（物理电子学专业论文）ofdm及其在低压电力线通信中的应用分析与仿真研究.pdf

摘要 随着社会的发展，频带资源短缺与日益增加的使用者之间的矛盾越发 尖锐。提高频带利用率和开拓新的通信资源成为解决这一矛盾的两个重点 工作方向。o f d m 调制技术具有频带利用率高，传输速度快，抗干扰能力 强等优点，能有效提高频带利用率，缓解频带短缺矛盾。基于o f d m 的低 压电力线通信充分利用低压电力网现有线路和设备实现高速数据通信，具 有成本低廉，方便快速等优点，为人们提供了一种新的高速通信方式。因 此，对o f d m 及其在低压电力线通信中的应用进行深入研究具有非常重要 的现实意义。 本文对传统数字调制技术性能特性进行简要分析，并对o f d m 调制技 术的提出，基本思想，基本原理，实现方法，主要应用，性能特性等进行 了较为全面的分析讨论。针对o f d m 的均衡问题，在对电力线信道特性进 行分析的基础上就时域均衡和频域均衡进行了详细讨论，并对两种均衡算 法( 基于导频算法和1 m s 算法) 进行了分析对比。针对o f d m 的p a p r 问 题，对p a p r 问题的原理，p a p r 过高带来的危害，降低p a p r 的方法及其实 用性进行了详细讨论，在对降低p a p r 的传统算法进行深入研究的基础上， 提出了改进算法，并进行了m a t l a b 仿真实验，实验结果表明，改进算法 在付出p a p r 略微增大的条件下大大减小计算量，达到了实用化的目的。 作为o f d m 的一个具体应用，本文在分析电力线信道特性的基础上，提出 了一种基于o f d m 技术利用低压电力线接入i n t e r n e t 的解决方案，根据这 个方案完成了p l cm o d e m 的设计制作调试实验工作，产品达到设计要求。 本文的主要工作及创新之处在于： ( 1 ) o f d m 在信道环境恶劣，信噪比较低时关闭一些受影响的子带，使 通信速率下降。本文将均衡技术引入o f d m 系统，使一些关闭的子带重新 传输数据，从而提高通信速率。本文针对两种均衡算法( 基于导频算法和 l m g 算法) 进行了详细的理论分析比较，并进行仿真实验。理论分析和仿 真实验的结论都表明对于信道特性变化较大的信道采用基于导频的均衡 算法较好，o f d m 在电力线通信中的实际应用也印证了这个结论。 ( 2 ) o f d m 的缺点之一是p a p r 过高，很多降低p a p r 的传统算法都因为 计算量太大而无法实用，本文对传统算法进行改进，理论分析表明，改进 后的算法在付出p a p r 略微增大的代价的同时换取了计算量的大大减少， 改进算法更具有实用性。仿真实验的结果也证明了这个结论。 ( 3 ) 作为o f d m 的一个具体应用，在分析电力线信道特性的基础上，本 文提出了一种基于o f d m 技术利用低压电力线接入i n t e r n e t 的解决方案， 根据这个方案完成了p l cm o d e m 的设计制作调试实验工作。实验结果表 明，设计的p l cm o d e m 达到了设计要求。 关键词：o f d m ；p l c ；均衡；p a p r i i a b s t r a c t w i t hd e v e l o p m e n to f s o c i e t yt h ec o n f l i c tb e t w e e nl a c ko fb a n d w i d t ha n d t h eg r o w i n gu s e r sg e t sw o r s e t h e r ea r et w oi m p o r t a n ts o l u t i o n st ot h et r o u b l e ， o n ei st oi m p r o v et h ee f f i c i e n to fb a n d w i d t ha n dt h eo t h e ro n ei st oe x p l o i t n e ws o u r c ef o rc o m n m n i c a t i o n 0 r t h o g o n a l f r e q u e n e y d i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ( o f d m ) i sad i g i t a l m o d u l a t i o nt e c h n i q u ew h i c hh a ss o m a n y f e a t u r e ss u c ha sh i g he f f i c i e n to fb a n d w i d t h ，f a s td a t at r a n s m i t t i n g t h e c o m m u n i c a t i o no nl o wv o l t a g e p o w e rl i n e b a s e do no f d mc a nu s et h e e x i s t i n gl o wv o l t a g ep o w e rl i