（通信与信息系统专业论文）fmt系统中的同步方法研究.pdf

原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名：立孟丝日期：塑巫：& 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅；本人授权山东大学可以将本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、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本 学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 导师签 期： 山东大学硕士学位论文 中文摘要 随着科技的进步生活水平的不断提高。人们对信息重的需求越来越 大无线移动通信业务从语音、数据到图像，对服务质量( q o s ) 和传输速 率的要求也越来越高，宽带化已成为当今通信技术领域的主要发展方向； 而且无线通信业务还必须满足用户的移动性要求，所有这些都对移动通 信系统的性能提出了更高的要求 由于传输媒介的不同，各种信道传输信息的能力也不尽相同。无线信 道的相干带宽是限制无线信道传输能力的主要因素之一在短波电离层反 射信道，对流层散射信道、移动信道、广播信道等实际信道中，由于云层、 山脉、城市中林立的高层建筑的影响所造成的多径衰落现象，会引起严重 的码间干扰( i s i ) ，限制了信息传输速率的提高在高达几兆b p s 的传输速 率下传输符号的符号周期小于信道的时延扩展，从而产生i s i 因此在利 用传统的单载波调制方式进行高速率无线通信时需使用多抽头均衡器，从 而使系统的复杂度大大增加研究表明，如果多径信道的时延扩展( 信道 记忆长度) 远小于一个传输符号的符号周期，则由多径传播造成的符号同 干扰可以忽略不计所以，可以利用多载波传输技术在不降低信息传输速 率的条件下使信道中的传输符号的符号周期远大于多径信道的时延扩展， 从而可以有效地对抗由多径传播造成的i s i 正交频分复用( 0 f d m ) 技术是当今4 g 研究中的一个热点作为一种 多载波技术，它具有抗多径干扰能力强、频谱利用率高等优点然而o f d m 技术也存在着一些缺点，如容易受频率偏移影响，符号同步困难以及有较 大的峰值平均功率比( p a p r ) 等，这些问题都制约者o f d m 在无线信道中 的应用，现在人们对o f d m 所进行的研究也主要集中在这些领域 滤波多音调铜( f m t ) 是基于滤波器组( f i l t e rb a n k s ) 的多载波技术 该技术的主要特点是各子信道具有很高的频谱约束性，对系统频率偏差不 敏感f m t 克服了o f d m 易受频率偏差影响的弱点，但f m t 系统需要引 入子信道均衡技术来消除滤波器组的影响本课题的研究受到国家自然科 学基金( 6 0 3 7 2 0 2 9 ) 的资助 山东大学硕士学位论文 本文第一章首先概括介绍了无线信道的基本理论以及o f d m 的发展状 况 第二章介绍了滤波多音调制技术的基本原理，给出了可实用的高效实 现形式，在此基础上定量分析了定时偏差和载波频率偏差对f m t 系统性能 的影响采用系统接收星座图和误比特率来衡量各种同步误差对f m t 传输 系统性能影响的大小 第三章研究多载波传输系统常见定时算法和f m t 传输系统的定时算 法，对现有的定时算法进行改进，提出了新的f m t 定时同步算法，并分析 了其性能仿真结果表明，全盲估计的相关算法不需附加数据，提高了系 统的频谱效率改进的h m i n n 算法结构简单，额外开销小，仅需一个训练 符号，而且抗多径能力强，定时估计精度较高 第四章主要研究多载波传输系统的载波频率同步技术，设计了一种基 于训练符号的f m t 突发传输系统载波频率捕获方案，并分析了其性能仿 真结果表明，采用辅助数据的频率同步算法，改进了s e a 算法仅用一个 训练符号完成频率同步这就使得训练序列的冗余降低一半，而且在快衰 落环境中更具有鲁棒性，尤其适用于类似w l a n 的突发数据传输的应用环 境 由于时问和其他客观条件的限制，本文只对部分同步算法进行了仿真。 还有很多f m t 系统的问题没有做进一步研究，如采样率同步，跟踪算法等 ，我们将对这几个方面进行深入探讨 滤波多音调制、定时偏差、频率偏差、定时同步、频率同步 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ea d v a n c e m e n to ft e c h n o l o g ya n dt h ec o n t i n u a ld e v e l o p m e n to f l i v i n gs t a n d a r d ，t h er e q u i s i t i o nf o ri n f o r m a t i o ni sm o r et h a ne v e lt h eh i g hq o s a n dt r a n s m i s s i