（通信与信息系统专业论文）ofdm系统中ici分析与消除方法研究.pdf

111r llitilit j rr i ii irli 18 0 8 6 2 4 o fm e n g r e s e a r c ho nt h em e t h o d so f l c i a n a l y s i s a n ds u p p r e s s i o ni no f d m c a n d i d a t e l i a n gz h i q i a n g s u p e r v i s o r l i uy u m e ia s s o c i a t er e s e a r c h e r a c a d e m i cd e g r e ea p p l i e df o r m a s t e ro fe n g i n e e r i n g s p e c i a li t y c o m m u n i c a t i o na n di n f o r m a t i o ns y s t e m s d a t eo fs u b m i s s i o n d e c e m b e r 2 0 0 9 d a t eo fo r a le x a m i n a t i o n m a r c h 2 0 1 0 u n i v e r s i t y h a r b i ne n g i n e e r i n gu n i v e r s i t y j 哈尔滨工程大学 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 均已在文中以明确方式 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 梁志强 日期 z v o 年了月膨日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定 即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学 哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索 可采用影印 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文 可以公布论文的全部内容 同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学 涉密学位论文待解密后适用本声明 本论文 团在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后 口 解密后 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存 汇编等 作者 签字 渌若 强 日期 z o o 年弓月 日 导师 签字 蟊 l 桷 百咖年多月肜日 哈尔滨j i 程入学硕士学位论文 摘要 正交频分复用 o f d m 是一种多载波调制技术 由于具有抗多径衰落 充分利用频谱资源 结构简单 容易实现等特点 在很多领域都得到了广泛 的应用 但是 对载波频率偏移 c f o c a r r i e rf r e q u e n c yo f f s e t 敏感是o f d m 系统的主要缺点之一 任何在传输过程中产生的同步误差 无线衰落信道的 多径效应 收发端的振荡器工作不稳定以及多普勒效应等原因引起的载波频 率偏移均会破坏子载波之间的正交性 导致载波间干扰 i c i i n t e r c a r r i e r i n t e r f e r e n c e 首先分析了o f d m 系统抑制i c i 的能力 为了减轻i c i 对系统性能的影 响 o f d m 系统引进了一些新的技术来保证数据子载波符号在传输过程中的 正交性 这些技术的引进也为研究i c i 的消除方法奠定了理论基础 然后详 细分析了o f d m 系统中基于频偏引起的载波间干扰 i c i i c i 不仅会给 o f d m 系统造成信噪比损耗和误码率性能下降 严重时还会给系统带来地板 效应 最后 针对i c i 对o f d m 系统造成的影响 提出了三种有效的消除i c i 的方法 优化的自消除方法不但能够弥补自消除方法中存在的缺陷 而且在 提高o f d m 系统载干比性能上具有显著效果 基于矩阵变换的i c i 消除方法 不仅能够提高系统载干比 改善系统误码率性能 而且还节省了系统的带宽 基于虚载波估计频偏消除i c i 的方法无论是在载波频率偏移较大 还是调制 阶数较高时 都能有效改善o f d m 系统的误码率性能 从而为o f d m 系统 在不同条件下消除i c i 时提供了有效的解决方法 关键词 载波间干扰 自消除 矩阵变换 虚载波 i a b s t r a c t o f d mi sa na t t r a c t i v em u l t i c a r r i e rm o d u l a t i o nt e c h n i q u ew h i c hh a ss o m e a d v a n t a g e sw i t ha n t i m u l t i p a t hf