（信息与通信工程专业论文）基于xilinx平台的ofdm系统仿真和实现.pdf

摘要 无线通信技术是现阶段通信研究之中的重点，并且随着无线通信技术在人们日 常生活之中的广泛应用，得到了越来越多人的关注。宽带化和移动性成为了未来通 信技术发展的方向。为了满足人们对多媒体等高速率业务日益增加的要求，实现人 们“无障碍”的交流通信，对通信系统提出了越来越高的要求。 当今第三代移动通信系统即将在我国正式运营，而第四代移动通信系统的研究 已经如火如荼的展开。作为第四代移动通信系统中的关键技术的0 f d m 技术受到了 越来越多人的关注和研究。o f d m 作为一种优良的多载波调制技术，在对抗多径衰 落和频率选择性衰落具有良好的效果，同时它也存在着对载波频偏误差比较敏感的 缺点。本人从移动通信的现状出发，阐述了o f d m 系统的基本原理和关键技术，在 x i l i n x 公司i s e 平台下实现了0 f d m 系统的仿真和构建。 第一章绪论，介绍移动通信的现状和发展，对第四代移动通信的技术特点进行 分析，并且综述现在人们对第四代移动通信关键技术的归纳。通过对单载波和多载 波技术的对比分析得出各自优缺点。接下来仔细描述了0 f d m 技术的基本思想，并 相对于单载波技术分析了0 f d m 技术的优点和不足。最后给出了本文的工作目标和 基本要求。 第二章0 f d m 的基本原理，首先对影响信号传输的无线信道的特点进行总结。 在此基础之上引入0 f d m ，详细阐述了o f d m 的原理和数学模型。最后给出了 o f d m 的系统构架以及软件仿真。 第三章o f d m 系统的关键技术，对0 f d m 系统的同步技术，信道估计技术以 及抑制峰平比技术进行了讨论和研究，并且对同步技术的各种算法进行了比较。最 后把当前比较流行的自适应技术与o f d m 系统结合起来进行讨论。 第四章o f d m 系统，进行o f d m 硬件仿真，完成整个发送机，接收机的设 计，对系统参数的选取，符号以及帧结构的设计进行了讨论。 【关键字】：无线通信系统，o f d m ，同步，信道估计，基带传输系统。 a b s t r a c t t h ew i r e 】e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n i q u eb e c o m e st h ee m p h 鹤i so fc o m m u n j c a t i o n r e s e a r c h ，a n da l o n gw j t ht h ew i r e 】e s sc o m m u n j c 砒i o nt e c h n i q u ec o m i n gj n t od a i l yl i f eo f p e o p l e ，m o r ea n dm o r ep e o p l ef o c u so n b m a db a n d a n d ”m o b i 】i t y ”t a i 【eo ni nt 1 1 e d e v e l o p m e n to f 如t u r ec o m m u n i c a t j o nt e c h n i q u e s t bm e e t t h en e e d o fh i 曲- r a t e m u l t i m e d i at r a n s m i t 柚dr e a l i z en ob l o c kc o m m u n i c a t j o n ，w ep u tf o n v a r d8m o r e 卸d m o r eh i g hr e q u e s tt o w a r d sc o m m u n i c a t i o n s y s t e m t 1 1 et l l i r dg e n e r a t i o no f m o b i l ec o m m u n i c a t i o nw i l ls o o nc o m ei no u rl j f e ，a n dt h e n t 1 1 er e s e a r c ho ft h ef o u n hg e i l e r a 廿o ns y s t e mo fh a sa l r e a d y1 a u n c h e d t 0b em ek e y t e c h n i q u eo ft l l ef o u n l lg e n e r a t i o nc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，t h e0 f d mt e c h n i q u ew a s s u b j e c t e dt om o r c 锄dm o r c c o n c c ma n d 廿l er c s e a r c h t h e0 f d mi sag o o dt e c l l i l i q u eo f m u l t i c a r r i e r s i tc 卸r e s i s tm u l t i p a t hf h d ea n ds e l e c t i