（通信与信息系统专业论文）ofdm基带系统同步与载波频率偏移估计研究.pdf

兰州人学坝 ：学位论义 摘要 正交频分复用技术( o f d m ) 是一种特殊的多载波调制技术，可以为通信网 络提供更多的有效带宽，并且能有效对抗多径延时。因此，o f d m 技术在移动 通信领域的应用引起人们广泛关注，并被纳入第四代移动通信参考标准。 o f d m 的符号定时与单载波传输系统有着相当大的区别。要对符号进行精 确的定时，找到o f d m 帧的起始点。接收端子载波的同步性能也要求非常精确， 否则就会破坏符号间的正交性，从而引起传输性能的急剧下降。又因为o f d m 采用多个子载波，会产生较大的频差，需要找到有效的同步方法来对频偏精确纠 正。因此，在o f d m 系统中，对接收符号进行定时和频率偏移估计的探讨具有 重要的意义。 本文在对无线局域网i e e e 8 0 2 11 a 协议物理层规范和o f d m 技术深入研究 的基础上，对i e e e s 0 2 1 1 a o f d m 基带接收机中关键的技术：符号定时、时间同 步、载波频偏估计等问题进行了探讨。提出了更实用的符号时间同步和载波频率 偏差估计算法。首先，利用短训练序列的相关特性，对o f d m 符号进行定时同 步，找到符号帧的起始点。然后，利用接收训练序列和己知训练序列之间的相 位偏移计算出租频率偏移并加以修正。随之，用o f d m 符号的循环前缀来对频 率偏移进行跟踪和迸一步的修f 。在不同信噪比情况下的仿真结果表明，该算法 不但简化了系统结构，减小了运算量，还能够达到更宽的频偏估计范围和估计精 度。可适用于具有较大时延扩展的频率选择性信道。 关键词：正交频分复用( o f d m ) ；多载波调制( m c m ) ；无线局域网( w l a n ) 同步；频率偏移估计；符号定时 兰州大学硕i ：学位论文 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 y d i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ( o f d m ) i s am u l t i c a r r i e r m o d u l a t i o nm e t h o dw h i c hp r o v i d e se f f i c i e n tb a n d w i d t hu t i l i z a t i o na n dr o b u s t n e s s a g a i n s tm u l t i p a t hd e l a ys p r e a d a ss u c h ，o f d ms c h e m ei se x p e c t e da sas t r o n g c a n d i d a t ef o rf o u r t hg e n e r a t i o nm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s s y m b o lt i m i n gf o rf i no f d ms i g n a li ss i g n i f i c a n t l yd i f f e r e n tt h a nf o ras i n g l e c a r r i e r s i g n a l f i n d i n gt h es y m b o lt i m i n gr e q u i r e sa ne x a c te s t i m a t eo fw h e r et h e s y m b o ls t a r t s s y n c h r o n i z a t i o no ft h ec a r r i e r 厅e q u e n c ya tt h er e c e i v e rm u s tb e p e r f o r m e dv e r ya c c u r a t e l y ，o r t h e r ew i l lb el o s so fo r t h o g o n a l i t yb e t w e e nt h e s u b s y m b o l s a n dt h ed i s t o r t i o no fo n h o g o n a l i t yw i l lc a u s eq u i c kr e d u c t i o no f s y s t e m s p e r f o r m a n c e s u c h a st h en u m b e ro fs u b c a r r i e r si sl a r g e ，s y n c h r o n i z a t i o nm e t h o d sa r e n e e d e dt oe x a c t l yc o r r e c tt h i so f f s e t i na no f d m s y s t e m ，f i n d i n gt h es y m b o lt i m i n g a n dt h ec a r t i e rf r e q u e