频带，这些使碍 频谱利用率缀低。群肖，霞为各载波都需要国己的模拟前端，传统多载波传输方式复杂 性也很高。尽管如此，著行传输方式可有效减小由予信道时延扩展弓 起豹符号闻干扰已 引起学界的注意a 莲交频分复用( o f d m ) 簸早起源子2 0 继纪5 e 年代孛鬟，嚣k i n e p l e x 蘩统，致系 统目的是在肖严重多径衰落效应的商频无线信道中实现无线传输，假此系统使用的怒传 统静多载波系统静实现方式，系统j 纛跫裰当麓杂。蠢蘩1 9 7 1 年，w e i n s t e ln 器e b e r t 把离散傅里叶变换( d i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o r m ，d f t ) 应用到并行传输畚统中，才 不爵秘用带道滤波器，而是瓷基带鲶理就可以实现f d h t 。并崴d f t 可鞲侠遮傅垦许变换 ( f a s tf o u r i e rt r a n s f o r m ，f f t ) 来实现，大大减小了系统的复杂度。 2 0 世纪8 0 年代中期，随着欧洲在数字澄频广播( d a b ) 方案中采用o f d m ，该方 法嚣始受到荚注并照德至广泛应用。1 9 9 5 零，由欧溺电信标准协会( e t s i ) 测定了数 字胬频广播( d a b ) 标准，这是第一个使用o f d m 标准的。接着在1 9 9 7 年，基于o f d m 豹d v b ( 数字视频广捶) 椽准也牙戆投入馁耀。奁a d s l 疲嚣中，o f d m 被典鍪! 媳当 作离散多音调制( d m tm o d u l a f i o n ) ，成功地用于肖线环境中，可以在i m h z 带镦内 提供舞达8 m b i d s 斡数据蒋输速率。t 9 9 8 年7 胄，经过多次黯修改之后，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 g h z 波段) 的物理层接入方案，目标是提 供6 m b i t s 5 4 m b i t s 数据速率，这楚第一次被用于分组业务通信中。此后，e t s i ( 欧洲 电僚括准协会) 、b r a n ( 爨带无线接入网) 以及m m a c ( 多媒体移动接入通信系统) sw 河北大学上学硕士学位论文 也纷纷采用o f d m 作为其物理层标准。在2 0 0 3 年1 月2 9 日i e e e 通过了8 0 2 1 6 a 标准 规范书，解决了2 g h z 1 1 g h z 之间频率范围的宽带无线问题。8 0 2 1 6 a 标准规范中明 确定义了o f d m 技术作为无线数据传输方式。 目前，世界范围内的许多国家和集团正在致力于把o f d m 技术应用于第四代移动 通信。其中美国的o f d m 公司计划用o f d m 技术使移动通信速度比现在快l o 倍。 2 3o f d m 基本原理 数据传输是串行数据流时，每一个数据符号可占据整个可利用带宽。所以在单载波 系统中，单个衰落或干扰可能导致整个链路不可用。在多载波并行数据传输时则减少了 串行系统中的问题。但在传统的并行通信中，整个系统被划分为n 个互不重叠的子信 道，载波之间有一定的保护间隔，每个子信道被一个独立的信源符号调制，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，虽然可以避免信道互相干扰，却以 牺牲频带利用率为代价。而且，当子信道数量很大时，大量分离子信道的滤波器的设置 就成了几乎不可能的事。 o f d m 技术也是多载波传输技术的一种，它的特点是把窄带信号分割成频率较低的 多个正交次载波在信道上并行传送。它的正交性使o f d m 信号可经由多个次载波信号 重叠并行传送而不互相干扰。在o f d m 系统中，采用基于载波频率正交的f f t 调制， 由于各个载波的中心频点没有其它载波的频谱分量。所以可以实现载波的正交，这样就 允许各载波频率互相混叠，大大提高频谱利用率。 o f d m 的基本原理是把高速数据流通过串并变换，分配到传输速率较低的若干个子 信道中进行传输。