v ef k q u e n c yf h d eg r e a t l y ，b u ti t s w e a k n e s si sf a t a l ，t h a tj ti ss e n s j t i v et oc a m e r6 硼u e n c yo f f s c t a u t h o rm y s e l fm a k e r c f c r 朋c et 0t h ed e v e l o p m e n to f m o b i l ec o m m u n i c a t i o n ，e l a b o r a t e 廿l eb a s i cp r i n c i p l e 锄d t l l ek e yt e c h n i q u eo ft h eo f d ms y s t e ma n ds e tu po f d ms y s t e mu n d e rt h ex j l i n x c o m p a i l yi s ep l a t f o m c h 印t e r 1 i n t r o d u c t i o n ， t h ei n t m d u c t i o na b o mt h ep r e s e 玎tc o n d i t i o na n d d e v e l o p m e n to ft h em o b i l ec o m m u n i c a t i o n ，c a r r y i n go n 肌a l y s i st o 廿1 et e c l l l l i q u e c h a r a c t e r is t i c so ft h ef o u n j lg e n e r a t i o nc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，a l l ds u m m a r j z et 】1 ek e y t e c h n i q u eo ft h ef o n hg e n e m t i o nm o b 订ec o m m u n i c a t i o n c o n t r a s t i n gs i n g l ec a e rw i t 】1 m u l t ic a 州e r st e c h n i q u e ，w eg e tt h e i ra d v a n t a g e sa n dd i s a d v a i l t a g e s t h e nd e s c r i b et 1 1 e b a s j ct l l o u 曲to f 0 f d m t e c h n i q u e f i n a i j yg i v et e x t u a lw o r kt a 唱e ta l l db a s i cr e q u e s t c h 印t e r2t h eb a s i cp r i n c p 】eo fo f d m ，c a h yo ns u m m a q t o w a r d sw j r e l e s sc h a n n e l a tt h i sf o u n d a t i o nw ee l a b o r a t et | l ep r i n c i p l eo f0 f d ma 1 1 dt h em a t h e m a t i c sm o d e li n d e t a i l g j v et h eo f d mt h es y s t e m 仔a m ea n ds o f t w a r ei m j t a t ef i n a l l y c h 印t e r3k e yt e c h n i q u eo f0 f d ms y s t e m ，c a r r y i n go nt t l ed i s c u s s i o na 1 1 dr e s e a r c h t ot h et e c h n i q u eo ft h e0 f d ms y s t e m ，s u c ha s s y n c h r o n o u s ，c h a n n e ie s t i m a t e ，a n d p e a k t o a v e r a g ep o w e rr a t i o ( p a p r ) t h e nc a 7o nac o m p a r i s o nt ov a r i o u sc a l c u l a t e w a yo fs y n c h r o n o u s l yt e c h n i c a l d i s c u s st h et e c h n i q u et 1 1 a ta s s o c i a t e so f d mw i t | la d a p t t e c h n i a u e 1 1 c h 印t e r4o f d ms y s t e m c a r r yo nt h eo f d mh a r d w a r ei m i t a t c ，c o m p l e t et h e d e s ig