o ns p e e di nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nb u s i n e s si sh i g h l yn e e d e di n t h ef i e l do fv o i c e ，d a t aa n di m a g e t h eb m a d b a n dt e c h n o l o g i e sl e a dt h em a i n d e v e l o p m e n td i r e c t i o ni nc o m m u n i c a t i o nf i e l d m o r e o v e f m a n yt r a n s a c t i o n s p r o v i d e db yc o m m u n i c a t i o ns y s t e m sm u s tp r o v i d em o b i l es e r v i c e s a l lt h e s e p u tf o r w a r dh i g h e rr e q u i r e m e n tf o rt h ep e r f o r m a n c eo f m o b i l ec o m m u n i c a t i o n s y s t e m s t h et r a n s m i t t a b i l i t yo fe v e wk i n do fc h a n n e li sd i f f e r e n td u et ot h e d i f f e r e n tm e d i u m t h ec o h e r e n c eb a n d w i d t ho fw i r e l e s sc h a n n e l si s i m p o r t a n tf a c t o rw h i c hl i m i t st h et r a n s m i t t a b i l i t y i nb u i l t - u pu r b a na r e a s ， m u r i p a t hf a d i n go c c u r sb e c a u s eo fh i g hs u r r o u n d i n gs t r u c t u r e s ，t h e r ei s s e v e r ei n t e r s y m b o ii n t e r f c r e n e no s ow h i c hc a nd e c r e a s et h ep e r f o r m a n c eo f c o m m u n i c a t i o ns y s t e m w h e nt h ed a t ar a t ei sm o r et h a ns e v e r a lm b p s ，t h ei s i i sg e n e r a t e df o rt h es i g n a ld u r a t i o ni ss h o r t e rt h a nt h ec h a n n e ld e l a ys p r e a d s o f o rc o n v e n t i o n a ls i n g l e - c a r r i e rm o d u l a t i o n , t h es y s t e mc o m p l e x i t yw i l li n c r e a s e g r e a t l yd u et o t h em u l t i t a p se q u a l i z e ru s e di nh i g hd a t ar a t ew i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n t h ee f f e c to f t h ei s ii sn e g l i g i b l es ol o n ga st h ed e l a ys p r e a do f t h em u l t i - p a t hc h a n n e li s s i g n i f i c a n t l ys h o r t e rt h a nt h ed u r a t i o no fo n e t r a n s m i t t e ds y m b 0 1 t h e r e f o r a ，m u l t i c a r r i e rt r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g yc a nb e u s e dt oo v e r c o m et h i si i m i t a t i o n n o w a d a y s ，o r t h o g o n a if 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 sa k e