（通信与信息系统专业论文）chirp调制多载波通信系统发送机的设计.pdf

r i j 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位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 也不包含为获得东南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了谢意 研究生签名 墨亟日期 兰二 竺 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学 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 论文的公布 包括刊登 授权东南大学研究生院办理 7z 研究生签名 兰垫 导师签名 日期 摘要 摘要 随着移动通信的发展 在有限带宽内对信息传输速率的要求不断提高 多载波通信 技术主要包括o f d m 正交频分复用 与g m c 广义多载波 它将信息分配到各个子 载波上 有效的提高了频谱利用率 可以满足高速率信息传输的要求 但由于在有限带 宽下传输更高的信息量 o f d m 更是要求其子载波在传输过程中保持正交性 这就使得 系统性能受频偏影响较大 而在一些高速移动环境下 例如高速铁路 信号会产生比较 大的多普勒频偏 这会增加子载波间干扰 严重影响系统性能 o f d m 技术已经被众多 标准组织例如3 g p p 和i e e e 8 0 2 1 6 e 列入其标准中 在o f d m 的基础上 人们又提出了 g m c 技术 普通o f d m 与g m c 的调制解调采用正弦子载波 采用时频分析方法可以 得到正弦波的时频分布是水平平行的直线 c h 卸 线性调频信号 的时频分布则是斜线 并且其斜率是可以自由改变的 这意味着有可能通过改变c h i r p 时频分布的斜率来使子 载波有效带宽增加 提高多载波系统抗多普勒性能 本文首先主要研究信道特性及其仿 真模型 多普勒原理以及普通o f d m 与g m c 抗多普勒频偏的性能 然后通过采用c h 卸 调制解调替换原有正弦子载波调制解调来提高多载波系统抗多普勒性能 接着在此基础 上推导出新系统发送机调制的快速算法 最后采用信道编码技术完善发送机 经过对仿 真结果分析 在不明显增加系统复杂度的前提下 采用c h i 甲调制的系统抗多普勒性能 在原有普通o f d m 基础上有明显的提高 关键词 o f d m g m c 时频分析 c h 卸 信道编码 东南大学硕士学位论文 l l a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm o b i l ec o m m u n i c a t i o n i n f o m a t i o nt r a n s m i s s i o ns p e e dm c r e a s e w i t hl i m i t e db a n d w i d t h m u l t i c a r r i e rc o m m u n i c a i t i 吼m a i n l yi n c l u d e so f d m o n h o g o n a l 能q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g a n dg m c g e n e r a lm u l t i c a r r i e r a i l d i td i s t r i b u t e st h e i n f o 咖a t i o nd a t e st 0s u b c 稍e r st oe 疗 e c t i v e l yi m p r o v et h es p e c t n le m c i e n c ys u c ht h a ti tc a n s a t i s 毋t 1 1 er e q u i r 锄e n to fh i g hs p e e di n f o r m a t i o nt 啪s m i s s i o n b u td u et o t h ei n c r e a s eo f c o 姗叭m i c a i t o nr a t ei nt h el i m i t e db 锄d w i d t h e s p e c i a l l yo f d mr e q u i r et h eo n h o g n a l i t yo f s u b c a r r i e r s m i sm a l e sm u l t i c a 玎i e rc o m m u n i c a i t o ns y s t e ms e n s t i v et o 仔e q u e n c yo f r s e t i n s o m e1 1 i 曲一s p e e dc i r c 砌s t a i l c e s u c h 邪h i 曲 s p e e dr a i l w a y i t 谢l lp r o d u c el a r g ed o p p l e rs h i r w 1 1 i c hw