（通信与信息系统专业论文）基于软判决反馈的ofdm系统信道与频偏联合估计算法研究.pdf

摘要 摘要 凭借较高的频谱利用率和良好的抗多径干扰能力等优势，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 i n g o f d m ) 已经被广泛地应用于各种无 线通信系统中，成为了无线通信领域的研究热点。 当o f d m 应用在无线通信系统中时，为了恢复发送信号，接收端需要对信 道响应进行估计；另外，o f d m 系统对载波频率偏差( c a r d e rf r e q u e n c yo f f s e t ， c f o ) t 常敏感，较小的c f o 就会使系统性能严重下降，因此也需要进行频偏的 估计；而且信道估计性能往往与频偏估计性能之间互相影响；所以，在o f d m 系统中进行信道及频偏的联合估计将有助于提高系统的整体性能。本文从 o f d m 系统的信道估计和载波同步技术入手，研究了基于软判决反馈的信道估 计算法和信道与频偏联合估计算法。主要内容包括： l 、分析了传统信道估计方法的不足和载波频偏对o f d m 系统性能的影响； 2 、分析了传统的未利用编译码信息的判决反馈和硬译码判决反馈信道估计算 法的优点和不足，提出了基于b c j r 译码的软判决反馈信道估计和符号检测算 法，给出了新算法在不同导频个数和不同信道多普勒频移情况下与原有算法 性能的比较。仿真结果表明，在慢时变信道和稍快时变性信道的情况下；软一 判决反馈性能优于硬判决反馈，硬判决反馈优于传统判决反馈；在时变信道 情况下，编码软判决反馈的优势比慢时变信道情况下更明显，说明所提出的 编码软判决反馈信道估计方法能更有效地抵抗信道时变性带来的影响； 3 、在分析了基于期望最大化的o f d m 系统频偏和信道联合估计算法中硬判决符 号影响系统整体性能的缺点基础上，提出了基于b c j r 软译码的软判决反馈信 道和频偏联合估计算法，通过仿真进行了两种算法的性能分析和比较。仿真 结果表明，由于软判决反馈估计抑制了硬判决没有纠正的错误的进一步传播， 在稀疏和非稀疏两种信道环境下，本文提出的软判决反馈的信道和频偏联合 估计算法性能均优于采用硬译码无反馈和软译码无反馈的e m 信道和频偏联 合估计算法。 关键词：正交频分复用；信道估计；软判决反馈：载波频率偏移；联合估计 a b s t r a c t a b s t r a c t b yv i r t u eo ft h eh i g hf r e q u e n c ys p e c t r u mu t i l i z a t i o ne f f i c i e n c ya n dt h eg o o d a n t i m u l t i p a t h i n t e r f e r e n c ea b i l i t y , o r t h o g o n a l f r e q u e n c 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 ) h a sb e e nw i d e l yu s e di n a l lk i n d so fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，a n d b e c o m et h er e s e a r c hf o c u so ft h ef i e l do fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n i nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o no f d ms y s t e m ，i no r d e rt or e s t o r et h et r a n s m i t t e d s i g n a l ，t h er e c e i v e rm u s tk n o wt h ec h a n n e lr e s p o n s e ；i na d d i t i o n , o f d ms y s t e mi s v e r ys e n s i t i v et ot h ec a r r i e rf r e q u e n c yo f f s e t ( c f o ) ，av e r ys m a l lc f oc a nc a u s e s e v e r ep e r f o r m a n c ed e g r a d a t i o ni no f d m ，s ot h ec f oe s t i m a t i o ni sn e c e s s a r yt o o ； a n dc h a n n e le s t i m a t i o np e r f o r m a n c ea n dc f oe s t i m a t i o np e r f o r m a n c eo f t e n i n f l u e n c e se a c ho t h e r ；s