（通信与信息系统专业论文）ofdm系统中的定时频率同步技术.pdf

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：查塑型 日期：矽i ? 12 9 ，f 关于学位论文使用授权的声明 1 11 1 1 1itl 0 4 3 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：奎亟型导师签名：期：兰! 生竺竺jf 、 1 一 摘! i l e 1 j f l j j i s t r a c t 3 符号说明5 第一章引言7 1 1 研究背景7 1 2 研究现状一8 1 3 论文的主要工作和章节安排。9 第二章o f d m 传输技术l o 2 1o f d m 系统的基本原理1 0 2 1 1o f d m 系统的调制与解调1 0 2 1 2o f d m 系统的d f t 实现1 2 2 1 3 循环前缀1 3 2 1 4o f d m 的系统框图一1 5 2 2o f d m 系统的关键技术1 6 2 3o f d m 系统的优缺点l8 2 3 1o f d m 系统的优点18 2 3 2o f d m 系统的缺点18 2 4 本章小结1 9 第三章o f d m 系统的定时频率同步技术2 0 3 1o f d m 同步2 0 3 2o f d m 数学模型2 l 3 3o f d m 系统的载波频率同步技术2 2 3 3 1 载波频率偏差对o f d m 系统的影响2 2 3 3 2 载波频率同步算法概述2 5 3 4o f d m 系统的符号定时同步技术2 9 3 4 1 符号定时偏差对o f d m 系统的影响2 9 山东大掌硕士学位论文 3 4 2 定时同步算法概述3 3 3 5 定时和频率联合同步技术3 4 3 6 本章小结3 5 第四章突发o f d m 系统的同步技术研究3 6 4 1 突发o f d m 系统的频率同步算法3 6 4 1 1s c h m i d l 方法【2 5 1 3 6 4 1 2s o n g 方法【2 7 1 一3 7 4 1 3m & m 方法【2 6 l 。3 9 4 2 改进的适用于突发o f d m 系统的频率同步算法4 0 4 2 1 算法原理4 l 4 2 2 仿真结果和性能分析4 5 4 3 突发o f d m 系统的定时和频率联合同步算法5 1 4 3 1s c h m i d l 同步算法【2 5 1 5 1 4 3 2g u o 同步算法【3 6 1 一5 2 4 3 3 改进的定时和频率联合同步方案5 2 4 4 本章小结5 8 第五章总结与展望5 9 5 1 论文的主要贡献5 9 5 2 展望5 9 参考文献一6 l 致谢6 7 攻读硕士学位期间的研究成果6 8 n 2 1 2d f t i m p l e m e n t a t i o no f o f d ms y s t e m s 1 2 2 1 3c y c l i cp r e f i x 13 2 1 4b l o c kd i a g r a mo fo f d ms y s t e m s 15 2 2k e y t e c h n i q u e s o fo f d m s y s t e m s 16 2 3a d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so fo f d ms y s t e m s 18 2 3 1a d v a n t a g e s 18 2 3 2d i s a d v a n t a g e s 18 2 4s u m m a r y 19 c h a p t e r3t i m i n g f r e q u e n c ys y n c h r o n i z a t i o nt e c h n i q u e f o ro f d m s y s t e m s 2 0 3 1s y n c h r o n i z a t i o no f o f d ms y s t e m s 2 0 3 2m a t h e m a t i c a lm o d e lo f o f d ms y s t e m s 2 1 3 3c a r d e rf r e q u e n c ys y n c h r o n i z a t i o nt e c h n i q u e 2 2 3 3 1i m p a c to f c a r r i e rf r e q u e n c yo f f s e te r r o r 2 2 3 3 2f r e q u e n c ys y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h m s 2 5 3 4t i m i n gs y n c h r o n i z a t i o nt e c h n i q u e 2 9 3 4 1i m p a c to f t i m i n ge r r o r 2 9 3 4 2t i m i n gs y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h