i ni n c r e a s ei c i i m e r c a r r i e ri n t e 疵r e n c e t 0d e g r a d et h es y s t e mp e r f o n n a i l c e t h e t e c h n o l o g yo fo f d m h a sb e e na p p l i e dt 0 证l e 咖d a r do f3 g p pl t ea n di e e e8 0 2 16 e b a s e o nt h eo f d m p e o p l eb r o u g h tu pg m c g e n e 期1 i z e dm u l t i c a r r i e r t e c h n o l o g y t h em o d u l a t i o n 锄dd e m o d u l a t i o no fn o 衄a lo f d m 锄dg m ca d o p ts i n es u b c a r r i e r sw r h o s et i m e f r e q u e n c y d i s t r i b u t i o ni sap 撇l l e l l i n ew h i l ec h i 印 st i m e 肫q u e n c yd i s t r i b u t i o ni s 肌o b l i q u el i n eo f w r h i c ht l l es l o p ec 觚b ec h a j l g e dl j r e e l y 锄d sm e a i l sw ec a i lc h a j l g et h et i m e 骶q u e n c y d i s t r i b m i o no fc h i 坤t 0a d a p tt 0t l l ev 撕a t i o no ft h ec h 锄n e lb e t t e r f i r s t l y t h i sd i s s e r t a t i o n m a i n l ys t u d i e st h ec h a r a c t e ro fc h a i i l l e l p r i n c i p l eo fd o p p l e ra n dt h e 锄t i d o p p l e rp e r f 0 咖a n c e o fn o n n a lo f d ma n dg m c s e c o n d l yr 印l a c et l l es i n es u b c a r r i e r s i t hc h i 印s u b c 硎e r si nt h e m o d u l a t i o na n dd e m o d u l a t i o nt oi m p r 0 v et h ea i l t i d o p p l e rp e r f 0 m l a n c e t t l i r d l yd e d u c et h ef a s t a l g o r i t m lo ft h em o d u l a t i o no fm en e ws y s t e m a tl a s ta d dt h ec h a r m e lc o d i n gt op e r f e c tt h e t r a n s m i 慨la r e rt h ea n a l y s i so fs i m u l a t i o nr e s u l t s u n d e rt h ep r e m i s eo fn oo b v i o u si n c r e a s e i i lc o m p l e x i t o f 也em o d u l a t i o no fs y s t e m t l l ea n t i d o p p i e rp e r f o 珊a i l c eo fs y s t e mb a u s e do n c h 卸m o d u l a t i o ni ss i 弘i f i c a n t l yb e t t e rt h 锄t h eo f d ms y s t e m k e yw b r d s 0 f d m g m c c h i r p c h a n n e lc o d e 1 n 东南大学硕 t 学位论文 目录 目录 摘要 i a b s t r a c t i i i 目蜀专 v 插图目录 v i l 本论文专业术语注释表 i x 第一章绪论 l 1 1 论文研究背景 1 1 2 论文研究内容 2 第二章无线移动信道和o f d m 系统及时频分析理论 5 2 1 移动无线信道特性 5 2 1 1 小尺度衰落 5 2 1 2 无线移动通信小尺度衰落信道模型 7 2 2 0 f d m 技术简介 l3 2 2 1o f d m 调制与解调 1 5 2 2 2 保护间隔与循环前缀 1 7 2 2 3 加窗 l8 2 2 4o f d m 的系统实现 1 9 2 3时频分析 2 0 2 3 1 时频分布 2 l 2 3 2 分数阶傅里叶变换 2 2 2 4 本章小结 2 4 