（交通信息工程及控制专业论文）OFDM系统中循环平稳信号的盲信道估计研究.pdf

摘要 伴随着社会的发展，无线通信设备越来越多，但是我们能够为这么多产品提供的资 源却是有限的，比如带宽和能量。对于绝大多数无线通信系统而言，最基本的困难时信 号在传输过程中存在多径现象而造成的符号间干扰。同时还有一个问题是一个通信系统 中必然存在很多用户，为了满足所有用户的通信需求就难免会产生多用户干扰的问题。 经过了众多专家学者对正交频分复用技术长期的研究发现，正交频分复用技术自身 具备很多的优点，比如频普利用率高，能有效对抗多径衰落和窄带干扰等。而且实验也 证实了正交频分系统中的符号间干扰和载波间干扰可以降到很低，甚至可以被完全消除。 那么对o f d m 系统中的信道展开研究就是十分必要的。 本文就o f d m 系统中提出了一种被循环平稳输入激励的线性时不变系统的信道盲辨 识的新方法。采用的基本信息就是把输出信号的循环谱的模2 相位适当离散化。整个过 程中是不需要系统长度信息，也不需要相位的解卷绕。对于f i r 信道给出的是一种普适 的方法，而对于带限f i r 信道，考虑到在频域方法固有的不足之处，提出了一种近似解 方法。仿真结果表明本章方法相对于子空间方法而言，具有很好的性能。 关键字：正交频分复用，信道估计，衰落，快速傅里叶变换，循环前缀，子空间，循环 平稳 a bs t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs o c i e t y , t h e r ea l em o r ea n dm o r ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n d e v i c e s ，b u tt h er e s o u r c e sw ec a np r o v i d et os om a n yp r o d u c t si sl i m i t e d , s u c ha sb a n d w i d t h a n de n e r g y f o rm o s tw 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 ，t h em o s tf u n d a m e n t a ld i f f i c u l t i e si s i s lc a u s e db ym u l t i p a t hp h e n o m e n ai nt h es i g n a lt r a n s m i s s i o n a tt h es a m et i m et h e r ei sa p r o b l e mt h a t ac o m m u n i c a t i o ns y s t e mm u s te x i s tal o to fu s e r s ，i no r d e rt om e e tt h e c o m m u n i c a t i o nn e e d so fa l lu s e r sw o u l di n e v i t a b l yp r o d u c eam u l t i - u s e ri n t e r f e r e n c e a f t e ran u m b e ro fe x p e r t sa n ds c h o l a r ss t u d yo nt h eo 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 l t i p l e x i n gl o n g - t e r mf o u n dt h a to 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 gh a sm a n y a d v a n t a g e s ，s u c ha sf r e q u e n c yo fp l y m o u t h 淅t l lah i 曲e f f e c t i v ea g a i n s tm u l t i p a t hf a d i n ga n d n a r r o w b a n di n t e r f e r e n c e t h i sa l s oc o n f i r m e di ne x p e r i m e n tt h a ti no f d ms y s t e mi s ia n di c i c a l lb er e d u c e dt ov e r yl o w , o re v e nb ec o m p l e t e l ye l i m i n a t e d t h e no nt h eo f d m s y s t e m , a s t u d yo f c h a n n e li sv e r yn e c e s s a r y t h i sp a p e rp r e s e n t sa nn e wb l i n dc h a n n e li d e n t i f i c a t i o nm e