（信号与信息处理专业论文）ofdm相位噪声抑制的自适应算法研究.pdf

分类号 tn911 7 密级 621 39 编号 工学硕士学位论文 ofdm 相位噪声抑制的自适应算法研究 硕士研究生 李温娜 指导教师 李环 教授 学位级别 工学硕士 学科 专业 信号与信息处理 所在单位 信息科学与工程学院 论文提交日期 2012 年 12 月 13 日 论文答辩日期 2013 年 3 月 7 日 学位授予单位 沈阳理工大学 classification index tn911 7 u d c 621 39 a thesis for the master degree of engineering research on the adaptive algorithm of the phase noise suppressing in the ofdm system candidate li wenna supervisor prof li huan academic degree applied for master of engineering speciality signal and information processing date of submission december 13 2012 date of examination march 7 2013 university shenyang ligong university 沈阳理工大学 硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明 本论文的所有工作 是在导师的指导下 由作者本 人独立完成的 有关观点 方法 数据和文献的引用已在文中指出 并与参考文献相对应 除文中已注明引用的内容外 本论文不包含任 何其他个人或集体已经公开发表的作品成果 对本文的研究做出重要 贡献的个人和集体 均己在文中以明确方式标明 本人完全意识到本 声明的法律结果由本人承担 作者 签字 日 期 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解沈阳理工大学有关保留 使用学位论文 的规定 即 沈阳理工大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学 位论文的复印件和磁盘 允许论文被查阅和借阅 本人授权沈阳理工 大学可以将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 缩印或其它复制手段保存 汇编学位论文 保密的学位论文在解密后适用本授权书 学位论文作者签名 指导教师签名 日 期 日 期 沈阳理工大学硕士学位论文 摘 要 ofdm 系统要求子载波间具有严格的正交性 且其符号周期较长 因此对本振 相位噪声较为敏感 相位噪声是频率源非理想因素引入的一种随机相位干扰 会 严重破坏 ofdm 系统的整体性能 对于相噪的抑制问题 传统的处理方法不总能 满足系统的性能要求 因此 本文利用一种自适应算法 最小均方误差 lms least means square 算法来对相位噪声进行抑制 这种算法复杂度较低 抑制性能较好 且易于硬件实 现 首先 本文介绍了 ofdm 基带系统的发射机 接收机原理 其次 分析了相位噪声对于 ofdm 系统的影响 作为理论基础 文中列举了 几种相位噪声的统计模型 介绍了相位噪声的特点 并针对 pll 相位噪声模型对 ofdm 系统性能的影响做了详细分析 再次 主要对相位噪声的跟踪和抑制算法进行研究 由于 lms 算法具有简单 易于实现 收敛速率较快 抑制消除效果较好的特点 故本设计选用 lms 算法实 现自适应滤波器的设计 同时利用 matlab 仿真工具对 lms 自适应算法的实现条件 以及对相噪的抑制能力进行了仿真 最后 用quartus ii和matlab仿真软件相结合方法 在硬件平台上实现了ofdm 基带部分发射机 接收机和自适应滤波器的设计 并对 lms 算法和 ofdm 系统 中主要子模块的硬件实现方法做了详细介绍 通过硬件设计 验证了 lms 算法应 用于实际 ofdm 系统实现相噪抑制的可行性 关键字 ofdm 系统 相位噪声 自适应算法 cpe ici 沈阳理工大学硕士学位论文 abstract ofdm system requires strict orthogonality among subcarriers and its symbol period is long therefore it is very sensitive to phase noise of the local oscillator the phase noise is a random phase interference introduced by non ideality factor of frequency source which may cause serious damage to the overall performance of the ofdm system for the suppression of the phase noise the traditional approach does not always meet the performance