a d i n g m a k ef u l lu s eo fs p e c t r u mr e s o u r c e s s i m p l e s t r u c t u r e e a s yt oi m p l e m e n t a n ds oo n s oi th a sb e e nw i d e l yu s e di nm a n ya r e a s h o w e v e r t h eo n eo fm a i nd r a w b a c k so fo f d ms y s t e m si ss e n s i t i v et ot h ec a r r i e r f r e q u e n c yo f f s e t a n yt r a n s m i s s i o ns y n c h r o n i z a t i o n e r r o rg e n e r a t e di nt h ep r o c e s s t l l ew i r e l e s sf a d i n gc h a n n e lm u l t i p a t he f f e c t s s e n da n dr e c e i v e s i d eo ft h e o s c i l l a t o r j o bi n s e c u r i t y a sw e l la st h ed o p p l e re f f e c t c a u s e ss u c ha se a r n e r f r e q u e n c yo f f s e t t h e c a r r i e rb e q u e n c yo f f s e tc a nd a m a g et h eo r t h o g o n a l i t y b e 撕e e nd a t as u b c a r r i e rs y m b o l s t h u sr e s u l t i n gi ni n t e r c a r r i e ri n t e r f e r e n c e a tf i r s t t h ec a p a c i t yo fo f d ms y s t e m sw a sa n a l y z e dt h a tr e s t r a i n si c i i n o r d e rt or e d u c et h ei m p a c to fi c io no f d ms y s t e m s p e r f o r m a n c e s o m en e w t e c l l n 0 1 0 9 i e sh a v eb e e ni n t r o d u c e di nt h eo f d ms y s t e m st ob ee n s u r et h a tt h e d a t as u b c a r r i e rs y m b o l s o r t h o g o n a l i t yc a nb em a i n t a i n e di n t h et r a n s m i s s i o n p r o c e s s a n d t h ei n t r o d u c t i o no ft h e s et e c h n o l o g i e sh a sl a i d at h e o r e t i c a l f o u i l d a t i o nf o rs t u d y i n gw a y st oe l i m i n a t ei c i t h e nt h ei c io fo f d ms y s t e m s h a sb e e nad e t a i l e da n a l y s i st h a tc a u s e db yb e q u e n c yo f f s e t i c lw i l ln o to n l y r e s u l ti ni o s so fs i g n a lt on o i s er a t i oa n db i te r r o rr a t ep e r f o r m a n c ed e g r a d a t i o nf o r o f d ms y s t e m s i tw i l lb r i n gs e r i o u sf l o o re f f e c t f i n a l l yt h r e ek i n d so f e f f e c t i v e m e t h o d sw e r ep r o p o s e dt oe l i m i n a t ei c io nt h ei m p a c to fo f d ms y s t e m s o p t i m a ls e i f c a n c e l l a t i o nm e t h o dn o to n l y c a nc o m p e n s a t ef o rt h ee l i m i n a t i o nm e t h o do f s e l f c a n c e l l a t i o no fd e f