m s 3 3 1 1 1 3 5j o i n tt i m i n ga n df r e q u e n c ys y n c h r o n i z a t i o nt e c h n i q u e 3 4 3 6s u m m a r y 3 5 c h a p t e r 4r e s e a r c ho ns y n c h r o n i z a t i o ni nb u r s to f d ms y s t e m s - 3 6 4 1f r e q u e n c ys y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h m sf o rb u r s to f d ms y s t e m s 3 6 4 1 1s c h m i d l sa l g o r i t h m 2 5 1 3 6 4 1 2s o n g sa l g o r i t h m 叨。3 7 4 1 3m & m sa l g o r i t h m 2 6 1 3 9 4 2i m p r o v e dt r a i n i n gs y m b o lb a s e df r e q u e n c ys y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h m 4 0 4 2 1p r i n c i p l e s 4 1 4 2 2s i m u l a t i o nr e s u l t sa n da n a l y s i s 。4 5 4 3j o i n tt i m i n ga n df r e q u e n c ys y n c h r o n i z a t i o nf o rb u r s to f d ms y s t e m s 5 1 4 3 1s c h m i d l sa l g o r i t h m t 2 s 】5 1 4 3 2g u o sa l g o r i t h m t 3 6 1 5 2 4 3 3i m p r o v e dt i m i n ga n df r e q u e n c ys y n c h r o n i z a t i o ns c h e m e 5 2 4 4s u m m a r y 5 8 c h a p t e r 5c o n c l u s i o n sa n df u t u r ew o r k 5 9 5 1c o n c l u s i o n s 一5 9 5 2f u t u r ew o r k 5 9 r e f e r e n c e s 一6 1 a c k n o w l e d g e m e n t s 6 7 r e s e a r c ! ha c i l i e v e m 饥t s 6 8 i v 一 多径衰落特性， 受到人们的广泛关注，并且已被应用于数字音频广播( d a b ) 、数字视频广播( d v b ) 和非对称数字用户线( a d s l ) 系统等领域。作为一种多载波调制技术，o f d m 对定 时和载波频率偏差非常敏感，因此进行精确的定时和频偏估计极为重要。 近年来，人们提出了很多适用于突发o f d m 系统的频率同步方法。这些方法大 都是基于训练符号的频率同步算法。对于突发o f d m 系统来说，接收端要求同步操 作能够快速、准确地进行，因此，突发o f d m 系统要求使用的训练符号个数要少， 频率同步算法的估计精度要高，估计范围要大。针对这些要求，人们提出了很多 改进的算法，但是这些算法都有其不足之处：有的算法使用的训练符号个数较多， 影响了突发系统的传输速率；有的算法虽然提高了频偏估计精度，但是估计范围 有限；有的算法虽然扩大了频偏估计范围，但估计精度没有提高。针对这些问题， 本文提出了一种改进的基于单个训练符号的频率同步方案。在该方案中，通过综 合利用训练符号中相同重复模块的相关性和循环前缀与训练符号中第一个模块对 应位置的相关性得到时域的细频偏估计，明显提高了频偏估计精度；通过峰值检 测得到频域的粗频偏估计，使频偏估计范围扩大到整个信号带宽。仿真表明，在 多径衰落信道下，尤其是在低信噪l l ( s n r ) 下，算法的估计精度有了明显的提高， 并且当信噪比达至l j l 2 d b 时，该方法可以使剩余频偏限制在子载波间隔的2 以内。 另外，许多频率同步算法只考虑频率同步( 假设定时同步良好) ，而o f d m 系 统中的定时同步和频率同步是相互影响的，因此需要设计定时和频率的联合同步 算法。目前，很多联合同步方法已经被提出，但是由于训练符号本身的结构问题， 总是会影响到定时或者频率同步的精度。针对这个问题，本文提出了一种改进的 定时和频率的联合同步方法。在该方法中，设计了一个新的训练符号，既具有前 后相等性，又具有共轭对称性。通过利用时域训练符号中相同重复模块前后对称 相关这一特性，将定时位置锁定在一段平顶的区域，然后在这段平顶区域，利用 时域训练符号的共轭对称性完成定时估计。频率同步通过提取时域训练符号中相 同重复模块的相位旋转得到。仿真表明，在多径信道下，该方法可以同时达到精 山东大学硕士学位论文 度较高的定时同步和频率同步。 