i lo ft r a n s m i 讹ra n dr e c e j v e r ，c a 州o nad j s c u s s i o nt ot h es e l e c t i o no ft h es y s t e m p a r a m e t e ra n dt h ed e s i 印o f t i l es j 印a n ds t n l c t l l r e 【k e yw o r d 】： w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，s y n c h r o n o u s ，c h a n n e le s t i m a t e ，b a s e b a l l dt r a n s m i ts y s t e m i i 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 在当今的人类社会，信息和通信两个词汇越来越多的出现在人们的生产生活当 中。信息被认为是一种希望传送、交换、存储的，具有一定意义的抽象内容，而通 信则是信息的存储、传递和交换。在2 0 世纪9 0 年代，随着互联网技术的迅猛发展， 和对多媒体业务需求的增加，为了满足人们对信息需求日益增长而出现了第二代移 动通信，数字信号处理技术是其最基本的技术特征，它提供了更高的频谱效率更先 进的漫游。第二代移动通信对移动通信发展的重大贡献是使用s i m 卡，轻小手机和 大量用户的网络支撑能力。第二代移动通信系统也是现阶段我国主要采用的通信系 统，并且有着广泛的使用者。现今社会，手机已经不是奢侈品的代名词，它越来越 走近了所有人的生活，影响着人们的方方面面，在当今全球一体化和全球信息化的 进程中，发挥了极其重要的作用。 进入新的世纪，通信技术有了突飞猛进的发展，伴随着人们对宽带和多媒体业 务需求的增加，第三代移动通信成为了当今研究的重点。虽然第三代移动通信比现 有的传输速率快上千倍，但其数据传输速率也仅有2 m b i “s ，第四代移动通信系统计 划已经开始研究。第四代移动通信以正交频分复用( 0 n h 0 9 0 n a lf r e q u e n c yd i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ，o f d m ) 为核心技术。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，它不仅仅可以增加系统容 量，更重要的是它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。对于o f d m 技术的研究可以使 我们能够更好的掌控未来通信技术的发展方向，为通信提供更有效的解决方案。 本文将对0 f d m 技术原理及其核心技术进行深入的讨论，并且根据当前热 点，把自适应技术和o f d m 技术的进行结合。并且给出o f d m 的系统仿真和实现。 浙江大学硕士学位论文 1 1 移动通信的现状和发展 1 1 1 移动通信系统的发展历史 7 0 年代初，贝尔实验室提出蜂窝系统的覆盖小区的概念和相关理论后，立即得 到迅速的发展，很快进入了实用阶段。1 9 7 9 年，a m p s 制模拟蜂窝式移动电话系统 在美国芝加哥试验后，在1 9 8 3 年1 2 月在美国投入商用。我国是在1 9 8 7 年开始使用 模拟式蜂窝电话通信的，发展到今天已经形成了巨大的用户群。 第一代移动通信 第一代移动通信系统主要采用模拟和频分多址( f d m a ，f r e q u e n c yd i v j s i o n m u l t i p l e a c c e s s ) 技术。它对移动通信的最大贡献是使用蜂窝结构，频带可重复利用， 实现大区域覆盖；支持移动终端的漫游和越区切换，实现移动环境下不间断通信。 第一代移动通信系统的出现和发展，最重要的特点是体现在移动性上，这是其他任 何通信方式和系统不可替代的，从而结束了过去无线通信发展过程中时常被其他通 信手段替代而处于辅助地位的历史。第一代移动通信的特点是模拟信号频率调制 f m 、频分双工( f d d ) 和多址方式f d m a ( 频分多址) ，基于电路交换技术。蜂窝 技术的使用解决了频率再用问题，尽管第一代移动通信f d m a 方式在小区内的频率 利用率还不高，而且在当时移动通信终端的成本还很贵，但其发展速度已超出人们 的预计。由于各国在开发第一代移动通信系统时只考虑了本国当时可用的频率资源， 彼此的频率并不协调，标准不统一。 第二代移动通信系统 第二代移动通信系统主要采用数字式时分多址( t d m a ，t j m ed i v i s j o nm u l t j p l e a c c e s s ) 和码分多址( c d m a ，c o d ed i v i s j o nm u l t i p l ea c c e s s ) 技术。频谱是不可再生的 资源，是移动通信赖以牛存的基础，因此在第一代移动通信投入商用后的几年，以 提高频谱利用率为目标的第二代移动通信的研究逐步展开了。