requirements of the system least means square lms algorithm which has low complexity and good rejection performance and can be easily implemented in hardware is used in the thesis to suppress the phase noise first the principles of baseband transmitter and receiver in ofdm system are described second the influence of phase noise to ofdm system is analyzed in the thesis as the basis of theory several data models of the phase noise and the characteristics of the phase noise are cited and introduced and a detailed analysis of the impact on ofdm system performance caused by the pll phase noise model is done third the research on the phase noise tracking and suppression algorithm is done as the lms algorithm is simple and easy to realize and has fast convergence rate and good eliminate inhibition effect lms algorithm is choosed in this design to release the adaptive filter design at the same time the matlab simulation tool is used to simulate the lms adaptive algorithm realization conditions as well as the phase noise rejection capability finally by using the method of combining quartus ii with matlab tthe baseband transmitter and the receiver of ofdm system and the adaptive filter are realized on hardware platform the hardware realization of the major sub modules of the ofdm system and the lms algorithm are described in detail in the thesis by the design of the 沈阳理工大学硕士学位论文 hardware the feasibility of the lms algorithm to suppress the phase noise which applied to the actual ofdm system is verified key words ofdm system phase noise adaptive algorithm ici cpe 目 录 目 录 第 1 章 绪论 1 1 1 课题研究背景 1 1 1 1 ofdm 技术发展史 1 1 1 2 ofdm 技术的特点 2 1 2 国内外研究现状 3 1 3 课题研究的主要内容 6 第 2 章 ofdm 基带传输系统 8 2 1 ofdm 系统的基本原理 8 2 1 1 ofdm 的数学模型 8 2 1 2 ofdm 信号的特性 9 2 1 3 ifft fft 实现 ofdm 系统的调制和解调 11 2 2 ofdm 基带系统结构 12 2 2 1 ofdm 基带系统构架 12 2 2 2 系统扰码 解扰技术 12 2 2 3 信道编解码技术 14 2 2 4 交织 解交织技术 15 2 2 5 16qam 调制 解调 15 2 2 6 导频插入 信道估计 17 2 2 7 循环前缀与加窗处理 18 2 3 本章小结 20 第 3 章 ofdm 系统相位噪声影响 21 3 1 相位噪声模型 21 3 1 1 维纳相噪模型 21 3 1 2 pll 相位噪声 23 沈阳理工大学硕士学位论文 3 1 3 相位噪声特点分析 25 3 2 相位噪声对 ofdm 系统的影响 25 3 3 仿真与分析 28 3 4 本章小结 31 第 4 章 ofdm 系统相位噪声抑制算法 32 4 1 针对相位噪声特点对 lms 自适应滤波算法的选择 32 4 2 lms 自适应滤波器算法 33 4 2 1 自适应滤波器整体结构 33 4 2 2 lms 算法的滤波原理分析 34 4 2 3 nlms 算法 36 4 2 4 dlms 算法 38 4 2 