（通信与信息系统专业论文）cofdm传输系统中关键算法的研究.pdf

摘要 本文奔绍了无线通信的发震现状，阐述了c o f d m ( 编码正交频分复翊) 传输 系统的基本原璎，并对基于d v b t 标准的数字视频地蕊传输系统中的关键部分： 符号同步、频率同步、信道估计与均衡三部分进行了分析，讨论了每一部分的重 要 乍用及其中关键冀法的依掇、基本思想积算法优劣。在对冬冀法遴行m a t l a b 瞧 能仿真和比较的基础上，探讨了算法上一些值得改进的地方，给出了部分实现枢 图鞠乐理分毒厅。最后介绍了在s i m u l i n k 软停下，对整个系统进行稔建酶方法，并 讨论了部分实现框图。 关键词：高清晰发电襁正交频分复用符号嘲步频率同步信i 夔估计 a b s t r a c t i nt h i sp a p e gt h ed e v e l o p m e n to fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ni si n t r o d u c e d ，t h e p r i n c i p l e s a n dt h e o r i e so ft h ec o f d m ( c o d e do r t h o g o n a l f 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 y s t e ma r ed i s c u s s e d ，a n dd e t a i l e da n a l y z e so nt h et h r e ek e ya l g o r i t h m so fs y m b o l s 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 ，c h a n n e l e s t i m a t i o ni n d i g i t a l w i r e l e s s t r a n s m i s s i o n s y s t e m a r ec a r r i e do u tb a s e do nt h e e u r o p ed v b - ts t a n d a r d ，w h i c h i n v o l v et h ei m p o r t a n tr o l eo fe a c hp a r ta n dt h eb a s i so ft h ea l g o r i t h m s a f t e re x e c u t i n g t h ep e r f o r m a n c es i m u l a t i o na n dc o m p a r i s o n ，s o m ei m p r o v e m e n t sa r ep r o p o s e d ，t o g e t h e r w i t hs o m er e a l i z a t i o nc h a r t l a s t l yab r i e fi n t r o d u c t i o no ft h er e a l i z a t i o no ft h ew h o l e s y s t e mu s i n gs i m u l i n k i sg i v e n k e y w o r d ：h d t vo f d m ，s y m b o ls 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 ， c h a n n e le s t i m a t i o n 声明 创新性声明 本人声明所呈交的论文是我个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中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得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做了明确的 说明并表示了谢意。 本人签名：马红孚 日期2 d 0 3 比i 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。 