n en e t w o r kt oc o m m u n i c a t i o nw h i c hc o s ti s l o w a n di sc o n v e n i e n t i ti san e wm e t h o do fh i g hs p e e dc o m m u n i c a t i o na n dt h e r e s e a r c ho no f d ma n di t s a p p l i c a t i o no nl o wv o l t a g ep o w e rl i n e h a sg r e a t s i g n i f i c a n c e t h i sp a p e rm a k e sas i m p l ea n a l y s i so nc o n v e n t i o n a ld i g i t a lm o d u l a t i o n t e c h n i q u e ，a n dm a k e sac o m p l e m e n ta n a l y s i so no f d m t h ep a p e ra n a l y z e s t h ef e a t u r eo f p o w e rc h a n n e l ，a n dg i v e sad e t a i ld i s c u s so n t h eb a l a n c ei nt i m e f i l e da n df r e q u e n c yf i l e d ，a n dc o m p a r e st h et w ob a l a n c ea l g o r i t h m s a i ma t t h ep e a k t o a v e r a g ep o w e rr a d i o ( p a p r ) ，t h ep a p e rg i v e sd e t a i la n a l y s i so n i t st h e o r y t h eh a r mw h e np a p ri st o oh i g ha n dt h ew a y t or e d u c ep a p r t h i s p a p e rp u r p o s eai m p r o v ea l g o r i t h mo nt r a d i t i o n a l p a p r a n dg i v e so u tt h e r e s u l to nm a t l a b t h er e s u l ts h o w st h ea l g o r i t h mc a nb ep r a c t i c a l a s a a p p l i c a t i o no fo f d m ，t h i sp a p e rp u r p o s e das o l u t i o nw h i c hu s e sl o w v o l t a g e p o w e rl i n et oa c c e s si n t e r n e t t h ep r o d u c t t h es c h e d u l e dr e m a n d s t h em a i nc o n t e n ta n dc r e a t i v ew o r k i nt h i sd i s s e r t a t i o na r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) w h e nt h ef e a t u r eo f p o w e r c h a n n e li sb a d ，a n dt h es i g n a l - n o i s e r a t i o ( s n r ) i s s l o w , o f d mw i l lc u to f fs o m es u b b a n d s ot h a tt h es p e e do ft h ec o m m u n i c a t i o nw i l l s l o w t h ep a p e rp l a c et h eb a l a n c et e c h n o l o g yi n t ot h eo f d ms y s t e m ，t h e nm a k e s o m e s u b b a n dr e t u r nt oc o m m u n i c a t e ，a n dt h i sw i l lg e th i g hs p e e dc o m m u n i c a t i o n ( 2 ) o n ed i s a d v a n t a g eo f o f d mi si t sp a p ri st o oh i g h ，m a n yi n d i c a t e sa i m t os l o wd o w np a p rc a nn o tc o m e t o r e l a t i v i t y b e c a u s eo ft h e i r h i g h c a l c u l a t e t h i s p a p e ra m e l i o r a t e s o m et r a d i t i o n a l g o r i t h m s 。