o ，j o i n tc a r r i e rf r e q u e n c yo f f s e ta n dc h a n n e le s t i m a t i o ni n o f d ms y s t e mw i l lh e l pt oi m p r o v et h es y s t e mp e r f o r m a n c e q - h i sp a p e rf o c u s e so n t h ec h a n n e le s t i m a t i o na n dc a r r i e rs y n c h r o n i z a t i o nt e c h n o l o g i e so ft h eo f d ms y s t e m s ， s t u d i e st h ec h a n n e le s t i m a t i o na l g o r i t h ma n dt h ej o i n tc a r r i e rf r e q u e n c yo f f s e ta n d c h a n n e le s t i m a t i o na l g o r i t h mb a s e do nt h es o f td e c i s i o nf e e d b a c k t h em a i nc o n t e n t i n c l u d e s ：一 一 一 一 1 t h es h o r t c o m i n g so ft h et r a d i t i o n a lc h a n n e le s t i m a t i o nm e t h 6 d sa n dt h e i n f l u e n c eo ft h ec f ot oo f d m s y s t e mh a v eb e e na n a l y z e d ； 2 t h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so ft h et r a d i t i o n a ld e c i s i o nf e e d b a c kw h i c h d o e s n tu s et h ed e c o d i n gi n f o r m a t i o na n dt h eh a r dd e c o d i n gd e c i s i o nf e e d b a c k c h a n n e le s t i m a t i o na l g o r i t h mh a v eb e e na n a l y z e d ；as o f td e c i s i o nf e e d b a c kc h a n n e l e s t i m a t i o na n ds y m b o ld e t e c t i o na l g o r i t h mb a s e do nt h eb c j rd e c o d i n gi sp u t f o r w a r d ；t h e nt h ep e r f o r m a n c ec o m p a r i s o no ft h ep r o p o s e da l g o r i t h ma n dt h ee x i s t i n g a l g o r i t h m si sg i v e nf o rt h e d i f f e r e n tm t m b e ro ft h ep i l o t sa n dt h ed i f f e r e n td o p p l e r f r e q u e n c ys h i f t t h er e s u l t ss h o wt h a t ，w h e nt h ec h a n n e li ss l o w l yt i m e - v a r y i n go r f a s t e rt i m e - v a r y i n g , s o f td e c i s i o nf e e d b a c kp e r f o r m a n c ei s s u p e r i o rt ot h eh a r d d e c i s i o nf e e d b a c k ，a n dt h eh a r dd e c i s i o nf e e d b a c ki s s u p e r i o rt ot h et r a d i t i o n a l d e c i s i o nf e e d b a c k ；a n di nt h ec a s eo ff a s t e rt i m e v a r y i n gc h a n n e l ，t h ea d v a n t a g e so f s o f td e c i s i o nf e e d b a c ka r em o r eo b v i o u st h a nt h ec a s eo fs l o w l yt i m e - v a r y i n gc h a n n e l ， s ow ec a l l s a yt h a tt h es o f td e c i s i o nf e e d b a c km e t h o d sr e s i s t a n tt h ee f f e c t so f i i a b s t r a c t t i m e v a r i a t i o nm o r ee f f e c t i v e l y ； 3 o nt h eb a s i so ft h ed i s a d v a n t a g eo ft h ej o i n tc f oa n dc h a n n e le s t i m a t i o n a l g o r i t h mb a s e d o nt h ee x p e c t a t i o n - m a x i m i z a t i o ni n t h eo f d ms y s t e m s ，a n i m p r o v e m e n ta l g o r i t h mt h a ta p p l yt h es o f ts y m b o l se s t i m a t i o nm e t h o db a s e do nt h e b c j rd e c o d i n gi nt h ej o i n tc f oa n dc h a n n e le s t i m a t i o na l g o r i t h mb a s e do nt h ee m a l g o r i t h mi sp r o p o s e d t h e s i m u l a t i o nr e s u l t so ft h ep e r f o r m a n c eo ft h et w o a l g o r i t h m ss h o wt h a t , i nt h es p a r s ea n dt h en o n - s p a r s ec h a n n e le n v i r o n m e n t ，t h e p e r f o r m a n c eo f s o f td e c i s i o nf e e d b a c km e t h o d si ss u p e r i o rt ot h eh a r dd e c o d i n ga n d t h es o f td e c o d i n gw h i c ha r eb o t hn o n f e e d b a c k , t h i si sb e c a u s et h a ts o f td e c i s i o n f e e d b a c ke s t i m a t i o nc a nr e s t r a i nt h em i s t a k es p r e a d i n gt h a th a r dd e c i s i o nc a n t c o r r e c t k e yw o r d s ：o f d m ；c h a n n e le s t i m a t i o n ；s o t td e c i s i o nf e e d b a c k ；c a r r i e rf r e q u e n c y o f f s e t ；j o i n te s t i m a t i o n i i i l 绪论 1 绪论 当前，无线通信的发展正处于突飞猛进的阶段，这给人们的生活和工作等 多个方面带来了诸多便利。未来无线通信系统的发展目标是实现便捷、安全、 多样化的沟通，以及随时随地、随心所欲地进行高速移动通信。从目前来看， 无线业务的传输速率正在飞速提高，有的甚至可以达到几十兆比特每秒。不过， 与传统的有线通信方式相比，无线通信技术在服务质量( q u a l i t yo f s e r v i c e ， q o s ) 方面还处于相对落后的阶段。 目前人们对无线通信业务速度与质量方面的双重要求在不断提高，所以， 移动通信网络必须同时兼顾好系统容量和服务质量两个问题，才能满足人们对 通信服务的高需求。正交频分复用( o f d m ) 是一种具有高频谱利用率和强抗干扰 能力的特殊宽带多载波技术，它不仅可以增加通信系统的容量，还可以满足人 们对通信质量的要求，它已经成为新一代宽带无线移动通信系统的研究热点。 1 1o f d m 技术背景介绍 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 i n g ，o f d m ) 是一种 宽带多载波调s u ( m u l t i ：c a r r i 蔷m o d u l a t i o n ，m c m ) 技术，其实也是一种复用技术。 世界上的第一个多载波调制系统是2 0 世纪5 0 6 0 年代由美国军方创建的。到了6 0 年代中期，r wc h a n g t i 】提出了o f d m 系统的基本理论，它的主要特点是频谱相 互重叠且满足相互正交，实现了多信道数据并行传输，这在一定程度上提高了 频谱利用率。