yt e c h n o l o g yi nt h e4 t hg e n e r a t i o nm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m a so n eo f t h em u l t i c a r r i e rt r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g i e s , o f d mc 柏r e d u c et h em u l t i p a t h f a d i n ge f f e c tw i t hh i g hf r e q u e n c ye f f i c i e n c y h o w e v e r ，t h e r e 玳s o m e d i s a d v a n t a g e si no f d ms y s t e ms u c h t h es e n s i t i v i t yt of r e q u e n c yo f f s e t c a u s e db yo s c i l l a t o ri n a c c u r a c ya n dt i m ev a r i a n c eo fw i r e l e s sc h a n n e l ，s y m b o l 山东大学硕士学位论文 s y n c h r o n i z a t i o na n dh i g hp e a k - t o - a v e r a g ed y r n a m i cr a n g eo fo u t p u ts y m b o l s c a u s e db ys u m m a t i o no fm u l t i p l es u b c a r r i e r a l lo ft h e s el i m i tt h ea p p l i c a t i o n o f0 f d mi nt h ew i r e l e s se n v i r o n m e n t f i l t e r e dm u l t i t o n e ( f m t ) m o d u l a t i o ni san e wm u l t i c a r r i e rt e c h n o l o g y b a s e do nf i l t e rb a n k s i nf m ts y s t e m , t h es p e c t r u mo fe a c hs u b c h a n n e lh a st h i g hl e v e lo fs p e c t r a lc o n t a i n m e n t s o t h ei 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 ) i s n e g l i g i b l ec o m p a r e dw i t ho t h e rn o i s e ，w h i l ei to f t e na p p e a r si no f d ms y s t e m b e c a u s eo fi t ss e n s i t i v i t yt of r e q u e n c yo f f s e t h o w e v e r , s u b - c h a n n e l e q u a l i z a t i o ni sn e e d e di no r d e r t or e d u c et h er e m a i n i n gi s ii n t r o d u c e db yt h e f i l t e rb a n k s t h i sr e s e a r c hi si n b u r s e db yt h en a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c e f o u n d a t i o no fc h i n a ( 6 0 3 7 2 0 2 9 ) l nt h i st h e s i sw ei n t r o d u c ef m tt r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g ya n dd e r i v et h e p r a c t i c a le f f i c i e n ti m p l e m e n t a t i o ns t r u c t u r e i nt h ef o l l o w i n gr e s e a r c h 。