（通信与信息系统专业论文）高带宽利用率ofdm系统研究.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 空时编码和j 下交频分复用( o f d m ) 技术是当今移动通信发展中比较热 门的两个核心技术，它们的结合应用更能提高系统的整体性能。本文主要研 究了空时分组编码o f d m 系统( s t b c o f d m ) ，在此基础上延伸出一种空 频分组编码o f d m 系统( s f b c o f d m ) ，讨论了提高两种系统带宽利用率 的方法。 首先构造了一个信道仿真模型并且给出了仿真结果，然后对空时编码的 仿真和o f d m 系统的设计进行了深入研究，其中对空时分组编码利用计算机 仿真的办法比较了不同条件下性能的差异。通过合并空时分组编码和o f d m 调制技术介绍了s t b c o f d m 系统，通过仿真得到这种系统在慢衰落信道条 件下几乎可以达到最大的空间分集增益。通过将空时分组码用于o f d m 的子 载波得出了一种空频分组编码o f d m 系统，通过仿真得到这种系统在慢衰落 信道下与s t b c o f d m 系统有相同的分集性能，但在快衰落信道下性能要优 于s t b c o f d m 系统。针对两种系统都存在带宽利用率低的问题，我们将尾 部抵消和循环重建算法及迭代算法用于对信号的处理来抵消信号的循环前 缀。仿真结果显示，这种使用迭代算法的s f b c o f d m 系统和s t b c o f d m 系统的性能都能接近带有循环前缀的系统的性能，而且大大提高了带宽利用 率。 关键词：空时编码：正交频分复用；空频编码；迭代算法 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t s p a c e t i m ec o d i n ga n do 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 ) a r et w oc o r et e c h n i q u e si nm o d e r nm o b i l ec o m m u n i c a t i o n t h ec o m b i n a t i o no f t h e mi sm o r ep o w e r f u li ni m p r o v i n gt h ep e r f o r m a n c eo fs y s t e m t h i st h e s i s c o n c e m e dw i t ht h es t u d yo fs p a c e t i m eb l o c k c o d e d o f d m s y s t e m ( s t b c o f d m ) s p a c e f r e q u e n c yb l o c k - c o d e do f d ms y s t e m ( s f b c - o f d m ) i s d e v e l o p e df r o mi t t h em e t h o dt oi m p r o v et h eb a n d w i d t he f f i c i e n c yo ft h e mi s d i s c u s s e d ac h a r m e ls i m u l a t i o nm o d e li sc o n s t r u c t e da n ds i m u l a t i o nr e s u hi sg i v e n t h e f u r t h e rs t u d yi sg i v e nt os p a c e t i m ec o d e ss i m u l a t i o na n do f d ms y s t e md e s i g n 。 t h ep e r f o r m a n c ed i f f e r e n c eo fs p a c e t i m eb l o c kc o d e si nd i f f e r e n tc o n d i t i o ni s c o m p a r e db yc o m p u t e rs i m u l a t i o n b yc o m b i n i n gt h es p a c e a i m ec o d i n ga n d o f d mm o d u l a t i o nt e c h n i q u e s ，t h es t b c o f d ms y s t e mi si n t r o d u c e d i th a s b e e ns h o w nt h a tt h es t b c - o f d ms y s t e mi s c a p a b l eo fa c h i e v i n gn e a r l y o p t i m u ms p a t i a ld i v e r s i t yp e r f o r m a n c ei n s l o w f a d i n gf r e q u