为了减小系统的运算复杂度，w e i n s t e i n s h e b e r t 等人【2 1 于1 9 7 1 年提 出利用离散傅立叶反变换( i n v e r s ed i s c r e t ef o u f i e r t r a n s f o r m ，i d f t ) 和离散傅罩 叶正变换( d i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o h n ，d f t ) 来实现o f d m 系统基带信号的调制与 解调。在这样的情况下，系统中就没有必要再使用带通滤波器来实现频分复用， 只需一个模拟前端即可。i d f t d f t 的运用促进了o f d m 技术的发展，o f d m 也 逐步进入了数字移动通信的发展领域。为了消除符号间干扰且保证子载波问的 正交性，1 9 8 0 年p e l e d 和r u i z 又在o f d m 系统中提出循环前缀的概念f 3 】，以此 保证了o f d m 系统对抗多径干扰的性能。 自2 0 世纪8 0 年代以来，o f d m 凭借其高效的频谱利用率及良好的抗多径干扰 1 绪论 能力，开始被广泛应用于各个领域，例如数字音视频广播( d i g i t a la u d i o v i d e o b r o a d c a s t i n g ，d a b d v b ) 4 胴、基于i e e e8 0 2 11 标准的无线局域网( w i r e l e s sl o c a l a r e an e t w o r k ，w l a n ) 【6 】【7 】以及高清电视( h i 曲d e f i n i t i o nt e l e v i s i o n ，h d t v ) 跚9 1 等等。另外，o f d m 已经成为b 3 g ( b e y o n d t h e3 r dg e n e r a t i o n f o r m ) 或4 g ( t h e4 t hg e i l e r a t i o n ) 系统研发中的重要备选技术跚9 1 ，前景备受瞩目。 1 2o f d m 应用到无线通信的意义 宽带无线通信中“宽带 一般指发射信号的带宽大于信道的相干带宽，或 者从时域上说，发射信号的符号周期小于信道的最大多径时延扩展，这就导致 系统的发射信号将经历频率选择性衰落。而在宽带无线通信系统中，影响信息 传输速率的最大干扰因素就是由信道多径效应引起的频率选择性衰落。频率选 择性衰落会使某些频率成分的信号严重衰减，而另外一些频率成分的信号却有 较高的增益，从而引起接收信号的符号问干扰( i n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c e ：i s i ) ， 影响系统的通信性能【m 】。传统的克服频率选择性衰落的方法包括在接收端采用 均衡器，或者采用直接序列扩频加r a k e 接收的方法【l0 1 ，而这些方法在实现复 杂度以及性能方面都存在许多弊端。 作为目前备受关注的o f d m 技术，其采用多载波调制技术将信道在频域上 划分成多个子信道j 使每个子信道都具有近似于平坦的频率特性，然后使用多 个相互独立的子信道传输信号，同时在接收机中将其合并，从而实现信号的频 率分集和各子信道的无i s i 信息传输。另外，o f d m 技术还采用分块传输方式， 即将数据分成长度相等的块进行传输，这样不仅可以在各个信息块之间加入一 。定长度的冗余，用来消除多径时延扩展引起的块间干扰( i n t e r - b l o c ki n t e r f e r e n c e ， i b i ) ，还可以实现在频域进行信道均衡，从而避免了复杂的反卷积时域处理， 简化了均衡器。总之，o f d m 技术在频谱利用率和传输性能方面，都具有无可 比拟的优势，所以，将o f d m 技术应用到无线通信中，将在很大程度上改善我 们的通信质量。 1 3 课题研究现状及意义 对于任何一个通信系统来说，信道估计和同步技术都是亟待解决的问题。 对于o f d m 系统，虽然它本身有很多优势，但同步误差和信道估计误差对系统 2 l 绪论 性能依然有很人的影响。所以，在o f d m 系统中采用快速准确的同步方法和信 道估计技术是至关重要的。而且，由于信道估计性能与同步性能之间的密切相 关性，进行信道估计及同步联合算法的研究将有助于大幅度提高o f d m 系统的 整体性能。 1 3 1 信道估计技术 o f d m 系统中的信道估计算法被广泛研究，常见的信道估计方法分为三类： 第一类是基于导频辅助( p i l o t ss y m b o la s s i s t e dm o d u l a t i o n ) 的信道估计方法，第 二类是盲半盲信道估计，第三类是基于判决反馈( d e c i s i o nf e e d b a c k ) 的信道估计 方法】。 ( 1 ) 导频辅助信道估计：即在发送信号中插入若干接收端已知的时域或频 域数据( 导频符号) ，在接收端则根据这些导频符号信息估计出导频处的信道状 态，这样整个信道的完整响应就可以通过这些信道响应的采样值( 导频处的信 道状态) 估计出来】。