（通信与信息系统专业论文）dvbt接收机同步算法研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 在科技日新月异的今天，世界通信与信息技术的迅猛发展引发整个电视广 播产业链的变革。1 9 9 7 年3 月，针对数字电视地面广播方式的实现，欧洲电信 标准协会( e u r o p e a nt e l e c o m m u n i c a t i o n ss t a n d a r d si n s t i t u t e ，e t s 0 提出了一种全 新的标准d v b - t 。该标准描述了数字电视地面广播的基本传输系统，规定 了用于地面多节目数字电视业务的信道编码调制系统，为数字电视用户提供了 优质的视频质量。同时，它也为将来基于电视网络的电子商务、银行业务和网 络浏览等方面的技术实现提供了可能性。 d v b - t 标准采用正交频分复用( 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 ) 调制技术，以期提高频谱利用率以及有效地抵抗多径衰落。然而，o f d m 系统对同步偏差非常敏感，同步性能的好坏直接关系到整个d v b - t 接收机的性 能。本文基于d v b t 传输标准，对连续模式o f d m 系统的下行链路同步算法进 行研究，包括符号定时同步、载波频率同步和采样钟频率同步。 o f d m 系统的符号定时同步错误会引起信号相位畸变并引入符号间干扰 ( i n t e rs y m b o li n t e r f e r e n c e ，i s i ) 。关于符号定时同步，本文从时域符号定时同步、 频域符号定时同步、符号定时方案三个方面内容出发，分析了一些具有代表性 的o f d m 系统的符号定时同步算法，指出其存在的不足并加以改进，形成两套 定时方案。两套方案均具备良好的性能，适合于不同的应用环境。 o f d m 系统中的载波频率错误和采样钟频率误差会因破坏o f d m 符号子载 波间的正交性而引入载波间干扰( i n t e rc a r r i e ri n t e r f e r e n c e , i c d ，使系统误比特 率增加，严重影响系统性能。对于频率同步问题，本文从小数倍载波频率同步、 整数倍载波频率同步、小数倍载波频率和采样钟频率跟踪三个方面进行仿真分 析。小数倍载波频率同步与符号定时同步属于联合估计，其在两套定时方案下 均获得良好性能。研究了整数倍载波频率同步算法与采样钟频率和小数倍载波 频率联合跟踪算法，并给出了相关仿真结果和对比分析。 关键词：d v b - t ，正交频分复用，符号定时同步，载波频率同步，采样钟频率 同步 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t n o w a d a y s ，t e c h n o l o g yc h a n g e se v e r yp a s s e dd a y , a n dt h ed e v e l o p m e n to f c o m m u n i c a t i o na n di n f o r m a t i o nm a d et h ew h o l et e l e v i s i o nb r o a d c a s ti n d u s t r ya n o t i c e a b l ee v o l u t i o n i nm a r c h1 9 9 7 ，t h ee u r o p e 强t e l e c o m m u n i c a t i o ns t a n d a r d s i n s t i t u t e ( e t s i ) r a t i f i e dan e ws t a n d a r df o rt e r r e s t r i a ld i 酉t a lt e l e v i s i o nb r o a d c a s t i n 岛 c a l l e dd v b tt h es t a n d a r dd e s c r i b e st h ev a r j o 璐c h a n n e lc o d i n g , m o d u l a t i o na n d s i g n a l i n gt e c h n i q l l c s ，u s e di no r d e rt op r o v i d ea c c e p t a b l ev i d e oq u a l i t yt ot h eh o m e v i e w e r i ta l s op r o v i d e sp o s s i b i l i t i e sf o rf u t u r ei n t e r a c t i v ea p p l i c a t i o n ss u c ha s h o m e - s h o p p i n g ，b a n k i n g , e j - m a l ls e r v i c e sa n d w e bb r o w s i n go nt h et e l e v i s i