e n c ys e l e c t i v e c h a n n e l s b ya p p l y i n gs p a c e - t i m eb l o c kc o d e sa c r o s st h es u b c a r r i e r so fo f d m ， t h es f b c - o f d ms y s t e mi s d e v e l o p e d s i m u l a t i o nr e s u l t sh a v es h o w nt h a t s f b c - o f d mc a r la c h i e v et h es a n l ed i v e r s i t yp e r f o r m a n c ea ss t b c - o f d mi n s l o wf a d i n gf r e q u e n c ys e l e c t i v ec h a n n e l s b u ti to u t p e r f o r m ss t b c o f d mi nf a s t f a d i n gc h a n n e l s 。b e c a u s et h et w os y s t e m sh a v el o wb a n d w i d t he f f i c i e n c y , t a i l c a n c e l l a t i o na n dc y c l i cr e c o n s t r u c t i o na n dt h ei t e r a t i v et e c h n i q u e sa r ea p p l i e dt o t h et w os y s t e m s s i m u l a t i o nr e s u l t sh a v es h o w nt h ei t e r a t i v es f b c - o f d ma n d s t b c - o f d ms y s t e m sa c h i e v en e a r l yt h es a m ep e r f o r m a n c ew i t ht h es y s t e mw i t h c y c l i cp r e f i xa n ds i g n i f i c a n t l yi m p r o v eb a n d w i d t he f f i c i e n c y k e yw o r d s ：s p a c e t i m ec o d i n g ；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 ； s p a c e f r e q u e n c yc o d i n g ；i t e r a t i v ea l g o r i t h m 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由作者本人独 立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在文中指出。除文中已注 明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成 果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体。均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：磊圣蜂 日 期：2 口口蝉p 凋2 旧 哈尔滨丁程大学硕七学位论文 1 1 研究背景 第1 章绪论 当前，空时编码技术在无线通信领域引起了广泛关注。空时编码的概念 是基于w i n t e r s 在2 0 世纪8 0 年代中期所做的关于天线分集对于无线信道容 量的重要性、开创性工作。9 0 年代s t a n f o r d 大学的r a y l e i g h 和c i o f t i ，瑞士 a s c o m 的w i t t n e b e n 进一步奠定了空时码的基础；最近几年来，l u c e n t l a b s 的f o s c h i n i 和g a n s 、a t & t 的t a r o k h 及其同事们在这方面作了关键性的工 作，率先提出了空时编码的概念。空时编码的有效工作需要在发射端和接收 端使用多根天线。因为空时编码同时利用时间和空间两维来构造码字，所以 可以有效的抵消衰落，提高功率效率，并且能够在传输信道中实现并行的多 路传送，提高频谱效率。需要说明的是，因为空时编码技术属于分集的范畴， 所以要求在多散射体的多径情况下应用时，天线间距应适当拉开以保证发射、 接收信号的相互独立性，以充分避免多散射体所造成的多径效应。 o f d m 并不是新生事物，它由多载波调制( m c m ) 发展而来。美国军 方早在上世纪五六十年代就创建了世界上第一个m c m 系统，在1 9 7 0 年衍生 出大规模子载波和频谱重叠技术的o f d m 系统。但在以后相当长的时间里， o f d m 理论迈向实践的脚步放缓了。