（电路与系统专业论文）正交频分复用（OFDM）技术在无线通信中的应用研究及硬件实现[电路与系统专业优秀论文].pdf

摘要 本文主要从调制技术方面入手，针对无线通信信道的一些问题，将正交频分 复用( 0 f d m ) 技术应用于无线移动通信系统，克服了无线移动通信中所面临的多径衰 落和多普勒频移等因素的影响。提高了整个通信系统的性能。 正交频分复用( 0 f d m ) 技术是一种多载波数字调制技术，虽然o f d m 的概念己 经存在了很长时j 铷，但是直到最近。随著多媒体业务的发展，它彳被人们认识到是一 种实现高速双向无线数据通信的良好方法。随著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 技术在移动通信领域的应用。 本文从对无线移动通信信道的特性研究出发，分析了其存在的问题。然后针 对问题提出了解决方案一采用0 f d m 技术来设计通信系统的调制器。文中给出了各 种算法的比较分析和具体的设计方法，并综合性能和成本的考虑，从中选择出了适 合于本文所讨论的无线移动通信系统的设计方案。 第一章给出了0 f d m 技术发展历史、应用、主要思想以及一些相关标准。 第二章深入分析了无线移动通信信道的一些特性。并据此给出了本文所要研究的无 线通信系统的信道模型。 第三章介绍o f d m 技术的原理及其在解决无线通信的一些问题上存在的优势和问 题。 第四章介绍固定数据速率的自适应0 f d m 调制分配算法 第五章给出了o f d m 通信系统的基带传输结构同时，本章对0 f d m 系统的几个关键模 块，如调制解调和同步定时等进行了详细的理论分析和实现算法、方法的研究。 第六章根据0 f d m 技术原理以及前面几章的分析结果，详细地给出了0 f d m 通信系统 的硬件平台的关键部分基带调制器的设计。 f 关键字 ：o f d m ，频率同步，多径衰落，循环前缀，调制器，f p g a 。 d a b s t r a c t t h i st h e s i sf o c u s e s0 ns o m et e c h n i c a ld i f f i c u l t i e se n c o u n t e r e di nt h e nr i r e l e s sc o n l f l u n i c a t i o na n d f r e q u e n c y d i v i s i o nm u l 1 h ish e n c ei m p r o v e st h e t i p l o v e t a c k le st h et a s kb ya p p ly in go f d m ( o r t h o g o n a l e x i n g ) t e c h n i q u e si nt h ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m r a l lc o m m u n i c a t i o ns y s t e m sp e r f o r m a n c eb yo v e r c o m i n gt h ee f e c t ss u c hl i k e , m u l t i p a t hf a d i n ga n dd o p p l e rs p r e a di n t h e f r e q u e n c yd o m a i 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 sam u l t i c a r r i e r d ig i t a lm o d u l a t i o nt e c h n i q u e i t sc o n c e p t i o nh a sc o m eo u tf o ral o n gt i m e ， h o l l e v e r ，i ti sr e c e n t l yt h a ti t sr e c o g n i z e da sa np r o p o s e dm e t h o di nb r o a d b a n db i d i r e c t i o nw i r e l e s s d a t ac o m m u n i c a t i o n sw i t ht h ed e v e l o p m e n to f m u i t i m e d i as e r v i c e s w i t ht h ed e v e l o p m e n to fd s pc h i pt e c h n i q u e sa n dt h e in t r o d u c ti o no fs o m em a t u r et e c h n i q u e s 。