（信号与信息处理专业论文）差分ofdm在短波信道中的应用.pdf

a p p l i c a t i o n so f d m o f d m s y s t e m o v e rh fc h a n n e l s ad i s s e i r t a t i o ns u b m i t t e dt o s o u t h e a s tu n i v e r s i t y f o rt h ea c a d e m i cd e g r e eo fm a s t e ro fe n g i n e e r i n g b y p a nj u n s u p e r v i s e db y p r o f e s s o r l e n a n m u l t i m e d i ar e s e a r c hl a b s o u t h e a s tu n i v e r s i t y d e c e m b e r ，2 0 0 9 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，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，也不包含为获得东南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了谢意。 研究生签名：谢 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：煎导师签名：蚴 期：墨型必 摘要 摘要 短波通信，又称高频( h f ) 通信，一般指3 m h z 3 0 m h z 的无线通信，由于通 信距离远、架设简单和移动方便等，成为军事及民用远距离通信与指挥的重要工 具。由于短波主要是利用电离层传输，故短波信道存在多径时延、多普勒扩展和 多谱勒频移等一系列衰落干扰现象，因而短波通信的性能在很大程度上取决于系 统设计对信道传输的补偿效果。 本文提出了一种差分正交频分复用( o f d m ) 系统方案。 首先，分析了短波信道对于差分调制o f d m 信号的主要干扰，并重点研究 了信道时延、多普勒效应和噪声干扰对系统的影响，分析了o f d m 系统的调制 和编码方式，给出了经过合理地设计优化差分0 f d m 技术有利于抵消这些干扰 的结论。 其次，阐述了时域与频域差分系统的基本原理，分析了两种方案的性能，并 给出了各自的最优设计方案。得出了子载波带宽及调制方式与系统b e r 之间的 关系。并且根据o f d m 系统对于信道时延的特性，设计了盲相位估计的算法， 并将其用于消除系统的相位噪声及实现系统的时间跟踪。 最后，综合上述分析，提出了一套完整的差分o f d m 系统方案d m o f d m ， 用c 语言编写设计了系统的差分o f d m 调制解调部分。并通过仿真实验和实地 测试，考察了系统的性能及可靠性。从仿真结果中可以得出经过合理地设计以及 充分地性能优化，差分系统可以得到比相干系统更优异的性能，同时有更低的复 杂度。 关键字：短波通信；正交频分复用；差分调制解调技术；盲相位估计技术 a b s t m c t a b s t r a c t s h o n 、a v er a d i or e f e r st or a d i ob r o a d c a s t so nap o r t i o no ft l l er a d i os p e c t n l n li nt h e 舭q u e n c yr a 【1 1 9 eo f3 m hz | o o m h z h f ( h i 曲厅e q u e n c y ) r a d i oi sa na l t e m a t i v en 锄e f o rs h o n 、v a v er a d i o a n df o ro 略a n i z a t i o n si n v o l v e d i i l e m e r g e n c y ，r e m o t ea l l d m i l i t a n rc o m 瑚u n i c a t i o n s ，i ti sav i t a la u l di 玎e p l a c e a b l ew i r e l e s sc o m m i l l l i c a t i o nt 0 0 1 s i n c e 也ei o n o s p h e r ei st h eu s eo fs h o r t w a v et r a n s m i s s i o n ，t h e r ei sm u l t i p a t hc h 锄e l d e l a y ；d o p p l