由于o f d m 的各个子载波之间相互正 交，采用f f t 实现这种调制，但在实际应用中，实时傅立叶变换设备的复杂 度、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 都成为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。2 0 世纪 9 0 年代，o f d m 开始被欧洲和澳大利亚广泛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 哈尔滨上程大学硕士学位论文 ( w l a n ) 。随着d s p 芯片技术的发展，格栅编码技术、软判决技术、信道 自适应技术等成熟技术的应用，o f d m 技术的实现和完善指日可待。 1 2 课题的来源及意义 空时编码的一个重要优点就是利用空间天线分集达到了最大可能分集增 益，但空时编码的一个障碍就是在时间弥散的多径信道中，由于多条路径的 不一致造成了编码译码实现上的困难，特别是在频率选择性衰落信道中，空 时编码几乎无法实现。o f d m 作为一种予载波调制方案，它可以将频率选择 性衰落信道转换为多个平坦衰落的子信道，因此如果我们能够在空时编码信 道上使用o f d m 调制方案的话，那么空时编码几乎可以应用于各种信道环 境，这就扩展了空时编码的使用范围。o f d m 系统的一个重要障碍是o f d m 信号中循环前级的使用，这严重带来了带宽损失，对于要求高频谱利用率的 现代通信带来了极大的挑战。 本文首先给出了一种无线通信信道的实现方案并进行了仿真，然后对常 用的空时分组码方案进行了仿真，对o f d m 系统的设计进行了软硬件方面的 讨论。重点讨论了传统的空时分组码和o f d m 系统，然后对他们结合后产生 的问题进行了分析，并且在此基础上得到了一种空频编码o f d m 系统模型。 为了提高组合系统的带宽利用率，本文从消除0 f d m 中循环前缀的影响入 手，使用了尾抵消和循环重建算法，然后结合迭代算法，通过迭代运算的方 法取得了与存在循环前缀时的系统接近的性能，但却提高了系统的带宽利用 率，有利于系统的实际应用。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章无线通信的信道仿真 2 1 引言 在无线通信系统的研究中，信遭建模是一个重要的过程，因为接收机的 性能在很大程度上取决于信道的特征。本章我们将给出一种用于宽带无线通 信的信道模型。 无线信道的模型基于无线电波在周围环境中的传播。无线电波在陆地上 的传输由于受到建筑物和山脉等干扰而表现为多径传输。每一条路径的到达 信号都是经过多次反射、折射、散射并且能量衰减的信号。另外，当信号的 接收者处于运动之中时，信号的强度和频谱将会出现很大的波动。 因为周围环境相对波长范围来讲极其不规则，所以很多信号模型都是建 立在信号的统计特性基础上的。文献【1 中介绍了一种广义平稳非相关散射信 道( w s s u s ) 。在w s s u s 模型中，散射体在空间被分组，每一组内的时延 差别在信号带宽内是不可分解的。但当存在多个分组时，其对应的时延是可 分解的，这时候发生的是多径衰落。这种模型可以通过一种衰落仿真器来进 行仿真，这种衰落仿真器通过f i r 滤波器来构建。 文献【2 】中提到的基本扩展模型已经被广泛应用于盲信道估计。在这种模 型中，衰落信道的抽头增益被分解为多个时变指数函数，其权值为对应的时 不变系数。 本章中我们利用数学方法得出一种类似于g s m 信道仿真模型的模型， 然后将其应用在普通o f d m 系统信道模型中。模型中我们假定每条路径的随 机幅值、时延、到达角度和多普勒扩展是统计独立的。 2 2 信道模型 在多天线传播系统中，我们假设从一个发射端到一个接收端的信道相互 独立，每条路径都经历了多次反射、折射和散射。当移动台移动时，每一条 哈尔滨工程大学硕士学位论文 路径的长度和其对应的时延、相位是连续变化的，这些变化引起了信道响应 的变化。 对第m 根天线，其信道的冲激响应九，( f ，f ) 可表示为： 吼，r ) = 芝舀，占( r 一0 ( f ) 一) ( 2 - 1 ) vp p = l 其中，n ，为路径数，m 为天线数，舀，为第p 条路径的复路径增益，( f ) 为相对于第一根天线的第p 个路径时延，亭。为第m 根天线的第p 个路径时 延增量( 相对于第一根天线) ，巧( ) 为d i r a cd e l t a 函数。 在实际环境中，由于随着移动台的移动散射体在不断变化，复路径增益 舀。为一个随机过程。然而，由于我们的观察区间要短于几个符号的长度，我 们可以将它看作随机变量。在很短的观察时间间隔内，时变路径时延f 。( f ) 可 以利用下面的线性模型来描述： p ) = f p a ，( f f ，) + s ，p ) ( 2 2 ) 其中，f ，为在时刻，的第p 个路径时延，a ，为变量的斜率，s ，( f ) 为线 性近似中的纠正量。 对第p 个路径，第一根天线和第m 根天线的时延差善可表示为： 乞，= 一1 ) ：c o s 口， ( 2 3 ) 其中，k 。为天线的间隔，c 为光速，o p 为第p 个路径的到达角。 