（电路与系统专业论文）基于OFDM的电力线超窄带通信抄表系统[电路与系统专业优秀论文].pdf

中文摘要 电力线通信是指以电力线为传输媒介进行数据传送和信息交换随着调制技 术、传输技术和信号处理技术的进步，电力线通信技术近年来飞速发展。由于电 力线通信具有不需要重新布线，成本低廉等优点，在通信各领域受到了极大的关 注。正交频分复用技术( o f d m ) 是实现电力线通信的关键技术。它利用多个相互 正交的子载波来传送信息，不但大大提高了频谱利用率，同时也有效克服了电力 线信道中的频率选择性衰落和多径时延，是实现可靠通信的重要手段。本文在电 力线的极低频段( 5 一l o h z ) 利用o f d m 技术实现一个抄表系统，是对o f d m 技 术使用的一个有益的尝试和探索。本文对系统的发送端进行了设计和实现，接收 端的设计和实现由另一名同学完成。本文首先对自动抄表系统和电力线信道特点 做了简单介绍；对o f d m 技术的原理及其关键技术做了较详细的介绍；然后详 细介绍了系统模型、参数的设计方案及其依据，并用m a = n ，a b 对系统性能和系 统实现的关键技术进行了数据仿真和分析；最后介绍了以t m s 3 2 0 v c 5 4 0 9 为核 心的系统发送端软硬件设计。 关键词：正交频分复用，电力线通信，自动抄表系统，超窄带通信，发送端， 数字信号处理 a b s t r a c t p o w e r1 i n ec o m m u n i c a t i o nu s e sp o w e r1 i n ea sc o m m u n i c a t i o nm e d i af o r d a t at r a n s m i s s i o na n di n f o r m a t i o ne x c h a n g e w i t ht h ea d v a n c e m e n to ft h e t e c h n o l o g i e so fm o d u l a t i o n 。t r a n s m i s s i o na n ds i g n a lp r o c e s s i o n ，p o w e r 1 i n ec o m m u n i c a t i o ni sd e v e l o p i n gf a s tt h e s ey e a r s b e c a u s ep o w e rl i n e c o m m u n i c a t i o nh a ss e v e r a la d v a n t a g e s ，s u c ha sn on e e do fn e ww i r ea n dl o w c o s t i th a sd r a w nal o to fa t t e n t i o n si na 1 1t h ef i e l d so fc o m m u n i c a t i o n 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 ( o f d m ) i sac r i t i c a l t e c h n o l o g yf o rt h er e a l i z a t i o no fb r o a d b a n dp o w e r1 i n ec o m m u n i c a t i o n i t u t i l i z e ss e v e r a ls u b c a r r i e r sw h i c ha r eo r t h o g o n a lw i t ho n ea n o t h e rt o t r a n s m i ti n f o r m a t i o n ，t h u s ，t h eu t i l i z a t i o no ff r e q u e n c yb a n di se n h a n c e d g r e a t l ya n dt h ef r e q u e n c ys e l e c t i v ef a d i n ga n dt i m ev a r i a t i o ni np o w e r l i n ec h a n n e lc a nb eo v e r c o m ee f f e c t i v e l y i ti sg o o dm e a s u r eo fc r e d i b l e c o m m u n i c a t i o n t h et h e s i sm a k eaa u t o m a t i cm e t e rr e a d i n g ( 从r ) s y s t e mb u y o f d mi nt h ev e r y1 0 wf r e q u e n c y ( 5 - l o h z ) o fp o w e rl i n e i ti sab e n e f i c i a l a t t e m p ta n dr e s e a r c h t h et h e s i sd e i s g na n dc a r r yo u tt r a n s f