b o t h t h e o r e t i c s a n a l y s e a n de x p e r i m e n ti n d i c a t et h a tt h ei n d i c a t e a m e l i o r a t e dr e d u c et h e c a 】c u 】a t e 1 l i ( 3 ) a saa p p l i c a t i o no fo f d m ，t h i sp a p e rp u r p o s e das o l u t i o nw h i c hu s e s l o wv o l t a g ep o w e rl i n et oa c c e s si n t e r n e t b a s e do nt h es o l u t i o n ，ia c c o m p l i s h t h ed e s i g n ，e x e c u t i o n ，d e b u ga n de x p e r i m e n to fp l cm o d e m 。 k e y w o r d ：o f d m ；p l c ；b a l a n c e ；p a p r 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 作及取得的研究成果。据我所知，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过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它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 确的说明并表示谢意。 签名：丑箍日期：2 。斗年岁月7 日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：望亟导师签名： 1 2 业窿退 日期：2 0 0 4 年5 月 日 电子科技大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1o f d m 和p l c 的实用价值与理论意义 随着社会的发展，在国民经济和人们日常生活中的信息传输量越来越 大，传输方式越来越多，人们对信息传输的要求越来越高。同时，频带资 源不足，频带资源曰益短缺和越来越多的使用者之间的矛盾越发尖锐。因 此如何充分利用通信资源，方便快速的进行信息传输，满足人们不断增长 的信息传输要求就成为人们研究的重点问题。 提高信道利用率，更有效的利用现有的频带资源是人们解决频带资源 短缺矛盾的一个重点工作方向。在现有的调制技术中，o f d m 调制技术 ( o r t h o g o n a lf r e q u e n c y d iv is i o nm u t i p l e x in g ，o f d m ) 以其较高的信 道利用率受到人们的广泛重视，同时由于o f d m 具有较强的抗干扰能力和 较高的传输速度，使其成为解决频带资源短缺矛盾的一种具有很强竞争力 的解决方案。 另一方面，开拓新的通信资源用于传输信息成为解决频带资源短缺矛 盾的另一个重点工作方向。低压电力线遍布城乡，四通八达，构成了世界 上规模最大的网络。很久以前就有将低压电力线用于信息传输的尝试，并 取得了一定的成果，但是传输速度不够快，应用范围有限。随着科技的进 步，特别是o f d m 技术的发展和成熟，使在低压电力线上实现高速信息传 输成为可能。基于o f d m 技术在低压电力线上实现高速数据通信成为解决 频带资源短缺矛盾的另一种具有很强竞争力的解决方案。 研究o f d m 及电力线通信( p o w e rl i n ec o m m u n i c a t i o n ，p l 。c ) 可以更 有效的提高信道利用率，缓解频带资源短缺矛盾，同时提供新的方便快速 的通信方式，这将促进国民经济的发展，提高人们的生活水平，方便人民 的生活。因此，研究o f d m 及电力线通信具有重大的实用价值和理论意义。 1 2 国内外相关文献综述 诈如上一节提到的那样，o f d m 技术得到了人们的广泛重视和深入研 究。在一些文献中对o f d m 的技术原理，实现方法，性能特性，主要优缺 点，应用领域等方面的问题都进行了深入研究，取得了很多重要的研究成 电子科技大学硕士学位论文 果，这些研究成果。”。”对于o f d m 技术的使用，推广和改进都起了很重要的 作用。 1 9 6 6 年，r w c h a n g 在b e l l 系统技术月刊上发表了有限带宽正交 信号用于多路传输的分析论文，这标志着o f d m 的诞生。早期的o f d m 采用多个调制解调器的方式实现，其复杂性和成本都是无法接受的。