w e i n v e s t i g a t e t h ei n f l u e n c eo ft i m ea n d f r e q u e n c y o f f s e t t h er e c e i v e r c o n s t e l l a t i o na n db i te r r o rr a t e sa r es h o w n i nt h ec h a p t e r3 ，w ei n v e s t i g a t es o m ef a m i l i a rt i m i n gs y n c h r o n i z a t i o n s c h e m e so fm u l t i c a r r i e rs y s t e m sa n ds c h e m e so ff m t w cg i v ean e wt i m i n g s y n c h r o n i z a t i o n s c h e m eo ff m ts y s t e mi nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o na n d s i m u l a t et h ep e r f o r m a n c eo fs o m eo ft h es c h e m e sw i t hc o m p u t e r i nt h ec h a p t e r4 ，w ei n v e s t i g a t ef r e q u c n c ys y n c h r o n i z a t i o ns c h e m e so f m u l t i c a r r i e rs y s t e m s w em o d i f ys c at oa c c o m p l i s hf r e q u e n c ys y n c h r o n i z a t i o n w i t ho n l yo n et r a i n i n gs y m b o l ，i n s t e a do ft w o ，w i t h o u tp e r f o r m a n c ed e g r a d a t i o n t h er e d u n d a n c yo ft h et r a i n i n gs e q u e n c ei sr e d u c e dt oh a l f t h i sr e d u c t i o ni s c r i t i c a le s p e c i a l l yi nb u r s td a t at r a n s m i s s i o n 。f o re x a m p l e i nw l a n b e c a u s eo ft h el i m i t a t i o no ft h et i m ea n ds o m eo b j e c t i v ec o n d i t i o n s ，o n l y p a r t so ft h es y n c h r o n i z a t i o ns c h e m e sa r es i m u l a t e d a n dt h e r ea r em a n yt o p i c s w h i c ha r en o ts t u d i e di n c l u d i n gs a m p l et i m i n g ，t r a c k i n ga l g o r i t h m ，e t c f u r t h e r s t u d yo nt h e s et o p i c sw i l lb ed o n ei nf u t u r ew o r k k e y w o r d ：f i l t e r e dm u l t i t o n em o d u l a t i o n ；t i m i n go f f s e t ；行e q u e n c yo f f s e t ； t i m i n gs 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 4 山东大学硕士学位论文 符号说明 4 g 第4 代移动通信系统 a w g n 加性高斯白噪声 b e r 误比特率 b p s 每秒比特致 c c i t t 国际电话与电报顾问委员会 c p 循环前缀 一 c rc r a m e r - r a ob o u n d c s f m t 严格抽样f m t d b 分贝( r a t i oi nl o gs c a l e ) d f t 离散傅立叶变换 d m t 离散多音 d v b 数字视频广播 e c h o 回声 e r r o rf l o o r 地板效应 f e x t 远端串扰 f f t 快速傅立叶变换 f i l t e rb a n k s 滤波器组 n r 有限冲击响应滤波器 f m t 滤波多音 h i p e r l a n 2h i g hp e r f o r m a n c el a nt y p c 2 i c i 信道问千扰 i d f t 离散傅立叶逆变换 i f f t 逆快速傅立叶交换 i s i 符号间干扰 m c 最大相关 m c m 多载波调制 m l 最大似然 。 