e rt e r m i n a l o ft h es y s t e m ，t h es i n ki s d e s i g n e db ya n o t h e r s t u d e n t t h et h e s i s i n t r o d u c e st h er m rs y s t e ma n dt h ec h a r a c t e r so fp o w e rl i n ec h a n n e lf i r s t ： a n di n t r o d u c e st h ep r i n c i p l ea n ds o m ec r i t i c a lt e c h n o l o g i e so fo f d mi n d e t a i l ：t h e nt h et h e s i si n t r o d u c e s t h ed e s i g n sp r o j e c ta n dc a u s eo f m o d e la n dp a r a m e t e ro ft h es y s t e m ，a n dd o s es o m ed a t as i m u l a t i o na n d s y s t e ma n a l y s i sa b o u tt h ec r i t i c a lt e c h n o l o g i e si no f d ma n dt h ew h o l e s i m u l a t i o ns y s t e mb ym a t l a b ：a tl a s t ，t h et h e s i si n t r o d u c e st h ed e s i g n s o fs o f t w a r ea n dh a r d w a r e o fs y s t e mt r a n s m i s s i o np a r t ，i t sc o r ei s t m s 3 2 0 v c 5 4 0 9 k e yw o r d s ：o f d m ，p o w e rl i n ec o m m u n i c a t i o n ( p l c ) ， a u t om e t e r r e a d i n g ( a m r ) ， u l t r an a r r o wb a n d w i d t h ，t r a n s f e rt e r m i n a l ，d i g i t a ls i g n a l p r o c e s s i n g ( d s p ) 独创性声明 本人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和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他入已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得鑫壅盘堂或其他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。 学位论文作者签名：辣啦 签字日期：炒6 年调坯日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫壹盘茔有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 髹农 导师签名： 签字日期：纱寸l ，年月川日 签字日期邝寸伤缸堋初硌 矿 天津大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 自动抄表系统简介 第一章绪论 传统的供电计量操作通常是由各管理部门派人到装表地点抄表，由于用户面 广、量大、极易造成差错，人工抄表不但效率低，而且不利于科学管理，给城市 管网的建模、分析、规划等带来很大的困难。随着电子和计算机技术的迅速发展， 造成了应用自动抄表系统实现的可能，这将有利于管理现代化和城市各种信息系 统的建设。 自动抄表系统的选型，主要考虑以下几个方面的功能： ( 1 ) 具有存储功能，在出现特殊故障的情况下，保证以前所纪录的数据不 会丢失； ( 2 ) 具有后备电源，停电时系统能正常工作： ( 3 ) 具有超强抗干扰能力，工作稳定可靠； ( 4 ) 灵活的系统组成方案，可适应于集中小区、高层住宅、零散分布住户 及其它情况特殊的小区，具有极好的扩充性。 自动抄表系统所要完成的功能：完全实现自动抄表功能，电表的读数由安 装在电表内部或外部的计量、通讯模块，实现实时抄、定期抄、断电抄、零点抄 等功能，通过电力载波网络将这些数据抄送到管理处或供电管理部门，可实现实 时段计费功能、防窃电功能、欠费自动断电功能、安全用电管理功能。 1 2 电力线通信信道的传输特性 从六七十年代以来，利用l o k v 以上中高压电力线作为信号传输通道的电力 线载波电话己经获得广泛使用，对高压电力线进行高频信号传输的研究已经非常 深入和成熟。但是，在2 2 0 v 3 8 0 v 低压电力线上进行信号传输，与高压电力线载 波通信有较大区别，突出表现在工作环境恶劣、线路阻抗小、信号衰减强、干扰 大且时变性大等特点。