第三章g m c 及其与o f d m 性能比较 2 5 3 1 多速率滤波器介绍 2 5 3 1 1 整数倍抽取 2 5 3 1 2 整数倍内插 2 7 3 2g m c 原理及其快速算法 2 8 3 2 1g m c 原理 2 8 3 2 2g m c 快速算法 3 0 3 3 采用调频信号的多载波系统 3 2 3 3 1 基于分数阶傅旱叶变换的多载波系统 3 3 3 3 2 采用c h 卸调制解调的广义多载波滤波器组 3 4 3 4 仿真结果 3 5 3 5 本章小结 3 8 第四章采用线性调频信号多载波系统发送机调制的快速算法 3 9 4 1 采用c h i 印的普通多载波系统发送机调制快速算法 3 9 4 2 采用c h i 印的广义多载波发送机滤波器组快速算法 4 0 4 3 本章小结 4 3 第五章信道编码在多载波通信中的应用 4 5 5 1 信道编码原理 4 5 5 2 卷积码 4 5 5 2 1 卷积码的编码 4 5 5 2 2 维特比译码 4 6 5 3t l j r l 0 码 4 7 v 东南大学硕士学位论文 5 3 1t u 帕 码的编码结构 4 7 5 3 2t u r b o 码的译码结构 4 8 5 4 仿真结果 5 0 5 5 本章小结 5 l 第六章总结与展望 5 3 6 1 工作总结 5 3 6 2 下一步的研究工作 5 3 致谢 5 5 参考文献 5 6 插图目录 插图目录 图2 1 多径延迟 图2 2 多普勒效应图 图2 3 a j a k e s 算法和 b 改进j a k e s 算法中的相位选取 图2 4j a k e s 模型单径信道冲激响应函数实部与虚部的自相关函数和互相关函数 图2 5j a k e s 模型单径信道冲激响应的自相关函数 两条路径的信道冲激响应的互相关函 数 图2 6 修正的j a k e s 模型单径信道冲激响应函数实部与虚部的自相关函数和互相关函数 图2 7 修正的j a l e s 模型单径信道冲激响应函数的自相关函数 两条路径的冲激响应的 互相关函数 图2 8 改进的j a k e s 模型单径信道冲激响应函数实部与虚部的自相关函数和互相关函数 图2 9 改进的j a k e s 模型单径信道冲激响应函数的自相关函数 两条路径的冲激响应的 互相关函数 图2 1 0 多载波传输示意图 图2 1 1 多载波传输的结构图 图2 1 2f d m 与o f d m 频谱利用率比较 图2 1 3o f d m 系统基本模型框图 图2 1 4o f d m 发送信号频谱 图2 1 5o f d m 的f f t 实现 图2 1 6 循环前缀示意图 图2 1 7 加c p 后o f d m 发送信号的频谱 图2 1 8 加窗过程 图2 1 9 加窗后o f d m 发送信号频谱 图2 2 0o f d m 系统框图 图2 2 l 普通o f d m 系统正弦子载波时频分布图 图2 2 2c h 卸子载波时频分布图 图2 2 3 平面旋转角变成平面 图3 1 抽取时域示意图 图3 2 抽取频域示意图 图3 3 内插时域示意图 图3 4 内插频域示意图 图3 5g m c 调制解调滤波器组数字结构 图3 6g m c 调制解调滤波器组 图3 7 采用c h 卸调制解调的广义多载波滤波器组 图3 8 静止信道下o f d m 与f r f t b a s e dm u l t i c a r r i e r 的性能比较 图3 9 多普勒频偏为1 0 0 h z 时 四个系统的性能比较 图3 1 0 多普勒频偏为5 0 0 h z 时 四个系统的性能比较 图3 1 l 多普勒频偏为1 0 0 0 h z 时 四个系统的性能比较 图4 1 分数级傅里叶域的多载波实现框图 图5 1 3 l 3 卷积码原理框图 图5 2 3 l 3 卷积码网格图 图5 3 2 l 3 卷积码编码器 图5 4 2 l 3 卷积码网格图 图5 5t i 如 码编码器结构框图 v h 东南大学硕士学位论文 图5 6 t u r b o 码译码器结构 图5 7 多普勒频偏为1 0 0 0 h z 时 加信道编码系统的性能比较 插图目录 3 g 3 g p p a d c b e r c d m a c p d a c f d m a f f t f i 强t g i g m c i c i i d f t i f f t i s i l t e o f d m p a r q p s k s n r t d m a 本论文专业术语注释表 i h i r d g e n e r a t i o n 3r dg e n e r a t i o np a r t n e r s h i pp r o je c t a n a l o g t o d 酒t a lc o n v e n e r b i te 1 1 r o rr a t e c o d e d i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s c y c l i cp r e f i x d i g i t a l t o a n a l o gc o n v e r t e r f r e q u e n c y d i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s