5 blms 算法 39 4 2 6 复数 lms 自适应滤波算法 40 4 3 ofdm 系统相噪自适应抑制算法 41 4 3 1 ofdm 基带相噪抑制系统 42 4 3 2 自适应相噪抑制算法流程 42 4 3 3 自适应算法对相位噪声的抑制性能仿真分析 45 4 4 本章小结 50 第 5 章 ofdm 相噪抑制系统的 fpga 实现 51 5 1 系统流程和系统总体框图 51 5 2 数字信号源生成模块的实现 51 5 3 发射机的 fpga 实现 53 5 3 1 交织模块 54 5 3 2 导频插入模块 56 5 3 3 ifft 模块 59 5 3 4 发射机总体实现 60 5 4 加噪模块 62 5 5 接收机以及自适应滤波器的 fpga 实现 63 目 录 5 5 1 接收机总体构架 63 5 5 2 解交织器模块 64 5 5 3 自适应滤波器模块 66 5 5 4 带有相噪抑制功能的接收处理器实现 69 5 6 总体系统的 fpga 实现 69 5 7 本章小结 70 结 论 72 参考文献 74 攻读硕士学位期间发表的论文和获得的科研成果 79 致 谢 80 沈阳理工大学硕士学位论文 第 1 章 绪论 1 第1章 绪论 1 1 课题研究背景 1 1 1 ofdm 技术发展史 进入 21 世纪以来 无线通信技术正在以飞快的速度向前不断发展 伴随用户 对各种实用多媒体业务需求数量的增加以及互联网技术的飞速发展 可以预计 将来的无线通信技术必定会拥有更高的信息传输率 为用户提供更多的便利 目前 由于数字广播业务和移动通信不断扩大 用户不断增加 对数据的传输 速率有了更高的需求 但是现在的数字通信系统是数据传输速率的提高需要信号 带宽的增加 而且 若是信号带宽过高以至于接近或超过信号带宽的话 信号的 频率选择性就会降低 这样会导致码间干扰 使系统的误码性能更加恶化 另一 方面 对于无线系统来说 由于无线通信的应用不断增加 用户对无线通信频谱 的利用率的需求也越来越高 而空间中可利用的频率资源是有限的 所以 为了 满足广大用户的需求 ofdm 就应用而生了 ofdm orthogonal frequeney division multiplexing 不仅可以解决数字通信系统中速率与带宽之间的矛盾 而且可以 提高无线系统的频谱利用率 它能很好的实现对抗多径效应 将 isi 消除 很适 合多径传播以及在多普勒频移的无线移动信道中传输数据 使对抗效率的选择性 衰落 1 2 1957 年 collins 公司提出了 kineplex 系统 该系统可以看成是最初的 ofdm 它用了 20 个子载波 每个子载波的频谱形状为 sin kx x 函数形状 3 各载波间的 频谱交叠 且各载波间的频率间隔为符号速率 这个系统的产生为并行传输中的 频谱利用率低这个问题的解决指明了方向 在上个世纪 60 年代时 ben 实验室的 robertw chang 最早提出了 ofdm 的概念 ofdm 思想是他在针对多信道传输带线的信号分析论文中提出的 其中 信息可以 在一个线性带限信道上无码间干扰和信道间干扰的并行传输的方法就是在这篇论 沈阳理工大学硕士学位论文 2 文中被他提出来的 当时这种 ofdm 技术主要应用于军用高频通信系统 1967 年 saztlbegr 根据上述频谱设计准则提出了一种带限 qam 调制的多载波 系统 但是在这些系统中 子载波调制都是通过频率源完成的 因此子载波数目 不会太多 系统复杂度较高并且子载波间因频率源的稳定性而难以保持严格正交 这让传统的 ofdm 难以得到实际的应用 直到 20 世纪 70 年代 正交频分复用技 术有了一个实质性的进展 提出了完整的ofdm系统 s b weinsetin和p m ebert 等在 1971 年利用 idft dft 运算对 ofdm 的调制解调进行了论证 并达到了预期的 效果 而且随着 fft 技术以及 vlsi 的发展 ofdm 的技术逐渐完善成熟起来 5 20 世纪 80 年代 pelde 和 ruzi 提出的插入循环前缀 cp 使得接收的信号载 波间正交性得到了保证 同时也消除了 ofdm 相邻的符号间干扰 同时实现 ofdm 系统的复杂度也大大降低了 80 年代中期之后 在数字音频广播 dab 领域 ofdm 技术被欧洲许多国家关注并开始并且被运用 到了 90 年代 无线调频信道 上的宽带数据传输已经被相关的 ofdm 技术的研究所贯穿起来 随着应用宽带无 线的推广 ofdm 技术越加突出其独特的优越性 同时 ofdm 固有的缺点也可利 用新技术得到有效的消除 近年来随着快速发展的 fpga 技术 ofdm 因其能有 效的克服符号间干扰从而使得该技术引起了广泛的关注 ofdm 技术已经非常广 泛的应用到 dab digital audio broadcasting 数字视频广播 6 基于 ieee802 11 标准的本地无线局域网 7 和有线电话网上非对称的高比特率数字用户线环路技术 adsl 中去 1 1 2 ofdm 技术的特点 ofdm 技术之所以得到各个国家的研究以及广泛关注 与 ofdm 技术具有了以 下几个主要的优点是分不开的 l 为了降低接收机硬件实现均衡的复杂度需要尽可能减小无线信道的时间弥 散所引起的符号间相互干扰 ofdm 技术就能够相当有效的完成 2 