o ns e t i no r d e rt oi m p r o v es p e c t r u me f f i c i c ya n db ee f f e c t i v ei nc o p i n gw i t h m u l t i - p a t hf a d i n g , t h ed v b tp r o t o c o lu t i l i z e so r t h o g o 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 ) t e c h n o l o g y h o w e v e r , o f d m i s v e r y s e n s i t i v et o s y n c h r o n i z a t i o no f f s e t , t h ep e r f o r m a n c eo ft h es y n c h r o n i z a t i o na l g o d t h m sa r cv e r y i m p o r t a n ta tr e c e i v e r t h et h e s i sf o c u so nt h ed o w u l i n ks y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h m so f c o n t i n u o u so f d ms y s t e m s ，i n c l u d i n gs y m b o l t i m i n gs y n c h r o n i z a t i o n , e , a e t i e r f r e q u e n c yr e c o v e r ya n ds a m p l i n gc l o c kf r e q u e n c yr e c o v e r y s i g r l a lp h a s ed i s t o r t i o na n di n t e rs y m b o li n t e r f e r e n c e ( i s i ) w i l lb ei n t r o d u c e db y s y m b o lt i m i n ge r r o ri no f d ms y s t e m f r o ms u c ha s p e e l s a ss y m b o lt i m i n g s y n c h r o n i z a t i o ni nt i m ed o m a i n , s y m b o lt i m i n gs y n c h r o n i z a t i o ni nf r e q u e n c yd o m a i n a n ds y m b o la m i n gs c h e m e s , s o m et y p i c a la l g o r i t h m sa r ea n a l y z e d t w ot i | n i n g s c h e m e sa r ep r e s e n t e dw i mam o d i f i e de o a r s y m b o lt i m i n ga l g o r i t h m b o t ho f t h e m h a v ee x c e l l e n tp e r f o r m a n c ea n df i tt od i f f e r e n ta p p l i c a t i o n s c a r r i e rf r e q u e n c yo f f s e ta n ds a m p l i n gc l o c kf r e q u e n c yo f f s e ti no f d ms y s t e m s m a yd e s t r o yt h eo r t h o g o n a l i t yo f 伽 r i e l s ，r e s u l t i n gi ni n t e rc a r t i e ri n t e r f e r e n c e ( i c d w i t hh i g hb i te r r o rr a t e i nt h i sp a p e r , d e c i m a lo a l t i e rf r e q u e n c yo f f s e te s t i m a t i o n , i n t e g e rc a r r i e rf r e q u e n c y o f f s e te s t i m a t i o na n dd e c i m a lc a r r i e r f r e q u e n c ya n d s a m p l i n gc l o c kf r e q u e n c yt r a c k i n ga r ea n a l y z e d d e c i m a lc a r r i e rf r e q u e n c ya n d c o a r s et i m i n ga r e j o i n