因此，对于低压电力线载波信道，有必要进一步具体分析。 1 2 1 信号衰减 对于低压电力线通信来说，信号衰减十分严重，可以达到l o o d b k m 。衰减 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 的主要原因并不在于电力线本身的阻抗，而是电力线上并联着的许多负载，尤其 是那些用于调整电网功率因数的大电容。对载波通信信号来说，调整电网功率因 数的大电容相当于短路。另外，当负载很小时，发送耦合电路的内阻也会分去相 当一部分的功率。总的来说，电力线上的信号衰减存在以下几个特点：信号衰减 随着频率的上升而增大：信号衰减随着距离的增加而增大：在一些特定的频率点 上，有可能发生窄带衰减：电力网上的电力负载极大的影响载波信号的衰减。由 于负载情况随着时间发生变化，因此在任何给定的频率点上，衰减也会随着时间 变化，其变化范围可高达2 0 d b 低压电力网通信信号的衰减特性很难建立准确的 数学模型，也不能用简单的数学公式来表述，它更适合于用统计的方法来计算分 析。 1 2 2 多径干扰 多径效应是指信号经过不同路径到达目的地时，由于信号的延迟而产生相互 干扰的现象。低压电力网由于所连接的设备数量巨大、种类繁多，整个电力网络 的阻抗随时处于动态变化之中。这样有些用电设备会工作在阻抗不匹配的状态， 造成信号的反射，从而使有用信号可能经过不同的路径到达接收点。由于信号在 每条路径上经历的时间不同，延迟信号在接收端与原始信号叠加产生干扰，即多 径干扰。多径干扰如图2 1 所示。 n 广1 一 震肘信号 事经效虚 n 厂 爱受僵号 图2 1 多径干扰产生原理 当多径信号延迟较短时，这种干扰可以忽略。如果延迟较长，就会使有用信 号产生严重的码间干扰。 1 2 3 高噪声 室内电力线的噪声可分为背景噪声和脉冲干扰，并且在i o k h z 1 0 0 m t z 的频 率内，噪声功率谱密度以2 9 d b d e c a d e 幅度衰减。室内电力线噪声通常有四种：1 硅控整流器及一些电源产生的工频噪声，它会造成整数倍工频上的频谱突变：2 家电中的小电机产生的平滑频谱噪声，其频谱很平坦，可以看作有限带宽的白噪 声：3 由开关切换、闪电、温度调节器或电容充放电引起的单脉冲干扰：4 电视的 行扫描频率产生的非同步周期噪声。 室外电力线的噪声通常有四种类型：1 具有平滑功率谱的背景噪声，其功率 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 谱密度是频率的减函数：2 由开关操作引起的单脉冲噪声，该类型噪声一般持续 时间远小于1 2 5 m s ，与人们的活动密切相关，因此白天脉冲干扰相对比晚上多 得多：3 由可控硅( s c r ) 器件产生的噪声，与电网频率同步，在6 0 一9 5 k h z 的频率 段内，其功率谱密度大约为一7 0 d b k h z ：4 主要由其它电器辐射引起的窄带干扰， 测量表明该噪声与电网频率无关，其功率密度一般为一6 p - 9 0 d b w i ( h z 。 室内干扰与室外干扰的特征有三点：周期性、随机性和多变性。周期性体现 在谐波噪声以交流电频率( f a c ) 的整数倍出现，产生这种周期性干扰的原因是由 于许多用电设备会在工频交流电基波的某个固定相位上释放出干扰。随机性是由 于高压开关的操作、雷电、较大的负荷变化、电力线路上的短路故障等引起的， 往往是能量很大的脉冲干扰或脉冲干扰群，持续时间较短，但能量很集中，频谱 也很宽。多变性表现在两个方面：因时而变和因地而变。因时而变是指在不同时 刻存在不同的干扰的频率和强度。因地而变则分为两种情况：第一种情况是在不 同的电网之间，由于不同的负载连接、线路情况、电网结构等导致电网内的各种 参数的差异，影响到干扰的分布不同：第二种情况是由于千扰在电力线上的传播 要遵循高频信号在电力线上的传播特性及受到电力线上衰减特性的影响，因而对 距离、负载分布具有敏感度，导致同一个低压电网之内不同地点之问存在不同的 干扰情况。 由此可见低压电力线上的干扰特性非常复杂，难以找到一个较为准确的解析 式或数学模型加以描述，导致了长期以来对低压电力线高频信号传输特性的分析 多以定性分析和实验数据测试分析为主。精确数学模型的缺乏，对低压电力线载 波通信设备的设计提出了很高的要求。 1 3 本文所作的工作 由于低压电力线的信道特性的恶劣，目前应用于电力线上的通信方式主要 有三种：窄带通信技术，扩频通信技术，以及近年来飞速发展的正交频分复用 ( o f d m ) 技术。三种技术各有优缺点，本课题设计了基于o f d m 技术的超窄带自 动抄表系统模型，对模型进行了仿真、分析和论证。证明其可行性后，应用1 1 公司的t m s 3 2 0 v c 5 4 0 9 实现该系统的发送端，并设计了发送端的软件系统。进 行了相应的调试工作。该系统的接受端由另一位同学设计完成。 