（通信与信息系统专业论文）基于ofdm的超宽带接收技术研究.pdf

南京邮电大学 硕士学位论文摘要 学科、专业：工学通信与信息系统 研究方向：无线数据与移动计算网络 作 者：塑级研究生 宋上雷 题目：基于o f d m 的超宽带接收技术研究 英文题目：as t u d yo nu w br e c e i v i n gt e c h n o l o g yb a s e do n 0 f d m 主题词：超宽带正交频分复用正交频分多址 时频编码 k e y w o r d s ： u l t r aw i d e b a n do f d mo f d m a 7 i - f c 南京邮电大学学位论文独创性声明 本人声明所! 鞋交的学位论文是我个人在导师指导下进行的倒f 究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文巾特别j j 【l 以标注和致谢的 地方外，论文i l 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得南京邮电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仃何员献均已彳e 论文巾作了 明确的说明并表示了谢意。 删芒，l 攥私：牲孕一 i j ：型垒生 南京邮电大学学位论文使用授权声明 南京邮电大学、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。论文的公斫i ( 包括刊登) 授权 南京邮电大学研究生部办理。 研究生签名：窠上鼋 导师签名： 造生帆 摘要 摘要 超宽带( u l t r a w i d e b a n d ，u w b ) 技术是解决高速率、短距离无线通信系统的显著方案。 与常规无线通信系统桐比，超宽带系统其有很多优点。目前，关于超宽带的两大主流标 准分别是基于o f d m 技术的m b o f d m u w b 方案和基于直接序列扩频的d s u w b 方 案。 本文重点研究了m b o f d m u w b 的系统结构和多址接入方式。根据多带 o f d m u w b 通信系统的特点，提出了种基于两级扩频调制的系统结构和o f d m a 多 址接入方式，其中第一级采用直接序列扩频，第二级采用跳频技术。这种多址方式将码 分多址和跳频多址相结合，实现了正交频分复用( o f d m ) 、直接序列扩频码分多址 ( d s c d m a ) 和跳频多$ 1 j ：( f h m a ) 技术的优势互补，能有效对抗信道噪声，多径衰落和多 址干扰的影响。通过仿真获得了系统的误比特率( b e r ) 性能评估，仿真结果表明基于两 级扩频调制的多址接八方式( o f d m a ) 在i e e e 建议的多径信道模型c m i - c m 4 的信道条 件下，其误比特率( b e r ) 性能要优于传统的基于跳时脉冲位置调制( t h p p m u w b ) 的超 宽带系统的误比特率性能和i e e e s 0 2 1 5 3 a 建议的时频多：t l k ( t f m a ) ；h - 式误比特率性能。 南京邮 u 人学颂i ：础究生学位论文 摘要 a b s t r a c t u l t r aw i d e b a n d ( u w b ) t e c h n o l o g yh a sb e e np r o p o s e da sav i s i b l es o l u t i o nf o rh i g h s p e e d s h o r t r a n g ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s u w bs y s t e m sh a v em a n ya d v a n t a g e s o v e r n a r r o w b a n da n dc o n v e n t i o n a lw i d e b a n ds y s t e m s t h ed s u w ba n dm b - o f d m - u w ba r e t h et w om a i ns t a n d a r d so fu w b t h es t r u c t u r ea n dm u l t i p l ea c c e s st e c h n o l o g yo fm b o f d m u w bs y s t e ma r ea n a l y z e d i n t h i st h e s i s a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so fm u l t i b a n do f m d - u w bs y s t e m ，a l l 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 ea c c e s s ( o f d m a ) b