n c yo f f s e ti si m p o r t a n ti nt h e r e c o v e r yo f t h es i g n a l t h i st h e s i sp r e s e n t st h ep h y s i c a ll a y e rs t a n d a r do fw l a ni e e e8 0 2 1laa n dt h e b a s i cp r i n c i p l eo fo f d m s y s t e m t h e n ，a n a l y s e sa n dd i s c u s s e st h et e c h n i co fi e e e 8 0 2 1l ao f d mb a s eb a n d r e c e i v e r , i e s y m b o lt i m i n g ，s y n c h r o n i z a t i o n ，c a g i e r f r e q u e n c yo f f s e te s t i m a t i o n a n da l g o r i t h m sm o r ea p p l i c a b l ea r eo f f e r e d am e t h o d u s i n gt r a i n i n gs y m b o l si sp r e s e n t e da n da n a l y z e d f i r s t ，t h es y m b o l f r a m et i m i n gi s f o u n db ys e a r c h i n gf o rt h ec o r r e l a t i o no fs h o r tt r a i n i n g s y m b o l s t h e n ，t h ec a r r i e r f r e q u e n c yo f f s e t i s p a r t i a l l yc o r r e c t e d ，a n dt h ep h a s eo f f s e tb e t w e e nt h er e c e i v e d t r a i n i n gs y m b o la n dt h e s e n d e dt r a i n i n g s y m b o l i s p e r f o r m e dt o f i n dt h ec a r r i e r f r e q u e n c yo f f s e t a t rt h a t ，t h eo f f s e tc a nb et r a c k e da n dr e f i n e db yu s i n gt h eg u a r d i n t e r v a l s i m u l a t i o n sa r ep r e s e n t e do v e rd i f f e r e n ts n rc h a n n e l s a n dt h e yp e r f o r m m u c hl a r g e rc a r r i e rf r e q u e n c ya c q u i s i t i o nr a n g ec o m p a r em e t h o d sb e f o r ew i t hg o o d p e r f o r m a n c ea n dl o w c o m p l e x i t y t h e s ea l g o r i t h m sw i l lw o r kw e l lf o rs i g n a l sp a s s i n g t h r o u g h 疗e q u e n c ys e l e c t i v ec h a n n e l sw i t hl a r g ed e l a ys p r e a d s k e yw o r d s ：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 ( o f d m ) ；m u l t i c a r r i e r m o d u l a t i o n ( m c m ) ； w i r e l e s sl o c a la r e a n e t w o r k ( w l a n ) ；s y n c h r o n i z a t i o n ； f r e q u e n c yo f f s e te s t i m a t i o n ；s y m b o lt i m i n g i i 原创性声明 本人郑重声明：本人所呈交的学位论文，是在导师的指导下独立进行研 究所取得的成果。学位论文中凡引用他人已经发表或未发表的成果、数 据、观点等，均已明确注明出处。除文中已经注明引用的内容外，不包含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究成果做出 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： 到纽垒日期：遁：丝 关于学位论文使用授权的声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属兰州 大学。