t h o di no f d ms y s t e m - a l i n e a rt i m e - i n v a r i a n ts y s t e mw h i c hi se x c i t a t i o nb yc y c l o s t a t i o n a r y t h eb a s i ci n f o r m a t i o ni s u s e dt ot h ec y c l eo ft h eo u t p u ts i g n a ls p e c t r u mm o d u l u s2 xp h a s ea p p r o p r i a t ed i s c r e t i z a t i o n t h ew h o l ep r o c e s sd o e sn o tr e q u i r es y s t e ml e n g t hi n f o r m a t i o na n dd o e sn o tr e q u i r ep h a s e u n w r a p p i n g f o rt h ef i rc h a n n e li sau n i v e r s a lg i v e nw a y , a n df o rb a n d l i m i t e df i rc h a n n e l ， t a k i n gi n t o a c c o u n ti n h e r e n ti nt h ef r e q u e n c yd o m a i nm e t h o dd e f i c i e n c i e s ，p r o p o s e da l l a p p r o x i m a t es o l u t i o nm e t h o d s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w t h a tt h em e t h o do ft h i sc h a p t e rr e l a t i v e t ot h es u b s p a c em e t h o d ，t h eg o o dp e r f o r m a n c e k e y w 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 ，c h a n n e le s t i m a t i o n ，f a d i n g ，f a s t f o u r i e rt r a n s f o r m ，c y c l i cp r e f i x ，s u b s p a c e ，c y c l o s t a t i o n a l y 长安大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 无线通信的历史现状及趋势 1 1 1 发展历史 人类采用无线通信的历史可以追溯到遥远的古代。但直到1 9 世纪末，人们都一直 是采用直观的方式实现简单的信息传输。古代战争中的烽火台、金鼓和锦旗都是直观无 线通信的例子。1 8 6 4 年英国物理学家j c m a x w e l l 创造性的总结了人们已有的电磁学知 识，预言了电磁波的存在。1 8 8 6 年德国物理学家h h e r t z 在实验室人工产生出电磁波， 证明了j c m a x w e l l 的预言 7 1 。1 8 9 7 年马可尼第一次用无线电实现了横跨英吉利海峡的 船舶之间通信，从次揭开了宇宙中无线通信的惊人能力。此后经过了漫长的时间，直到 2 0 世纪7 0 年代才实现了为普通社会大众提供个人无线通信这一梦想，诞生了无线通信 系统。一般认为，面向社会大众的无线通信系统的诞生是与以下技术的出现分不开的： 蜂窝概念的提出、频谱扩展技术的出现、高可靠的小型无线电频率硬件的发展。通信技 术经历了从有线到无线、从模拟到数字的两次大的革命。最早的模拟无线移动通信设备 是2 0 世纪8 0 年代中期才投入市场的，从而开创了蜂窝通信系统和个人通信服务系统的 大批量生产，诞生了第一代移动通信系统即模拟通信系统，例如美国的a m p s ( a d v a n c e d m o b i l ep h o n es y s t e m ) 系统。但后来伴随着社会科技的进步，数字信号处理、大规模集 成电路和其他制造技术的发展，1 9 9 6 年又诞生了数字式通信系统，称为第二代移动通信 系统，并且可移动的无线通信终端设备体积变得更小小，价格越来越低，性能越来越高。 如今第三代通信系统已经完成测试，正在投入商用。当今，由于后三代b 3 g ( b e y o n dt h i r d g e n e r a t i o ni nm o b i l e ) c o m m u n i c a t i o ns y s t e m ) 移动通信系统可以提供更高的传输速率，可 以容纳更多的用户，以至于更多的人针对b 3 g 开展了大量的研究，以期社会大众对更 高的通信需求。如果从技术的角度来看，c d m a 技术则是第三代移动通信系统的核心技 术，而正交频分复用将成为b 3 g 移动通信系统的核心技术。