f a s tf o u r i e r1 r a n s f o n n f r a c t i o n a lf o u r i e r1 1 r a i l s f o m g u a l di m e n a l g e n e r a l i z e dm u l t i c a r r i e r i n t e r c 删e ri n t e r f e r e n c e i n v e r s ed i s c r e t ef o u r i e rt r a i l s f o m i n v e r s ef a s tf o u r i e rt r 锄s f o n i l i n t e r s v m b o li n t e r 陌r e n c e l o n gt c 咖e v o l u t i o n 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 i e x i n g p e a l t o a v e r a g er a t i o q u a d r 加j 1 ep h 嬲es h mk e y i n g s i 弘a l t 0 n o i s er a t i o t i m e d i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s l x 东南大学硕士学位论文 x 第一章绪论 1 1 论文研究背景 第一章绪论 随着技术的进步和人类对无线通信需求的不断提高 移动通信不断发展 给人类的 生活带来极大的便利 对社会的发展和进步产生重大影响 目前移动通信已经发展了三 代 从采用频分多址 f d m a 技术为代表的第一代 到以码分多址 c d m a 技术和时分多 址 t d m a 技术提供话音和低速率的数据业务的第二代 再到采用c d m a 技术以实现全 球覆盖 接口开放 终端多样化等为目标的第三代 而随着人类对高速数据传输业务需 求的不断增强 采用c d m a 技术和t d m a 技术的第三代移动通信系统已经渐渐4 i 能满 足这一需求 越来越多的人把目光投向了更高传输速率的第四代移动通信系统 而其中 以频谱利用率高 成本低的正交频分复用技术 o f d m o 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 h i p l e x i n g 最受世人瞩目 人们对o f d m 技术的研究由来已久 现在已经被应用到许多领域 采用o f d m 技术的移动通信系统具有如下优点 1 o f d m 将一路高速数据信号并串转换成多路低速数据信号 使得符号长度拉长 这样就可以有效的对抗无线信道带来的符号间干扰 i s i 还可通过加入循环前缀将大部 分符号间干扰彻底消除 减轻接收机均衡器的负担 2 o f d m 采用正交的子载波作为子信道 极大的提高了频谱利用率 3 o f d m 的各个子信道的调制与解调可以通过快速傅里叶反变换 i f f t 和快速傅罩 叶变换 f f t 实现 有效减轻了硬件计算量 4 由于无线数据业务一般存在非对称性 即下行链路中的数据传输量要大于上行 链路中的数据传输量 o f d m 系统可以通过使用不同数量的子载波来实现上 下行链路 中的不同传输速率 5 o f d m 易于和多种接入方法结合使用 包括与f d m a 结合的o f d m a 与t d m a 结合的o f d m t d m a 系统以及与c d m a 结合的m c c d m a 系统 o f d m 系统在具备上述诸多优点的同时 自身也存在易受频率偏差影响 存在较高 峰值平均比 p a r 等缺点 而由于在移动环境中 接收信号存在多普勒频偏 o f d m 子 载波之间的正交性遭到破坏 会对系统性能造成严重影响 因此研究o f d m 系统在高 速移动环境下 抗多普勒性能的研究具有很大的实用价值 论文中的课题由东南大学移 动通信国家重点实验室自由探索研究课题资助 时频技术在移动通信上的应用研究 编号 2 0 0 8 8 0 1 东南人学硕士学位论文 1 2 论文研究内容 由于在移动信道中 多普勒频偏对o f d m 系统子载波正交性的破坏 会对系统性 能造成严重影响 因此研究多载波系统如何提高抗多普勒性能很有现实意义 本文主要 研究移动通信信道的原理和模型以及信道中出现的多普勒现象的原理 并对其中j a k e s 模型 修正j a k c s 模型 改进j a k e s 模型信道模型进行了仿真和分析 最终选取了最为 接近理论性能的模型作为本文信道的仿真模型 然后介绍了o f d m 系统的基本原理 因为本文的计划是把多载波系统的调制解调部分用c h i 印替换 因此主要对o f d m 系统 的调制解调部分进行了较为细致的研究 接着介绍了时频分析中的时频分布以及分数阶 傅里叶变换的相关知识 这些知识在随后的章节中将起到重要的作用 在前面研究 o f d m 系统的基础上 通过仿真 研究不同的多普勒频偏对o f d m 系统的性能影响 随后引进了g m c 系统 在研究g m c 系统之前 首先学习了g m c 调制解调滤波器组 