关键词：正交频分复用，循环前缀，同步，训练符号 2 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 yd i v i s i o nm u l t i p l e x ( o f d m ) h a sd r a w nm u c ha t t e n t i o nf r o m r e s e a r c h e r sa l lo v e rt h ew o r l d ，d u et oi t sg o o da b i l i t yi nc o m b a t i n gm u l t i p a t hf a d i n g a n dh i g hs p e c t r a le f f i c i e n c y i th a sb e e na l r e a d yw i d e l ya p p l i e di nd i g i t ma u d i o b r o a d c a s t i n g ( d a b ) ，d i s t a l v i d e ob r o a d c a s t i n g ( d v b ) ，a n da s y m m e t r i cd i g j 【t a l s u b s c r i b e rl i n e ( a d s l ) ，a n ds oo n a so n eo fm u l t i c a r r i e rm o d u l a t i o nt e c h n i q u e s ， o f d mi sv e r ys e n s i t i v et ot i m i n ga n dc a r r i e rf r e q u e n c yo f f s e te r r o r ，8 0t i m i n ga n d f r e q u e n c ys y n c h r o n i z a t i o nf o ro f d ms y s t e m si sv e r yi m p o r t a n t r e c e n t l y , m a n yt r a i n i n gs y m b o l - b a s e dc a r t i e rf r e q u e n c ys y n c h r o n i z a t i o ns c h e m e s h a v eb e e n p r o p o s e d f o rb u r s to f d ms y s t e m s i nb u r s to f d ms y s t e m s ， s y n c h r o n i z a t i o ns h o u l db ef a s ta n da c c u r a t e , a n dt h e r e f o r et h en u m b e ro f 扛a i n i n g s y m b o l se m p l o y e ds h o u l db el e s s ，a n dh i g hf r e q u e n c yo f f s e te s t i m a t i o na c c u r a c ya n d l a r g ee s t i m a t i o nr a n g ea r er e q u i r e d m a n yp r o p o s e ds c h e m e sh a v es h o r t c o m i n g s f o r e x a m p l e ，s o m es c h e m e se m p l o ym o r et r a i n i n gs y m b o l s ，r e s u l t i n gi n l o w e rd a t a t r a n s m i s s i o nr a t e f r e q u e n c yo f f s e te s t i m a t i o na c c u r a c yo fs o m es c h e m e si sh i g h ，b u t t h ee s t i m a t i o nr a n g ei sl i m i t e do rt h ec o m p u t a t i o n a lc o m p l e x i t yi sh i g h o t h e rs c h e m e s e n l a r g et h ee s t i m a t i o nr a n g e ，b u tf r e q u e n c yo f f s e te s t i m a t i o ni sn o tv e r ya c c u r a t e i n t h i sp a p e r , w ef o c u so nt h ec r i t i e rf r e q u e n c ys y n c h r o n i z a t i o ni nb u r s to f d ms y s t e m s a n dt h e na ni m p r o v e dt r a