目前已有大量的研究人员 就正交频分复用技术如何应用在下一代移动通信中做了大量的研究并积累了丰富的理 论基础。在过去的2 0 年中，无线通信网络已从模拟、单媒体、和低速率系统演进到了 今天的数字、多媒体和较高数据速率系统。作为第4 代移动通信系统( f o u r t hg e n e r a t i o n m o b i l ec o m m u r t i c a t i o ns y s t e m ) 将是基于满足用户需求的为出发点而正在研究开发的系 统。由上述可以看出，伴随着无线通信系统的不断发展数据传输速率飞速提升。短短的 第一章绪论 几十年间，无线通信技术经历了从第一代到第三代的重大变革。现在，无线通信对我们 每个人来说已不再陌生，用“无处不在，无时不在，无所不能 来形容无线通信的存在 与作用也绝不为过，足见无线通信对人类社会的重要性和它产生的巨大而深远的影响。 1 1 2 发展现状 目前全球范围内，比如在亚洲、欧洲、美洲运行有多种数字无线通信系统，这里面 包括起源于欧洲的g s m ( g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s ) 系统。g s m 系统几乎 垄断了全球的无线通信业务，市场份额最大。g s m 系统能够提供基于电路交换的 1 4 4 k b i t s 语音业务，g s m 系统同样可以通过通用分组无线服务技术( g e n e r a lp a c k e t r a d i os e r v i c e ) 和增强型数据速率g s m 演进技术( e n h a n c e dd a t ar a t ef o rg s me v o l u t i o n ) 采用分组交换分别提供1 4 4 k b i v s 和3 8 4 k b i v s 交换数据业务。i s 13 6t d m a 是美国数字 蜂窝无线电系统和高层个人通信系统( p c s ) 采用的标准之一，占有全世界少量的市场份 额，大约为1 0 左右。i s 1 3 6t d m a 能够达到9 6 k b i t s 的语音和传真业务，其最高数据 传输速率可达4 0 k b i t s 6 0 k b i t s 。i s 9 5 c d m a 系统提供的数据传输速率是可变的，它的 最大数据传输速率分别可以达到9 6 k b i t s 和1 4 4 k b i t s 。而蜂窝分组数据( c d p d ) 网络 的数据传输速率可以达到1 9 2 k b i t s 2 3 1 。从上面的数据可以看出基于支持语音业务的电 路交换模式的第二代移动通信系统提供的数据传输速率有限，很难满足一些要求高速率 数据传输的业务需求。 就无线宽带通信系统而言，目前世界上有三个主要的标准。就是遵循i e e e 8 0 2 1 1 协议，由欧洲电信标准化协会( e u r o p e a nt e l e c o m m u n i c a t i o ns t a n d a r d si n s t i t u t eb r o a d b a n d r a d i o a c c e s sn e t w o r k ) 制定的宽带无线接入网络( e t s ib 凡蝌) 和多媒体移动接入通 信( m u l t i m e d i am o b i l ea c c e s sc o m m u n i c a t i o n ) 。遵循i e e e 8 0 2 1 1 协议，第一个开放的 无线局域网频段是2 4 g h z ( i s m ) 。它制定了媒体接入控制层和三个不同的物理层 直接序列扩频，跳频和可以提供2 m 速率的红外线。基于这个标准的产品在1 9 9 8 年就 已经投入市场使用。一个例子就是我们电脑上使用的基于i e e e 8 0 2 11 的p c m c i a 无线 网卡。紧随其后的是i e e e 8 0 2 1 1 又发展出两个新的物理层标准。一个可在2 4 g h z 上采 用补码键控提供高达11 m 的数据速率，采用这项技术的产品在1 9 9 9 年中投入使用。第 二个是采用o f d m 技术的i e e e 8 0 2 1 l a 标准，可以提供在5 g h z 频段高达5 4 m 的传输速 塞【2 4 】 t-0 尽管有上述比较丰富的通信技术，但当今社会人们对信息量的获取日益增大，这就 2 长安大学硕士学位论文 要求我们的通信系统能够提供更高速的数据传输速率，那么传统的单载波时分复用系统 以及窄带码分复用系统都存在着很大的缺点。尽管有无线局域网这样较高速率的技术， 但是它的覆盖范围是相当有限的。从信息传输的角度来看，由于无线信道中的电波传播 存在散射、反射、直射这样复杂的传播环境从而存在多路电波达到接收端时间的不一致 而引起的时延扩展。高速信息传输系统中符号宽度要相对于信道的时延扩展要减小很多， 所以符号与符号之间会存在较严重的符号间干扰( i s i ) ，就好比拥挤的人群中难免互相 之间会影响，于是对单载波时分复用系统中要正确无误的接受发送信号，就要使用均衡 器。由于存在符号间干扰，接收端的均衡器就要有很高的性能，且复杂度随着符号间干 扰的增加变到更加复杂，甚至不可能实现。