系统频谱的利用率若要得到了很大的提高 就必须利用 ofdm 系统子载波 间存在比较严格的正交性 子信道频谱之间能够相互交叠的特点 3 随着 vlsi 和 fpga 技术的发展 ifft fft 更加容易实现 各子信道的正 交调制和解调可以采用 ifft fft 来实现 第 1 章 绪论 3 4 非对称性无线数据业务的实现也是利用ofdm系统能够通过不同数量的子 信道来完成的 5 为了使得系统的整体性能得到了很大的提高 能够使用动态子信道分配以 及动态比特分配的方法 必要时候可以去掉不合适的子信道 进而消除了无线信 道由于存在频率选择性 从而充分利用了较高信噪比的子信道 克服了子载波同 时处于深衰落情况的概率比较小的缺点 6 可以利用其他接入方法与ofdm技术能够很方便的结合在一起使用的技术 特点 使得很多用户能够在同一时间使用 ofdm 系统进行很便利的通信 比如 mimo 一 ofdm 系统 调频 ofdm 等 但是与单载波系统相比而言 ofdm 系统 不仅有许多个正交的子载波 而且输出的信号是好多个子信道信号叠加的结果 所以它将会存在以下两个缺点 1 峰值平均功率比较高 多载波调制系统的输出是多个子信道信号相互叠加的结果 所以说如果多个信 号具有相同的相位时 信号叠加的瞬时功率远远大于得到信号的平均功率 从而 出现比较大的峰值平均功率比 par 如果信号幅度的变化不在放大器的动态范围 内 信号就会发生畸变 从而导致信号叠加频谱的变化 进一步更严重的是导致 子载波信号间的正交性的破坏 载波间将产生相互干扰 使得系统的整体性能急 剧恶化 所以就对发射机中的放大器线性性能提出了更高的要求 2 对相位噪声非常敏感 对子信道间的正交性提出了更高的要求原因在于子信道的频谱间相互重叠 但 是因为时变性存在无线信道中存在时变性 时变性会导致频率的偏移 这种偏移 会导致 ofdm 系统的子载波间的正交性的破坏 这样又会造成子信道间信号的相互 干扰 ici 这种频率偏移包括多普勒频移 相位偏差 以及发射端载波频率域 接收端本地振荡器间出现的偏差等 这也是对于 ofdm 系统而言最致命的缺点 1 2 国内外研究现状 ofdm系统的主要具有抗多径衰落能力强和频谱利用率极高等优点 但 ofdm 符号周期较长往往会导致发射机与接收机本振之间的相位不同步 因此 ofdm 的 一个主要缺点就是对本振引入的相位噪声较敏感 目前国外学者与部分国内学者 沈阳理工大学硕士学位论文 4 深入研究了相位噪声对 ofdm 系统的影响 而且找出了相对应的解决方案 相位噪声对 ofdm 系统的影响有两个方面 一方面使信号因引入共同相位误 差 cpe common phase error 而随机旋转 另一方面各子载波间正交性因载波间 干扰 ici inter carrie interferenee 而被破坏 ofdm 系统性能在这两方面不同的情 况下而产生不同程度的变化 为进一步消除两者的影响 必须正确认识两者之间 相关的性质 因此可以根据抑制的种类 将相位噪声的抑制分为两类方法 一类 是将 ici 的影响忽略 仅仅抑制 cpe 此方法可以叫做 cpe 抑制方法 另一类方法 是同时抑制 cpe 和 ici 将其称为 ici 抑制方法 目前对于 ofdm 系统中的相位 噪声研究重点是以两种模型为基础 一种是锁相环合成器 pll synthesizer 产生 的相位噪声 另一种是由自激振荡器 free running oscillator 所产生的相噪 8 由于 ofdm 符号中的每个子载在相噪引起的波共同相位误差 cpe 影响下都 发生了相同的旋转 因此估计与消除 cpe 就显得相对较简单 并且已具有较为完 善的消除技术 文献 8 依据 ieee802 lla 在不使用任何的附加导频信息条件下 采用 4 个导频估计系统 cpe 仍能获取比较正确的导频估计信息 文献 9 中提出 一种只修正由相位噪声引起的 cpe 而忽略了的 ici 抑制相位噪声的方法 但是该 算法不能处理 ici 较大的情况 由载波间干扰产生的相噪会造成 ofdm 系统出现星座图无法收敛 产生系统错 误 整体性能被严重破坏 但相噪的随机特性使得其消除十分困难 目前国内外已经提出很多利用导频来抑制相位噪声的技术方法 大致分为以下 三类 ici 自抵消算法 10 11 时域方法 12 频域方法 13 14 最易实现的是 ici 自消除算法 其原理就是经过加权后的各个信息符号被调制 到相邻的子载波上 也被称为多项式抵消编码 目前提出的自抵消算法有两种 取反类算法 15 和共轭类算法 16 通过与同类算法对比 ici 自消除算法优势明显 但是当相位噪声比较大时 ici 自消除算法对频谱利用率较低 系统性能没有明显 的提高 时域相噪消除是指利用插入的相对应的导频信息在时域中来抑制估计相噪 然 后进行消除 此种方法的研究很少 只有是线性相位噪声时才能使用 一旦遇到 那些随机相噪 将需插入大量的导频信息才能得到较为理想的系统性能 但同时 第 1 章 绪论 5 将会出现较低的频带利用率 且在衰落信道中具有的有效性较差 相位噪声在频域内可分解为 cpe 和 ici 大部分相噪抑制算法都是以频域为基 础提出的 因为频域在任何导频插入模式和信道环境下分析并消除起来都比在时 域内消除更加简单有效 文献 17 中提出当相噪较小时 mle 和 lmmse 这两种 