尽管 1 9 7 1 年s b w e i n s t e i n 和p m e b e r t 的研究表明可以采用快速傅立叶变换 ( f a s t f o u r i s e r t r a n s f o r m ，f f t ) 处理基带信号的调制与解调，但是制造如此 复杂的实时傅立叶变换设备在当时的技术条件下是根本不可能的，此外发 射机和接收机震荡器的稳定性以及射频功率放大器的线性要求等因素也 是o f d m 技术实现的制约条件。在实现上遇到一些阻碍的同时，对o f d m 的理论研究却并未受到影响，并取得了许多研究成果1 3 5 - 3 7 1 。例如 s b w e i n s t e i n 和p m e b e r t 在o f d m 码间增加警戒区间可以用来遏制多径 反射引起的码问干扰( i n t e r s y m b o li n t e r f e r e n c e ，i s u ： a p e l e d 和a r u i z 引入了警戒区间中的循环前缀( c y c l i cp r e f i x ，c p ) ，解决了保持正交的最后一 个难题一信道间的干扰r i n t e r c h a n n e li n t e r f e r e n c e ，i c i ) 问题等等。 进入2 0 世纪8 0 年代，大规模集成电路技术的发展解决了f f t 的实现 问题，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 应技术等的应用，o f d m 技术开始从理论研究转入实际应用。例如在有线 信道的研究中，h i r o s a k i 于1 9 8 1 年用离散傅立叶变换( d i s c r e t ef o u r i s e r t r a n s f o r m ，d f t ) 完成的o f d m 调制技术，试验成功了1 6 q a m 多路并行传 输1 9 2 k b p s 的电话线m o d e m 3 9 。1 9 8 4 年，c i m i n i 提出了一种适用于无 线信道传送资料的o f d m 方案，该方案可以有效的避免多径传播引起的码 闯串扰。进入9 0 年代，刘o f d m 的研究和应用进入到了一个高潮，欧美 某些国家丌始将o f d m 应用于广播信道的宽带数据通信，数字音频广播 ( d a b ) ，高清晰度电视( h d t v ) 和无线局域网( w l a n ) 等方面，并取 得了良好的效果。o f d m 的理论研究也取得了许多成果，在信号正交性的 保持，抗i s i 和i c i 性能，信道估计，信道分配等领域都进行了深入研究 并取得了丰硕的成果。近年来，o f d m 丌始应用于p l c ，并被看作是第四 代移动通信的核心技术之一。 同时，低压电力线通信作为一种新兴的通信方式在最近几十年也受到 了足够的重视。人们围绕低压电力线的信道特性，电力线通信所采用的关 键技术，实现方式以及o f d m 技术应用于电力线通信等问题都进行了大量 的研究”“”“1 。尤其是近年来，随着人类进入到网络时代，上网人数 急剧增加，利用电力线接入i n t e r n e i 、即通常所说的“电力线上网成为 2 ， 电子科技大学硕士学侮论文 人们研究的一个新热点，并取得了一些相关的研究成果，这些成果对于电 力线通信的发展起到了至关重要的作用，同时，对电力线通信的研究也促 进了o f d m 技术的研究和改进“。 9 0 年代初，英国n o r w e b 通信公司开始进行p l c 用于接入i n t e r n e t 的 研究丌发工作，并于1 9 9 6 年9 月在c i g r e 大会期间展示了技术原理和演 示产品。他们丌发的数字配电线载波技术( d i g i t a lp o w e rl i n e ，d p l ) 可 以成功实现在低压配电网的导线和基础设施上传输高速资料，这就解决了 利用电力网承载各种信息接入网的可能性问题。近年来，对p l c 的进一步 研究成果层出不穷：1 9 9 8 年，美国i n t e l o g is 公司推出了p a s s p o r t 商业 化p l c 产品，最高速率为3 5 0 k b p s ；2 0 0 1 年美国i n t e l l o n 公司和西班牙 d s 2 公司等些芯片厂商纷纷推出基于o f d m 调制技术的p l c 专用芯片，传 输速率也从1 m b p s 发展到2 m b p s 、1 4 m b p s 、4 5 m b p s 。文献还表明同时一些 国家也开展了p l c 实用化工作，开设了一些实验局，用于家庭自动化，接 入i n e t e r n e t 等，并取得了良好的效果。随着p l c 技术的发展，相继成立 了相关的国际性p l c 组织如h o m e p l u g 等，并且发布了相关的技术标准。 最新的文献表明p l c 芯片速率将达到2 0 0 m b p s p l c 应用的领域也将进一步 拓宽。 1 3 本文的主要工作 本文主要完成了以下几个方面的工作： ( 1 ) 传统o f d m 在信道环境恶劣，信噪比较低时关闭一些受影响的子带， 使通信速率下降。