常见的方法有：最大似然估计算法】、j j v a nd eb e e k 等人应用的l s 、m m s e 算法【1 3 】等等。当利用导频信息做完整信道估计时，可 采用各种插值算法得到整个信道状态信息c s i ( c h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n ) 。例如， 线性插值、f f t 插值、w i e n e r 滤波插值【1 4 】等等。导频辅助信道估计方法有很多 优点，如性能较好和实现简单等，但是它的缺点是其需要在发送端插入导频符 号，占用有效频带，使频带利用率有所下降。 一 ( 2 ) 盲或半盲信道估计：盲估计方法【”】在发送端不需要发送导频符号，是 在发送符号完全未知的情况下进行信道估计的，使系统的频谱利用率得到了提 高，但该方法需要接收到足够多的数据才能得到信道状念的可靠估计；半盲估 计算法【1 6 】采用少量导频信号进行信道初始估计，再根据接收符号和少量信道信 息来估计信道，它比盲信道估计的性能好，也比导频辅助估计使用的导频符号 数少，但是复杂度仍然比较高。 ( 3 ) 基于判决反馈的信道估计：在这种方法中，当前时刻的信道响应是由 前一时刻符号或帧估计得到的信道响应值获得的。首先，需要假设信道在相邻 两个o f d m 数据符号的时i 白j 间隔内是不变或慢时变的】。为了获得c s i 的初始 值f 1 7 1 ，在发送数据信号之前需要发送一个接收端己知的o f d m 训练符号；而在 传输数据符号时，则可以把接收端解码之后数据的估计值当作新的训练序列， 以此来得到c s i 的估计值。基于判决反馈的信道估计方法不需要在每一个传输 1 绪论 数据符号中插入导频符号，所以可以有效地提高系统的频谱利用率【1 7 】。但该方 法的缺点是：其要求接收机的判决结果有较高的准确性【1 8 】，否则得到的数据估 计值将与真实值差别很大，进一步影响信道响应的估计性能，所以设计高性能 的接收机对提高此方法的信道估计性能有重大意义。 1 3 2o f d m 频偏估计算法 作为一种多载波调制方式，o f d m 的频谱利用率高低与载波同步的精确度密 切相关，也就是说，同步偏差对o f d m 系统性能的影响要比其他多载波调制方式 更大。o f d m 系统同步算法的种类较多，其中按照同步的阶段和产生原因分，可 分为样值同步、符号同步和载波同步。本文主要研究关于小数倍载波频率同步 的频率估计问题。 文献 1 9 分析了载波频率偏移( c a r r i e rf r e q u e n c yo f f s e t ：c f o ) 与o f d m 系统 性能的关系，文章的结论为，o f d m 系统对频率偏移非常敏感【1 9 1 ，载波频率偏 移将导致子载波之问j 下交性的破坏，及产生子载波间干扰( i n t - c a r r i e r i n t e r f e r e n c e ：i c i ) ，使系统的性能严重下降，因此频率同步是o f d m 同步设计的重 中之重。 载波频偏的估计方法也可分为导频辅助类估计算法和盲估计算法。其中， 导频辅助类算法的估计性能较好，计算复杂度也相对较低i 但是，这种算法的 传输效率偏低，这是由于导频序列占用了一部分势据载波的容量，1 9 9 4 年 m o o s e f 2 0 】提出了一种基于训练序列的频偏估计算法，该算法通过在发送端重复发 送两个训练序列来进行频偏的最大似然估计值。该算法的估计精度较高，但其 估计范围较小只能捕获_ + 1 2 个子载波问隔的频偏【2 0 1 ；为了进一步扩大估计 的范围，m o o s e 在文中提到了缩短训练序列长度的方法，但是此方法又会导致估 计性能的恶化；另外，由于该算法在频域进行使其复杂度也较高。为此，s c h m i d l 和c o x 2 l 】于1 9 9 7 年提出了一种新算法( 简称为s c h m i d l & c o x 算法) 来改善频偏 估计性能。该算法在发送端的第一个o f d m 符号内发送两个完全相同的训练序 列，而在第二个符号内发送p n 序列，这样就可以实现时域范围内的频偏估计。 1 9 9 9 年，m o r e l l i 平l l m e n g a l i 2 2 】又提出了一种改进型的s c h m i d l c o x 算法( 简称 m o r e l l i & m e n g a l i 算法，下同) 。该算法只需要一个o f d m 符号作为训练符号， 就能实现多径信道下频偏的更准确估计。 以上所述的频偏估计算法都是基于导频辅助的，此类算法虽然具有较好的 4 1 绪论 估计性能，但导频符号的插入使得系统的传输效率普遍较低。所以，应该选择 一种既能获得较高估计精度，又占用较少导频位置的频偏估计算法。期望最大 化( e m ，e x p e c t a t i o nm a x i m i z a t i o n ) 算j 去【2 3 】作为一种迭代方法，可以近似求解待估 量的最大似然估计值，同时它还具备解决多维问题和灵活选取“完备数据 的 优点，因此在参数估计等多个领域得到了应用。