a s e do ns p r e a d i n gf r e q u e n c ya n d f r e q u e n c y - h o p p i n gi sp r o p o s e d i t c o m b i n e sm u l t i c 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 ) w i t hf r e q u e n c yh o p p i n gm u l t i p l ea c c e s s ( f h m a ) a n df o r m san o v e lm u l t i p l e a c c e s st e c h n i q u e s nm a f ( e sf u l lu s eo ft h ea d v a n t a g e so fm c c d m aa n df h m aa n dr e d u c e s t h ee f f e c to ft h ec h a n n e ln o i s e ，m u l t i p a t ha n dm u l t i p l ea c c e s si n t e r f e r e n c eo nt h es y s t e m 、 s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h eo f d m ah a st h ea d v a n t a g e si nb i te r r o rr a t ep e r f o r m a n c eo v e r t h et r a d i t i o n a lt i m e h o p p i n gp u l s ep o s i t i o nm o d u l a t i o nu w bs y s t e ma n dt h et i m e 。f r e q u e n c y m u l t i p l ea c c e s sp r o p o s e db yi e e e 8 0 2 1 5 3 ao nt h ec h a n n e l sp r o p o s e db yi e e e 1 1 南京l | i | j 电人学硕。研究生学位论文 第1 章前言 1 1 超宽带技术 1 1 1 超宽带的概念 第1 章前言 超宽带( u l t r aw i d e b a n d ，u w b ) 技术在雷达和军事中的研究已有三十多年的历史，但 在商业通信中的应用才刚刚起步。美国f c c 于2 0 0 2 年4 月通过法案，允许超宽带在 3 1 1 0 ，6 g h z 频段向商业开放，拉开了超宽带民生用途研究的序幕。i e e e 8 0 2 委员会已将 超宽带作为无线个域网( w p a n ) 的基础技术来研究讨论，很有可能被未来b 3 g 4 g 所采 用。 u w b 是指系统带宽( 1 0 d b 带宽) 与系统中心频率之比大于2 0 或者系统带宽大于 5 0 0 m h z 的通信系统。例如一个系统中心频率为4 g h z ，可以使用的带宽超过1 g h z ，就为 超宽带。这种新颖的无线技术与传统的无线技术有着本质的不同，它不是去寻找可能存在 的新的频谱资源，而是利用频谱重叠技术去充分分享目前正在使用的频谱资源。 l ，1 2 超宽带无线通信技术的特点 与常规的无线技术相比，u w b 具有抗衰落、抗干扰、容量大、速率高、功率低等 突出优点，被认为是无线通信领域具有革命性的技术。 ( 1 ) 分辨率高，抗多径衰落 多径衰落是无线通信的一大障碍，传统的技术容易受到建筑物内部以及周围多径的 干扰，使得无线传输特性变差。u w b 具有极高的工作频率和极低的占空比从而具有很 高的分辨率，不同路径的分辨率可降到纳秒量级，因此对信道多径衰落不敏感，特别适 合于室内等多径密集的场合。u w b 非常窄的波形使得它有可能从信道的多个反射中被 独立的分辨出来，从而使得多径衰落大大减小。实验表明，对常规无线信号多径衰落深 达1 0 3 0 d b 的多径环境，对u w b 信号的衰落不超过5 d b 2 1 ，具有优良的抗多径衰落性 能。 ( 2 ) 干扰小，保密性好 u w b 抗多径衰落固有的鲁棒性，使得它的发射功率可以很低。根据f c c 规定，在 南京帅叱大学坝i j 研究生学位论空第f 帝前高 u w b 带宽内，u w b 信号的发射功率要小于0 5 6 r o w ，也就是说功率密度小于 7 5 n w m h z ( 一4 3 1 d b m m h z ) 。这样，一方面u w b 功率低，不会干扰其他通信系统；另 一方面，它的信号频谱如同噪声，具有很好的隐蔽性，不容易被截获，保密性好。 ( 3 ) 抗干扰能力强 u w b 扩频处理增益主要取决于脉冲的占空比和发送每个比特所用的脉冲数。u w b 的占空比一般为o ，0 1 0 0 0 1 ，具有比其他扩频系统高得多的处理增益，抗干扰能力强。 一般说来，u w b 抗干扰处理增益在5 0 d b 以上。 ( 4 ) 定位精度高 信号的定位精度与其带宽直接相关，u w b 信号的带宽一般在5 0 0 m h z 以上，远高 于一般无线通信信号，因此其定位精度也很高。基带窄脉冲信号形式的信号，因为其带 宽通常为数g h z ，所以其定位精度可以高达厘米量级。 表1 简单比较了几种与u w b 技术相近的其他几种短距离无线通信技术在传输速率， 传输距离等方面的性能指标。 表lu w b 技术与几种无线技术的比较 技术类剐 传输速率( m b l s ) 功耗( m w ) 传输距离( m ) 频段( g h z ) i e e e 8 0 2 1 1 a5 41 5 0 0 - 2 0 0 05 05 l e e e 8 0 21 1 b 1 1 1 0 01 0 02 4 监牙 11 1 0 0 5 0 2 4 h o m e r f2 01 0 0 2 5 05 02 4 u w b1 0 0 5 0 01 - 2 0 01 03 ，1 1 0 6 1 1 3 超宽带标准之争 虽然u w b 技术较其他短距离传输技术来说具备了传送超宽带信号的性能，似乎有 更光阔的市场前景，但目i j 其市场推广最大的障碍在于标准化工作。而且标准化工作上 还存在较大的分歧，造成统一标准工作的延迟。 目前u w b 技术标准方面存在两大阵营，分别是i n t e l 公司领导的m b o f d m u w b 标准 和m o t o r o l a 公司领导的d s u w b 标准。两大标准阵营的u w b 技术标准最大的分歧在于是采 用单频段技术还是多频段技术。m b o f d m 主张采用多频段技术，d s u w b 联盟主张采用 单频段技术。d s u w b 建议采用了双频带( 3 1 5 1 5 g h z 和5 8 2 5 1 0 6 g h z ) 的方法，即在每个 超过i g h z 的频带内用极短时间脉冲传输数据，该方法也称为脉冲无线电。它采用2 4 脉片 2 南京| | | | i l u 入学坝i 。研究生学位论文第1 章前裔 ( c h i p 符号) 的直接扩频( d s s s ) 实现编码增益，与m b o f d m u w b 相比有较好的频率利 用率。m b o f d m u w b 是予信道化的( c h a n n e l i z e d ) u w b 系统，每个子频带( 信道) 采用时 频交织正交频率复用( t f l 一o f d m ) 方式，把超宽带带宽分成一组正交窄带信道( 即增大符号 时间) 。长符号时间的好处是抗i s i ( 符号间干扰) 能力较强，但是o f d m 方式增加了收发器 的复杂度，增加了对i c i ( 子信道洲干扰) 的处理。表2 对d s - u w b 和m b o f d m - u w b 系统的 性能做了比较，两个方法的主要区别在于超宽带带宽的分配。其实两方恧都有各自的优缺 点。d s - u w b 技术是单频带方式或窄脉冲方式，多个传输任务可共享整个频带的频率。对 现有的，许可频带内的用户造成的干扰比较少，成本可以做得比较低，可实现更高速的无 线数据传输，应用于媒体流及大量的数据传输。m b o f d m u w b 技术是多频带方式，技术 上易于实现，功耗很低，频带的利用率高，多个频率子带并列，可以避开某些频带从而灵 活配置，速率的扩展性好。 表2d s u w b 和m b o f d m u w b 系统建议的性能比较 系统性能d s u w b m b o f d m - u w b 窄带干扰解决办法用r a k e 处理，降低扩频增益删除受影响频带 多径解决方法用r a k e 接收机 各自带为平衰落，不需均衡器 时间抖动较敏感，短时脉冲 不太敏感，符号周期长 子信道间干扰i c i受影响较小 对动态间隔敏感，受影响较大 共存的灵括性 一般较理想 定位准确度好，利用多径分辨率 一般 耗电 较少多，需要较高的峰均比p a p r 目前，两大阵营之l 、日j 的斗争达到了自热化程度，美i 垂i f c c 采取中立态度，拒绝直接选 择任何一种标准。但是目前看来m b o f d m _ u 、槽方案以其特有的性能得到了大部分人的支 持( 支持率5 8 ) ，虽然仍没有达到能够被接受为标准的7 5 。 1 1 4 超宽带的研究方向 超宽带在极大的吸弓 力背后，隐藏着许多极具挑战性的研究课题。超宽带的研究方 向主要有一下几个方面【3 】。 ( 1 ) 建立时域内的超宽带发射机模型。考虑天线的紧凑型、低电压、集成化、天线的 辐射效率、全向天线和定向天线的选择、极化分集和t e t m 模式的结合等a 常规的天线 南京邮电大学硕小研究生学位论文 第1 章前言 设计是根据天线的传输函数从频域来解决，而超宽带的天线最好从时域角度考虑。 ( 2 ) 研究超宽带信号的产生和基本功能的优化。从脉冲波形的选择，冲激脉冲波形的 控制、极性的控制、时间位置和重复速率的控制考虑。这些因素都会严重影响超宽带系 统的性能。产生波形通常用雪崩二极管、隧道二极管和水银开关等方法，但寄生现象会 影响波形的形状。 ( 3 ) 研究低电乎超宽带信号集合造成的于扰，超宽带系统与常规通信系统相互之阳】的 干扰在理论和实践上都没有完全弄清楚。有关有效平衡功率和通信范围之间的关系，仿 真结果表明在理论上能够达到有效的平衡，但还需要现场实验来验证。 ( 4 ) 研究用于超宽带的跳时码的设计，跳时码序列的快速同步捕获与跟踪。应用于超 宽带系统的跳时码具有特殊性，同时超宽带脉冲使得同步捕获与跟踪更加困难，并且同 步捕获的时间较长。研究超宽带快速同步捕获与跟踪将是一项艰巨的任务。 ( 5 ) 研究移动a dh o c 网络协议和路由协议，实现分布式的网络结构，盲捕获和自配 嚣功能。研究使用于超宽带技术的类似于蓝牙系统的组网协议。 ( 6 ) 研究基于超宽带传输技术的无线i p 技术。 ( 7 1 研究提高超宽带传输范围、数据传输速率、定位精度和更长的电源使用寿命。 ( 8 ) 研究超宽带的测试技术，包括传输信道的测试、信道模型等。 1 2 超宽带通信与多址接入技术 首先介绍一下多址接入的般原理。无线通信在历史上主要是集中在业务量大的点 对点通信，例如微波通信，这种通信方式的特点是不直接面对用户。如何才能充分发挥 无线通信的长处和潜力，进而解决大量的、分散的、大范围的、直接面对用户的通信就 提上了f 1 程。因此，2 0 世纪6 0 年代以来出现的卫星通信，移动通信，咀及后来的一点 多址通信，个人通信等，都是为实现这个目的发展起来的，也是其他通信方式( 如光纤， 电缆等) 无法代替的。这些通信方式从广义上讲都可归属于多址通信。卫星通信就是典型 的多址通信系统，使用单颗卫星系统就能把相隔1 7 0 0 0 k m 的众多用户互相连同。用3 颗 卫星系统，利用多址技术的灵活性可以覆盖全球用户。 实现多址通信的技术基础是信号分割。利用信号在频率或者时间上的正交性来对信 号进行划分，从而进行多址传输。在数学上，信号的正交性定义为： t f 石( t ) a ( t ) d t = o ( 1 - 1 1 6 4 南京岬l u 人学1 ：0 ； i 。研究生学位论文 第1 章前高 目前在通信系统中广泛应用的多址技术主要分为四类：频分多址( f d m a ) 、时分多 址( t d m a ) 、码分多址( c d m a ) 和空分多址( s d m a ) 。f d m a 是在频率轴上分割信道的 种方式，各路信号占据频率域中的不同频段。t d m a 与f d m a 不同，是在时间轴上分 割信道的种方式，各路信号出现的时刻各不相同。对每一个用户是在指定的时间内接 通信道，其他时白j 内另外用户接通信道。具体的说，就是将时间分成许多小段，称为时 隙，每个用户占用一个指定的时隙。而c d m a 则是利用扩展信号频谱的码序列的正交性 来分割信号，信号通过编码可以占据所有的时间或频带。多对用户可在同一个频率上同 时进行通信。而s d m a 主要是通过空间的分割来区分不同的用户，它的实现技术主要是 通过使用自适应阵列天线，通过天线在不同方向上形成不同的波束来区分不同的用户。 u w b 信号由于占据较宽的频带，只能与现有系统在频谱上重叠，因此不可避免的 会对窄带系统形成干扰。这就要求u w b 信号的功率谱尽量低，并且平坦，呈现随机噪 声的特性，以减小对窄带系统的干扰。从u w b 系统组网的角度看，为了实现低功率， 高容量的无线通信系统，希望能够尽量减小u w b 用户问的干扰，同时达到尽量高的传 输速率，增加接入的用户数，因此选择适当的信号结构实现多址传输，是将u w b 技术 用于短距离无线传输的一个重要研究内容。 本文主要研究一种结合m c c d m a 和f h m a 的o f d m a 多址接入技术，这种多址 技术既有m c c d m a 和f h m a 的主要优点，又有以下额外的好处：( a ) l h 于o f d m a 系 统不受微微区之问干扰的影响，因而具有更大的系统容量：( b ) o f d m a 可以灵活的适应 不同带宽的要求，特别能适应非对称数据业务的要求；( c ) 与动态子信道分配技术相结合， 可以支持高速的数据传输，满足不同用户的需求。另外，这种多址技术能够满足 i e e e s 0 2 1 5 3 a w p a n 标准中4 个以上微微网( p i c o n e t ) 同时运行的要求。 1 3 论文架构 本论文是这样安排的：第一章前言，概述了超宽带技术以及本论文所研究课题的出 发点；第二章介绍了多载波c d m a 系统，o f d m 技术的一般原理，常见的多载波方寨 以及m b o f d m 信号的频谱分析和仿真。第三章介绍了超宽带系统的信道模型，主要介 绍了i e e e s 0 2 1 5 3 a 标准中建议的4 种u w b 信道模型，介绍了信道模型的描述以及实现； 第四章和第五章是本文的重点，第四章提出了一种新的系统架构和多址接入方案 ( o f d m a ) ，第五章主要对这种方案进行了仿真和比较，得出结论；最后一章是结论和进 一步的研究建议。 