本人完全了解兰州大学有关保存、使用学位论文的规定，同意学校保 存或向国家有关部门或机构送交论文的纸质版和电子版，允许论文被查阅和 借阅：本人授权兰州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，可以采用任何复制手段保存和汇编本学位论文。本人离校后发 表、使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，第一署名单位 仍然为兰州大学。 保密论文在解密后应遵守此规定。 论文作者签名：盘i 舞丝导师签名：盈在墨：日 期：汕r ，7 兰州大学硕士学位论文 绪论 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 nm u l t i p l e x i n g ，正交频分复用) 技术是 一种多载波数字调制技术，随着d s p 芯片技术的发展，傅立叶变换反变换、高 速m o d e m 采用的6 4 1 2 8 2 5 6 q a m 技术、网格编码技术、软判决技术、信道自适 应技术、插入保护时段、减少均衡计算量等成熟技术的逐步引入，人们开始集中 越来越多的精力开发o f d m 技术在移动通信领域的应用，并被纳入第四代移动 通信参考标准。 o f d m 技术的应用已经有近4 0 年的历史，由于这种技术具有信道频谱利用 率高、实现容易和抗i s l ( 符号间干扰) 的优点，因此在宽带无线业务中越来越受 到重视。被广泛应用于包括非对称数字用户环路( a d s l ) 、数字音频广播( d a b ) 、 数字视频广播( d v b ) 和无线局域网( w l a n ) 等领域。1 9 9 9 年1 2 月，包括 e r i c s s o n 、n o k i a 和w i l a n 在内的7 家公司发起了国际o f d m 论坛，致力于策 划一个基于o f d m 技术的全球性单一标准。现在o f d m 论坛的成员已增加到4 6 个会员，其中1 5 个主要会员。我国的信息产业部也己参加o f d m 论坛，可见 o f d m 在无线通信的应用已引起国内通信界的重视。 多个国际标准化织也纷纷参与制定基于o f d m 技术的宽带无线网络标准。 目前，有关负责无线宽带通信系统标准化的论坛主要有三个，分别是i e e e 8 0 2 1 1 ；欧洲电信标准协会宽带无线接入网( e t s ib r a n ) ；以及多媒体移动接 入通信。 i e e e8 0 2 1 1 b 【1 l 工作于2 4 g h z 频段，提供1 1 m b s 的数据速率。i e e e8 0 2 1 1 a 已经把目光投向5 g h z 频段，提供了高达5 4 m b s 的数据速率，采用带有防数据 丢失特性的载波侦听多路接入冲突避免( c s m a c a ) 协议，在物理层采用正交 频分复用技术。2 0 0 0 年1 1 月，o f d m 论坛的固定无线接入工作组向i e e e 8 0 2 1 6 3 的无线城域网委员会提交了一份建议书，建议采用o f d m 技术作为i e e e 8 0 2 1 6 3 城域网的物理层( p h 标准。e t s ib r a n 和m m a c 也联合开发，制定了基于 此技术的h i p e r l a n 2 标准，使其能够成为工作于5 g h z 的国际标准。 本文主要内容如下： 第一章介绍无线局域网标准i e e e 8 0 2 1 l 的网络结构 第二章研究无线信道的传播特性。 兰州人学坝i 学位论文 第三章介绍o f d m 原理。 第四章介绍i e e e 8 0 2 1 l a 标准，物理层规范。 第五章研究o f d m 基带系统的时问同步和频率偏移估计算法，并给出计算 机仿真结果。 第六章总结研究工作，分析不足，并对无线局域网o f d m 技术今后的发展 作出展望。 2 兰州_ 人学硕十学位论文 第一章高速无线连接与i e e e 8 0 2 1 1 目前，对于高速数字传输的要求越来越高。尤其是无线环境中的数字音频和 视频广播、多媒体传输需求更是越来越广泛。因此，在不远的将来，需要有可实 现的高速无线传输技术。正交频分复用( o f d m ) 因为其在频率选择性衰落方面 的突出表现而被认为是数字无线传输的未来发展方向。因为o f d m 系统将传输 信道分为多个子载波，每个子载波的相对带宽很窄，使得子载波上的数据符号持 续长度相对增加，从而可以有效地减小无线信道的时间弥散所带来的i s i ，这样就 减小了接收机内均衡的复杂度，甚至可以不采用均衡器。 1 1 高速无线连接与o f d m 1 1 1 当前无线接入系统发展状况 从上世纪7 0 年代，第一个移动电话系统诞生以来，无线通信经历了：9 0 年 代初第2 代数字移动通信系统( 2 g ) ，主要提供语音业务，支持电路交换：9 0 年 代末的第2 5 代移动通信系统( 2 5 g ) ，主要以通用分组无线业务( g p r s ) 、高速 电路交换数据业务( h s c s d ) 及增强输速率的全球演进技术( e d g e ) 为代表， 提高了无线数据传输率和网络容量；直至今天的第3 代移动通信系统( 3 g ) 。