方法分别被采用了来对其进行估计 cpe 能被导频信号估计出来 但忽略了 ici 的影响 因此当相位噪声较大时该方法就不是非常有效 而在文献 18 中 提出了 一种新的相噪抑制 pns 方法 把 ici 近似为高斯随机噪声 得到了 cpe 和高 斯白噪声估计 然后利用最小均方误差 mmse 准则去抑制补偿 此方法可以 同时对 cpe 和 ici 加以抑制 文献 19 提出了一种迭代盲相噪消除算法 该方法具 有较高的频带利用率并且不需要使用任何的导频就能够对相位噪声进行估计并抑 制 只是实现算法的复杂度较高 有一些学者针对相噪对多输入多输出 ofdm 系 统的影响问题已经在研究 并且得出了较为有效的抑制消除算法 20 21 一些学者提出了自适应补偿算法 该方法可以在降低系统复杂度的同时保证相 位噪声的补偿性能 最开始是 gitlin 22 cupo gitlin 提出自适应补偿的 其中 有限冲击响应 自适应谱线均衡器 fir ale finite impulse response adaptive line enhancer 方法就是他们提出的 此方法可以对 wiener 相位噪声进行自适应 补偿 该相位噪声是主要认定可以用正弦形式建模 23 由于 vco 的非线性因素引 起的相位噪声 但该方法的补偿能力十分有限 主要原因是该方法得到的相位是 通过过去几个相位得到的信息来进行预测补偿的 使用最大似然自适应算法的先 行者是 kam chua 和 yu 24 在他们的研究中 使用的是多于 100 个符号的参考符 号的自适应收敛算法 可以利用优化的符号算法进行相位恢复 tsimendis hinton sharif 和 adams 在他们的报告中利用反馈均衡器和线性预报器对衰落环 境下的频移进行估计 虽然根据报告中的表格可以得出这种算法要想达到收敛需 要大概几百多个符号 而且没有将仿真出的 ber 曲线在报告体现 所以由于报告 过于简单 从而不能很好的说明问题 nguyen 提出了一种简单的自适应方法 那 就是利用 lms 算法对多普勒频移进行补偿 但是这个方法是有一定局限性的 它 的多普勒频移大小只局限于一个非常小的范围 而且这个频移临界点并没有具体 给出 文献 27 提出的方法是利用一组校正系数对除左右相邻导频点子载波以外的 其他数据的子载波进行 ici 校正 而该校正系数就是左右相邻导频点子载波通过 沈阳理工大学硕士学位论文 6 lms 均衡算法得到的 该噪声校正系统可以有效的减小 ofdm 系统中的相噪干扰 虽然此校正系统可以对具有循环前缀或 pn 序列的 ofdm 系统起到一定借鉴参考作 用 但是在此基础上需要对 che 算法进行改进 并将其嵌入到系统中进行仿真验 证 文献 28 提出了一种旨在提高无线 ofdm 接收机抵抗相位噪声能力 低复杂 度的相位噪声自适应补偿方案 能够显著改善 ofdm 接收机在相位噪声条件下的 系统误码率性能 但是文中采用时域相位噪声抑制方法 该方法研究很少 但针 对随机相位噪声 只能在牺牲频带利用率的条件下 插入大量的导频信息 才能 取得较好的性能 且在衰落信道中有效性较差 因此只是对线性相位噪声比较有 效 文献 29 采用了 lms 自适应算法加入到 ofdm 接收部分来对非线性相位噪声 和线性相位噪声进行的补偿 但是文中对于带有 lms 算法的 ofdm 系统硬件平 台设计的主要目标也就是为了验证在 ofdm 系统中应用 lms 算法是否可行 效果如 何 所以在设计的过程中只考虑相噪的影响而将例如调制方法 编码等实际工程 中必须要涉及的领域忽略了 1 3 课题研究的主要内容 本文针对 ofdm 系统中广泛存在的相位噪声这一问题展开研究 从上述研究 现状可以发现 现有的相噪抑制算法很多是基于导频信息的抑制算法 会严重降 低系统频带利用率 因此本文基于 ofdm 系统 对自适应相噪抑制算法进行了较 为深入的研究 本文详细内容如下 第一章 讲述课题研究背景 意义及国内外研究现状 第二章 介绍 ofdm 传输系统方案 详细介绍了 ofdm 系统结构 包括发射 端和接收端以及 ofdm 技术的基本原理 ofdm 调制解调的 ifft fft 实现 符 号中的循环前缀以及导频 从而对 ofdm 技术及其应用有一个具体的了解 第三章 讨论了相位噪声及其对系统的影响 首先对集中振荡器的相噪性能进 行了分析 并且将集中比较常用的相噪模型进行了比较 最终以 pll 相位噪声模 型为基础 对相位噪声对 ofdm 系统性能影响做了详细分析 第四章 主要对相位噪声的跟踪和抑制算法进行研究 通过性能及其硬件实现 难度对比 本文采用 lms 算法 并利用 matlab 对该算法进行仿真 验证该算法的 有效性 第 1 章 绪论 7 第五章 主要是基于 fpga 的 ofdm 发射机 接收机以及自适应滤波器的硬 件实现 对 ofdm 发射机 接收机以及自适应滤波器的重点模块的硬件实现方法 做了详细介绍 最后 总结了全文的内容 并且将以后的研究方向进行了介绍 沈阳理工大学硕士学位论文 8 第 2 章 ofdm 基带传输系统 2 1 ofdm 系统的基本原理 2 1 1 ofdm 的数学模型 ofdm 技术可以看成是由传统的频分复用技术 fdm 发展而来的 经典的 fdm 方法利用将频率带划分为很多个相互不交叉的子频带来传送并行数据信息 的 在接收机部分使用一列滤波器将各个子信道划分开来 