由于每个子信道中的符号周期会相对增加，因此可以减轻由无线信道 的多径时延所产生的时间弥散性对系统造成的影响。发送端将被传输的数字信号转换成 子载波的幅度和相位的映射，并进行离散傅里叶反变换( 1 d f t ) ，将数据的频谱表达式变 到时域上。并且还可以在o f d m 符号之间插入保护间隔，令保护间隔大于无线信道的 最大时延扩展，这样就可以最大限度地消除由于多径而带来的符号间干扰( 1 s i ) 。而且， 一般都采用循环前缀作为保护间隔，从而可以避免由多径带来的信道间干扰( i c i ) 。 将一个较宽频带分成些子信道，如果各子信道所占带宽足够窄，它们将分别经过 平坦衰落。o f d m 不再通过很多带通滤波器来实现频分复用，而是直接在基带处理， 第2 章o f d m 蒸本原理及优缺点 这大大降低了频分复用的复杂废。 2 3 1o f d m 系缆调制解调框图 o f d m 调制解调系统如图2 * l ，首先要把凑速数据流避彳亍串劳转换，然后是它的核 心快速傅里啼递交换，摆信愚蠢鬏域转换到辩域，同时为了使诞割系统肖效逸克裰i s i ， 在o f d m 调制输出时符号之间插入循环前缀，使其经过弗径信道后，备子信道间的正 交链仍能保持。接收蠛进行发送端的相反掇作，去保护闼隔，并用f f t 变换回频域信 号，然后子载波漪幅度帮裙位授采集出来莠转换回数字僚号。 2 。3 。2o f d m 子载波调制 黼2 - 1 o f d m 调审解调框图 个o f d m 符号之内包含多个经过调制的子载波的含成信号，篡中每个予载波都 可以经过相移键控( p s k ) 调拳4 或者正交蟠旋调制( q a m ) 。o f d m 系统的各个子载波 可鬏瓣信遵静条件来侵焉不霹瓣调制，魄翔b p s k 、q p s k 、8 p s k 、1 6 q a m 、6 4 q a m 等，以频谱利用窀和误码率之间的最佳平衡为原则。 o f d m 符号锋效基带信号砸以表示为： , v - i s ( 垆d ，r e c t ( t - t 。- r 2 ) e x p ( j 2 n 手( t l ) ) t ，g f + 7 s ( t ) 竺o f t + f 。 ( 2 1 4 ) 酒北大学工学硕士学位论文 其中n 表示子载波的个数，t 表示o f d m 符号的持续时间，d i ( 1 = 0 ，l ，r ，n - 1 ) 是 分配给每个子信道的数据符号，矩形函数r e c t ( t ) = l ，l t t = t 2 ，t ；表示从馘。开始的o f d m 簿号。 系统戆带竟b 被分藏n 令等距离豁子箍道，掰商子载波在一个辩阚阊隔t 肉柜互 正交。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 波之间相麓1 个周期。这一特性可以解释子载波之间的正交性，即： 亭f e 礤t 弦力。x p t 歹国圆d r = ?：主： 。固 可以通过一4 个子载波的实例图2 - 2 看一下。 o f d m 于慧渡 制 曝 弓，鼍1f , - t e ，x p k 誓i ，) 委n - ! 细胁如触 p 。， = 专卜删z 万孚( 肛办 一 ，瞄妊姐妣。讲州嗽叶 第2 章o f d m 基本原理及优缺点 驴s ( k t n ) = e x p ( ，百2 n - i k ) ( o a k _ 1 ) ( 2 _ 7 ) 在接收端，为了恢复出原始符号西，可以对酞进行逆变换，即d f t 弘酗n - i e x p ( _ 7 百2 n k ) ( 0 i n - 1 ) ( 2 8 ) 由上可以看出o f d m 的接收机实际上是一组解调器，它将不同载波搬移至零频， 然后在一个码元周期内积分，其它载波则于与所积分的信号正交，因此不会对这个积分 结果产生影响。o f d m 系统的调制和解调可以分别由i d f t 和d f t 来代替。在o f d m 系统实际运用中，可以采用更加方便快捷的i f f t f f t 。 