复杂度的增加具体体现就是数量很大的抽头 系数，较长的训练符号。同样，对于窄带码分复用系统来说，扩频增益与高速数据流之 间是一对矛盾，实际使用中只能在这两者之间折衷选择。保证相同带宽的前提下，要想 发挥c d m a 系统噪声平均的优点，对高速数据流所使用的扩频增益就不能太高，这样 一来必然导致系统的软容量会受到一定损失。如果保持原来的扩频增益，为了保证获得 同样的高传输速率那么相应的提高系统带宽就是必要的。此外，码分复用系统中为了降 低同频干扰所采用的闭环功率控制技术，在电路交换技术中也用到了闭环功率控制技术 并且是比较容易实现的，而在分组业务中，也进行闭环功率控制，就先要对信道进行探 测，然后再返回闭环功率控制命令。这种方法难免会产生比较大的系统时间开销，于是 对于高速的无线分组业务来说，这种闭环的功率控制技术还有很大的可改进、提升的空 间。这也可以说是正交频分复用系统( o f d m ) 备受关注的一个原因，希望通过正交频分 复用技术来解决高速信息流在无线信道中的传输所带来的问题，从而可以满足在多媒体 业务中对带宽和高速率的要求。 与此同时，无线通信的应用深度和范围正在发生着重大变化。传统的通信系统是使 用铜线或光纤。此外，这些系统的目的主要是为语音或数据传输。然而，这种情况正在 改变。例如，普通的电子通信设备数量正在增加与日俱增。从无线传感器网络到、家用 电器、通信的需要变得十分迫切，因为他们变得更加智能化。硬件技术的快速发展及成 本的降低使得这些设备越来越小，越来越智能化，应用越来越广泛。另一方面，无线互 联网正在打破有线电缆布局的界限。这些现象将是对现有系统产生颠覆性的影响。 1 1 3 发展趋势 互联网上的视频，语音，数据通信的增长速度十分惊人，同样通过移动终端访问这 3 第章绪论 些资源的增长速度也是一日千里，这些现象充分证实了人们对移动多媒体通信的预期。 如今全球范围内对下一代无线宽带多媒体通信系统( w h e l e s sb r o a d b a n dm u l t i m e d i a c o m m u n i c a t i o n ss y s t e m s ) 的研究与开发的结果必然是诞生一个全球信息村。正如我们 所说，社会大众对无线通信和互联网多媒体通信的需求呈现指数增长的态势。因此，将 无线通信与互联网多媒体通信合二为一是势在必行。那么在不远的将来，无线互联网协 议和无线异部传输模式在无线宽带多媒体通信系统( w i r e l e s sb r o a d b a n dm u l t i m e d i a c o m m u n i c a t i o n ss y s t e m s ) 的发展中就将扮演着十分重要的角色1 2 4 。 目前的通信基本上是为了满足某种特定的应用而研究设计的，如通过移动电话的语 音通信或是有较高数据速率的无线局域网。而下一代通信系统w b m c s 将集成各更多种 不同的功能与应用到一个系统中。能够为用户提供超过百兆的移动传输速率。在复杂多 变的无线信道上稳定的提供如此高的传输速率，就要小心的选择一种有效的调制技术。 目前正交频复用技术就被认为是最为合适的一种。无线宽带多媒体通信系统的主旨是为 用户提供基于用户所在网络或是基于公用电话网的宽带接入方案，并且有很好的移动无 线扩展功能。 纵观国际上一些发达国家与地区研究工作，如在北美、欧洲和日本正在研究在微波 和毫米波段为无线宽带多媒体通信系统提供所需的带宽。这些发达国家关于无线宽带多 媒体通信系统领域的研究已经引起的全世界了广泛的关注，因为在通信中多媒体的角色、 计算机的应用不断上升。其中最有代表性的有三个研究领域：( 1 ) 户外的微波、毫米波 段固定接入技术( 2 ) 针对室内的无线局域网的演进技术研究( 3 ) 户外无线局域网技术 的研究。总之，无线宽带多媒体通信系统将提供一个全新的多媒体与视频通信服务，这 其中同样涉及到无线用户驻地网( w c p n ) 和无线本地3 q ：( w l l ) 。当然实现无线宽带多 媒体通信系统，有诸多挑战要考虑，如频率分配与选择，信道的特性，应用环境的重新 认识，还包括对健康危害程度的研究，空中接口多址接入技术的研究，协议与网络的研 究，还包括高效的调制技术、编码和智能天线等技术。在无线宽带多媒体通信系统领域 各国已经设立了大量的研究开发项目。仅欧洲的高级通信技术与服务( a d v a n c e d c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g i e sa n ds e v i c e s ) 进程就包括了四个欧盟长期合作开发项目，就 是：m a g i cw a n d ( w i r e l e s sa t mn e t w o r kd e m o n s t r a t o r ) ，a t m 无线接入通信系统( a t m w 1 r e l e s sa c c e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ) 。高级移动宽带应用系统( s y s t e mf o ra d v a n c e d m o b i l eb r o a d b a n d a p p l i c a t i o n ) 。