e 南京邮f 乜人学坝f j 例究生学位论文第2 章m c - c d m a 系统以及m b o f d m 信号分析 第2 章m c c d m a 系统以及m b o f d m 信号的分析 2 1 多载波c d m a 概述 无线信道时间弥散会限制无线信道传输速率的提高。这是因为在无线环境中存在多 径效应，到达接收机的信号是由一些通过不同路径到达的信号叠加而成的。这些幅度衰 减和时延不同的信号相互叠加造成接收信号失真。特别是在高速数据传输时，路径的时 延扩展大于传输数据周期，信号间的干扰更加严重。另外，数据传输速率较高时，信号 占有的频带变宽，当信号带宽接近或大于信道相干带宽时，信道的时间弥散对接收信号 造成频率选择性衰落。因此，在复杂多变的无线信道中，需要设计出性能良好的能够抗 多径干扰的无线传输技术，对信道具有很强的适应能力。 码分多址技术是一项发展成熟、很有前途的技术。窄带信号通过与扩频码相乘而扩 展为宽带信号后进行发射。使用的扩频信号可以是伪随机序列，码片速率比原数据速率 高若干个数量级。c d m a 技术能让很多的用户共享相同的频谱资源，而不会产生明显的 干扰，因此在多用户情况下可以提高频谱效率。通过扩频技术不但可以将某一特定扩频 信号从其他信号中恢复出来，还能有效的对抗窄带干扰，因为窄带干扰只影响扩频信号 中的一小部分信号。同时。良好的抗多径干扰的特性也是无线通信系统中广泛采用 c d m a 技术的重要原因之一。 直接序列扩频码分多址是一种应用广泛的扩频多址技术。它采用伪随机序列调制数 据符号，只要选驳的码片周期小于传播路径中的最小相对时延，则每条路径信号就可通 过r a k e 接收机分离识别，再利用伪随机序列的相关性，按适当的算法将多径信号合并 以恢复原始信号，这样能有效的对抗频率选择性衰落，获得时间分集的效果。但是，由 于扩频序列设计不理想会引入多址干扰( m a i ) ，特别是对互相关性不为零所产生的多址 干扰，除研究中的多用户检测技术外，目前尚无有效的解决办法；高速数据的传送会增 加可识剐的路径数量，使信号分布在每条路径上的能量减少，这会给信道估计和相关检 测带来很大的困难，增加了r a k e 接收机的复杂度。 o f d m 技术利用了多径效应在频域上的特性，使信道的频域均衡更易实现，适合高 速数据传送。它是把数据流分解为若干个子数据流，再把这些子数据流分别调制到若干 个相互币交的子载波上。在这种多载波调制信道中，数据传送速率相对较低，码元周期 加长，只要保证时延扩展小于码元周期，就不会造成码唰干扰；若干个子载波把频域分 6 南京邮电人学颂j j 研究生学位论文 第2 章m c c d m a 系统以及m b o f d m 信号分析 成若干个相互正交的子信道，只要予信道的带宽小于相干带宽，使每一个信道的频谱特 性都近似平坦，也可以有效对抗频率选择性衰落。这种方案可以解决信道的时间弥散问 题。但是，如果子载波处于深度衰落时，如不采用纠错编码，会产生很高的误比特率。 c d m a 技术和o f d m 技术各有利弊，m c c d m a 技术就是将二者结合起来，取长 补短，以达到更好的通信传输效果的一种技术。总结目前提出的以o f d m 和c d m a 为 基础的多载波c d m a 的方案，它们可以分为两大类：一类是用给定的扩频序列对经过串 并变换后的数据流进行扩频，也就是在对应的每路载波上进行类似d s c d m a 的操作， 即在时域上进行扩频；另一类是用给定的扩频序列对原始数据流扩频，用扩频序列中对 应的每个码片将数据调制到不同的子载波上，即在频域上进行扩展。 2 2 多载波c d m a 方案 2 2 1 时域扩频 基于时域扩频的o f d m 和c d m a 结合的方案，主要有两种形式：多载波 d s c d m a ( m c d s c d m a ，m u l t i c a r r i e rd s c d m a ) 和多音调c d m a ( m t - c d m a ， m u l t i t o n ec d m a ) 。本章主要介绍m c d s c d m a 。 m c ，d s c d m a 方案在时域上完成数据信号扩频。发送序列( 假定这个序列已经经过 映射，调制) 首先经过串并变换成，路数据并行输出，然后每路数据由相同的短扩频码 扩频，最后对这路数据进行o f d m 调制。扩频后相邻子带之间有1 2 的薰叠，且保持 正交关系。出于扩频后的信号带宽被陨制在一个子带中，因此一般适宜较短的扩频序列。 图2 1 和图2 - 2 分别表示m c d s c d m a 的发射机和接收机的基本模型。在发射端， 设每帧数据有，个数据符号和。个导频符号，相邻符号的时间间隔为乃。经过串并变 换后，在每个子载波上的相邻符号的时i 训间隔变为t = n c 乃。若扩频序列长度等于扩 频因子的值( s f ，s p r e a d i n gf a c t o r ) ，该发射信号的表达式为 ( ( 。+ n a ) 。) 一1u s ( f ) = 。s 一i c ) 为 ( 2 1 ) 其中，u 是激活用户数，j ? ( f ) 是第“各用户的第i 路扩频后的符号表达式，可表示 南京| | 1 1 i u 人学坝h 卅究生学位论文第2 帝m c c d m a 系统以及m b o f d m 竹0 分析 。