（通信与信息系统专业论文）ofdm与mccdma的性能比较.pdf

摘要 多载波码分多址( m c c d m a ) 是为宽带无线通信提出的一种新型多载波调制 技术，它是o f d m 和c d m a 技术相结合的一种技术方案，继承了o f d m 和c d m a 技术的优点，在高速数据传输书具有骧显的优势，被认为是未来4 g 中的关键技术。 本文通过m c c d m a 系统与o f d m 系统误码率性能的眈较来说明m c c d m a 的 优良特性。 本文首先介绍了多载波码分多址及其相关技术的发展，o f d m 和c d m a 技术 的三霉孛结合方案，重点介绍了d m 和m c c 暇a 的原理，给出了m c c d m a 系统的数学模型。 然后在m c c d m a 系统模型和m a t l a b 仿真流程的基础上，重点讨论 m c c d m a 系统巾的主要技术及其在系统中的作雳，包括数据的频域扩频、数据 调制、i f 变换、循环前缀等。 最后，在上述给出的系统模型中，通过m a t l a b 仿真分析了在m c ，c d m a 和 o f d m 两种系统中由高斯白噪声、削波噪声以及多径干扰所造成的误码率分布曲 线，褥出m c c d m a 系统在无线数据传输方面较o f d m 系统性能更佳。并给出具 体的性能分析。 本文的研究是在讨论o f d m 的基础上建立起一个m c c d m a 的设计、仿真模 型，为系统的实现提供了有用麴参考方案和数据。 关键词：m c c d m ao f d m误码率m a t l a b 仿真 a b s 妇e 毫 m u l t ic a r r i e rc o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ( m c c d m a ) i san e wm u l t i c a 币e r l o d l l l a t i n gt e c h n o l o g y 如rb r o a d b a n dm o m l ew i r d e s sc o m 嫩u 堇l i e a t i o n s ，i ti s 勰 i 越e 秘敝甜镪l 臻o l o 影o f0 f d m 绻dc d m a ，瓣b i n 甜撬e 舔v 鑫n l a g 隧o f h b o 饿。k 氇e h i 曲s p e e dd a t a 协a n s m i s s i o n ，t h ep e r f o 肌a n c eo fm c c d m ai so b v i o u s l ym o r e e x c e l l e n tt h a n0 f d m s oi ti s n s i d 盱e da st h ec o r et e d m o l o g yo ft h em t u r e4g 话翻e s s 渊毽珏i e 旋滩s 弧es 印砥越如积l c 重砥s 专主e so fm g c d m ai sd 蹦锄s 渤l e d b yc o m p 撕n gt h eb e rp e 响椭a n c eo fo f d ms y s t 锄w i t hm c c d m as y s t i nl 量l i s t h e s i s t 1 l i st h e s i si n 投静d u c e d 吐l ed 纠e l o p m e n to fm c - c d m a 黜df e l a 乏 e dt e c h 堇l o l o g y ， 锄p h a s i z 甜o n 疆e d a m 懿重舔埘稚鹾p l 懿o f 饼d m 锄dm c - c p m ab y 秘a l 溺n g 秘d c o m p 撕n gt l l r s o l u t i o n s o f0 f d m c d m a ，t h 锄m em a m e m a t i c sm o d e l o f m c c d m aw 嬲西v 锶 转a s e d 滩娃辖s 黔t 饿m o l 醴m c c d m a 躲d 泌s 趣u l 越i 黻基o w 逾燃a t l 曲，w e d i s c u s s e dm ep 矗m a 搿t e d m d o 磐e sa n dt h e i f 向n c t i o ni nt h es y s t 锄h l c l u d i n g 丘e q u e n c ys p r e a d o fd a t ai n 6 7 e q u e n c yd o m a i n ， m o d u l a t i o no f s i g n a l ， i f f t t f a n s 羲) f l n a l i o n ，c y c l i cp r e 蠡x ，a n ds oo n h s t ，也em a t l 曲s 主m u l a t 主o nw a sd o n eb a s 髭。