学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。( 保密的论 文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密在年解密后适用本授权书。 本人签名：马红辱日期二口0 3 j j 6 导师签名： 秘 日期2 口。孑f ，6 第一章绪论 第一章绪论 科学的革新和科技的进步，使我们的世乔发生着巨大的变化。数字技术的发 展，特别是微电子、计算机、通信技术和数字压缩处理传输技术的发展，以及新 技术的应用，为我们提供了高质量的生活。然而，对技术进步的追求是永无止境 的，在任何地点，任何时间和任何人进行任意信息的通信一直都是人类美好的愿 望。在无线通信领域，需要满足更高带宽、更快速率的要求，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。而这些愿望的实 现，都有赖于对新技术的研究和应用。 1 1 无线通信现状 无线通信在短短的几十年里经历了从模拟到数字、从f d m a ( 频分多址) 到 c d m a ( 码分多址) 的巨大发展，期间其关键技术本质的转变，使其所能提供的 业务和传输速率也有所不同。第一代模拟系统仅提供模拟语音服务和简单的信令， 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 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。为了 满足更高速率数据传输的要求，必须从通信网络的交换、传输和接入等各个环节 进行研究和突破，尤其是在移动环境和有限频谱资源条件下，如何稳定可靠高效 地支持高速率的数据传输值得研究。对它们的深入研究，就是新技术的依据。 目前的新技术，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”。第四代移动通信系统预计系统速率可达到2 0 m b d s ， 甚至更高。其关键在于，计划以o f d m ( 正交频分复用) 为核心技术，从而使该 通信系统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，不仅仅可以 增加系统容量，更重要的是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。众多的专家学者 针对o f d m 在无线通信技术上的应用，提出大量相关的理论。 o f d m 并非新生事物，早在1 9 7 0 年就衍生出采用大规模子载波和频率重叠技 术的o f d m 系统。由于o f d m 的调制采用f f t 实现，而在实际应用中，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。后来大规模集成电路的发展 使f f t 的实现成为可能，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， c o f d m 传输系统中关键算法的研究 o f d m 技术的实现和完善指日可待。 目前o f d m 技术已经被广泛应用于广播式的音频和视频领域和民用通信系统 中，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 标准的数字音频广 播( d a b ) 、数字视频广播( d v b ) 、高清晰度电视( h d t v ) 、无线局域网( w l a n ) 等。欧洲的d a b 试验系统已在运行，很快吸引了大量听众。它明显地改善了移动 中接收无线广播的效果。用于d a b 的成套芯片的开发正在一项欧洲发展项目中进 行，它将使o f d m 接收机的价格大大降低。市场前景非常看好。 在无线局域网领域中，1 9 9 9 年通过了5 g h z 的无线局域网标准i e e e 8 0 2 1 1 a ， 其中物理层标准采用o f d m 调制技术。e t s i 的宽带射频接入网( b m n ) 的局域 网标准也把o f d m 定为它的调制标准技术。 当前国际上全数字高清晰度电视传输系统中采用的调制技术中就有o f d m 技 术，欧洲h d t v 传输系统已经采用c o f d m 技术。它具有很高的频谱利用率，进 一步提高了抗干扰能力，满足电视系统的传输要求。