i n i n gs y m b o l - b a s e dm e t h o df o rf r e q u e n c yo f f s e te s t i m a t i o n w a sp r o p o s e d i no u rs c h e m e ，b o mt h et m i n i n gs y m b o la n dt h ec y c l i cp r e f i xw e r eu s e d t oo b t a i nt h ef i n ef r e q u e n c yo f f s e te s t i m a t i o ni nt i m ed o m a i n ，a n dt h ec o a r s ef r e q u e n c y o f f s e te s t i m a t i o nw a sa c c o m p l i s h e di nf r e q u e n c yd o m a i nb yp e a kd e t e c t i o n s i m u l a t i o n r e s u l t ss h o wt h a t ，i nm u l t i p a t hf a d i n gc h a n n e l ，t h ef r e q u e n c yo f f s e te s t i m a t i o na c c u r a c y i si m p r o v e ds i g n i f i c a n t l yw h i l et h ee s t i m a t i o nr a n g ei se n l a r g e dt ot h eo v e r a l ls i g n a l b a n d w i d t h m e a n w h i l e , t h er e s i d u a lf r e q u e n c yo f f s e tc a nb er e s t r i c t e dw i t h i n2 o ft h e s u b c a r r i e rs p a c i n g , i fs n rr e a c h e s12 d b 3 山东大学硕士学位论文 m o r e o v e r , m a n yf r e q u e n c ys y n c h r o n i z a t i o ns c h e m e so n l yc o n s i d e rt 匿e q u e n c y s y n c h r o n i z a t i o ni nt h er e c e i v e r ( a s s u m i n gg o o dt i m i n gs y n c h r o n i z a t i o n ) h o w e v e r , i n o f d ms y s t e m s ，t i m i n gs y n c h r o n i z a t i o na n df r e q u e n c ys y n c h r o n i z a t i o na l w a y s i n f l u e n c ee a c ho t h e r , a n dt h e r e f o r ej o i n tt i m i n ga n df r e q u e n c ys y n c h r o n i z a t i o ni s n e e d e d t oa d d r e s st h i sr e q u i r e m e n t ，p e o p l eh a v e p r e s e n t e d al o to fj o i n t s y n c h r o n i z a t i o nm e t h o d s b u tt h es n l j c t i h eo ft h et r a i n i n gs y m b o la l w a y sa f f e c t st h e c p d a d a b d f r d v b e s p r i t e t s l f f r g i i c i m u l t i p l e x i n g c y c l i cp r e f i x d a t 铲a i d e d d i g i t a la u d i ob r o a d c a s t i n g d i g i t a lv i d e ob r o a d c a s t i n g e s t i m a t i n gs i g n a lp a r a m e t e r sv i ar o t a t i o n a l i n v a r i a n c et e c h n i q u e s 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 s i n s t i t u t e f a s tf o u r i e rt r a n s f o r m g u a r di n t e r v a l 循环前缀 数据辅助 数字音频广播 离散傅立叶变换 数字视频广播 借助旋转不变技术的参 数估计法 欧洲电信标准协会 快速傅立叶变换 保护间隔 信道间干扰 5 山东大学硕士学位论文 矗 和模拟技术，包括模拟蜂窝和无绳电话系统。