本文的主要内容由以下几个方面组成： 1 0 f d m 原理介绍 2 基于o f d m 的电力线通信系统方案 3 d s p 技术以及t m s 3 2 0 v c 5 4 0 9 芯片简介 天津大学硕士学位论文第一章绪论 4 系统硬件介绍 5 系统软件 5 天津大学硕士学位论文 第二章o f d m 技术基础 第二章o f d m 技术基础 2 1o f d m 系统的历史与发展现状 正交频分复用技术( o f d m ) 的应用已有4 0 年的历史。o f d m 的概念于2 0 世 纪5 0 6 0 年代提出，1 9 7 0 年o f d m 的专利被发表，其基本思想通过采用允许子 信道频谱重叠，但相互问又不影响的频分复用( f d m ) 方法来并行传送数据。o f d m 早期的应用有a n g s c 一1 0 ( k a t h r y n ) 高频可变速率数传调制解调器等。第一个 o f d m 技术的实际应用是军用的无线高频通信链路。 在早期的o f d m 系统中，发信机和相关接收机所需的副载波阵列是由正弦信 号发生器产生的，系统复杂且昂贵。1 9 7 1 年w e i n s t e i n 和e b e r t 提出了使用离 散傅立叶变换实现o f d m 系统中的全部调制和解调功能的建议，简化了振荡器阵 列以及相关接收机中本地载波之间严格同步的问题，为实现o f d m 的全数字化方 案作了理论上的准备。 8 0 年代以后，o f d m 的调制技术再一次成为研究热点。例如在有线信道的研 究中，h i r o s a k i 于1 9 8 1 年用d f t 完成的o f d m 调制技术，试验成功了1 6 0 a m 多 路并行传送1 9 2 k b i t s 的电话线m o d e m 。 1 9 8 4 年，c i m i n i 提出了一种适于无线信道传送数据的o f d m 方案。其特点是 调制波的码型是方波，并在码元间插入了保护间隙，该方案可以避免多径传播引 起的码间串扰。 进入9 0 年代以后，o f d m 的应用研究又涉及到了利用移动调频( f m ) 和单 边带( s s b ) 信道进行高速数据通信、陆地移动通信、高速数字用户环路( h d s l ) 、 非对称数字用户环路( a d s l ) 、超高速数字用户环路( v h d s l ) 、数字声广播( d a b ) 及商清晰度数字电视( h d t v ) 和陆地广播等各种通信系统。 因此，这种多载波传输技术在双向无线数据方面的实际应用是近十年来的趋 势。经过多年的发展，该技术在广播式的音频和视频领域已得到广泛的应用。主 要的应用包括：非对称的数字用户环路( a d s l ) 、e t s i 标准的音频广播( d a b ) 、 数字视频广播( d v b ) 等。1 9 9 9 年i e e e 8 0 2 1 1 a 通过了一个5 g h z 的无线局域网 标准，其中o f d m 调制技术被采用为它的物理层标准。e t s i 的宽带射频接入网 ( b r a n ) 的局域网标准也把o f d m 定为它的调制标准技术。1 9 9 9 年1 2 月，包括 e r i c s s o n 、n o k i a 和w i l a n 在内的7 家公司发起了国际o f d ) t 论坛，致力于策 划一个基于o f d m 技术的全球性单一标准。现在o f d m 论坛的成员已增加到4 6 个 天津大学硕士学位论文第二章o f d m 技术基础 会员，其中1 5 个为主要会员。我国的信息产业部也已参加了o f d m 论坛，可见 o f d m 在无线通信的应用已引起国内通信界的重视。2 0 0 0 年1 1 月，o f 蹦论坛的 固定无线接入工作组向i e e e 8 0 2 1 6 3 的无线城域网委员会提交了一份建议书， 提议采用o f d m 技术作为i e e e 8 0 2 1 6 3 城域网的物理层( p h y ) 标准。随着 i e e e 8 0 2 1 l a 和b r a n h y p e r l a n 2 两个标准在局域网的普及应用，o f d m 技术将会 进一步在无线数据本地环路的广域网领域作出重大贡献。o f d m 由于其频谱利用 率高、成本低等原因越来越受到人们的关注。随着人们对通信数据化、宽带化、 个人化和移动化的需求，o f d m 技术在综合通信领域将越来越得到广泛的应用。 总之，正交频分复用技术( o f d m ) 是一种多载波数字调制技术，虽然其概念已经 存在了很长时间，但是直到最近，随着多媒体业务的发展，它才被人们认识到是 一种实现高速双向无线数据通信的良好方法。随着d s p 芯片技术的发展，傅立叶 变换反变换、高速m o d e m 采用的6 4 1 2 8 2 5 6 q a m 技术、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，人们开始集中越来越多的精力开发o f d m 技术在通信领域的应用。 2 2o f d m 的原理 针对特定的信道设计通信系统，以下几个方面是最重要的设计要求：要充分 利用信道带宽，保证信息传输的可靠性，还要考虑发送功率的限制和系统实现的 复杂性。一种选择是使用单载波通信系统，但是信道的非理想频率响应特性会导 致前后码元之间的相互干扰，称为i s i ( i n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c e ) ，此时必 须使用信道均衡器来补偿信道失真，抵消i s i 的不利影响。