山东大学硕士学位论文 m m s e 最小均方误差 n c $ f m t 非严格抽样f m t n e x t 近端串扰 q a m 正交幅度调制 s q a m 偏置q a m o f d m 正交频分复用 p a p r 峰均功率比 p n 伪随机 p s k 相位调制 r m | 均方根 s n r 信号噪声比 w l a n 无线局域网 v d s l 甚高速数字用户环路 山东大学硕士学位论文 1 1 意义和背景 第一章引言 现代社会对通信的依赖和要求越来越高，设计和开发效率更高的通信 系统成了通信工程界不断追求的目标通信系统的效率，说到底就是频谱 利用率和功率利用率特别是在无线通信的情况下，对这两个指标的要求 往往更高，尤其是频谱利用宰由于自由空间可用的无线频谱资源是有限 的，而无线应用越来越多使得无线频谱的使用受到各田政府的严格管理 并统一规划因此，现代通信的主要目标之一是研究设计出可靠、高速、 并支持用户快速移动的无线通信系统然而，由于多径衰落的存在，宽带 无线通信中码元的快速传输会引起一连串的码间干扰( i s i ) 使得传统的单 载波调制技术无法满足宽带数据通信的要求多载波调制【l - 4 】是一种有效 克服i s i 的传输方法，它是将信息符号在n 个互相正交的子载波上并行传输， 使得每个子信道内的符号周期是相同传输速率下单载波传输时的n 倍，从 而有效地克服i s i 正交频分复用【5 】( o r t h o g o n a lf 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 ，o f d m ) 技术是目前多载波调制领域的研究热点，它以其极高的频谱效率和良好的 抗多径干扰能力日益受到人们的重视，被看作是下一代无线局域网的标准 和第四代移动通信的支撑技术但是，o f d m 技术还有一些问题亟待解决， 如同步问题、信道估计问题、峰均功率比问题，使得o f d m 的应用还存在 着诸多的困难 gc h e r u b i n i 等人于1 9 9 9 年提出一种新的正交多载波调制技术一一滤 波多音调制【6 】( f i l t e r e dm u l t i t o n em o d u l a t i o n ，f m t ) f m t 在每个子信道中 采用了严格带限的低通滤波器来限制子信道的频带，使得它们在频域互不 重叠，而满足子信道正交这种正交性的一个优点就是它在实际的信道传 输中不易被破坏，从而能够避免因此而产生的信道问干扰( i c l ) ，保证了系 统的性能f m t 应用于甚高速数字用户环路( v d s l ) 中时，展现了良好的 ， _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ 。一 一 山东大学硕士学位论文 抗干扰能力，能有效地消除很多原来离散多音调制技术( d m t ) 所不能很 好解决的问题，如近端串扰( n e x t ) ，远端串扰( f e x t ) 、回声( e c h o ) 等正是这些干扰容易造成在高数据速率下严重的i c i ，从而导致系统性能 的恶化，基于f m t 的调制方案因此而被建议采纳到v d s l 技术中【7 ，8 】更 重要的是，文献【9 ，l o 等指出这一技术也可应用于无线信道在国家自然科 学基金( 6 0 3 7 2 0 2 9 ) 的资助下，我们进行了相关研究 1 2 无线信道的传输特性 多载波传输技术最初的构想是为了能够在不使用复杂的信道均衡器的 情况下在时间色散信道或频率选择性信道上进行高速致据传输【l ，3 1 为了 更好的了解多载波传输技术的原理，有必要对无线多径信道的传输特性和 用以区分不同多径信道的信道参数进行简要介绍 1 2 1 无线信道的衰落 与其他通信信道相比较无线信道是最为复杂的一种电磁波传播的 主要方式是空间波，即直射波，折射波、散射波以及它们的合成波再加 之移动台本身的运动。使得移动台与基站之间的无线信道多变并且难以控 制信号通过无线信道时，会受到各种衰落的影响，一般来说接收信号的 功率可以表达为： 尸( d ) = i 卅”s 仰胄( 力 ( 1 1 ) 其中d 表示移动台与基站的距离向量，l d l 表示移动台与基站的距离根据 上式无线信道对信号的影响可以分为三种【l l 】： ( 1 ) 电磁波在自由空间的传输损耗m ”，也称作大尺度衰落，其中一一 般为2 4 ： 。 ( 2 ) 阴影衰落s ( 刃：表示由于传播环境的地形起伏、建筑物和其他障 碍物对地波的阻塞或遮蔽而引发的衰落，也称作中等尺度衰落； ( 3 ) 多径衰落矗( 刃：由于无线电波在空间传播会存在反射、绕射、衍 射等，因此造成信号可以经过多条路径到达接收端，而每个信号分量的时 延、衰落和相位都不相同，因此在接收端对多个信号分量叠加时；会造成 i 山东大学硕士学位论文 同相增加，异相减少的现象，这也称作小尺度衰落 1 2 2 多径信道的参数描述 对于多径信道的描述，有多种参数 1 2 1 ，本文介绍几个比较常见的参数 ( 1 ) 时间扩散参数 宽带多径信道的时间扩散特性通常用平均附加时延；和q ( c r r 也称为 r m s 时延扩展) 来定量描述，设第七条路径信号振幅为q ，时延为气，则： 巳。