的基础知识即多速率滤波器 在此基础上深入研究g m c 系统调制解调部分的构造原理 并通过仿真研究不同多普勒频偏对g m c 系统的性能影响 并与先前仿真的o f d m 性能 仿真结果进行比较和分析 接下来 我们开始在两个多载波系统的基础上进行改造 利 用分数阶傅里叶变换的知识 通过选取合适的c h i 印作为子载波替换原有多载波系统的 正弦子载波 构造新调制解调的系统 并对新的系统进行仿真 将仿真结果进行比较并 与前面o f d m 以及g m c 的性能仿真结果进行比较和分析 在新系统的基础上 对其中 采用c h 卸的调制和解调部分 进行分析 寻求类似o f d m 系统调制解调中采用的 f f t i f f t 的快速算法 构造更为简便的调制算法 来减轻发送机计算复杂度的负担 为了构造更完整的发送机 我们在前面工作的基础上 加入了信道编码部分 主要采用 了卷积码维特比译码器以及1 曲 码 为此首先了解信道编码的知识 然后对卷积码 维特比译码器以及t u 曲 码的原理进行研究 在深入掌握这些信道编码知识的基础上 将不同的信道编码加入到前面的四个系统中 包括普通的o f d m g m c 基于分数阶 傅罩叶变换的多载波系统 以及基于c h i 印调制的g m c 系统 并分别进行仿真分析 最后构建出比较完整的基于c h i 印调制的多载波通信系统的发送机 本论文的研究内容安排如下 第一章 介绍论文的研究背景 研究内容以及主要安排 第二章 主要介绍o f d m 系统基本原理 信号时频分析处理理论以及关于无线信 道方面的基本知识和建模方法 第三章 引入g m c 系统 介绍g m c 的基本理论 在不同无线信道特性下 对o f d m 系统与g m c 系统进行仿真 分析和对比二者性能 然后将o f d m 系统与g m c 系统中 原有正弦子载波用线性调频信号加以替换 再进行系统仿真并对比和分析各自性能 第四章 在第三章基础上 进一步推导出采用线性调频信号的多载波系统与g m c 系统各自调制的快速算法 第五章 介绍信道编解码的主要原理及作用 通过对采用不同信道编码的多载波系 第一章绪论 统性能比较 文中主要采用卷积码维特比译码器以及t u r b o 码 最后构建出多载波通信 发送机 第六章 总结与展望 对整个论文研究过程中学习和掌握的所有知识加以总结和概 括 希望在日后的学习中 能够熟练应用所学知识 争取通过硬件实现来验证和加深对 各种理论的学习 第二章移动无线信道及o f d m 系统 第二章无线移动信道和o f d m 系统及时频分析理论 2 1 移动无线信道特性 在移动无线通信中 由于环境中各种障碍物的存在 发送信号经常不会直接的传送 到接收端 而是在经过若干次反射 r e n e c t i o n 衍射 d i 妇f r a c t i o n 和散射 s c a n e r i n g 后叠加 传送至接收端 这叫做多径传播 而由于接收到的信号可能是衰落 延迟 相移后的发 送信号的叠加 这些叠加的信号互相影响 使得接收到信号失真 信号的幅度产生急剧 变换 即产生衰落 这种现象称之为多径衰落 信号经过移动信道时会受到各种因素 的影响 导致衰落 按照信道对信号的影响 大致可以分为以下三类 2 1 1 自由空间的路径损耗 该损耗是指信号在经过信道媒质传输时会有损耗 而此 损耗反映了是大尺度空间下的 即传输距离为公里量级 信号在空间传输距离上的信号 电平平均值的变化 2 阴影衰落 它是由于传输环境中 地形的起伏 建筑物与山丘的阻挡与遮蔽而 引起的衰落 它反映了中等尺度范围内 数百波长 内信号电平平均值的变化 通常该 变化比较缓慢 3 多径衰落 多径衰落时信号在传输过程中经过了两个或者更多的传输路径 在 到达接收端的同时 相互产生干扰 从而引起接收信号的快速变化 它反映了小尺度范 围 数个或数十个信号波长 接收信号电平平均值的变化 通常该变换非常快速剧烈 移动无线信道通常也将路径损耗和阴影衰落归为大尺度路径损耗 而多径衰落归为 小尺度衰澍引 大尺度路径衰落对信号的影响变化缓慢 而小尺度衰落则会引起信号的 急剧变化 因此下面我们主要研究小尺度衰落 2 1 1 小尺度衰落 在移动通信中传输的信号通常经过多条路径到达接收端 在接收端叠加并互相干 扰 产生多径衰落 多径衰落对信号的影响主要表现为三个方面 1 时延扩展多径效应 频率选择性衰落 在时域上 由于多径效应 信号经过不 同的路径到达接收端的时间延迟不同 这些信号在接收端叠加 使得接收信号波形比发 送信号变宽了 产生时延扩展导致了码间干扰 在频域上表现为频率选择性衰落 即信 号在不同频率上受到不同程度的衰落 接收信号由不同延迟的衰落信号构成 可以表示为 旦 f q j f t 2 1 东南大学硕士学位论文 式中 f 为接收信号 s f 为发送信号 口j 为第 条路径的衰落系数 t f 为第f 条路 径的相对延迟时间 l 瞿 j 岛f i 托 托 图2 1 多径延迟 如图2 一l 所示 从第一个可分辨的延时信号到最后一个可分辨的延时信号的到达时 间之差定义为最大时延扩展 记作f 2 相干带宽表示信道在两个频率处的频率响应保 持强相关的最大频率差 定义为f 的倒数 即最 l f 在相干带宽内 信道具有恒定 的增益和线性相位 信号经过传输后各频率分量的衰落是相同的 