s u c ha sf f t i f f t ，t h ea p p li c a t i o n o f6 4 1 2 8 2 5 6q a mi nh i g h s p e e d m o d e m ，t c m ，a d a p t i v ec h a n n e le q u a l i z a t i o n ， t h ei n s e r t i o no fg u a r di n t e r v a la n ds oo n ，p e o p l ea r es t a r t i n gt of o c u so n t h ea p p l i c a t i o no fo f d mi nt h ef i e l do fm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s ， b a s eo nt h es t u d yo fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nc h a n n e lc h a r a c t e r i s t i c s h et h e s i sg iy e sa na n a l y s i so nt h ee x i s t i n gp r o b l e m sa n dp r o p o s e sas o l u t i o n i m p l a n t i n gt h eo f d mt e c h n i q u ei nc o m m u n i c a t i o ns y s t e mm o d u l a t o r t h et h e s i s g lv e sac o m p a r i s o na m o n gt h ed i f e r e n tb a s eb a n dp r o c e s s i n ga l g o r i t h m sa n d t h ed e s i g nm e t h o d af i n a lb a s eb a n dt r a n s m i t t e rs o l u t i o ni nf a v o rt ot h e m o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e mi ss u g g e s t e da f t e ra no v e r a l lc o n s i d e r a t i o no f b o t hp e r f o r m a n c ea n dc o s t 1nt h ec h a p t e ro n e ，t h et h e s i sg i v e sab r i e fi n t r o d u c t i o no ft h eh i s t o r y 。 a p p l i c a t i o na n dt h em a i nt h e o r yo fo f d mw i t hs o m er e l a t e ds t a n d a r d s c h a p t e rt w og iv e s as t u d y o nt h e c h a r a c t e r i s t i c so ft h ew i r e l e s s c o m m u n i c a t i o nc h a n n e l ，b a s e do nt h i sp r o p o s e st h ec h a n n e lm o d e lw h i c ht h i s t l e s isv o u 】dd is c t u s s 1nc l i a m f th r e e ，o f 洲 、a n di t sa d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e sa r e i n t r o d u c ( ：( _ i ind e t a i lh c h a f l t e r o l i i t h ef i x e d r i l 【、l ja ll o c a t i o na l g o r i t h mo fa d a p t i v e o f d m m o d u l a ti o i ljsi n t r o d u c e , i c h a p t e r j 。iv eg i v e st h ek t s e b a n d t r a n s m i s s i o n a r c h i t e c t u r e o fo f d m o m m u n i c a1 i o ns y s t e m a tth es a m et i m e ，t h i sc h a p t e ra l s or e s e a r c h e so nt h e t h e o r ya m l l y s i sa n di m p h ，m e n t a t i o na p p r o a c h e s 、a l g o r i t h mo fo t h e rk e y m o d u l e s ，s u c ha sm o d u t a t i 0 