目 前世界范围存在多种数字无线通信系统，其中主要包括g s m 系统、i s 一1 3 6 t d m a 系统以及i s 一9 5c d m a 系统。 但是对于高速数据业务，单载波t d m a 系统和窄带c d m a 系统都存在很大 的缺陷1 2 , 3 1 。由于无线信道存在时延扩展，而且高速信息流的符号宽度又相对较 短，所以符号之间会存在较严重的符号问干扰( i s i ) ，因此对单载波t d m a 系统 中所使用的均衡器提出非常高的要求，即抽头数量要足够大，训练符号要足够多， 训练时间要足够长，而均衡算法的复杂度也会大大增加。而对于窄带c d m a 系 统来说，其主要问题在于扩频增益与高速数据流之间的矛盾。保证相同带宽的前 提下，对高速数据流所使用的扩频增益就不能太高，这样就会大大限制c d m a 系统噪声平均的优点从而使得系统的软容量受到一定的影响，如果保持原来的 扩频增益，则必须要相应地提高带宽。此外，c d m a 系统内的一个非常重要的 特点是采用闭环的功率控制，这在电力交换系统中可以比较容易地得到实现，但 是对于分组业务来说，对信道进行探测，然后再返回功率控制命令会导致较大的 时延，因此，对于高速的无线分组业务，这种闭环的功率控制问题也存在有缺陷。 兰州大学硕_ 二学位论文 1 1 2 当前宽带接入系统 如上所述，3 g 系统并不能真正为用户提供宽带多媒体业务的接入。因此世 界各国都把目光投向3 g 以后的移动通信系统，开始研究和丌发无线宽带多媒体 通信系统( w b m c s ) 。正如我们所知，目前对无线( 移动1 通信和互联网多媒体 通信的需求呈指数增长。因此，把无线通信和互联网，多媒体通信相结合必定是 大势所趋。尽管当前通信系统主要是针对一种特定应用进行设计，例如移动电话 中的语音业务或者无线局域网( w l a n ) 中的高速率数据业务等，但是下代 w b m c s 将要把各种应用集成在一起，期望可以为用户提供信息速率超过2 m b s 的业务。支持如此高的数据速率，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，其中o f d m 就是一种因而瞩目的候 选方案之一。 设计无线宽带通信系统，必须要考虑如下因素： 1 频率的分配和选择： 2 信道的特征描述； 3 技术的发展状况； 4 空中接口的多址接入技术： 5 协议和网络； 6 。采用有效的调制、编码以及智能天线技术，进行系统的研究和开发。 1 2i e e e8 0 2 1 1 标准 由于与现有的有线局域网相比，无线接入方式具有可提供便捷灵活的接入方 式，并且支持移动性等优点。自上世纪9 0 年代以来，无线局域网( w l a n ) 技术 得至q 了人们的广泛关注。1 9 9 7 年6 月，国际电气与电子工程t ) i 币( i e e e ) 协会通过了 i e e e8 0 2 1 1 无线局域网标准。i e e e8 0 2 1 1 标准是由是由一系列标准组成的标准 族。 该标准定义了媒体接入控铝i j ( m a c ) 层和3 种不同的物理层( p h y ) 接口。其中 的两种物理层接口工作在2 4g h z 频段，另一种物理层接口工作在红外频段。该 标准支持1 - - 2 m b i f f s 的数据传输速率。为了进一步提高数据传输速率，i e e e 于 1 9 9 9 年9 月通过了两种新的无线局域网物理层接口，分别是i e e e 8 0 2 1 l a 和i e e e 8 0 2 1 i b 标准。其中i e e e8 0 2 1 l a 工作在5g h z 频段，可提供6 5 4m b i t s 的数据 d 兰州大学硕j 二学位论文 传输速率，i e e e8 0 2 1 i b 标准仍然工作在2 4g h z 频段，最大可提供1 1m b i t s 的 数据传输速率。 i e e e8 0 2 工作委员会已经创建了众多的局域网( l a n ) i 业标准，包括8 0 2 _ 3 以太网标准、8 0 2 4 令牌总线网标准、8 0 2 5 令牌环形网标准等等。1 9 9 7 年，i e e e 发布了第一个w l a n 标准8 0 2 1 1 。 8 0 2 1 l 标准提供m a c 和p h y 功能，在局域内为固定的、便携式和以步行或 行车速度移动的移动站提供无线连接。8 0 2 1 l 包括下列特征“1 ： 1 提供异步和限时发送服务。 2 通过分布式系统，如以太网，在扩展域内连续服务。 3 调节适应1 m b s 一5 6 m b s 的传输速率。 4 支持大部分市场应用。 5 多点传送服务。 6 网络管理服务。 7 注册和认证服务。 8 0 2 1 1 标准考虑到了无线l a n 和有线l a n 存在的主要区别“1 如下： 1 带宽：i s m 扩频频段不能提供大量的带宽，对一些应用来说，数据速率 比理想的低。然而，8 0 2 1 1 工作组改进了数据压缩方式，充分利用可用带宽， 目前正在努力提高8 0 2 1 l 的数据速率以适应交换庞大文件的需要。 