随着数字通信技术的发展和用户对 高质量无线通信的要求，通信系统的发展进入了以数字通信技术为代表的第二代 无线通信系统( 2 g ) ，主要包括了数字蜂窝系统、个人通信业务系统和无线数据网络 系统。第二代移动通信系统主要是为支持话音和低速率的数据业务而设计的。但 随着人们对通信业务范围和业务速率要求的不断提高，已有的现代通信网很难满 足新的业务需求，第三代移动通信系统( 3 g ) 已经逐步在全球范围内进入实施阶段。 目前3 g 的三大主流技术标准是w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 和t d s c d m a 。其中 w c d m a 和c d m a 2 0 0 0 已经开始在全球市场上推广，t d s c d m a 作为中国自己提 出的3 g 标准，也已经在技术、设备等方面做了许多工作，并投入了试验网络。虽 然从技术角度来说，3 g 的主流技术已经成熟，但是3 g 也存在一些缺陷，如不能 满足多媒体、视频等高速通信的需要；很难进行网络间漫游；主流技术不适合 i n t e m e t 的发展，不能有效利用i p 承载业务。 为了有效解决上述问题，丌u 开始将目光投向能提供更高无线传输速率和全m 网络平台的下一代移动通信标准b 3 g ( b e y o n d3 g ) ，已经分别制订了以移动通信长 期演进为主要议题的l t e 和a i e 计划。 目前，人们虽然还无法对b 3 g 通信进行精确定义，但人们希望b 3 g 应具有更快 的无线通信速度。b 3 g 能有效解决3 g 移动无线接入网络的空中接口标准不统一这 一致命缺点，b 3 g 采用统一的i p 核心网，可以为不同国家和地区中接入方法和速率 不同的各种各样的接入网提供服务。此外，b 3 g 应为开放式结构，以使增值服务的 开发简单，减小投资成本。从现有的研究领域看，b 3 g 技术主要集中在以下方面： l 、新的调制与传输技术； 2 、智能天线技术； 3 、m i m o 技术； 7 山东大学硕士学位论文 4 、软件无线电技术； 5 、 具有多功能的终端技术； 6 、下行高速分组交换数据传输技术。 为支持如此之高的数据速率，需要系统具备良好的健壮特性，以弥补无线信 道的损耗，因此需要仔细的选择调制方案，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 ) 就是一种备受关注的候选方案之一。 o f d m 是一种特殊的多载波传输方案，它既可以看作是一种调制技术，也可 以看作是复用技术。欧洲电信标准协会( e t s i ) 于1 9 9 5 年制定 d a b 标准【，这是第 一个使用o f d m 的标准。接着在1 9 9 7 年，基于o f d m 的d v b 标准也开始投入使用【2 1 。 在a d s l 应用中，o f d m 被成功的用于有线环境中，实现了在1 m h z 带宽内提供高 达8 m b s 的数据传输速率f 3 】【4 】。1 9 9 8 年7 月，经过多次修改之后的i e e e 8 0 2 1 l 标准 决定选择o f d m 作为w l a n ( 工作于5 g h z 波段) 的物理层接入方案【5 1 ，目标是提 供6 m b s 一5 4 m b s 数据速率，这是o f d m 第一次被用于分组业务通信当中。随后 e t s i 、b r a n 也纷纷采用o f d m 作为物理层标准。目前，无线城域网标准 i e e e s 0 2 1 6 也采用o f d m 技术作为其宽带无线城域网2 g h z 一11 g h z 波段的物理 层标准【6 1 。 1 2 研究现状 由于o f d m 系统的子信道频谱相互覆盖，这就要求子信道之间必须保持严格 正交。然而由于无线信道的时变性，在传输过程中会出现信号的频率偏移，或者 由于发射机载波频率与接收机本地振荡器之间产生的频率偏差，这些都会破坏各 子载波间的正交性，引入信道间干扰( i 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 ) ，造成系统 性能的下降，比如解调数据幅度衰减、相位旋转，系统误比特率增加。因此，进 行快速和精确地同步就非常有必要。 近年来，国内外很多学者都开始研究o f d m 系统中的同步问题，并提出了很 多解决方案。这些方案大致可以分为两类：基于数据辅助( d a t a - a i d e d ，d a ) 的同 步方案，包括基于训练符号的方法 7 1 和基于导频序列的方法【8 1 1 9 1 ：另外一种是基于 非数据辅助( n o nd a t a a i d e d ，n d a ) 的同步方案，比如基于循环前缀的方法【1 0 1 。 8 得这种同步方法在使用中受到很大限制。基于训练符号的同步算法虽然会占用系 统带宽，影响数据传输速率，但是同步准确。 1 3 论文的主要工作和章节安排 同步在通信系统中占有非常重要的位置，尤其对于突发o f d m 通信系统。