2 3 3 保护间隔的选择 为了最大限度地消除符号间干扰，在每个o f d m 符号之间插入保护间隔( g i ，g u a r d i n t e r v a l ) ，而且该保护间隔长度强一般要大于无线信道中的最大时延扩展r 。如果在 保护间隔内是一段空白传输时段，由于多径的影响，会产生载波间干扰( i c i ) ，即子载 波之间的正交遭到破坏，不同的子载波间会产生干扰。如图2 3 所示： 第二子蕾渡对第一 子戴披带来的i c i 干扰 骠篓嗵上煦鲤一一 图2 3 多径情况空闲保护间隔在子载波间造成的干扰 因此可利用循环前缀( c p ) 解决此问题，循环前缀是将o f d m 码元最后一部分复 制到各码元前端，即将一个符号的尾端复制并补充到起始点作为保护间隔插入，如图 2 4 所示： 河北大学j 学硕士学位论文 保护景护 、l f h 勰蒜 i f f t t 斑 ： i f f t 耩麓 射掏 j 至+ i 。甄 ! 扎 ： 楚曼攫：! 魁笾乙楚擞竺：! 图2 - 4 加入僚护间隔的o f d m 符号 垂予o f d m 延嚣嚣本内掰惫鑫翡子载波静溺籁个数氇为整数，辩延蓓号裁不会奁 解调过耩中产生i c i 。 由于c p 的隔离作用，多径信号时延小于r 。时，前一符号的时题扩展在一个循环 前缀的时间内已经完全衰减了，不会对下一个符号构成符号串扰，从砥可有效地消除 i s i 。姿然，攮入搽护藏疆会使数据僮辕效率下酶必蘸瓷静n ( n + l ) ，l 沟掰援入爨护润 隔的长度。 2 3 4o f d m 技术的优缺点 o f d m 羧末主要爨点鸯： ( 1 ) 抗衰落能力强。o f d m 把信息通过多个子载波传输，在每个子载波上的信号 时间相应地比同速率的单载波累统上的信号时间长许多倍，使o f d m 对脉冲噪声和信 道快衰落的抵抗力增强。 ( 2 ) 摭码闻于挠0 s i ) 熊力强。鹂阕干扰蹩一茅申黍性于撬，是数字逶售系统中除礤 声予挠之羚最主要魏于撬。o f d m 采露循环蔫缀( 锵) 其有缀强豹雾稻溺于挽能力。 ( 3 ) 溅合高速数据传输。o f d m 自适应调制机制可以使不同的子载波按照信道情 况和噪声背景使用不同的调制方忒。当信道条件好时，采用效率高的调制方式。信道条 件差时，用抗干扰能力强的调制方式。o f d m 述可采用加载算法，傻系统可以把更 多鼗蠡藏客条磐努戆售遂主麓逡绩埝。 ( 4 ) 频率利用率高。o f d m 用重叠正交子裁波作为子信道，眈传统的利用频带保 护分离子储道的方式大提高了频率利用率。 ( 5 ) 无线数据业务一般存在非对称性，即下行链路中的数据传输爨大于上行链路 1 ( 5 第2 章o f d m 基本原理及优缺点 中的数据传输量，这就要求物理层支持非对称高速数据传输。o f d m 可通过使用不同 数量的子信道来实现上行和下行链路中不同的传输速率。 o f d m 技术的缺点有： ( 1 ) 对频偏和相位噪声比较敏感。由于子信道的频谱相互覆盖，这就对它们之间 的正交性进出了严格要求。频偏和相位噪声会使各子载波之间的正交性恶化，1 的频 偏就会使信噪比下降3 0 d b 。 ( 2 ) 存在较高的峰值平均功率比。由于o f d m 信号是由多个独立的经过调制的子 载波信号相加而成，所以合成信号就有可能存在较大的峰值均值功率比，即峰均值比。 高峰均值比会增大对射频放大器的要求，导致射频信号放大器的功率效率降低。高峰均 值比还可能带来信号畸变，使信号的频谱发生变化，从而导致各子信道间的正交性遭到 破坏，产生干扰，使系统的性能恶化。 ( 3 ) 负载算法和自适应调制技术会增加系统的复杂度。负载算法和自适应调制技 术的使用会增加发射机的接收机的复杂度，并且当终端移动速度高于3 0 k m h 时，自适 应技术就不再适合。 河北大学 + 学硕士学位论文 第3 章o f d m 在蜂窝移动通信g p r s 中的收发机模拟 随着移动电话用户普及率的提高和移动用户对通信功能需求的不断提高，g s m 或者 c d m a 蜂窝移动通信系统向更高数据速率系统的演进是必然趋势。 高速无线i n t e m e t 将无线通信、i n t e m e t 、计算机、软硬件以及安全加密等多种领域 的先进技术结合在一起。