e re x p a n s i o na n dd o p p l e r 疗e q u e n c y s h i ra n das e r i e so ff a d i n g i n t e r f e r e n c ei nm et r a n s m i s s i o np r o c e s s s i n c es h o n 、乏ec h a r m e li su s u a l l y t i m e v a r y i n g ， t h em u l t i p a t h d e l a ya n dd o p p l e re x p a n s i o n i sn o tac o n s t a n t s h o n w a v ec o m m u l l i c a t i o np e 疏m a i l c ed e p e n d sl a r g e l yo nt h es y s t e md e s i g nt o c o m p e n s a t et h ec h a n l l e l t m s m i s s i o ni m p a i r 1 k sp a p e ri n t r o d u c e sad i n e r e n t i a lm o d u l a t i o na n dd e m o d u l a t i o ns c h e m ef o rm e o n h o g o n a l 行e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n gs y s t e m f i r s t l y ，t h ep a p e ra 1 1 a l y z e s t h e i m p a c to fm u l t i p a t l l c h a i u l e ld e l a y d o p p l e r e x p a n s i o na n dd o p p l e r 厅e q u e n c ys h i r t ot h eo f d m s y s t e m s e c o n d l y ，t h ep a p e re x p o u n d st h e b a s i cp r i n c i p l e s o ft h et i m e - d o m a i na i l d 船q u e n c y d o m a i n d i f r e r e n t i a lo f d ms y s t e m ，a 1 1 dg i v e st h eo p t i m a ld e s i g n e d s c h e m e so fm e i ro 、) l ，n b yt h ea i l a i y s i sa n ds i m u l a t i o n s ，t h er e l a t i o n s h i p o ft h e s u b c a r r i e rb a l l d w i d t l la j l db e ri sd e m o n s t r a t e d a n dma c c o r d a l l c ew i t ht h e t i m e d e l a vc h a r a c t e r i s t i c so fo f 【) ms y s t e m s ，d e s i 盟s b l i n dp h a l s ee s t i m a t i o n a l g o r i t h m ，a i l du s e si tt oe l i m i n a t et h es y s t e mp h a s en o i s ea n di m p l e m e n t a t i o no f t h e s y s t e mt i m et r a c “n g f i n a l l y ，p r e s e m e sac o m p l e t es e to fd i 虢r e n t i a lo f d ms y s t e ms o l u t i o n s c a l l e d d m o f d m ，d 由i g 皿sd i f f e r e n t i a lo f d mm o d u l a t i o na n dd e m o d u l a t i o np a r to ft h e s y s t e m 晰t ht h ecl a n g u a g e a n dt h r o u g l ls i m u l a t i o ne x p e r i m e n t sa i l