此法拥有很低的频谱 利用率 各子信道之间需要的安全频率带范围要非常宽 设计完成多个滤波器将 会遇到许多相当难解决的问题 通常所讲的多载波通信 mc 就是用 fdm 技术 来传输从同一数据源到同一数据接收机的数据 相当于用多个数据通道来提高数 据传输速率 它将一个频率选择性信道划分了多个频率平坦衰落信道 然而 多 载波系统的各子信道间仍需要保护频带 因此频带效率仍然不高 由于 ofdm 不 但使用频分复用 并且利用交叠在一起的子信道频谱完成信息的并行传送 其中 相邻的子信道间在频率域中的保护间隔与在各个子信道内传送的数据速率是保持 一致的 此时即使没有均衡也可实现对抗多径衰落以及窄带脉冲噪声 并且使得 频谱的利用率能够得到有效地提高 相比于传统非重叠多载波技术而言 利用 ofdm 技术 50 的带宽能够被节省下来 一个ofdm符号之内包含多个经过正交幅度调制 qam 或通过相移键控 psk 的子载波 通常用一组并行传输的调制载波信号即可表示ofdm符号的等效低通信 号 若retc t 1 t t 2 则从t ts开始的ofdm符号可表示为 1 0 2exp 2 re n i sisi ttfjtttretcdts ts t ts t 2 1 0 ts tt ts 式 2 1 子载波的总数量为n 一个ofdm符号的持续时长为t 各个子信道 收到的数据符号为di i 0 1 2 n 1 第i个子载波的载波频率为fi 第 2 章 ofdm 基带传输系统 9 某一种调制方式在将需传送的比特信息发送到每个子载波上时就会将信息调 制为子载波的幅度和相位 表示ofdm的输出信息数据一般使用具有同样效果的基 带数据信息 见式 2 2 1 0 2e x p 2 n i sisi ttfjtttr e t cdts ts t ts t 2 2 0 ts tt ts 式中 s t 的实部以及虚部分别相对应于ofdm符号的同相 in phase 和正交 quadrature phase 分量 在应用设计中能够对应乘以子载波余弦分量及正弦分量 产生最终的子信道以及组合而成的ofdm数据信息 ofdm系统数学模型的框图如 图2 1所示 在接收端 将同相和正交矢量映射回数据信息 完成子载波解调 30 ofdm是以把快速传输的串行数据流经过串 并转换 形成n路传输速率缓慢的并 行信息流 然后根据需要运用不同的调制方式对各个并行传输的子载波实现调制 加和后能够生成ofdm信号为基础 s p p s 0 d 1n d 信道 s t 积分 积分 0 d 1n d 1 2 e jf t 1 2 e n jft 1 2 e jf t 1 2 e n jft 图2 1 ofdm系统基本模型框图 2 1 2 ofdm信号的特性 ofdm信号中包含相互正交的n个子载波 而且相邻的两个ofdm符号相隔时 间t 由于任意两个子载波都相互正交 故载波频率满足fi fc i t 因此在时域中 每两个子载波频率都相差1 t的整数倍 如图2 2所示 沈阳理工大学硕士学位论文 10 图2 2 包含4个子载波的ofdm符号 由图2 2给出了一个ofdm符号 它包含4个具有相同的幅值和相位的子载波 但由 于数据符号具有不同的调制方式 在实际应用中 每个子载波的相位和幅值都有 可能是不同的 在同一个ofdm符号周期内 每个子载波的周期t0均可表示 为 t kt0 k是整数 每两个相邻的子载波之间都差一个周期 31 ofdm系统中各 子载波间的正交性这也可以用此来说明 则 t mn nm nm dttjwtjw t 0 0 1 exp exp 1 2 3 假如在接收端进行相关解调 2 3 式中第k个子载波 并做积分在符号周期t内 即 0 1 0 0 1 0 2exp 1 2exp 2exp 1 k n i i t n i ik ddtt t ki jd t dtt t i jdt t j j t d 2 4 由上式可以看出 若要在接收端恢复出原始符号 只需对第l个子载波解调 由于在其它载波在积分间隔内存在的频率差 i l t中可以产生整数倍的周期 积 分的结果为零 因此不会干扰到第k个子载波的解调 第 2 章 ofdm 基带传输系统 11 图2 3 ofdm系统子载波的频谱特性 图2 3给出了互相覆盖的各个子信道中通过矩形波而成型得到的符号sinc函数 的频谱 从图可看出 在每一个子载波的频谱最大值处 所有其他的子载波频谱 值正好为零 而解调ofdm符号也即是计算每一个子载波频谱的最大值 因此在没 有受到噪声和干扰影响的情况下 能够从每个子信道符号的频谱中提取出子信道 符号且互不干扰 同时从图2 3中还可以看出 多个子载波频谱间不存在相互干扰 从而得出ofdm符号的频谱实际上是能够满足奈奎斯特准则的 但在理想频域当中 才会出现 ofdm系统在对抗多径衰落方面与各个子载波上的信息相关 信息不相 关即相加后在时域中的合成信号与高斯白噪声非常相似 这就能有效的对抗多径 衰落 但同时还可以发现 这种正交性在子载波间的频率间隔出现微小的偏差就 会立刻被破坏 因此使得频率偏差对ofdm系统的影响是巨大的 32 2 1 3 ifft fft 实现 ofdm 系统的调制和解调 从图2 1可见 要实现一个 ofdm 传输系统 需一组振荡器产生 n 个子载波 并对这些子载波进行同步 但随着 n 的增大 系统的硬件就变得非常庞大并且十 