本文将均衡技术引入o f d m 系统，使一些关闭的子带重 新传输数据，从而提高通信速率。针对两种均衡算法( 基于导频算法和l m s 算法) 进行了详细的理论分析比较，并进行仿真实验。理论分析和仿真实 验的结论都表明对于信道特性变化较大的信道采用基于导频的均衡算法 较好，o f d m 在电力线通信中的实际应用也印证了这个结论。 ( 2 ) o f d m 的缺点之一是p a p r 过高，很多降低p a p r 的传统算法都因为计 算量太大而无法实用，本文对传统的算法进行改进，理论分析表明，改进 后的算法在付出p a p r 略微增大的代价的同时换取了计算量的大大减少， 改进算法更具有实用性。仿真实验的结果也证明了这个结论。 ( 3 ) 作为o f d m 的一个具体应用，在分析电力线信道传输特性的基础上， 本文提出了一种基于o f d m 技术通过低压电力线接入i n t e r n e t 的解决方 案，根据这个方案完成了p l cm o d e m 的设计制作调试实验工作。实验结 电子科技大学硕士学位论文 果表明，设计的p l cm o d e m 达到了设计要求。 第二章0 f d m 调制技术 2 1 传统数字调制技术性能特性的简要分析 众所周知，原始信号由于具有频率较低的频谱分量，一般不适宜直接 在信道中传输，所以必须在通信系统发送端进行调制。选择何种调制技术 在很大程度上影响者通信系统的性能。下面将对传统数字调制技术进行简 要分析。 传统的数字调制方式有a s k ( 用二元数字信号去控制载波幅度的变 化) ，f s k ( 用二元数字信号去控制载波频率的变化) 和p s k ( 用二元数字 信号去控制载波相位的变化) 等，它们主要用于数据传输，数字微波，空 间通信等领域。与之对应的：用多元数字信号的m 个状态去控制载波相位 的变化叫多元调相( m p s k ) ，用多元数字信号的m 个状态去控制载波幅 度的变化叫多元调幅( m a s k ) ，用多元数字信号的m 个状态去控制载波 频率的变化叫多元调频( m f s k ) 。由于m p s k 调制可以提高信道利用率， 它的带宽利用率比a s k 和f s k 都更高，因而受到了广泛的应用。在以后 的讨论中我们不再训论a s k 和f s k ，而只讨论p s k 。 数字相位调制一般分为两类：p s k 和d p s k 。其中p s k 是受键控的载 波相位按基带脉冲而改变的一种数字调制方法，而d p s k 是利用前后相邻 码元的相对载波相位值去表示数字信息的一种方式。 p s k 是根据数字基带信号的两个电平使载波相位在两个不同的数值之 削切换的一种相位调制方法。属于相位不连续的恒定包络数字调制，相当 于抑制载频的双边带幅移键控。产生p s k 信号一般有两种方法： 1 ) 调相法：将基带数字信号( 双极性) 与载波信号直接相乘的方法。 2 ) 选择法：用数字基带信号去对相位相差18 0 度的两个载波进行选择。 d p s k 的信号相位不象p s k 那样唯一决定于本位信号的码元状态，而 是决定于前位载波相位与本位信号码元状态的关系。又称差分相移键控。 在p s k 系统中，由于发送端是以某一个相位做基准的，因而在接收系 统中也必须有对应的基准相位作参考，如果基准相位发生变化就会造成误 码。考虑到实际通信时参考基准相位的随机跳变是可能的且不易被发觉， 4 电子科技大学硕七学位论文 由这种因素导致的现象称为p s k 方式的“倒”现象或“反向工作”现象，所以 在实际应用中必须尽量避免这种现象发生。在大信噪比条件下，p s k 的误 码率比d p s k 要优越一个数量级，但是由于前者存在相位模糊问题，所以 在实际应用中多采用d p s k 。由于d p s k 的信噪比高于f s k 信号，所以 d p s k 的抗干扰能力强于f s k 。而m p s k 可以迸一步提高信道利用率，但 是随着状态数的增加，对于接收机来说要把各个状态区分开来就越来越困 难。 在实际应用中，常采用上述这几种基本调制技术改进或综合而成的技 术基本上可分为两类：一类是线性调制技术，主要有相移键控、四相相 移键控( q p s k ) 、偏置键控四相相移键控( o k ，q p s k ) 、a 4 差分四相相移 键控( 氕4 一d q p s k ) 和多电平相移键控等。这几种调制方式由于线性要求高， 因此对设备的要求较高，但它们可获得较高的频率利用率。另一类是恒定 包络( s g 续相位) 调制技术，主要有最小频移键控( m s k ) 、高斯最小频移键 控( g m s k ) 、高斯频移键控( g f s k ) 和受控调频( t f m ) 等，优点是已调信号具 有较窄的功率谱，对放大设备没有线性要求，但缺点是频谱利用率较低。 对m p s k ，因为基带信号有m 种不同的状态，所以它的载波相位有m 种不同的取值，这些取值一般为等问隔。实际中常常采用四相移相键控 ( 4 p s k ，又称q p s k ) ，q p s k 的频带利用率是相应二进制数字调制的2 倍，但这是以牺牲功率利用率为代价的。因为随着进制的增加各码元之间 的距离减小，不利于信号的恢复，特别是受到噪声和干扰时谡码率会随之 增大。