娃氇es y s t e mm o d e lm e l l t i 蝴稚曲o v e b ym es i m u l a t i o no ft l l eb e rp 耐o 肌a n c e 舶mw h i t eg a u s s i a i ln o i s e ，p e a l ( p o w e r c l i p p i n ga n dc o 饿b a t i n gm u l t i p a t hi n t e r 陆锄c e a r ea n a l y z e d ，w eo b t a i n e dt h e 嚣c l 毽s i o 建| h a l 攮ep e 苁) 髓雒e e 磺m c - c d m a 氛s 毽p 碰o f 囊勰o f d mi 鑫谢愆l e s sd 痰a t r a l i s m i s s i o n t h ei d i o 黟印h i ca n a l y s i so fp e r f o 胍a n c ew a s 西v e na tm es 锄et i m e 。 1 1 1 i sm e s i se s t a b l i s h e dam o d e lf o rt h ed e s i 印a n ds i m u l a t i o no fm c c d m a s y s e mo nt h eb a s i so fo f d ms y s l 嘲，i la l s o 即v i d e du s e 龟l 托妨锄c ep f o j 鳅髓dd a 乏 l f b rs y s t 铋r e a l i z a l i 滩 k e y w o r d s ：m c - c d m ao f d mb e rm a t l a b s i m u l a t i o n 西安电子科技大学 学位论文独创性( 或创新性) 声明 秉承学校_ 严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 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 注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果；也不包含力获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书面使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中做了明确的说 明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名：丝堑圜期兰竺2 ：三：! 兰 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解谣安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，郎：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保 留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。阉时本人保证，毕韭后 结合学位论文研究课题再攥写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 导师签名：遐期! 兰：兰：! ： 第章绪论 第一章绪论 1 1 研究工作的背景和意义 进入2 l 世纪以来，无线通信技术正在以前所未有的速度向前发展。随着震产 对各种实时多媒体业务需求的增加和互联网技术的迅猛发展，可以预计，未来的 无线通信技术将会具有更高的信息传输速率，为用户提供更大的便利，其网络结 构也将发生根本盼变化。为了支持更高的信息传输速率和更高的用户移动速度， 在下一代的无线通信中必须采用频谱效率更高、抗多径干扰能力更强的新型传输 技术。 无线通信的典型代表是蜂窝移动通信系统，8 0 年代初期，出现了以美国的 a m p s 、英国的张e s 、西德的c 4 5 0 等为代表的第一代商用无线通信系统，这些 系统以模拟信号调制为特征，主要采用频分多址( f d m a ) 的多址接入技术，虽然 系统实现起来比较简单，但系统的容量和频谱利用率都很低。从8 0 年代末开始， 以数字通信技术为代表的第二代无线通信系统迅速发展起来。其典型代表是欧洲 的g s m 系统，采用时分多址( t d m a ) 的多址接入技术，除此之外还有美国的i s 5 4 系统( t d m a ) ，i s 9 5 系统( c d m a ) 和同本的j d s 系统( t d m a ) ，这些系统幽 予采用了更先进的数字技术，使得通信质量、传输效率和系统容量有了很大提高。 除了传统的话音业务之辫，第二代无线通信系统还为用户提供了丰富多彩的数据 业务。这些系统从某种方面上弥补了第一代系统的不足，但现在看来，它们的数 据传输速率较低，渐渐已无法满足高速发展的多媒体业务的需要，而且不同的网 络之闻也无法实现资源共享。霉前即将攮向市场的第三代移动通信系统蹦孓2 0 的主要特点有：支持多媒体业务，数据速率最高可达2 m s ，全球漫游，接口开放， 能与不同的网络互联，终端多样化以及能从第二代平稳过渡等。