d 矗e l dt e s t s ，t h i s p 印e rs t u d y st h es y s t e mp e r f i o 衄锄c e 锄dr e l i a b i l i 够f r o mt h es i m u l a t i o nr e s u l t s ，i t c a j lb eo b t a i n e dm a tt h r o u 曲r a t i o n a ld e s i 印，a n da d e q 吼t ep e 而m a i l c eo p t i m i z a t i o n ， d i f r e r e n t i a ls y s t e mh a sm o r ee x c e l l e n tp e 响m l a n c et h e nc o h e r e n ts y s t e m ，、h i l ew i t h al o 、v e rc o m p l e x i 够 k e yw o r d s ：s h o r t w a v er a d i o l ；o r t h o g o n a lf e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n gt e c h n o l o g y ； d i f r e r e n t i a lm o d u l a t i o na r l dd e m o d u l a t i o n ；b l i n dp h a s ee 玎0 re s t i m a t i o n i i i 目录 目录 摘要i b s t r a c t i i i 目录v 第1 章绪论1 1 1 短波通信的特点1 1 2 现代短波通信新技术与新体制2 1 3o f d m 的研究历程及现状3 1 4 本论文的主要内容4 第2 章短波信道5 2 1 短波信道的基本概念5 2 2 短波信道的物理特性6 2 2 1 电离层6 2 2 2 短波在电离层中的传播特性6 2 3 短波信道的统计特性8 2 3 1 线性时变信道的基本特性8 2 3 2 短波信道的散射函数9 2 3 3 多普勒展宽。1 0 2 3 4 多径扩展1 0 2 4 本章小结1 0 第3 章0 f d _ 基本原理及系统模型1 1 3 1o f d m 连续信号系统模型1 1 3 1 1 基带系统模型一1 1 3 1 2 符号速率1 2 3 1 3 数字载波调制与串并变换1 2 3 1 4o f d m 连续信号表征1 3 3 1 5o f d m 信号传输1 4 3 1 6 平均功率谱与频带效率及加窗1 6 3 2o f d m 离散信号系统模型1 9 3 2 1o f d m 离散信号模型1 9 3 2 2o f d m 离散信号表征2 0 3 3o f d m 的优缺点及关键技术2 1 3 4 本章小结2 2 第4 章差分0 f d m 系统设计及性能分析2 3 4 1 差分o f d m 系统信号设计2 3 4 1 1 编码方式2 3 4 1 2 调制方式2 5 4 1 3o f d m 参数选取2 8 4 20 f d m 系统的同步技术2 9 4 2 1o f d m 系统对于相位噪声的敏感性2 9 4 2 20 f d m 系统对频偏的敏感性3 0 v 东南大学硕士论文 4 2 3o f d m 系统对定时偏差的敏感性3 0 4 2 4 使用循环前缀提取同步信息。3 0 4 3 差分o f d m 系统性能及干扰分析3 2 4 3 1 差分o f d m 系统的干扰分析3 2 4 3 2 盲相位估计及相位差错纠正3 4 4 3 3 仿真结果及性能分析3 6 4 4 本章小结4 0 第5 章差分0 f 叫调制技术应用4 1 5 1d m o f d m 系统设计4 l 5 1 1 系统框图4 1 5 1 2 帧结构4 2 5 1 2 信源编码4 2 5 1 3 信道编码4 3 5 1 4 差分调制设计4 4 5 2d m o f d m 系统软件设计流程4 4 5 3d m o f d m 系统仿真结果及分析4 4 5 4 短波通信电台实测及性能分析4 6 5 4 1 电台近场测试4 6 5 4 2 系统拉距实验4 8 5 5 本章小结4 8 第6 章总结与展望4 9 6 1 全文工作总结4 9 6 2 本文的创新4 9 6 3 下一步工作展望5 0 参考文献5 1 致谢5 5 作者简介5 6 v i 第1 章绪论 1 1 短波通信的特点 第1 章绪论 自从马可尼( m a r c o l l i ) 于1 8 9 7 年首次进行无线电通信获得成功，短波通信 就此诞生。近1 0 0 多年来，短波通信的研究、发展、应用经历了一个高低高的 波浪式过程，其原因不难从短波传输的特点、需求和技术的发展中找到答案【1 j 。 