2 安全性：无线l a n 在比有线介质如双绞线、同轴电缆和光纤电缆大得多 的区域内传输信号。因此，在保密方面，无线l a n 有更大的区域要保护， 为了配置安全性，8 0 2 1 l 工作组使自身的工作与8 0 2 1 0 标准委员会相协调， 负责为所有8 0 2 系列l a n 开发安全机制。 3 寻址：无线网络的拓扑结构是动态的，因此，目的地址不能以至于目的 位置相一致。需要利用基于t c p f l p 协议如移动i p 调整移动站点。 4 电源管理：大部分w l a n 网络接口卡必须依赖电池为内部电子设备供 电。添加w l a n 网卡到便携式计算机上会很快用光电量，8 0 2 1 l 工作组丌 发了新技术，能让无线网卡在不传输时定期转换为低功耗的备用模式，从而 降低电池的消耗，在某个具体的或用户可定义的时间段内，当没有传输活动 发生时，m a c 层让无线网卡睡眠以实现电源管理，并通过并入缓存器消除 兰州大学硕士学位论文 排队，解决了站点在睡眠过程中可能错过关键数据传输的问题。 为了保证与目前标准的互操作性，8 0 2 1 1 工作组发展了与目前其它8 0 2 标准 兼容的标准，如下所示： 1 i e e e8 0 2 ：功能要求。 2 i e e e8 0 2 2 ：m a c 服务定义。 3 i e e e8 0 2 1 a ：该书和结构。 4 i e e e8 0 2 1 - b ：l a m a n 管理。 5 i e e e8 0 2 1 d ：透明桥接器。 6 。i e e e8 0 2 1 f ：开发层管理标准的指导方针。 7 i e 髓8 0 2 1 0 ：安全数据交换。 1 3i e e e 8 0 2 1 1 无线局域网参考模型 按照国际标准化组织( i s o ) 提出的开放系统互联参考模型( o s i r m ) ，由于无 线局域网没有复杂的中转、路由等网络控制，网络层结构简单，只涉及o s i r m 中的数据链路层和物理层。其中数据链路层可分为l l c 和m a c 两个子层。图 1 1 给出i e e e 8 0 2 1 1 无线局域网参考模型。 回 j l i c m a cl y e r l s u b l - v t r m s l x i g e m e a t i i ，i c p s u b l t y e r _ - - 4 p h | l a y e r m n g h n t】 ? i h ds m q t r 一 s t t t io “ 啊 n q g e m e n t 图1 1i e e e 8 0 2 1 l 参考模型 1 3 1i e e e8 0 2 1 1 m a c 层 m a c 层的任务是在发送数据时，按某种规则从l l c 层接收数据，然后执行 媒体访问规程，查看网络，如可发送，将给数据加上控制信息，形成帧，送往物 理层。在接收数据时，从物理层接收到数据帧，并检查数据帧中的控制信息，判 断是否发生传输错误。将正确的数据去掉控制信息后送至l l c 层。l l c 层的任 兰州人学颂一i 学位论义 务是完成两通信实体间点到点链路上的数据帧传输与控制。同时为上层提供数据 报与虚电路两种不同服务。 有线网络的数据链路层协议是载波侦听多点接入冲突检测( c s m a c d ) 。 对于无线局域网，由于无线适配器不能检测网络信道是否存在冲突，因此采用载 波侦听多点接入，冲突避免( c s m a c a ) ， i e e e 8 0 2 1 1 a 无线局域网的单元要发送信息以 前，都要对无线信道中的能量进行探测，当无 线信道的能量大于某个阎值的时候，就随机后 退若干个间隙，再重新进行发送。在实际的系 统中通常采用c s m c a + a c k + r t s + c t s 来 确保系统性能。这种方式是在完成信道的探测 后，负责发送的无线局域网单元在每次发送数 源 信道检测 目的站 圈l - 28 0 2 1l a 无线局域网单元：i 作过秤 据之前发送一个请求发送( r t s ) 帧，然后，当收到对方回覆的清除发送( c t s ) 帧以后才会发送数据。在发送数据过程中，也要每一次的发送都得到对方接收无 误的确认a c k 以后才会继续发送数据，这就是所说的四次握手过程。具体过程 见图l - 2 所示。 1 3 2i e e e8 0 2 ，l l 物理层 物理层的任务是定义与实现建立、维持和拆除物理连接信道所必须的机械、 电器及公共的特性与规格。保证可靠的按比特为单位的同步与传输。例如，物理 媒体的类型及规格、连接接头规格的定义与实现，比特信号的变换及传输方式的 定义与实现。i e e e8 0 2 1 l 定义了三种物理层规范，即红外线、跳频扩频( f h s s ) 和直接序列扩频( d s s s ) 。d s s s 是商业上w l a n 采用最普遍的方式。 i e e e8 0 2 1 l a 是基于包通信中第一次使用o f d m 技术的标准。 1 4 o f d m 系统的主要优缺点 o f d m 技术之所以得到广泛应用，是因为这种技术有以下优点1 2 4 j ： 1 o f d m 可以有效地对抗多径传播所造成的符号间干扰。