称为平坦衰落 而当 信号带宽大于信道相干带宽时 信道对信号则产生频率选择性衰落 造成接收信号失真 2 多普勒扩展 时间选择性衰落 s j 图2 2 多普勒效应图 y 如图2 2 所示 由于接收端与发送端之间的相对运动 当两者相向运动时 接收信 号频率高于发射信号频率 当反向运动时 接收信号频率则低于发射信号频率 这种现 象称之为多普勒效应 由于发送端与接收端之间的相对运动 产生的频偏成为多普勒 频偏 可以表示为 石 c o s 矽 2 2 式中厶为多普勒频偏 为接收端与发送端之间的相对运动速度 a 为载波波长 秒为 6 第二章移动无线信道及o f d m 系统 入射波与接收端运动方向的夹角 厶懈 v a 为最大多普勒频偏 相干时问定义为最大 多普勒频偏的倒数 2 j 瓦 彤 d 眦 2 3 如果符号的长度短于相干时间 那么整个符号的波形在传输期问能够得到比较一致 的传播 相反则会产生信号波形畸变 同样信号带宽用最表示 发送端与接收端之间相 对速度越快 信道传输特性变化则越快 相干时间则变短 多普勒频偏则增大 导致符 号长度比相干时间长 多普勒频偏相对信号带宽最变大 使接收信号失真 称之为时间 选择性衰落 对一个载波频率为 疋的单频信号 假设入射波方向均匀分布于 0 2 石 按照j a k e s 川 巾1 模型给出的多普勒功率谱密度为 s 万以 i 厂一z i 兀懈 o i 厂一z i 乃眦 2 4 式中 蠢为接收信号的平均功率 z 为载波频率 六一为最大多普勒频偏 由 2 4 式可以看出信号带宽展宽到一乃 戤 一z 厶 氟 即是多普勒频谱扩展 3 角度扩展 4 j 空间选择性衰落 信号在本地散射体影响下在角度上呈现的扩展 导致天线元素之间存在一定的相关性 这称为空间选择性衰落 接收端角度扩展是指多 径信号到达天线阵列的到达角的展宽 发射端的角度扩展是指多径的反射和散射引起的 发射角展宽 空间选择性衰落用相干距离描述 相干距离定义为两跟天线 t 的信道响应 保持强相关时的最大空间距离 相干距离越短 角度扩展越大 反之 相干距离越长 则角度扩展越小 2 1 2 无线移动通信小尺度衰落信道模型 在无线移动通信环境中 发送信号一般不会直接到达接收端 而是经过许多障碍物 例如建筑物 地面等类似具有大面积物体的反射和树木 山丘等造成的散射以及其他障 碍物造成的衍射折射 这种多径效应造成信号的时延与相位是随机的 形成多径衰落 此外由于接收端与发送端之间的相互运动而产生的多普勒效应 并带来多普勒频偏 因 此接收端将获得信号的多普勒频谱 当符号延迟与符号时间长度相比不能忽略时 即信道为频率非选择性衰落信道 在 这种情况下 人们对信号在城市和郊区中传播后的包络进行大量实验测量得到 瑞利分 布1 5 j r a y l e i 曲 可以近似描述城市信道衰落过程 而莱斯分布 5 硒c e 可以近似描述 郊区信道衰落过程 7 东南大学硕士学位论文 1 瑞利分布衰落与莱斯分布衰落 信号在经过多径频率非选择信道之后 接收信号可以表示为 鸬 2 5 式中 f 与比 为不相关的高斯随机过程 砌 爵 卢l 2 接收信号中的直视分量可以表示为 聊 r m f 加2 胪坩坼 易 2 6 式中p 为直视分量幅度 为多普勒频率 巳为直视分量的相位 如果接收信号中含 有直视分量 则接收信号可以表示为式 2 5 与式 2 6 之和 即 p p l 作2 o l f 2 7 式 2 5 的包络可表示r a y l e i g h 过程 其包络幅值概率分布可表示为 r 一一 肌 考矿o o o 2 8 10 o 式 2 7 的包络则表示鼬c e 过程 其包络幅值概率分布可表示为 r 一 2 d 2 州 考p 芾厶 等 0 k 2 9 i o o 2 衰落信道模型 本论文中主要研究在瑞利与莱斯信道模型下系统的性能 从前面对这两种信道模型 的建立可以看出 这两种信道模型都需要实现两个实值的高斯随机过程 而产生高斯随 机过程的方法有两种 一种是莱斯方法 1 黜c em e m o d 一种是成形滤波器方法 l j f i l t e r m e t h o d 本论文采用第一个方法 莱斯方法又包括以下几种方法 等距离法 1 m e d 均方误差法川 m s e m 等面积法 1 m e a 蒙特卡洛法 1 1 m c m 精确多普勒扩展法 1 m e d s 和j a l e s 1 6 仿真法 本文采用改进型j a l e s 算法 j a l e s 算法是一种确定性的模拟仿真i h y l e i 曲衰落的仿真算法 它通过假设在移动 接收端n 条等强度入射波的入射角度口 均匀分布 由式 2 2 可得 这样每个入射波 的多普勒频偏相应的为 嘞一c o s 一 2 乃少 c 式中鳓为多普勒频偏 为接收端入射波入射角度 m 为最大多普勒频偏 为载波频率 为发送端与接收 端之间相对速度 c 为光速 j a k e s 算法假定入射角分布为 口 2 万 衰落波形可 由 0 1 个复数振荡器组成 其中 0 2 1 2 则仿真的信道衰落波形可表示为 f r k c o s 口 s i n 口 c o s 纰一f 岛 8 第 二章移动尤线信道及0 f d m 系统 c o s 成 s i n 尾 c o s 幺 2 1 0 l j 式中k 为归一化因子 口和尾为入射角 或为初始相位 通常设为o 