下面，我们将得到一种适用于宽带通信技术( 如o f d m ) 的基带信道模 型，令f ( r ) 代表载波频率为正的发送信号，s ( t ) 为带宽受限的基带信号： f o ) = e j 2 , g d s ( t )( 2 - 4 ) j ( r ) = ( 女) o 一皿) ( 2 - 5 ) 其中，( f ) 为发射端带通滤波器的冲激响应。s 。( 女) 为离散时域内的基 带信号。如果h r ( f ) 为理想的带通滤波，则它被表示为： m f ) - 筹 ( 2 _ 6 ) 其中，t 为采样间隔。 在发送带宽内的接收信号可表示为发送信号f ( f ) 与信道冲激响应 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 i 。( r ，f ) 的卷积与热噪声瓦( f ) 的和形式： 艺( f ) = f o ) + h m ( ，f ) + 吒( 0 2 寿静即霸旷氕小训 2 寿和卜硼卜毛k 口刚“吖。、啪 协，、 。赤磐n 舻扩引”一，叫，吨- 2 赤静婶1 2 列m ，吨- 蚴 其中，口。为第p 个路径的基带复路径增益( 包括由路径时延引起的相移) t 2 p = 彭p 巾蚋，”刘 ( 2 8 ) 式( 2 7 ) 的近似关系j p f ，+ ，( 卜t ，) 一s ，一0 ，。) zs ( t f ，) 是成立的，因 为当我们考虑s ( t ) 带宽时，时延变量是很小的。另外，在很小的观察时问问 隔内s ( f ) 的连续信道模型我们得至4 信号在月的基带信号采样b ( h t ) 为 x 小驴赤和c 小叫吒m 伽圳9 “ = 丙1 弘n 套黜蚺c 吩矿鼢j 2 a f o p n t c - j 2 x ( m - i ) 等e a s o t 饥c ：毒釜q 竺! ：业删圳分廊旧z 扣。椰 2 寿酗q 啬门粕”。一”一功 “崭1 n 乳。”- s o ( k ) q ( n - ，杀害e 伽帅h 唾c o s 吼 f 2 1 2 ) 由( 2 - 1 2 ) 得到的仿真器可用于大多数无线信道的仿真。窗函数通常选用长 为1 2 8 的汉明窗。通过对复路径增益、路径时延、多普勒频移和到达角选择 合适的分布，式( 2 一1 2 ) 能仿真大多数信道的统计模型，所需要的参数或者从实 验数据得来或者从特定得传播模型获得。 2 4 对o f d m 系统的信道仿真 将o f d m 信号用于式( 2 。1 2 ) 中的离散信道仿真器。对于不同尺寸的窗函 数，式( 2 - 1 2 ) 6 e 的离散信道仿真器的均方误码率与r 的关系如图2 1 所示 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 工 山 【疗 互 图2 1 对不同长度滤波器的m s e h 与f d t 的关系曲线 在图2 1 中均方误码率m s e h 由下式得到： 慨= 瓦1 缶n r 善n 嗡铲 弘 其中，厅，( 女) 为第1 个间隔内对第k 个子载波的频率响应。日( | i ) 为式( 2 1 0 ) 中所描述的连续信道模型的频率响应，n 是予载波数，卜h 是间隔数，汉明窗 作为窗函数，n = 1 2 8 。从图中我们可以看到：当窗尺寸l 。为1 2 8 时，误码率 低于1 0 。 2 5 本章小结 本章建立了一种可以应用于宽带无线通信的信道模型。对这种模型，首 先在理论上加以推导，然后给出了系统的模型并对o f d m 信道进行了仿真。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 i 葺冒暑譬宣i i ； ii i 声誓；常i i i j i ；i 暑暑i 墨昌羞皇宣宣i i ；i i 暑暑暑暑i 罨| 嗣- 皇暑暑盲暑暑i ； 3 1 引言 第3 章空时编码的仿真 1 9 9 8 年，t a r o k h 教授等人在他们的论文 3 1 6 0 引入了空时编码。顾名思义， 空时编码的基本思想就是在空域和时域同时进行编码。虽然空时编码和传统 信道编码均要依赖于时域处理过程，但空时编码增加的空域处理使它与普通 信道编码有很大的不同。 首先，对普通的信道编码而言，带宽损失是不可避免的，因为信道编码 必须在发送信息中增加一定的冗余信息以使信道编码具有检错和纠错的能 力，所以普通信道编码性能增益的取得是以带宽扩展为代价的。然而，空时 编码利用多天线制造出来的空域优势可以在不牺牲带宽的情况下达到相同的 性能增益，而且在一定的条件下还能提高带宽效率。 其次，信道编码适用信道为加性高斯白噪声( a w g n ) 信道，它是专为 a w g n 设计的种编码。为了将其利用到衰落信道中，信道编码必须采用交 织技术，但这同时带来了译码时延的产生。空时编码是专为衰落信道设计的， 它对a w g n 的作用很小。空时编码的有效性取决于空间天线的状态，它的 译码过程不存在时延。 最后，空时编码和普通信道编码的设计方法有很大的不同。例如，空时 编码的设计准则和性能法则与普通信道编码就有很大的不同。 空时编码的历史很短，但很多相应的方法和原理已经有了很大的发展。 虽然这些原理与方法的大多数是从传统通信理论中演变过来的，但它同时也 为传统通信理论注入了新鲜的血液。 