e c t s b u t a l s oh a ss i g n i f i c a n te f f e c t i ni m p r o v i n gt h e p e r f b 咖a n c eo fc i ri no f d ms y s t e m s b a s e do n m a t r i xt r a n s f o r m a t i o nt o e l i m i n a t et h ei c im e t h o dc a nn o to n l yi m p r o v et h es y s t e mc o n t a i n sc i rt o i m p r o v et h es y s t e mb e rp e r f o r m a n c e b u t a l s os a v e st h eb a n d w i d t ho ft h es y s t e m c 耐e r 丘e q u e n c yo f f s e tl a r g e r o rt h e n u m b e ro fh i g h e ro r d e rm 叫a t i o n c 趾 e 僚c t i v e l yi m p r o v et h eb e rp e r f o r m a n c e fo f d m s y s t e m s t h u si tp r o v i d e s e f f e c t i v es o l u t i o n t 0e l i m i n a t et h e i c ii no f d ms y s t e m s u n d e rd i f f e r e n t c o n d i t i o n s k e yw o r d s i c i s e l f c a n c e l l a t i o i l m a t r i xt r a n s f o r m a t i o n v 砷瑚c a r r i e r 哈尔滨 1 群人学硕士学位论文 目录 第l 章绪论 7 1 1 1 课题研究背景和意义 1 1 2 国内外研究现状 3 1 3 本文的主要工作和篇章结构 4 第2 章o f d m 系统抑制i c i 的性能分析 5 2 1 多载波通信系统的抗干扰性 5 2 1 1单载波通信系统的缺陷 5 2 1 2o f d m 系统的抗干扰性能 6 2 2d f t 和f f t 对i c i 的抑制 8 2 3 保护间隔和循环前缀对i c i 的抑制 1 1 2 4 本章小结 1 8 第3 章基于频偏引起的载波间干扰分析 1 9 3 1i c i 的生成 1 9 3 1 1同步误差引起的i c i 2 0 3 1 2 多径衰落引起的i c i 2 0 3 1 3 多普勒效应引起的i c i 2 3 3 2i c i 对o f d m 系统的影响 2 5 3 3 本章小结 2 9 第4 章o f d m 系统中i c i 的消除方法 3 1 4 1 载波间干扰系数分析 3l 4 2 自消除方法 3 3 4 3 自消除优化算法 3 7 4 4 基于矩阵变换的i c i 消除方法 4 0 4 5 虚载波估计法消除i c i 4 6 4 6 本章小结 z 结 论 4 参考文献 的 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果 6 2 致谢 6 3 哈尔滨 f 程火学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究背景和意义 正交频分复用 o f d m 这种多载波调制技术 l 它将所传输的数据符 号并行调制在若干个子载波上 所有子载波的频谱能够重叠而且相互之间保 持正交性 然后分别在独立的信道中进行传输 这使得o f d m 系统与常规的 频分复用系统 f d m f 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 相比 能够最大限度 地利用系统的频谱资源 这也是o f d m 系统最显著的优点之一 如图1 1 所 示 频率 脚俑聊 一 节省的带宽 7 频率 图1 1f d m 与o f d m 带宽利j 4 j 率的比较 o f d m 系统将所有数据子载波符号的频率分成若干个相互独立的部分分 别进行传输 每个独立的部分单独传输数据子载波符号 然后再将这些独立 的数据子载波符号的频谱进行重新利用 于是这些独立的子载波上的数据符 号在通信过程中传输的时间逐渐增加 这样不仅有利于消除信道间的干扰 而且能够有效的减少符号间干扰 o f d m 系统通过快速傅里叶逆变换 i f f t i n v e r s ef a s tf o u r i e rt r a n s f o r m 和快速傅里叶变换 f f t f a s tf o u r i e rt r a n s f o r m 实现调制和解调 如图1 2 所示 因此结构相对简单 使用成本也低 同时较其它的通信系统相比具有 抗多径效应 能够与其它技术相结合 抑制窄带干扰等优点 2 决定了o f d m 哈尔滨 l 程人学硕士学位论文 图1 2 刚i f f t 和f f t 来实现o f d m 系统的调制与解调 