从目前世界各囡 提出的各种3 g 实现方案柬看，大家都不约丽同地选择了码分多址( c d m a ) 技术。 这是因为相对f d m a 、t d 饮而言，c d m a 具有频谱利用率高、软容量和软切换、 抗窄带干扰，具有内在的抗多径衰落能力和高度的保密隐蔽性等优点。然而，如 果要求数据传输率再进一步提高，3 g 中使用的简单的c d m a 技术已经不能满足 要求，人们又提出了许多新方法来改进传统c d m a 系统的容量、抗多径干扰能力 和实现复杂度等多方面的憔能。这些新方法包括：多用户检测、正交频分复用 ( 0 f d m ) 【l j 、时空联合信号处理、智能天线、软件无线电等等。其中，将并行传 输的o f d m 技术与c d m a 技术相结合是当前的研究热点之一翻【3 】。 o f d m 是可以直接利用i d f t 实现的一种多载波调制并行传输技术。它将所传 送的数据分配到多个并行的子信道上，使每个子信道的码元宽度大于多径时延扩 o f d m 与m c c d m a 的性能比较 展，并且在每两个0 f d m 信号之间插入一定宽度的保护间隔，这样可以基本抑制 多径效应带来瞧玛阗串扰( 1 s 1 ) 。多载波传输的另一个优势是可淤把频率选择性衰 落引发的突发错误分散到不相关的子信道上，使其变成随机性错误。这样可以利 用一般的前向纠错编码( f e c ) 有效地恢复所传送的信息。因此随着o f d m 和 c d m a 技术的高速发展，人们提出了把o f d 麓和c d m a 结合起来的方案，试图 同时利用两者的优点，m c c d m a 就是o f d m 和c d m a 三种结合方案之一1 4 j 。 m c c d m a 技术主要用于宽带数据传输，它的信号带宽一般都远远超过无线 移动信道的相干带宽，所以信号在通过信道时经历的是频率选择性衰落。同时， 一方面因为m c c d 鹾a 实际上是一种频率分集方案，孑载波数目越大，分集的效 果越好。但另一方面，它对系统的硬件也提出了更高的要求。对于这一点，现在 高速发展的大规模集成电路已渐渐能够满足其硬件的需求。m c c d m a 从提出到 现在经历了概念的提出、完善、系统性能的研究等备方面的工作，它在继承了 o f d m 和c d m a 优良特性的同时也继承了它们的一些问题，而这些问题的解决无 疑在通信史上都是一大贡献。因此，目前世界上对m c c d m a 系统关键技术的研 究已成为一大热点。之所以如此，也是这一系统目前所表现的优良特性所致。本 文将利用软彳睾仿真工具直观的比较o f d m 和m c c d m a 的各项性链。 1 2 本论文的相关研究工作 m c c d m a 作为磊翦通信领域的研究热点已经引起了许多研究入员的关注， 本文在提出这一概念的基础上，比较系统地阐述了其中所涉及到的关键技术，对 这些技术的产生、原理和实现方法都作了详细地论述，并且给出了在m a t l a b 下 的仿真结果，与o f d 鹾系统进行了直观地比较，为今后的研究王佟提供了比较详 细的参考资料。 本文围绕m c c d m a 和0 f d m 的各项性能进行了比较研究，主要内容包括以 下足个方面： 第一章介绍无线通信的发展历史和本论文的研究背景，并对论文的研究工作 做了说明。 第二章在阅读了大量的参考文献后，综合简要地介绍了c d m a 技术、o f d m 技术以及三种o f d m c d m a 的结合方案和基本原理，并比较了各种方案昀侥缺 点，确定0 f d m 和m c 。c d m a 为本文研究的重点。 第三章介绍了m c c d m a 的系统模型、信道模型和数据传输模型，设计了对 系统进行仿真的软件模块、仿真条件和软件流程。 第四章详细介绍了系统仿真中的各个模块的技术原理和实现方式。 第五章利用m a t l a b 仿真软件按照所设计的仿真方案，对m c - c d m a 系统 第一章绪论 性能和o f d m 系统性能进行了比较，给出了性能比较的数据曲线，并得出结果。 第六章对本文所做的工作给出了结论，并对后续工作做了展望。 第二二章多载波调制基础 第二章多载波调制基础 2 1c d m a 技术 码分多址是以扩频透信为基础的一静调制和多址方式。 2 1 1 扩频原理和扩频序列 所谓的扩频通信，是指用来传输信号的带宽远远大于信息本身带宽的一种通 信方式。根据信息论中的香农公式： c = 形l o g ( 1 + s )( 2 1 ) 其中，e 是信道容量，w 是信号带宽，n 为噪声功率，s 是信号功率。在e 不变的条件下，只要w 足够大，即使在很低的信噪比条件下也可以实现光差错的 信息传输，这就是扩频通信的基本原理。换句话说，频带w 和信噪比s n 是可以 互换的。如果增加频带宽度，就可以在较低的信噪比的情况下用相同的信息率以 任意小的差错概率来传输信息。甚至在信号被噪声湮没的情况下，只要相应地增 加信号带宽，也能保持可靠的通信。在扩频通信系统中，每个用户的信息用一个 伪随机二进制序列进行扩频，不同用户被分配不同的伪随机序列。在接收端，利 用不翔穿列之间的正交特性，信号透过与相疲伪随机序列一一对应的相关器加以 分离。