1 9 8 2 年北欧的n o r d i c 电信和荷兰邮电向欧洲邮电会议( c e p t ) 提议开发新的数字蜂窝移动通信标准以满 足欧洲移动网的需要，c e p t 成立了移动通信特别研究组( g s m ) 开发泛欧公共陆 地移动通信系统，并提出了高效利用频谱、低成本系统、手持终端和全球漫游等要 浙江大学硕士学位论文 求。1 9 8 7 年，g s m 选定基于时分多址( t d m a ) 的无线传输技术( r t t ) 。随后几 年欧洲电信标准组织( e t s l ) 以国际标准为目标完成了g s m9 0 0 m h z 和1 8 0 0 m h z ( d c s ) 的规范，1 9 9 2 年世界上第一个g s m 网在芬兰投入运营。与此同时日本、 美国也在开发数字移动通信系统，日本1 9 8 9 年开发出p d c 系统，1 9 9 1 年被确定为 日本标准，该系统使用) m a 技术，工作在8 0 0 m h z 和1 5 g h z 之间，1 9 9 4 年实现 商用。美国1 9 9 1 年开发出i s 5 4 、l s 1 3 6 ( d a m p s ) 系统，也使用t d m a 技术。 它们的主要区别是载频间隔和每帧时隙数，相同的特征是低比特率话音编码 ( 6 ( 1 3 k b i “s ) ，射频为g m s k 或q p s k 数字调制，双工方式仍为f d d ，它们统称为 第二代移动通信系统，它们的出现相距第一代移动系统整整相隔1 0 年。二代移动系 统多址方式为) m a ，是多时隙共用一个载波的结果，使得它较f d m a 频谱利用 率提高数倍。目前我国官方使用数字移动通信系统g s m 及窄带c d m a 。 第三代移动通信系统 i t ut g 8 l 早在1 9 8 5 年就提出了第三代移动通信系统的概念，最初命名为 f p l m t s ( 未来公共陆地移动通信系统) ，后在1 9 9 6 年更名为i m t - 2 0 0 0 ( i n t e m a t i o n a l m o b i l et c l e c o m m u n i c a t i o n s2 0 0 0 ) 。第三代移动通信系统的目标是：世界范围内设计 上的高度一致性；与固定网络各种业务的相互兼容；高服务质量；全球范围内使用 的小终端；具有全球漫游能力；支持多媒体功能及广泛业务的终端。为了实现上述 目标，对第三代无线传输技术( r t t ) 提出了支持高速多媒体业务( 高速移动环境； 1 4 4 k b p s ，室外步行环境：3 8 4 k b p s ，室内环境：2 m b p s ) 、比现有系统有更高的频谱 效率等基本要求。在第三代移动通信的标准化活动中，国际电联一直起着领导和引 导的作用，并且为标准的融合起了重要的作用。目前在i t u r 的w p 8 f 和i t u - t 的 w p 3 ，1 1 分别进行无线和核心网的研究工作。目前还在探讨由i t u t 和i t u r 联合 成立一个i m t _ 2 0 0 0 研究组，以加强i m t - 2 0 0 0 的研究工作。除了j t u 之外，两个跨 区域标准化组织联合体，即两个第三代伙伴项目3 g p p ( 由欧洲e t s l 、日本 a r i b t t c 、美国t l 、韩国t t a 和中国c w t s 构成) 和3 g p p 2 ( 由美国t i a 、日本 a r i b t t c 、韩国t 1 a 和中国c w t s 构成) 也在为标准化进行工作。目前第三代移 动通信的三大标准是w c d m a ，c d m a 2 0 0 0 还有t d s c d m a 。 浙江大学硕士学位论文 w c d m a 全名是w i d e b 锄dc d m a ，中文译名为“宽带分码多工存取”，它可支 持3 8 4 k b p s 到2 m b p s 不等的数据传输速率，在高速移动的状态，可提供3 8 4 k b p s 的传输速率，在低速或是室内环境下，则可提供高达2 m b p s 的传输速率。而g s m 系统目前只能传送9 6 k b p s ，固定线路m o d e m 也只是5 6 k b p s 的速率，由此可见 w c d m a 是无线的宽带通讯。 由美国高通北美公司为主导提出，摩托罗拉、l u c e n t 和韩国三星参与，韩国现 在成为该标准的主导者。这套系统是从窄频c d m ao n e 数字标准衍生出来的，可以 从原有的c d j 雌o n e 结构直接升级到3 g ，建设成本低廉。但目前使用c d m a 的地 区只有日、韩和北美，所以c d m a 2 0 0 0 的支持者不如w c d m a 多。不过 c d m a 2 0 0 0 的研发却是目前各标准中进度最快的，许多3 g 手机已经率先面世。 作为我国对国际上第三代移动通信的贡献，我国提出的1 d s c d m a r t t 建议。 t d s c d m a 技术所提供的高性能主要表现在高的频谱利用率方面。此外， t d s c d m a 还是一种低成本的系统。达到高性能和低成本的主要原因是 t d s c d m a 使用了如下主要技术： 1 、智能天线，它可以极大的降低多址干扰、提高系统容量、提高接受灵敏度、 降低发射功率和降低无线基站成本。 