信号分解后 并行子载波上的码元周期相对增加，而只要时延扩展与码元周期之比小于一定的 数值，就不会造成符号间干扰，从而有效地减小了无线信道的时间弥散所带来的 i s i 这样就减小了接收机内均衡的复杂度，有时甚至可以不采用均衡器，仅通过 兰州大学硕士学位论文 插入循环前缀消除i s i 。 2 传统的频分多路传输方法中，将频带分为若干个不相交的子频带来传输 并行的数据流，在接收端用一组滤波器来分离各予信道。这种方法的优点是简单、 直接，缺点是频谱的利用率低，予信道之间要留有足够的保护频带。o f d m 系 统由于各个子载波之间存在正交性。允许子信道的频谱相互重叠，因此与常规的 频分复用系统相比，o f d m 系统可以最大限度地利用频谱资源。 3 各子信道中的正交调制和解调可以用i d f t 和d f t 方法来实现。在实际 应用中，可以采用更加方便快捷的( i f f t f f t ) ，容易实现，极大地降低了系统 的复杂度。 4 o f d m 每个子载波所使用的调制方法可以不同，但不同的调制方法具有 不同的频谱利用率和误码率，尤其在无线信道条件不同的情况下，如何选用一种 晟佳的调制方法是值得考虑的。而o f d m 技术采用了自适应调制的方案，可以 根据信道条件的好坏，灵活选择不同的调制方式。 5 o f d m 系统可以有效对抗窄带干扰，因为这种干扰仅仅影响o f d m 系统 的一小部分子载波。 与传统的单载波传输系统相比，o f d m 的主要缺点在于： 1 o f d m 对于载波频率偏移和定时误差的敏感程度比单载波系统要高。频 率偏移和相位噪声会使o f d m 各个子载波之间的正交性恶化，导致子信道间的 信号相互干扰( i c l ) ，使得信噪比下降。 2 o f d m 系统中的信号存在较高的峰值平均功率l t ( p a r ) 使得它对放大器的 线性要求很高。由于o f d m 的信号是由多个独立的经过调制的子载波信号相加 合成的，因此如果多个信号的相位一致时，所得到的叠加信号的瞬时功率就会远 远大于信号的平均功率，导致出现较大的峰值平均功率比( p a r ) 。从而对发送 端功率放大器提出较高的线性要求，增加基站和用户终端的成本。 兰州大学硕l 学位论文 第二章无线信道的传播特性 在陆地移动通信中，移动台常常工作在城市建筑群和其它地形地物较为复杂 的环境中。信息信号都会经受由反射和衍射导致的失真。通信信号的失真包括延 时扩展、信号强度衰减和频率的展宽。本章着重就移动信道中几个比较突出的问 题进行讨论。 2 1多径 信道中反射及反射物的存在，构成了一个不断消耗信号能量的环境，导致信 号幅度、相位及时间的变化。这些因素使发射波到达接收机时形成在时间、空间 上相互区别的多个无线电波。不同多径成分具有的随机相位和幅度引起信号强度 波动，导致小尺度衰落、信号失真等现象。多径传播常常延长信号基带部分到达 接收机所用的时间，由于码问干扰引起信号模糊。 在移动信道中，电波遇到各种障碍物时会发生反射和散射现象，它对直射波 会引起干涉，即产生多径衰落现象。多径衰落常称快衰落，又称短期衰落或 r a y l e i g h 衰落。图2 一l 是移动信道传播路径的示意图。图中，h e 为基站天线， h 。为移动台天线。d 为直射波，地面反射波的传播距离为d ，散射波的传播距离 为d 。移动台接收信号的场强由上述三种电波的矢量合成。一般来说接收信号的 功率可以表达为： p ( d ) = id r s ( d ) r ( d )( 2 1 ) 其中d 表示移动台与基站的距离向量，jd j 表示移动台与基站的距离。 d r 表示自由空间的路径损失，s ( d ) 为阴影衰落，r ( d ) 为多径衰落。 图2 - 1 移动信道的传播路径 9 兰州大学硕j ：学位论空 2 2 多普勒频移 由于移动用户与基站的相对运动，每个多径波都会有一个明显的频率 移动。由运动引起的接收信号频率的移动称为多普勒频移。当移动台以恒定 速率v 在长度为d ，端点为x 和y 的路径上运动时收到来自远端源s 发出的信 号，如图2 - 2 所示。无线电波从源s 出发，在x 点与y 点分别被移动台接收 时所走的路径差为，= d c o s o = v a t c o s o 。这里t 是移动台从x 运动到y 所需的时间，0 是x 和y 处与入射波的夹角。由于源端距离很远，可假设x 、 y 处的是0 相同的。所以，由路程差造成的接收信号相位变化值为： p ：_ 2 z e a l ：2 r v a c o sp ( 2 2 ) l 由此可得出频率变化值，即多普勒频移“为： 厶= 击等= 云c o s 目( 2 - 3 ) s 一 i l ，t 图2 - 2 多普勒效应示意图 由公式可看出，多普勒频移与移动台运动速度及移动台运动方向，与无 线电波入射方向之间的夹角有关。若移动台向入射波方向运动，多普勒频移 为正即移动台接收到的信号频率会增加：若移动台背向入射波方向运动， 则多普勒频移为负，即移动台接收到的信号频率会减小。 多普勒频移引起衰落过程的频率扩散，称为多普勒扩展，又称时间选择 性衰落。时间选择性衰落根据时间变化的快慢又有快衰落和慢衰落之分。慢 1 0 兰州大学硕土学位论文 衰落的基带信号带宽比多普勒扩展大得多，多普勒扩展的作用在接收端可以 忽略不计。