分浪费 1971年 dft 技术被 weinstein 和 ebert 应用于 ofdm 系统 ofdm 技术 从此变得经济实用 31 假定式 2 2 中 ts 0 对信号 s t 以 t n 的速率进行采样 且不必考虑矩形函 数 即令 t kt n k 0 1 n 1 可得 1 0 exp 2 n kii i ss ktndjf k 0 k n 1 2 5 接收端的解调过程可以用dft来实现 沈阳理工大学硕士学位论文 12 1 0 e x p 2 n iki i dsjf k 0 i n 1 2 6 从上两式可以看出 ofdm系统的调制和解调由idft和dft运算来完成 通过 n点的离散傅里叶逆运算 实现数据符号从频域到时域的变换 亦即di变为 i k s 再 经过射频载波调制 i k s被无线发送出去 其中的任何一个数据符号 i k s都是由所有 子载波信号叠加而成的 在实际设计中 idft dft还可以被更加高效的快速傅里 叶逆变换和快速傅里叶变换 ifft fft 代替 以实现 ofdm系统的调制与解调 当n较大时 ifft能大大降低运算复杂度 同时使ofdm的硬件实现更加简单 理想的ofdm系统采用多进制 多载频 并行传输 从而大大的增加了传输码 元的持续时间 进而信号的抗多经传输能力得到了提高 另外 消除由多径时延 扩展引起的符号间干扰 isi 可在符号内加入保护间隔和循环前缀 但在实际的 ofdm系统中 还会出现具体问题 本课题添加了相应的功能模块 来弥补理想的 系统的不足 进一步提高系统性能 2 2 ofdm 基带系统结构 2 2 1 ofdm 基带系统构架 一个优化的 ofdm 基带系统的模型如图 2 4 所示 上半部分为系统发射机的 扰码交织编码s p 16qam 调制 导频插 入 ifft p s 加cp d a 信道 a d 同步 去cps pfft 信道估 计 16qam 解调 p s解交织解码解扰 rf载波 图 2 4 ofdm 基带系统的模型 功能模块框图 下半部分为系统接收机的功能模块框图 2 2 2 系统扰码 解扰技术 第 2 章 ofdm 基带传输系统 13 在多径 rayleigh 信道下传输情况下 ofdm 符号的几个子载波往往因为会频 率选择性衰落而出现大幅衰减 最终导致数据传输错误 邻近子载波上发射的数 据信息会被这些在信道频率响应上的深衰点会破坏 最终导致在每个 ofdm 符号 中出现很多的错误数据位 而在错误均匀分布的情况 常见的前向纠错编码 fec forward error correction 比在错误连续出现的情况下执行更有效 因而 多数传 输系统在串 并转换部分加入了数据加扰 也就是在不增加冗余的情况下改变小数 字信号的统计特性 在接收端采用数据解扰解出信号 通过此种方法 由于信道 衰落而产生的连串的错误比特能被很好的分散开 并且在时间上被均匀分布 使 系统的前向纠错编码能力得到很大的提升 帧同步扰码器使用下列生成多项式 32 1 47 xxxs 2 7 567 xxx 1234 xxxx 数据输入 数据输出 图 2 5 反馈移位寄存器 扰码器实质上是一个反馈移位寄存器如图 2 5 其输出为一个 n 序列 它最有 效地将输入序列搅乱 使输出数字码元之间相关性最小 传输数据时 扰码器的 初始状态应该被设为非零的伪随机状态 在接收机接收时 可以用同样的扰码器 进行解扰 数据是以字节为单位并行传输的 因此在加扰前 需要先将并行数据转为串 行数据 解扰与加扰器相同 都是如图 2 5 所示的 n 序列发生器 其生成多项式为 1 47 xxxs 2 8 假定原始数字信息为 ink a 则经过加扰后为 74 kki n kki n kc r a m k ssasas 2 9 其中 cramk s为加扰后的输出数据 k s为加扰器反馈数据 对于解扰模块 沈阳理工大学硕士学位论文 14 i n k kkkki n k kkk kkk a ssssa sss c r e m ss c r a md e s c r e m 7 474 7 4 2 10 其中 k descrem为解扰后的输出数据 k s为解扰器的反馈数据 显然 为了使式 2 10 成立 即成功实现解扰 要求解扰器与加扰器的反馈 数据在每个相对应时刻必须相等 即加扰和解扰过程中的 n 序列发生器每一时刻 的 7 个状态值要对应相等 2 2 3 信道编解码技术 信道编码是为了保证通信系统的传输可靠性 克服信道中的噪声和干扰而专 门设立的一类抗干扰技术和方法 在 ofdm 系统中 插入循环前缀后可以避免码 间干扰 isi inter symbol interference 并减小 ici 但是在接收端上 被接收到的 各个子载波上的信号幅度因为信道衰落而有所不同 而且在实际的系统中 一些 子信道中的信号甚至由于过分衰落而被噪声完全淹没 因此 就算在大多数子载 波上的信号都能够被无差错的解调 但由于一少部分的子信道信号幅度很小造成 整个系统的误码率急剧下降 较大地影响系统的整体性能 33 因此 一个 ofdm 系统中必须加入前向纠错编码 fec forward error correction 需要引入信道编解码才能让 ofdm 技术的优势发挥出来 在实际 ofdm 系统中 交织编码技术是常被应用来抵抗有用信号的时间选择性衰落和频 率选择性衰落 