te s t i m a t i o n ；i th a sg o o dp e r f o r m a n c eu n d e r t w o t i m i n gs c h e m e s i n t e g e rc a r r i e rf r e q u e n c yo f f s e te s t i m a t i o na n dj o i n td e c i m a le a s i e rf r e q u e n c ya n d s a m p l i n gf r e q u e n c yt r a c k i n ga l g o r i t h m sa g es t u d i e d , a n dt h er e l a t e ds i m u l a t i o nr e s u l t s a r e 垂吼 k e yw o r d s ：d v b - t , o f d m , s y m b o lt i m i n gs y n c h r o n i z a t i o n , c a r r i e rf r e q u e n c y s y n c h r o n i z a t i o n , s a m p l i n gc l o c kf r e q u e n c ys y n c h r o n i z a t i o n 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本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，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育 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 签名： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权 保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密 签名； a 斗l 猢彻r 雠 一 嚣 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景及意义 1 1 1 无线通信的发展 无线电通信是利用电磁波在空间传送信息的通信方式。人类采用无线方式 进行通信的历史可以追溯到1 9 世纪末。1 8 6 4 年，英国物理学家麦克斯韦( j c m a x w e l l 。1 8 3 1 1 8 7 9 ) 创造性地总结了人们已有的电磁学知识，预言了电磁波的 存在。1 8 8 7 年，德国物理学家赫兹饵r h e r t z ，1 8 5 7 1 8 9 4 ) 用实验产生出电磁 波，证明了麦克斯韦的预言。1 8 9 7 年，意大利的马可尼( g m a r c o n i ，1 8 7 4 1 9 3 7 ) 和俄国军官波波夫( a s p o p o v ) 首次使用无线电波进行信息传输并获得成功。 1 9 0 1 年，马可尼实现了从英国到纽芬兰的跨大西洋无线电信号接收，这是一次 超过2 7 0 0 公里的远距离通信，充分显示了无线通信的巨大发展潜力。 第二次世界大战以后，电子技术进入了一个飞速发展的时期。首先，2 0 世 纪4 0 年代中后期，随着电子计算机的出现，电子技术开始了一个新的时代；其 次，随着半导体材料技术的突破和广泛应用，集成电路、大规模集成电路、超 大规模集成电路的不断出现，电子产品不断朝着经济化、小型化、个人化、数 字化的方向发展。所有这一切为无线通信走入每个人的生活打下了良好的基础。 从2 0 世纪7 0 年代末到现在的2 0 多年时间里，无线通信系统从第一代发展到第三 代，进入了一个飞速发展的时期。 随着后工业时代的到来和不断的深化，高效的社会生产和高质量的人性化 生活已经成为这个时代的显著特征。“任何人在任何时间、任何地点以任何方式 与任何人”( 简称5 a ) 进行通信的人性化服务成为了人们的追求目标，而现阶段 无线个人通信则是人们实现5 a 的唯一选择。 1 1 2 数字电视地面广播的发展 数字电视( d i g i t a l t e l e v i s i o n , d t v ) ，是从电视节目录制、播出到发射、接收 全部采用数字编码与数字传输技术的新一代电视。它是当今世界最先进的图像 武汉理工大学硕士学位论文 压缩编码技术和数字通信技术的结合，它代表一个国家的科技综合实力，蕴藏 着巨大的市场潜力，在政治、经济和文化各方面对国家的社会生活都有着深远 的意义。因此国际上发达国家和地区的政府、产业和广播者都十分重视有关高 清晰度数字电视的研制工作。 数字电视按信号传输方式可以分为地面无线传输数字电视、卫星传输数字 电视、有线传输数字电视三类，而移动电视是数字电视地面广播( d i g i t a l t e l e v i s i o nt e r r e s t i a lb r o a d c a s t i n g ，d t t b ) 的重要应用。数字电视地面广播在应 用需求上要求实现移动和便携接收的功能，使整个技术系统的要求提高。