2 、上行同步，它可以简化基站硬件，降低无线基站成本。 3 、软件无线电，实现智能天线和多用户检测等基带数字信号处理，是此系统可 以灵活地使用新技术的关键，也可以降低产品开发周期和成本 第四代移动通信系统 第四代移动通信系统的研究起源与本世纪初，鉴于前两代移动通信系统不足， 虽然第三代移动通信系统的最高数据速率已经达到2 m b p s ，但仍然不能满足多媒体 通信的要求，并且由于标准之间不兼容，不能实现网间的互通，所以第四代移动通 信系统研究提上了议事日程。第四代移动通信将以宽带、接入因特网、具有多种综 合功能的系统形态出现，很可能到2 0 1 0 年就会出现相关的实验系统和手机模型。 浙江大学硕士学位论文 1 1 2 第四代移动通信系统的技术特点 第四代移动通信的描述有下面几个方面： ( 1 ) 建立在新的频段上，分组数据的传输速率在5 0 m b p s 以上，能够承载大量的多媒 体信息，但是具有非对称性的上传下传链路。 ( 2 ) 实现真正的全球统一的通信系统，基于全新网络体制的系统，能够使得各类媒 体、通信主机及网络之间进行“无缝”连接； ( 3 ) 采用多天线等等技术使得通信质量，抗干扰性能得到大大的提升；真正满足人 们对移动性，稳定性的要求，实现无障碍通信； ( 4 ) 将数字通信、数字音频视频和因特网接入融合在一起； 1 1 3 第四代移动通信系统的关键技术 第四代移动通信是一个远远比现在得通信系统复杂得多的通信系统，所以它需 要依托很多新兴的先进技术。在第四代移动通信系统中可能采用到的技术有软件无 线电技术、智能天线技术，移动l p v 6 技术、o f d m 技术。其中的o f d m 技术被认 为是第四代移动通信系统中的核心技术。由于4 g 与3 g 相比具有通信速度更快，网 络频谱更宽，通信更加灵活，智能性能更高兼容性能更平滑等优点，4 g 日益成为人 们关注的焦点。相信不久的将来，4 g 将一统移动通信系统的天下。 浙江火学硕士学位论文 1 2o f d m 技术概述 随着社会的不断进步，人们对于通信已经不再满足单纯的能够通信，对通信的 质量也有了越来越高的要求。需求必然导致技术的进步。但是单载波调制有着其自 身一些缺陷，这就需要有新的调制方式的出现。 在无线通信系统中，各种物体对传输信号的反射导致了多径传播。由于不同传 输路径具有不同的，随机的延迟特性，从而使得无线信道表现出时间色散特性。由 此引发的符号间干扰( 1 s i ) 是无线通信系统设计中必须考虑的问题，特别是在高速 传输的环境中。消除i s i 的典型手段是采用信道均衡技术，可选的信道均衡算法包 括最大似然序列检测，线性均衡，判决反馈均衡和自适应均衡等。但随着数据速率 的提高，均衡器的实现将变得复杂，难以实现。以传输符号速率2 0 m s y m b o l s ，最 大多径时延l o u s 为例，i s i 将扩展到2 0 0 个符号，均衡器几乎不可能实现。 多载波传输技术是解决上述问题，让数据以较高的速率在较大的时延的信道上 传输的途径之一。它的基本思想是把一个高速率的数据流分解成许多低速率的子数 据流，以并行的方式在多个子信道上传输。在每个子信道上，符号周期将大于原始 的符号周期，从而可以消除或部分消除i s l 。多载波的思想可以追溯到2 0 世纪6 0 年代，从那时起逐渐有人提出并行数据传输、多信道数据传输、频谱交叠的频分复 用( f d m ) 、用离散傅立叶变换( d f t ) 实现f d m 等方案。 图1 1 多载波调制频域示意图 可以看出多载波调制频域上各个子载波互不相交，这样使得占用了较多频带资 浙江大学硕士学位论文 源，频带利用率不高，如何最大的利用频带资源成为了首要问题。多载波调制可以 通过多重技术途径实现，如多音实现( m u l t i t o n er e a l i z a t i o n ) 、正交多载波调制 ( o f d m ) 、m c c d m a 和编码m c m ( c o d e dm c m ) 。其中，o f d m 可以抵抗多径干 扰，是当前研究的一个热点。 1 2 1o 】f 蜊技术的基本思想 正交频分复用( o f d m ) 是多载波传输技术的一种。o f d m 的基本思想就是 把一个高速率的数据流分解成很多低速率的子数据流，以并行的方式在多个子载波 上传输，子载波间彼此保持相互正交的关系以消除子载波间数据的干扰，并且每个 子载波可以看成一个独立的子信道，由于每个子信道上数据的传输速率较低，当信 号通过无线频率选择性衰落信道时，虽然在整个信号频带内信道是有衰落的，但是 在每个子信道上可以近似看成是平坦的，只要通过简单的频域均衡就可以消除频率 选择性衰落信道的影响；同时，利用f f t i f f t 的周期循环特性，在每个传输符号 前加一端循环前缀( c p ，c y c l i cp r e f j x ) ，可以消除多径信道的影响，防止码问干扰 ( i s l ，i n t e rs y m b 0 1i n t e r f e r e n c e ) 。与传统的单载波传输技术相比，o f d m 具有较高 的频谱利用率，其频谱利用率随着子信道数目的增加而接近两倍于单载波系统，趋 近n y q u i s t 极限，并且可根据信道条件进行自适应的比特和功率分配，以充分利用信 道的容量，在无线频谱资源日益紧张的今天，o f d m 的这一特性具有很大的吸引力。 