w u 【2 4 1 在文i 歙 2 4 】中严密地论证 了e m 算法的收敛性，且给出了e m 算法在实际应用中的例子。在信号处理方面， g e o r g h i a d e s 2 5 1 分析了e m 算法在随机参数存在时的序列估计问题。文献 2 6 】给出 的基于e m 的o f d m 系统频偏估计算法 2 6 1 ，利用少量导频符号及未知数据符号联 合辅助的方法来估计频偏，性能较好且对系统传输效率的影响较小。 1 3 3o f d m 系统中的信道与频偏联合估计研究现状 一般情况下，基于o f d m 系统的信道估计都是在假设系统已经获得精确同 步( 包括载波同步) 的条件下进行的，但这种假设不是始终成立的【2 7 】，同步误 差会导致信道估计性能的恶化；另外，现有的大多数频偏估计算法也没有将信 道估计的影响考虑在内：或者假定信道估计结果对误码率没有影响这种假 设通常不符合实际情况【2 8 】；或者利用信道估计的时频域相干特性来消除其对系 统频偏估计的影响【2 9 1 ，但该方法不可避免地会受到判决数据的影响。因此，考 虑对信道与频偏进行联合估计厂将获得比分别估计情况下更好的系统性能。 文献 3 0 】提出了一种最大似然估计的算法，来进行载波频率偏差的校j 下同时 估计信道响应特性【3 0 】；而文献 3 1 】则利用最大期望( e m ) 算法联合估计载波频偏和 信道响应【3 1 1 ；文献 3 2 提出的基于叠加训练序列的o f d m 系统频偏和信道联合估 计算法，利用了训练序列的周期性和阵列信号求子空间的原理，推导出频偏特 征向量后再由相关匹配估计出频率偏移，最后得到了信道的时域参数【3 2 1 。上述 方法大都是基于最大似然方法且在时域中进行的，不仅需要采用导频或训练序 列，而且需要知道信道最大时延的准确参数，如果信道的最大时延估计不够精 确，就会带来更多的性能损失【3 0 】。针对上述方法的不足，本文提出了一种基于 软判决反馈的迭代联合估计信道和载波频偏算法，该算法在频域进行信道的判 决反馈估计，且同时进行基于e m 算法的频偏估计更新，它不仅具有较低的复杂 度，且只需要较少的导频数量，提高了系统的频带利用率。 5 1 绪论 1 4 本文的章节安排 本论文着手于o f d m 系统中的信道估计及其与频偏的联合估计问题，在基于 判决反馈信道估计算法的基础上，提出了软判决反馈的信道估计方法，又将软 判决反馈算法应用在基于e m 的频偏估计算法中，给出了信道和频偏联合迭代估 计的算法。本文的内容安排为： 第一章绪论，介绍了o f d m 系统在无线通信中的应用背景，给出了o f d m 信 道估计、频偏估计及其联合估计的研究现状，然后分析了课题的研究意义，并 对论文的章节安排作了简单说明。 第二章无线信道特征和o f d m 系统分析，对无线信道的特征和o f d m 的基本 原理进行了分析，还对o f d m 系统的优缺点和一些信道估计技术进行了介绍。 第三章基于判决反馈的o f d m 系统信道估计和符号检测算法，在传统判决反 馈和编码硬判决反馈信道估计算法的基础上，给出了基于b c j r 译码的软判决反 馈信道估计和符号检测方法，并通过仿真比较了它们的性能。 第四章基于软判决反馈的o f d m 系统信道与频偏联合估计算法，首先对利用 e m 方法估计频偏的算法做了理论分析，然后在此基础上提出了基于软判决反馈 的改进型信道与频偏联合估计算法，并通过仿真验证了改进算法的优势。 第五章总结与展望，总结了本论文所做的工作和取得的成果，并给出了进 步研究的方向。 6 2 无线信道特征和o f d m 系统分析 2 无线信道特征和o f d m 系统分析 对于无线通信系统来说，其性能主要取决于无线信道的影响。不同于有线 信道的固定性及可预见性，无线信道具有较强的随机性。在无线信号传播过程 中，发射机与接收机之间的环境往往较为复杂，发射信号可能会遇到各种各样 的障碍物，使得信道呈现出复杂多变的特性，且由于信号会随着传播距离的增 加而发生弥散损耗的现象，导致了接收信号的幅值、相位发生偏移【l 叫；而环境 中的各种障碍物还会导致发射信号发生反射、折射和衍射等现象，使得信号到 达接收端的时刻和经历的路径都各不相同，幅度和相位的差异性使得多径信号 相叠加后产生严重的衰落和时延扩展；此外，不同用户之间也会发生信号的相 互干扰。总之，无线信道的复杂性导致接收信号波形重叠、展宽、发生畸变【1 0 1 ， 使得系统在解调时的错误概率较高。因此，对于无线信道的特性进行学习对于 认知无线通信系统非常重要。 o f d m 由传统的频分复用技术( 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 ，f d m ) 发展 而来，是一种具有高频谱利用率的多载波调制技术。它将各个子载波分配到相 互j f 交的信道上进行传输，扩频调制后的频谱是相互重叠的，这样不但在一定 一程度上避免了多径时延的影响，减小了子载波之间的相互干扰，还j 司时提高了 传输效率，适用于多径环境下以及衰落信道中的高速数据传输。 本章首先分析无线信道的传输特性，然后对o f d m 系统的基本理论进行分 析。 