i ，d e m o d u l a t i o n ，t i m i n ga n ds y n c h r o n i z a t i o n a c c o r d i n gt 0t h et e c h n ic 1 1 lh e o r yo fo f d ma n dt h ea n a l y s i sr e s u l t so ft h e f o r m e rf iv ec h a p t e r s ，c h ；, pr e rs i xg i v e sad e t a i l e di n t r o d u c t i o no ft h e d e s i g no f t h ei m p o r t a n th ；i s e b a n dm o d u l a t o ro ft h eh a r d w a r ep l a t f o r mf o r t h eo f d muit e l e s sm o b i1cc o m m u n i c a t i o ns y s t e m k e y w o r d o f d m ，f r e q u e n c yh ? n c h r o n i z a t i o n ，m u l t i p a t hf a d i n g ，c y c l i cp r e f i x m o d t l 】a t o - f p g a 6 第一章引言 1 io f d m 的发展 i i i 研究o f d m 技术的意义 目前3 g 系统支持的最高数据率达到2 m b p s ，因此，对4 g 系统的一个比较普遍 的期望是支持2 0 m b p s 以上的数据率，比3 g 系统提高一个数量级。要实现如此高速 率的高质量多媒体无线数据传输，无线通信系统需要克服许多技术挑战。其中衰落 和多径现象是高速率无线数据传输需要克服的重点阉题之一。宽带无线通信的信道 由于接收者或者发射机的移动而具有时变性，而且由于复杂的地形地物的影响，非 视线传播的发送信号往往经过多次反射、折射后达到接收机，多个这些信号的延迟 各不相同，当它们达到接收机时，它们随机叠加可能造成接收信号幅度的极大变化， 表现为衰落现象。同时，由于这些反射或折射的信号副本经过不同的路线达到接收 机，不同的路线长度造成信号达到接收机的时间上的延迟各不相同，表现为时延扩 展现象。不同的传播环境典型的时延扩展从几个纳秒到几十纳秒不等。对数字传输 系统，当这种信道的时延扩展跟数据符号的持续时间可以比拟时，会造成符号间干 扰( i s i ) ，严重影响数字通信系统的性能，尤其是对高速率数据传输系统的影响更 大。而多载波正交频分复用技术( o f d m ) ，由于使用并行传输加大符号传输时间并 使用循环前缀，经多径时延信道传输后接收端通过简单的一阶频域信道均衡即可实 现无i s i 接收，o f d m 技术这种抗信道时延扩展的特性格外受到高速率数据传输系统 的青睐。o f d m 技术也因此将在实际的高速率数据传输系统中得到广泛应用，因此研 究支持高速率无线数据传输的o f d m 技术是十分有意义的。 i 。1 2 o f d m 技术的发展历史和技术简介 一、 o f d m 技术的发展历史 在无线传输环境中，多载波技术的典型代表是o f d m ( 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 nm u l t i p l e x i n g ，正交频分复用) 2 6 ：应用在有线传输中的多载波技术通 常被称为d m t ( d i g i t a lm u l t i t o n e ) 6 本文对多载波技术的讨论集中于o f d m 采用多载波传输的最初目的是要克服g s t n ( g e n e r a ls w i t c h e dt e l e p h o n e n e t w o r k ) 传统的电话线路中因信道特性不理想对信息传输产生的影响。后来发现， 对其他非理想信道( 如频率选择性衰落的无线信道) ，多载波传输也具有较好的优越 性。又由于近年来数字信号处理技术和大规模集成电路技术的发展，使得多载波技 术应用于无线环境也成为可能。故近来对o f d m 技术的研究也成为热点。并行数据 传输的概念和频率复用技术，早在上世纪6 0 年代中期就出现了，c h a n g 2 8 一文提 出了在有限带宽信道上无码间干扰和载波问干扰并行传输数据的方法。s a l t z h e r g 8 对该方法进行了分析，并指出在该系统中干扰主要来源于相邻的子信道这一预 见被最早采用此项技术的美国军用高频无线通信系统证明。w e i n s t e i n 和e b e r t 3 3 于1 9 7 1 年，在一文中首次引入了离散傅立叶变换( d f t ) 代替多个调制解调器组来进 行基带调制和解调，为防止i c i 和i s i ，该方案使用了保护时间和升余弦窗函数。虽 然该方案在弥散信道上的载波正交性不尽完美，但d f t 的使用极大地简化了原始的 o f d m 系统，因而促进了o f d m 技术的实际应用。