和面向专业及民用多媒体应用的无线宽带c p n l a n 。在 美国无缝无线网络( s e a m l e s sw t r e l e s sn e t w o r k ) 和宽带自适应a t m 架构( b r o a d b a n d 4 长安大学硕士学位论文 a d a p t i v eh o m i n ga t ma r c h i t e c t u r e ) ，以及贝尔实验室的两个主要项目和一个无线a t m 网络( w a t m n e t ) 正在被n i p p o ne l e t r i cc o m p a n y ( n e c ) 电子公司利用计算机技术在实 验室中加紧研究开发。日本通信研究实验室( c o m m u n i c a t i o nr e s e a r c hl a b o r a t o r y ) 也正 在忙于几个研究开发项目，比如具有1 0 m 比特速率的超高频段( 3 到l o g h z ) 宽带移动 通信系统和目标比特速率为1 5 5 m 的超高频段室内高速无线局域网。荷兰代尔夫特理工 大学从1 9 9 6 年就开始积极开展一个多学科的研究项目，移动多媒体通信( m o b i l e m u l t i m e d i ac o m m u n i c a t i o n s ) 。该m m c 项目要在6 0 g h z 频段达到几个目标：如采用 o f d m 的1 5 5 m 无线接入速率，室内室外都可以使用，更低的系统复杂度，通过将基站大 多数功能移到接入点实现并不太昂贵的移动基站，改进的o f d m 技术，支持固定比特 速率、可变比特速率以及自适应比特速率服务。 这些现象的综合效果，将是传统的通信系统正在被改造为无处不在的通信系统。不 像他们的前辈，未来的通信系统将不会只用于一个诸如语音或数据传输的目的。而是一 个综合了多种业务功能，并且向更广深领域渗透的全方位服务系统。例如，控制和监测 领域，采用无线系统正不断涌现。因此，未来的通信需求的系统能够适应具有不同的 q o s ( 服务质量) 要求的不同领域。从而将我们的精力与研究投入到提升这些系统的性 能中是十分有意义的。 1 2 无线通信所面i 临的挑战 1 2 1 信道 在一个无线通信系统中，发射机发出的电磁波的波形穿过空间距离，并被一段距离 外的接收机所接受。无可避免，传播过程中会遇到建筑物、山脉这样的障碍物。由于障 碍物的遮挡与反射，就会出现多路电波，这些多路电波在接收端会出现相互抵消或增强， 我们称为多经衰落。还有一种衰落是由于电波在大气中传播时由于大气电离层闪烁带来 的电波随机波动。此外，热噪声和其他电磁信号也会干扰接收端的正确接受。上述由传 播媒介对电磁信号产生的影响我们把他整体抽象为信道。介质中有多路电波传输我们称 之为信道中的多径现象。如果接收和发射端是相对移动的话，则信道被称为时变信道。 为了更好的在接收端重现发送端的信号，我们有必要对信道有所了解。以便于我们选用 一种比较好的抵消信道对信号的影响。通常的做法是利用信道信息构造均衡器，这样发 送端都需要发送一个接收端已知的信号训练序列。 由于现在的无线通信设备有很多采用电池供电，所以不断的发送训练序列会有很大 5 第一章绪论 的能耗。而且，训练序列增加了发送端工作量，同时降低了数据传输的效率。盲信道估 计可以有效的降低对训练序列的需求。通常，我们利用发送信号的特殊性质进行信道盲 估计。大致有以下几种方法：利用信号的循环平稳性、利用信号的高阶统计量、利用接 收信号的数学结构、还有利用基于神经网络的机器学习等。虽然忙信道估计可以很大程 度上节省系统资源，但是同时也存在计算复杂度大、收敛速度慢等缺点，需要作出更多 研究。 1 2 2 多用户干扰 任何商用或军用移动无线通信的设计都试图尽可能在相近的地区复用被分配的频 率，从而可以对分配的频率加以充分利用，也就是频率复用。这将导致不同用户之间的 干扰，也就是所谓的多用户干扰。与热噪声不同，多用户干扰不能通过简单的提高发射 机的功率来克服。通常是让发送端多次重发，直到接收端能够正确接收。尽管允许多用 户公用同一信道会带来多用户干扰，但是他依然是实现多用户系统的一种比较经济的方 法。如果接收机同时接收到多个数字调制的信号，我们怎样才能可靠地解调出某个感兴 趣的特定用户呢? 即是说多用户系统要面临一个问题就是多用户检测，这个问题我们可 以采用高效的信号处理技术在接收端重现不同用户的信号。另外，在蜂窝网络中多用户 干扰是限制系统容量的重要因素，特别是对小区边缘的用户。如何管理上行，下行链路 信道的资源调度，就需要研究高效的资源调度算法来优化一组性能度量函数。如最大、 最小平均吞吐量，最大最小平均时延，总，每个用户频谱效率和中断概率，对每个子帧所 分配的资源块和传输功率。同时资源分配调度算法必须要考虑实际的制约因素，如上下 行链路的多址接入技术。 1 2 3 多天线技术 多天线技术作为一种增强通信系统性能的方法，其价值在无线通信领域的早期就得 到了认可。然而，在信号与信息处理理论的发展推动下大部分挖掘多天线潜力的科学进 展发生在近2 0 年，并以2 0 世纪9 0 年代中期发明的多输入多输出( m i m o ) 系统成为 一个关键的里程碑。 