突 发o f d m 通信系统希望能够快速、准确的得到定时和频偏估计，所以通常采用基 于训练符号的同步方式。本文针对利用训练符号进行频偏估计算法中存在的问题， 即频偏估计范围和频偏估计精度的矛盾，提出了改进的频偏估计方案，并与经典 的算法进行了仿真比较。 o f d m 系统中的符号定时同步和频率同步之间是相互制约，相互影响的，因 此定时同步和频率同步要联合估计，本文提出了基于新训练符号的定时和频率联 合同步方法，并给出了仿真结果。 全文内容安排如下： 第一章简要介绍了课题的研究背景和研究现状，以及论文的结构安排。 第二章介绍了o f d m 的基本原理，o f d m 系统的结构框架，以及o f d m 的优缺 点和关键技术。 第三章分析了o f d m 系统中符号定时同步，载波频率同步技术，并推导了符 号定时偏差，频率偏差对系统造成的影响，最后总结了定时同步算法、频率同步 算法以及定时和频率的联合同步算法。 第四章首先详细介绍了经典的频率同步算法，在此基础上提出了一种基于训 练符号的适用于分组传输系统的频偏估计方案，并对各频率同步算法进行了仿真、 比较和分析。然后介绍了定时和频率的联合同步方案，在此基础上设计了新的训 练符号，由训练符号的特性设计了相应的定时和频偏估计算法，并通过仿真分析 了其性能的优越性。 第五章对全文进行了总结，并对未来的研究方向做出了展望。 9 山东大学硕士学位论文 第二章o f d m 传输技术 2 1o f d m 系统的基本原理 正交频分复用1 的基本原理就是把高速的数据流通过串并变换，分配到若干 个子信道进行传输。由于每个子信道中的符号周期会相应增加，因此可以减轻无 线信道的多径时延扩展对系统造成的符号间干扰( 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 ) 。 为了最大限度的消除符号问干扰，还可以在o f d m 符号之前插入循环前缀( c y c l i c p r e f i x ，c p ) 作为保护间隔。 2 1 1o f d m 系统的调制与解调 一个o f d m 符号是多个经过调制的子载波的合成信号，其中每个子载波都司以 接受不同的调制方式，如b p s k ，q p s k ，q a m 等。如果n 表示子信道的个数，r 表示o f d m 符号的持续时间，巧( 江o ，1 ，一1 ) 是分配给每个子信道的调制数据符 号，f 是第一个子载波的载波频率，r e c t ( t ) = l ，i t i r 2 ，则从f = t3 t 始的o f d m 符号可以表示为： m ) ：i r e i 篓喀删( t - t , - i 2 ) e x p 弘( z 舻m 训扣姚( 2 。) 【o ，乞f + r 理论上，任何一个线性调制的频带传输系统总有一个等效的基带载波调制系 统【1 2 1 【1 3 1 。f ) i ：以o f d m 符号可以表示为式( 2 - 2 ) 。图2 1 给出了o f d m 系统基本模型的 框图。 s ( ，) ：j 兰i = 0 喀聊r ( 一叫2 ) 懿p 陋( 删) ”r ( 2 2 ) lo , t 乞+ 丁 l o 山东大学硕士学位论文 一 - 沙j 珏萨一塑坌p 必!阳积分p 泖+百i b p s+ 1。，j 一心一一啦f 砷 图2 io f d m 系统基本模型框图 图2 2 给出了一个o f d m 符号内包括4 个未经调制的子载波的例子，从图中可 以看出，每个子载波在一个o f d m 符号周期内都包含整数个周期，而且各个子载波 之间相差整数个周期。这一特性用来解释子载波之间的正交性，即： ；r e x p ( 以，) e x p ( 见，灿= 艺： ( 2 - 3 ) 型 罂 o f ：d m 子载波 图2 2o f d m 符号内包括4 个子载波的情况 这种正交性从时域上看就是，若对式( 2 2 ) q h 的第_ ，个子载波进行解调，得到的 l l 山东大学硕士学位论文 解调符号t 为： 匆= 打r e x p 币万( _ ，m 一气) 埃d 脚陋o 丁) ( 一) p = 歹1 刍n - ! 嘶j l g s ”e x p j 2 万字( ) 卜力 ( 2 柳 根据式( 2 4 ) 可以看到，o f d m 系统中子载波的正交性保证了接收端解调后可以 得到期望的数据符号而不受其它子信道符号的干扰。 这种正交性还可以从频域角度来解释。图2 3 给出了相互重叠的各个子信道经 过矩形滤波成型后得到的各个子信道的频谱。在每一个子信道频谱的最大值处， 所有其它子信道的频谱值恰好为零。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。 o f d m 子载波频谱 恻 馨 图2 3o f d m 系统中子信道符号的频谱 2 1 2o f d m 系统的d f t 实现 式( 2 一1 ) 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、调制器和 相干解调器，因此所需的设备比较复杂。w e i n s t e i n 和e b e r t 在文献 1 4 1 中提出了采用 1 2 t 山东大学硕士学位论文 离散傅立叶变换( d f t ) 来实现多载波调制。