（通信与信息系统专业论文）ofdm与ofdma系统中的载波同步技术研究.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 正交频分多址接入( o f d m a ) 是以正交频分复用( o f d m ) 技术为基础 的一种多址接入方式，它秉承了诸如高频谱利用率和良好的抗多径衰落能力 等0 f d m 的技术优势，将有望成为未来通信系统的主流接入方式。但o f d m a 对频率偏移相当敏感，频率偏移会使子载波间的正交性遭到破坏，从而产生 严重的子载波间干扰和多址干扰，导致系统的性能变差。在o f d m a 下行链 路中，每个用户的载波频偏( c f o ) 都可以等效为单参数问题，估计和消除 问题相对来说较容易。目前研究的许多o f d m 的同步算法都可以应用到 0 f d m a 的下行链路中。而对于o f d m a 上行链路，每个用户的c f o 各不相 同，同步估计问题演变为多参数估计，同时同步估计结果的补偿也变得更加 困难。 在本论文中，首先回顾了o f d m 技术原理和收发机结构，在对o f d m 系统中的载波同步技术进行研究的基础上，提出了一种基于时域过采样的 o f d m 载波频偏估计算法，分析了该算法的性能并进行了计算机仿真。仿真 结果证明该算法估计精度较高，而且算法性能不受载波频偏值大小的影响。 随后，本论文系统地介绍了o f d m a 原理，对o f d m a 技术中不同的子 载波分配机制进行了讨论，并针对基于子载波交织分配结构的o f d m a 上行 链路载波频偏估计算法作了研究及计算机仿真。 载波频偏的补偿问题也就是利用同步误差的估计结果对被干扰的接收数 据进行修正。由于信道的时变性，使得传统的基于反馈信道的补偿方法并不 理想。在研究基于子载波交织分配的接收端同步补偿算法的基础上，本文提 出了一种改进算法，降低了原同步补偿算法的运算复杂度。 关键词：0 f d m a ；上行链路；载波同步；时域过采样；子载波交织分配 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t 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 n m u l t i p l ea c c e s s ( o f d m a ) i s a m u l t i p l e x i n g m u l t i p l ea c c e s st e c h n i q u eb a s e do no f d mt e c h n o l o g y i th a sa l lt h e a d v a n t a g e so fo f d mt e c h n o l o g ys u c ha sh i 曲s p e c t r a le f f i c i e n c ya n dr o b u s t n e s s p r o p e r t ya g a i n s tf r e q u e n c ys e l e c t i v ef a d i n gc h a n n e l s r e c e n t l y , o f d m ah a sb e e n a d o p t e do rp r o p o s e df o rav a r i e t yo fw i r e l e s sa p p l i c a t i o n s s i m i l a rt oo f d m ，t h e p e r f o r m a n c eo fo f d m a i sa l s os e n s i t i v et ot h e 盘e q u e n c ys y n c h r o n i z a t i o ne r r o r s c a r r i e rf r e q u e n c yo f f s e t ( c f o ) b e t w e e nt h et r a n s m i t t e ra n dt h er e c e i v e rr e s u l t s i nt h el o s so fo r t h o g o n a l i t ya m o n gs u b c a r r i e r sa n di c i ，w h i c hf u r t h e ri n t r o d u c e s m a ii no f d m aa n dd e g r a d e st h es y s t e mp e r f o r m a n c e i no f d m ad o w n l i n k ， s y n c h r o n i z a t i o ni sas i n g l e - p a r a m e t e re s t i m a t i o np r o b l e m m a n yc f oe s t i m a t i o n a n dc o m p e n s a t i o na l g o r i t h m sd e v e l o p e df o ro f d mc a na p p l yt ot h eo f d m a d o w n l i n k 。