它具 备无线数字系统所共有的优点，较卫星接收，有实现容易、价格低廉的特点； 较有线接收，不易受城市施工建设、自然灾害、战争等因素造成的断网影响。 数字电视地面广播通过电视台制高点天线发射无线电波，覆盖电视用户，用户 通过接收天线和电视机收看电视节目，主要的受众也是针对本地区的。完善的 数字电视地面广播系统所具备的蜂窝单频网功能，不仅提高了频谱的利用率， 而且可应用于宽带无线接入市场。而移动和便携的独特优势使该系统能满足现 代信息社会“信息到人的要求，也就是无论何人何时在何地均能任意获取他想得 到的信息。 国际电信联盟( i n t e r n a t i o n a lt e l e e o m m u n i c a t i o nu n i t , 1 a - o ) 已批准了三种数 字电视地面传输标准：美国在1 9 9 6 年由高级电视系统委员会( a d v a n c e d t e l e v i s i o ns y s t e m sc o m m i t t e e 。a t s c ) 研发的格形编码八电平残留边带( s - v s b ) 技术，即：a t s c $ - v s b ；欧洲于1 9 9 7 年提出的地面数字视频广播( d i g i t a l v i d e o b r o a d c a s t i n g t e r r e s t r i a l ，d v b - t ) 采用基于编码的正交频分复用( c o d e d 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 , c o f d m ) 技术，即：d v b - tc o f d m ； 日本于1 9 9 9 年提出的地面综合业务数字广播( i n t e g r a t e ds e r v i c e sd i g i t a l b r o a d c a s t i n g t e r r e s t r i a l ，i s d b - t ) 采用o f d m 技术，即：i s d b to f d m 。虽然美 国系统在白噪声性能方面优于欧洲系统，但由于地面广播的信道特征变化剧烈， 而美国标准的单载波系统较欧洲或日本的多载波系统在抵抗多径衰落和多普勒 效应方面较弱，因此其接收实际地面广播信号能力相对于欧洲系统较弱，并且 不适用于移动接收。 从2 0 世纪8 0 年代末开始研制数字电视到现在只有短短不至i j 2 0 年的时间，但 其发展速度之快令人惊异，数字电视地面广播已经达到了实现的阶段。上海于 2 0 0 2 年成为继新加坡之后世界上第二个提供移动电视的城市，主要以公交车辆 2 武汉理工大学硕士学位论文 作为载体。英国是实施d v b t 标准最成功的一个国家，法国、瑞典、西班牙 在实施数字电视地面广播方面也相继获得了成功，阿姆斯特丹的电车公交系统 已试验了移动d v b t 。数字电视地面广播的移动接收已经成为其最具吸引力 的一大卖点。 2 0 0 6 年8 月3 0 号，国家标准管理委员会发布了中国数字电视地面广播传输系 统标准g b 2 0 6 0 0 - 2 0 0 6 数字电视地面广播传输系统帧结构、信道编码和调制， 将于2 0 0 7 年8 月1 日开始实施。这一融合方案包括单载波和多载波两种调制参数， 单载波适合远距离、固定方式的农村地区覆盖，多载波则适合城市环境、移动 方式的传输，各地将根据自身业务的特点自主选择其中任一种方案。 1 2 国内外研究现状及动态 欧洲的数字视频广播规划始于1 9 9 3 年，1 9 9 6 年3 月e t s i 公布了d v b t 标准草 案，并于1 9 9 7 年3 月公布了d v b - t 标准 i l ，以后曾多次修订，进行不断的完善和 提高。2 0 0 4 年1 1 月，e t s i 批准手持地面数字视频广播( d i g i t a lv i d e ob r o a d c a s t i n g h a n d h e l d ，d v b h ) 作为欧洲的移动电视标准，这是d v b 组织为通过地面数字 广播网络向便携手持终端提供多媒体业务所制定的传输标准。d v b - h 作为 d v b - t 的扩展应用，与d v b - t 相比，d v b h 终端具有更低的功耗，移动接收和 抗干扰性能更为优越的特点。 目前全球已有5 9 个国家和地区已使用或采用d v b t 标准，除了欧洲国家外， 还包括：澳大利亚、新西兰、巴西、新加坡等国。从整体应用情况来看，d v b t 技术已经非常成熟。除t d v b t 标准中定义的莱斯信道和静态瑞利信道【l 谰于基 带传输系统性能测试外，由欧洲信息与通信技术产业协会( e u r o p e a ni n f o r m a t i o n & c o m m u n i c a t i o n st e c h n o l o g yi n d u s t r ya s s o c i a t i o n , e i c t a ) 下属的技术事务委 员会( t e c h n i c a l a f f a i r sc o m m i t t e e ，t a c ) 所制定的m b r a l l 2 1 ，是对d t v 终端特别 是i pd a t a e a s t 的最低性能要求，而n o r d i g 组织则针对北欧地区制定了一系列的 d t v 通用平台标准【3 l 。