系统能够在很多领域得到广泛应用 包括非对称数字用户线路 a d s l a s y m m e t r i cd i g i t a ls u b s c r i b e rl i n e 数字音频广播 d a b d i g i t a la u d i o b r o a d c a s t i n g 数字视频广播 d v b d i g i t a lv i d e ob r o a d c a s t i n g 无线局域 网技术标准i e e e 8 0 2 1 l a 和宽带无线城域网技术8 0 2 1 6 等领域 o f d m 能够 成为移动通信领域的核心技术已经是大势所趋 o f d m 系统在技术上具有很多的优势 所以在无线通信系统的很多领域 都得到了广泛的应用 o f d m 系统存在多个正交的子载波 这些数据子载波 符号在传输过程中是保持正交性的 而且数据子载波符号在频域上是相交的 所以 o f d m 系统能够充分利用频谱资源的同时 也有不足之处1 3 很容易受到载波频率偏移和衰落信道时变性的影响 由于o f d m 系统中 子载波之间的频谱相互重叠 这就对它们之间的正交性提出了严格的要求 而正交频分复用 o f d m 是要求子载波建立在严格正交的基础上 但是由 于无线衰落信道的时变性 以及在传输过程中出现的无线信号频谱偏移引起 的载波频率偏移 c f o c a r r i e rf r e q u e n c yo f f s e t 都会造成载波信号波形畸 变 在o f d m 系统中造成载波频率偏移的主要原因有 o f d m 系统中的同步 误差会引起载波频率偏差 o f d m 系统中的振荡器工作频率不稳定会引起载 波频率偏差 o f d m 系统在通信过程中 由于多普勒效应以及无线衰落信道 的时变性会引起载波频率偏差等 尽管可以在o f d m 系统中对频偏进行估计 4 5 1 和引入同步算法 6 7 但仍不能彻底解决频偏对o f d m 系统的影响 为了 改善o f d m 系统性能 消除i c i 对o f d m 系统造成的不良影响 必须设法 减轻o f d m 系统对载波频率偏移的敏感性 2 哈尔滨 f 程人学硕士掌何论文 1 2 国内外研究现状 o f d m 从发展到现在已经经历了5 0 多年 引 在传统的o f d m 系统中 为了能够最大限度地抑制载波间干扰 i c i 可以在数据子载波符号之间插 入保护间隔 g i 于是所有的数据子载波符号在信道传输的过程中都能够保 持独立性 为了使数据子载波符号保持正交重叠 消除独立的信道之间产生 的串扰 就是要求所有的数据子载波之间保持相互的独立性 为此 1 9 7 1 年 w e i n s t e i n 和e b e n 把离散傅里叶变换 d f t 引入到o f d m 系统中 来完成 o f d m 系统的调制和解调部分 离散傅罩叶变换能够保持子载波之间的正交 性 同时为了抑制载波问干扰 i c l o f d m 系统也引进了加窗技术 1 9 8 0 年 o f d m 系统又引进了循环前辍 c p 作为抑制载波间干扰的新技术 这些新技术的引进不仅能够有效抑制载波问干扰 而且完整了现代o f d m 的 模型和体系 基于i c i 的消除算法也逐渐涌现出来 目前 对i c i 的消除算法主要从 三个方面 9 进行 在发送端对数据载波符号进行编码 在接收端进行优化 这包括自消除方法 s e l f c a n c e l l a t i o n 和时域加窗法 1 l j 其中最流行的方 法是自消除方法 它是在2 0 0 1 年被提出来的 由于实现简单 并且能有效对 抗i c i 所以得到了广泛的应用 不少学者对自消除算法都提出了改进的方 案 1 2 1 3 1 使得o f d m 系统进一步减轻了对载波频率偏差的敏感 估计频偏的 算法 在发射端对载波频率偏移进行估计 在接收端进行频率偏移校正 这 类算法在系统存在大频偏时很有效 能够有效的减轻o f d m 系统对频偏的敏 感 但是这类算法的复杂度相对较高 有时还要进行迭代运算 1 4 1 5 均衡的 方法 包括时域均衡 1 6 1 7 和频域均衡 1 8 这需要有合适的均衡滤波器 这类 算法在减轻o f d m 系统对频偏的敏感程度和消除i c i 对o f d m 系统的影响 时也非常有效 但是这类算法的计算复杂度也是最高的 有时还需要对时变 信道进行估计 3 哈尔滨 1 群人学硕士学位论文 i z ii iij im ti 1 3 本文的主要工作和篇章结构 由于正交频分复用系统具有抗多径衰落 能最大限度的利用频谱资源 结构实现简单 可以与其它传输和多址技术相结合 适合高速数据传输 动 态比特分配以及动态子信道分配 抑制窄带干扰等优点 决定了o f d m 系统 必将有广阔的应用前景 而且还有可能成为第四代移动通信的核心技术之一 但是 o f d m 系统在通信过程中不可避免地会受到载波频率偏移的影响 载 波频率偏移使o f d m 系统中子载波之间的正交性遭到破坏 造成o f d m 系 统性能恶化 本文的主要工作就是分析o f d m 系统中i c i 生成的原因 并且 根据i c i 生成的理论基础 提出合适而有效的抑制算法来消除o f d m 系统中 i c i 干扰 本文的篇章结构大致安排如下 