超宽带无线通信中信道估计技术的研究.pdf

东南大学硕士论文摘要 相对有线网络，无线网络最大的优点是可移动性，但是却要面对恶劣无线通信环境和有限频谱资源的挑战。与此同时，人们对无线通信系统的要求却仍在不断提高，希望其提供更高的数据传输速率、成本更低、功耗更小。在这样的背景下，超宽带(U R 门 3)技术引起了人们的重视，己 逐渐成为无线通信领域研究、开发的一个热点，并被视为下一 代无线通信的关键技术之一。本学位论文依托于国家8 6 3 计划项目“超宽带无线通信关键技术的研究”。主要的研究内容为基于O F D M调制方式的U WB系统下的部分接收技术 研究，包括信道估计 技术和均衡技术。本文主要分为六章，主要针对本项目的系统进行相应的介绍和研究。第一章绪论主要介绍了8 0 2.1 1 a/b/g f l H o m e R F 的比较U WB 系统的概念和基本特点，以及和其他无线通术，诸如篮牙、第三章介绍O F D M系统的原理、系统构成以 及O F D M抗干扰的基本技术。第二章论述了U WB的信道特点以及基于O F D M调制方式的U WB系统结构。第四章主要研究了O F D M系统常见的信道估计 方法，包括 L S,MMS E等算法，并且在 U W B信道条件下进行了相应的性能仿真和分析。并且对于D F T 算法，针对U WB信道特点做了性能改进和计算复杂度简化。第五 章研究目 前演示系统采用的时域相关信道估计 算法，并且给出了 降低复杂度的 方法和相应仿真分析:最后介绍了均衡算法。第六章是对本文_ 作的总结与对 U WB技术的展望。U WB技术具有广阔的应用前景，具有低功率、高分辨率、高频谱利用率等优点，正在快速发展之中。本文对U WB接收技术进行了部分研究，希望可以对 卜 一步的研究 作起到积极的作用。关键词:超宽带 O F D M 信道估计 均衡东南大学硕上论文Ab s t r a c t C o m p a r e d t o w i r e l i n e n e t w o r k s,w i r e l e s s n e t w o r k s h a v e h i g h e r m o b i l i t y,w h i l e t h e y f a c e t h e d i f f i c u l t yo f b a d w i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n e n v i r o n m e n t a n d l i m i t e d s p e c t r u m r e s o u r c e.A t t h e s a m e t i m e,p e o p l er e q u i r e m o r e f o r w i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n s y s t e m s,e x p e c t i n g h i g h e r d a t a r a t e,l o w e r c o s t,a n d l e s s e n e r g y.U n d e r t h i s b a c k g r o u n d,U l t r a-Wi d e b a n d(U WB)t e c h n o l o g y a tt r a c t s m u c h a tt e n t i o n o v e r t h e w o r l d.U WBi s a n i m p o rt a n t t e c h n o l o g y f o r i n d o o r h i g h r a t e w i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n s a n d n o w i t i s l o o k e d a s o n e o f t h ek e y t e c h n o l o g i e s f o r t h e n e x t g e n e r a t io n w i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n s y s t e m s.T h i s t h e s i s i s s u p p o rt e d b y N a t i o n a l H i g h T e c h n o l o g y P r o j e c t K e y t e c h n o l o g y o f U l t r a-W i d e b a n dw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n s ，一 T h e m a i n c o n t e n t i n v o l v e s r e c e i v e t e c h n i c s,e s p e c ia l l y c h a n n e l e s t i m a t i o na r i t h me t i c a n d e q u a l i z a t i o n.T h i s t h e s i s c o n s i s t s o f s i x c h a p t e r sC h a p t e r O n e g i v e sc o mp a r e s U WB wi t h oHo me RF a n d e t c.tath eb r i e f i n t r o d u c t i o n o f U WB,i n c l u d i n g i t s c o n c e p t a n d c h a r a c t e r i s t i c s.I tr w i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g i e s,s u c h a s B l u e t o o t h,8 0 2.l l a l b l ga lsoan d C h a p t e r T w o i n t r o d u c e s O F D M,i n c l u d i n g t