下面，让我们来看一下h d t v 的发展现状和未来的展望。 1 2h d t v 的发展现状及展望 地面广播电视技术研究起始于4 0 年代，经历了从模拟黑白电视向彩色电视的 发展，现在正在进入数字高清晰度电视阶段。随着社会的进步和科技的日新月异， 人们对信息的需求与重视与日俱增，人们要求电视不仅满足其跨越时空、沟通感 情和传递信息的要求，同时还要求传递的图像与声音具有临场感和真实感，图像 的层次应更加分明，更加清晰，这些都有赖于数字电视的实现。数字电视技术融 合了当今众多的高新技术，它的发展将带动整个电子信息技术及相关领域的发展， 被称为继半导体、电子计算机之后电子行业的第三次机遇。而数字电视技术的水 平高低更成为一个国家的科研技术水平和经济实力的标志。当前各国都把数字视 频地面广播( d v t b ) 传输标准的制定作为下一代无线通信发展的契机。 数字高清晰度电视有以下主要特点： 更高的清晰度。高清晰度大屏幕画面和高保真立体声伴音是数字电视突出的 特点，即使近距离观看也能欣赏到鲜明的图像，不会产生不真实的感觉。由于具 有行场扫描线数多、屏幕大和视角宽等特征，数字电视有更强的临场感和立体感。 更高的频率利用率和更加丰富多彩的电视节目。与模拟电视信号相比，数字 电视在同样的频带内可传送4 8 个节目，节目容量要大得多。而且数字电信号更容 易记录、传输和存储，使得电视节目的来源更加丰富。 更加多元化的服务。数字电视的发展将促迸多媒体通信产品的相互融合，产 生多种新的信息业务。随着数字电视技术的发展，数字电视将成为集电视、电脑 第一章绪沦 和电信三大功能于一身的霖庭多媒体中心。 互操作性好。茹子和其他数字通信系统交换信怠，提高信怠的传输利用率。 以上这些优秀的品质都是基于通信技术的进步而获得的。h d t v 设计的理论 和技术问题禳广，其中主嚣包括三个方面的技术，即：信源压缩编码，信道编码 技术及传输调制技术。传输调制方式是h d t v 镕刳的核心内容。泼如低误比特率、 高数据率、合理的性价比、更大的覆盖范围、更高的可靠性、对其他系统的干扰 壤，l 和采舅l 摹频圈等润题怒h d t v 亟待解决豹闺题，它们掺鞠了今后h d t v 璎论 和技术研究的主导。 茸蓠，全球共有三释数字电税的圭氇黼传输标准，分巅燕：美国a t s c8 - v s b ( 9 s 年) 、欧洲d v b - tc o f d m ( 9 7 年) 和日本的i s d b ，t o f d m ( 9 9 年) 。采用美国a t s c 标 准的其他国家和地区有加露大、蹩西哥、阿根廷和韩国等；选择d v b t 标准的国 家和地区除了英国、法国、透班牙、瑞典等欧溯国家外，还有澳大利亚、颓嚣兰、 新加坡、印度、台湾等国家和地区：日本的i s d b t 内于提出得比较晚，目前除了 爨本卦，还没有被裂豹国家选定。 我国政府很早就认识到了数字电视及其产业化的重大战略意义，从1 9 9 2 年就 开始缀织对数字电溉的研究工作，1 9 9 8 年9 胃h d t v 总体编完成了 d 1 v 功能样 机系统( 地蕊广播) ，1 9 9 9 年1 0 月组织实施了国庆5 0 周年活动h d t v 地面广播 实况转播试验，2 0 0 0 年5 月在北京、上海、深圳三地进行数字电视地面广播传输 系统现场测试e 2 0 0 2 年底，我藿将划定鑫己熬数字奄援有线传输标准，2 0 0 3 霉将 完成自己的数字电视地面传输标准的制定工作，并将在在2 0 1 5 年港本完成模拟电 程囱数字宅裰瓣过渡。 总体看来，数字电视地面传输系统有以下要求【2 1 ： 数字电视接收应至少与现有模拟电视接收一样好： 系统的数据传输容量应褥到保证： 系统必须支持便携接收应用： 系绞应考疼支持移动接牧应建： 系统应方便频谱分配并支持麓转广播： 菇外，系统应允诲多释成本价格豹绥收枫实现，龟括低成本实现。 总之，集电子信息技术于一艚的高清晰废电视技术倍受关注。它的发展标志 着信息技术，如数字信号处理、计算机技术、集成电路技术、数字通信技术、谨 示器 孛、摄像器件及电子材料等的水平和进步。我国的裹瀛额度媳视拥有巨大的 市场潜力和无限商机。 1 3 本文的主要工作 c o f d m 传输系统中关键算法的研究 本文研究的方向正是o f d m 系统传输理论和其中的关键算法研究及实现。 本文主要的研究内容是o f d m 系统的传输理论( 包括对信道的研究) 以及其 中关键算法的研究，主要是符号同步、频率同步、信道估计方面的新算法的研究 和性能分析。