传统的无线通信利用时域和频域预处理及对发送和接受数据分别译码，无论是基站 还是终端使用更多的天线单元都是为了信号编码和检测打开一个额外的空间处理域。所 谓空时处理方法是采用一个或多个可能的度量，如错误率，通信数据传输速率，覆盖范 围和频谱效率等扩展该域，来达到改善链路性的目的。根据现有的发射机和接收机上多 6 长安大学硕士学位论文 路天线，这种技术可以分为但输入多输出。多输入单输出，或者多入多出。尽管多种多 样显得较复杂，但是单用户和多用户多天线技术往往围绕这几个基本的原则，其目的是 利用多天线传播信道的一些关键特性，包括三个优点：分集增益、阵列增益、空间复用 增益。分集增益减小多径衰落的影响，通过个衰落不相关的多天线发送或接收来实现。 通常以阶的形式表示，既可以是独立分集的子信道数，也可以是比特误码率关于信噪比 的曲线斜率。分集增益与衰落信道的统计瞬时信噪比提高有关，而阵列增益和复用增益 具有不同的性质，不是与地形和向量空间有关。阵列增益相当于时域接收机上常见的匹 配滤波器增溢的空间版，而复用增益指的是发送多路数据和基于空域特征区分它们的能 力。后者很像通过正交扩频码时隙或者频率分配区分用户而实现的复用，且具有很大的 优势：不像码分复用、时分复用或者频分复用，多天线复用不以增加带宽为低价，而以 增加天线和信号处理复杂度为代价玛舢。 1 2 4 硬件成本及复杂度 任何一个成功的通信系统都离不开广大的社会大众，只有被社会大众广泛的使用藏 才能支撑起整个通信行业的蓬勃发展。在最初的模拟通信终端如大哥大上市的时候售价 相当于今天的一台电脑。而今天的一部性能强大的手机售价也不高。同时通信资费的下 降也在促使着更多的人有能力享受到无线通信给我们生活带来的无尽方便。由此可见， 无线通信设备的成本直接影响到他的使用数量。同时信号处理算法的复杂度又直接影响 到使用电池供电设备的续航能力。比如目前已经上市的3 g 手机的耗电量要远大于g s m 手机。因此，我们应该设计开发信号处理算法不太复杂，硬件设备成本可被大众接收的 无线设备，以便无线通信设备能为更多的社会大众服务。 7 第二章正交频分复用技术 第二章正交频分复用技术 2 1 0 f d m 技术的发展历史 正交频分复用( 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 ) 是一种在实际应用中极 具吸引力的多载波传输技术。正交频分复用( o f d m ) 数据传送的原理是把串行数据变 成多路并行数据再调制到载波上发射出去。从调制与解调的角度来看它可以被看成是一 种调制技术，从频率复用的角度看它也可以被当作是一种复用技术。在单载波系统中， 一次衰落或是干扰可以导致整个通话质量的整体下降，但是在多载波系统中仅仅有小部 分载波会受到影响。目前，学术、科研及科技应用都十分重视正交频分复用技术，因为 它有很多的优点。其中一个就是采用正交频分复用技术的系统能够很好的对抗无线通信 过程中的频率选择性衰落和窄带干扰问题。在传统的频分复用的数据传输系统中，我们 将整个信道中可用频段被划分成n 个互相不重叠的频率子信道，这些不重叠的信道之间 还要留有一定的保护间隔来隔离载波。用这n 个子信道中的每个子信道传输独立的调制 符号，然后再将n 个子信道进行频率复用。这样就可以避免信道频谱重叠，由于各个信 道之间互相不存在重叠的部分就可以实现消除信道间干扰，但是这样又不能有效利用宝 贵的频谱资源，造成日益紧缺的频谱资源的极大浪费。 人们为了解决这种低效率的频谱资源利用的问题，在上世纪1 9 6 0 年代美国人r o b e r t w c h a n g 提出一种思想，即利用子信道频谱相互覆盖的并行数据传输f d m 方案。并初步 的勾画出系统中一些关键环节的框图。在这个方案中每个子信道内承载的数据传输速率 为b j 并且要求每个子信道在频域间离等于数据的传输速率也就是b 从而可以避免利用高 复杂度的均衡器，并且可以很好的对抗窄带脉冲干扰和多径衰落。它是将频率选择性宽 带信道划分为重叠但正交的非频率选择性窄带信道，这样就避免了需要利用保护带宽来 分隔载波，因此几乎节省一半的带宽，极大提高频谱利用率。图( 2 1 ) 很好说明的说明了 传统的多载波技术和频谱相互重叠的多载波技术之间的差异。利用重叠的多载波调制技 术可以几乎节省5 0 的带宽，也就频谱的利用率提高了一倍，这种提高在当今频谱资源 日益紧缺的环境下有着极其重要的意义。那么考虑到如何实现这种相互重叠的多载波技 术，就要考虑如何减小子信道之间的干扰，如果能够实现各个调制子载波之间保持正交， 那么各个子信道之间就完全不存在干扰。 8 长安大学硕士学位论文 信道1 2345678 91 0 ( a ) 频事 率 图2 1传统频分复用和正交频分复用 从上世纪6 0 年代逐渐开始形成了多路载波并行数据传输和频分复用的概念后，1 9 7 0 年位于美国纽约的贝尔电话实验室在r o b e r twc h a n g 的思想上作出一些完善后第一个对 正交频分复用技术申请了专利保护。最初的一些应用中只设计了模拟系统，即采用一组 正弦信号发生器和调制解调器对多个子信道信号进行处理。