一js f i f ( f ) = 艺战，e n 吲。盯p ( t l t 。) 五= 石+ 母t( 2 - 2 ) l = 7 = + i 在式( 2 - 2 ) 叶j ： 卅，：第“个用户在第k 路子载波上的第f 个输入数据信息。 c j f ：第“个用户使用的扩频码中的第，个码片。在第“个用户的所有子载波上都使用 相同的扩频序列c “= c ：，c * 1 a ：第路子载波的频率。 五： ，c 路子载波中最低的频率。 t ：保护间隔：i ：每个子载波上一个码片的持续时间a 卫羚 申井蜴 l f f t 扑串 变换变换 一兰抟，n1 一 u 用户u 图2 1m c d s - c d m a 发射机模型 在接收端，经过f f t 变换后，通过信道估计得到信道信息并对接收端的数据进行均 衡，每路输出采用个相关接收机。由于每路数据只分配到单个子信道中发射，所以在 这种方案中如果不采用前向纠错编码就不能获得频率分集增益( 文献【4 】) 。但是在频率选 择性慢衰落信道中，只要保证扩频序列之间的正交性以及接收的完全同步，就不会引入 多址干扰。 0l ： 7 、：广 小卅 i 相位 c ( ，) 上 1 受换 f f t偏咎 卜 月。小 ， 塞l i f 变换 ： e ，( f ) 土： - ( ! 卜- + - - 图2 - 2m c d s c d m a 接收机模型 8 判 南京帅也人学坝l 研究生学位论立第2 帝m c c d m a 系统以及m b o f d m 信u - 分析 2 2 2 频域扩频 m c c d m a 系统采用频域扩频方式。其基本过程是：每个信息符号由一个特定的扩 频码片进行扩频，然后将扩频以后的每个符号调制到一个子载波上，因此，如扩频码长 度为，那么对应的这个子载波传送的是相同的信息数据。图2 - 3 是m c c d m a 实 现的基本原理图。口，吵 表示第i 个用户的输入数据序列中的一个调制符号， c i , oc ，。州一1 是与第f 个用户对应的扩频码， 五， ，厶一1 是一组正交的予载波集， 其频谱互相重叠。 p 手美竺卜 噬! 忪叫b b 长茹竺纠5 可以把m c c d m a 看作一种o f d m 技术，只是在形成o f d m 符号前，先将用户的 信息和扩频码矩阵相乘。这样在下行链路中，使用i f f t 和扩频序列矩阵模块就能方便 的实现发射，如图2 - 4 所示。 图2 4m c c d m a 发射方式 以上发射方式表明m c c d m a 方案充分保留了o f d m 和c d m a 各自的特点。接收 端只需采用简单易行的信道均衡技术和合适的增益合并方式，就可以获得满意的误码性 能。 m c c d m a 具有最佳的频谱分配，抗干扰能力强，而且发射机的实现较简单，所以 m c c d m a 的总体性能优于m c d s c d m a 。m c c d m a 的每个数据符号的扩频在频域 9 南京1 1 1 | i 乜大学硕i 研究生学位论文 第2 章m c - c d m a 系统以及m b - o f d m 信号分析 内完成，接收机在频域上能充分聚集信号的能量，从而做出最佳判决；而m c d s c d m a 在时域上不能完全聚集信号能量，因此，m c - c d m a 性能要优于m c d s 。c d m a 。此外， m c - c d m a 技术采用频域上扩频，在频域内有一定的自由度，每个用户的处理增益可随 移动网络的要求进行及时修f ，同时接收端的解扩合并技术和o f d m 的频域均衡技术结 合，实现的复杂度较低。 2 3m c - c d m a 系统描述 2 3 1 发射机模型 m c c d m a 的发射机模型如图2 5 所示，发射信号频谱如图2 - 6 所示。m c - - c d m a 是在频域内使用扩频序列对原始信号进行扩频。在多载波系统中，原始信号输入速率很 高，经过串并变换，每个数据符号的周期很长，不易受到频率选择性衰落的影响，因此 每个子载波可认为是频率非选择性袭落信道。同时每个数据周期变长更容易实现同步。 数据流比特 、。生 _ 一墨鼷! 画 丧 广驾斗挚啦 加 并 保 由 井 墨蛳! 型i 咋f t护 变 变 间 换 换 隔 ； 辎舞竺! l 一一徽峨涮 幽2 - 5m c - c d m a 发射机模型 对于第”个用户，输入的数据序列首先串并变换成n c s f 路，这n c s f 路输出的数 据可以表示为 ( f ) d 阳) ，口过，跖( f ) ，( f ) 为第”路上的第f 个信息比特。每路的输出 进入对应的复制模块复制为s f 路相同的数据( s f 是扩频码的长度) ，然后每s f 路相同的 数掘与长度为s f 的扩频码相乘完成频域扩频。扩频后的s f 路数据进行i f f t 变换和 并串变换，插入保护间隔瑁。为了消除因多径传输而导致的码问干扰( i s i ) ，保护间隔要 1 0 南京邮l u 人学坝i ? 