为解决这个问题，我们不得不提高信号功率( 即提高信号的信噪比 来避免误码率的增大) ，这就使功率利用率降低了。能否有一种方法使频 带利用率增加各码元之间的距离又不太小呢? 这就引入了下面要介绍的 q a m ( 正交幅度调制) 。 q a m 可以看做是a s k 和p s k 的合成，它利用正交载波对两路信号分 别进行调幅，用数字信号去调制载波的幅度和相位，使载波的幅度和相位 受控于数字信号，常用有1 6 q a m 、3 2 q a m 、6 4 q a m 等。这种调制由于载 波的幅度和相位都带有信息，所以它所能传输的数码率比较高。 q a m 的特点是各码元之间不仅幅度不同，相位也不同，属于幅度与 相位相结合的调制方式，在q p s k 中各码元的幅度相同只是相位不同，所 以其平均功率较高，q a m 由于各码元的幅度不同，所以平均功率较小。 因此在平均功率相同的情况下，q a m 各码元的电平取值可高于q p s k 各 码元的取值，从而使信噪比得而提高。 多进制f 交幅度调制q a m 信号的功率谱和带宽效率与多进制p s k 调 一5 - 电子科技大学硕士学位论文 制信号相同，在功率效率方面，q a m 优于多进制p s k 。p s k 的抗干扰能 力强于q a m ，但q a m 的数据传输速率高于p s k 。 扩频( s p r e a ds p e c t r u m ，s s ) 是将信息频带展宽，使其在更宽的频带内 传输，而在接收端通过相关接收来恢复原始信息带宽的一种技术。扩频的方 法有很多，主要有：直接序列扩频( d i r e c ts e q u e n c es p r e a d 。s p e c t r u m ，d s ) 、跳 频扩频( f r e q u e n c yh o p p i n g ，f h ) 、跳e i 寸( t i m eh o p p i n g ，t h ) 、线性调频( c h i r p ) 。 有关扩频技术在第五章中将详细讨论。 上述这些调制技术已经广泛应用于数据传输，数字视频广播( d v b ) ， 接入网，远程监控，卫星通信等领域。 虽然有这么多的调制技术可供选择，但是人们发现频带资源不足的矛 盾内并没有因此得到明显的改善。人们又发现可以使多路信号同时在信道 中传输，即信道复用。由于在同信道中以前只能传输一路信号，而信道 复用后可以传输多路信号，信道的利用率大大提高了，人们终于找到了解 决频带资源短缺问题的正确解决方向。但是传统的信道复用中为了使复用 信号的频谱互不重迭，在各信号之间增加了保护间隔，这样有一部分频带 资源被浪费掉了。在频带资源问题t = t 益严重的今天，这显然是不可接受的。 必须再做改进。众所周知，如果两路载波是相互正交的，那么即使信号的 频潜相互重迭也能在接收端利用正交性可以无失真的复原信号。正交载波 与传统的频分复用技术相结合，就提出了下一节将详细介绍的正交频分复 用( o f d m ) 技术。 2 2o f d m 调制技术介绍 2 2 1o f d m 的提出 o f d m 的历史始于19 6 6 年，当时r ，w c h a n g 在( ( b e l l 系统技术月刊 上发表了有限带宽f 交信号用于多路传输的分析论文。1 9 7 1 年 s b w e i n s t e i n 和p m e b e r t 采用了d f t 处理基带信号的调制与解调。他们 在o f d m 码间增加了警戒区间用来遏制多径反射引起的i s i 。1 9 8 0 年 a p e l e d 和a r u i z 引入了警戒区间中的c p ，解决了保持正交的最后一个 难题一一i c i 问题。 2 2 2o f d m 的基本思想 o f d m 的基本思想是将可用的频段划分成许多窄带低速数据载波信 道( 或称子信道) ，在这些子信道上数据并行传输，在接收端再将数据合并， 这样就能获得较高的传输速度。为提高频谱利用率，这些子信道的频谱是重 迭并且正交的，o f d m 由此得名。每个窄带子信道通常采用 b p s k q p s k q a m 等调制方式。因为每个子信道调制的资料速率很低，子信 6 电子科技大学硕士学位论文 道在多径环境下呈现平缓的衰落，容易均衡。当采用差分q p s k ( g d q p s k ) 调制时，可完全避免均衡的要求。对子信道集合采用逆快速傅立叶变换 ( i f f t ) 后，信号从频域被转换到时域，并插入了警戒区间和循环前缀后发送 出去。循环前缀实际上复制了o f d m 码的最后一部分，允许被码问干扰所 破坏，在接收端被丢弃。在接收端，o f d m 信号按逆过程被解调到频域，每个 子信道上的载波信号被译码。接收端还需要频率和时间的同步，采用差分调 相时无须本地时钟的相位同步。o f d m 由大量在频率上等间隔的子载波构 成( 设共有n 个载波) ，各载波可以采用同一种调制方式调制也可以采用不同 的调制方式。串行传输的符号序列亦被分为长度为n 的组，每组内的n 个 符号分别调制n 个子载波，然后一起发送。所以o f d m 实质是一种并行调 制技术。 