c d m a 数字蜂窝通信是扩频技术在多址移动通信中的种应用。 c d m a 信号的数学描述如下。设采用码长为n 的伪噪声码，共有m 个用户， 用户搬发送的第l ( 个信息为8 。i 蠢】，相应的p n 码为 r ，i = o ，l ，n l ；系统 调制在载波频率7 ：上。则m 个粥户的信息经扩频相加后得到n 长的序列： m l o - _ _ 一 ，、 & 删= 【口朋g 小) ，i o ，l ，n 1 ( 2 2 ) c d m a 已调射频信号为 ) = 篓( 埘) 比嵋) 扣2 卿) ，；毗m ( 2 _ 3 ) x ( f ) = l ( c ! ；，1 ) p ( f f 互) l c o s ( 2 万五f ) ， i = o ，1 ，n l ( 2 3 ) l 柳= oj 其中p f 0 为幅度为l ，长度必( 每个扩频码码片周期) 的矩形窗函数。 假设信道是理想的，在接收端经过射频解调后得到式( 2 2 ) 所描述的信号。以用 户o 为例，对信号解扩，即将用户o 的n 长的p n 码分别与式( 2 2 ) 中序列的n 个 元素穗乘再将结果穗拥，得到判决变量 一l膨一l一l f l一l ，= 印( 口m r ) = 辞g + 口册c ，口 ( 2 4 ) 6 o f d m 与m c c d m a 的性能比较 对于理想的p n 码而言，应具有理想的自相关特性( 自相关函数为宰万) 和 互相关特性( 互相关函数为o ) 。则式( 2 4 ) 中等号右边的第一项为，第二项为 o 。这样，得到判决变量 ，= 口o ( 2 5 ) 恢复了用户传送的信息，其中n 体现了分集接收效果。 这里n 就是通常所说的扩频增益，它是理解扩频原理的重要概念之一。系统 的扩频增益是指在码分多址系统中由扩频和解扩过程的特性导致的增益或者说对 信噪比的提高。系统的扩频增益等于使用扩频后的带宽与原始数据带宽比，也等 于扩频后的数据与原始数据的比特率之比。因此，扩频增益可被写为： ：盟( 2 6 ) b 彬。 b 是扩频后的数据带宽，b ，是指传输的原始数据带宽。 c d m a 信号在发射前用p n 码对数据进行调制，接收到的信号包括所需信号， 加上背景噪声，以及从其他c d m a 用户或无线电源产生的干扰信号。接收到的信 号与原始扩频码相乘后，所有其它与p n 码无关联的信号都会被扩展得更宽，在滤 除扩频干扰和噪声信号后便得到了有用信号【4 】。 扩频通信系统的原理都是使用扩频序列来扩展用户的原始信号。在接收端， 为了恢复原始信号，使用与发送端相同的同步扩频序列与收到的信号进行相关。 由于扩频序列具有类噪声特性，从而使得其不容易被破解。我们可以利用扩频码 的自相关特性将一个特定用户的多径信号组合在一起。反之，不同用户的扩频码 具有较低的互相关性，可以利用这一点来分离每个用户的传输信号。m c c d m a 同样也利用这种互相关特性来进行多用户通信的。由此可以看出，扩频序列的一 系列特性在o f d m 系统和m c c d m a 系统中都起着非常重要的作用。这罩详细说 明一下本文所用的w a l s h 码。 w a l s h 码是通过将h a d 锄a r d 变换重复应用到一个0 矩阵中而生成的。变换如 下： 日l = 【o 】 耻匮 ( 2 7 ) 这样我们得到一个h a d 锄捌矩阵，其中对于门= 2 7 ( j 为整数) ，h a d 锄a r d 矩 阵为一个对称矩阵，每一列或每一行对应于w a l s h 码的长度n 。以的每一行都与 其它所有行正交。举例来说，假设l 一，可以生成4 比特的w a l s h 码，重复利用。 的变换两次，得到矩阵： 第二章多载波调制基础 呢= o o 0l o o 01 o 0 0l ll 1o ( 2 8 ) 第一列是全零序列焉第二列中0 和“l 交替出现。这对于所有的珏稚锄捌 矩阵都是一样的 一个w a l s h 序列是w a l s h 函数矩阵的行。一个n 级w a l s h 函数包含有n 个 序列，每个序列包含n 比特。如果一个w a l s h 函数在所有的n 个码的闻隔上各序 列是彼此对齐的，则该函数中所有的不同痔列的相关性为零。由于基站发射时是 二次扩频，不同的扇区或小区已由p n 码的不同相位所标识，所以w a l s h 函数可以 在相邻的区域中重复使用。在同一区域中，所有的信道复用用同一个p n 码的同一 相位作为终部标识，因此，在同一个区域中所有靛信道的溉l 矗码的时闻是对齐 的。 根据上述性质，同一小区中的用户是彼此无干扰的。这样消除了大多数的干扰， 提高了系统的容量。 2 1 2c d m a 信号产生的基本原理 c d m a 信号是用伪随机序列对数据信号进行扩频产生的，其码片率高于数据 的比特率。伪随机序列由一些被称为码元的l 和0 组成，它们以随机的方式交蛰 出现。图2 1 给出一个基本的c d m a 传输过程【5 1 。 数据流 图2 1褥单豹顺序序列信号熬产生 用于传输数据的p n 码，有两种主要的类型。短p n 码( 一般有l o 到1 2 8 个 码元) ，即每个数据位由长度为一个周期的p n 码调制。该p n 码在每个数据位会 被重复使用，使接收机能够与发射枧豌单快速地达到圈步。