第2 章介绍o f d m 系统抑制i c i 的能力 o f d m 系统的独特结构比单载 波通信系统具有更强的抗干扰性 d f t 和f f t 在o f d m 系统中的实现 使 得子载波之间能够保持正交性 尤其是保护间隔和循环前缀的引入 有效的 抑制了o f d m 系统中载波间干扰和符号间串扰 这些独特的结构也是引入 i c i 消除方法的理论基础 第3 章主要分析o f d m 系统中引起载波频率偏移的各种原因 包括载波 同步误差 无线衰落信道的多径时延扩展 振荡器工作频率不稳定以及多普 勒效应产生的多普勒频移扩展 均会破坏子载波之间的正交性 导致载波间 干扰 i c i 会对o f d m 系统的信噪比造成损耗 同时也会影响系统的误码率 性能 严重时还会给系统带来地板效应 第4 章提出了i c i 的消除方法 首先分析了i c i 系数变化规律 根据i c i 系数变化规律引出自消除方法 针对自消除方法中存在的缺陷 提出了优化 的自消除方法 总结出自消除方法和优化的自消除方法都很浪费频谱资源 然后提出了基于矩阵变换的i c l 消除方法 该方法不仅能够有效对抗i c i 而且还节省了系统带宽 最后提出了基于虚载波估计频偏的方法消除i c i 该方法无论是在载波频率偏移较大 还是调制阶数较高时都能有效对抗i c i 4 哈尔滨jj 稃人学硕 学位论文 第2 章o f d m 系统抑制i c i 的性能分析 在o f d m 系统中 破坏子载波之间的正交性 导致载波间干扰的主要原 因是载波频率偏移 因此 对载波频率偏移敏感是o f d m 系统的主要缺点之 一 为了使o f d m 系统能够在通信过程中保持子载波之间的 e 交性 同时也 是为了低成本的o f d m 系统能够得到广泛的应用 o f d m 技术引进了一些改 进的措施 由于这些改进的措施使得o f d m 系统具有一些新的独特的结构 尽管这些新的结构的引进还不能够完全克服o f d m 系统对载波频率偏移的 敏感 但是使得o f d m 系统较其它的多载波通信系统具有了更强的对抗载波 间干扰 i c i 和符号问串扰 i s i 的能力 同时这些结构也是引入i c i 消除 算法的理论基础 2 1多载波通信系统的抗干扰性 o f d m 是一种多载波调制技术 因此 属于多载波通信系统 它通过串 并转换 将高速传输的数据流转换成n 路并行低速子数据流 然后分别在独 立的子信道中进行传输 子载波之间可以相互重叠 但是子载波之间需要保 持正交性 因此 较单载波通信系统 o f d m 系统具有更强的抗干扰能力 下面首先来研究一下多载波通信系统较单载波通信系统在结构上具有的优 势 2 1 1单载波通信系统的缺陷 单载波通信系统的主要优点就是结构简单 成本低 实现起来相对容易 而且可以有效的对抗多径效应对系统产生的影响 特别是在低速的移动通信 环境中 仅需要设计一个适当的均衡滤波器就可以完成通信工作 但是这种 通信系统在很多宽带业务领域并不适用 因为在高速的移动通信环境中 数 据载波信号在信道中传输的时间并不一致 一个数据载波信号在信道中的延 时可能会对其它数据载波信号造成干扰 此外 还需要额外增加均衡算法 1 9 1 哈尔滨 j 稃人学硕士学位论文 mm m m m l 均衡算法在实现起来会有很大的困难 单载波通信系统的另一个主要缺点就 是对无线信道的快衰落比较敏感 在无线衰落信道中经常由于多径效应 信 道的时变性以及多普勒效应给通信系统造成快衰落 单载波通信系统的结构 框图如图2 1 所示 图2 1 单载波系统结构框图 2 1 2o f d m 系统的抗干扰性能 多载波通信系统一般是把串行高速传输的数据流转变成若干个低速并行 传输的数据流 这些低速的子数据流一般是分别在不用的信道中进行传输 而且子数据流的调制和解调过程也是相对独立的 和单载波通信系统相比 多载波通信系统具有单载波通信系统所无法比拟的特性 这是因为在多载波 通信系统中 某一瞬间产生的干扰只会对系统中某一部分数据载波信号产生 影响 而对于没有受到影响的数据载波信号 系统会适当的利用它们所携带 的信息来改善系统性能 提高信噪比 也就是说在某一瞬间产生的干扰不会 g t 伊创洲i 匝融 母 m e 纨f 一 l 高l t 图2 2 多载波系统结构框图 6 哈尔滨 群人学硕士学位论文 i i 对多载波通信系统特别严重的影响 但是在单载波通信系统中 某一瞬间产 生的干扰就可以使系统失去通信能力 多载波系统的结构框图如图2 2 所示 o f d m 系统就是典型的多载波通信系统 只是在o f d m 系统中所有的子 载波之间是相互正交的 而在其他的多载波通信系统这一点可能是不成立的 例如在传统的频分复用系统中 子载波之间的频谱是隔离的 这种方法虽然 直接 简单 但是却极大的浪费了频谱的利用率 o f d m 系统结构框图如图2 3 所示 铷科竺竺卜 蝣 l e 一 q s i p 世奄母 v s j e 蛳 l e 一胁 i f 啦蠢怦 图2 3o f d m 系统结构框图 o f d m 系统的数据子载波符号经过串并变换 调制 在无线信道中进行 传输 解调 并串变换 最后输出的表达式如 2 1 式所示 一l 7 r j r d r e c t t t 一每 e x p 2 砺 一气 丁 2 1 i f f i o l 其中n 代表系统中子载波的数目 