2 2 3o f d m 的原理及实现 2 2 3 1基本原理 o f d m 技术是种多载波调制技术，其特点是各子载波相互正交。设 九， 是一组载波频率，各载波频率的关系为： 。 = + ， m = o ，1 ，2 ，n - 1 ( 2 1 ) 式中，t 是单元码的持续时间， 是发送频率。作为载波的单元信号 组定义为： r 吲w ( 。”，f 0 ，t 】 l 。o ) = 、 。 7 拶 7 数掘d 棚 疗f 0 1 ， 久 。 数 出 、7 7 掣 据 卜 并 s i n ( w o 州 编 变相 码 换 加 器 器 a ( m 一1 )lc o s ( w 。，f ) - b ( m 一1 ) - - 幽2 1o f d m 调制器 图2 - 2o f d m 解调器 在调制端，要发送的串行二进制数据经过数据编码器形成了m 个复数 序列，这里d ( m ) = 爿b ) 一j b ( m ) 。此复数序列经串并变换器变换后得到码元 周期为t 的m 路并行码( 一帧) ，码型选用不归零方波。用这m 路并行码 调制m 个子载波来实现频分复用。所得到的波形可由下式表示： d o ) m - i - ( m ) c o s w m h b ( ) s i l l w m t ( 2 7 ) 9 电子科技大学硕士学位论文 其中：w 。= 2 矾，厶= ) c o + m 4 f ，矽= 亭为各子载波间的频率间隔，厶是 k 的整数倍。 在接收端，列矗( f ) 用频率为z 。的正弦或余弦信号在【o ，t 内进行相关运 算即可得到爿k ) ，b ( m ) 。然后经并串变换和数掘译码后复原与发送端相同的 数据序列。这种早期的实现方法所需设备非常复杂，当m 很大时，需设置 大量的f 弦波发生器、滤波器、调制器及相关的解调器等设备，系统非常 昂贵和复杂。为了降低o f d m 系统的复杂度和成本，人们考虑利用d f t 及其反变换i d f t 来实现上述功能。上面( 2 7 ) 式可改写成如下形式： r m i d ( f ) = r e f d ( m 矿l ( 2 8 ) 如对d ( ，) 以：，= 了n = 石1 ( n 为大于或等于m 的正整数，其物理意义为 信道数，在这旱n = m ) 的抽样速率进行采样满足 ) 2 ，。，。为d ( f ) 的频 谱的最高频率，可防止频率混迭，则在主值区间r = o ，t 内可得到n 点离 散序列d ( ”) ，其中n = o ，l ，n 1 。抽样时刻为仁n a t ，则： d o ) ：r 。im - id ( 。弦7 等”l ( 2 9 ) 可以看出，上式_ f 好是d ( m 1 的i d f t 的实部，即 d 0 ) = r e t i d f t dm ) 卫 ( 2 1 0 ) 这说明，如果在发送端对d ) 做i d f t ，将结果经信道发送至接收端， 然后对接收到的信号再做d f t ，取其实部，则可以不失真地恢复出原始信 号d ( m 1 。这样就可以用离散傅立叶变换来实现o f d m 信号的调制与解调， 其实现框图如图2 - 3 所示。 1 0 电子科技大学硕士学位论文 d ( k ) 数 据 解 码 ( a ) 调制器 d ( k ) 升 d d ( n ) d a低 出 f 转通 变 t换滤 换波 ( b ) 解调器 剧2 - 3用d f t 实现的o f d m 系统 用d f t 及i d f t 来实现o f d m 系统，大大降低了系统的复杂度，减小 了系统成本，为o f d m 的广泛应用奠定了基础。 2 2 4o f d m 的性能特性分析 2 2 4 1 抗i s l 性能 o f d m 基带信号输入的n 个调制符号经过n 点的i f f t 后所得到的n 个信号就是所需的o f d m 合成信号的n 个时域采样值，在经过d a 变换后， 就得到了o f d m 信号波形。此信号乘以实际载波就可将o f d m 信号搬移 到所需的频道上。但当信道中存在i s i 时，o f d m 子载波间的正交性会被破 坏，使得接收机无法正确提取各子载波上的调制符号。因此抗i s i 性能是 o f d m 系统的一个很重要的技术指标。 在实际应用中，在每个o f d m 信号周期前插入一个保护间隔，o f d m 的实际传输周期变为t s = t + 。保护间隔内的信号是由o f d m 信号进行周 期延拓生成的，相当于将o f d m 信号的尾部复制到前面。当i s i 的时延长度 不超过时，o f d m 子载波问的正交性仍能保持，接收机丢弃保护间隔内 的信号，只提取有效的o f d m 周期t 内的信号进行处理，就可以不受i s i 的干扰。所以o f d m 抵抗i s i 的能力取决于的长度，越长，可消除i s i 的时延范围越大。但是保护间隔内是不传输有用信息的，因此越大，浪费 的频带资源也越多，这是o f d m 消除i s l 干扰的代价。 另一方面，当i s i 的持续时间长度与传输符号的周期处于同一数量级 时，i s i 的影u 向会非常严重。而o f d m 将信道分为n 个子载波，速度变为原 电子科技大学硕士学位论文 信号的1 n ，符号周期也相应的延长n 倍，因为通常n 都很大，所以o f d m 具有相当强的抗i s i 能力。 