论文结构安排如下： 第一章绪论；对目前所涉及o f d m 技术的无线通信和h d t v 进行综述。 第二章c o f d m 系统传输方案；介绍o f d m 系统传输方案并分析其基本原理。 第三章符号同步算法；分析系统中的符号同步算法，并进行新算法的探讨。 第四章频率同步算法；讨论频率同步中的各种算法及改进措施。 第五章信道估计与均衡；系统中信道估计的内插方法等算法的研究。 第六章介绍s i m u l i n k 进行传输系统的仿真的方法和技巧。 籀二章c o f d m 系统传输方案 第二章c o f d m 系统传输方岽 如前文所提到的，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 ) 技术 并不是辑技术，它最早起源子6 9 年代中蠲，蓠先应瘸子军事灞颓 l 吖 一 j + o 5 ，c m l ( 4 1 4 ) l m ， 其他情况 该算法中的t 在多径信道情况下，常设为0 2 ，此时剩余的频偏为0 2 3 0 2 9 ， 该算法不会摆动，可以很快的得到稳定的正确的频偏。 对算法分析可以看出，针对原整数倍频偏估计的不足，算法将0 5 处的整偏 精确到了0 5 ，而非原来的0 或者1 ，这样虽然并没有在算法的准确度上提高性能， 但大大有利于算法的收敛速度，从而大大提高了整个频偏反馈系统的收敛速度， 相比较于前面的算法，使用更少的符号就可以得到稳定的频偏，缩短了频率同步 的时间。频偏为2 5 时原算法的仿真结果见图4 1 2 ，在频偏为1 5 时改进算法的结 果见图4 1 3 【1 7 】。 图4 1 2 原频率同步结果 3 8c o f d m 传输系统中关键算法的研究 圈4 1 3 改进算法的频率同步学习曲线 小结 本章主要讨论了频率偏移的几种 蠢计算法，给出了主蒙算法的性能曲线和校 正反馈环路。频馕阈步包援整镶葶曩小馈嚣部分，分裂依据不月麴数据霹褥不藏豹 几种方法。本章讨论了各个算法的出发点和思想，并对每个算法进行了大致的比 较，褥到其瑗论上懿经能优劣。 幽于频偏同步和前面的符号同步是紧密相连的，因此髂个同步系统要统筹考 虑。整编和小偏的梭能及梭正在同步反馈中彼此影响，每一个环节都会影晌熬个 同步的效果。文中还着重讨论了蹩镳估计的一秘算浚，通过对该葵法的分板，找 到限制其算法性能的瓶颈，通过利用更多的倍息，可得到种性能更为优越的算 法。此铃，搬攮该憨想，还哥强遴_ 步分辑，褥到受好瓣算法。 第五章信道估计与均衡 第五章信道估计与均衡 在前面两章里面，讨论了符号同步和频率同步算法，接收机接收到的数据在 经过了同步之后的数据，与原发送信号相比已经有了正确的帧起始和子载波频率， 但其中仍包含了信道对数据的影响，从而每个子载波上仍存在幅度或相位的差别。 这是因为该传输过程经过了地面无线传输信道。该信道使得传输信号经过多径衰 落之后信号发生畸变，接收机必须消除信道对数据的影响，以最大限度的恢复出 原始信号。这一部分就称为信道均衡。 如前面所述，o f d m 不同于其他调制的一个特点还在于它的均衡容易实现， 单载波调制系统中，一般采用时域自适应均衡器来对抗信道的动态变化。多载波 c o f d m 调制系统比其优越的一点在于它的均衡实现更为简单，根据信道估计得到 信道的特性，可以很容易的将信道对数据的影响均衡掉。第二章中已经简略介绍 了信道估计的一般方法，通常在o f d m 符号中插入导频信号来进行信道估计，利 用接收到的导频信号动态地跟踪信道的变化特征，进而再利用这些实时的信道信 息进行信道均衡，以消除信道对于传输数据所叠加的影响。 5 1 无线传输信道 由于射频电波经过不同的反射物到达接收机，从而造成多径效应，接收机收 到的信号实际上是不同路径信号的叠加。如果o f d m 保护间隔大于最大多径时延， 则可以避免i s i ，信号的叠加只是同一符号上不同载波数据幅度畸变和相位翻转后 的混迭。对于c o f d m 接收机而言，并无确定的主径或于扰径之分( 尤其在瑞利 衰落信道) ，在接收机同步部分，通常将信号能量最大的一条径作为主径来进行符 号定时。因此从这一角度来说，可以将距离主径最远的一条径( 相对于主径幅度 不能太小) 的距离称为最大多径时延。最大多径延迟越长、幅度越大则信道频率 响应各个载波点相关性就越弱，衰落点就越多，信道特性越恶劣。 