t 代表符号周期 4 i o 1 n 1 是 每一路的载波信号 o f d m 系统中所有的子载波之间都是相互正交的 这种性质由式 2 2 所示 7 哈尔滨j 程人学硕士学位论文 拍e 则删唧 讹r d t 丢 三 2 2 理论上 在o f d m 通信系统中 所有的数据子载波具有相同的幅度和角 频率 但是在实际应用中 由于数据载波信号受到无线衰落信道的影响 数 据子载波之间的幅度和角频率也不尽相同 从图2 4 中可以看出 这个o f d m 系统拥有4 个数据子载波 而且系统中o f d m 符号的长度是数据子载波符号 长度的整数倍 邻近的数据载波只有一个符号长度的距离 这也可以很好的 解释o f d m 系统中所有的子载波之间都是相互正交的 测 馨 测 罂 趔 粤 墨o 1 00 1 0 20 30 4o 5 0 60 7 0 80 91 归一化符号周期 图2 4o f d m 系统中拥有4 个数据载波的情况 2 2d f t 和f f t 对i c i 的 f 韦0 在o f d m 技术提出不久 w e i n s t e i n 和e b e r t 就将d f t 引进了o f d m 系 统中 d f t 和i d f t 在o f d m 系统中的实现 不仅使得o f d m 系统的结构 变得更加简单 成本低廉 实现容易 更重要的是在o f d m 系统调制和解调 的过程中 d f t 和i d f t 可以保持子载波之间的正交性 也可以通过i d f t 8 哈尔滨 l 程人学硕士学位论文 i t i 萱 的算法实现i c i 的消除 2 0 1 从而使得o f d m 系统具有更强的抗i c i 性能 d f t 和i d f t 的实现过程就是将时域离散信号与频域离散信号联系在一 起 其形式有几种 究竟选择哪种形式的傅立叶变换由工作的具体环境决定 如果在一个o f d m 系统中子载波数目很多 那么数据载波信号可以通过i d f t 实现解调 在式2 1 中 设f 0 并假设没有受到衰落信道的影响 数据载 波符号s f 抽样判决以后如式 2 3 所示 轳s k t n 艺z e x p j 等 1 2 3 i o y 为对应的时域数据载波信号z 的频域信号 在o f d m 系统的输出端 对数据载波信号谚进行解调 d i n 1 s ke x p 一 争 1 2 4 k 0 从式 2 4 中可以看出 o f d m 系统的调制和解调可以分别由离散傅里 叶逆变换和离散傅里叶变换来实现 通过n 点的离散傅里叶逆变换运算 数 据载波信号就从频域转换为时域 不过 在实际的o f d m 系统中 一般都采用快速傅里叶逆变换来实现 o f d m 系统中数据载波信号的时频变换 由于i f f t 较i d f t 实现起来更为简 单 方便 快捷 所以应用的系统也比较多 例如 i f f t 中的基2i f f t 算 法在复数范围内的计算次数极少 仅为i d f t 计算次数的 2 l o g 如 果在1 6 点范围内 i d f t 和i f f t 中必须进行的计算次数是2 5 6 和3 2 可见 i f f t 不管是从实现起来还是从计算的复杂度上考虑都要比i d f t 容易的多 在很多系统中 往往计算的复杂度是需要考虑的首要条件 况且 在一个 o f d m 系统中如果子载波的数目非常大 i f f t 的计算简单容易实现功能就显 得越来越重要 这两种算法复杂度之间的差距也更为明显 这是因为离散傅 里叶逆变换运算的次数是随着子载波的数目成幕数增长的 而快速傅里叶逆 变换的运算次数只比线性运算的运算次数大一点 9 图2 5 基4i f f t 算法 在一个o f d m 系统中 如果数据载波符号的数目很多 应该使用i f f t 中的基4i f f t 算法 如图2 5 所示 因为在基4 算法中 只需要对数据载波 符号进行相加和相减运算就可以完成这种复杂的运算 基4i f f t 算法能够适用于比较庞大的i f f t 运算 图2 5 实际上描述的 是基4 蝶型运算 其中而 恐 毛 五是发送端的数据载波信号 只需通过对数 据载波信号进行简单的相位运算 就能够得到接收端的数据载波信号 儿 m 乃 总的来说基2i f f t 和基4i f f t 都可以降低o f d m 系统的计算 复杂度 实际上 基4i f f t 运算比基2i f f t 运算更快捷 利用i f f t f f t 方 法所实现的o f d m 系统框图如图2 6 所示 图2 6 用i f f t f f t 实现的o f d m 系统框图 l o 哈尔滨工程大学硕十学位论文 2 3 保护间隔和循环前缀对i c i 的抑制 o f d m 系统的一个很大的优点就是它能够抵抗无线衰落信道的多径效 应 抑制载波间干扰 i c i 在传统的o f d m 系统中插入了保护间隔 g i g u a r di m e r v a l 目的是为了有效的消除由于无线衰落信道的多径效应和多普 勒效应引起的载波间干扰 i c i 和符号间串扰 i s i 一般情况下 保护间隔都用t 来表示 对于保护间隔的长度是有严格要 求的 它必须满足其长度大于时延的长度 只有达到这种要求 在传输过程 中数据载波信号之间才能不会相互影响 这也是引入保护间隔来消除i c i 和 i s i 的意义所在 