2 1 无线信道传输特性 在无线通信中，信号传播所经历的信道环境极为复杂，其主要特点有： ( 1 ) 开放的传播空间：不同于封闭且稳定的有线通信环境，无线信号主要 依靠电磁波的空间传播形式来实现通信目的，因此无线信道相对于有线信道来 说，特性更为复杂多变。 ( 2 ) 复杂的地理环境：在不一样的地理环境下，无线信号所遇到的障碍物 等情况也不一样，所以无线信道所表现的特性也是千差万别的， ( 3 ) 移动的通信用户：由于每个用户所在的通信环境不尽相同，且同一用 7 2 无线信道特征和o f d m 系统分析 户在不同时刻的所属环境也可能有很大差别，所以导致无线信道的进一步复杂 性。 2 1 1 衰减作用 无线信道对发送信号的衰减作用由传播路径的长短和信号所遇到的障碍物 情况来决定。按照发射机和接收机之间的距离，可以将衰减作用分为大尺度衰 落和小尺度衰落两种。 无线信道的衰落因子可以用下式描述： 7 7 ( f ) = 孝( f ) f ( f )( 2 1 ) 式中刁( f ) 为信道的衰落因子，f ( f ) 表示大尺度衰落影响因子，f ( f ) 表示小尺度衰 落影响因子。 大尺度衰落描述的是无线信道在较大尺度上( 收发机相距数百米或数千米) 对信号的影响，主要反映在信号随着它的传播距离的增加而发生缓慢的变化， 所以大尺度衰落也可以叫做慢衰落】。大尺度衰落又可分为路径损耗和阴影衰 落10 1 ，其中路径损耗是由无线信道的丌放特性引起的【2 5 】，例如：自由空间中的 信源所发散出来的能量会按照一个无限扩展的球面路径进行传播，也就是晚只 要是在一定接收范围内的天线，都会多多少少地收到信源所发出能量；阴影衰 落主要是由发射机和接收机之间存在的障碍物的遮挡引起的，例如高大建筑物 的阻碍或者地形的起伏等等，电磁场往往会在这些障碍物的后面产生阴影，当 移动台经过这些阴影区时【1 0 】，电磁场场强中值发生变化就会导致接收信号的衰 减。 小尺度衰落描述的是无线信道在较小尺度上( 收发机相距数百米或数千米) 对信号的影响。无线信号在较小的尺度距离上传播时，其特性会在较短的时间 或距离内发生快速变化，这种衰落称为小尺度衰落。一般情况下，小尺度衰落 是由于同一个无线信号受到障碍物的影响之后沿多个路径传播引起的，它使得 接收信号是来自多个传播路径的信号的合成，所以也称为多径衰落【i 们。 ， 2 1 2 多径效应 如图2 1 为多径时散示例图。无线信号经基站发出之后，会经过障碍物的反 射、折射、散射等才能到达移动台【1 0 】，如果每个形式的信号到达移动台的时刻 不一样，那么它们叠加之后的信号就会产生多径时延。到达接收天线的第一个 2 无线信道特征和o f d m 系统分析 与最后一个信号分量两者之问有一个时问差，这个时间差叫做最大时延扩展1 0 1 。 在传播过程中，一个很短的脉冲信号可能会被展宽，在接收端会呈现为一 串脉冲，这种现象叫做多径时延扩剧1 0 1 。 妨 鹪 其中i l o s 爱矫置残税距 图2 i多径时散示例 另外一个比较重要的概念，是与时延扩展相对应的相干带宽。它是表征多 径信道特征的重要参数。假设z m 为信道的最大多径时延扩展，则相干带宽的表 一示为：一-一一一 统一i ( 2 2 ) l 令发射信号的带宽为b ，如果b e ，则信道为频率选择性衰落。此时的接收信号的包络会 发生起伏变化，且会产生码问干扰，其信道模型如下： r ( t ) = ( f r o ) s ( t - r o ) + h ( t - r 。) s ( f 一一) + 缈( ，z ) ( 2 4 ) 式中，q ，为多径时延。 9 2 无线信道特征和o f d m 系统分析 2 1 3 信道的时变性 发射机和接收机之间呈现相对运动或者信道中的其它物体运动，都会引起 无线信道的时变性，相干时间和多普勒频移是描述信道时变特性的重要参数【1 0 1 。 图2 2 无线信道时变性产生分析图 如图2 3 所示，我们假设移动台的移动速度为1 ，它从x 点出发，向y 点移 动，则位移为d - ：w ；移动台接收从点s 处发出的波长为2 的电磁波，入射角度 分别为q 和幺i 如果假设点s 在无穷远处，则q 和0 2 相等，即q = 0 2 = 0 ，因此 x 和y 之间电磁波的相位差a 矽可以用下式表示： 1 伊：_ - 2 z c a x ：_ 2 z c - v tc osoao s ( 2 5 )够= = i z ) l 通过( 2 5 ) 式可求得频率偏差为： a f ：圭鲤： c 。s 秒砥兰c o s p ( 2 6 ) 2 万t五c 、 其中石为发射机的载频，c 为光速。这个频率偏差就是发射机和接收机相对运动 引起的多普勒频移，用以表示。当0 = 0 时，乃= v x = 厶称为晕大多普勒频 移。 相干时间是描述时域中信道的频率色散时变特性的重要参数，它与多普勒 频移成反比，定义相干时间t 为： 互二1 6 x f , , o 4 2 3 厶 ( 2 7 ) 1 0 2 无线信道特征和o f d m 系统分析 对于o f d m 系统，假设一个o f d m 符号的周期为t ，如果t z ， 则信号经历这种信道时将会产生时间选择性衰落，称为快衰落信道。 