另外，由于功率可以按照子信道进行分配，可以将发射功率集中在某些子信道上， 集中功率发射，扩大覆盖范围。 p4 图1 2 正交频分复用频域子载波正交示意图 浙江大学硕士学位论文 1 2 2o h ) m 技术的发展历史和现状 由于技术条件的限制，0 f d m 最早只被用于军方高频无线通信之中。早期 0 f d m 应用的一个例子，是用于高频无线电的a n g s c 1 0 可变速率数据调制解调 器，该系统多达3 4 个p s k 调制的低速率并行信道，这些予信道采用正交频率配置， 子信道间隔为8 2 h z 信道，并提供了保护时间问隔。o f d m 也曾被应用于其他高频 军事系统，如k i n e 、p l e x 和a n d e f t 等。 当子信道数量很大时候，并行系统所要求的正弦波发生器组和相关解调器组使 设计变得极其昂贵和复杂。而且接收端需要解调载波和采样时间足够精确，以使各 子信道间的串扰可以可以接受。为解决这一问题，w e i n s t e i n 等人在1 9 7 1 年提出将 d f t 引入并行数据传输系统作为调制解调过程的一部分，并提出了一个完整的正交 频分复用( 0 f d m ) 系统方案，包括用快速傅立叶( f f t ) 产生o f d m 信号，在多 径环境下加入循环前缀等。于是采用f f t 的专用硬件设备就可以实现全数字式 o f d m 系统，完全避免了f d m 所需的大量子信道正弦波发生器组和相关解调器组 等设备。 2 0 世纪8 0 年代，o f d m 被研究用于高速调制解调器，数字移动通信和高密度 记录等领域。h i m s a i 探索了基于d f t 、多路q a m 复用的0 f d m 技术，并设计了 一个使用多路q a m 复用的1 9 2 k b s 音频数据调制解调器。该系统采用了插入导频 的方式来稳定载波频率和时钟频率，并采用网格编码来减少所需的载波噪声比 ( c n r ) 。在此阶段，o f d m 技术被用于研究不同速率的调制解调器，以用于电话 网络。 o f d m 还被用来抵消移动信道中频率选择性衰落和多普勒频移的影响，o f d m 可以有效地减少由瑞利分布衰落引起的突发性误差，体现出很强的鲁棒性。1 9 8 5 年， l j c i m i n i 分析和模拟了o f d m 在数字移动信道中的性能，显示出在突发性瑞利衰 落环境下o f d m 系统比单载波系统具有更好的性能。1 9 8 8 年，d d e c k e r 将网格编 码引入到o f d m 系统，并取得美国国家专利。 从2 0 世纪9 0 年代初开始，随着对o f d m 及其相关技术研究的深入，随着d s p 和v l s i 技术的成熟，告诉多阶q a m 调制技术，网格编码技术，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的技术逐步引入到通信领域 浙江大学硕士学位论文 中来妨碍o f d m 实现的技术瓶颈不复存在。特别是随着无线多媒体业务的发展， o f d m 被认为是一种实现高速双向无线数据通信的优选方案，得到了广泛应用。 在无线局域网方面，无论是欧洲的e t s ih y p e r l a nl l 标准，日本的m m a c 标准，还是美国的i e e e 8 0 2 1 1 a 标准，都把o f d m 作为唯一的解决方案，来实现高 速无线宽带数据传输。在高清晰度电视( h d t v ) 传输方面，在现有的三种地面传 输协议中，欧洲的d v b t 和日本的i s d b t 标准都采用了0 f d m 技术；尽管美国 提出了基于单载波残留边带调制的a t s c 标准，但是他们也看到了o f d m 技术在该 领域的巨大潜力。在数字蜂窝移动通信系统方面，0 f d m 技术曾经作为第三代移动 通信( 3 g ) ，只是由于当时技术不成熟而未被采纳，但未来的新一代移动通信( b 3 g ) 已将0 f d m 列为主流的物理层技术之一，以实现高速移动数据传输，如a t & t 的方 案和中国的f u t u l e 计划。另外，o f d m 还被应用于欧洲的数字音频广播( d a b ) 标 准、宽带无线接入( 例如i e e e 8 0 2 1 6 ) ，宽带有线接入( 例如x d s l ) 、卫星广播、 短波超短波通信、电力线通信等。 1 2 3 0 f d m 系统的优缺点， o f d m 系统的优点： 把高速数据流通过串并转换，使得每个子载波上的数据符号持续长度相对增加， 从而可以有效地对抗频率选择性衰落信道的影响；同时通过在符号前面插入循环 前缀，可以有效的消除多径干扰，使得不用时域均衡器即可消除i s i 的影响，降 低了接收机的复杂度。 传统的f d m 传输方法中，将频带分为若干个不相交的子频带来传输并行的数据 流，在接收端用一组滤波器来分离各个子信道，这在实现上具有一定的困难；而 o f d m 由于子载波间具有相互正交的特性，相邻信号频谱是5 0 相互重叠的， 因而可以最大限度的利用频谱资源，同时f f t i f f t 作为调制解调器可以代替 f d m 中的滤波器，在实现上要容易了许多。 