新标准中更加苛刻的多径信道环境意味着对接收机接收性 能的更高要求，也就意味着对d v b t 中各项关键技术的更高要求。这就向作为 d v b t 接收机关键技术之一，也是整个接收机工作之基础同步的性能提出 了更高的要求。 d v b t 系统作为一种连续传输模式o f d m 系统，只有下行链路传输。其在时 武汉理工大学硕士学位论文 域对每个符号插入循环前缀( c y c l i cp r e f l x , c p ) 用于时域符号定时同步，此类 o f d m 系统的符号定时同步的经典算法为基于滑动相关的最大似然( m a x i m u m l i k e l i l o o d , m l ) 算法【4 】，之后又出现了最小均方误差法( m i n i n l u l l lm e a n - s q u a r e d e r r o r , m m s e ) 算法1 5 】【6 】和基于m l 算法的改进算法：最大相关( m a x i m u m c o r r e l a t i o n , m o 算法( 1 及双相关算法( 8 1 。由于m l 算法、m m s e 算法和m c 算法 均基于a w g n 信道模型，在多径信道下，它们估计的是信道包络的能量中心， 无法检测出无i s i 区域的中心位置作为f f t 窗的起始位置，所以，都需要频域符号 定时同步的支持。而双相关算法基于多径信道的第一根径为最强径的假设，应 用范围有限。r a m a s u b r a m a n i a n 和b a u m 提出了基于集相关的符号定时算法唧，它 可以准确提取出循环前缀中的无i s i 区域，只是估计精度与用于估计的符号数有 关，使得符号定时同步时间过长。以上所述算法均为符号定时与小数倍频偏联 合估计。 d v b t 在频域插入导频信号用于频域符号定时同步、整数倍频率偏移估计、 小数倍频率和采样钟频率跟踪。频域符号定时同步主要有提取相位信息【l o 】和提 取信道冲激响应( c h a n n e li m p u l s er e s p o n s e ，c m ) 信息【l l 】【1 2 】两种方法：前者对 时域符号定时精度要求过高，对于n o r d i g 定义的长时延单回波信道基本无能为 力；后者对时域符号定时精度有一定限制，若要取消限制，则需要继续采用更加 高级的后续算澍”】【1 4 l 做进一步处理。整数倍频率偏移估计的基本思想为差分检 测嘲。小数倍频率和采样钟频率跟踪则利用子载波旋转特性进行检测【“】【1 2 】【阚。 1 3 课题研究工作及论文主要内容 1 3 1 课题研究工作 o f d m 技术具有良好的抗多径能力，从而受到大量关注。目前o f d m 作为 核心技术已被多种接入标准采纳，如d a b 、d v b t 、8 0 2 1 l a 、8 0 2 1 6 a 掣1 7 1 8 】。 相对于单载波系统，o f d m 系统只需要一个简单的均衡器，但其对同步误差却 异常敏感。本课题的主要研究内容即为d v b - t 系统的同步算法，具体包括符号 定时同步、载波频率同步和采样钟频率同步。如何将现有的o f d m 同步算法应 用到d v b t 系统中，并在各种苛刻的信道环境下达到性能要求，将是本课题的 主要研究工作。 4 武汉理工大学硕士学位论文 具体技术路线为： 1 3 2 论文主要内容 图1 - 1 技术路线 论文主要研究了基于d v b t 标准的c o f d m 系统的同步算法，包括符号定 时同步，载波频率同步以及采样钟频率同步等。全文分六章，各章内容简介如 下： 第一章，绪论。 这一章首先介绍了无线通信及数字电视地面广播的发展，然后介绍了 d v b t 及其同步技术的发展现状及动态。 第二章，无线信道特性和o f d m 技术基础。 这一章首先介绍了无线信道的传播特性：衰减性、多径效应和时变性。然 后介绍了o f d m 技术的发展历程和基本原理，重点放在o f d m 系统子载波的正 交性和利用i f f t f f t 实现o f d m 符号的调制和解调，还包括循环前缀特性，最 后讨论了o f d m 的关键技术及其优缺点。 武汉理工大学硕士学位论文 第三章，d v b t 基带系统建模与仿真实现方法。 这一章首先介绍了d v b t 系统物理层规范，包括系统结构、系统参数和帧 结构。然后就仿真平台的c 实现进行设计，对信号传输模型和存在多普勒扩展 的瑞利信道的实现方法进行了详细的论述，同时还介绍了载波频率偏移模型和 采样钟频率偏移模型的实现方法。 第四章，定时同步算法与仿真分析。 这一章首先分析了定时偏差对o f d m 系统性能的影响，然后介绍和分析了 常用的符号定时同步算法，包括时域算法和频域算法，在对m c 算法进行改进 后，形成了两套定时方案并给出仿真结果和性能对比。 第五章，频率同步算法与仿真分析。 这一章首先介绍了载波频率偏移和采样钟频率偏移对o f d m 系统性能的影 响，接着介绍分析了载波频率同步算法和采样钟频率同步算法，最后给出了仿 真结果和性能分析。 