h e b a s i c p r i n c i p l e,t h e s t r u c t u r e,a n d t h e t e c h n o l o g i e s o fi n t e r f e r e n c e r e s i s t a n c e.I n C h a p t e r T h r e e,t h e f e a t u r e o f th e U WB c h a n n e l a n d t h e s t r u c t u r e o f U WB b a s e d o n O F D M a r es t u d i e d.I n C h a p t e r F o u r,t h e c o m m o n O F D M c h a n n e l E s t i m a t i o n a l g o r it h m,i n c l u d i n g L S a n d M M S E m e t h o di s s t u d i e d a n d i t s c o r r e s p o n d i n g p e r f o r m a n c e i s s i m u l a t e d a n d a n a l y z e d i n U WB c h a n n e l.M o r e o v e r,D F Tc h a n n e l e s t i m a t i o n a l g o r i t h m i s i m p r o v e d o n t h e c o m b i n a t i o n o f t h e c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e U WB c h a n n e l.S i m u l t a n e i t y,t h e c o m p l e x i t y i s a l s o r e d u c e d.I n C h a p t e r F i v e,t h e c h a n n e l e s t i m a t i o n m e t h o d t h a t t h e d e m o U WB s y s t e m u s e s,t i m e d o m a i na u t o c o r r e l a t i o n,i s i n t r o d u c e d a n d i t s c o r r e s p o n d i n g p e r f o r m a n c e i s s t u d i e d a n d it s c o m p l e x i t y c a n b er e d u c e d g r e a t l y.F i n a l ly,t h e t h e s i s i n t r o d u c e s t h e e q u a l i z a t i o n o f t h e s y s t e m.C h a p t e r s i x s u m m a r i z e s t h e w h o l e t h e s i s a n d o u t l i n e s t h e f u t u r e r e s e a r c h d i r e c t i o n s.U W B t e c h n o l o g y h a s w i d e a p p l i c a t i o n f o r e g r o u n d.I t h a s t h e a d v a n t a g e s o f l o w p o w e r,h i g h r e s o l v i n gr a t e,a n d h i g h p o w e r s p e c t r u m u t i l i z a t i o n r a t e.I t i s a h o t r e s e a r c h a n d d e v e l o p m e n t a r e a.T h i s t h e s i s p a r t l yr e s e a r c h e s t h e U WB r e c e i v e r t e c h n o l o g y t h a t m a y b e h e l p f u l t o o u r f u t u r e r e s e a r c h w o r k.K e y Wo r d s:U WB,O F D M,c h a n n e l e s t i m a t i o n,e q u a l i z a t i o n1 1第一章 绪论第一章 绪论1.1引言 自 几 十 世纪九十年代以来，移动通信和计算机互联网得到了巨大的发展。无线网 络作为 移动通信技术和计算机互联网结合的产物，将成为人们实现随时随地自由传递信息的主要手段和信息社会人 们赖以 生存的必要条件之一。无线网 络1 1.2 1 的发 展经历了 几种不同的 道路，一 条是移 动通信系 统在无线接入的 基础上 采用 互联网 协议(I P-I n t e r n e t P r o t o c o l)而发展成无线网络的 道路，如采用全I P 为目 标的第三代移动通信 域网;另一条是互联网在I P 的基础上采用无线接入技术而发展为无线网 络的道路，如以 I E E E 8 0 2.1 1 a/b/g等 标准为 代表的无线局域网。在发展过程中，移动通信从提供单 纯的语音业务逐渐过度到数据业务和多媒体业务，而互联网也从单纯的数据业务逐渐发展到提供语音和多媒体业务。因 此，无线网络可以认为是综合了 移动通信无线接入和互联网网络协议两方面。优势的传输多 媒体业务的信息 传输网络。相对有线网络，无线网络最大的优点是摆脱了 有线连接，而 付出的代价则是需要面 对恶劣的 无线信道环境和有限的频谱资源，因此，也 面临更多、更大的 挑战13,6 1。在恶劣的无线通信环境中，随着人们对信息传输容量和质量需求的日益增长，如何利用有限的频谱资源传递更多的信息，即无线网络的频谱效率成为无线网络设计的核心问题之一。1.2超宽带技术简介 随着无线通信技术的发展，各 种无线通信系统相继出现，使可利用的频谱资源日 趋饱和。