并且交织技术能够把突发连续错误变成离散错误 对于衰落信道 中的随机错误可采用信道编码 为进一步提高系统的性能同时采用这两种技术 本论文将编码与交织分为两个功能模块来实现 采用卷积编码编码效果在实际 应用中优于分组码 而且其实现难度不大 并且卷积编码十分灵活 可以通过凿 孔 punctured 技术来提升码率 卷积编码的译码算法包含两大类 概率译码和代 数译码 代数译码不考虑信道的统计特性 利用编码本身的代数结构进行译码 这种译码实现较为容易 但是性能较差 概率译码却与之相反 该译码方式是基 于最大似然准则的译码 考虑了信道的统计特性 与代数译码相比 概率译码性 能优于代数译码 但复杂度要大的多 常用的卷积码的译码算法是 viterbi 算法 第 2 章 ofdm 基带传输系统 15 属于概率译码 2 2 4 交织 解交织技术 交织是为了在频域或者时域或同时在频域 时域上分布信息比特 在时间上扩 散信道的突发错误 从而使译码器可以将这些突发错误当作随机错误处理 码元 在几个约束长度或者几个分组长度范围内被交织器混洗 这个范围是由突发持续 时间所决定的 信道特性取决于通信系统的交织模式 若系统运行在准平稳信道 环境 就不必经过交织 因为在这种情况下重新分配也无法改变误码的分布 由于发送信息源时的顺序与接收机的比特顺序是不同的 交织必然在系统内 引入延时 通信系统一般都限定了传输系统的最大延时 因此也就限制了系统中 交织器的交织深度 常用的两种交织器为卷积交织器和分组交织器 交织深度为一个 ofdm 符号长度的交织操作 整个交织过程可分为两级 其 变化规则可表示为 32 1 1 0 16 16mod 16 cc nkkfloornni 2 11 1 1 0mod 16 ccc nisnifloornisifloorsj 2 12 其中 k为交织前的比特标号 i 为第一级交织后的标号 j 为第二级交织后的标号 floor x 为取不大于 x 的整数 c n为每个 ofdm 符号长度 1 2 max b ns b n为 每个子载波的编码比特个数 由于每个 ofdm 符号有 48 个子载波用于传输数据 因此有48 bc nn 为了在接收端恢复发送数据 必须对接收数据进行解交织 相 应的解交织过程也分为两级 其变换规则可表示为 1 1 0mod 16 cc njsnjfloorjsjfloorsi 2 13 1 1 0 16 1 16 ccc njnifloornik 2 14 可以发现 当调制方式分别为 bqsk qpsk 16qam 64qam 时 b n分别为 1 2 4 6 那么 s 值为 1 1 2 3 而当 s 1 时 式 2 12 将为 i j 此时 整个交织过程将只有第一级交织 具体数据则根据不同的调制方式可能 会有两级交织交换 相应的解交织过程也是如此 2 2 5 16qam 调制 解调 沈阳理工大学硕士学位论文 16 在信号调制时 各子载波可根据不同信道环境而选择不同的数字调制模式 常 见的调制模式有 bpsk qpsk 64qam 16qam 等 系统的调制模式由系统所 设定的参数决定 若系统要求的传输可靠性达到一定的误码率 则可以采用 bpsk qpsk 等低阶调制方式 这样可以使系统在信道最差条件下 也可以达到很好的可 靠性 如果要求系统有较高的频谱利用率 那么就要求选取的调制模式与信噪比 可以相匹配 当然最好是能在两者之间达到最佳平衡 正交幅度调制解调 quadrature ampli tude modulation and demodulation 34 是一种高效的数字调制解 调方式 具有较强的抗噪声能力 且能充分利用带宽等优点 在现代无线通信领 域得到广泛应用 本文采用 16qam 调制方式 星座图将信道编码得到的数据映射 到相应的星座点上 产生相应的 iq 值 再经过处理进行 ofdm 调制 正交幅度调制 qam 是一种在两个正交载波上进行幅度调制的调制方式 即 它同时利用了载波的幅相特性来传递信息 因此在最小距离相同的条件下 qam 星座图中可以容纳更多的星座点 从而可以在有限的信道频带内传输更高速率的 数据 正交振幅调制的常用表达式为 s t amcoswct bmsinwct 0 t tb 2 15 在式 2 15 中 两个相互正交的载波分量被一组离散的振幅 am bm 所调 制 故称这种方式为正交振幅调制 tb 表示码元宽度 m 1 2 m m 为 am 和 bm 的电平数 16qam 中的振幅 am 和 bm 可以表示成 acb ada mm mm 2 16 其中 a 为恒定振幅 输入信号决定 dm cm 的值 qam 发射信号集可以用 星座图方便的表示 图上每一个星座点对应发射信号集中的一个信号 而已调 qam 信号在信号空间中的坐标点由 dm cm 决定 假设已调信号的最大幅度是1 那么 mqam 信号星座图上信号点间的最小距离为 1 2 m 图2 6为16qam 的星 座分布图 第 2 章 ofdm 基带传输系统 17 图2 6 16qam 星座映射 2 2 6 导频插入 信道估计 为了实现时钟恢复 信道估计 同步等功能 ofdm 系统一般会插入各种的导 频信号 在信道估计应用中 最大多径时延 决定最小相关带宽 和最大多普勒频 移 决定最小相关时间 是影响导频形式的两个最重要的参数 为了能满足不使数 据利用率太低同时能跟上