第六章，结论与展望。 这一章总结了本文的研究工作和研究成果，并给出了下一步研究的目标。 6 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章无线信道特征和o f d m 技术基础 2 1 无线信道特征 无线信道中的信号传输所经历的环境是非常复杂的，其传输过程受到发射 机和接收机间的复杂地形、移动物体和空气温度、湿度以及它们的变化特性的 影响，呈现许多不稳定的传输损伤。信号在无线发射机和接收机间传播过程可 能经历的传播机制包括直射、反射、衍射和散射，而且由于信道本身的随机性， 各种机制在传输中的地位也是随机的。此外，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。无线信道对传输信号的影响可以表现 为以下几个方面：衰减作用、多径效应及时变性【1 9 1 2 0 。 2 1 1 衰减作用 无线信道对信号的衰减作用使接收信号的功率减小。它由传输路径的长度、 直达信号路径中的障碍情况决定，任何阻挡在发射机和接收机之间的障碍都会 引起信号功率的衰减。无线通信中的衰减作用体现在以下3 个方面： ( 1 ) 路径损耗 无线电波在自由空间内传输，其信号功率会随着传播距离的增加而减小，这会 对数据速率以及系统的性能带来不利影响。最简单的路径损耗模型可以表示为： 上= 鲁= k 去d ( 2 1 ) 只 7 、 其中只表示本地平均发射信号功率，耳表示接收功率，d 是发射机与接收 机之间的距离。对典型环境来说，路径损耗指数y 一般在2 到4 中选择。由此可 以得到平均的信号噪声比( s i g n a l t o n o i s e r a t i o ，s n r ) 为： 舢2 鸶二( 2 - 2 dj r 0 b ) 只 7 其中是单边噪声功率谱密度，口是信号带宽，x 是独立于距离、功率和 带宽的常数。如果为保证可靠接收，要求s n r _ _ s n r o 。其中s n r d 表示信噪比门 7 武汉理工大学硕士学位论文 限，则路径损耗会给比特速率带来限制： b s堡(2-3) d ，0 s n r o 以及对信号的覆盖范围也会带来限制： ，、三 d - -0,r-0t 刖：j 砉e 可厶( 争( 2 1 1 ) t o ， b c 时，信号经过无线信道受到频率选择性衰落。此时信道冲激 响应随输入频率的不同而产生变化，对发送信号进行频率滤波，不同频率分量 衰落幅度不同，频率上接近的分量衰落也接近，否则衰落相差很大。频率选择 性衰落是由信道中发送信号的时间色散引起的，这样，信道会引起信号的i s i 。 而当发送信号的带宽b , h a l ) 和快衰 落信道( 毋 b d ) 。 ( 3 ) 相干时间 与多普勒扩展相对应的一个时间参量是相干时间疋，它在时域描述信道的 频率色散的时变特性。相干时间与多普勒扩展成反比，它是信道冲激响应维持 不变的时间间隔的统计平均值。换言之，相干时间就是指一段时间间隔，在此 间隔内，接收信号的幅值具有很强的相关性。如果基带信号的符号周期瓦大于 信道的相干时间，则在基带信号的传输过程中信道可能会发生改变，导致接收 信号发生失真。相干时间的一种定义方法为： r 。0 4 2 3( 2 1 7 ) 。 厶 同样，也可以根据基带信号的符号周期和瓦的关系，将信道分为慢衰落 信道( 瓦 t d ) 。 2 2o f d m 技术基础 o f d m 是一种多载波调制方式，其基本思想是把高速率的信源信息流通过 串并变换，变换成低速率的路并行数据流，然后将这路数据流分别调制到 个相互正交的子载波上，最后将路调制后的信号相加即得发射信号。 从频域上观察，o f d m 技术将所给信道分成个正交的子信道，在每个子 信道上使用一个子载波进行调制，并且这个正交的子载波并行传输，即用多 个窄的正交子带的和占据了整个分配的信道。尽管总的信道是具有频率选择性， 但是每个子信道则是相对平坦的，并且在每个信道上进行的是窄带传输，信号 带宽小于信道相干带宽，这样，o f d m 技术便可以克服信道的频率选择性衰落。 另一方面，子载波之间相互正交，则可以有效利用带宽，大大提高了系统的容 量。 从时域上观察，o f d m 采用并行方式传输多个符号可以相应的增加码元的 持续时间，最大限度地减轻由无线信道的多径时延扩展所产生的时间弥散性。 同时，为了避免o f d m 符号之间的符号干扰，在o f d m 符号之间插入循环前缀 作为保护间隔( g u a r di n t e r v a l ，g d ，消除由于多径效应而引起的i s i ，而且能避 免在多径信道环境下因保护间隔的插入影响子载波间的正交性。 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 1o f d m 技术发展历程 多载波调制( m u l t i c a r r i e rm o d u l a t i o n ，m c m ) 本质上是一种频分复用 ( f r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x , f d m ) 技术，而o f d m 是多载波传输方案的实现 方式之一。