另一种选择是使用多 载波通信系统：将信道带宽划分为若干子信道，用不同频率的子载波在子信道上 进行调制。当子信道带宽足够小( 即予信道数目足够多) 时，信道在子信道频带内 的频率响应近似于常数，于是子信道的i s i 可以忽略不计，不再需要信道均衡。 从本质上来说，o f o b l 就属于多载波调制技术，是实现多载波系统的一种新 方式。正交载波与频谱重叠，利用i d f t o f t 实现o f d m 调制解调，循环前缀技术 可以看成o f d m 技术的三大特征。 2 2 1 正交载波与频谱重叠 在单载波通信系统中，在每个码元间隔内，只发送由单载波调制的一个码元， 带宽利用率很低。如果信道的单位时间脉冲响应大于码元间隔( 实际上通常都是 如此) ，那么信道的非理想频响特性还会引起前后不同码元之间的相互干扰，称 为i s i ( i n t e r s y m b o li n t e r f e r e n c e ) 。这对接收端的正确解调是很不利的因 天律大学硕士学位论文第二章o f d m 技术基础 素，这时必须设计和使用信道均衡器来消除码间干扰。这大大增加了通信系统的 成本。复杂度和设计难度。 因此人们提出了多载波的技术思想。把信道可用带宽划分为若干个子信道， 在每个了信道上利用不同频率的子载波进行调制，调制后的波形合并后同时发 送。这样提高了信道带宽的利用率。同时如果子信道的数目足够多，尽管信道在 整个带宽上不是理想的，但是在每个子信道所占据的带宽上我们可以认为频率响 应特性近似理想，这时在每个子信道上的i s i 很小，不会对接收端的正确解调产 生影响，可以忽略不计。 0 f d m 把高速的数据流通过串并转换，分配到速率相对较低的若干个频率子信 道中进行传输，这点与传统的f 1 ) l f 【基本原理相同。但是对f d m 系统而言，传输的 信号需要在两个信道之间存在较大的频率间隔即保护带宽来防止干扰，这降低了 全部的频谱利用率。然而应用0 f d m 的子载波正交复用技术大大减少了保护带宽， 提高了频谱利用率，如图2 一l 所示。 图2 1f d m 与0 f d t 带宽利用率的比较 下面利用数学推导说明0 f d m 是如何实现提高频谱利用率而不影响通信质量 的。 一个o f d m 符号之内包含多个经过相移键控( p s k ) 或者正交幅度调制( q a m ) 的子载波。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( 周期) ， d ，= o ，1 ，2 ，n 一1 ) 是分配给每个子信道的数据符号，z 是第i 个子载波的载波 频率，矩形函数r 8 f 枷= 1 ，| ，| t 2 ，则从，= ，开始的o f o m 符号可以表污为： s ( f ) = r e d ，扇f ( f t t 2 ) e x p j 2 z c f ，( t t i ) 】 一 f 。s f f 。+ r ( 2 一1 ) j s ( t ) = 0t t + t 。 一旦将要传输的比特分配到各个子载波上，某一种调制模式则将它们映射为 子载波的幅度和相位，通常采用等效基带信号来描述o f d m 的输出信号，表示为： s ( f ) = d ，r e c t ( r t ，一t 2 ) e x p 2 巧( f f ，) 】 扛o r 。，f 。+ t ( 2 2 ) 天津大学硕士学位论文 第二章o f d m 技术基础 s ( f ) = ot t + t 其中s ( ，) 的实部和虚部分别对应于o f d m 符号的同相( i n p h a s e ) 和正交 ( q u a d r a t u r e p h a s e ) 分量，在实际系统中可以分别与相应子载波的c o s 分量和 s i n 分量相乘，构成最终的子信道信号和合成的o f d m 符号。在图2 2 中给出了 o f d m 系统基本模型的框图，其中，= 正+ i t 。在接收端，将接收到的同相和正 交矢量映射回数据信息，完成子载波解调。 乩土 刮积分p + c 罗- + 吨2 夏 刮积分卜 并，串 串，并恺卜 +母 e - ，2 矶一；。 p 1 2 1 9 n - i “一。土 甚研 叫沪 图2 2o f d m 系统基本模型框图 如图2 3 所示为在一个o f d m 符号内包含4 个子载波的实例：从中可以看出。 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，而且各个相邻的子载 天津大学硕士学位论文 第二章o f d m 技术基础 t ) d m 子载浚 图2 - 3o f d m 符号内包括4 个子载波的情况 波之间相差一个周期，这一特性可以用来解释子载波之间的i e 交性，即： 吾h c 圳喇吖炒托：二： c z s ， 例如对式( 2 2 ) 中的第k 个子载波进行解调，然后在时间长度t 内进行积分， 即： 会t = ；卜x p 【_ 廊7 k ) 】n 萋- i 懒山2 专凇 = 专篓4 卜x p 伽竽( 凇= 吨。， 根据式( 2 - 4 ) 可以看出，对第k 个子载波进行解调可以恢复出期望信号。