圈2 2 显示了一个有 l o 个码元的c d m a 信号的产生。另一类型为长p n 码，一般由数手劐数百万的码 元组成，所以很少会重复。另外，由于长p n 码不易解码，因此它在安全性上更有 8 o f d m 与m c c d m a 的性能比较 保证。 。 lh t p e n o d 。 i d 吐pp e h o d _ h 量一 ： 。_ 1l ：广一孤螨l 昏缸 l ；一 几厂 几n 厂 nn 厂 器嚣，讹鳓 n 厂 厂 几厂 n 广 裟却r e 订 图2 2 c d m a 信号的产生 2 1 3c d m a 技术优势 与其他蜂窝通信系统相比，c d m a 系统具有明显的技术优势。对运营商来讲， c d m a 的频谱利用率高、容量大、基站覆盖范围大、频率规划简单、网络成本低、 建设周期短等优点足以让运营商去投入和发展；对用户而言有话音质量高、保密 性强、掉话率低、发射功率低等优点而受到青睐。 1 ) 频谱利用率高、容量大 c d m a 系统的容量可达到模拟系统的l o 倍，是g s m 系统的3 4 倍，频谱利用 率高，节省了宝贵的频率资源，能够满足高话务密度的需要，减少了网络拥塞， 提高了网络性能。 2 ) 基站覆盖范围大 c d m a 的无线链路预算比g s m 多3 6 d b ，正常情况下小区半径可达6 0 k m ，在 采用特殊手段后，半径可达2 0 0 多k m ，而g s m 小区最大半径不超过3 5 k m ，采用 c d m a 系统可通过更少的基站实现对于用户地区的无缝覆盖，基站覆盖范围比 g s m 系统要大。在系统建设上，可减少基站数量，减少环境污染，基站选址容易， 降低了网络配套设施费用，加快了建设进度。特别是在话务密度低的地区，其作 用更加明显。 3 ) 抗干扰性强，话音质量高 由于在接收端解扩采用相关处理方法把有用的宽带信号变成窄带信号，同时把 无用的窄带信号变成宽带信号，然后使用窄带滤波技术滤掉绝大部分噪声，从而 大大提高了信噪比，具有很强的抗干扰能力。根据实际测试，其话音质量可以和 固定电话媲美，明显优于g s m 系统，特别在强背景噪声环境下，优于有线电话。 4 ) 软切换，掉话率低 由于c d m a 采用了多种软切换技术，使掉话率大大降低，明显优于其他硬切 换的蜂窝系统。 5 ) 可实现多址通信 第二章多载波调制基础 9 如果选用一组彼此正交的或准正交的伪随机( p n ) 码进行扩频调制和解扩频 处理，则由这组p n 码扩频后的宽带信号具有良好的正交性，因而具有多址通信的 能力。 6 ) 发射功率低 无论是基站还是手机，其发射功率都非常低，对人体辐射小，这在人们环保 意识越来越高的现在显得更加优越，使用c d m a 手机不会对电视机、收音机、有 线电话、助听器等设备造成干扰。 2 2 1 多载波调制技术 2 2o f d m 技术 多载波技术是一种无线环境下的高速传输技术。无线信道通常可以等效为非 理想线性滤波信道，频率响应大多是非平坦的，在这样的信道特性下的冲击响应 带来的时延扩展将引起多径效应，数字信号在接收端前后码元交迭，产生所谓的 码间串扰( 1 s i ) ，造成判决失误，严重影响传输质量。特别是在码元速率较高的情 况下，更是如此。这是由于在码元周期很短的情况下，时延扩展将跨越更多的码 元，造成严重的码间串扰。从另一个角度来看，码元速率较高时信号带宽较宽， 当信号带宽接近和超过信道相干带宽时，信道的时间弥散将对接收信号造成频率 选择性衰落。所以时间弥散是使无线信道传输速率受限的主要原因之一【6 】。 对于一个特定的信道特性，设计通信系统时必须考虑如何有效利用仅有的信 道带宽，并在发送接收机的复杂度折衷条件下可靠地传输数据信息。对于这种频 率响应非理想的滤波信道，一种办法是在单载波调制时，以特定的码元速率进行 传输，在不改变发送信息码元周期即不降低信息码元速率并承认有了较严重的多 径扩散的条件下，利用r a k e 接收机进行均衡和补偿，采用扩频码将传播的多径 信号能量分离、校正，并加以收集利用，从而设法消除多径干扰的影响【7 】。 另外一种方法则是采用多载波调制，主要思想是在频域内将所给信道分成许 多子信道，在每个子信道上使用一个子载波进行调制，并且各个子载波并行传输。 这样，尽管总的信道是非平坦的，具有频率选择性衰落，但是每个子信道是相对 平坦的，并且在每个子信道上是进行窄带传输，信号带宽小于信道相关带宽，因 此可以大大消除码间串扰，适合高速的无线数据通信。 2 2 2o f d m 基本思想 传统的多载波的思想是将整个信号的频率带宽分为互不重叠的n 个子信道， 每个子信道分别进行调制然后将n 个子信道进行频率复用。这样做虽然可以通过 l o 0 f d m 与m c 圮d m a 的性能比较 防止子信道问的频率重叠柬避免信道间的干扰，但这种做法的频谱效率是非常低 的。为了提高频谱效率，提出了一种新瓣频分复焉技术，使得子信道间可以重叠， 这样频谱效率可以提高近一倍。为了使予载波间可以相互重叠，那么它们在频率 上必须有良好的正交性，这样子载波间才不至于产生干扰。1 9 7 1 年，w 萌n s t e i n 和 秘穗提出了将d h 作为调制过程的一部分应用于并行数据系统的思想瑙】。