t h er e a lc h a l l e n g el i e si nt h eu p l i n ko fo f d m a 。i no f d m a u p l i n k ， e a c hu s e rh a si t so w nc f 0 ，s ot h e s y n c h r o n i z a t i o n h a sb e c o m ea m u l t i p l e p a r a m e t e re s t i m a t i o np r o b l e m ，a n dt h ec o m p e n s a t i o no fc f 0h a sa l s o b e c a m em o r ed i f f i c u l t f i r s t i nt h et h e s i s ，b a s i cp r i n c i p l ea b o u to f d ma n ds o m es y n c h r o n i z a t i o n a l g o r i t h mt o e s t i m a t ec f o ，i si n t r o d u c e d w ea l s op r e s e n tan e w 盘e q u e n c y s y n c h r o n i z a t i o ns c h e m eb a s e do nt i m eo v e r s a m p l i n g f r o mt h es i m u l a t i o nr e s u l t s ， i ti ss h o w nt h a tt h ea c c u r a c yo ft h ep r o p o s e da l g o r i t h m ，a sw e l la st h er e s i s t a n c e t of r e q u e n c ys e l e c t i v ef a d i n ga n dn o i s e ，i sm u c hb e t t e rt h a nt h a to ft h ea l g o r i t h m b a s e do nc y c l i cp r e f i x t h e nw ei n t r o d u c eo f d m a s y s t e m a t i c a l l y t h em u l t i p l ea c c e s st e c h n i q u ei n o f d m ai sd i s c u s s e d a l o n g w i t ht h e c o m p a r i s o no fd i f f e r e n t s u b c a r r i e r a s s i g n m e n ts c h e m e s a ne s t i m a t i o na l g o r i t h mb a s e do nt h es i g n a ls t r u c t u r ei s d e s c r i b e df o re s t i m a t i o nt h ec f o so fa l lu s e r su s i n go n l yo n eo f d m ab l o c k s i m u l a t i o nr e s u l t si l l u s t r a t et h eh i g ha c c u r a c ya n de f f i c i e n c yo ft h i sa l g o r i t h m 哈尔滨工程大学硕士学位论文 w i 也t h ee s t i m a t i o nr e s u l t s ，w em u s tc o m p e n s a t et h es y n c h r o m z a t i o ne r r o r s 西et r a d i t i o n a lm e t h o d ，i sf e e d i n gb a c kt h ee s t i m a t i o nr e s u l t st ot h et r a n s m i t t e r w i t hd o w n l i n kc h a n n e l ，b u tt h ep e r f o r m a n c e i sn o tg o o d e n o u g h o v e r t i m e - v a r y i n gr a d i oc h a n n e l s ，s ow es h o u l di m p l e m e n ti t a tt h er e c e i v e r f o rt h e i n t e r l e a v e ds u b c a r r i e r a s s i g n m e n ts c h e m e ，m i n i m u mm e a ns q u a r ee r r o rc r i t e r i a a r eu s e dt oc o n s t r u c tt h eo r t h o g o n