以下三部分我们分别介绍空时分组码、空时差分码和空时格形码三种基 本的空时编码。由于本论文所采用的空时编码为分组码，所以我们对分组码 进行了详细的介绍，其中包括信号模型、编码译码过程等，介绍完分组码的 理论之后，我们对采用a l a m o u t i 方案的分组码性能进行了仿真，从而进步 哈尔滨工程大学硕士学位论文 说明空时分组码在提高系统性能上的优势。对于空时差分码和空时格形码， 我们只进行了简单的介绍，对此感兴趣的读者，可以参阅相关论文及文献。 3 2 空时分组码 空时分组码的设计是为了在给定数量发射天线和接收天线的情况下达到 最大分集增益。利用r a d o n h u r w i t z 理论基于正交设计的数学框架是设计宅 时分组码( s t b c ) 的基础。空时分组码是文献 4 】中简单分集方案的扩展， 将发射天线和接收天线扩展到任意数量的种设计。在发射分集中采用正交 设计有以下两个优点： 1 没有带宽损失，也就相当于正交设计在达到全分集的基础上提供了 最大可能发射速率。 2 译码端采用简单的最大似然译码算法。 3 2 1 信号模型 空时分组编码的系统模型取自文献 5 。假定空时分组编码系统有n 根发 射天线和n l 根接收天线。在给定的时隙t 内，n 个信号s ，i ，i = 1 ，2 ，3 h 被同时 从n 根天线发射出去，其对应的发射机模型如图3 1 所示 图3 1空时分组码的发射机方框图 在对应发送端时隙t 内，接收天线j 上接收到的信号为： 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 = j ；+ n ( 3 1 ) 卜i 其中，口。为发射天线i 和接收天线j 之间的路径增益，h ? 为接收天线j 的噪声。信道衰落假设为频率无选择性的，且衰落是准静态的，即信道参数 在一帧内没有明显变化。路径增益看作是一个每维方差为1 2 的复高斯分布 随机变量的独立采样。接收机噪声与路径增益相互独立，为一个零均值，方 差为n ( 2 + s n r ) 的加性高斯噪声，这里n 为发射天线数，s n r 为信噪比。对 发送信号进行能量归一化以使每一根接收天线的接收到的能量为n 。图3 1 使用了一些用于调制的信号星座图，它们通过调制方案将二进制数据映射为 实或复信号。如果信号星座图中有m = 2 6 个符号，那么将有n b 位数据在一 个时隙内到达调制器。这n b 位将选择1 1 个m 维信号来同时通过n 根天线发 射。最大似然译码器在接收端仅使用线性处理便能对空时分组码进行解码。 假定接收端有完整的信道信息，则解码器使用下面的判决准则： min 2 i 7 一s 1 ( 3 2 ) j = lt = l j = 1 对所有的可能码组选择能量最小化发射信号的那组。系统接收端方框图 如图3 2 所示 fr 0 fr 1 最大似然 检测器 1 1 1 1 图3 2 空时分组码的接收机方框图 数据发送速率为： r = 二 f 3 3 1 p 其中，n 为被编码的符号数，p 为用于发射所有信号的时隙数。发送信号 经过一个简单的1 7 p 矩阵被映射到不同的天线。例如，( 3 2 代表使用2 根发 射天线的码，它由下式给出： 哈尔滨工程大学硕士学位论文 厂 一 g ：l “。6 。2 ( 3 4 ) l s 2s lj 第i 行代表在时隙i 的发送信号。第j 列代表所有时隙内从天线j 的发送 信号，其他的码矩阵可在文献 5 中找到。空时分组码的解码通过最小化多项 式( 3 2 ) 的法则来得到。我们可以将这种法则写成一种简单形式，即法则被分 成n 个方程，每一个方程依赖一个单一的发送符号。例如，g 2 能被分解为两 个简单方程，在每根接收天线，信号将通过两个时隙被接收，因此产生了两 个接收信号和一，这些信号可被写为： 为使上式简便，我们对的方程取共轭以消除等式右边s l 和s 2 的共轭。 方程以矩阵形式写为： 止 西 _ 0 之 斗 西 仔s ， 将( 3 5 ) 代入( 3 2 ) 得到新的判决法则为 羔限咱 一s ：1 2 + k 蝎。s ；一s ：1 2 ( 3 - 7 ) 方程( 3 7 ) 给出的法则可扩展为下面的两个法则： 解码s i 的为： 解码s 2 的为： 【姜“口j + ( ，) 口：，l s ，1 2 + 一，+ 蔷m 善2j 口，1 2 l 毛| 2 c 。s ， j 芸( ，l ，口；，一( ，y 口，l s ：j 2 + ( 一t + 萎t n 善2l 口。1 2 b ：1 2 c 。， 方程( 3 - 8 ) 和( 3 - 9 ) 是分开的信号单独译码方案，它们的实现是非常容易的。 巧 o 阼 + 屯矿 玎 口 岱 + ” 叫 = = 丫一 哈尔滨工程大学硕士学惋论文 3 2 2 空时分组码的仿真 本部分我们将对常用情况的空时分组码进行仿真，仿真方案采用文献 4 】 中的a l a m o u t i 发射分集方案，调制方案采用了四进制相移键控( q p s k ) 和 二进制相移键控( b p s k ) 。信道为扁平衰落信道，其幅值为r a y l e i g h 分布， 假定衰落非常慢，信道参数在一个发送块内为常数。为得到不相干的信号， 两根天线的分开距离近似为1 0 个波长。