上述两个方面的特性保证了o f d m 系统具有较强的抗i s i 性能。 2 2 4 2 正交性 上一节已经提到，如果o f d m 子载波间的正交性被破坏，接收机就无 法f 确提取各子载波上的调制符号。而子载波问的间隔如何选择，是o f d m 保持正交性的关键。在传统的频分复用中，各载波上的信号频谱是互不重迭 的，以便接收机能用滤波器将其分离。但这样就降低了频带利用率。在 o f d m 中，为提高频带利用率，使各载波上的信号频谱互相重迭，但载波间隔 的选择可以使这些载波在整个符号周期上是正交的，即在符号周期上的任 何两个载波的乘积都为0 。这样，即使各载波上的信号频谱问存在重迭，也能 无失真地复原。当载波问最小f 刮隔等于符号周期的倒数时，可满足正交条 件。为实现最大频谱效率，一般取载波最小间隔等于符号周期的倒数。当符 号由矩形日寸间脉冲组成时，每个载波信号的频谱为竺形状，其峰值对应 于所有其它载波频谱的0 点。 2 2 4 3 抗频率选择性衰落和窄带干扰 在单载波系统中，单个衰落或者干扰就能导致整个通信链路失败。在 o f d m 系统中，由于o f d m 使用n 个子载波进行数据传输，所以频率选 择性衰落和窄带干扰都只能影响到一小部分子载波，而其它的子载波不会 受到干扰，能保持正常的通信。 2 2 4 4 信道分配 o f d m 可以用发射的导频信号对各个子载波信道进行信道估计，根据 信道特性的变化动态的分配子信道。 低时，可以将其关闭，不传输信号， 当某子信道的通信环境恶劣，s n r 较 从而保证传输的可靠性。如图2 4 ： o f l l m 子载波关闭 、1 _ “ 、 j v 图2 4o f d m 了信道分配 2 2 5o f d m 的应用 正如前面提到的那样，o f d m 的优异性能和人们对通信要求的不断提 1 2 电子科技大学硕士学位论文 高决定了o f d m 在国民经济中将得到广泛的应用，事实也正是如此。 o f d m 早期的应用有a n g s c 一10 ( k a t h r y n ) 高频可变速率数传调 制解调器等。进入9 0 年代以后，o f d m 的应用又涉及到了利用移动调频 ( f m ) 币d 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 d s l ) 、数字声广播( d a b ) 及高清晰度数字电视( h d t v ) 和陆地广 播等各种通信系统。近年来，o f d m 越来越受到人们的重视，应用范围不 断扩大，已入选4 g 的核心技术，并在电力线通信( p l c ) 中获得了成功 应用 2 2 - 2 7 1 。 因此，研究o f d m 技术具有重大的理论意义和现实意义，在后面的部 分将就o f d m 的若干重要技术问题做深入讨论。 2 3o f d m 与传统数字调制技术的比较 下面我们对p s k ，q a m 和o f d m 做一些比较，扩频与o f d m 的比较 在第五章中有详细讨论。 与传统调制技术( 以p s k ，q a m 为例) 相比较，o f d m 具有这样一 些优势： 1 ) 频带利用率高 2 ) 抗频率选择性衰落和窄带干扰性能好 3 ) 传输速度快 4 ) 抗多径干扰能力强 5 ) 均衡较简单，或者甚至不需要均衡 但是0 f d m 也有一些缺陷，如p a p r 过高，对相位噪声和频率偏移敏感 等问题，在后面将就这些问题进行详细的讨论。 2 4 o f d m 若干技术问题的深入讨论 2 4 1 同步问题 2 , 4 1 1o f d m 同步问题简述 同步问题是o f d m 系统的一个非常重要的问题，包括符号同步，载波 同步和采样频率同步等。载波频率偏移( 载波频率同步问题) 、时钟位置偏 移( o f d m 符号同步问题) 和采样频率偏移( 采样频率同步问题) 都会产生i c i 和i s i 干扰。 对于载波频率偏移，如果偏移量是子载波带宽厂的整数倍l ，则接收 机的子载波偏移为巧，而且子载波仍然能够保持正交，只不过接收的信号对 应了错误的子载波，这种错误一般会产生b e r = 0 5 的损失。然而，如果偏移 量不是子载波带宽的整数倍，假设接收机的子载波偏移上f ，则一方面会产 13 电子科技大学硕士学位论文 生i c i ，另一方面，由于采样点不在信号的最大幅度处，产生采样信号损失。 时钟位置偏移校正也称为o f d m 符号同步，时钟位置偏移产生的干 扰与载波频率偏移产生的干扰不一样，主要产生i s i 。如果接收端的f f t 检 测窗在时域上产生时钟偏移，则对应频域上是相移变化，因此，时钟位置偏移 校f 转换为相位校正问题。假设接收端的f f t 检测窗在时域上产生时钟偏 移，则在频域上，两个相邻的子载波之间产生相移2 以。时域和频域的关系如 下式所示。 x o 一，) ：e 1 7 力t ( 珊) ( 2 1 1 ) 如果时钟偏移是采样时间t s 的整数倍，则相位移= 2 万m ，这里n 表示f f t 的长度。如果时钟偏移不是采样时间t s 的整数倍，则由此产生的干扰与采 样频率偏移产生的干扰类似。相位移错误校正与o f