随着数字信号处理技术的发展，可以采 用快速傅立叶变换( f f t ) 技术实现【1 5 】，这样就大大降低t 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。 式( 2 2 ) 中的o f d m 复等效基带信号可以采用离散傅立叶逆变换( i d f t ) 方法来 实现。令式( 2 2 ) 中的乞= 0 ，对信号s ( f ) 以叫的速率进行抽样，即令 t = k r n ( k = o ，1 ，一1 ) ，可以得到： n - i = j ( 尼州) = d i e x p ( j 2 7 r i k n ) ，( o j j n - 1 ) ( 2 5 ) 可以看到& 等效为对喀进行i d f t 运算。同样在接收端，为了恢复出原始的数 据符号喀，可对& 进行d f t 变换，得到： n - i 或一s , e x p ( - j 2 r c i k n ) ，( 0 i n - i ) ( 2 6 ) 根据上述分析可以看出，o f d m 系统的调制和解调可以分别由d f t 和i d f t 来 代替。在o f d m 系统的实际应用中，可以采用更加方便快捷的快速傅立叶变换 ( f f t i f f t ) ，可以显著地降低运算的复杂度。 2 1 3 循环前缀 o f d m 通过把输入的数据流串并变换到个并行的子信道中，使得每个数据 符号的周期扩大为原始符号周期的倍，有效的降低了符号间干扰的影响。为了 最大限度地消除符号间干扰，还可以在每个o f d m 符号之前插入保护间隔( g u a r d i n t e r v a l ，g 1 ) ，且该保护间隔的长度i 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，然而在这种情况中，由于多径的影响，可能会使子载波之间 的正交性遭到破坏，从而产生信道间干扰，这种效应可以参见图2 4 。 1 3 山东大学硕士学位论文 第二子载波对第一 子载波带来的1 c i 扰 保护间隔f f t 积分时间 图2 4 多径情况下，空闲保护间隔在子载波间造成的干扰 为了消除由于多径所造成的i s i ，以及在插入空闲传输段时引入的i c i ，o f d m 符号需要在其保护间隔内填入循环前缀1 6 1 ，即将每个o f d m 符号中的最后乃时间 段对应的样点复制到o f d m 符号的前面，形成前缀，见图2 5 。这样就可以保证 o f d m 的各子载波以及经过时延的各子载波在f f t 运算时间内保持正交。 1 4 4 3 2 1 釜。 一1 - 2 3 - 4 0 2 46 8 时问 图2 5o f d m 符号的循环扩展 1 0 1 21 4 x1 0 4 1 6 q a m 星座图，其信源符号等概率的从1 6 q a m 星座点中选取。 图2 6 ( a ) 表示当多径时延没有超过保护间隔时，星座点没有畸变。在图2 6 ( b ) 中，多径时延扩展超过了保护间隔，此时子载波间不再保持正交，但是超出的时 间长度只占据了f f r 运算时间长度的3 ，因此i c i 仍然比较小，所得到的星座 图还比较清楚。在图2 6 ( c ) 中，多径时延超出保护间隔的长度已经达到了f f t 运 算时间长度的1 0 ，此时信道间干扰非常严重，各个星座点已经不可辨认，会导 致令人不可接受的错误概率。 ( b )( c ) ( a ) 时延扩展 保护间隔 嘞时延扩展超过保护间隔长度为f f t 积分周期的3 0 ( c ) 时延扩展超过保护问隔长度为f f t 积分周期的1 0 图2 6 三种不同保护间隔长度对o f d m 系统接收符号的影响 2 1 4o f d m 的系统框图 在实际的o f d m 系统收发机结构中，除了o f d m 调制与解调、添加和去除 循环前缀外，还要有星座映射、数模和模数转换、发送和接收滤波、上变频和下 变频、编解码和交织等，如图2 7 所示。 在发送端为了克服噪声的影响需要对数据进行编码、交织。因此二进制输入 数据首先进行编码和比特交织，然后进行b p s k 或者q a m 等调制，之后再串并 变换，把一路信号分成并行的路，最后通过点i f f r 处理把数据调制到多个 1 5 山东大学硕士学位论文 相互正交的子载波上并行发送，其中i f f t 处理后得到的个样点值称作一个 o f d m 符号。然后把o f d m 符号的最后个样点复制添加到最前面作为一个循环 前缀，用于抑制由多径衰落引起的符号间干扰。最后经脉冲成形、上变频把信号 输入到前端放大器放大后通过发射机发送出去。接收端执行与发送端相反的过程。 编 码 星串 一并 加 发 和 座 并 i f f t i 串 循： d a 送 交 映变； 变 环卜。 转换一 滤 静1 射换：f 换 缀 波 织 图2 7o f d m 收发机结构 2 2o f d m 系统的关键技术 o f d m 由于其良好的对抗频率选择性衰落和窄带干扰能力，受到人们的广泛 关注。在o f d m 通信系统中，主要有以下几个关键技术： 1 、信道估计 因为o f d m 具有抗多径衰落的性能，所以广泛应用在高速无线数据传输系统 中。而要正确接收信息，接收端要估计出信道特性，解调出原