a ls p e c t r a ls i g n a l sf r o mo n eo f d 队b l o c k c o n t a m i n a t e dw i t hi n t e r f e r e n c ec a u s e db yc f o so fm u l t i p l eu s e r s ，a n d a l o w - c o m p l e x i t yi m p l e m e n t a t i o no ft h ep r o p o s e da l g o r i t h m s i sd e v e l o p e d 砀e s i m u l a t i o nr e s u l t si l l u s t r a t et h a tt h ea l g o r i t h m ss i g n i f i c a n t l yi m p r o v et h es y s t e m p e r f o r m a n c e k e y w o r d s ：o f d m a ；u p l i n k ；f r e q u e n c ys y n c h r o n i z a t i o n ；t i m eo v e r s a m p l i n g ； i n t e r l e a v e ds u b c a r r i e r - a s s i g n m e n t 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已 注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已 经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：丝渣搀一 日期：卯多年月j 参日 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1o f d m 技术的发展和应用 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 新一代移动通信系统最受瞩目的核心技术，o f d m 的理论及其应用的研究可 以追溯到上个世纪中叶，即在上世纪五十年代g a d o e l z 提出了k i n e p l e x 系 统，该系统采用的数字调制是四相移相键控( q p s k ) 调制，使用了2 0 个子 载波，且各子载波的频谱互相重叠又是正交的，大大地提高了频谱利用率。 其相邻子载波的间隔近似等于符号速率。可以看出，其基本思想类似于现代 的o f d m ，可以说是o f d m 系统的雏形。 二十世纪六十年代，r w c h a n g 等通过滤波和限带等方法使子载波保持 正交，由于当时只能使用模拟滤波器分离子载波，复杂度较高，一直没有发 展起来。到1 9 7 1 年，w e i n s t e i n 提出利用离散傅里叶变换( d f t ) 来实现多 载波的调制和解调，为o f d m 的实用化奠定了基础。1 9 8 0 年，p e l e d 又提出 在o f d m 符号之间插入循环前缀作为保护间隔，在消除符号间干扰 ( 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 ) 的同时，保证系统在多径条件下仍能保持正 交。至此，形成了我们现在广泛使用的o f d m 系统的概念。1 9 8 5 年，c i m i n i 将o f d m 的概念引入蜂窝移动通信系统，为无线o f d m 系统的发展奠定了 基础。进入上个世纪9 0 年代，随着数字信号处理( d s p ) 技术和超大规模逻 辑集成电路( v l s i ) 技术的发展，以及人们对更高速率更高质量和更多灵活 性的通信方式的不断追求，世界上掀起o f d m 的研究热潮。 o f d m 系统较一般的单载波通信系统能更充分利用频带，得到更高的数 据传输速率，而且可以有效地对抗多径传播所造成的符号间干扰，从而受到 大量关注。目前，o f d m 作为核心技术已被多种有线和无线接入标准采纳。 例如，欧洲数字音频广播( d i g i t a la u d i ob r o a d c a s t ，简写为d a b ) 标准采用了带 差分相位调制的o f d m ，数字视频广播( d i g i t a lv i d e ob r o a d c a s t ，简写为d v b ) 哈尔滨工程大学硕士学位论文 标准包含了多幅度调制的o f d m ，有线电话网上基于现有铜双绞线的非对称 数字用户环路( a s y m m e t r i c a ld i g i t a ls u b s c r i b e rl o o p ，简写为a d s l ) ，基于 5 g h z 频段的高速无线接入局域网的标准8 0 2 11 a 和h i p e r l a ni i 也采用了 正交幅度调制( q a m ) 的o f d m ，等等。另外，o f d m 与c d m a ( 码分多 址) 技术的结合方面，也取得了一些理论上的和实际上的成果【l 】。同时，o f d m 除了作为一种传输技术，还具有支持多用户接入的能力。 