无线电波是通过开放性的自然空间和地球传输的，地面、海洋、大气层、地 球自身的电磁场及宇宙都将影响其传输特性。短波按照原国际无线电咨询委员会 ( c c i r ) 的划分是指波长在1 0 0 m 1 0 m 、频率为3 m h z 3 0 m h z 的电磁波。利用 短波进行的无线通信称为短波通信，又称高频( h f ) 通信。实际上，为了充分 利用短波远距离通信的优点，短波通信实际使用的频率范围为1 5 m h z 3 0 m h z 。 这个频段无线电波的传播主要有两种形式，即地波和天波。 地波传输的特点是波在行进过程中受地表面导电率仃和相对介电常数s 影 响产生衰减。一般仃和s 愈大，损耗愈小，故在海上地波传输的距离将远比陆地 传输的距离远。地波传输的损耗将随频率的升高而增大，即使是在频率较低的短 波频段，发射功率不是特别大时，传输距离也只能达到几十k m 。 天波是依靠电离层的一次或多次反射而实现远距离传输的。通常，一次反射 传输的最大地面距离可达4 0 0 0 k m ，多次反射可传输上万l ( i t l ，甚至作环球传播。 因而电离层反射是短波通信的主要传播方式。 “ 短波通信有许多显著的优点，与卫星通信、地面微波、同轴电缆、光缆等通 信手段相比，短波通信不需要建立中继站即可实现远距离通信，因而建设和维护 费用低，建设周期短；设备简单，可以根据使用要求固定设置，进行定点固定通 信。通信设备体积小，容易隐蔽，便于改变工作频率以躲避敌人干扰和窃听，破 坏后容易恢复。这是短波通信被长期保留，至今仍然被广泛使用的主要原因。短 波通信也存在着一些明显的缺剧2 j ： 1 ) 可供使用的频段窄，通信容量小。按照国际规定，每个短波电台占用 3 7 z 的频率宽度，而整个短波频段可利用的频率范围只有2 8 5 m h z 。 2 ) 短波的天波信道是变参信道，信号传输稳定性差。短波无线电通信主要 是依赖电离层进行远离信号传输，电离层作为信号反射媒质的弱点是参量的可变 性很大。它的特点是路径损耗、延时散布、噪声和干扰，都随昼夜、频率、地点 而不断变化着。一方面电离层的变化使信号产生衰落，衰落的幅度和频次不断变 化；另一方面天波信道存在着严重的多径效应，造成频率选择性衰落和多径时延。 东南大学硕士论文 1 2 现代短波通信新技术与新体制 1 9 8 0 年代以来，计算机、移动通信和微电子技术的迅猛发展，促进了短波 通信技术和装备的更新换代。特别是随着微处理器、数字信号处理( d s p ) 、自 适应、扩频通信等现代信息技术的应用，大大提高了短波通信的质量和数据传输 速率，增强了自动化、新业务能力，提高了自适应与抗干扰能力，形成了现代短 波通信新技术、新体制。 1 、现代短波信道技术 现代短波信道技术主要分为两大类：一类是针对短波变参信道的特点，为了 克服其不稳定性对通信质量的影响，提高短波通信特别是短波数据通信的可靠性 和有效性而发展起来的，称之为自适应技术，以短波实时选频与频率自适应技术 为主体 另一类是针对短波通信存在的保密性不强、抗干扰能力差的弱点，以及电磁 斗争的特点和规律，为了提高短波通信在电子战环境中的生存能力，以及抗测向、 抗侦查、抗截获、抗干扰等防御能力而发展起来的，称之为短波通信电子防御技 术。这一类技术以短波扩频通信技术为主体，包括短波跳频和自适应跳频技术， 以及短波直接序列扩频技术等。 2 、现代短波通信终端技术 主要是针对短波通信存在着严重电磁干扰的特点，为了满足人们对数据业务 特别是高速数据业务的需求，围绕着提高数据传输的可靠性和数据传输速率而发 展起来的。它主要包括短波调制解调技术，差错控制技术等【2 】。 1 ) 多载波正交频分复用调制( o f d m ) 0 f d m 是一种并行数据传输系统，采用频率上间隔的n 个子载波分别调制 一路独立的数据信息，调制后的n 个载波信号相加同时发送。通过选择载波间 隔，使这些子载波在整个符号周期上保持频谱的正交特性，各子载波上的信号在 频谱上重叠。收端利用载波之间的正交特性，可无失真地恢复发送信息。o f d m 技术在短波信道可实现1 6 圳s 6 4 肠s 的数据传输速率，即利用1 0 2 4 个正交副 载波，每个载波的波形速率为1 2 5 b a u d ，信道带宽为1 2 5 k h z ，纠错码用大冗余 度的r s 码或t u r b o 码。与单载波相比，在相同速率时，符号周期延长n 倍，远 大于信道延时扩展，消除了码间串扰。副载频之间的正交特性，使信号频谱可重 叠，提高频谱利用率，并有良好的频率分集效果，能抗严重多径和强窄带干扰。 2 ) 差错控制技术 短波通信中，随机噪声会导致随机差错，衰落、脉冲干扰会导致突发错误， 严重影响数据通信，通常字符差错率在1 0 。