辱而 其中 磁弓 f ) l 。专可 以表示多径时散散布的程度以越大。时延扩展越严重； 展越轻最大时延。是强度下降3 0 d b 时测定的时延值， ( 1 2 ) ( 1 3 ) ( 1 4 ) t 越小时延扩 如图1 i 所示 图i 1多径时延信号强度 ( 2 ) 相干带宽 从频域观点而言，多径时延现象将导致频率选择性衰落，即信道对不 同频率成分有不同的响应在频域中使用最多的一个参数是相干带宽e 。 它表示了各频率分量之间有很强相关性的频率范围在相干带宽e 之内， 信号的各频率分量受到的信道影响很相似，而在这一范围之外，信号受到 ， 瓷。 一弘 山东大学硕士学位论文 的影响大不一样 为了说明这一问题，先讨论两条射线的情况。设第一条射线信号为 蜀( f ) ，另一条射线信号为峨( f ) ，这里r 为一比例常数于是，接收信 号为两者之和，即： 瓯= 墨( f ) ( 1 + ，p 雎o ) ( 1 5 ) 双射线信道的等效网络的传递函数为： ， 皿f ) z 器= l + ( 1 6 ) 信道的幅频特性为： a ( m ，f ) 等l l + ，c 矗锄) + 少s i n 埘( f h ( 1 7 ) 由上式可知，当础= 2 h a 时( p 为整数) ，双径信号同相叠加。信号 出现峰点；而当础( f ) = ( 孙+ l 协时，双径信号反相相渭，信号出现谷点其 相邻两个谷点的相位差为t 厶妒t a m x z l ( 0 ；2 a ( 1 8 ) 则： 劬。罢 ( i 9 ) ( ，) 或 恳- 等。击 “ 由此可见两相邻场强为最小值的频率问隔是与多径时延a ( t ) 成反比 的，通常称垦为多径时延的相干带宽若所传输的信号带宽较宽，以至与e 可比拟时，则所传输的信号将产生明显的畸变 实际上，移动信道中的传输路径通常不止两条，而是多条，且由于移 动台处于运动状态，相对时延差( f ) 也是随时间而变化的，所以合成信号 振幅的谷点和峰点在频率轴上的位置也将随时问而变化，使倍道的传递函 数呈现复杂情况，这就很难准确地分析相干带宽的大小工程上，通常用 最大时延扩展的倒数来定义相干带宽，即； 且_ i _ ( 1 1 1 ) 。 ( 3 ) d o p p l e r 扩展和相干时间 山东大学硕士掌位论文 在描述d o p p l e r 频移时，往往采用d o p p l e r 扩展如和相千时问 d o p p l e r 扩展是频率域中的一个参数，扩展的意思是接收信号的频谱展宽 了信号频谱的展宽与d o p p l e r 频移有关，因此可以用它来描述d o p p l e r 效 应为了说明这个参数的物理意义，考虑非常理想的一种情况假设发射 信号为正弦波，颓率为正，那么此信号经过多径信道后，接收信号的频谱 范围将是正一厶到正+ 厶，厶表示的是d o p p l e r 频移的最大值，d o p p l e r 扩 展表示的就是这一颓率范围对d o p p l e r 扩展进行理论分折非常困难， 一般是在实际中测量。这个参数反映了信道随时同的变化如果基带信号 的带宽远大于，那么可以忽略d o p p l e r 扩展的影响 相干时问是d o p p l e r 扩展在时域的表示在相干时间内，到达信号的 相关性很强如果基带信号带宽的倒数大于信道相干时问，那么经过信道 后基带信号就有可能发生改变如果将信号相关函数的阈值定为o 5 ，那么 相干时间近似等于， o 写赢 “j 2 ) 实际上，上式过于严格，在现代数字通信系统中，通常采用下式： ；0 4 2 3 ( i 1 3 ) j 3 0 由相干时问的定义可知，时间间隔大于c 的两个到达信号受信道的影 响各不相同例如。假设接收天线的速度为每小时6 0 英里( 在汽车上) ， 信号的载频为9 0 0 m h z ，由公式( 1 1 3 ) 可得出c = 2 2 2 对于数字系 统。只要符号速率大于l ，ct 4 5 4 b i t s 由于接收天线运动所造成的 d o p p l e r 频移对信号产生的影响就可以忽略( 当然，信号仍然可能会失真， 但这种失真是由于信号的多径时延引起的，而不是d o p p l e r 效应造成的) t 3 多载波传输技术与f m t 1 3 1 单载波传输系统 通常采用的通信系统是单载波方案，这种系统在数据传输速率不太高 的情况下。多径效应对辛乎号之间造成的干扰不是特别严重，可以通过使用 l l 山东大学硕士学位论文 合适的均衡算法使得系统能够正常工作。对于宽带业务来说，由于数据传 输的速率较高，时延扩展造成数据符号之间的相互交叠，从而产生了i s i ， 这对均衡提出了更高的要求，需要引入复杂的均衡算法，还要考虑到算法 的可实现性和收敛速度。从另一个角度去看，当信号的带宽超过和接近信 道的相干带宽时，信道的时间色散性将会造成频率选择性衰落，使得同一 个符号中不同的频率成分体现出不同的衰落特性 1 3 2 多载波传输系统 多载波传输通过把数据流分解为若干个子比特流，这样每个子数据流 将具有更低的比特速率，用这样的低比特率形成的低速率多状态符号去调 制相应的子载波，从而构成多个低速率符号并行发送的传输系统。