而快衰落信道应该考虑多普勒扩展的作用的情况。无线信道是一 种慢衰落信道。 2 3 时延扩展( 频率选择性衰落) 如上所述多径效应在频域上将信号的带宽展宽了。此外，多径效应还 会在时域上造成信号波形的展宽。例如发射端发送一个窄脉冲信号，则在接 收端可以收到多个窄脉冲，结果使脉冲宽度被展宽了，由于信号波形的展宽 是由信道的时延引起的，所以我们称之为时延扩展。 ( c ) j + ” 图2 3 多径信道时延 一般情况下，接收信号为m 个不同路径的散射信号之和，即： s ，( f ) = a , s ( t - ( f ) ) ( 2 4 ) ，引 式中，a ，是第i 条路径( 信道) 的衰减系数；t ( t ) 为第i 条路径的相对 传输时间差( 简称时延) 。 时延扩展引起频率选择性衰落，并可以用相干带宽描述。相干带宽表示 信道在两个频移处的频率响应保持强相关情况下的最大频率差。在工程应用 中，对于角度调制信号，相干带宽可用下式估算： 2去(2-5) 式中为时延扩展。 相干带宽与信号带宽之比越小，信道的频率选择性越强；反之，相干带 宽与信号带宽之比越大，信道的频率选择性就越弱。一般来说，室内的无线 警黔峰 h仞执j h忉且i，旧扭i k t ， 员 段w 且卟 兰州大学硕士学位论文 信道的主要特征是频率选择的慢衰落信道。 2 4 码间干扰 信道以接近带宽w 的速率发射或传播一脉冲串时，每个脉冲在接收端 会发生扩散和重叠，从而产生码间干扰( i s i ：i n t e r s y m b o li n t e r f e r e n c e ) ， 使得我们不再能够识别发射的脉冲串。 对接收滤波器的信号脉冲相应x ( t ) 进行采样，采样结果为y - ，有 y k = + l t 一。+ v k ，k = o ，l ， ( 2 6 ) n = o h t l 式中，i 。项表示在第k 个采样时刻的期望信息码元，而 项即是码 n t o m t 女 间干扰，v 。是噪声项。 频率选择性衰落是由发射码在信道内的时间扩散引起的。因此，信 道会引起码间干扰。从频域看，接收信号谱的某个频率分量的增益就会比其 它分量的增益大，从而使接收信号发生畸变。 兰州大学硕 ：学位论文 第三章o f d m 原理与关键技术 正交频分复用( o f d m ) 的基本原理就是把高速的数据流通过串并变换，分成 若干个子比特流，使每个子数据流具有较低的传输比特率；并利用这些数据去调 制若干个载波，这样各子载波的数据传输速率相对较低，码元周期较长。所以它 能充分地利用频带宽度，有效地减少和克服符号问干扰( 1 s i ) 。并且它利用逆快 速傅立叶变换( i f f t ) 和快速傅立叶变换( f f t ) 来分别实现调制和解调，是实现复 杂度最低、应用最广的一种多载波传输方案。 3 1o f d m 原理 3 1 1o f d m 系统的基本模型 o f d m 符号是多个经过调制的子载波信号之和，其中每个子载波的调制方 式可以选择相移键控( p s k ) 或者正交幅度调制( q a m ) 。如果用n 表示子信道的个 数，t 表示o f d m 符号的宽度，d i ( i = o ，l ，n 1 ) 是分配给每个子信道的数 据符号，f c 是第0 个子载波的载波频率，则从t 气开始的o f d m 符号可以表示为： 丐 一1 个； s ( f ) = r e i 吐m c r o 一一专) e x p 万( 正+ 亭) ( r 一) 】) f + 丁( 3 - 1 )z o j 2 - 在很多文献中，经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 n 一1 巾 s ( o = d , r e c t ( t 一一i 1 ) e x p ( j 2 z r 亭( 卜) ) f ，+ r ( 3 2 ) ，= 0 式3 2 的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 可以分剐与相应子载波豹c o s 分量和s i n 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3 - 1 给出了o f d m 系统基本模型的框图。 兰州大学硕j ：学位论文 e 扣_ e j p l t 叫孓一 s p 一昝“ 丑卜_ 岖h 匝型 岖h 日 p s 一p 商 图3 - 1o f d m 系统的基本模型框图 调制时每个子载波在一个o f d m 符号周期内都包含整数倍个周期，而且各 个相邻子载波之间相差一个周期。接收端第j 路子载波信号的解调过程为：将接收 信号与第j 路的解调载波相乘，然后将得到的结果在o f d m 符号的持续时间t 内进行积分，即可获得相应的发送信号c i ，。 t = 醋胁扣伽。善n - i 细丌扣。瑚 b ，、 = 亭篓一卜州2 玎孚击= 嘭 据式3 - 3 可知，对第j 个子载波进行解调可以恢复出期望信号d j 。而对于其 他载波来说，由于在积分问隔内，频率差别( h ) i t 可以产生整数倍个周期，所以 其积分结果为零。 图3 - 2 给出了o f d m 符号中各个子载波信号的频谱图。从图中可以看出， 在每一子载波频率的最大值处，所有其他予信道的频谱值恰好为零。