引发人们对高速无线i n t e m e t 进行深入研究的动力，首先是对 无线上网的需求，特别是各类移动终端，尤其是蜂窝移动手机的移动上网。 实现高速无线i n t e m e t 的关键问题之一是无线移动接入的高速化和i p 化。为了提供 高速接入i n t e m e t ，无线通信首先要求的就是要提高高速数据在移动通信信道中的传输 效率和质量，有效对抗多径衰落信道的不利影响。 随着带宽和数据速率的增加，基于正交频分复用( o f d m ) 方案( 当然还有包括 m c c d m a 及其它方案) 越来越得到广泛关注。o f d m 方案可以更好地处理由大量可 分离路径雨造成的问题，并且能够允许实施完全地自适应的频率信道控制。 在o f d m 系统内，在多个相干子载波上采用编码，可以确保对处于深衰落的子载 波中所携带信息进行正确地译码。而且，o f d m 潜在具有对抗符号间干扰的能力( 在 预计的多径时延条件下，添加循环扩展) ，同时又自动可以提供频率分集的好处。此外， 还可以根据每个子信道中的干扰情况，自适应地为每个信道分配信息数据和功率。以及 通过采用相应的高阶调制、编码调制方案以及更加有效的编码方案，还可以实现逼近仙 农极限的信道容量。在非高斯环境中还可以实现较高的频率效率和功率效率。 3 1宽带移动信道模型 移动信道典型特征是多径传播和多普勒频移。 设用户接收的移动基站信号为： ，。c l ( o + n ( t ) ( 3 - 1 ) 式中嘶j 为接收的多径信号，可描述为一个复高斯过程，”俐为白高斯噪声。 无线信道的典型时变冲击响应可表示为： 第3 章o f d m 在蜂窝移动通信g p r s 中静收发辊模拟 _ l ! = l = _ _ _ _ # = = 2 = ! = # _ _ _ - 自2 2 = 2 = # 坼移。4 ，q ) e 堋仃卜f 1 ( f ) 1 ( 3 - 2 ) ，；0 其中为路径数，跨经会藏蔫对润出现或消失，信遘泞击螭澎怒霹变熬。 在溅枣坪境阻整多的陆羹歉蜂窝通藩，信号，移豹程度龟络可逶懿耀瑞稳分布绉述： 硝咖考e x p 一卦he x 一爿 式中玎：为多径信号的平均功率，云2 ； ( 3 3 ) 为功率因子。接收傣譬的相位服从均匀 分毒。 如果锶乡村等开桶环境豹蜂窝移动通信系统躐卫星通信系统，则存在直视分量，接 收信号的幅度包络服从莱斯分布： 尹胁i re x _ 等陶 式中如( 力= 勉4 e 。8 羽是零阶修正b 。s s e l 函数， 不服从均匀分布。 ( 3 - - 4 ) 为誊视分藿幅度。其相位 有关移普勒频移的计算谯( 2 也) 式中已给出，接收信号的多普勒功率谱为： s ( 力； 阴五 | ， 厶 ( 3 5 ) 可以知遘s 彰) = s ( - j 9 ，功率港是偶对称躬。 霹予懿移动逶信，胃驻粥一耱静止彝备态获筑麴醚掇遘程采避歙撬述。逡释售道菇 以用散射瞒数s 。( 厶，r ) 描述。散射函数中的两缎即传播时延和多酱勒频移，它们e h 散 射波路径决定。由于每个散射波有独立的互不相必的相移，同时在较短距离内( 1 0 个 波长到4 0 个波长) ，每个路径的模型基本楣圊，掰以宽带信道可以用广义静态不相关信 遂( w s s u s ) 寒袤述。 河北大学工学硕士学位论文 3 2g p r s 简介 g p r s ( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ，通用无线分组业务) 作为第二代移动通信技 术g s m 向第三代移动通信( 3 g ) 的过渡技术，是由英国b t c e 1 n e t 公司早在 9 9 3 年提出 的，是g s mp h a s e 2 + ( 1 9 9 7 年) 规范实现的内容之一，是一种基于g s m 的移动分组数据 业务，面向用户提供移动分组的i p 或者x 2 5 连接。 g p r s 是在现有的g s m 网络基础上叠加的一个新的网络，同时在网络设备上增加一 些硬件设备，并对原软件升级，形成了个新的网络逻辑实体。g p r s 能给用户提供端 到端的、广域的无线i p 连接。