这意味 着：在使用基于d f t 的多载波传输技术的系统中，频分复用可以在基带部分实现 而不需要通过带通滤波。此外，d f t 可以通过它的快速算法f f t 来实现。近些年 来由于在超大规模集成技术上取得了长足的进步，使得高速、多点f h 得以实现。 芷是基于d h 的多载波传输使得0 f d m 技术能够广泛应用予现代逶信系统。 0 f d m 技术之所以适合在无线信道中的宽带传输，是因为具有很多优点： 1 ) o f d m 技术最大的优点是本身可以有效地对抗码间干扰，适用于多径环境 和衰落信道中的高速数据传输。这墨可以徽定性的理勰：多载波传输是要将传输 的信息均分于各个载波而形成多个并行的窄带子信道，因此当信道中因多径传输 而出现频率选择性衰落时，这种技术体现出很强的优越性。在单载波系统中，单 个衰落或干扰能够导致整个通信链路失败，但在多载波系统中，仅仅有一小部分 载波会受到干扰，对这些子信道可以采用纠错码来进行纠错。 2 ) 在o f d m 系统中，每条链路都可以独立调制，因而该系统不论是在上行链 路还是下行链路上都可以很容易地容纳多种混合调制方式，增强了系统的灵活性。 3 ) 0 f d m 技术能够持续不断地监控传输介质上透信特性的突然变纯，由于逶 信路径传输能力会随时间发生变化，因而o f d m 能动态地与之相适应。 4 ) 通过各子载波间的联合编码，具有很强的抗衰落能力。0 f d m 技术本身已 经剽用了信道的频率分集，如果衰落不是特别严重，就没有必要再加时域均衡器， 德通过将各个信道联合编码，可以使系统性能得到提高。 5 ) 可以有效地对抗多径传播造成的符号问干扰，当信道中因为多径传输而出 现频率选择性衰落时，只有落在频道凹陷处的子载波以及其携带的信息受影响， 其链的子载波未受损害，因此系统总的误码率性能要好得多，适用予多径环境和 衰落信道中的高速数据传输。 6 ) 由于基于d f t 的0 f d m 有快速算法，所以基于d f t 的o f d m 系统与单 载波系统相比，复杂度较低。在单载波系统中，大部分复杂性都在于均衡器；嚣孬 在o f d m 系统中，大部分复杂性取决予f f t 的复杂性，而不需要均衡。将f f t 与 均衡器相比可知，f f t 复杂度较低，从而o f d m 的系统复杂性较低。 7 ) 信道利用率很高，这一点在频谱姿源有限的无线信道中尤为重要，当子载 波个数缀大时，系统的频谱剩用率接近2 b 砌z 。 8 ) 在变化相对较慢的信道上，o f d m 系统可以根据每个子载波的信噪比来优 化分配每个子载波上传送的信息比特，从而大大提高系统的容量。 第二章多载波调制基础 任何一种技术都不可能十全十美，o f d m 也不例外，除了具有上述的优点， 它也不可避免地存在一些缺点： 1 ) 对频率偏移和相位噪声很敏感。移动无线信道存在时变性，在传输过程中 会出现无线信号的频率偏移，破坏o f d m 系统子载波间的正交性，使子信道间的 信号相互干扰，因此频率同步是o f d m 系统的一个重要问题。 2 ) 系统的峰值平均功率比( p a r ) 较大，这个比值的增大会降低射频放大器的 功率效率。 关于o f d m 系统的均衡，由于循环前缀的使用，人们的研究重点放在了时域 均衡上。由于传统的l m s 迭代算法需要大量的迭代次数才能完成，故而通常在 0 f d m 系统中一般采用基于信道估计的非迭代算法来训练时域均衡器，并先后提 出了基于三种时域均衡器优化准则的算法：基于最小均方误差准则的算法、基于 最大信噪比准则的算法以及基于几何信噪比准则的算法。 o f d m 能够适应信道中的频率选择性和时变性在频率选择性衰落信道中提供 一种近似频率分集的效果，而传统的网格编码、t u r b o 编码等可以在时间上提供一 种分集效果。二者的有机结合，通过时间和频率上的双重分集，将会提高系统的 抗衰落性能，所以编码技术与o f d m 技术结合一直受到人们的重视。 2 2 3o f d m 的调制解调原理和f f t 实现 o f d m 系统可以用离散傅立叶变换( d f t ) 来实现，并能够采用高效的f f t 技术。 每个0 f d m 符号都是多个经过调制的予载波信号之和，其中每个子载波的调 制方式可以选择j 下交幅度调制( q a m ) 或相移键控( b p s k ) 。我们用n 表示子信道的 个数，t 表示符号宽度，d ；( i - 0 ，1 ，l ，n 1 ) 是分配给每个子信道的数据 符号，：为载波频率， 在很多文献中，常采用如下的等效基带信号来描述o f d m 的输出信号： j 2 一i，：、 5 ( f ) = 4 + 2e x p l 2 万专( 卜t ) l乞sf 乞+ r ( 2 9 ) f = 一2 上 s ( f 1 的实部和虚部分别对应o f d m 符号的同相和正交分量，在实际中可分别 与相应子载波的c o s 分量和s i n 分量相乘，构成最终的子信道信号和o f d m 符号。 图2 3 给出了o f d m 系统的调制和解调的框图，图中假定f 。= o 。 