仿真中我们通过对每一根天线采样产 生了r a y l e i g h 衰落采样。噪声由零均值，方差为n ( 2 4 e 。n 。) 的复高斯随机 变量产生。 仿真中发射和接收天线数方案分别为l x l 、2 x l 和2 2 ，结果曲线为误 码率( b e r ) 与信噪比( e b n o ) 的关系曲线。图3 3 的三条曲线为未编码 的b p s k l l ，利用a l a m o u t i g 2 方案的2 l 、2 2 曲线。从图中我们可以看 出，编码的b p s k 比未编码的b p s k 在误码率为1 0 - 3 时，性能有很大提高。 另外，利用a l a m o u t i 方案的2 2 曲线在误码率为1 0 _ 3 时比同种方案的2 1 性 能也有很大提高，比未编码b p s k l 1 方案性能提高十分明显。 上述仿真假定了接收端有完整的信道信息，如果信道需要被估计的话， 结果将会有很大的不同，这说明空时分组码的性能依赖于信道估计。在文献 4 】中的结果表明，此时a l a m o u t i 2 2 方案比2 1 方案的性能提高将会发生很 大的变化。文献【4 】中信道用导航序列进行估计，结果a l a m o u t i 2 2 方案比 2 x l 方案有更大的误码率，这主要是由于信道估计器的潜在问题造成的。 图3 4 显示了使用q p s k 调制方案的误码率( b e r ) 与信噪比关系曲线， 三条曲线分别对应1 l 的q p s k 和利用a l a m o u t i g 2 方案的2 l 、2 2 方案。 结果显示a l a m o u t i 2 1 方案比l l 的q p s k 方案性能上有很大提高，随着信 噪比的升高，a l a m o u t i 2 l 方案比1 1 的q p s k 方案性能提高也呈上升趋势。 在使用q p s k 时，a l a m o u t i 2 2 方案与2 1 方案性能几乎相同。如果需要信 道估计的话，情况将会有很大的变化。 1 2 哈尔滨工程大学硕七学位论文 图3 3 使用b p s k 调制的空时分组码性能比较 图3 4 使用q p s k 调制的空时分组码性能比较 哈尔滨上程大学硕士学位论文 3 3 空时差分码 空时分组码的重要优点就是它的译码采用线性译码，但其缺点是必须已 知信道的状态参量。在单天线差分编码的启发下，文献 6 、 7 、 8 提出了 几种基于空时处理的差分编码方案，被称为空时差分编码( s t d c ) 。虽然宁 时差分编码的解码无须信道状态信息，但同相干译码相比，将会产生3 d b 的 信噪比损失。 一种利用s t d c 的基本系统结构如图3 5 所示，这个系统采用了n ，根发 射天线和n r 根接收天线。 g ( n ) 图3 5 空时差分编码系统的结构 假定用户信息取自信号星座图a 。s t d c 建立了一个映射关系，这个映 射是位于由，。酉矩阵组成的群g 和由信号星座图点组成的星座图爿之 间。g 中每个矩阵元素需满足 g g “= g ”g = iv g g r 3 - 1 0 1 为了保证g 和4 之间的酉对应，它们集合的容量应该相等，即 g 垒 g 。g 。一l j a a s 。一l ( 3 - 1 1 ) 4 和g 之间对应的一对一映射为 s ，+ qv i = 0 , 1 ，吖一1( 3 1 2 ) 由式( 3 一1 2 ) ，我们假定s ( n ) 被映射到g ( r 1 ) 中，则c ( n ) 和c ( n 1 ) 之间的差 分编码由下式给出： c ( ，z ) = c ( n 一1 ) a ( n )( 3 - 1 3 1 其中，c f 0 1 = i 1 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 s ( n ) 的解码可以通过最大化下面的代价函数得到 g ( n ) ：a r g m a x r e ， g 】，”( n ) i ，( ”一1 ) ) ( 3 - 1 4 ) “e ( j 其中，h n ) 为接收到的信号。从式( 3 1 4 ) 我们可以看出s t d c 系统的解码 不需要已知的信道信息。 3 4 空时格形码 在空时格形码( s t t c ) 系统中，用户的信息与导航序列和训练序列被 帧接一帧的发送。导航和训练序列被周期性的插入用户信息码中以实现信道 估计、定时和同步。这种编码方案在考虑到同时最大化分集增益和编码增益 的情况下是最佳的。 作为典型的例子，图3 6 表示了采用q p s k 星座图的编码格形图。利用 图3 6q p s k 的星座图及对应的格形图 编码格形图，空时分组码可将数据帧s ( n ) 映射到码矩阵c ( n ) 。 举一个简单的例子，当数据由下式给出时： s ( n ) = i 3230 1 j 此时对应的生成码矩阵为： c ：i ? 1 323o 1 一i l 1 3 2 30 l j 空时格形码取得了最大的分集增益和编码增益，然而它的最大弱点是译 码的复杂性，由于s t t c 的译码需采用维特比译码，所以当发射天线的数目 一定时，其译码的复杂度随着发射速率的增加成指数增长。关于空时格形码 哈尔滨工程大学硕士学位论文 的详细内容，可参见文献 3 】。 