其它的多载波调制方式，如矢量变换方式、采用滤波器组的滤波多 音方式等，于o f d m 相比，实现复杂度相对较高，因而在实际系统中很少采用。 f d m 技术早在1 9 世纪以前就已经被提出，它将独立产生的各个窄带信号分 配到不同的频带上进行传输，在接收端利用滤波器进行分离。由于滤波器边带 的限制每个子载波上的频谱之间必须有一段间隔，所以频谱效率通常很低。为 了提高f d m 技术的频谱利用率，ga d o e l z 等在2 0 实际5 0 年代提出了k i n e p l e x 系统，它的实现方式几乎和现代的o f d m 一样，但系统仍采用了传统的多载波 调制系统实现方式。 为了限制频谱，i 乙砒c h a n g 在2 0 世纪6 0 年代提出在一个没有i c i 和i s i 的带宽受限的信道上同时传输多路比特流。s b w e i n s t e i n 和p m e b e r t 提出了 使用离散傅立叶逆变换( i n v e r s ed i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o r m ，m f t ) 和离散傅立 叶变换( d i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o r m , d f d 来实现基带调制和解调。随之有人提 出使用快速傅立叶逆变换( i n v e r s ef a s tf o u r i e rt r a n s f o r m , i f f t ) 和快速傅立叶 变换( f a s tf o u r i e rt r a n s f o r m , f f n 来对信息数据进行调制和解调。 另外，w e i n s t e i n 等提出了通过一段空白区作为保护间隔来消除i s i ，但这种 办法不能保证信号经过色散信道后各子载波仍然保持正交，为此，a p e l e d 和 a r u l z 提出了采用循环前缀的方法保证信号经过色散信道后仍然保持各子载波 间的正交性。至此，现代o f d m 的概念便形成y t l7 】【1 8 】。 o f d m 调制是将数据比特通过星座映射后得到的数据符号调制到若干个相 互正交的子载波上。在数据符号进行o f d m 调制以前需要将串行的数据符号变 为并行的，o f d m 调制后再迭加起来变为串行的。o f d m 解调则是先获取子载 波上承载的数据符号，再将符号变为串行。 如果表示子信道的个数，r 表示o f d m 符号宽度，函o = 0 ，1 ，n - 1 ) 是 分配给每个子信道的数据符号，五是载波频率，则从t = 开始的o f d m 符号可 以表示为： 武汉理工大学硕士学位论文 = r e f 羔qd , + ，- - n 2 肋e x 杠( 正一半卜卅- u ”r l 通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： j ( f ) = 以，2 e x 叫，2 ，r 睾( r 一，) i f ，f l + r ( 2 - 1 9 ) 其中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。图2 _ 4 给出了o f d m 系统调制和解调框图，图中假定岛= 0 。 e x p ( - i x n t t ) e x p ( 1 l f c ，n 生如叠昏 土 廿 遗臣卜 井，串 串，井 吨扣 e x l x i ，( * - 2 ) t t )唧j ，o 卜2 ) t m 虫叫b菇昏 图2 - 4o f d m 系统的调制与解调 o f d m 调制要求子载波间完全正交，所以每个子载波在一个o f d m 符号周 期内包含整数个符号周期l 而且各个相邻子载波之间相差1 个周期。相邻子载 波的频率问隔是o f d m 符号周期t 的倒数，即：a f = 1 t 子载波的正交性可以表示为： r e 帆f ) e x p ( 讽触= 器= ( 2 珈) 如式( 2 - 2 1 ) 对第_ ，个子载波进行解调，在时间长度t 内进行积分，可以恢 复出期望符号西，而对于其它载波来说，由于积分间隔内，频率差p - 丁可以 产生整数倍个周期，所以其积分结果为零。 匆= ；r 萎1 。- 1 巩e x p 协t 训。酬2 万手( f 一) ) 出 = 7 11 刍。- 1 也f ”酬2 石孚，渺( 2 - 2 1 ) = 以 这种正交性还可以从频域角度来理解。根据式( 2 1 8 ) ，每个o f d m 符号在 其周期t 内包括多个非零子载波，因此其频谱可以看作是周期为r 的矩形脉冲 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 的频谱与一组位于各个子载波频率上的j 函数的卷积。矩形脉冲的频谱幅值为 s i n e ( t t ) i 函数，这种函数的零点出现在频率为1 t 整数倍的位置上，这种现象可 以参见图2 5 ，图中给出相互覆盖的各个子信道内经过矩形波形成型得到的符号 的s i n e 函数频谱。在每一个载波频率的最大值处，所有其它子信道的频谱值恰 好为零。