o f d m 的另外一个重要改进是p e l e d 和r u i z 7 于t 9 8 0 年作出的，在一文中提出使用循环前缀( c y c l i cp r e f i x ) 来解决 正交性问题。虽然循环前缀的使用会招致功率损失，但却有效保证了正交性，消除了 载波间干扰。w y z o u 3 8 对o f d m 的原理和实现方案进行了概括总结。随着o f d m 的应用日益广泛，对o f d m 的改进方案不断涌现，对o f d m 的研究也方兴未艾。 二、o f d m 的主要思想： 在频域内将所给信道分成许多正交子信道，这样尽管总信道是非平坦的，也 就是具有频率选择性，但是每个子信道是相对平坦的( 如图卜l 所示) 。 f 图卜1 信道频率响应 将要传送的数据分到各个子信道并行传输，每个子信道的数据传输速率比总速率低 许多，就可以有效地对抗频率选择性衰落，并且可以大大减少符号问干扰 ( i n t e r s y m b o li n t e r f e r e n c e ，简称i s i ) 。上图卜1 中h ( f ) 代表非理想的信道频率 响应。 传统的并行数据传输系统，把整个信号频率带宽划分成n 个不重叠的子信 道。每个子信道分别被调制之后，n 个子信道进行频率复用。这样做看上去避免了 信道的频谱重叠，消除了信道间干扰。这却造成了频谱的利用率降低。而o f d m 则在 各个子信道间，频谱是相互正交重叠的。图1 - 2 中( a ) 是传统的多载波，( b ) 为正交频 分复用o f d m 技术。可以看出后者节省带宽5 0 。 c h 1 礴1 名c 魁一c h 。4o h , 5 ；黥8 氆k 7 贮垃8o h 9g 1 1 】：9 q 岔；凸凸仓仓国：国：q 凸丽蕊 鳓 图卜2 带宽利用示意图 o f d m 技术之所以很受重视，是因为它很具特点，其特点将在第三章介绍。 i 2 多载波技术的应用 多载波调制已经在通信系统中广泛应用：如电话系统的数字传输，数字音频 广播，数字电视，无线局域网等： 存有线传输环境中，d m t 技术在高速用户数字线和非对称用户数字线技术中 己广泛使用。1 9 9 3 年3 月，美国交换载波标准协会( e c s a ) 的t i e i 4 工作小组通过 建议采用d m t 调制作为a d s l 的优选线路编码方案。该方案把用户双绞铜线可用带 宽( 1 i m h z ) 分成2 5 6 个子信道，每个子信道占用4 k h z 带宽，根据各子信道的瞬时衰 减特性、群时延特性和噪声特性在每个子信道上动态分配卜1 5 个数据比特，并关闭 不能承载数据的信道，从而使传输速率达到最大。而且o f d m 还被推荐为电力线通信 系统的调制技术，由于其适合电力线时变信道、对抗无线窄带干扰的特性 9 在无线传输环境中，o f d m 的应用更为广泛。它的思想其实早在6 0 年代就己 经出现，并应用在当时的c o l l jf i sk i n e p l e x 军事系统当中。o f d m 在当今应用的一 个实例是欧洲的数字音频广播( d a b ) 一e u r e k a l 4 7 工程。e u r e k a l 4 7 工程是一个针对 移动接受者的高速数字声音广播系统，在7 m h z 的频带内通过卫星和地面广播1 6 路 立体声节目，数据率5 6 m b s 。i e e e 8 0 2 1 a 和欧洲电信标准化协会( e t s i ) 的 h i p e r l a n 2 两种无线局域网标准，在物理层也都采用了f 交频分复用( o f d m ) 技术 来应对频率选择性衰落，采用了6 4 个子载波，信道间隔2 0 m h z ，保护间隔8 0 0 n s ，其比 特速率局达5 4 m b p s 在欧洲和一些地方，o f d m 已被数字电视地面广播系统采用。如 今采用o f d m 作为下一代地面移动通信系统的调制技术已成为热门话题。 1 3 本论文主要研究工作 从以上的研究背景中得出结论，研究o f d m 技术有着很重要的意义。因此本 文研究o f d m 技术在无线通信系统中的应用技术问题，以及o f d m 基带调制器的硬件 实现。所进行的研究工作主要有： 一、从移动通信信道的特性研究出发，分析其存在的问题。然后针对问题提 出了解决方案一采用o f d m 技术来设计通信系统的调制器。文中对o f d m 通信系 统基带处理的各种算法进行比较分析，并综合性能和成本的考虑，从中选择出 适合于本文所讨论的无线移动通信系统的基带发射机设计方案。 二、在高速高性能o f d m 基带调制器的f f t 处理器设计中，f f t 处理器的结构上， 采用顺序结构和并行迭代结构相结合的结构，即采用两个蝶形运算器同时并行 计算，每次蝶形运算按顺序进行的结构，将并行处理与顺序处理相结合。还采用 乒乓r a m 模式、基4 蝶算等架构。因而，极大提高了o f d m 基带处理器的处理速 度，并减少f p g a 资源占用率： 三、提出一种基于时分复用的复数乘法器结构，可以大大缩减基4 碟算单元中 的乘法器个数。 