然而需要说明的是 数据载波信号不能插入到保护间隔内 那将导致相邻的子载波之间以及不同的子载波之间的正交性都将会受到不同 程度的破坏和影响 这种影响可以用图2 7 来说明 从图2 7 中可以看出 相 邻的数据子载波之间以及不同的数据子载波之间都能受到相互之间的干扰和 影响 在接收端 当对一个数据子载波信号进行i f f t 变换时 它不仅会受到 相邻的数据子载波信号时延的影响和干扰 同样也会受到其他数据子载波信 号的影响和干扰 第j 个子载波对第一个子 保护间隔f f t 积分时间长度 1 子载波间隔 图2 7 子载波之间相互受到影响 1 1 哈尔滨 i 程人学硕十学位论文 幅度 o i 佣即日u 城 i r n 扒扒n 0 f d m 符号长度 i 一 保护间隔长度 幽2 8 插入循环前缀的o f d m 符号 由于时延的存在 造成了每个子载波之间都相互产生干扰 子载波之间 的j 下交性受到破坏 严重影响了o f d m 系统的性能 为了能够有效地抑制多径时延扩展给系统带来的载波间干扰 i c i 和符 号间干扰 i s i o f d m 系统需要在数据载波信号f f t 变换前插入循环前缀 达到抑制i c i 的目的 这种抑制i c i 的过程也可以通过算法来实现 2 如图 2 8 所示 插入了循环前缀就能够使系统在调制过程中 间隔符号的长度是数 据载波信号长度的整数 如此一来 在o f d m 系统中 数据子载波符号时延 长度小于保护间隔长度的 就不会在信道的传输过程中对其它数据子载波符 号产生干扰和影响 因此避免了载波间干扰 i c i 和符号间干扰 i s i 子 载波之间的 f 交性也可以得到保证 2 2 1 在实际o f d m 系统中 多径时延扩展对o f d m 系统所产生的影响还远 不止这些 一般在经过无线衰落信道以后 o f d m 系统接收端接收到的是所 1 2 幅度 图2 9 保护间隔人于时延扩展时的4 q a m 星座图 有数据载波信号的叠加信号 虽然在到达接收端以前 数据载波信号在信道 中都是独立传输的 但是到达接收端以后 数据载波信号还是不可避免地会 受到多径和载波间相互之间的影响 在正常的情况下 在o f d m 系统的接收 端 得到的是所有数据载波信号的叠加信号 保护间隔能够抑制叠加产生的 影响 也就是所有的子载波之间依然能够保持良好的正交性 o f d m 系统的 良好性能不会被破坏 在这里需要强调的是保护间隔的长度一定要慎重选取 也就是一定要大于多径时延扩展的长度 但也不能过长 否则会浪费系统资 源 保护间隔的长度选择的合理 所有子载波之间良好的正交性也得到了妥 善的保护 如图2 9 所示为时延扩展小于保护间隔的情况下 包含1 2 8 个数 据子载波符号的o f d m 系统的4 q a m 映射星座图 可见 在保护间隔大于 时延扩展的情况下 数据子载波信号波形不会发生畸变 星座图清晰可见 子载波之间都能够保持良好的正交性 i c i 干扰也没有发生 哈尔滨 上 程人学硕士学位论文 于是新的o f d m 系统发射端框图如图2 1 0 所示 复数数 循环前缀 模拟 s p b f k 前端 詹信号 s pf f t 图2 1 0 新的o f d m 系统发射机框幽 插入了保护间隔也会给o f d m 系统性能带来新的损耗 这种损耗在传统 的o f d m 系统中也会存在 但是这种损耗对o f d m 系统性能的影响是非常 小的 毕竟插入保护间隔是为了改善o f d m 系统的性能 它能够大大降低载 波间干扰 i c i 和符号间串扰 i s i 对o f d m 系统造成的恶劣影响 所以 保护间隔对o f d m 系统性能的改善作用还是更大的 插入保护间隔后的o f d m 系统框图如图2 1 1 所示 广 广 1 广 厂 五 纠妻羹日拼t 纠妻荬闰唧 并串 变换 串并 变换 雾盒篙盯p 去除保 护问隔 图2 1 1加入保护间隔斤的o f d m 系统框图 加入保护间隔后的o f d m 符号如图2 1 2 所示 1 4 播一 雠争 多一l附一季 一d 一 哈尔滨j 程火学硕士学位论文 复制 保护 保护 f ti f f t 输出 i f f f h j 隔 问隔 个个i 时f j 墨 l 叠 i 型一 i 笪兰 二 i 笪兰塑 i 笙兰 图2 1 2 加入保护间隔的o f d m 符号 于是 加入保护间隔后新的o f d m 符号周期可以用式 2 5 表示 子载波数目的取值为 c t 丁 厶 芋 2 5 2 6 这样得到的抽样数据子载波信号为 轳击丢最e x p j 2 z m v v l g 肛1 2 7 系统接收端的数据载波信号为 y t x t r h t r d r n t 2 8 接收端的数据载波信号通过模数转换后就得到了新的数据载波信号序 列 由于符号间串扰只会对数据载波信号序列中的前几个信号产生影响 所 以 只要将前几个数据载波信号排除掉 就可以摆脱掉符号间串扰对系统性 能的影响 这样在接收端去除保护间隔以后 对得到的新的数据载波信号序 列进行离散傅里叶变换 就可以得到新的时域接收信号 在一个o f d m 系统中 通常数据载波信号的总数是不变的 所以插入的 哈尔滨 i 程人学硕 学位论文 i i i i i i i i i 图2 1 3 接收信号的等效频域系统框图 一 v il m 1 y 了 