通过不同数量的子信道可以实现上行和下行链路中不同的传输速率。 根据不同无线信道的频率选择特性，可以通过动态比特分配以及动态子信道分配 的方法，充分利用信噪比较高的子信道，从而提高系统的性能。 可以很容易的与其它多种接入方法相结合使用，构成o f d m a 系统，其中包括 浙江大学硕士学位论文 多载波码分多址m c c d m a 、调频o f d m 以及0 f d m t i ) m a 等。 o f d m 系统的缺点： 易受频率偏差的影响。由于子信道频谱相互覆盖，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间存在 地频率偏差，都会使得o f d m 系统子载波之间的正交性被破坏，从而导致子载 波间干扰( i c i ) 。 存在较高的峰值平均功率比( p a r ，p e a k a v e r a g e r a t i o ) 。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，因此如果多个信号的相位 一致时，所得到的叠加信号的瞬时功率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。这样就对发射机内放大器的线性提出了很高的要求，如果放 大器的动态范围不能满足信号的变化，则会为信号带来畸变，使叠加信号的频谱 发生变化，从而导致各个子载波间正交性收到破坏，产生干扰，使得系统性能恶 化。 1 2 4 0 f d m 技术的发展前景 0 f d m 技术有非常广阔的发展前景，已成为第4 带移动通信的核心技术。 i e e e 8 0 2 1 j ag 标准为了支持高速数据传输都采用了o f d m 调制技术。目前，0 f d m 结合时空编码、分集、干扰( 包括符号间干扰i s i 和邻道干扰i c i ) 抑制以及智能天 线技术，最大程度的提高物理层的可靠性。如再结合自适应调制、自适应编码以及 动态子载波分配、动态比特分配算法等技术，可以使其性能进一步优化。 其中值得注意的是0 f d m 技术和m i m 0 技术相结合。m i m 0 技术是具有极高 频谱利用率的技术，在v - b l a s t 算法下，理想情况下可以达到2 0 4 0 b i t “s h z ，这 是目前任何一种技术所达不到的。另外在各类无线通信系统中，i s l ( 符号间干扰) 一直是影响通信质量的重要因素。o f d m 技术能够有效对抗i s i ，同时具有频谱利 用率高，抗多径衰落性能好，成本偏低等优点，因此这二者的结合是一种必然的趋 势。也必将成为下一代移动通信系统的核心技术之一。 现阶段，第三代移动通信已经在日本和韩国投入了商用，但是大部分国家运 营的依然是2 g 或者2 5 g 移动通信系统。我国运营的主要是2 g 的g s m g p r s 和 浙江大学硕士学位论文 c d m a 系统。我国自行研发的第三代移动通信系统t d s c d m a 目前正在大规模组 网测试中，预计不久就能投入正式的商业运营。目前用户对移动通信系统的数据传 输的速率和质量要求越来越高，同时随着d s p 技术，自适应技术，均衡技术，软件 无线电技术，f f t 技术，软判决技术的不断完善发展，o f d m 作为一种有效对抗多 径传输和载波间干扰的技术，得到了越来越广泛的应用。 浙江太学硕士学位论文 1 3 本文的主要工作 本文从无线通信的现状和发展出发，回顾了移动通信的发展历史和技术特点， 对比了单载波调制和多载波调制的优缺点，系统的阐述分析了o f d m 作为多载波调 制的重要实现形式在未来移动通信中的重要地位。 首先分析了无线信道的特点，着重研究了无线信道对于传输信号的影响。在普 通调制不能很好的克服多径衰落和频率选择性衰落的现状下。对0 f d m 技术进行了 仔细的研究分析，着重研究了o f d m 系统在对抗无线信道严重的多径和衰落的优越 性。在搭建整个o f d m 系统结构框图的基础上对o f d m 系统进行m a t l a b 仿真，形 象具体的研究o f d m 系统的实现过程和工作原理。 接着详细介绍了o f d m 系统的关键技术。发送机方面的峰平比抑制技术，接收 机方面的同步技术和信道估计技术。在同步技术中，研究了帧同步、符号定时同步、 载波频偏同步和采样时钟同步。并且推导了不同同步算法进行了比较。简介了o f d m 和自适应技术的结合。 最后根据0 f d m 的实际应用特点，设定了0 f d m 系统方案和参数。一方面基 于x i l i n x 公司的开发软件i s e 和m o d e l s i m 进行了系统的硬件仿真和设计。对整个 设计过程进行了详细的分析和研究。 浙江大学硕士学位论文 第二章o f d m 的基本原理 2 1 无线信道 信道是通信中发送端和接收端之间的通路。通信分为无线和有线通信两种。有 线通信有固定的物理链路连接两端。而无线通信不像有线通信那样有一条有形的物 理线路把发送端和接收端连接起来，由于反射折射的存在，无线通信存在不止一条 的通路。因此无线通信不像有线通信那样，信道是稳定可以预测，而是随机不可预 测的。