在上世纪的1 9 7 1 年， w e i n s t e i n 和e b e r t 成功的把离散傅里叶变换( d i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f e r ) 应用到并行传输系 统中，作为调制解调过程的一部分1 8 1 0 由于调制解调可以看作是基带处理的一部分，那 么这样经过基带处理就可以成功的实现并行多路载波传输中的f d m 。而且，w e i n s t e i n 和 e b e r t 的工作使得在实现正交f d m 的过程中，避免了使用子载波震荡器组以及相干解调 器，可以完全依靠执行快速傅里叶变换( f a s tf o u r i e rt r a n s f e r ) 的硬件来实现，而f f t 算法已经发展到相当成熟完备，实现的时候有着丰富的专用硬件可以选择，降低了实现 的复杂度。 在上世纪6 0 年代，正交频分复用技术被提出不久后，就被最早在多种高频军事系统 中就已经开始使用，其中包括k i n e p l e x 系统、a n d e f t 系统以及k n t h r y n 系统等。 以k n t h r y n 系统为例，其中的可变速率的数据调制解调器最多有3 4 个，每个信道可进 行并行低速相位调制，每个子信道之间的间隔为8 2 h z 。尽管正交频分复用技术在军事上 开始使用，但是直到上世纪8 0 年代中期，随着欧洲在数字音频广播( d a b ) 方案中采用 正交频分用技术后，该此项技术才逐渐的被重视并广泛开发使用。自从2 0 世纪8 0 年代以 来，在1 9 9 5 年由欧洲电信标准协会( e t s i ) 制定的d a b 标准，这是第一个使用正交频分 复用技术的标准，欧洲的数字音频广播( 姬) 中也用到了正交频分复用技术。还有基 9 第二章正交频分复用技术 于i e e e 8 0 2 1 l 协议的无线本地局域网( w i ，a n ) 标准。以及使用常见的铜双绞线作为信 道的非对称高比特数据率数字用户线技术( a d s l ) 等等都无一例外的使用了正交频分 复用技术。而正交频分复用技术在这些应用中都很好的解决系统中存在的符号间干扰 ( i s i ) 问题。在a d s l 应用中，正交频分复用被典型地当做离散多音调制( d i s c r e t e m u l t i p l et o n em o d u l a t i o n ) ，可以在1 m h z 带宽内提供高达8 m b i t s 的数据传输速率。1 9 9 8 年7 月，经过多次的修改之后，i e e e 8 0 2 1 l a 标准组织决定选择正交频分复用作为w l a n ( 工作于5 g h z ) 的物理层接入方案，目标是提供6 m b i t s 5 4 m b i t s 数据速率，这是正交 频分复用第一次被应用于分组业务通信当中。而且此后，e t s i 、b r a n 以及m m a c 也纷 纷采用正交频分复用( o f d m ) 作为其物理层的标准【引。此外正交频分复用还易于结合空 时编码、分集、干扰抑制以及智能天线等技术，最大程度的提高物理层信息传输的可靠 性。如果再结合自适应调制、自适应编码以及动态子载波分配、动态比特分配算法等技 术，可以使其性能进一步得到优化。 2 2 0 f d m 技术的基本原理 高速率数据流在串行发送时通常会遇到符号周期t 远小于信道的时延扩展t d ，特别 是在高速率数据流中。这样产生的符号间干扰( i s i ) 只能通过复杂的均衡器处理进行消 除。通常，均衡器的复杂度与信道冲激响应的长度的平方成比例增长。 o f d m 的基本原理是将高速的数据流分解为多路并行的低速数据流，在多个载波上 同时进行传输。对于低速并行的子载波而言，由于符号周期展宽，多径效应造成的时延 扩展相对变小。当在每个o f d m 符号中插入一定的保护时间后，码间干扰几乎就可以 被完全消除。 正交频分复用系统一个典型的接收端框图如图( 2 2 ) 中上半部分所示。图中发射机链 路由编码、交织、数字调制、插入导频、串并变换等部分组成。接收机链路由图中的解 码、解交织、数字解调、信道校正、并串变换等部分组成。发送端将被传送的数字序列 经过前述几个步骤后在子载波的相位或者幅度之间建立一一映射关系，并进行反离散傅 里叶变换，这里所作的反离散傅里叶变换则是将数据的频域表达式变换到时域上。接收 端的工作则是与发送端恰好相反，就是将接收到的射频信号与基带信号进行混频处理， 并进行f f t 运算。由于前面的i f f t 是将数据变换为时域信号，这里的f f t 将接收到的 时域信号变换为频域信号，子载波的幅度和相位被采集出来并转换回数字信号。i f f t 和f f t 互为反变换，选择适当的变换将信号接收或发送。同时i f f t 和f f t 的运算又是 1 0 长安大学硕士学位论文 十分的相似，因此发射和接收设备其实可以采用相同的硬件设备。 图2 2o f d m 收发机框图 2 2 1 串并变换 数据传送的典型形式是串行数据流，符号被连续传输，每一个数据符号的频谱占据 整个可利用的带宽。但在正交频分复用系统中许多符号被同时传送，减少了那些在串行 系统中出现的问题。 