正因为o f d m 潜在的多径对抗能力，且可以灵活地和其他接入方式结合 成衍生系统，所以o f d m 已被列入4 g 无线通信系统的可能解决方案，而受 到研究者的广泛关注 2 1 。 1 2o f d m 载波同步技术发展现状 o f d m 既可以用于连续通信类型的通信系统，也可以用于分组交换的网 络，这两类系统采用的同步途径略有不同。比如欧洲数字音频广播( d a b ) 或 者数字视频广播( d v b ) 系统的接收机要在一段相对较长的时间内持续获得 信号才开始可靠地接收数据，因此可以容忍较长的同步时间。而分组交换的 网络，比如无线局域网( w l a n ) ，在分组发送很短的一段时间内就要获得 同步，并且为了达到高的系统吞吐量，希望接收机的训练信息开销尽量小。 很多单载波的同步算法不能适用于o f d m 系统或者性能达不到o f d m 系统 的要求，需要重新设计针对o f d m 系统的同步算法。以下主要介绍o f d m 系统载波同步现有技术和主要思路。 现有文献对解决o f d m 系统中频率偏差的问题开展了广泛的研究【3 】【4 】。一 种思路是牺牲系统的带宽效率，将同一个数据符号用特定的映射方式在若干 个相邻子载波上发送，消除由载波频率偏差引起的自干扰。更通用的方法是 进行载波同步，即估计出载波频率偏差，然后补偿频率偏差。 载波频率偏移估计算法根据需要利用的信息可分为三类：数据辅助方法 ( 基于训练序列或导频) ；非数据辅助算法( 盲估计) ；基于循环前缀的方法( 半 盲估计) 。第一类方法利用前导来估算频率偏移，需要占用一定的资源，但是 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 估计精度比较高，并且可以在数据信息尚未到达之前完成，较适合突发模式 高速无线传输系统。盲估计分析频域上的接收信号，根据o f d m 系统子载波 之间的正交性来估计频偏。半盲估计巧妙地利用了循环前缀与o f d m 符号中 样值之间的相关性，提取频率偏移的信息。盲估计和半盲估计都无需消耗任 何额外的资源，但是估计性能相对数据辅助算法较低，需要较长的时间才能 达到同步，较适合连续通信类型。 载波频偏估计算法又可分为频域估计和时域估计两类：频域方法通常发 送一个具有特定频谱特性的训练序列，进行快速傅里叶变换( f f t ) 解调之 后，利用已知的频域信息来估计整数频偏，这类方法虽然具有大的估计范围 和较好的估计性能，但是延迟和计算量较大，并且只能用于无小数频偏时的 整数估计，因此需要首先补偿小数频偏。而时域处理在f f t 解调之前，因此 需要的延迟较小，适合高速通信系统。 同时，o f d m 系统利用其子载波正交的特性提供了一种新的多用户接入 方式，在这种方式当中不同的用户占用了不同的子载波，这些用户可以实现 同时的接入，称为正交频分多址接入( o f d m a ) 方式。由于o f d m a 系统 具有自适应调整子载波等性能，使该系统与目前比较成熟的各种无线接入技 术相比具有很大优势。然而，o f d m a 系统对载波频偏非常敏感，载波频偏 不仅会导致本用户信号幅度的衰减，而且还会引起本用户子载波间的白干扰， 同时还存在有其他用户的载波偏移所引起的用户间干扰。为了获得理想的性 能，用户与基站之间的载波必须保持同步。例如：在i e e e 8 0 2 1 6 d 协议中就 要求子载波频率的偏差应小于子载波间隔的2 。 在一个o f d m a 通信系统中，同步又可以分为上行链路的同步和下行链 路的同步。下行链路的同步，类似于广播方式比较容易实现。在多用户的上 行链路环境下，由于接收到的是多用户的复合信号，各个用户的衰落不同， 所以他们的定时和频偏是各不相同的，同步估计问题演变成了多参数的估计 问题；其次对于定时和频偏的补偿也变的非常困难，因为在时域针对某一个 用户进行补偿将破坏其他的用户的信息。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 3 本文的主要工作和结构 本论文主要研究了o f d m 系统中的载波同步算法，并针对交织分配的子 载波分配方式，对多用户条件下o f d m a 系统上行链路的载波频偏估计的算 法以及与之对应的补偿方法进行了研究。文章的主要工作和结构如下： ( 1 ) o f d m 系统( 第2 章) 这一章首先介绍了o f d m 系统的基本原理，给出了o f d m 系统收发机 结构，并简单介绍了o f d m 系统的优缺点。随后对无线信道的特征进行了介 绍，分析了多径衰落对信号的影响，给出了多径信道模型。 ( 2 ) o f d m 系统载波同步技术研究( 第3 章) 这一章主要是对o f d m 系统载波同步技术进行了研究。首先，对o f d m 系统中的同步问题进行了简要的介绍，给出了o f d m 的系统模型。随后，分 析了载波同步偏差对o f d m 系统性能的影响，并对基于训练符号的时域相关 算法及基于循环前缀的最大似然同步算法进行了重点介绍，提出了一种基于 时域过采样的o f d m 载波频偏估计算法并分析了该算法的性能。最后，对基 于循环前缀的最大似然同步算法和基于时域过采样的o f d m 载波频偏估计 算法进行了性能的仿真和比较。 ( 3 ) o f d m a 系统上行链路同步估计算法研究( 第4 章) 本章首先建立了多用户o f d m a 系统上行链路的数学模型，随后分析了 上行载波频偏对系统性能的影响。最后，对o f d m a 的两种主要的子载波分 配机制进行了简要的介绍，并针对基于子载波交织分配结构的载波频偏估计 算法作了研究及计算机仿真。 ( 4 ) o f d m a 系统上行链路同步补偿算法研究( 第5 章) 这一章首先对现有的o f d m a 系统上行链路同步补偿算法作了简要介 绍。随后研究了基于子载波交织分配的接收端同步补偿算法，并提出了一种 改进算法，降低原同步补偿算法的运算复杂度。同时对本章中的算法进行了 性能的仿真和比较。 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章o f d m 系统 2 1 o f d m 系统的基本原理及收发机结构 o f d m 技术是一种多载波调制技术，其主要思想是将信道分为若个正交 子信道，将高速数据信息转换成并行的低速子数据流，调制到每个子信道上 进行传输，在接收端可以通过相关技术来分离叠加的正交信号，而不产生子 信道间的干扰。如果每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽，则每个 子信道可以看作平坦性衰落，从而可以消除符号间干扰，而且由于每个子信 道的带宽仅是整个信道带宽的- - d , 部分，因此信道均衡变得相对容易。 2 1 1o f d m 调制和解调 每个o f d m 符号是多个经过调制的子载波信号之和，其中每个子载波的 调制方式可以选择相移键控( p s k ) 或者正交幅度调制。如果用表示子信 道的个数，f 表示o f d m 符号的宽度，d ，( f = o ，1 ，n 一1 ) 是分配给每个子信 道的数据符号，以是载波频率，从f = r 。开始的o f d m 符号可以表示为【5 】： 即m e ，勤删：e x p 伽( 六一半) j 一q + 丁沼， 在很多文献中，经常采用如下所示的等效基带信号来描述o f d m 的输出 信号： s 9 ) = ed f + ，2e x p ij 27 c 专o f 。) l ，以f f 。+ 丁 ( 2 2 ) 其中，式( 2 2 ) 的实部和虚部分别对应于o f d m 符号的同相和正交分 量，在实际中可以分别与相应子载波的余弦分量和正弦分量相乘，构成最终 的子信道信号和合成的o f d m 符号。 子载波的正交性可表示为： 哈尔滨工程大学硕士学位论文 三f e j 2 n t e 伽争d t ：j 1 江r ( 2 3 ) 2 哪 【o f f 图2 1 给出了o f d m 系统调制和解调框图，图中假定f 。= 0 。在发送端 的个串行的复数序列经串并转换后调制个子载波，进行频分复用。在接 收端需要个相干解调器，由于各个子载波是相互正交的，因此可以通过相 干解调器将调制在各子载波上数据有效的分离，然后经并串变换得到与发送 端相同的复数序列。 p o _ _ p 1 叶因卫 并 由 叫洲里坌卜 转 并 e x p ( - j 心r t r ) * 由 转叫n + 换 换 当h萨 e x p j 7 c ( n 一2 ) t t 】e x p - j 7 c ( n 一2 ) t t 】 图2 1o f d m 基带调制和解调 接收端第k 路子载波信号的解调过程为：将接收信号与第k 路的解调载 波d j 2 尢等亏当f ) 相乘，然后将得到的结果在。f p m 符号的持续时间z 内进行积分，即可获得相应的发送信号玩，即： 珏j 1t + r e x p 唯冗半。) ，笺奴me 坤 伽7 i 。乎 =手n12-11 ：卜x p f j i = 彳d 洲2r e l = - n 2 5 l = d i 2 n i - k + n 2 丁 o 池 j ( 2 - 4 ) 上面说的o f d m 系统所需的设备很复杂，对于比较大时，需要大量的 正弦波发生器，滤波器，调制器及相干解调器。若利用d f t 及其反变换方法 来实现，就可以简化或省略这些设备。对信号j ( f ) 以瓦= r 的速率进行抽 样，令式( 2 - 2 ) 中的f 。= 0 ，f = n r , 伽= o ，1 ，n - 1 ) ，可以得到： 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 铲 = n 委- 1 s ( n t n ) d p ( - 。等7 c n l ) 0 ，z n - 1 协5 ) = = lj 百i ，z ( 2 5 ) 式( 2 5 ) 中，s 。即为d ，的离散傅里叶反变换( i d f t ) 运算。在接收端， 为了恢复出原始的数据符号盔，可以对j 。进行逆变换，即d f t 变换得到： ，：笋x 一j 型 f(2-6d z t r n l 0n - 1) ，= x p l j 百l f ) 根据上述分析可以看到，o f d m 系统的调制和解调可以分别由i d f t d f t 来代替。通过点i d f t 运算，把频域数据符号d ，变换为时域数据符号j 。， 经过射频载波调制之后，发送到无线信道中。其中每一个i d f t 输出的数据 符号j 。