并且由于干扰的存在，在无线通信中可能存在同信道或者相邻信道的码问干 扰，或者由于信道畸变产生的码间干扰。所以对无线信道特性的研究和分析有利于 我们对整个通信系统的设计。 2 1 1 无线信道特性 在无线信道中传输的电磁波主要是空间波，在无线信道中传输的方式主要有反 射、绕射和散射三种。在传播的过程，由于地形，干扰等影响，信号会受到各种的 衰减和损耗。总体来说，信道对无线信号的影响可以归纳为自由空间路径衰落、阴 影衰落和多径衰落三种。本节主要讨论这三种衰落的特性。 】自由空间路径衰落 自由空间路径衰落也被成为大尺度衰落。即便在理想的状态下，信号的传输不 存在折射反射和绕射等现象，随着传输距离的增加，传输功率会相应的减小。具体 来说，接收天线接收到的信号功率与传送的距离成逆平方率关系。 删) = 器 ( 2 1 ) 式中，只为发送功率，只为接收功率，l 为系统损耗因子，丑为电波波长。 理论和实践都表明，发送信号的功率随着距离的增加按对数规律减小，所以传 输的距离必然受到自由空间路径衰落的限制，即便在理想情况下也不可能一定的范 围。 2 阴影衰落 浙江大学硕士学位论文 当电磁波在传播中遇到地形的起伏或者建筑物等高大障碍物阻挡的时候，在 这些障碍物的背面都会产生电磁场的阴影。所以当接收端通过这些阴影区域的时候， 接收到的信号场强中值会发生变化，从而引起衰落，这种衰落被称为阴影衰落。阴 影衰落的特性恶意用对数正态分布的随即变量来描述。它与信号的传输频率以及障 碍物的形状有直接的关系。 3 多径衰落 无线信道中电波的传播不是单一路径来的，而是许多路径来的众多反射波的合 成。由于电波通过各个路径的距离不同，因而各个路径来的反射波到达时间不同， 也就是各信号的时延不同。当发送端发送一个极窄的脉冲信号时，移动台接收的信 号由许多不同时延的脉冲组成，我们称为时延扩展。同时由于各个路径来的反射波 到达时间不同，相位也就不同。不同相位的多个信号在接收端迭加，有时迭加而加 强( 方向相同) ，有时迭加而减弱( 方向相反) 。这样，接收信号的幅度将急剧变 化，即产生了快衰落。这种衰落是由多径引起的，所以称为多径衰落。 一个当时长为t 的脉冲信号，在经过多径信号后，接收端将会接受到几个脉冲 信号，信号经过了不同的路径，所以有了不同的时间延迟和衰落。这样就极大的干 扰了接收机的正常应用。并且由于信号在时间轴上扩展，很有可能导致相邻信号间 的码问干扰，不利于信号的接收和解调。 多径衰落是无线移动信道中多径效应造成的信号电平扰动。影响多径衰落的 物理因素主要有： 多径传播 无线信道中反射体和散射体的存在会产牛一个不断变化的无线环境，使得能量 在幅值、相位和时间延迟方面发生弥散。这些效应会使发射信号经过不同路径到达 接收天线时的形式各异，显示出不同的时间和空问方位。不同多径分量的随机幅值 和相位合成会引起信号强度的随机扰动，从而产生小尺度衰落或信号畸变。多径传 播通常会使信号到达接收端所需要的时间加长。多径传播可能引起码间干扰，导致 信号污损。 浙江大学硕十学位论文 移动台的速度 基站与移动台之间的相对运动会使每个多径分量产生不同的多普勒频移，从而 引起接收信号的随机频率变化。多普勒频移可正可负，取决于移动接收机与基站之 间的传播路径是缩短还是加长。 周围物体的速度 如果信道中的物体处于运动中，它们就对多径分量产生随时间变化的多普勒频 移。若周围物体以明显快于移动台的速度运动，这种效应就会压倒小尺度衰落。否 则，周围物体的运动就可以忽略，只需考虑移动台的速度。 信号的发射带宽 如果发射的无线电信号带宽大于多径信道的“带宽”，即信号的自相关时间小于 多径信号的时延差，则接收信号会发生畸变，而小尺度衰落则不明显。若发射信号 带宽相对于信道有一个窄的带宽，则信号的幅度将快速变化，但在时 间上没有畸变。 4 多普勒频移 在移动通信领域应用o f d m 技术的一个难点是存在多普勒频移( d o p p l e rs h i f t ) 。 多普勒频移由接收机和发射机之间的相对运动引起，运动速度越大则多普勒频移越 大，而多普勒频移的大小又决定了信号变化( 衰落) 的快慢。 多普勒频移可以用下式来表示： 厶= ；c o s 目= 兰i c o s 目= ，m 。c o s p ( 2 2 ) 几f 式中z 为载波的频率，丑为波长，v 表示移动台的速度，c 为光速， 蚴为最 大多普勒频偏。最大多普勒频偏是一个重要的参数。在衰落信道下，o f d m 系统的 很多环节，比如编码、调制、信道估计等等都需要最大多普勒频移的信息，以决定 收发信机之间相对移动的速度和系统各个模块参数和结构的选取。最大多普勒频移 的估计将影响到整个o f d m 系统的性能。 浙江大学硕士学位论文 i 西二? 图2 1 由于多普勒频移造成的信号在频域上的弥散 由上图我们可以看出，一个单一频率的信号，在通过时变信道后会变为具有一 定带宽的信号，既在频域上发生了弥散。 2 1 2 m i y l e i g h 无线信道仿真 仿真信道参数设置如下： 路径数目( n ) ：5 0 0 0 载波频率( 工) ：9 0 0 m h z 移动台速度( v ) 3 0 3 6 0 0k m 1 1 最大偏移量m a x i m 啪s h i r 2 2 矾v c = 2