3 5 本章小结 本章首先介绍了在对实际应用潜力巨大的空时分组码，对它的系统模型、 数学描述进行了详细的研究。然后，采用简单情况分组方案利用计算机仿真 对空时分组码的性能进行了比较性研究，得出了些有用的结论。最后简要 介绍了空时差分码和空时格形码。关于差分码和格形码的内容有兴趣的读者 可参阅相关书籍及论文。 1 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 4 1 引言 第4 章正交频分复用系统的设计 正交频分复用( o f d m ) 是一种利用子载波的频分复用( f d m ) 方案。尽 管一般的f d m 需要在子载波之间设置一个保护带来避免载波间干扰，由于 o f d m 系统的子载波间具有正交性，o f d m 能在相邻子载波问重叠数据区。 因此，0 f d m 比一般的f d m 具有更高的频带利用率。o f d m 主要用于无线 环境中，例如无线广播。另外，在有线环境如数字用户线( d s l ) 中经常称 其为离散多音频( d m t ) 。 o f d m 的概念首先在文献 9 1 中被提了出来。该文中作者提出了一种从多 信道同时发送带宽受限信号的方法，这种方法可以有效的抵消信道问干扰 ( i c i ) 和码间干扰( i s i ) 。文中，作者提出了一种使用正交振幅调制( q a m ) 的正交复用系统，通过对系统性能的分析论证了方法的可行性。在系统中， 作者利用子载波振荡器组来解决正交子信道的问题，利用基带滤波器来解决 i c i 的抵消问题。这种结构的缺点就是系统非常复杂。 系统复杂的问题被文献 1 0 1 的作者解决，他利用离散傅立叶变换( d f t ) 代替子载波振荡器组来实现了对正交子信道的调制和解调。d f t 的使用被认 为是对o f d m 的革命性贡献，因为利用快速傅立叶变换( f f t ) 可以快速的 处理正交子信道的调制和解调问题。这种方法为了补偿i s i 和i c i 而在信号 和升余弦之间使用了保护带。然而，这种方法的缺点是o f d m 系统应用在弥 散信道时予载波之间失去了正交性。 正交性的问题在文献 1 1 1 得到了解决。作者利用循环前缀代替了原来 的空白保护带以达到正交性的目的。循环前缀本身是对o f d m 系统符号的循 环扩展。当循环前缀的长度超过信道冲激响应的长度时，这种方法实现了弥 敞信道各子载波之间的正交性。 另外，文献 1 2 1 分析了o f d m 方案在无线信道中的性能。其中，作者提 哈尔滨工程大学硕士学位论文 出了一种在无线o f d m 系统中利用导航信号估计信道问题的方法，同时分析 了o f d m 方案和多址技术的结合。作为结果，文献 1 3 提出了一种多载波码 分多址( m c c d m a ) 系统，其中作者提出了一种将o f d m 和c d m a 系统 结合在一起的结构。 o f d m 系统可被用于数字音频广播( d a b ) 和异步数字环路线( a d s l ) 中。另外，o f d m 作为调制方案很可能被用于第四代移动通信。 4 2o f d m 系统简介 i f 交频分复用( o f d m ) 是- - 0 0 并行传输方案。它将高速数据流分解为 一系列的低速子数据流。每一个子数据流被一个单独的子载波( s c ) 加以调 制。因此，子载波的带宽相对于信道的相干带宽显得非常小，即每一个子载 波都经历了扁平衰落过程。它同时隐含了数据流的信号周期相对h 寸f j 弥散信 道的时延扩展将会很大，因此允许进行简单的均衡。 适当选取一系列特殊的载波频率( j 下交) ，由于予载波的频谱相互重叠， 因此能够得到很高的频谱利用率，同时可以避免予载波之间的互相影响( 通 常这一点通过引入一个循环前缀( 也被称为保护间隔) 来实现) 我们得到的 系统模型显示，信号可以在弥散信道中取得正交性。 本部分通过方框图的形式来介绍o f d m 发射技术，对更加详细的o f d m 系统的介绍可以参阅文献 1 2 、 1 4 、 1 5 、【1 6 和【1 7 的相关章节。 图4 1 显示了利用o f d m 和前向纠错编码( f e c ) 的单一点对点传输系 统的方框图。 上述方框图包括三个主要部分 1 在正交子载波的数据星座图的调制和解调中相应的使用了逆离散傅 立叶变换( i d f t ) 和离散傅立叶变换( d f t ) ( 见文献 1 8 1 ) 。 在接收端i d f t 处将产生n 个数据星座图点x ，。 ，这里n 是i d f t 的点 数，i 是子载波的序号，k 是o f d m 符号的序号。这些星座图可以通过任何 的相移键控( p s k ) 或四进制相移键控( q p s k ) 或正交幅度调制( q a m ) 的信号调制得到( 信号映射) 。i d f t 的n 个输出采样( 时域内) 形成了一系 列在n 个正交子载波上携带数据符号的基带信号。在实际的系统中，并不是 哈尔滨工程大学硕士学位论文 所有n 个可能子载波都被用来传送数据，具体可参看4 3 3 所述。 图4 1 使用o f d m 的单一点对点传输系统 2 第二个主要部分是采用循环前缀( c p ) 作为保护间隔，它的长度应 大于多径传输信道过度时延的最大值( 见文献 1 3 1 ) 。