为了保证实部与 虚部的互相关为o 设口 o 尾 万 1 如果要仿真多个不相关的瑞利衰落波形 初始相位应该设为 幺 尾 2 石 一1 o 1 2 11 式中聊 l 2 3 0 表示第朋个波形 任意两个波形只有在满足 酿 一或 t f 万 衫2 2 1 2 时 这两个波形才互不相关 否则相关性非常明显 为了解决这个问题 人们又提出了 改进的j a k e s 算法 8 9 j a k e s 改进算法是通过设定入射角来实现 假设有m 个独立的衰 落波形 每个波形有 个入射波叠加 则入射角选择如下 等 焉 删 1 2 一l 朋 o l 2 埘一l 2 1 3 则第m 个波形可以表示为 一1 乙 f c p 舰m h 南 一l o 0 一l2 o i c e 蚴m 吲川 c e 湖嘣嘶 月 o 盯 j 3 0 一i4 f j l c p 蚴 嘟8 一 c e 鳓 涮口 一1 2 o 3 o c 掣 卿 懈 c 等p 且蛳一 喊争口一 i c y 卿一懈 c yp 儿叼 峨2 别 ji j c 掣p 蛳一仰口腩 靠 c 掣p 一鳓 淄 f k 帕 cyp 蛳一仰口一 靠 c 罗p 儿一鳓 淄q 一 k 帕 一 n o n 1 0 c 掣 一叻 雠 t 帕 c 掣p j 嫡n 一 c 艺p 嘞 雠 k 2 c 艺p m 蜘 缸m r一 j 2 1 4 式中 朋 l 2 m c 为归一化因子 m 为最大多普勒频偏 如果选择吮满足下面 的式子 p 胞 z p 一瓜 其中疗 l 2 o p p 一 帕 p 一 厶 其中行 l 2 0 9 2 1 5 2 1 6 k懈 懈 堑 玎 麟嘶 p 脚 c n 牙 喊瓤鳓 p 窆脚 c 东南大学硕士学位论文 则乙 f 的表达式可以简化成 瓦 乇 珞 f 2 1 7 式中正 f 2 c 窆c s 哟m 戢c s 吮 毛 2 c 窆s i n 纰m 舣c s f 吮 吮 氟为 随机相位 如果口 满足条件 o 2 衫删 口 州删 则保证了入射角是非对 称的 而会产生朋 个多普勒频偏 除了j a l e s 及其改进模型 还有一种修正的j a k e s 模型 7 可参考有关文献 这里就不做介绍了 y y r 一曳 厂 n 驯刎 切 i 么p rv 一v 1 1 广 u 一 驯 m 8 8 2 万 1 5 朋d s 其中m 为生成波形数 0 为入射波数 第二章移动尢线信道及o f d m 系统 函数基本吻合 两条路径的互相关函数比j a k e s 模型要跟接近于零 图2 8 可以看出改进的j a l e s 模型单径信道冲激响应函数的实部与虚部的自相关函 数都基本与b e s s e l 函数吻合 实部与虚部的互相关函数波动也较之前面两种模型要小 图2 9 可以看出改进的j a k e s 模型单径信道冲激响应函数的自相关函数与b e s s e l 函数基本吻合 两条路径的互相关函数基本为零 从上面的比较可以看出 改进的j a k e s 模型可以保证路径间的互相关函数为零 且 在实部虚部自相关函数方面也能较精确的达到理论推导的b e s s e l 函数性能 因此改进的 j a k e s 模型要比j a l e s 模型和修正的j a k e s 模型能更准确的模拟瑞利衰落信道的性能 本 文主要采用改进的j a l e s 模型 m a i i z e dt i m ed e 咐 图2 4j a k e s 模型单径信道冲激响应函数实部与虚部的自相关函数和互相关函数 图2 5j a k e s 模型单径信道冲激响应的自相关函数 两条路径的信道冲激响应的互相关函数 东南大学硕士学位论文 j 四 以 嚣 基 正 佣a z e dt i m e 由i a y 图2 6 修正的j a k e s 模型单径信道冲激响应函数实部与虚部的自相关函数和互相关函数 的互相关函数 第二章移动无线信道及0 f d m 系统 图2 8 改进的j a k e s 模型单径信道冲激响应函数实部与虚部的自相关函数和互相关函数 图2 9 改进的j a k e s 模型单径信道冲激响应函数的自相关函数 两条路径的冲激响应的互相关函数 2 2o f d m 技术简介 在介绍正交频分复用 1 2 o f d m 技术之前 先简要介绍下多载波通信原理 如图 2 1 0 多载波通信为了抵抗符号间干扰 i s i 将高速串行传输数据分成多个低速并列 传输数据 并将这些数据分别调制到各个频率相邻的子载波上 这样低速数据的符号持 续时间 z 变长 可以有效抵抗频率选择性衰落 而因为符号长度变长 每个子载波 的带宽变窄 因此会对由于多普勒频偏造成的信道间干扰 i c i 很敏感 因此符号长 度r 应该满足 sts 杉 2 l8 盯m 式中 为最大时延扩展 六一为多普勒频偏 东南大学硕士学位论文 t i m c 黔 簪蛩 y 8 j 嚣i 矽 9 锶 毒 o 1 一一 镧 i 也 搬 盘 1 跳缸 盘缸 z 瓜k i o 女轨m 十 w 一赢 勰 黟一 攀 8 5 j 獭 k 鏖 m i e ls y m b o id u 埘i 图2 1 0 多载波传输不恿图 按照上面的思想 如图2 1 l 多载波通信先将高速数据流分成k 个并行数据流 每 个数据流经过成形滤波器p f 后 再被调制到各自相应的频率为厶的子载波上 子载波 用复谐波p 2 斤朋表示 