在正交频分复用系统中，先将输入的高速串行数据比特流进行串并变换，这样就得 到若干个并行的低速率数据流，将这些低速的数据流一一映射到o f d m 符号对应的不 同子载波上进行传输。每个子载波的调制模式是可以变化的，因为调制模式可以自适应 调节，由此可知调制到每个子载波上的比特流也允许是变化的，这样就可以比较灵活的 为每个子载波分配数据以适应不同的传送速率。在接收端则是将调制到各个子载波上的 数据转换回原始的串行数据 r l 。 当一个o f d m 符号在多径无线信道中传输时，符号在传输的过程中由于无线信道 的频率选择性导致某几组子载波受到较严重的衰落，从而引起比特错误。这些深衰落点 会对邻近的子载波携带的信息造成较严重的破坏，从而导致在每个符号中存在连续的 ( b e r ) 。在一大串错误连续出现的情况下，前向纠错编码( f e c ) 在错误分布较均匀的 情况下，是一种错误纠正的好方法。所以为了提高系统的性能，大多数系统采用数据加 扰作为串并转换工作的一部分，这可以通过把每个连续的数据比特随机地分配到各个子 载波上来实现。在接收端，进行一个对应的逆过程解出信号。这样不仅可以还原出数据 第二章正交频分复用技术 比特原来的顺序，同时还可以分散由于信道衰落引起的连串比特错误，使其在时间上近 似均匀分布。这种将比特错误位置随机化的方法可以提高f e c 的性能，进而改进系统 总的性能。 2 2 2 子载波调制 前面不断提到的在一个概念是o f d m 符号。这里所说的o f d m 符号之内包含多个 经过相移键控( p s k ) 或者正交幅度调制( q a m ) 的子载波。n 在这里代表子载波的个 数，t 在这里代表o f d m 符号的持续周期( 时间) 。d i ( i = 0 ，1 ，2 n - 1 ) 是分配给每个子信 道的数据符号，第i 个子载波的频率是f i 。用r e c t ( t ) = l 来表示矩形函数，定义域区间是 i t l = t 2 ，这样从t = t s 时刻开始的o f d m 信号就可以写成下式【8 】： s ( t ) = r e ( d i r e c tt - - t s - - d e x p j 2 兀f i ( t t s ) 】) ，t s t t s + t s ( o = 0 ，t t s + t( 2 1 ) 在将要传输的比特成功的分配到各个不同且正交的子载波上后，就可以选则某一种合适 的调制方案将数据比特一一映射为子载波的幅度和相位，也就完成调制。我们一般会将 问题简单化，采用等效的基带信号来描述o f d m 的输出信号，如式2 2 。 s ( t ) = 饕d i r e c t ( t t s 一9e x pd 2 t 【 ( t t s ) 】，t s t t s + t s(o=0，tt+ts ( 2 2 ) 可以看出在上面的式子中，因为存在复指数函数，那么信号s ( o 必然有实部和虚部。 其中s ( t ) 的实部可以理解为o f d m 符号的同相( i n - p h a s e ) 分量，s ( t ) 的虚部可以理解为 o f d m 符号的正交( q u a d r a t u r e - p h a s e ) 分量。在实际系统就是相应子载波在调制阶段的 c x ) s 分量和s i l l 分量，这两个分量的叠加构成最终的子信道信号和合成的o f d m 符号。 为了更加清楚o f d m 系统结构，下面给出图2 3 。我们在接收端，将接收到的同相分量 信号和正交分量信号要重新映射回数据信息，这样我们就可以顺利的完成各个子载波的 解调。 1 2 长安大学硕士学位论文 二 j 锄t ! e - j 啊t 二扣 g p 鼍寸 隅 + ； ； i 一蛳 i c 州 _ 蕾一 图2 3o f d m 系统基本模型框图 图2 4 表示的是在一个o f d m 符号内包含有4 个正交的子载波的例子。其中，所有的子 载波都具有相同的幅度和相位，但在实际应用中，根据数据符号的调制方式， 图2 4 含有4 个子载波的o f d m 符号 子载波的幅度和相位都一样是不可能的。图2 4 清楚的说明了，一个o f d m 符号周期内 第二章正交频分复用技术 都包含整数个周期，并且在一个o f d m 符号周期内相邻的正交子载波的周期个数差值 正好是一。这一特性可以用来解释子载波之间的正交性，即： r e x p o ( i ) n o e x p ( j t o m t ) d t = f ( x ) = 皓m m = n n ( 2 3 ) 例如对式2 2 中的第j 个子载波进行解调，然后在时间长度t 内进行积分，即： a j = 亍1j t s t s e x p ( 一j 2 t r ( t t s ) 胬d i e x p0 2 a ( t - t s ) ) d t = 酚d ie e x p ( j2 冒1 竿( t - t s ) d t = d j ( 2 4 ) 由式2 4 可以看出，如果对第上述式子中的第j 个正交子载波解调就可以解调出我们需 要的符号。对于其他子载波而言，因为在积分时间内不同子载波之间的频率差( i - j ) 厂r 正 好可以产生整数倍个周期，由于正弦函数在在整周期上的积分为零，所以上述积分结果 为零。正交频分复用系统中各个子载波之间的