对该通信系统进行信号分析，假设调制端发送的数据为s b ) ，信道脉冲响应为 h ( n ) ，则接收到的数据，( n ) 时域表示为： y ( 月) = x ( 以) o ( 胛) + w ( 疗) 式中w ( n ) 是信道加性白噪声。在频域则可以表示为： y ) = x ( k ) 日 ) + ( 七) 由上式可见，在频域上传输信号除了叠加了加性的白噪声干扰亿) 之外，还 有一个乘性干扰日( 七) 。在实际的多径信道中，o f d m 频谱带内的衰减( 七) 将会是 动态变化的，不同的子载波面对的将是不同的予信道特性。 无线信道通常采用广义静态非相关分布( w s s u s ) 信道模型来定义，假设信 道包含了条多径，每一条多径有一单独的相位眈和时延扩展l ，信道的二维频 c o f d m 传输系统中关键算法静研究 率稳应霹以定义为【1 8 t ： 援汐， ) 2 牌专善魄”如“2 如( 5 - 1 ) 式中或是鞠德，五是多麓勒频移。三令关键参数疙、矗、靠燕峦其穰应静联合 概率密度函数所决定的随机变量。由于信道脉冲响皮会引入i c i 和i s i ，从而导致 信道侮诗更为复杂，还需要考虑清除簿这两个于挽静影嗡的。这藿我稍骰设符号 中的保护间隔大于信道的时延扩展，即将信邋延拓限制在循环前缀中，此时接收 到的信号可阻更加舆体的表示为： y k 3 = hk | x 雌+ n i | 其中，为符号的序号，k 为予载波的序号，五。为传输信号，帆。为独立间分 毒复燕簸噪声变量。 h 为信道频率响应的采样，可以表示为峨= h ( k a f ，以) ，式中t 为符号持 续露闻宓霸奄含海隔辩闽，磊厂为予载渡瀚隔。接收端静频点处的信道确成可以瀵过 已知的导频信号和接收到的导频信号计算得出，这棚当于接收机对信邀的频率特 性进行了采样，下面给出信道响j 藏的二维采样表达式f 1 8 1 1 2 0 2 。 移动接收时，会产生多酱羲( d o p p l e r ) 效应，傣道戆多簧勒分毒函数可激峦 信道的频率响应h ( f ，) 进行傅立叶变换得到： s ( f ，厶) = ee ( 厂，r ) e j z , , , c e - j 2 4 0 d f d t ( 5 - 2 ) 上式可以近似肴作截此频率为f 。和厂d 。的低通滤波器，这两个参数都是由 售遂嚣系统懿参数来决定豹。爱一示意露哥将涔( t 厶) | 表示懿下： ：涵一 图5 1 多普勒分布函数示意髓 一个周期的采样栅格可以用s ，、s 。：、s ：。、j ：来表示藏范围，则此时的采样 融变频察响应为 艄岫 h a ( f ，f ) = h ( f ， ) a ( f 一掰；l 鲈一k s 2 4 f ，f 一避，乏一坞：乏) ( 5 3 ) n 2 o 女“ 将式( s - 3 ) 进行二维傅立时变换，霹以褥到嚷艨戆多蛰勒分蠢函数，粳摇系 统中利用的导频数据特性，可以得到信邋二维采样模毅。 第五章信道估计与均衡 在c o f d m 系统中定义了两种信道模型，分别是固定接收( f 1 ) 和便携接收 ( p 1 ) ，具体定义及参数可参考文献 1 的d v b t 标准。 在信道特性被估计出之后，可以通过均衡来消除信号中信道的影响。下面介 绍一下均衡的思想。由于信道对数据的影响在每个子载波上相当于幅度的衰落与 相位的旋转，即进行了一次复数乘法，则利用信道估计出的信道特性，对数据再 进行一次复数除法，消掉该信道影响，这就是信道均衡。总之，信道估计利用导 频提取出信道信息，得到第k 个子载波上的信道特性巩，信道均衡器将该子载波 上的数据乘以一个复数因子c 。= 1 巩。 5 2 c o f d m 系统中的信道估计概述 几种常用的信道估计方法有f p f i ( 频域导频频域内插) 、f p f a ( 频域导频频 域平均) 、f p t a ( 频域导频时域平均) 、t p t c ( 时域导频时域相关) 等几种，这些 方法主要思想是首先根据已知的信息得到某些点的信道响应，然后用内插或平均 获得相关的方法得到所有点上的信道响应。采用什么样的信道估计方法，跟系统 的帧结构、参数等有密切的关系。同样信道又影响甚至决定着系统参数的选择。 这几种信道估计方法中，f p f i 由于在频域中进行，其估计值只与同一符号内 相邻载波有关，相邻符号间求相关估计的距离比较短，可以较好的跟踪当前符号 的变化，从而适用于快变信道，尤其是在时间方向