而 对其他载波来说，由于在积分间隔内，频率差别( f 一七) r 可以产生整数倍个周期， 所以积分结果为零。 天律大学硕士学位论文第二章o f d m 技术基础 这种正交性还可以从频域角度来解释。根据式( 2 一1 ) ，每个o f d m 符号在其周 期t 内包括多个非零的子载波。因此其频谱可以看作是周期为t 的矩形脉冲的频 o f d m 孑载波额诗 图2 - 40 f o 髓系统中子信道符号的频谱 谱与一组位于各个子载波频率上的6 函数的卷积。矩形脉冲的频谱幅值为 s i n c ( f r ) 函数，这种函数的零点出现在频率为1 t 整数倍的位置上。这种现象可 以参见图2 - 4 ，图中给出了相互覆盖的各个子信道内经过矩形波形成型得到的符 号的s i n c 函数频谱。在每个子载波频率最大值处，所有其他子信道的频谱值恰 好为零。因为在对o f d m 符号进行解调的过程中，需要计算这些点上所对应的每 个子载波频率的最大值，所以可以从多个相互重叠的子信道符号中提取每个子 信道符号，而不会受到其他子信道的干扰。从图2 - 4 可以看出，o f 蹦符号频谱 实际上可以满足耐奎斯特准则，即多个子信道频谱之间不存在相互干扰。因此这 种一个子信道频谱出现最大值而其他子信道频谱为零点的特点可以避免载波间 干扰( i c i ) 的出现。 2 2 2d f t 的实现 傅里叶变换将时域与频域联系在一起，傅里叶变换的形式有几种，选择哪种 形式的傅里叶变换由工作的具体环境决定。大多数信号处理使用d f t 。d f t 是常 天津大学硕士学位论文 第二章o f d m 技术基础 规变换的一种变化形式，其中，信号在时域和频域上均被抽样。由d f t 的定义， 时间上波形连续重复，因此导致频域上频谱的连续重复。快速傅里叶变换( f f t ) 仅是d f t 计算应用的一种快速教学方法，由于其高效性，使0 f d m 技术发展迅速。 对于n 较大的系统来说，式( 2 2 ) 中的o f d m 复等效基带信号可以采用离散 傅里叶逆变换( i d f t ) 方法来实现。为了叙述的简洁，可以令式( 2 - 2 ) 中的r = 0 ， 并且忽略矩形函数，对于信号s ( t ) 以t n 的速率进行抽样，即令 t = k t n ( k = o ，l ，n - 1 ) ，则得到： & = s ( k r n ) ：窆吐e x p ( j 等1 ( o 七n 一1 ) ( 2 i 0 、 j 可以看到等效为对d r 进行i d f t 运算。同样在接收端，为了恢复出原始的数据 符号d ，可以对屯进行逆变换，即o f t 得到： n i 一l 、 吐= 唧e x p i 一_ ，等l ( 0 f n - 1 ) ( 2 - 6 ) j = 0 1 根据以上分析可以看到，0 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。 通过n 点的i d f t 运算，把频域数据符号矾变换为时域数据符号j 。都是由所有子 载波信号经过叠加而生成的，即对连续的多个经过调制的子载波的叠加信号进行 抽样得到的。 在0 f d m 系统的实际运用中，可以采用更加方便快捷的i f f t f f t 。n 点i d f t 运算需要实施2 次的复数乘法，而i f f t 可以显著的降低运算的复杂度。对于常 用的基一2i f f t 算法来说，其复数乘法次数仅为( n 2 ) l o g ：( ) ，但是随着子载波 个数n 的增加，这种方法复杂度也会显著增加。对于子载波数量非常大的0 f d m 系统来说，可以进一步采用基一4i f f t 算法来实施傅里叶变换。 2 2 3 循环前缀技术 循环前缀是0 f i ) i 技术中很有特色的部分，它的直接好处就是几乎消除了使 用均衡器的必要。 在一个离散的通信系统中，当信号x ( n ) 通过脉冲响应为h ( 1 1 ) 的信道后，接 收信号为： y ( 甩) = x ( 聆) 0 厅( 丹) ( 2 7 ) 式中的圆表示线性卷积。 在o f d m 系统中，第n 帧信号x 。( 肌) ，= 0 ，l ，2 ，n 1 ) 通过脉冲响应长度 为l 的离散信道h ( 1 ) 后的接收信号可以表示为： y 。( m ) = 乏： ( ，) ( 一，) ，m = 0 , 1 ，2 ，n i ( 2 8 ) 天津大学硕士学位论文第二章o f d m 技术基础 这里为了分析的方便，假定信道是慢时变的，我们认为h ( 1 ) 与m 无关。序列 h ( 1 ) 的长度为l + i ，序列工。的长度为n ，则y 。的长度为n + l 。所以前后两帧的 接收信号在时间上会有重叠的部分，这就会引起i s i 。为了消除这个i s i ，必须 在两个符号间插入长度至少是l 的保护间隔。这个保护间隔在o f d m 中，又叫做 前导间隔( g u i d ei n t e r v a l ，g i ) 或者前缀( p r e f i x ) 。其时间宽度大于信道的最 大延时扩展( d e l a ys p r e a d ) 。这样前一个符号产生的延时信号完全被前缀吸收， 不会影响后一个符号。可以采用全零前缀，但是这种前缀只能消除符号问的i s i ， 不能消除符号内部的i s i 。