四、采用f p g a 设计技术和自顶向下( t o p - d o w n ) 的层次化结构设计方法，设计 具有高速运算处理速度、高集成度、高精度的满足实时数据处理的o f d m 基带 调制器。 1 0 第二章移动无线通信的信道分析 无线移动通信信道是现代通信系统中最为复杂的信道。发射机与接收机之间 的传播路径非常复杂，不像有线信道那样固定并可预见，而是具有极度的随机性。甚 至移动台的移动速度都对信号电平的衰落产生影响。无线电信号通过移动信道时会 遭受来自不同途径的衰减损害。有线信道中典型信噪比约为4 6 d b ，信噪比的波动通 ， 常不超过1 - 2 d b ，与此相对照，移动无线信道中信号强度的骤然降低即所谓衰落是经 常发生的，衰落深度可达3 0 d b ，i s 之内的显著衰落可达数十次 3 ，由此可见，无线 信道对于通信系统的性能有着非常重要的影响。 一般来说，信号在无线移动通信信道的传输过程中，主要存在以下几个问题： 夺自由空间路径损耗 对于无线通信信道的信号传输来说，在没有障碍物阻挡传输的情况下，接收 端接收到的信号功率同发送端和接收端之间的天线距离的平方成反比。 呤反射、衍射和散射的影响 信号在无线通信信道中传输往往会遇到很多障碍物。如山脉、树木、建筑等。 从而使得传输中的电磁波受到反射、衍射和散射的影响。这些影响对于电磁波能量 的传播起着很重要的作用，同时也是产生无线信道衰落现象的根本原因。 冷多径传播和多普勒频移带来的衰落影响 由于电磁波信号在无线移动传输时，会遭遇很多障碍物，所以一般来说在收 发天线之间没有视线方向上的电磁波传播。能量的传播主要依靠建筑物等障碍物的 反射、衍射和散射。这三种传播机制会产生大量的传播路径，使得同一个接收天线 会接收到很多来自不同方向的电磁波。这些电磁波传播路径不同，相位不同，路径损 失不同当它们在天线处叠加在一起构成接收信号时，就会产生多径效应这使得接 收到得信号的相位差异和功率差别非常大。 此外，由于传播环境中的物体的移动，以及发送台和接收台之间的相对移动， 会产生多普勒频移。而各个多径信号的多普勒频移也是不一样的，这就会造成不同 多普勒频移对信号产生不同的调频。 另外，信号的带宽对传输也有影响。如果信号带宽大于多径信道的带宽( 多径 信通可以看成一个时变系统，它的带宽可以用相干带宽表示) ，那么接收信号就会失 真，但接收f 芹号的能量在很小n 0 范围内变化不大，衰落并不严重。而如果发射信号的 带宽与信馗相比是窄带的，那么信号的幅度变化就会很快。 综j 二所述，无线信道刈 ：线移动传输信号的传输过程影响非常显著，要设计 好的传输系统，就必须综合考虑无线信道的各种特性。我们将在这一章对无线移动 信道进行深入研究。 2 1 小尺度效应 在多径信道中，当接收机或发射机即使移动了 2 载波波长这样小的距离，接 收信号的幅度也会经历剧烈变化。这种剧烈变化主要是由于信号从不同路径传播到 接收机上引起的。我们使用小尺度效应来描述这种变化。在小尺度范围上，我们主 要关心无线信道的两种特性。首先是接收机、发射机或者通信媒介的移动，将引入 d o p p l y 频移，即无线信道是时变的。其次由于多径信道中，各路径有不同延时，多径 信道将使接收信号产生时延扩展。在这一节中，我们首先引入信道冲击响应的概念， 接着讨论它对信号的影响。 2 1 1 信道的冲击响应 设：s ( t ) 代表发送信号，r ( t ) 代表接收信号。在空间中固定一点，信道不是时 变的，则信道可以被当作一个线性滤波器h ( t ) 来处理。如果不考虑噪声的影响，则： r ( t ) = s ( t ) oh ( t )( 2 1 ) 其中国表示卷积。 一、a w g n 信道 加性高斯白噪声( a w 6 n ) 信道是最简单的一种信道模型。在该模型中，信道的 唯一影响是它带来的噪声。我们一般先研究系统在a w g n 信道下的性能，并以该性能 为参照标准，来研究系统在其一信道下的性能。在a w g n 信道下： r ( t ) = s ( t ) oh ( 1 ) tn ( t ) = x ( t ) + n ( t )( 2 2 ) 其中，n ( t ) 表示a w g n 噪声， j j 率谱密度为0 ，2 。这时a w g n 信道冲击响应是占( f ) 二、多径衰落信道 在犬多数无线通信系统巾，多径现象都会给系统性能带来很大影响。由于墙、 建筑物或地i 等的反射与散划发射信号会以不同时延和变化的幅度到达接收机c 信道的冲r l q 应可以表示为 ( r ，) = 艺一( 小j ( r r t ) ( 2 3 ) 其中 m t ) 是时变的不同路径的复数增益， f f ) 是不同路径的时间延时，l 是路径 数。信号经过该信道后，输出rz j + 表示成： r ( f ) ：j ( f ) 帆) + ”( f ) = 宝啊( f ) j ( 卜r 1 ) + ( f ) ( 2 4 ) 信道的平均附加延时可计算为 ；：翌 ( 2 5 ) f = 上 - 一 k z a j 砰 另外，t i 的均方值也可以表示成： 一砰寄 f ：= 土= l 一 砰 ，1 则信道时延扩展的均方根( r 。