子载汲 1 n s 符号 1r1 载波n 拘符号 n c 易 m z b n c f s 图2 1 4o f d m 符号的时频结构 保护间隔的长度必须合理的选取才有助于保证载波之间不会受到干扰 这样 载波f 日 j f 扰 i c i 和符号间串扰 i s i 才有可能在很大程度上被抑制 接收 信号的等效频域系统框图如图2 1 3 所示 接收端的数据载波符号的等效频域表达式由 2 9 式所示 1 6 口uu目7 波 l n c 载 哈尔滨工程人学硕七学位论文 兄 4 咒 m 刀 0 1 n 一1 2 9 这里h 为数据子载波信号的衰落因子 n 是信道的高斯白噪声 在o f d m 通信系统中 所有的数据子载波信号在经过无线衰落信道时 都会分别受到 包括高斯白噪声在内的诸多干扰的影响 o f d m 系统的时频结构 2 3 框图如图2 1 4 所示 一帧基带o f d m 言号波形 艺 口 口 图2 1 5 一帧o f d m 符号时域波形 在实际的o f d m 系统中 通常将一定数量的数据载波符号构成一个帧 称为o f d m 符号的一个帧长 长度定义为靠 f 图2 1 5 为在4 q a m 调 制方式下 一帧设定为1 0 个o f d m 符号的信号波形图 可见 在o f d m 系 统中插入了循环前缀和保护间隔 并且保护间隔长度选择的合理 就能有效 地抑制载波间干扰 i c i 而且一帧o f d m 符号的波形都能清晰可见 1 7 哈尔滨 j 程人学硕士学位论文 2 4 本章小结 本章首先分析了单载波通信系统的缺陷 然后阐述了o f d m 系统较单载 波通信系统具有更强的抗干扰能力 o f d m 系统具有更独特的结构 d f t 和 f f t 在o f d m 系统中的应用 不仅使得o f d m 系统的实现更加简单 成本 更低廉 而且还能保持子载波之间的正交性 尤其是保护间隔和循环前缀的 引入 使得o f d m 系统比其它的多载波通信系统具有更强的对抗i c i 和i s i 的能力 尽管这些结构还不能够完全消除o f d m 系统对频偏的敏感 但是却 为引入i c i 消除方法奠定了理论基础 1 8 哈尔滨r j 程人学硕十学位论文 第3 章基于频偏引起的载波间干扰分析 o f d m 系统具有抗多径衰落 能最大限度的利用频谱资源 结构实现简 单 可以与其它传输和多址技术相结合 适合高速数据传输 动态比特分配 以及动态子信道分配以及抑制窄带干扰等优点 但是也有易受频率偏差和多 普勒频谱扩展 d o p p l e r 影响的缺点 在单载波通信系统中 载波频率偏差 只会对系统的接收信号造成一定的衰落和相位旋转 但是对o f d m 系统来 讲 载波频率偏差会破坏子载波之间的正交性 因此o f d m 系统比单载波通 信系统更容易受到载波频率偏差的影响 对载波频率偏差敏感是o f d m 系统 最主要的缺点之一 载波频率偏差和多普勒频谱扩展都会使o f d m 系统中子 载波之间的正交性受到破坏 而正交频分复用正是建立在子载波之间相互正 交的基础上 所以o f d m 系统的良好性能就会受到影响 本章将主要阐述 o f d m 系统中i c i 产生的原因以及i c i 对o f d m 系统产生的负面影响 3 1i c i 的生成 在o f d m 系统中 引起i c i 的原因有很多 虽然正交频分复用系统较传 统的频分复用系统相比具有很强的抗多径和干扰能力 能够有效的抑制符号 间串扰 i s i 但是在无线衰落信道传输时也会受到诸如多径传播 时延扩 展 衰落特性以及多普勒效应的影响 而且 从o f d m 系统的主要缺点中也 可以得出 o f d m 系统对载波频率偏差极其敏感 由此造成o f d m 系统中子 载波之间的正交性受到破坏 导致载波问干扰 i c i 而正交频分复用是建 立在严格正交的基础上的 如果不采取有效措施对i c i 进行抑制 不仅会使 o f d m 系统误码性能恶化 还会带来严重的地板效应 即无论怎样在发射端 增加信号的发射功率 都不能改善o f d m 系统的良好性能 2 4 引起载波频率偏差的原因有 o f d m 系统中的同步误差会引起载波频率 偏差 o f d m 系统中的振荡器工作频率不稳定会引起载波频率偏差 o f d m 系统在通信过程中 多径衰落以及无线衰落信道的时变性会引起载波频率偏 1 9 哈尔滨工程人学硕士学位论文 差 因此如何减少i c i 对o f d m 系统的影响 是o f d m 系统能得到广泛应 用的前提条件之一 3 1 1同步误差引起的i c i 同步也是o f d m 系统中比较严重的问题 同步误差会直接影响到整个 o f d m 系统的性能 如果在通信的过程中 同步产生误差就会引起载波频率 偏差 频偏会破坏数据载波信号的正交性 从而产生i c i o f d m 系统中同 步框图如图3 1 所示 图3 1o f d m 系统中l 司步框图 从图3 1 中可以看到 o f d m 系统中的同步涉及到符号同步 样值同步 和载波同步 每一个同步过程都关系到整个o f d m 系统的性能 通信过程中 任何一个同步过程出现误差 都会引起载波信号频率发生偏移 从而导致载 波间干扰 i c i 所以 为了确保所有数据子载波在通信过程中依然保持正 交性 在数据载波信号进行传输时o f d m