为此a p e l e d 和a r u i z 于1 9 8 0 年发明了循环前缀 ( c y c l i cp r e f i x ，c p ) 技术，解决了这一问题。他们不是在符号间插入另外设计 的保护间隔，而是插入o f d m 符号的周期扩展，如图2 5 所示。循环前缀有效地 将信道与发送信号之问的线性卷积近似成循环卷积，从而消除了符号内部的i s i 。 图2 5o f d m 符号的循环前缀示意图 o f d m 系统在接收时只需简单的抛弃前缀，只对后面长度为n 的一段做d f t ， 便消除了i s i 。 使用循环前缀的另一个好处是，如果接收机的符号定时存在误差，但仍然能 保证d f t 窗口在这个符号之内，那么定时误差只会使解调结果中带有附加相移， 并不破坏子载波之间的正交性。 当然，循环前缀的使用也带来了系统性能的损失。首先，系统损失了一部分 信号能量。因为发送功率的l ( n + l ) 用于发送c p ，而c p 在接收端解调的时候是 被丢弃不用的。其次，循环前缀的使用降低了系统的带宽利用率。带宽利用率定 义为：b = r b ，r 为信息速率，b 为系统带宽。加入循环前缀后，为了保持有效 信息速率r 不变，系统的抽样速率增大为原来的( n + l ) n ，我们可以认为子信道 的带宽变为原来的( n + l ) n ，所以o f d m 的总带宽就是( n + l ) b n 。因为有效信 息速率r 不变，所以系统的带宽效率就降低为nb ( n + l ) 。虽然循环前缀带来了 一定的性能损失，但是与它的优点相比，这点代价是很值得的。在一般情况下， 我们把l 控制在n 的2 5 之内。 天津大学硕士学位论文 第二章o f d m 技术基础 图2 - 6 说明了o f d m 系统循环前缀生成和丢弃的过程。 _ 荐 犁 爱冀 i 曼 篓 1 j 垂 出 行 一 - 葬 l 冀 i l 换 l 嚣 i r- i l 发送端 接受端 图2 - 6o f d m 循环前缀的生成和丢弃 2 3o f d m 的关键技术 2 3 1 降低峰值平均功率比 根据中心极限定理，n 个等载波间隔的o f d m 信号可等效成均值为0 、方差为 仃2 的高斯分布随机过程( n 足够大，如n 1 0 0 ) 。因此在某些极端的情况下，不同 子载波在相位和时间上可能线性叠加，产生一些很大的幅度脉冲峰值。随着子载 波数n 的增大，脉冲峰值发生的概率会减少，但峰值会增大。所以在o f d m 系统 中，信号的峰值平均功率比( p e a k t o a v e r a g ep o w e rr a t i op a p r ) 起伏较大，对 射频的线性功放提出了很高的要求，发送端对高功率放大器( h p a ) 的线性度要求 很高且发送功率极低，接收端对前端放大器以及a d 变换器的线性度要求也很 高，因此应该尽可能地降低信号的p a p r 。 为消除这种因为过高的峰均功率比信号而使功率放大器产生的限幅非线性 失真，研究者们提出了很多方法：如限幅加窗选择映射方法、基于g o l a y 序列的 选择映射方法、循环码方法、部分发送序列相位反转方法和基于i n 序列方法等。 对p a p r 的要求一般控制在腿左右，通过合适的算法可以达到此要求。 设发送信号为： s ( 归丽 刍n - i 巩e 2 m 天津大学硕士学位论文 第二章o f d m 技术基础 根据p a p r 的定义可得： 删k 器- l + 熹m a x 【善n - ir 酬2 疵亍t e 1 s c t ) | ) 】 2 1 智 、 r “ n - i - k 其中r k = d ，z + i 预编码方法，是使各子载波间的传输信息相互关联，以达到降低p a p r 的目 的，这类方法有良好的数学结果，实现简单，运算量小，同时因为编码具有纠错 能力，在减小p a p r 的同时又能实现前向纠错，提高了频谱利用率，基于互余序 列的分组码就是其中的一种编码方案。 也可以从实际实现的角度出发来降低p a p r ，如果一组o f d m 发送符号的时域 信号幅度低于所要求的门限值，则将其不加任何变换地发送出去，否则通过某种 收端已知的变换方法对信号进行变换，直到其时域信号幅度满足要求，同时以非 常小的代价将变换中的一些参数( 如变换次数等) 发送给对方，这种方法虽然成倍 地增加了计算量，但随着微电子器件的发展，运算速度的提高，将更引人注目。 选择映射( s l 吣方法，通过引入小的冗余来提高p a p r 的统计特性，在s l m 中， 发射机产生一系列不同候选信号的集合，这些信号表示了相同的信息，从中选择 最好( p a p r 最小) 的集合来发射，这样p a p r 的降低是无畸变的。基于部分传输序 列最优组合的方法( o c p t s ) ，在同样的运算量下，取得比s l m 更好的效果。 也可以采用复杂度低的压缩技术来降低p a p r ，其基本原理就是保持大的信 号，放大小的信号，它的缺点是功率放大器的输入信号的平均功率增大了，这对 大功率放大器的非线性更敏感。因而考虑将限幅和压缩方法相结合，即压缩转换 降低p a p r 的方法，它的基本原理是压缩大的信号放大小的信号，使得发射信号 的平均功率保持不变，这样可以提高性能。 