2 1 0 。3 数量级。采用差错控制技术， 可以改善2 3 个数量级，达到1 0 l o - 6 。短波通信常采用两种差错控制技术， 一是自动请求重发( a r q ) ，即收端检错，通知发端重发错误，因而也称为反馈 2 第1 章绪论 纠错，对随机差错和突发差错都有良好的效果，但频繁重发，信号延时增大；二 是前向纠错( f e c ) ，即利用纠错码，收端自动纠错，需要大量冗余码，占码元 数量的2 5 5 0 。采用交织码扩散卷积码，可把突发差错分离成随机差错。 f e c 不需反馈信道，但造价较高。 3 、短波通信装备数字化 微电子技术的发展，促进大规模集成电路、微处理器在短波通信设备中广泛 应用，使短波通信设备集成化、小型化、通用化程度大大加强，技术性能显著提 高。基于软件无线电设计思想，以a d c d a c 、d s p 和c p u 为中频硬件基础， 使用统一的硬件平台，实现短波电台的数字化、软件化、模块化。在短波电台中 频( 甚至射频) 部分对信号进行数字化处理，用软件编程灵活地实现宽带数字滤 波、直接数字频率合成、数字上下变频、调制解调、纠错编码、信道均衡、信 令控制、信源编码、加密解密等。软件无线电台的高度可编程性，对于引入新 业务、新技术非常方便，通过更换软件版本或个别硬件模块，电台容易升级换代， 并大大缩短研制周期，降低产品开发成本。 1 3o f d m 的研究历程及现状 o f d m 是一种多载波调制( m u l t i p l ec a 耐e rm o d u l a t i o n ，m c m ) 技术，其基 本思想始于19 5 0 年代，由r r m o s i e r 和r g c l a b a u 曲提出。随后，r w c h a n g 首先引入了带限信道中无载波间干扰( i c i ) 和符号间串扰( i s i ) 并行数据传输 的原则，提出正交多载波传输o f d m 的概念。它可以将高速串行数据流通 过串并变换，变成若干个速率相对较低的子数据流，然后将每路低速数据调制在 彼此正交的子载波上，所有子载波叠加在一起构成发送信号。b r s a l t z b e r g 指出， 在这种正交载波系统中，对系统性能影响最大的干扰是邻道干扰。由于传统的模 拟技术很难实现正交的子载波，故在过去将近3 0 年的时间里，o f d m 系统的实 际应用并不常见。随着数字信号处理技术的发展，s b w b i n s t e i n 和p m e b e r t 等 人提出采用快速傅立叶变换( f f t ) 实现正交载波调制的方法，为o f d m 的广泛 应用奠定了基础。此后，为了克服信道多径和定时误差引起的i s i 和帧间干扰 ( i f i ) ，a p e l e d 和a i n i z t 提出了添加循环前缀( c p ) 的思想。由于o f d m 具 有较高的频谱利用率且能够通过i f f 聊f t 等高效算法实现，故目前它已成为应 用最为广泛的多载波调制方式l l j 。 和传统的单载波系统相比，o f d m 系统的各子载波信道频谱相互重叠，故具有 较高的频谱利用率，其频谱效率比单载波系统高出近一倍。同时，o f d m 将高 速数据通过串并变换形成的数据流在并行的子载波上传输，降低了子载波上的 符号传输速率，减小了无线信道对系统的影响，增强了系统的抗多径和频率选择 衰落的能力拉j 。此外，0 f d m 的正交子载波将频率选择性衰落信道等效为若干并 行的平坦衰落信道，将信道的影响等效为复数因子，简化了信道均衡；而且o f d m 东南大学硕士论文 还可以通过动态功率分配技术和比特自适应调制技术使系统达到最大传输效率 和最优的系统性能。正因如此，o f d m 作为一种高效数据传输技术深受关注， 并陆续成为多个标准的关键技术，如数字音频广播( d a b ：d 画t a la u d i o b r o a d c 枷n g ) 、数字视频广播( d v b ：d 磷t a l d e ob r o a d c a s t i n g ) 、无线局域网 ( w l a n ：w i r e l e s sl o c a la r e a n e 铆o r k ) 、数字电视( d t v ：d 酶t a lt e l e v i s i o n ) 陆地广播标准以及数字用户线( x d s l ) 等标准，并有可能成为下一代( b e y o n d3 g 或4 g ) 移动通信系统的核心技术之一。 1 4 本论文的主要内容 本文主要分析了短波信道的特点，及其对于信号传输的影响，并且基于短波 的特性，通过理论研究及实验仿真，提出了使用与短波通信相适应的差分o f d m 系统，同时分析比较了其与传统相干o f d m 系统的性能差异。 