、) 为 f m2 r 一7 ( 2 6 ) ( 2 7 ) 文献 1 4 中给出了一些典型环境中的信道时延扩展f 。的测量值。例如，对于载 波频率约为9 0 0 m h z 的系统，在城市环境中，f 。测量值的变化范围从1 3 u s 到2 5 u s ； 在郊区环境中，r 。测量值的娈化范围从2 0 0 n s 到2 1 1 0 n s ：在室内环境中该范围为 l o n s 到1 4 7 0 n s 2 1 2 相关带宽( c o h e r e n c eb a n d w i d t h ) 信道的相关带宽，是用术描述在多宽的频率范围内，信道传递函数的幅度还 能保持恒定。它和信道的时延 r 展有着紧密联系。频率相关性为9 0 的相关带宽可 近似为 1 4 ： ”妾 而相关性为5 0 的相关带宽为： ( 2 8 ) 皿。_ l ( 2 9 ) ，f j 以上相关带宽都为粗略估计，因为相关带宽和f 。之间没有确定关系。当系统的传输 带宽大于信道相关带宽时，一般来说，接收机就要使用均衡器等措施。例如，当 t = 2 u s 时，信道相关带宽约为l o o k h z ，所以带宽为3 0 k h z 的a m p s ( k d v a n c e d m o b i l e p h o n es e r v i c e ) 系统就可不用均衡器而能在该信道环境中正常工作，但，带宽为 2 0 0 k h z 的g s m ( g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l e ) 系统则不行。所以即使一个信道的时 延扩展只有几十或几百纳秒，但高速数据速率无线系统要想在其中实现通信，仍需 要采取一定措施来对抗多径信道。通常对于单载波系统我们采用自适应均衡器，而 本文则使用o f d m 技术。 当系统带宽大于信道的相关带宽时，我们称系统面临的是一个频率选择性信 道。此时信道频率n 向应在整个系统带宽中将剧烈变化，并且可能会出现频率响应的 零点，这将严重衰减在该频率处的信号。而当系统的带宽小于信道相关带宽时，系统 面l 临的是频率非选择性信道。此时信道相当于只有一条路径。但这时如果该路径处 于深衰落时，则信号面临完全被衰减的危险。 2 1 3 信道的容量 信道容量的定义：通过信道可靠传输的最大信息速率。对于一个理想的带宽 受限、只有加性高斯白噪声的信道容量为： cl 眦g ：( 1 + 蒜) ( 2 - 1 0 ) 这晕c 是信道容量，单位是b i t s ：w 是信道带宽，。是信道噪声，只。是发射功率。 而当把信道划分成若干个子信道时，每个子信道容量接近理想信道，可以用理想信 道容量计算公式表达： 十簪1 这晕c ( 厂) 是非理想信道的频率响应，垂。( 五) 是加性高斯噪声的功率谱密度。，为 每个子信道带宽，p ( 五) 是第i 个子信道中的信号能量分布。所以整个信道的容量 为： c ，扣和g ：( 1 + 鬻簪】 泣嘲 2 1 4 信号的包络分布 由于建筑物和地面等的非镜面反射及散射，对于( 2 3 ) 每一条路径复数增益 系数t l ，实际上代表了许多具有相同时延的路径总和。所以 ，可以很好的被近似为 一个复高斯随机变量。则在非视距传输时，一个信号沿着具有相同路径时延的路径 传播时，接收信号满足r a y l e i g h 分布 棚巾。扣膳1 ( 2 - 1 3 ) 其中，口二为接收信号幅度的均方根。在视距传输时，h ，中包含了一条主要路径，则这 时接收信号的幅度满足r i c i a n 分布 础沪蚓学m 笋) 其中，。( ) 为第一类修正的贝赛尔( b e s s e l ) 函数。 2 1 ，5 信道的时变特性 除了多重路径效应以外，无线信道传输的重要效应还有另一种，称为多普勒 效应( d o p p e re f f e c t ) ，当传送端与接收端之间有相对的移动，就要考虑。以图2 一l 晓明，无线电波源以s 表示，当接收机由x 移动至z ，两者距离4 行进速度为 血为从z 移动至z 所需的时间，0 为电波源与接收机移动方向的夹角，无线电波 移动距离可表示为： a d = dc o s 0 = v a tc o s 8 ( 2 1 5 ) 当l 乜波源与接收机距离很远时，x 和z 与电波的夹角都可视为是0 ，其对应的相 角变化为： 中：堡厶d ：垫c o s 口 五z ( 2 1 6 ) 其中z 为光线电波长，因此j _ 有相对移动速度时，接收的频率会有所变化，此变化 称做多普勒频率飘移( d o p p s h i f t ) ，如下所示： ， 1 巾 v 。 ，。= 一c o s 纠 。” 2 7 ra t五 ( 2 。1 7 ) 由( 2 一1 7 ) 式，可知当传送端与+ 接收端之间相对移动速度越大，多普勒效应就越明显， 频率飘移情形越严重，信道瞬时强度和相位交化越快，也就是代表信道的时变( t i m e v a r i a t i o n ) 效应越严重。