都是由所有子载波信号经过叠加而生成的，即对连续的多个经过调制 的子载波的叠加信号进行抽样得到的。在o f d m 系统的实际应用中，可以采 用更加方便快捷的f f t 和i f f t 来实现调制和解调。点i d f t 运算需要实 施2 次的复数乘法，而i f f t 可以显著地降低运算的复杂度。对于常用的基 2 i f f t 算法来说，其复数乘法的次数仅为( n 2 ) l o g f ，而采用基4 i f f t 算法 来实施傅里叶变换，其复数乘法的数量仅为( 1 0 9 多一2 ) 3 n 8 。 | | l 保护间隔f f q 图2 2 空闲保护间隔在多径情况下的影响 在o f d m 系统中，为了最大限度地消除多径时延扩展引起的符号间干 扰，在每个o f d m 符号之间要插入保护间隔，该保护间隔的长度巧一般要 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 大于无线信道的最大时延扩展，这样一个符号的多径分量就不会对下一个符 号造成干扰。在这段保护间隔内，可以不插入任何信号，即是一段空闲的传 输时段。然而在这种情况下，由于多径传播的影响，会产生子信道间的干扰 ( i n t e r - c a r r i e r i n t e r f e r e n c e ，i c i ) ，即子载波之间的正交性遭到破坏，不同的 子载波之间产生干扰，这种效应如图2 2 所示。 由于每个o f d m 符号中包括了所有的非零子载波信号，而且也同时会出 现该o f d m 符号的时延信号，因此图2 2 中给出了第一子载波和第二子载波 的时延信号。从图2 2 中可以看到，由于在f f t 运算时间长度内，第一子载 波与带有时延的第二子载波之间的周期个数之差不再是整数，所以当接收机 试图对第一子载波进行解调时，第二子载波会对此造成干扰。同样，当接收 机对第二子载波进行解调时，也会存在来自第一子载波的干扰。 为了消除由于多径所造成的i c i ，o f d m 符号需要在其保护间隔内填入 循环前缀信号，见图2 - 3 。这样就可以保证在f f t 周期内，o f d m 符号的延 时副本内所包含的波形的周期个数也是整数。这样，时延小于保护间隔l 的 时延信号就不会在解调过程中产生i c i 。 ，一一、，、，一、 黝绂浏隧川 ：一 一 一 _ r ； 数据间隔一个o f d m 符号 保护间隔 图2 3 具有循环前缀的o f d m 符号 2 1 2o f d m 系统收发机结构 在实际的o f d m 系统收发机结构中，除了o f d m 调制和解调、星座映 射、添加和去除循环前缀外，还要有数模和模数转换、发送和接收滤波、上 8 哈尔滨工程大学硕士学位论文 变频和下变频、编解码和交织等，如图2 4 所示。图中的上半部分是发送机 的框图，而下半部分是接收机的框图。 图2 4o f d m 系统的收发机结构 2 2o f d m 系统的技术特点 o f d m 系统存在如下优点： 1 ) 抗多径干扰和频率选择性衰落能力强。由于o f d m 系统把数据分散到 许多个子载波上，大大降低了各子载波的符号速率，从而减弱多径传播的影 响，而且采用了加循环前缀作为保护间隔的方法，基本上可消除符号间干扰 的影响。 2 ) 均衡器复杂度低。对于衰落信道，o f d m 系统只需做简单的频域均衡 即可，由于o f d m 技术本身已经利用了信道的频率分集，如果衰落不是特别 严重，就没有必要再进行时域均衡。 3 ) 频谱利用率很高。频谱效率比一般的频分多址( f d m ) 系统高近一倍。 这在频谱资源有限的无线环境中很重要。由于o f d m 信号的相邻子载波相互 重叠，理论上讲其频谱利用率可以接近奈奎斯特( n y q u i s t ) 极限。 4 ) 采用动态子载波分配技术能使系统达到最大比特率。可以通过选取各 子信道、每个符号的比特数以及分配给各子信道的功率使系统的总比特率最 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 大。 0 f d m 系统存在如下缺点： 1 ) 易受频偏的影响。由于子信道的频率相互覆盖，这对其正交性提出了 严格的要求。然而由于无线环境存在时变性，在传输过程中会出现无线信号 的频率偏移，如移动导致的多普勒频移，或由于发射机载波频率与接收机本 振之间存在频率偏差，都会使o f d m 系统子载波之间的正交性遭到破坏，从 而导致i c i 。 2 ) 存在较高的峰值平均功率比。与单载波相比，由于多载波调制系统的 输出是多个子信道信号的叠加，如果多个信号的相位一致时，得到的叠加信 号的瞬时功率会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 r ) 。这对发射机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，则会引起信号畸变，使叠加信号的频谱发生变化， 从而导致各个子信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 6 1 。 2 3 无线信道的特征 在无线通信中，发射信号在传播过程中往往会受到环境中的各种物体所 引起的遮挡、吸收、反射、折射和衍射的影响，形成多条路径信号分量到达 接收机。