由于采用了循环前缀，发 送信号相当于具有了“周期性”，此时时间弥散多径信道的影响变得与循环卷 积等价。根据循环卷积的性质，多径信道的影响被限定为发送数据星座图通 过信道发送函数的点复用，信道冲激响应的傅立叶变换，即子载波保持了正 交性。 这个结论也可由4 4 中的模型得到，这种方法的缺点是由于冗余g i 的发 1 l 送，造成发送能量的有效性降低。通常当我们把g i 选为 信号周期的= 1 时， 4l u s n r 的损失约为o 5 - l d b ( 女1 图4 2 ) 。 需要用来检测数据星座图的均衡( 信号解映射) 是通过被估计信道的逆 传输函数d f t 输出元素的积得到。对于相位调制方案，信道估计的复共轭积 能实现均衡。这里如果使用差分检测，相邻子载波或后续的o f d m 信号可以 通过比较恢复数据。 3 前向纠错码( f e c ) 和( 频率) 交织是第三个主要的部分。频率选择 性衰落信道会严重减弱在一个或几个子载波上发送的数据信号，这将导致误 码。在发送系统带宽上扩展编码的位数是用于纠正大多数错误的有效编码方 案，因此可用于宽带信号的频率分集。利用纠错码的o f d m 系统被称为编码 汕j引驯1叶f 哈尔滨工程火学硕士学位论文 o f d m 系统。 数字信号产生的复等效基带信号是经过同相正交( i q ) 调制和l 7 7 4 跨 换由r f 载波发送的信号，相反的过程在接收机加以实现。 4 3o f d m 系统信号的设计 本部分的主要目的是考虑一下实际o f d m 通信系统方案的有效性，因此 将重点放在了对硬件设计影响方面的考虑。对发送o f d m 信号的影响因素 为： 1 无线信道的时间弥散性，这一点发送方案必须解决。 2 信道的带宽限制。信号应占据尽可能小的带宽，相邻信道问应有尽 可能小的干扰。 3 发送机接收机的硬件发送函数。发送函数相对于由采样定理给出的 理论值减小了可用带宽。即：此时需要过采样。 4 i 上行，下行转换器的相位抖动和频率漂移，信道的多普勒扩展。 n 蛆s m i 船rp u l s es h a p e 圳，f ) k 。一 r e c e i v e r f i l t e r ( i m p l e m e n t e d b y f f l 、 图4 2o f d m 信号的循环扩展和窗函数 2 0 哈尔滨工程大学硕士学位论文 4 3 1 保护间隔 就像上面提到的那样，保护间隔( g i ) 的引入是为了保持子载波的正交 性和后续o f d m 信号的独立性。保护间隔( 即循环前缀) 是o f d m 信号一 部分的复制，它在信号的有效部分之前被发送( 如图4 2 ) 。它的持续时间应超 过无线信道最坏情况的最大过量时延。因此，接收信号的有效部分可被看作 是发送o f d m 信号与信道冲激响应的循环卷积。 4 3 2 窗函数 由于正弦函数傅立叶变换的旁瓣影响，矩形脉冲具有很大的带宽。取窗 口是一种可以减少旁瓣级数从而减小信号能量带外发射的有效技术。在 o f d m 系统中，使用的窗口在有效周期内不能影响信号。因此，循环的扩展 部分是通过脉冲成形产生的，如图4 2 所示。 这种额外的循环前缀将g i 进行了扩展，即时延的鲁棒性有了一定的提 高，另一方面，效率也将低了，因为在接收端它作为窗口部分被舍弃，o f d m 信号子载波的正交性通过使用d f t ( 见图4 2 ) 的矩形接收机滤波器来加以 恢复，这就需要正确的估计d f t 的起始时间k t ( t 为o f d m 信号周期) 。 图4 2 的信号周期用时间给出，对数字硬件的设计来讲，这些周期可通 过采样来的定义。n 、n 。和n 。被定义为有效部分的采样数、保护部分的 采样数和窗口区间的采样数。有效部分也被称为“f f t 部分”，因为这部分 o f d m 信号在接收端使用f f t 来恢复数据。 利用升余弦函数的发射机脉冲取窗，可被看作是持续时间为t 的扩展矩 形脉冲同半正弦波的卷积，如图4 3 所示。在频域内，这种卷积对应着矩形 脉冲的正弦谱同半正弦波谱的乘积。我们可以看到，这种乘积减小了发射机 脉冲成形谱的旁瓣。在图4 3 ( 0 ，零点出现在f = 滓 1 ，2 ， 的位置， 1f f t 即这些位置是相邻子载波的位置。扩展到长度为t = t f 。+ l 。d + t m 的矩形 脉冲减小了零点与k 的距离( 见图4 3 ( b ) ) ，窗函数在 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 夕w 。j 处具有零点。 图4 3 ( a ) o f d m 接收滤波器的形状谱 ( b ) 持续时间为t 的矩形脉冲及其频谱 ( c ) 用于脉冲成形的半正弦波及其频谱 ( d ) 发射机脉冲原型w ( t ) 及其频谱 ( e ) ( b ) - ( d ) 的对数形成谱 哈尔滨工程大学硕士学位论文 4 3 ，3 系统转换函数 在发送端和接收端的dac 和adc 中使用了低通滤波器，因此如果使 用n 点if ft 作为调制时，并不是所有的n 个子载波都能使用，靠近奈奎 斯特频率彳处的予载波会被这些滤波器严重削减，因此不能用于