而且当l c o s 臼= 1 i 时，可得到d o p p l e r 频移的最大值： f ：兰：堕 ( 2 1 8 ) - jj j ， 卜( 1 一x图2 1d o p p l e r 频移示意图 实际中，信号可以从任何角度入射到接收机，所以我们仍采用统计分析的方法来研 究信道的叫变特性。当假定接收机使用全向天线，并认为信号到接收机天线的入射 角是一个均匀分布予 o ，2 刀：的随机变量，则当发射机发射一个单频信号，接收信号 的功率谱密度函数为： 似7 卜珂；l 叮 ( 2 1 9 ) 其中，s 接收到的平均功率，。为载波频率，= 2 巧乞。该功率谱密度函数就 是所谓m t k t s 模型，其形状州纠2 - 2 所示。 、 一 z - 5 、 2 1 j o 5 口 - 0 - 0 ，10 4 0 ， ( ，一正) ，五 圈2 - 2 j a k e s 模型示意图 d o p p l e r 频移的最大值和接收机的运动速度以及载波频率成正比。例如， 当接收机以l o o k m 每小时的速度运动，且载波频率为2 g h z ，则l = 1 8 5 h z ；而接收机 以步行速度6 k m 每小时运动时，= l l f 垃。定义d o p p l e r 带宽为2 无，当信号带宽 大于d o p p e r 带宽时，d o p p i ej 频移对信号的影响可忽略。 另外，信道的相关时f r j 定义为信道可保持相对稳定的一段时间。相关时削的 近似公式为 1 4 ： r ；坐 2 2 信道模型 ( 2 2 0 ) 这一部分主要描述本论文用到的多径信道模型。两径衰落模型如图2 3 斟2 ： 两径模型图 第三章正交频分复用的原理及其优势 在卜章所述的无线移动信道传输影响中，路径传播损耗与反射、散射等带来 的能量损失主要影响到无线医的覆盖。而反射、散射和衍射带来的多径衰落以及多 普勒效应严重影响信号传输质黾且不可避免，必须采用合理的技术来减少其影响。 在此。我们引入o f d m 技术。 0 f d m ( o r t h o g o n a lf r e q i l e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) ，又称正交频分多路 复用，o f d m 的主要思想是使刚并行数据传输及频分多路复用( f d m ) 的方式来克服噪 声及多径干扰，从而避免使用高度复杂的均衡器。同时达到最大限度地利用可用频 带、获得高频谱利用率的目的。 3 10 f d m 技术原理 o f d 技术的基本原理足把调制在单载波上的高速串行数据流，分成多路低速 的数据流，调制到多个载波匕并行传输 2 6 ，各个载波上的调制方式可以相同，也可 以不同。一个o f d m 信号由频率| 1 日j 隔为a f 的n 个子载波构成。因此，系统总带宽b 被分成n 个等距离的予信道。所有的子载波在一个间隔长度为t 。= t a f 的时间内 相互j 下交。第k 个子载波信l j 垌函数鼠c t ) ，k = l ，n - l 来描述。 酣归k 渊筹州， 既然系统带宽b 被分为n 个窄带子信道，所以o f d m 组的持续时间t s 就是相 同带宽的单载波传输系统的、倍。对一个给定的系统带宽，子载波个数的选取要满 足符号持续时f 剐大于信道的最人延迟。子载波信号兢( ，) 加上一个长度为的循环 前缀( 称为保护间隔) 得到下面的信号：( ，) g 。c ，= p ：啪v v l ，l i - 一，j 7 ；, ，, ，r i , l ，c ，一z ， 保护恻隔的作用是i l j 以n , l 显降低多径信道上产生的i s i 。这是o f 蹦传输技 术的一个煎蛭优势。插入保护，t 川隔的方式有很多种，可以在0 f d m 符号组前加入全0 值保护间隔，也可以加入耵lo l ：1 ) v l 符号的后一部分相同的循环前缀做保护间隔。保护 问隔的长度世要根掘系统的延4 特性来选择。在接收机，删去保护间隔而只估计时 间间隔：0 ，1 s j 。从这点看，橼护川隔是纯粹的系统开销。整个o f d m 组的持续时自j 是 t = t s 十7 ：，。如果保护间隔r 比元线信道最大延迟还大，那么就既不产生i s i 也不影 响子载波的l f 交性仅在保寸r 帅j 隔内才出现先前己传信息的干扰，而在估算的时间 问隔内，多径信道仅仅改变予披波信号的幅度和相位。每个子载波可以由复调制符 号s 。独立调制，这里下标n 表示时阃间隔而k 表示子载波在该o p d m 符号的序号 因而在符号持续时间t 内，笫1 1 个o f d m 符号可以表示为： 洲= 万i 刍a - i 剧，卅) 由所有o f d m 符号构成的时l 口j 连续信号是： s ( f ) - 去g 。( ，n t ) ( 3 4 ) v - ok - o 出于予载波信号相互萨交，即使在频域有频谱交叠，调制符号最。可以通过相 关技术恢复： = f 。既( ，) g 触) c = 瓦占“( 3 5 ) s “：掣 ( 3 - 6 ) 1 5 在实际应用中，发射机的数字信号处理部分首先产生离散的o f d m 信号s 。 因为b ：n a f ，所以信号必须在抽样时间间隔出= 1 b = 1 n a f 抽样。信号的抽样写 作，i = o ，1 n - l ，而且可以进行如下计算： 矗2 古乏虚州、。