州宄生学位论史 第2 章m c c d m a 系统以驶m b o f d m 信0 分析 大于信道最大时延扩展。 第“个用户的发送信号的等效低通形式为 s ；! ，( ( f ) = 一 ( 心j s f ) 一 h ：0 * 1 ( f ) q ( m ) 。伽小“m7 ”m v 。n 7 ：见。一i l ) ( 2 3 ) m = 0 i = ( 札s f ) t , 厂= 1 ，( f i ) q = h ( o ) ，q ( s f 一1 ) 卜第“个用户的扩频序列。 瓦：是每个子载波上的符号周期。 厂+ ：是最小的子载波间隔。 只( ，) ：矩形脉冲波形，表达式为： p a t ) = 1 ，s t 疋 式( 2 4 ) 表示每个子载波上的符号速率是原始符号速率的札i s ! f 倍 粥 图2 - 6m c c d m a 发射信号频谱 ( 2 4 ) ( 2 - 5 ) ( 2 6 ) 在m c c d m a 系统中，扩频序列般是w a l s h h a r d m a r d 码，这种码序列具有很好 的互相关特性，而且在码组内所有的码序列是相互正交的。在m c c d m a 系统中，只要 保证完善的定时同步以及理想的信道估计，很容易做到恢复不同用户扩频码之削的f 交 性。因此系统能容纳的最大用户数e l 等于扩频码长度，从而提高系统容量。 南宸m f 也人学坝f 甜f 究生学位论义 第2 章m c c d m a 系统以成m b o f d m 信0 讣析 2 , 3 2 接收机模型 假设接收机的符号和载波都己实现完全同步，接收信号经过下变频后，恢复出基带 信号，其表达式为： ( f ) = 艺f s 款( 卜f ) 圆( f ，t ) d r + n ( f ) 。u = l - 。(27)isi 十( m? ) 一ls f 一1u 、7 = k ，( ，) ( f ) q ( 埘) 以( ，一f ) p 。2 州虬7 ”+ ”。“o + 疗口) 一一” 月= 0，j f = 0“= d 蟛。( r ) 是第u 个用户在对应k 路子载波上( 尼= ( m 聊+ n ) 的传输函数。n ( f ) 是均 值为0 ，方差为n ，2 的高斯白噪声。 图2 7m c c d m a 接收机模型 接收机模型( 针对第“个用户信号的接收) 如图2 7 所示。接收端的信号进行与发射机 端相反的一系列操作，去保护间隔，串并变换，f f t 变换。在f f t 变换之后要通过信道 估计获取信道信息从而完成以后的合并。在进入合并模块前，第u 个用户每路子载波的 接收信号乘以增益因子完成信道均衡和信号解扩，因此增益因子不但包含信道信息，还 有扩频码信息。合并模块是将传输相同信息的子载波数据线形叠加，送入解调器进行判 决，最后恢复出原始数据。 南京| | l | i l 也大学坝l 。m 究生学位论文 第2 章m c - c d m a 系统以及m b o f d m 信吁分析 2 4 多频段超宽带信号的产生及其频谱分析 2 4 1m b o f d m 信号的产生 基于多频段( m b ) 方式，在每个子带内可以使用不同的数据调制类型，正确的频 谱宽可以通过合适的比特率实现，应用最广泛的标准即o f d m 调制方式。 一个已调的o f d m 信号由调制在不同载波频率无上的几个并行发射的信号组 成。这些载波等间隔的位于频域上，其间隔为a f 。o f d m 调制器输入的二进制序 列每k 比特编为一组，以产生具有_ 个符号的数据块 弼，以，d 川 ，这里假定靠 是上个可能取值中的一个，k = n 比。最后，每个符号调制一个不同的载波。为 了并行传输数据块的个符号，不同调制载波信号在频率上必须汇交。如果瓦是在 相应载波上发射每个符号的时间，不同发射信号间的正交性可以通过v = 1 ，瓦获得。 另外，在发射数据块之间还要引入保护间隔，这主要是为了防止符号问干扰( i s i ) 。 l 鲴i i t ，总的o f d m 符号的持续时间是丁= 瓦+ ，可以得到最大的符号速率为： r 下n 纛 ( 2 - 8 ) 保护问隔通常是总符号问隔的2 0 3 0 。一般的，保护间隔用来发射o f d m 信号最后边界部分的一段拷贝，成为“循环前缀”。这样做主要是为了在经过时间弥 散信道之后，仍能保持接收端载波的同步。循环前缀的长度很显然受到保护间隔持 续时间的限制。在接收端，循环前缀被丢弃。 所有调制器使用相同的矩形波g ，其持续时问为了1 ： g r ( f ) = 而 一- - - t o t 挺毛 ( 2 9 ) 如果符号以，在星座图中的点用= + _ ，表示，o f d m 信号中有n 个符号的 数掘块的表达式如下： x ( f ) = 9 7 ( f ) ( 口。c o s ( 2 ，( 厶+ 厶) f + 8 ) 一b 。s i n ( 2 丌( + ，m ) f + 扫) ) ( 2 1 0 ) 而相应的复包络是： 南；隶l l l l h l t 人学碜! l - 研究生学位论文第2 章m c c d m a 系统以及m b - o f d m 信号分析 一ln i 互o ) = g r ( f ) c m e 2 8 厶= c , q o 。