1 2 o f d m 与m c c d m a 的性能比较 弋爹一积分卜 一积分卜 并 串 串啦 廿i转 并 + 转 换换 丑多j 积分卜 倒 粤 图2 3o f i ) m 的调制和解调框图 图2 4 包含四个子载波的o f d m 符号 图2 5o f d m 频谱示意图 第二章多载波调制基础 在图2 4 中给出了一个o f d m 符号内包括4 个子载波的实例。其中所有的子载波 都具有相同的幅值和相位，但在实际应用中，根据数据符号的调制方式，每个子 载波的幅值和相位都可能是不同的。从图中可以看到，每个子载波在一个o f d m 符号周期内都包含整数倍的周期，而且各个相邻子载波之间相差1 个周期。由图可 以看出，各子载波信号之间满足正交性。 这种正交性还可以从频域角度理解。 每个o f d m 符号在其周期t 内包括多个非零的子载波，因此其频谱可以看作 是周期为t 的矩形脉冲的频谱与一组位于各个子载波频率上的万函数的卷积。矩 形脉冲的频谱幅值为s i n ( 矿) 函数，这种函数的零点出现在频率为1 丁整数倍的位 置上，这种现象可以参见图2 5 ，其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 nc 函数频谱。在每一子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，而不会受到其他子信道的干扰阻1 。 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 e x p f 一，2 万生丝f1 相乘然后将得到的结果在o f d m 符号的持续时间t 内进行积 l 2 分，即可获得相应的发送符号以，即 珏唧卜半( f - ) ，笺唧p 弘牛 = ；，笺卜p 卜 = 喀圳：厂e x p 卜 1 扛一| v ，2 l = 畋 2 万z 二墨型! 三 丁 ( f 一) 陬 j ( 2 1 0 ) 实际上，o f d m 复等效基带信号s ( f ) 可以采用离散逆傅立叶变换( i d f t ) 来 实现，令= o ，f = 灯( 1 ( = o ，1 ，n 1 ) 则有 m 声( 删) - 势x p ( 等) ，一， 浯 s ( 七) 即为4 的反离散傅立叶变换( i d f t ) 。在接收端，为了恢复出原始的数据 符号z ，可以对s ( 后1 进行d f t 变换，得到： 呸：芝s ( 尼) e x p f 一_ ，等1 o 螂一1( 2 也) 七l o y 由上述分析我们可以得知o f d m 系统的调制和解调可以分别由d f t 和d f t 来代替，通过n 点的i d f t 运算，把频域数据符号吐变为时域数据符号s ( 七) ，经 1 4 o f d m 与m c c d m a 的性能比较 过载波调制发送到信道中，在接收端对信号进行相干解调，然后将基带信号进行n 点d f t 运算，即可获得发送的数据符号d ，。 在实际应用中，可以采用更快捷的f f t ( i f f t ) 来实现调制和解调，n 点i d f t 运算需要实施2 次乘法运算，而i f f t 可以显著降低运算复杂度。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( 2 1 l o g ，而采用基4i f f l r 算法来实 施傅立叶变换，其复数乘法的数量仅为( 1 0 9 ，一2 ) 3 8 【1 1 】。 输 输 图2 6o f d m 的f f t 实现框图 2 2 4 保护问隔和循环前缀 为了最大限度地对抗多径时延扩展，消除符号问干扰，在o f d m 符号间要插入 保护间隔。保护间隔的长度一般要大于无线信道的最大时延扩展，这样每一个 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【8 】。然而在这种情况中，由于多径传播的影响， 会产生子信道间的干扰，即子载波间的正交性遭到破坏，不同的子载波之间产生 干扰。我们可以将原来的o f d m 符号进行周期扩展【1 2 】，用扩展信号来填充保护间 隔，这样保护间隔内的信号就称为循环前缀。一般情况下，循环前缀中的信号与 o f d m 符号尾部宽度为的部分相同。在实际系统中，o f d m 符号要先加入循环前 缀，才能进入信道进行传输。接收端接收到信号时，应首先将接收符号开始的长 度为疋的部分丢弃，然后对剩余部分进行傅立叶变换，然后解调。通过在o f d m 符号内加入循环前缀可以保证在f f t 周期内o f d m 符号的延时副本内所包含的波 形的周期个数是整数。这样，时延小于保护间隔疋的时延信号就不会在解调的过 程中产生i c i 。 第二章多载波调制基础 o f d m 符0 持乡史l 卜问 图2 7 具有循环前缀的o f 【) m 符号 2 3o f d m 和c d m a 结合的三种方案 o f d m 与c d m a 组合可以得到三种多载波c d m a 方案：m c c d m a ， m c d s c d m a 和m t - c d m a 。下面简单介绍一下这三种方案。 2 3 1m c c d m a 技术 m c c d m a 是把用户数据先在频域用给定长度大小的扩频因子进行扩频，然 后再将扩频后的码片分配到不同的信道上进行传输。