2 2o f d m 系统模型及关键技术分析 本节首先对o f d m 系统的模型进行了介绍，包括它的调制与解调原理、系 统模型及其优缺点等，然后介绍了一些传统的信道估计方法，并分析了频偏对 系统的影响。 o f d m 技术是一种多载波调制技术，它将原来高速传播的信道划分成若干 个相互正交的低速信道，使得传输信道呈现平坦衰落特性，以此柬增强信号抗 干扰能力。 2 2 1o f d m 系统模型分析 2 2 1 1o f d m 系统调制解调原理 与传统的f d m 系统相比，o f d m 系统利用快速傅里叶变换( f f t ) 实现调制 和解调，简化了系统实现的复杂度。其调制解调原理图如图2 3 所示。 - 一 旦书 | q 删4信一分乎 p ss p+ - 道 。x p f 一；万( 一2 ) f r c x p j 万( 一；) ，r 蛳一蕾厕仁 图2 3o f d m 系统墓带原理示意图 发送信号经过q a m 或p s k 等方法调制后，再利用子载波的正交性对原始信 号进行解调，若干个经星座调制之后的子载波叠加组成一个o f d m 符号。图2 3 2 无线信道特征和o f d m 系统分析 中，n 表示子信道的个数，丁表示o f d m 符号周期，即一个o f d m 符号的持续时 间，以是每个子信道上的数据符号，则f = f ，时刻的o f d m 符号可以表示为： s c r ，= r e 蒸矾旭( ，一一三) e x p 2 万( z + 事) c ，一t ， ) ，r t + 丁c 2 8 ， 其中z 是载波频率，r e c t ( t ) = 1 ，h r 2 。 通常情况下，采用等效的复基带信号束描述o f d m 信号，如下式所示： ) = 荟n - i 反删( 一吾) e x p ( 伽亍k ( ) ) ，乞+ 丁( 2 9 ) 图2 4 所示为一个包含4 个子载波的o f d m 符号实例，通过其我们可以直观地 了解o f d m 调制信号的f 交性。如图所示，我们假设图中的所有子载波都具有相 同的幅值和相位，则各个子载波之间呈现诈交性。 在接收端，解调第，个子载波时，接收信号需要先乘以第路的频率载波， 然后对得到的结果进行积分，积分区间为一个o f d m 符号周期t t 2 6 1 ，即： 图2 4 包含4 个子载波的o f d m 符号 z = 打7 唧( 川万争) 壤畋e 坤( 伽享k ( ) 户 = ；篓矾x p ( 伽字卜) 弘 仁柳 = d j 在按照上述方法进行o f d m 系统调制解调时，要求载波信号发生器具有很高 1 2 2 无线信道特征和o f d m 系统分析 的精度，硬件实现较为复杂【2 6 1 。实际上，可以按照w 萌n s t e i n 和e b e n 等a t 2 】提出 的利用i d f t 实现发送端子载波的并行信号传输，且在接收端用d f t 进行信号分 离。令式( 2 9 ) 中的= 0 ，对信号s ( f ) 以吖间隔进行采样，也就是令 t = n t n ( n = o ，l ，n 一1 ) ，则： 铲( n t n ) r n ) = 芝如p ( 警) ，o n n - 1(211)k=o & = s 巩e xl 等i ， ( 2 由上式可以看出，已实际上为畋i d f t 的结果。如果在接收端对s 。进行d f t 变换，则原始的数据符号以可被还原，即： yn-is。-j型1，okd一1ke x p n = o 等j 邝州一 ( 2 1 2 ) f 7l 7 、 综上所述，i d f t d f t 运算可以实现o f d m 系统的调制和解调。在实际应用 中，如果采用快速傅罩叶变换对( i f f t f f t ) 来替代i d f t d f t ，则可以进一步降 低系统的复杂度。 2 2 1 2 带信道编码的o f d m 系统模型 对于o f d m 系统，每个符号通过插入循环前缀有效地避免了i c i 和i s i 。 但是在实际应用中，深度衰落还是会导致某些子信道无法被检测到。为了进一 步提高o f d m 系统的抗干扰能力，可以将信道编码和比特交织技术与其结合， 构成带编码的o f d m 系统。信道编码能够有效地提高系统的抗干扰能力，在 o f d m 系统中，常用的编码技术有分组码、网格编码调制、卷积码和t u r b o 码 等等。比特交织技术对于抵抗系统的突发错误有很好的效果，通常是在发送端 的信道编码器和信道之问放置比特交织器，在接收端的译码器之前再放胃解交 织器，这样就可以将突发性错误有效地分散掉。 如图2 5 所示为带信道编码的等效基带o f d m 系统模型【1 0 】。在发送端，首先 对信息比特b 进行信道编码操作，得到的码字序列为c ，然后将码字序列c 送入一 比特交织器，得到交织后的码字序列d 1 3 3 1 。设子载波数为，一帧内o f d m 符号 数为m 。码字序列d 经星座点映射后串并( s p ) 变换，然后进行i f f t 变换得到 o f d m 符号；通常情况下，为了避免i s i 的影响，且使符号的正交性不被破坏， 将原符号块的最后。个子载波放在符号块的前部【l0 1 ，作为其循环前缀，这样构 成了一个长为+ 。的新序列；然后进行并串( p