2 3 2 同步 同步包括o f d m 符号同步( s y m b o ls y n c h r o n i z a t i o n ) 、载波同步( c a r r i e r s y n c h r o n i z a t i o n ) 和采样频率同步( s a m p l i n gf r e q u e n c ys y n c h r o n i z a t i o n ) 。符 号同步是使收发双方确定o f 晰符号的起始位置，载波同步是指收发双方对于各 子载波的频率误差的校正，频率误差的存在将严重破坏子载波之间的正交性，导 致子载波干扰，使误比特率大幅度增加，因而载波同步对于o f d m 接收机是非常 重要的。采样频率同步是指收发双方对于采样频率偏移的校正，采样频率偏移会 导致在非信号峰值采样，引起信号幅度减小，还引入了相邻信道的信号干扰，使 误比特率增加。 同步的实现可以根据实际情况在时域或频域进行，也可结合时域和频域同时 天津大学硕士学位论文 第二章o f d m 技术基础 进行。 时域同步算法主要有两种，即基于导频( p i l o t s ) 和基于循环前缀( c p ) 的同步 算法。 在基于导频信息的时域同步方法中，o f d m 信号是用调频( f m ) 的方式发送的， 系统保留了一些相位与幅度都已知的子信道作为传送导频之用，在执行算法时将 对这些子信道进行编码。算法包括三部分：功率检测、粗同步( 捕获) 和细同步( 跟 踪) 。在功率检测中，接收端将检测接收到的信号功率，并将之与门限比较，从 而判断o f d m 信号是否已经到达接收端。在粗同步阶段，通过将接收信号与存储 在本地的复制的同步信号作相关运算实现定时误差控制在0 5 个抽样值以内。 在细同步阶段，每个子信道都有其导频信息，每个子信道都由导频信息提供的信 道特征进行均衡。由于租同步已经保证定时误差在0 5 个抽样值之内，信道中 的冲激响应就应己经落在c p 以内。导频子信道上剩下的相位错误是由定时错误 引起的，可以通过线性回归来估计。 基于c p 同步完全利用一个符号的循环前缀部分与末尾部分的相关性在时域 进行相关运算得到。设一个符号周期内有用信号长度为n ，循环前缀为l ，且最 大延时f 。小于循环前缀的时间，同时要求数据的随机性良好，连续符号不相关。 当起始位置落在循环前缀内时，信号是以n 为周期进行周期扩展，令接收信号为 r ( n ) ，n = 0 ，1 n - 1 ，计算r ( n ) 与r ( n + n ) 的差，如果。取值使得起始位置在理 想同步范围内，则r ) 一r ( n + ) m 0 ，进行求和运算得： 1 = 0 ，1 ，。n 一1 显然有( ，) 0 ，令正确同步时对应的时刻为。，l h + 三一f 一7 时刻就是 时域同步需要找到的一个符号的起始同步位置。 频域同步是利用经过d f t 解调以后得到的频域数据进行同步位置调整，通常 采用插入导频( p i l o t s ) 或同步训练帧方式以完成同步调整或同步初始化。这种方 法性能好，但会造成带宽和功率的损失。另一类频域同步方法是盲估计方法，其 中最简单的是直接判决，它利用解调后信元速率数据检测相位或频率误差。 2 3 3 信道估计 由于o f d m 系统仅需要简单的频域均衡就可进行高速率的数据传输，而要获 得更高的性能，就必须对信道的传递函数进行准确的估计。在o p d m 系统中，对 信道传递函数估计的主要方法是基于频域导频的插值技术的信道估计方法，其主 要原理是在发射端将导频符号插入数据符号中，在接收端从数据符号中取出导频 符号并获得导频符号位置处子信道传递函数的估计，两个导频符号位置之间的子 d + + ” ，l r一 、， ，+玎 ( r r 芝 一l = 、，u 天津大学硕士学位论文第二章o f d m 技术基础 信道传递函数通过插值的方法获得。 o f d m 系统中接收器收到的信号可表示为： r c n ) = s ( 疗) o h c n ) + w ( 甩) 其中s ( n ) 为发送数据序列，h ( n ) 为信道脉冲响应序列，w ( n ) 为加性高斯白噪声 序列，假设为理想同步，删除c p 后的接收信号经f f t 解调输出为： r ( t ) = 砜 只( 玎) = 日( 女) p ( t ) + h c k ) d ( k ) + ( 七) p ( k ) 和d ( k ) 分别是数据信号序列和导频信号序列，可见慢时变信道对信号的影 响只是乘上信道在该子载波频率处的响应，并加上高斯白噪声，若能较为精确地 估计出信道响应，对接收信号进行均衡，就可得到准确的解调信号。 在o f d m 系统中，信道估计器的设计主要面临两个问题，其一是关于导频形 式的选择：其二是关于如何设计出有较低的复杂度又有良好的导频跟踪能力的信 道估计器。 决定导频形式的最重要的参数是最小相关时间( 取决于发射机与接收机的最 大相对速度) 以及最小相关带宽( 取决于信道最大多径时延) 。导频要放置得尽可 能近，从而能够反映信道传递函数在时域和频域的变化，又要放置得尽可能远， 从而能够提高系统的利用率，提高传输速率。实际系统中导频就是以上两个因素 的折衷。 o f d m 信道估计算法包括两部