在单载 波系统中，一次衰落或者干扰就可以导致整个链路失效，但是在多载波系 统中，某一时刻只有少部分的子信道受到深衰落的影响。 多载波传输技术有多种提法，如正交频分复用( o f d m ) 、离散多音调 制( d m t ) 和多载波调制( m c m ) ，这3 种提法在一般情况下等同，只是 在o f d m 中各予载波保持相互正交，而在m c m 中这一条件并不总成立。 子载波间存在3 种不同的设置方案，如图1 2 所示。第一种是传统的 频分复用，将整个频带划分为n 个不重叠的子带，在接收端用滤波器组 进行分离，这种方法的优点是简单、直接。缺点是频谱的利用率低，子 信道之间要留有保护频带，而且多个滤波器的实现也有不少困难。第二 种是采用偏置q a m ( s q a m ) 技术，在3 d b 处载波频谱重叠，其复合谱是 平坦的，子带的正交性通过交错同相或正交子带的数据得到( 即将数据 偏移半个周期) 。第三种方案即o f d m ，各子载波有l 2 的重叠，但保持 相互正交，在接收端通过相关解调技术分离出来，避免使用滤波器组， 同时使频谱效率提高近l 倍。 1 2 山东大学硕士学位论文 f 。 ( i ) l 。 嘞 厂 厂) h r 厶m 川 图1 2 子载波频率分割图 ( a ) 传统的频分复用( b ) 3 d b 频分复用( c ) o f d m 1 3 3o f d m 系统的主要优缺点 与单载波系统相比，o f d m 的主要优点有： ( 1 ) o f d m 系统对脉冲干扰的抵抗能力要比单载波系统大得多，这 是因为o f d m 信号的解调是在很多的符号周期内积分，从而使脉冲干扰 的影响得以分散。提交c c i t t 的测试报告表明，能引起多载波系统发生 错误脉冲噪声的门限电平比单载波系统约高l l d b 。 ( 2 ) 抗多径传播与频率选择性衰落能力强，由于o f d m 系统把信息 分散到多个载波上，大大降低了各子载波的信号速率，从而能减弱多径传 播的影响，若进一步采用保护间隔的方法，甚至可以完全消除符号间干扰。 ( 3 ) 采用动态比特分配技术使系统达到最大比特率。通过选取各子 信道、每个符号的比特数以及分配给各子信道的功率使总比特率最大，即 要求各子信道功率分配应遵循信息论中的“注水定理”，亦即优质信道多 传输，较差信道少传输，劣质信道不传输的原则。 ( 4 ) 频谱效率比单载波系统提高近一倍。 但是o f d m 系统内由于存在多个正交子载波，而且其输出信号是多 个子信道信号的叠加，因此与单载波系统相比，存在如下主要缺点： ( 1 ) 易受频率偏差的影响由于子信道的频谱相互覆盖，这就对它 们之间的正交性提出了严格的要求。然而由于无线信道存在时变性，在传 输过程中会出现无线信号的频率偏移，例如多普勒频移，或者由于发射机 载波频率与接收机本地振荡器之问存在的频率偏差，都会使得o f d m 系 统子载波之间的正交性遭到破坏，从而导致子信道间的信号互相干扰 ( i c i ) ，这种对频率偏差敏感的特性是o f d m 系统的主要缺点之一 1 3 ( 2 ) 存在较高的峰值平均功率比与单载波系统相比，由于多载波 调制系统的输出是多个子信道信号的叠加，因此当多个信号的相位一致 时，所得到的叠加信号的瞬时功率就会远远大于信号的平均功率导致出 现较大的峰值平均功率比( p a p r ) 这样就对发射机内放大器的线性范围 提出了很高的要求如果放大器的动态范围不能满足信号的变化，兢会使 信号发生畸变，在频域上表现为叠加信号的频谱发生变化，从而导致各个 子倍道信号之间的正交性遭到破坏。产生相互干扰，使系统性能恶化 1 3 4f m t 传输系统 滤波多音调制是一种异于o f d m 的多载波调制技术，它采用按频带划 分子信道的方法，通过限制各子信道在频域互不重叠来消除实际应用中可 能存在的信道非线性失真引起的子载波间正交性的破坏从而避免了i c i 向题 在高速数字用户环路( v d s l ) 应用中，研究表明f m t 能有效地消除 很多原来离散多音调制技术( d m t ) 所不能很好解决的问题，f m t 的调制 方案因此而被建议采纳到v d s l 技术中在无线通信的应用方面，已经有 研究者进行了初步研究，指出这一技术也可以应用于无线信道 f m t 采用了滤波器组技术来实现高效的子信道频带不重叠划分，从频 谱资源利用率的角度来说，它比传统的多载波系统( 要求有保护频带间隔) 高，但要比o f d m 低，因为后者能最大限度地利用频带资源但是，f m t 不存在0 f d m 在无线衰落信道下面临的信道问干扰问题由于f m t 系统的 子信道频带是严格划分的，频率偏移等对系统正交性的影响极小，从而它 不需要c p 和虚载波等o f d m 系统必须的开销，对定时和同步等的要求也 不像o f d m 那样严格因此，在实际应用中，f m t 对频谱资源的总利用率 不会和0 f d m 相差太远并且在两者最终的频谱利用率差不多时，在实 际应用中更应该考虑到多径环境的影响，这时f m t 因其远比o f d m 出色的 