4 第2 章短波信道 第2 章短波信道 2 1 短波信道的基本概念 本章所称短波信道，是指实现a 、b 两地间短波通信，从发方天线至收方天 线之间的电波传输信道。最简单的表示如图2 1 所示。 x l 辜)y 堪) 图2 1 信道简单示意图 令x ( f ) 表示信道的输入、( f ) 代表信道的加性噪声( 包括加性干扰) ，则信 道的输出y ( f ) 可表示为 y ( r ) = 七( f ) x ( f ) + ( ，)( 2 一1 ) 式中，七( ，) 以乘的方式作用于被传输信号，它包含了信道的传输特性，相对于加 性干扰人r p ) 而言，有时称七o ) 为乘性干扰。对于短波信道，乘性干扰可分为慢衰 落分量k ( ，) 和快衰落分量t ( f ) ，即 七( ，) = t ( ，) 缸( f )( 2 2 ) 短波频段的电波传播有两种形式：一种是地波传播；另一种是天波传播，如 图2 2 所示。天波是短波信道较之其它无线通信信道最重要的特点。对于天波传 播，信道的慢衰落、快衰落和加性噪声都与电离层的特性密切相关。故本章主要 以电离层的特性为基础，描述短波信道的物理特性。 图2 2 天波传输示意图 东南大学硕士论文 2 2 短波信道的物理特性 2 2 1 电离层 电离层是指离地面6 0 6 0 0 k m 的大气层，由分子、原子、离子及自由电子组 成，分为d 、e 、f 1 、f 2 四层。形成电离层的主要原因是太阳辐射的紫外线和 宇宙射线。 d 层是最低层，出现在地球上空6 0 m 9 0 的高度处。最大电子密度发生 在8 0 l 锄处。d 层出现在太阳升起时，而消失在太阳降落后，所以夜间不再对短 波通信产生影响。d 层的电子密度不足以反射短波，因而短波以天波传播时，将 穿过d 层。不过，在穿过d 层时，电波将遭受严重的衰减，频率越低，衰减越 大。而且在d 层中的衰减量，远大于e 层、f 层，所以也称d 层为吸收层。在 白天，d 层决定了短波传播的距离以及为了获得良好的传输所必需的发射功率和 天线增益。最近研究表明，白天d 层有可能反射频率为2 m h z 5 m h z 的短波。 在1 0 0 0 k m 距离的信道实验中，通过测量所获得的衰减值和计算值比较一致【l 】。 e 层的高度为1 0 0 1 2 0 l ( i i l ，最大电子密度发生在1 1 0 l ( i i l 处，白天认为基本 不变。与d 层一样，e 层出现在太阳升起时，而且在中午电离达到最大值，最后 逐渐减小，在太阳降落以后，e 层实际上对短波传输已不起作用。 对短波传播，f 层最重要。在一般情况下，远距通信都选f 层做反射层。这 是由于和其它导电层相比，它高度最高，因而可允许传播最远的距离，所以习惯 上称f 层为反射层。其第一部分是f 层，只在白天存在，地面高度为1 7 0 k m 2 2 0 l ( i i l ，与季节变化和某时刻的太阳位置有关；第二部分是e 层，位于地面高度 2 2 5 1 ( r 1 1 4 5 0 k m 上，与一天中的时刻和季节有关。同样在日间，冬季高度最低， 夏季最高。只层主要出现在白天，但日落后并不完全消失，残余电离仍然存在， 原因是电子浓度低，故复合减慢，以及黑暗后数小时仍有粒子辐射。夜间，残留 电离仍允许传输短波段，但频率比日间可用的要低许多。由此可以粗略看出，如 要保持昼夜短波通信，其工作频率必须昼夜更换，而且一般夜间工作频率低于白 天工作频率。这是因为高频能穿过低电子密度的电离层，只在高密度的电离层反 射。所以昼夜不改变工作频率的结果，有可能是电波穿出电离层，造成通信中断。 2 2 2 短波在电离层中的传播特性 短波传播主要依靠电离层反射。由于电离层是分层、不均匀、时变的媒介， 所以短波信道属于随机变参信道。即传输参数是时变且无规律的，故称随机变参。 短波信道又称时变色散信道，因其存在多径效应、衰落、多普勒频移等特性【2 1 。 6 第2 章短波信道 1 多径效应 。 多径效应是指来自发射源的电波信号经过不同的途径、以不同的时延到达远 方接收端的现象。这些经过不同途径到达接收端的信号，因时延不同使相位互不 一致，并且因各自传播途径中的衰减量不同使电场强度也不同。短波电波传输时， 有经过电离层一次反射到达接收端的一次跳跃情况，也可能有先经过电离层反射 到地面再反射上去，经过电离层反射到达接收端的二次跳跃情况。甚至可能经过 三跳、四跳后才到达接收端的情况。 信号经过不同路径到达接收端的时间是不同的。两条路径间的时间差为多径 时延，与信号传输距离及信号频率有关。一般来说，多径时延等于或大于o 5 m s 的占9 9 5 ，等于或大于2 4 m s 的占5 0 ，超过5 m s 的仅占0 5 。 2 衰落现象 衰落现象是指接收端信号强度随机变化的一种现象。在短波通信中，即使在 电离层的平静时期，也不可能获得稳定的信号。