通俗地讲，g p r s 是一项无线高速数据传输技术，它以分 组交换技术为基础，用户通过g p r s 可以在移动状态下使用各种高速数据业务，包括收 发e - m a i l 、进行i n t e r n e t 浏览、即时聊天等。 g s m 移动用户长时间独占一定的无线资源，而在分组数据业务下，所有的移动用户 共享无线资源，并且每个用户只在有业务数据传送时，才动态地申请和占用无线资源， 因此采用分组数据方式可以做到“永远在线”。如g p r s 的峰值速率为1 1 5 2 k b i t s 。 与电路型数据业务相比，分组数据业务更适用于支持移动i n t e r n e t 业务。但另一 方面，由于在分组业务下，多个移动用户共享一定的无线资源，因此尽管分组业务可以 有较高的峰值业务速率，但在用户进行数据传送期间内的平均业务速率仍然较低，而平 均业务速率与峰值业务速率的 b 值也成为衡量系统技术的一项重要指标。 经过测试，g p r s 的平均业务速率可以达到2 0 k b i t s 4 0 k bj t s ，g p r s 采用语音和 数据共享信道，如果网络用户数量或语音用户数量增加到一定程度，将导致频率资源的 问题更加突出，那么每个g p r s 用户可以使用的带宽将进一步的降低。 3 3 基于o f d m 的未来蜂窝移动通信系统设计 o f d m 因为其优良的性能，已被国际电信联盟( i t u ) 选择为3 g 和后3 g 的空中 接口技术，以期提供3 0 m 以上的高速数据服务。 未来蜂窝移动通信系统的物理层参数的选择对系统性能非常重要。首先是工作频段 的选择，频段过高，电波传播将受到雨雾的严重影响，而较低的9 0 0 m 频段目前占用已 过于拥挤。1 9 9 2 年，i t u 提出向全球无线通信系统开放2 g 频段，2 g 频段成为3 代的 第3 章o f d m 丧蜂窝移臻遴售g p r s 孛躲牧发掘模数 首选频段。o f d m 系统使用2 g 频段是一个理想选择。 各种o f d m 参数的选择需鼹在多项要求冲突中孝厅裳考虑。文献t 2 1 1 中给出了移动通 信的物理层参数，如表3 一l ： 表3 - 12 g 频段o f d m 物理掇参数 参数名 参数僮 工作频段 载波带宽 符号稠期 疆嚣震麓 f f t 点 子载波数 予载波带宽 2 ( m z 4 0 9 6 m 7 8 ，1 2 5 u s 1 5 6 2 5 u s 2 5 6 2 1 6 1 6 k h z 不同信邋环境下，室蠢最大时延扩展为4 0 n s 2 0 0 n s ，室外先t u s 2 0 u s ，以上参数选 择中选择循环周期为1 5 6 2 5 u s ，强绝大多数情况下能满足要求。 为了最大限度地减小由于插入保护间隔所带来的信噪比损失，要求符号周期的长度 要远远大予绦护间隔。但符号溺翅长度又不可能任意长，否则裁意昧着o f d m 系统要 包括更多予载波，从秀导致子载波阁隔减枣，系绞蜜联爱杂度增热，蘑雾重述会鸯霹大系统 峰值平均功率比，还会使系统对频率偏差更加敏感。所以在实际应用中，一般选择符号 周期长度是保护间隔的5 倍，这样由于插入保护间隔造成的信噪比损失只肖l d b 左右。 以上参数即选择了符号周期是保护间隔的5 倍。 有了绦护麓隔耪符号溺鬟，予载波馨竟三t2 焉矗磊磊三西忑丽。1 6 k h z ，载渡荣宽 除以子载波带宽，可计算出f f t 点数为2 5 6 。 根据以上参数选择，利用4 q a m 调制，最大可选到2 xf j 矾1 2 5 u s ) x 2 1 6 ： 五5 3 m b i t s 的比特速率，如果用q p s k 调制，则蛾大可达到8 2 9 m b i t s ，利用1 6 q & m 移6 4 q & d 调镧技术，效率廷更毫，毽囊效调毒l 技术对辫璃售臻毙要求氇鞠纛疆蹇，会减 小宽蒂移动遴信系统的有效粳藏藏围。僵即使利翻以上的4 q a m 调榭技术，达誉 2 3 m b i t s 的速率也是足够的。搬此设计用于现在蜂值速率为1 1 5 2 k b i t s 的g p r s 业务， 15 河北大学工学硕士学位论文 g p r s 的频率资源便不再是问题。 