最后在发送端将所有子载波信号相加一并发出 则发送信号可用 下式表示 j 厶 p f 刀1 2 1 9 式中 z 为符号持续时间 肌为子载波序列号 甩为符号序列号 设 一玎t p 2 2 厶 一 l p f 一以z 2 2 0 可以将上式化简为 j 2 2 1 图2 1 1 多载波传输的结构图 o f d m 是一种特殊的多载波传输方案 它同样是将数据流分成若干个低速率的数据 流 再用这些低速率的数据流去调制相应的子载波 最后在发送端相加一并发送 但 o f d m 要求各个子载波相互正交 即式 2 2 0 中保证 w 民卅 屯 这样子载 波的频谱相互重叠 但不会产生信道间干扰 这样可以提高频谱利用率 而能很好的对 1 4 第二章移动无线信道及o f d m 系统 抗频率选择性衰落和窄带干扰 2 2 1o f d m 调制与解调 幅 值 幅 值 传麓的期分蔓用 f 删旧多t 竣埘翻挂柬 正窟鞭分蔓用 o f d m 事羹谊弭捌拄木 图2 1 2f d m 与o f d m 频谱利用率比较 o f i m 调制解调是o f d m 糸统中的核心部分 在上面提到o f d m 要保证予载波之 间相互正交 即 w 允 屯 如果在时域与频域都有限不重叠的信号能满足这 个式子的成立 但是我们知道同时在时域和频域上都有限的信号时不存在的 因此我们 选择在一个域内有限 另一个域内正交的信号 如图2 1 3 在o f d m 中我们选择时域 有限频域正交的的傅里叶基函数 即将 2 2 0 中的子载波基函数设置为 以归居胁暑 咧锄 协2 2 如上式 图2 1 3 中p t 选为陀c f 矩形函数 这样在一个周期内的0 f d m 发送符号可表示为 s r e 薹 旭 一 一 e x p 2 万罢 一 z j o 0 正 f j 2 2 3 而接收端解调则是进行傅里叶变换 将发送信号中的数据 恢复出来 胪 嘉 争 川 讲 2 2 4 其中 m 表示子载波的个数 瓦表示o f d m 符号的持续时问 忉 o l 2 m 1 是分配给子信道 l 的已调数据符号 厶是第聊个子载波的载波频率 矩形函数 朋甜 f l isz 2 表示o f d m 符号的开始时刻 通常假设为零 为接收信号 这里假设 j 图2 1 4 为发送信号s 的频谱 其中子载波数膨为9 7 瓦为 3 l o 3s z l l o 东南人学硕j j 学位论文 吨巫惭厂 廿 一圃r 芦 阱 吨匝h p 叫 惜 扣叫 r 枷噩卜 一l 卜匕 图2 13o f d m 系统基本模型框图 第二章移动无线信道及o f d m 系统 2 2 2 保护间隔与循环前缀 在前面的介绍中 我们都是假设收发端同步 但是在频率选择性衰落信道中 接收 端信号是存在多径延迟的 这使得大部分信号在到达接收端时存在延迟 而使得接收端 不能保持与发送端同步 即接收端每个子载波上解调时用以相乘的函数p 叫朋一 1 叫 因 为有延迟f 的存在不再与发送信号中的p r 保持正交 因此带来的i s l 以及破坏了 o f d m 在频域上各子载波正交特性 使得系统性能降低 为了对抗i s i 如图o f d m 系 统采用在发送端符号之间增加保护间隔 g i g u a r di n t e r v a l 的方法 只要无线信道的最 大时延扩展小于保护间隔长度疋 接收端将每个符号前面保护间隔内的信号忽略 则符 号之间的干扰就会被消除 而为了保证子载波间的正交性 如图2 1 6 将每个符号末尾 疋长度的信号复制到保护间隔内 形成循环前缀 c p c y c l i cp r e f i x 图2 1 7 为加c p 后 的o f d m 发送信号频谱 其中子载波数k 为9 7 z 为3 l o 3s f l 1 0 5 c 尸 3 4 从图2 1 7 与图2 1 4 的比较可以看出 加循环前缀的同时 会对o f d m 的频谱造成影响 使得旁瓣衰落减缓 二二二 图2 1 6 循环前缀示意图 圈照曰黾 彻 一 o 东南大学硕士学位论文 2 2 3 加窗 图2 1 7 加c p 后o f d m 发送信号的频谱 经过上面的调制和加c p 的步骤 我们得到一个比较简单的0 f d m 信号 对这个信 号进行功率谱分析 如图2 1 7 其中子载波数k 为9 7 z 为3 1 0 3s z 1 1 0 5 c p 3 4 从图可以看出o f d m 信号的带外辐射比较大 这是由于o f d m 信号的子载 波基函数s i n c 函数旁瓣衰落慢的而造成的 为了减小带外辐射的 通常有滤波 1 2 1 和加窗 1 2 1 两种方法 这罩主要介绍加窗法 加窗法可以根据功率谱密度衰落速度的不同需要 选择不同的窗函数 o f d m 中通 常采用升余弦窗 1 3 14 1 其函数如下 io 5 o 5 c o s 疗 f 尼 瓦 o f e w f 1 o z c 2 2 7 o 5 o 5 c o s f 一巧 万 c i f 1 i 其中 i 为加窗前符号长度 而加窗后的符号长度为 1 i 加窗处理过程如图 所示 t 一瓦 i o 图2 1 8 加窗过程 1 8 丁r tt 一 p 叭i黛己 lt 第二章移动无线信道及0 f d m 系统 为保证子载波问正交性 将每个符号数据的末尾延长 t 窗在一 卢r 7 设 置为一 然后在此区间外平缓的降为零