不同路径的信号分量具有不同的传播时延、相位和振幅，并附加有 信道噪声，它们的叠加会使复合信号相互抵消或增强，导致严重的衰落。这 种衰落会降低可获得的有用信号功率并增加干扰的影响，使得接收机的接收 信号产生失真、波形展宽、波形重叠和畸变，甚至造成通信系统解调器输出 出现大量差错，以至完全不能通信。如果发射机或接收机处于移动状态，或 者信道环境发生变化，会引起信道特性随时间随机变化，接收到的信号由于 多普勒效应会产生更为严重的失真。 表征无线信道特性的参数有很多，主要有传播衰减、时延扩展和相干带 宽、多普勒扩展和相干时间、衰落分布、衰落速率以及衰落持续时间等。 1 0 哈尔滨工程大学硕士学位论文 在无线通信系统中，信道对接收信号的影响从统计特性上可以分为大尺 度效应( l a r g e - s c a l ee f f e c t s ) 和小尺度效应( s m a l l s c a l ee f f e c t s ) 。当接收机处于 空间某一位置时，接收信号功率的本地均值将受到视距路径损耗、绕射、阴 影衰落、天气等影响，这些影响称为大尺度效应，主要用来预测无线信道的 覆盖范围。小尺度效应主要是指由于多径传播、收发机的移动造成的信号幅 度剧烈起伏现象。 2 3 1 多径衰落对信号的影响 移动信道环境中，任意时间，接收的瞬时复信号，- ( f ) 可以表达为川： ，( r ) = 口( f ) e j ( 7 ) ( 2 7 ) 式( 2 7 ) 中，口( f ) 代表接收信号厂( f ) 的包络，( f ) 代表，( f ) 的相位。以 下分别研究接收信号的包络特性和相位特性。 瞬时衰落信号的包络a ( t ) 由两个乘性分量口。( f ) 和a r ( f ) 表征为： 口( r ) = 口。( f ) a ，( f ) ( 2 - 8 ) 口。( f ) 代表慢衰落，a r ( f ) 代表快衰落。慢衰落表示接收信号的长期变化， 又称为长期衰落，它是由建筑物或自然界特征的阻塞效应引起的。快衰落或 短期衰落对应于接收信号在空间的迅速扰动，是由移动用户附近的障碍物对 信号的散射引起的。 瞬时衰落信号的相位由衰落过程的频域特性、时域特性和空域特性来刻 画，这些特性分别与多径信号的多普勒扩展、时延扩展和角度扩展有关。 1 多普勒扩展( 时间选择性衰落) 当无线电发射机和接收机作相对运动时，接收信号的频率将会发生偏移。 当两者作相向运动时，接收信号的频率将高于发射频率；当两者作反向运动 时，接收信号的频率将低于发射频率，这种现象称为多普勒效应，所产生的 接收信号频率的偏移成为多普勒频移，用九表示。对于电磁波而言，因为多 普勒效应造成的频率偏移取决于两者相对运动的速度，可将兀写为： 哈尔滨工程大学硕士学位论文 兀：f o - v c o s 伊 c ( 2 9 ) 其中，f o 是发射机的载频，v 是发射机与接收机之间的相对速度，9 为 移动方向与电波入射方向的夹角，c 为光速。多普勒扩展是一种由多普勒频 移现象引起的衰落过程的频率扩散( f r e q u e n c yd i s p e r s i o n ) ，又称时间选择性 衰落( t i m es e l e c t i v ef a d i n g ) 。多普勒功率谱函数可以表示成( 厶表示最大多 普勒频移，兀表示载波频率) 嘲： s ( 门= 矾 ( 2 1 0 ) 2 时延扩展( 频率选择性衰落) 在多径传播环境下，由于传播路径的差异导致多径信号以不同的时间到 达接收端，如果基站发射的是一个时间宽度极窄的脉冲信号，移动用户接收 到的将是多个具有不同时延的脉冲信号的叠加，显然，接收信号的波形比原 脉冲展宽了。由于信号波形的展宽是由信道的时延引起的，所以称之为时延 扩展。时延扩展( d e l a ys p r e a d ) 是一种由多径现象引起的衰落过程的时间扩散 ( t i m ed i s p e r s i o n ) ，又称频率选择性衰落( f r e q u e n c ys e l e c t i v ef a d i n g ) 。 3 角度扩展( 空间选择性衰落) 接收端的角度扩展指的是多径信号到达天线阵列的到达角度的展宽。同 样发射端的角度扩展指的是由多径的反射和散射引起的发射角展宽。在某些 情况下，路径的到达角( 或发射角) 与路径时延是统计相关的。角度扩展( a n g l e s p r e a d ) 给出接收信号主要能量的角度范围，产生空间选择性衰落 ( s p a c e - s e l e c t i v ef a d i n g ) ，意即信号幅值与天线的空间位置有关。 2 3 2 多径信道模型 线性时变多径传播信道的冲激响应可表示为： 1n h ( r ，r ) = 寺a n ( t ) e j ( 2 n f a n t + 移n ) ( 罗( q 2 - - 1 2 n ) ( 2 1 1 ) 1 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 其中，a n o ) 、厶、和f 一分别为第刀条路径的时变复衰减因子、多普 勒频移、初相与延时。多径传播模型如图2 5 所示。 