o ) s g ，o ) s o ) 其中( f ) = g t ( f ) p m ，s ( f ) 是周期为磊的周期函数。 ( 2 - 1 1 ) 式( 2 1o ) 中o f d m 信号的数字变换相当于传输式( 2 一1 1 ) 中复数包络的抽样值，也就是 说传输序列可以表示如下： 一i 墨 ，1 】= x _ ( n t 。) = g r n t 。) p 一咖 ( 2 - 1 2 ) = 0 这里f 。是抽样周期。根据式( 2 一l o ) ，x ( r ) 由并行发射的占有频带宽度为2 a f 的n 个 信号组成，其中调制载波间隔为，。于是可以合理的假设式( 2 - 1 1 ) 中复包络的频带范围 为一b b ，其中b = n a f l 2 。因此，o f d m 符号复包络可以用在t = 瓦整数倍处的 抽样值表示： 而且，我们假定z = m a r 一( n 2 ) 希i = m ，瓦- n ( 2 t o ) ，可以导出 一l 2 j r m nn - 1 。2 x m n 点m = g r ( 一t ) p 。丁p 伽一g r ( 以) ( 一1 ) “c 。p 。丁( 2 - 1 4 ) ；0 m = 0 式( 2 7 ) 中的和式相当于矢量c 的第”个元素，矢量c 表示 ，c _ 1 ) 的傅立 叶反变换( i d f t ) ： x n 】= g ，( 甩) ( 一1 ) ”c j ( 2 1 5 ) 式( 2 1 5 ) 表明，式( 2 - l o ) 中复包络的抽样值，可以通过计算系数 c o ，c m ，c 。 的 i d f t 序列 c o ，q ，c n 一1 ) 的值来得到。从文献 5 】知道，式( 2 1 5 ) = 0 的连续变换不允许 复制实数的o f d m 信号。这主要是因为，将这一序列送给数模转换器时，没有进行过抽 样会引起不可容忍的混叠现象。以上问题的解决办法是，在计算i d f t 之前将零充到输 入序列 c ，c 。，c 。 中。补零到输入序列中相当于又引入了幅值为零的附加子载波。 因而过抽样的零值应该加到输入矢量的中间而不是末尾。这样，附加的子载波频率就会 出现在- + w 2 抽样频率附近，就不会干扰o f d m 信号原来的子载波。 由于i d f t 是一个周期为的周期序列，在数字域中引入循环前缀，是将式( 2 ，1 5 ) l4 学 删 南京揶i u 人学坝圳究生学位论义鹅2 章m c c d m a 系统以及m b o f d m 侨l ，分析 的原始序列术尾的m j = 正j t 。个元素加到本序列的起始处。式( 2 - 8 ) 表示的符号速率是原 始比特率，即它相当于一个已编码的用户数据速率。如果原始比特速率是固定的，那么 传输编码所引入的冗余耿决于用户的数据速率。 2 4 2m b o f d m 信号的频谱特征 多频段方式将信号的总带宽划分为若干较小的频带，根据f c c 的规定 f c c 2 0 0 2 ， 其中每个子带的带宽至少为5 0 0 m h z 。采用o f d m 技术，在相继的时间里于不同子频带 内传输给定用户的数掘，可以避免特定频带上的非人为干扰而不需要射频限波滤波器。 这罩先研究o f d m 信号的频谱特征，再研究m b o f d m 信号的频谱特征。 一个o f d m 符号是由个并行传输的符号构成，这些信号调制在相隔v 的不同的 载频上。二进制源序列被分为每组足个比特的若干组，用以产生具有个符号的数据块， 具有个符号的数据块定义在一个由工个可能取值的集合上且满足：k = n l o g ：。每 个不同的符号被调制到不同的载波。在接收端为了区分一个o f d m 符号的个并行符 号，要求个并行信号在频率上必须是正交的。如果r o 是在相应载波上传输每个符号所 需要的时间，那么选择厂= l i t o 就能满足正交性。在相继的各数据块之间还需要引入保 护删隔z ，主要是为了避免i s i ，因此一个o f d m 的一个符号总的持续时间为： t = 瓦+ t i 。o f d m 符号最后的边界部分通常在保护间隔内重复发射，称为循环i i 缀。 循环前缀的主要作用在于经过时间弥散信道后仍可保持接收端的载波同步。循环前缀的 长度受到保护间隔的限制。 在上一小节中叙述了k 个o f d m 符号的复包络丑( f ) 的抽样值可以通过计算调制在 正交载波上的复序列 ，一l 的i d f t 得到。用矢量c 表示复序列 c 。，e 。，一l 的i d f t ，矢量c 的第n 个元素g 产生的第 个抽样点。系数e 可以表 示如下： e ：型叩m 孑( 2 - 1 6 ) o f d m 符号相应信号的复包络可以表示为： 南京| | | | j l u 人学坝u f 究生学位论史 第2 章m c c d m a 系统以及m b o f d m 信世分析 点( f ) = x _ ( t - n t ) ( 2 - 1 7 ) 利用中心极限定理，假设e 服从高斯分布，均值为零。因此所有的e 都是不相关的 又因为服从高斯分布，因此它们是独立的；同时假设