( 3 - 7 ) 上面的等式严格描述了离散傅立叶逆变换( i d f t ) ，一般用i f f t 实现。图3 - i 描述了o f 【) m 调制和加入循环i 】i 缀作为保护间隔的机理。( 下图中z 即为邑。t 即 为j 。，) 。 在( ) m m 系统中，信号7 l 经过i f f t 调制后，还应用进一步的信号处理来避免带 外辐射。如果功率放大器限制j o f d m 信号的幅度峰值则可能引起子载波频谱的带 外辐射和子载波频谱的副瓣。最后，信号进行数模转换并发送出去。在接收端，假定 保护阳j 隔长度正j 的值大于信趟最大多径延迟，近似认为信道在一个o f d m 数据包时 川问隔内址个时不变信逆f f ! | 在接收机估计的时间间隔内，对所有传播路径 r 唧e n c y d o r a 瑚= ；= 参陆一 图3 - 1o f d m 调制机理 的接收信号的贡献乘以各自的复信道传输因子，加到原始的被调制的子载波信号 上。采用式( 3 6 ) 的相关技术就可以把接收到的信号o ) 分解为j 下交的予载波信号： r 。：掣 ( 3 8 ) 接收机的相关可以等效地采用离散傅立叶变换( d f t ) 或f f t 来实现，分别为： 置“。赤弘e 1 “- 一( 3 - 9 ) 其中，是接收信号( ) 的第i 个抽样值，r 。是接收到的第k 个子载波的复 调制符号。如果用f f t 和川? 7 i 算法，则可对信号进行非常高效的处理。 3 2o f d m 技术在解决移动信道传输问题上的优缺点 3 2 1o f d m 技术的优点 由1o f d m 信号的上述二生机制和特点，o f d m 技术有着许多单载波和传统多 载波系统所没有的优点。z i ：自v ；! 无线移动通信的上述问题上有其独特的优势。 2 0 一、抗干扰能力强。 o f d m 技术可以有效的抵抗频率选择性衰减和窄带干扰。如上面所述，在无线 通信中存在多径效应，当多径时延增大到与码元周期可比时，就会引起码间于扰 i s i ( i n t e rs y m b o li n t e r f e r e n c e ) ，对于单载波系统，一个衰减或干扰就可能导致整 个通信链路失效，而在多载波系统中，只有一小部分子载波会被影响，这时可以通过 纠错编码来解决。o f d m 技术把每条子信道上的数据率降低，通过多个予信道并行传 输，大大扩展了码元周期，同时通过在时域上增加周期性循环前缀，不仅能保持o f d m 一 子载波的正交性，还可以很好的克服多径干扰的问题。 o f d m 的思想是把一个高速率的数据流分解成许多低速率的予数据流，以并行 的方式在多个子信道上传输。这样，o f d m 能把一个宽带的频率选择性衰减信道转换 成一系列的窄带非频率选择性衰减的多个子信道。 同单载波系统相比，o f d m 传输技术最重要的优越性体现在频率选择性衰减信 道上。由于o f d m 子载波的正交性在无线信道传输之后还被保留，信道干扰的影响就 被减小为在每个子载波上乘一个复传输因子。因而它的信号均衡很容易。这种情况 下接收机的信号处理过程将会非常简单。而在相同的带宽下，传统的单载波传输可 能就无法进行均衡了 4 二、频带利用率高。 传统的多载波调制f d m 频谱分布和o f d m 信号频谱分布如图3 2 所示。 ( a ) 传统的f d m 频谱分布 图3 2( b ) o f d m 信号频谱分布 传统的多载波系统为避免产生载波间干扰i c i ( i n t e r c a r r i e ri n t e r f e r e n c e ) ，各个 子载波在频带上是不重叠的，否则会互相产生干扰。各窄带子信号独立产生，然后被 分配到不同的频带上传输，接收机可以用传统的滤波器加以分离和提取，但是这样 频带利用率很低在o f d m 系统中，各个子载波的频谱是互相交叠的，只要保证各个 子载频的正交性，就可以在接收端完全恢复出原来的信号。每个子载波都采用矩形 脉冲成型。其频谱是s i n c 函数，在频域上可以很好地保证不同的予载波信号问的正 交性，而没有信道间干扰( i c i ) 的发生。同时提高了系统的频带利用率。 可以证明，只要相邻子载波的频率相差1 z ，就可以满足正交条件( 见式( 3 1 ) 和式( 3 5 ) ) 。而当各个子载波在整个码元周期上正交时，由式( 3 - 5 ) ，( 3 - 6 ) 可知， 只要接收机用各子载波对接收信号在码元周期z 上做相关积分，就可以无失真的恢 复出各个子载波上的数据。o f d m 信号的合成频谱非常近似于矩形，见图3 - 3 ( b ) ，其 频带利用率可以接近1 0 0 a ) 图3 3 ( a ) o f d m 子信道频谱 三、o f d m 系统结构简单、成本低 国 ( b ) o f d m 信号的合成频谱 在单载波系统中，通常都通过设计自适应均衡器来消除多径的影响，在高速 数字通信中，均衡器的抽头系统常常要求很大，这就增加了均衡器的复杂度和成本。 雨o f d m 系统具有优良的抗多径干扰性能和直观的信道估计方法，无须设计复杂的 均衡器，大