假定发射信号为j ( f ) ，接收信号为，i ( f ) ，则在多径信道下，接收信号为具 有不同幅度和相位的多个发送信号副本的叠加，即有： 1 s o ) = 告口栉o ) e 砒件锄s p - - c n ) + w p ) ( 2 - 1 2 ) v 1 n = l 其中w ( t ) 一般为加性高斯白噪声( a w g n ) ，其双边功率谱密度为。2 。 世m ，t ，八= p j m v d ， 求 郅： = e j f 】 f f 、= e j r z d 7 和 n 雨翮砌一 1 兰! ! ! 墨刑 一二 图2 5 多径信道基本模型 无线信道中两个信号到达接收端的时间差称为多径时延差，其中的最大 值称为最大多径时延差，用r m 戤表示。在工程中，信道的时延扩展常用其均 c = = = 一 方根( r m s ) 来表示：f m 双= f 2 一f 2 。其中亍= i ( f ) 1 2 7 栉1 ( f ) 1 2 为信 一一 道传输时延的均值，f 2 = i ( r ) 1 2 f 詈i ( f ) 1 2 为信道时延的均方值。 疗 , 无线通信中还常常用到相关带宽和相关时间的概念，信道的相关带宽和 相关时间可分别定义为：b = 1 r m 戤和t = 1 厶m 科。其中厶m 戤为信道的最大 多普勒频移。在进行o f d m 无线通信信号设计时必须充分考虑二者的影响， 其中相关时间决定o f d m 信号的符号长度，而相关带宽则决定保护间隔的长 度和导频插入间隔。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 4 本章小结 在本章中主要介绍了o f d m 系统的基本原理，给出了o f d m 系统收发 机结构，并简单介绍了o f d m 系统的优缺点。随后对无线信道的特征进行了 介绍，分析了多径衰落对信号的影响，给出了多径信道模型。 1 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第3 章o f d m 系统载波同步技术研究 3 1 o f d m 系统同步问题概述 同步技术是任何一个通信系统都需要解决的实际问题，其性能直接关系 到整个通信系统的性能。可以说，没有准确的同步算法，就不可能进行可靠 的数据传输，它是信息可靠传输的前提。当采用同步解调或相干检测时，接 收端需要提供一个与发射端载波同频同相的相干载波，这种获取相干载波的 过程就称为载波同步。对于数字通信，最佳采样时刻对应于每个码元间隔内 接收滤波器的最大输出时刻。因此，对于数字通信，除了载波同步的问题外， 还有符号同步的问题。符号同步的目的是使接收端得到与发送端周期相同的 符号序列，并确定每个符号的起始时刻，进而实现块同步或帧同步。 图3 1o f d m 系统中的同步 对于o f d m 系统，当然也不可避免地存在载波同步和符号同步的实现问 题，但其对于同步的要求相对于单载波系统要更高。在单载波系统中，载波 频率的偏移只会对接收信号造成一定的衰减和相位旋转，这可以通过均衡等 方法加以克服。而对于多载波系统来说，载波频率的偏移会导致子信道之间 产生干扰，而且对于要求子载波保持严格同步的o f d m 系统来说，载波频率 偏移会带来严重的子信道间干扰，对系统性能造成非常严重的地板效应，即 无论如何增加信号的发射功率也不能显著的改善系统的性能。因此相对于单 哈尔滨工程大学硕士学位论文 载波系统来说，o f d m 系统需要更加严格的载波频率同步。o f d m 系统的符 号同步主要是使接收端确定每个o f d m 符号的起止时刻，即确定准确的f f t 窗口位置，并进一步实现块同步或帧同步。由于每个o f d m 符号是由经串 并转换的个样值符号组成的，所以在o f d m 系统中还应包括样值同步，如 图3 1 所示( 图中虚线表示接收端和发送端所需同步量相对应位置的示意， 而并不是真正实现时同步在系统接收端所处的位置) 。o f d m 系统的样值同 步包括样值定时同步和样值频率同步。样值定时同步是为了使接收端确定每 个样值符号的起止时刻；样值频率同步则是为保证使接收端与发送端有相同 的采样频率。 3 2 载波同步偏差对o f d m 系统性能的影响 图3 1 中给出了o f d m 的系统模型及几种同步技术在系统中所处的位 置。在发送端，串行发送的数据流p 七 先经过串并转换变成并行的数据流， 进行傅里叶逆变换，再经并串转换后得到数据流p 力) ，插入循环前缀得到 扛。 ，再进行数模转换后得到模拟信x ( t ) ，调制到载波无上后送到信道中 进行传输。接收端的处理过程与发送端的处理过程刚好相反。发送端各点的 信号可表示为： s 拧= 专& e 口删 ，z ，k = o ，1 ，2 ，n - 1 ，( 3 1 ) o k = o x 。：s ，一g 棚，雕e o , c - 1 1 ( 3 - 2 ) x 刀【 圭 g ，g s n - g n 4 - 一1 ) 【 ，一l j x ( r ) = x 玎p ( t - n t , ) ( 3 3 ) 其中，g 为所加循环前缀的样值符号数，一般应不少于信道多径时延扩 散的符号数；p ( t ) 为发送端的脉冲成形波形；瓦为发送符号的抽样间隔( 样值 频率六的倒数，即c = 1 正) ，t = 吗为o f d m