由于在对o f d m 符号进行解调的过程中，需要计算每个子载波上取最 大值的位置所对应的信号值，因此可以从多个相互重叠的子信道符号频谱中提 取出每个子信道符号，而不会受到其它子信道的干扰。由图2 - 5 可以看出，o f d m 符号的频谱实际上可以满足无符号间干扰的奈奎斯特准则，而传统的奈奎斯特 准则是在时域上保证前后发送符号之间无干扰影响【2 l 】，但在此处指的是在频域 中各子信道上不存在干扰，这种消除子信道间干扰的方法是通过在时域中使用 矩形脉冲成型，在频域中每个子载波的最大值处取样来实现。 一、 v v v 锨叭厌柳一、 图2 - 5o f d m 信号中各子载波的频谱 式( 2 1 9 ) 所描述的o f d m 系统的实现需要大量的正弦波发生器、滤波器、 调制器及相干解调器，因此所需的设备比较复杂。2 0 世纪9 0 年代人们提出了采 用d f r 来实现多个载波的调制。随着数字信号处理技术的飞速发展，可以采用 i f f t 技术实现，大大降低了o f d m 技术实现的复杂程度，使得o f d m 技术越 来越广泛的应用在各种移动通信系统中。 令式( 2 1 9 ) 中的岛= 0 ，t = k t n 他= 0 ，1 ，n - 1 ) ，可以得到： j ( 的= j ( k t i , v ) = 艺吐e x p 【j 2 m 矿c il o 七墨一l ( 2 2 2 ) 1 7 武汉理工大学硕士学位论文 上式中，s 即为函的i d f t 运算。在接收端，为了恢复出原始的数据符号 函，可以对s 进行d f t 变换，得到： 如艺s ( k ) e x 4 一，百2 n k i o i s n l ( 2 - 2 3 ) k = 0 、1 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。其中每一个i d f t 输出的数据符号都是由所有子载波信号经过迭加而生 成的，即对连续的多个经过调制的子载波的迭加信号进行采样得到的。在o f d m 系统的实际应用中，采用更加方便快捷的i f f l 旧盯来实现调制解调，可以显著 地降低运算的复杂度。 在o f d m 系统中，为了最大限度地消除i s i ，在每个o f d m 符号之间插入 保护间隔，并且保护间隔长度一般要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，即使一段空闲的传输时段。然而在这种情况，由于多径传播的影 响，会产生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。 为了消除由于多径传播造成的i c i ，一种有效的方法是将原来的o f d m 符号 进行周期扩展，用扩展信号来填充保护间隔。将保护间隔内的信号称为循环前 缀，见图2 - 6 ，可以看出，循环前缀中的信号与o f d m 符号尾部的信号相同。在 o f d m 符号内加入循环前缀可以保证在一个f f t 周期内，o f d m 符号的时延副 本所包含的波形周期个数也是整数，这样，时延小于保护间隔的时延信号就不 会在解调过程中产生i c i 。 _ 丽环丽i o f d m 符号长度 图2 - 6o f d m 符号的循环前缀 采用i f f t f f t 和保护间隔的o f d m 系统框图如图2 7 示。 武汉理工大学硕士学位论文 窭堑e 囹吨墨t 图2 7 加入保护间隔，利用i f f 聊f t 实施的o f d m 系统框图 2 2 3o f i ) m 中的关键技术 o f d m 系统需要解决的关键问题包括以下几个方面： ( 1 ) 同步技术 o f d m 系统中的同步包括定时同步和频率同步两部分。定时同步又包括符 号定时同步和采样定时同步，目的是为了区分每个o f d m 符号块的边界；频率 同步又包括载波频率同步和采样频率同步，前者的目的是为了实现接收信号的 相干解调，后者是为了使接收端的采样时刻与发送端完全一致。与单载波系统 相比，o f d m 系统对同步精度要求更高，同步偏差会引起i s i 和i c i 。 在o f d m 系统中，为了有效利用有限的数据获得更加准确的同步，般可 以把同步过程分为两个阶段：捕获( a c q u i s i t i o n ) 阶段和跟踪( t r a c k i n g ) 阶段。 捕获阶段主要针对各偏差变量相对稳定部分( 即均值) 的同步，而跟踪阶段主 要针对各变量随机变化部分所引起的抖动，需要对它们随时进行调整，以获得 更高精度的同步。 为了获得较好的同步性能，捕获阶段又可进一步细分为两种模式，即粗 ( c o a r s e ) 同步和精( f i n e ) 同步。在粗同步模式中，将各偏差的较大初始偏差 减小到一个较小范围内，如精同步的范围内，但不要求完全实现精确的同步。 在精同步模式中，将各偏差变量的剩余误差进一步减小，以达到系统所要求的 估计精度。如果偏差都可以表示成整数和小数之和的形式，那么粗同步就是就 是对整数部分的估计，而精同步则是对小数部分的估计。 ( 2 ) 信道估计 信道估计是通过估计方法预先获知信道的频谱特性，以实现接收信道的正 确解调。信道估计的方法有很多，在无线通信中，一般采用插入导频的方法进 行信道估计，设计导频图案和性能好、复杂度低的信道估计算法是重点。