若p n 码的长度为k ，则调制 到k 个子载波上，显然它是在频域进行扩频。 m c c d m a 发送框图和接收框图如图2 8 和图2 9 所示。图2 1 0 为信号频谱图。 1 6 o f d m 与m c c d m a 的性能比较 一0 久 。人 7 k y ， 。氏入 。 埒- 7 k y 7 i f f tp s + i c i c o s ( 2 万厶f ) 。融 7 拶7 图2 8m c c d m a 发送框图 一 rc ：y 。 l 一 f f ts p c ：) 少1 - 兮 一 ，o 1 ， o x i k i 图2 9m c c d m a 接收框图 发送信号为 图2 1 0m c c d m a 信号频谱 第二章多载波调制基础 k l 掣 ) = 彰c o s 2 硝( + 娩) p ( 爹一耋r ) 2 一1 3 ) 露瓣o 式中，k 表示子载波的数目，彰表示第j 个用户的第i 个信息位。表示第j 个用户扩频序列的第k 个码片，k = o ，鼯l 。五是最小的子载波中心频率。五是备 个子载波之间的频率闻隔。p 1 ) 是给定时闻内的信号脉冲，可以表示为： 脚h l 罴罄 ( 2 一1 4 ) 在这儿如果疋= l ? ，剡发射信号就露以像蕊d m 系统一样用l f 鞭算法产生。 实际上，如果由于原来的符号速率很高，以至于产生频率选择性衰落，则需要首 先将它经过串并变换再进行频域扩频。因为对于多载波传输，保证每个子载波满 足频率非选择 生衰落是至关重要的。原先的数据序列酋先被转换成尸个并行序列， 然后每个序列被映射到个子载波上。为了增加系统抗频率选择性衰落的稳定性， 必须选择合适的子载波数和保护间隔。 2 3 2m c d s c d m a m c d s c d m a 是在时域进行扩频处理，在这种方法中，如果子载波数取l ， 则其就变为一般的d s c d m a 。 m c d s c d m a 的发送框图和接收框图如图2 。l l 和图2 。1 2 所示。图2 。1 3 为信 号频谱。在发送端，先按子载波数目对各个用户的信患进行串并变换，然后对 并行的每路信号进行相同的短码扩频，再调制到各个子载波上，相邻的子带有l 2 的重叠，且保持正交关系。可见，c d m a 的扩频过程是在时域内完成的。各个子 载波翁问隔是按照扩频后的最小码片周期决定的。 一o1又 。人 7 k ：y 7 。氏入 。 s 伊 7 y 7 i f f tp s 下 c i 式a 7 ￥7 网2 1 lm c d s d m a 的发送框图 o f d m 与m c c d m a 的性能比较 ” + 一兮 一 一 r f f t s p c ： + 一弋多+ 一 图2 1 2m c d s d m a 的接收框图 cic 弋lac 弋岖一吣矗 图2 13m c d s c d m a 的信号频谱 m c d s c d m a 的发送信号为 ( f ) = 磁，尸( f f z g z ) c o s ( 2 万( 厶+ 晚) f ) ( 2 一1 5 ) 式中，磁，表示第j 个用户在第k 个信道中被调制后的第i 个码片，其中， g ：。，1 ，g l ，表示第j 个用户的扩频序列。厶= 鲁g ，咒是用户数据源的比特率， k 是子载波数，g 是扩频增益。z ：吾代表着信号间隔，i ：冬是码片持续时间。 3 r g 尸( f ) 的定义与式2 - 1 4 相同。 2 3 3m t c d m a m t - c d m a 与m c d s c d m a 一样，都是在时域对信号进行扩频的。输入数 第二章多载波调制基础 1 9 据流先经过串并变换，调制到不同的子载波上，以形成o f d m 信号，此时子载 波间有l 2 重叠，且满足正交性。o f d m 的符号周期为z ，然后再经过长g w ，的扩 频码扩频，则扩频后每个子载波的带宽扩展为g w r z ，而相邻子载波间隔仍保持 以前的1 z ，因此子载波间有更多的重叠，这时子载波间已不再保持正交。 m t c d m a 在时域的扩频序列是在i f f t 变换之后进行的，其发送框图、接收框图 和频谱如图2 1 4 ，2 1 5 ，2 1 6 所示。由图可以看出，m t c d m a 的频带利用率非常 高，但是，子载波之间严重交叠，失去了相互的正交性。由于它相当于传送相互 交叠严重的c d m a 信号，在接收端为了解调，必须加入r a l 江接收机。m t - c d m a 方案使用与子载波数目成正比的更长的扩频码，因此与通常的单载波d s c d m a 方案相比，该系统可以容纳更多的用户。 rs pi f f tp s b ； 图2 1 4m t c d m a 发送框图 _ - 一 一 f f ts p 图2 1 5m t c d m a 接收框图 2 0 o f d m 与m c c d m a 的性能比较 c e 七2 蕊c 弋岖一u 蕊 图2 1 6m t - c d m a 信号频谱 m t - c d m a 信号的发送信号公式类似于m c d s c d m a ： 式中，石= 鲁 其余各变量意义同上。 2 3 4o f d