也就是说， o f d m 符号频谱实际上可以满足奈奎斯特准则，即多个子信道频谱之间刁i 存在 相互干扰。因此，各子载波信号之间的正交性避免了子信道间干扰( i c i ) 的出现。 一 图3 - 2o f d m 符号中各个子载波信号的频谱图 3 1 2 在o f d m 系统中应用快速傅里叶变换 1 4 兰州人学硕l ：学位论文 3 i 2 1 使用i f f l 佰f t 简化调制解调 式3 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 5 , 7 , 9 1 ( i d f t ) 方法实现。令式3 2 中的t s = o ，并且忽略矩形函数，对信号s ( t ) 以t n 的 速率进行抽样，即令t = k t n ( k = 0 ，1 ，n 1 ) ，可以得到： 驴(ktn)：芝徊叫孕)(ok-n一1s(ktn) n) ( 3 - 4 ) & = z e x p ( 兰等) ( o 一) ( 3 4 ) 可以看到，s 等效为d i 的i d f t 运算。在接收端，为了恢复出原始的数据符 号d i ，可以对s k 进行d f t 变换，得到： 一= 蓑矗e x p 百2 7 r i k ) ( 0 i n - 1 ) ( 3 5 ) 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 d f t d f t 来 代替。通过n 点i d f t 运算，把频域数据符号d i 变换为时域数据符号s k ，经过载 波调制之后，发送到信道中。其中每一个i d f t 输出的数据符号s k 都是由所有子 载波信号经过叠加而生成的。在接收端，将接收信号进行相干解调，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 i 。 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 ) 来实现调制和解调。n 点i d f t 运算需要实施n 2 次的复数乘法，而i f f t 可以显著地降低运算的复杂度。对于常用的基2i f f t 算法来说，其复数乘法的 次数仅为( n 2 ) l 0 9 2 ( n ) ，而采用基4i f f t 算法来实施傅立叶变换，其复数乘法的 数量仅为( 3 8 ) n ( 1 0 9 2 n 2 ) 。 用f f t 实现o f d m 的调制解调，能有效地提高数据的传输速度。同时也非 常经济、方便、实用。 3 1 2 2 利用傅立叶变换实现系统过采样 在实际应用中，需要对o f d m 符号过采样【5 】，即在原有的采样点之间再添 加一些采样点，构成p n ( p 为整数) 个采样值。这种过采样的实施可以方便地利用 i f f t f f t 的方法来实现，实施i f f t 运算时，需要在原始的n 个输入值的中间添 加( p 一1 ) n 个零，而实施f f t 运算时，需要在原始的n 个输入值的后面添加( p 一1 ) n 个零。下面以p = 4 为例说明这种过采样的实施。 输入的n 个数据符号 a n ，n = 0 ，1 ，n - 1 ，即： 兰州大学硕t ：学位论文 4 = 寺篓时 s ， 其中= e x p ( 一j 2 7 r n ) a 如果希望进行4 倍过采样，可以在i f f t 输入的频 f1 与数据符号中间补充3 n 个零，即构成 ，q 一。m 一旦旦些鲰一，鲰一、 ，然 l 3 n 个 j 后再实施4 n 点的i f f t , 贝3 j 可以按4 倍过采样得到4 n 个时域离散采样点，即 k 。= 丽14 毛n - i 吼咄 ( 疗，t = 。，l ，4 | v 1 ) ( 3 - 7 ) 由此可以实现对频域信号的过采样，更加精确地反映o f d m 连续符号的变 换情况。 3 1 3 保护间隔和循环前缀 o f d m 技术的一个重要优点是可以有效的对抗多径时延扩展。通过把输入 的数据流串并变换到n 个并行的子信道中，使得每个用于去调制子载波的数据 符号周期可以扩大为原始数据符号周期的n 倍，因此时延扩展与符号周期的比 值也同样降低n 倍。为了最大限度地消除符号间干扰，在每个o f d m 符号之间 要插入保护f 司p # j ( g u a r di n t e r v a l ) ，该保护间隔长度t g 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，即保护间隔是一段空闲的传输时段。然而在这种 情况中，由于多径传播的影响，会产生信道间干扰( i c i ) ，即子载波之间的正交性 遭到破坏，使不同的子载波之间产生干扰。这种效应见图3 3 。 一：! ! ：， 入种六黻八 。vv ： 保护阍丽f f r 祆分时侗长度- i ! 予啦技问吊 图3 3由于多径的影响，空闲保护间隔对子载波之间造成的干扰 图3 3 中给出了第一子载波和第二子载波的延时信号。从图中可以看到 1 6 兰州人学硕士学位论文 由于在f f t 运算时间长度内，第一子载波与带有时延的第二子载波之间的周期 个数之差不再是整数，所以当接收机试图对第一子载波进行解调时，第二子载波 会对此造