在接收端信号振幅总是呈现忽大 忽小的随机变化，这种现象称为衰落。 在短波传输中，衰落又有快衰落和慢衰落之分。快衰落的周期是从十分之几 秒到几十秒不等，而慢衰落周期从几分钟到几小时，甚至更长时间。 1 ) 快衰落 快衰落是一种干涉性衰落，由多径传播现象引起。由于多径传播，到达接收 端的电波射线不是一根而是多根，这些电波射线通过不同的路径，到达接收端的 时间是不同的。由于电离层的电子密度、高度均是随机变化的，故电波射线轨迹 也随之变化，这就使得由多径传播到达接收端的同一信号之间不能保持固定的相 位差，使合成的信号振幅随机起伏。这种由到达接收端的若干个信号的相位干涉 所造成的衰落也称“干涉衰落”。 干涉衰落具有明显的频率选择性，即对某一单个频率或一个几百赫兹的窄带 信号产生影响。对一个受调制的高频信号，由于它所包含的各种频率分量在传播 中具有不同的多径传播条件，所以在调制频带内，即使在一个窄频带内也会发生 信号失真，甚至严重衰落。遭受衰落的频段宽度不会超过3 0 0 h z 。同时，实践也 证明，两个频移差值大于4 0 0 h z 后，其衰落的相关性就很小了。 2 ) 慢衰落 慢衰落主要是吸收型衰落，由电离层电子密度及高度的变化造成电离层吸收 特性的变化而引起，表现为信号电平的慢变化，其周期可从数分钟到数小时。吸 收衰落对短波整个频段的影响程度相同。在不考虑磁暴和电离层骚扰时，衰落深 度可能低于中值1 0 d b 。 3 多普勒频移 利用短波信道传播信号时，不仅存在由于衰落所造成的信号振幅的起伏，而 且传播中还存在多普勒效应所造成的发射信号频率漂移，这种漂移称为多普勒频 移。多普勒频移产生的原因是电离层经常性的快速运动，以及反射层高度的快速 7 东南大学硕士论文 变化，使传播路径的长度不断变化，信号的相位也随之产生变化，可以看成电离 层不规则运动引起的高频段载波的多普勒频移。 多普勒频移在日出和日落期间呈现出较大的数值，此时有可能影响采用小频 移的窄带电报的传输。当电离层处于平静的夜间，不存在多普勒效应，而在其它 时间，多普勒频移大约在l h z 2 h z 的范围。 4 相位起伏与频谱扩散 相位起伏是指信号随时间的不规则变化。短波传播中引起相位起伏的主要原 因是多径传播和电离层的不均匀性，其所表现的客观事实也反映在频率起伏上。 2 3 短波信道的统计特性 2 3 1 线性时变信道的基本特性 短波信道可用等效的线性时变系统表示，即用系统函数h ( 厂，f ) 来替换时不 变系统的日( 厂) ，用冲击响应办( f ，r ) 来代替时不变系统中的办( f ) 。此时短波信道模 型如图2 3 所示。 z 0 ) y 0 ) 图2 3 用时变线性系统作短波1 言遁模型 系统传输函数为 田一 h ( 厂，f ) = i 办( f ，r ) p 吖m 西 ( 2 3 ) 式中，厅( ，r ) 代表线性时变系统的脉冲响应，它表示在时刻，一f 加入一个艿脉冲 而在时间t 观察到的系统响应 r 0 ) ，即 向( f ，f ) = ih ( 厂，) p 吖2 盯矽 ( 2 - 4 ) 式中，日( 厂，f ) 为线性时变系统的传输函数。 考虑到系统的物理可实现性，信道的输出为 y ( ，) 2 上x ( ，- r ) 讹r m ( 2 - 5 ) 或 y ( ，) = 广( 厂) h ( 厂，) e 伽夕矽 ( 2 6 ) 式中，x ( 厂) 为x ( f ) 的频谱函数。显然，对于x ( ，) = r e x ( f ) p 2 ”厢) ，输出信号的 复包络为 第2 章短波信道 】，( f ) = fx ( 厂) 日( 厂，) 2 ，r 夕 为了考察信道的传播特性，假设x ( f ) 的复包络为x ( f ) = p 2 ， r ( 厂) = 6 ( 厂一f ) ，贝0 】，( f ) = rx ( 厂) h ( ，) 2 ，r 一矽 = 广6 ( 厂一f ) 日( 厂，f ) p 伽夕矽 = 日( f ，r ) p 2 ”凡 = 日( f ，f ) x ( f ) ( 2 - 7 ) 其频谱函数为 式中，日( e f ) 并不是一个定值，而是时间的函数。它表明短波信道对输入信号 的复包络产生了寄生调制，即少( ，) 将具有随机幅度调制l h ( f ，f ) l 和随机相位调制 么，c 日( f ，) ) 。 以上分析表明，在输入是单色谱的情况下，输出不再是单色，而产生的新的 频谱分量是围绕f 的，这种频谱展宽称为频率散布，由信道的时变性造成。因而 信道的时变性在频谱上造成输出频谱展宽，而在时域上则表现为信号衰落。 2 3 2 短波信道的散射函数 假定信道特性在时间域和频率域都平稳，系统传输函数的自相关函数为2 1 ， 如( ，一厂，s 一，) = 日( 厂，f ) 月( ，s ) ( 2 - 9 ) 式中横线表示统计平均。