子信道频谱控制能力而更具有优势【1 3 1 i 山东大学硕士学位论文 1 4 论文的主要工作 本论文旨在研究滤波多音调制这一新的多载波调制技术在未来无线通 信中的同步问题论文在分析时偏和频偏对f m t 系统性能影响的基础上， 就f m t 通信系统中的同步问题进行了研究，对这种多载波调制技术在移动 环境下的同步算法作了初步的探讨 在无线通信中，无线衰落信道的时变性和多径传播是限制高速率数据 通信发展的瓶颈，如何有效地对抗无线信道的这些传输缺陷是实现未来高 速无线通信的必要条件f m t 作为多载波传输技术，具有天然的对抗多径 传播的特性，而且可以采用高效的调制方式大大提高频谱的利用率此 外，f m t 系统也可以对子载波进行灵活分配，并且可以和其他的多址方式 进行结合，使得这种技术更适应于未来的通信系统本论文所做的工作主 要集中在f m t 系统的同步性能和同步方案的研究上，并对f m t 系统在无 线宽带通信中的性能进行了仿真论文各部分的安捧如下t 一、首先介绍了滤波多音调制技术的基本原理，给出了可实用的高效 实现形式，在此基础上分析了各种同步误差对f m t 传输系统性能的影响 采用系统接收星座图和误比特率定量分析了定时偏差和载波频率偏差对 f m t 系统性能的影响( 第二章) 二，研究多载波传输系统常见定时算法和f m t 传输系统的定时算法， 对现有的定时算法进行改进，提出了新的f m t 定时同步算法，分析其性能， 并给出了仿真结果( 第三章) 三、主要研究多载波传输系统的载波频率同步技术，设计了一种基于 训练符号的f m t 突发传输系统载波频率捕获方案并分析了其性能，给出 了仿真结果( 第四章) 四、结论与展望( 第五章) 对论文中所做的工作进行总结，给出有待 今后解决的研究问题 ：莓冀培蚪竭嚣 如n 雄砖粤旺o _ 、拇姬必2b 匦i 固r 炯 n 雄鞋伍畦卜_ j b 匝氇：回广妇知 。二匿一翟彳 飞吲| _ 1 2 g ? b ( b ) 子信道频谱示意图 图2 1f m t 原理框图 在图2 1 ( a ) q a ，m 个输入数据而( n n l - o t k 。m - i 是符号速率为归的复 值信号。被上采样( 采样因子为置，表示为t k ) 后并行输入到一组称为 原型滤波器组( 频率响应为用力。冲激响应为m 珥) ) 的基带滤波器组中滤 波发送信号j ( 圮) 是由m 个滤波器的输出信号经过精确的频移( 频移的 大小为咖) 相加而得到因此f ( 织) 的速率为怛- 置，整个信道的 i 山东大学硕士学位论文 传输函数为c 在接收端，信号送入与发送端匹配的滤波器组中，经抽 取后均衡判决当k z 肘( 或k 膨) 时，系统被称为严格抽样c s - f m t ( 或非严格抽样n c s - f m t ) 系统图2 1 ( b ) 为f m t 信道频谱的示意图从 图中可以看出，在f m t 中，子信道间的信号频谱是不重叠的因此。f m t 产生的i c l 与其它噪声相比可以忽略，且数据在信道中传输时不需要循环前 缀和保护间隔系统很少以图2 1 ( a ) 中的方式直接实现，原因是滤波器工作 速率( 矽) 必须远大于信号速率( 1 归) ，所以在实际应用中，为降低系 统复杂度。需要对上述的滤波器组加以改进，以寻求该系统的有效实现方 式 从图2 1 可以得到，发送到信道上的数据为： q r ,m - - i - 和善兰玉。撇。j i j 【) 拿。严“ ( 2 1 ) n h 一 令m - ( m + p ) p - 0 ，o m i 刚： ，-4p 【( m + ，) 鲁。互荟焉( 一7 ) 一“ 【( w + ，) 专一d 巧 “一 n 。兰4 ，伽乃 【( ，+ 力专一万刀 ( 2 2 ) 其中 a , ( n d - 而( 川一“- i d f t x , ( n d ( 2 3 ) m ( j i | ，+ 为滤波器i ( 的多相分量 在图2 1 中，假设信道是理想的，则接收端输出信号为： 鼻( 。n 。妻呱。r 一神；m 。二】t 广吉 ( 2 4 ) 鼻( 一nt 呱 r 一神；埘”二】c 1 “面_ i ( 2 ) 一 同样，若设m - ( i m + p ) p - 0 , i , m i ，得到： y , ( n d - 砉篓小欣一附一，) ；l 删+ p ) 刍e 肿w 小j l j c 一附一，) 蚓删+ p ) 习e 伽“ “ o o - 薯和x r 脚w 。d f r - ( 一和 ( 2 5 d f r - ( ) - 和x r 脚“。一却 ( 2 ) _ 1 7 山东大学硕士学位论文 其中d 一壬) z 砉呕斌一i m 一力要】积i m + 力虽，譬【( w + ，) 争为g ( 辨的多相分量 结合式( 2 2 ) 和式( 2 5 ) 可以得到严格抽样条件下f m t 系统的有效 实现形式，如图2 2 所示i t 4 而o r ) o 力 气。白力 _ _ 叫风卜呻| g o 驴) 卜+ l d f t叫q 【厂) 卜p s徊姆 s p叫g l 卜+d 丌 叫乩。卜叫g 0 。m ( - ， ( - r h - ( - r ) 图2 2f n f r 有