3 3g p r s 的o f d m 发送机信号产生模拟 根据上节给出的物理层参数，有用的o f d m 符号周期为6 2 5 ( 7 8 1 2 5w 一1 5 6 2 5 “s = 6 2 5 淞1 ，则2 1 6 个子载波最小频率的子载波和最大频率的子载波间的间隔为3 4 4 m h z ( 2 1 5 6 2 5 e 6 = 3 4 4 m h z ) 。用2 5 6 点f f t ，所以基本单元周期为卜6 2 5 u s 2 5 6 ，为了把 o f d m 频谱模拟在以尼为中心的频带上，比如使子载波1 在五左边1 7 2 m h z 处，子载 波2 1 6 在正右边1 7 2 m h z 处，一种比较简单的方法即用2 n 点的f f t 以t 2 为基本单 元周期，即用5 1 2 点的f f t 以6 2 5 u s 5 1 2 为基本单元周期。在下面图3 1 中，给出了 o f d m 发送机符号的产生过程，并把模拟中用到的相关参数也给出了。 图3 一lo f d m 信号产生模拟 因为r 为基带基本单元周期，要模拟到频段上，需建立频段时间周期与基本单元周 期的关系，在此模拟时为了简化，使载波频率工= g + 朋1 ，g 为载波周期对基本单元周期 的比率，此处g 取整数5 0 0 ，使得载波频率可为2 0 4 8 m h z ，与2 g 频段相近。 o f d m 发送机信号的产生，可以用f f t 算法产生2 5 6 个4 q a m 样本，每个符号长 度为6 2 5 u s 。因为选择信息通道为2 2 6 个，在产生信号d i ( i - o 2 5 5 ) 时，只需随机产 生2 1 6 个值，其余4 0 个值补0 。在经过i f f t 把频域转换到时域表达后，把后面的n + a t u = 2 5 5 * 1 5 6 2 5 6 2 5 = 6 4 个样本补到符号的前面作为重复前缀。在做完这些后，再把 信号送到以疋为中心的频率上。 在图3 2 和图3 3 中，可以看到用t 2 作为时间周期的信号子载波，可以看到子载 波为离散的基带时间信号。因为o f d m 的主要弱点在连续时域，因此用g ( t ) x , 它进行冲 激响应，产生连续复信号子载波，g ( t ) 如图3 4 所示。经过冲激后的连续子载波的时域 和频域信号图形如图3 5 和图3 - 6 。 筹3 章o f d m 程蜂鬻移动逶癌g p r s 中懿牧发瓿摸菝 图3 2 寓教豹子载波慕姆时域信号 图3 - 3 离散的子载波基带频域信号 溪t 大学工学矮学谴论文 圈3 4 狰激g ( t ) 图3 - 5 时域复连续信母 一1 8 第3 誊o f d m 在蜂寓移动通信g p r s 中的收发规模越 嚣3 - 6 净激嚣豢域信号 对此阶梯傣号进行d a 滤波桶应，图3 7 为姥滤波晌应。滤波螽的输出见图3 - 8 和豳 3 - 9 。从网3 8 中可以看出由于滤波产生的延迟。 图3 7d a 滤波确应 海靶犬学二学硕士学佼论文 强3 - 8 滤渡篷熬潜域信号 图3 - 9 滤波后的频城信号 下步凝诧售号敦蘩簇羧上。怼予4 q a m 信号兹疆羁，胃敬爝公式3 - 6 表示： s ( f ) 一以c o s ( 2 n f j ) 一幺s i n ( 2 矾f ) ( 3 - 6 ) 此公式在2 g 频段的频率响应可如图3 1 0 和3 1 l 所示 第3 章o f d m 在蜂窝移动通信g p r s 中的收发机模拟 图3 1 0 te o s ( 2 r r f j ) 频率响应 图3 - 11 幺s i n ( 2 n f d ) 的频率响应 在图3 - 1 2 。中给出的是2 g 频段复信号的时域图 河北大学工学颂士学位沧文 图3 - 1 2 信号s ( t ) 的时域响成 圈3 - 1 3 是信譬s 固的频域晌艘： 飘3 一1 3 售号s ( o 瓣颧域穗疲 从圈3 - 1 2 和圈3 - 1 3 可以观察到比较大的峰值平均功率比。 第3 掌o f d m 在蜂窝移萄逶僖g p r s 中酶收发嘏模越 3 4g p r s 的0 f o m 接收视镶号接收解调模拟 要实埋接收桃，存在的阍