设，= 厂+ 鲈，s = f + f ，得 r h ( 矽，f ) = h + ( 厂，f ) 日( 厂+ 鲈，+ f ) ( 2 - 1 0 ) 当口厂= 0 时 r h ( o ，血) = j d l ( 出) = h ( 厂，f ) 日( 厂，f + 出) ( 2 - 1 1 ) 称为信道的时间自相关函数。 同理可以得信道的频率自相关函数， 如( 矽，o ) = p 2 ( ) = 日。( ，f ) 日( + 矽，f ) ( 2 一1 2 ) 定义式( 2 1 0 ) 的二维傅立叶变换为信道的散射函数，即 s ( f ，) = 淞h ( 鲈，出) p 2 融p 7 2 叫j 膨出 ( 2 1 3 ) 散射函数实际上是一个二维的功率谱密度函数( p o w e rd e n s i t yf u n c t i o n ， p d f ) 。结合电离层反射信道传输信号的物理过程，可以这样来理解散射函数， 即把电离层看成是由很多互不相干的散射体所构成，把传播过程看作是散射体反 射入射波的能量并在接收端相叠加的过程。 9 东南大学硕士论文 2 3 3 多普勒展宽 由于散射函数表示能量在时间轴和频率轴上的散布，从数学上，可以计算出 两个轴的边际函数。在，轴上的边际函数为 尸) = is ( f ，y 矽r ( 2 - 1 4 ) j 称为信道的多普勒散布谱。实际上p ) 和j d l ( 出) 是傅立叶变换对。 信道的多普勒散布谱表示了信道的频率散布特性。尸) 的宽度称为信道的 多普勒散布彩，也称为衰落带宽。其与信道衰落相干时间的关系为【2 】 1 缸2 玄 ( 2 。1 5 ) 参数变换缓慢的信道具有大的相干时间，相应地，具有很小的多普勒散布。 短波信道的多普勒散布毋与电离层状况、工作频率、线路长度等多种因素有关， 通常为几赫兹。 2 3 4 多径扩展 与多普勒散布谱类似，信道的多径散布谱q ) 与p ：( 厂) 是傅立叶变换对。 q ( j r ) 表示了信道的延时散布特性。当宽度极窄的脉冲输入信道后，由于多径效 应，使信道输出有不同的延时分量，多径散布谱就表示各延时分量所具有的强度 分布。 q 0 ) 的宽度称为信道的多径散布乙，j d ：( v ) 的宽度馘称为相关带宽，它与 多径散布的关系为【2 1 1 馘= ( 2 一1 6 ) 卅 相关带宽蜕表示了信道产生频率选择性衰落的分界线。若信号带宽小于信道相 关带宽馘，则不产生频率选择性衰落，否则将产生频率选择性衰落。在远距离 通信线路中，短波信道的多径散布约几百微秒至几毫秒。 2 4 本章小结 本章主要分析了短波的传输环境，信道模型，以及信道干扰对信号的影响， 初步分析了短波信道的统计特性，为后续章节o f d m 的系统设计，提供了必需 参考的约束条件。 l o 第3 章o f d m 基本原理及系统模型 第3 章o f d m 基本原理及系统模型 o f d m 的基本思想是将高速数据流划分为若干个低速数据流，然后通过若 干个子载波进行传输。故对于低速的并行子载波而言，符号长度增加，从而导致 由多径时延扩展产生的时间弥散减小。对于o f d m 系统，引入保护间隔基本能 消除i s i ，同时这种保护间隔是o f d m 的循环符号扩展，这样将减小i c i 。 在o f d m 系统设计中，许多参数需要权衡考虑，如子载波数，保护时间， 符号长度，子载波间隔，子载波的调制方式以及前向差错编码等。这些参数的选 择由系统需求决定，如可用带宽，预期净码率，时延扩展和多普勒扩展的容限等。 而这些需求往往是相斥的，如要获得较好的抗时延扩展能力就需要较多的子载波 数，较小的子载波间隔，而这样则会导致抗多普勒扩展和相位噪声的能力下降。 所以系统设计是整体权衡的结果，下面章节将详细阐述基本原理及参数的设计。 3 1o f d m 连续信号系统模型 3 1 1 基带系统模型 o f d m 系统首先将待传输的二进制码流( 经过了信道编码) 转换成m 进制 符号流。通常m 取值为2 的整数次方，故每个符号携带的位数为聊= l o g ：m 。 由 并 转 换 器 并 串 转 换 器 图3 1 基带系统模型 l l 东南大学硕士论文 然后用m 进制p s k ，o a m 、d p s k 或d a p s k 等数字调制器将符号序列映射成 复数值符号序列，并将此复数值符号称为数据符号。然后，将这些数据符号序列 分块，每块有，个数据符号组成，称为频域样本，可表示如下【3 】： s ( 七) = 吼+ 玩七= 0 ，1 ，三，虬一1 ( 3 - 1 ) 对频域样本序列采用快速傅立叶逆变换( i f f t ) 得到离散符号序列，并将此 序列称为时域样本序列。对于未进行信道编码的系统，一般可以假设符号序列 s ( 七) ) 内各元素相互独立，均值为0 ，方差为仃2