然而，人们对无线通信系统的要求仍在不断提高，希望其提供更高的数据传输速率、成本更低、功耗更小在这样的 背景下，超宽带(U WB,U lt r a-W i d e B a n d)Is,e 1技术引 起了 人 们的重视，己 逐 渐成为 无 线 通信领域研究、开发的一个热点，并被视为下一代无线通信的关键技术之一。超宽带技术起源于2 0 世纪5 0 年代末，此前主要是作为军事技术在雷达等通信设备中使用，随着无线通信的飞速发展，人们对高速无线通信提出了更高的要求，超宽带技术又被重新提出，并倍受关 注。按照F C C(美国 联邦通信 委员 会)的 定义I I,U W B 设备是相对带宽 大于0.2 或 在传输的 任何时刻带宽大于5 0 0 MH z 的设各。这里相对带V.定义为:二_ f,一 关J一:二户一一 几二丫 二 (J H+J 充)/Z(1.1)其中 几和人分 别 为 系 统的 高 端 和 低 端 频 点(按 一 1 0 d B 计 算)。根 据 F C C 的 规 定，室内 U W B 通信的实际使用频潜范围为3.1 G H z-1 0.6 G H z，并在这一范围内，有效各向同性发射功率(E I R P,E f fe c t iv e I s o t r o p i c R a d i a t e d P o w e r)不 超过一 4 1.3 d B m/M H z.F C C 规定的室内 U)m 通 信频谱范围 和 功率限制如图1.1 所示。东南大学硕十学位论文1 0 01 0F r e q u e n c yi n GHz图1.1 F C C 规定的室内U WB 发射功率限制 与常见的通信方式使用连续的载波不同，U W B 采用极短的脉冲信号来传送信息。通常每个脉冲持续的时间只有儿十皮秒到几纳秒的时间。如图1.2 所示，这些脉冲所占用的带宽甚至高达几G H z,因此最大数据传输速率可以达到几百M b p s。在高速通信的同时，U WB 设各的发射功率却很小，仅仅是现有设 备的几百 分之一，对于普 通的非U W B 接收机来说，近似于噪声，因此从理论上讲，U WB设 各可以与 现有无线电设各共享带宽。所以，U WB 是一种高速而又低功耗的数据通信方式，它有望在无线通信领域得到广泛的应用。目前，I n t e l,M o t o r a l a,T i 等大公司正在进行U WB 的 研究和产品化。O51 L-4 图1.2 U WB 信号 的时域波形 鉴于 U WB 信号是持续时间非常短的脉冲串，占 用带宽大，因此它有一些十分独特的 优点和用途。在通信领域，U WB 可以 提供高速率的无线通信。在雷达方面，U WB 雷达还具有很强的穿 透能力，U WB 信 号能穿透树叶、土地、混凝上、水体等介质，因此军事上U WB 雷达可用来探测地雷，民 用上可以 查找地F 金属管道、探测高 速公路地基等。在定位方面，U WB 可以提供很高的定位精度。U W B使用.极 微弱的同步脉冲可以 辨别出隐藏的物体或墙体后运动着的物体，定位误差只有一 两厘米。也就是说，同一个U W B 设各可以实现通信、雷达和定位二大功能。U WB 无线通信除了 带宽大，通信速率高之外，还有更多的优点。首先，U WB 保密性强，U WB 系统的发射功率谱密度非常低，有用信息 2第一章 绪论完全淹没在噪声中，被截获概率很小，被检测的概率也很低，这一点在军事通信上有很大的 应用前景。其次，U WB 通信采用跳时序列，能够抗多径衰落。多径衰落是指反射波和直射波叠加后造成的接收点信号幅度随机变化，而U WB 系统每次的脉冲发射时问很短，在反射波到达之前，直射波的发射和接收已经完成。因此，系统特别适合于高速移动环境 卜 使用。当 然，U W B 通信也存在不足，上要问题是U W B 系统占 用的带宽很大，U WB 系统可能会干扰现有其他无线通信系统，因此U WB 系统的频率许可问题一直在争论之中:另外，还有学者认为，尽管U WB 系 统发射的平均功率很低，但是由于它的脉冲持续时间 很短，色 的瞬时功率峰值可能会很大，这甚至会影响到民航等许多系统的正常工作。但是学术界的种种争论并不影响U WB 的开发和使用，2 0 0 2 年2 月美国通信协会(F C C)批准了U WB 用于短距离无线通信的中请。U WB 的用途18)有很多，主要分为军事 和民 用两个方面。在军事上 U W B 可以 用于低截获率(L P I I D)的内部无线通信系统、L P I I D 地波通信、L P I/D 高度计、战场手持和网络L P I/D 电台、U WB 雷达、防撞雷达、警戒雷达、无线标签、接近引信、高精度定位系统、无人驾驶飞行器和地面战车及其通信链路、探测地雷、检测地下目 标等等。在民用方面，U WB 可用于2 0 M b p s 以 上的高速无线局域网、高度计、民航防撞雷达、汽车防撞感应器、高精度定位和无线标签和工业视频监控。1.3超宽带技术与目前其他短距离通信技术比较 U WB 技术和现有其他无线通信技术有很大的不同，它解决了 困扰无线电 技术多年以 来诸如 信道衰落、高速率系统复杂、成本高、功耗大等技术难题，但是它不会马上取代目前其他的无线通信技术。I E E E 8 0 2.I 1 a/b l g l9 l 是 I E E E 最 初 制 定 的 一 个 无 线 局 域 网 标 准之一，它 主 要 用于 解决 办 公 室 和 校 园网的终端无线接入。它工作在5 G H z 频带，物理层传输速率5 4 M b p s.I E E E 8 0 2.l l a 当用作无线局域网的时候，有效通信距离可以达到l o o m。根据I n t e、依照F C C 的规定而进行的演示结果显示，对于I O m以内 的 距离，U W B 可以 发 挥出 数百 M b p s 的 传输性能，但 是在 2 0 m 到I O O m 的 距离，8 0 2.1 1 a 表现得好一些。当然相对U W B,8 0 2.1 1 刻 专 输速率低，功耗大。蓝 牙(B l u e t o o t h)I 0 1 也是目前比 较热门的一种无线通信技术。B l u e t o o t h 工作在无需中 请的2.4 G H z开放频段上，主要用来连接打印 机、笔记本电脑等办公设 备。相对于U W B 的高速传输速率，它的通信速率通常在1 M以下，通信距离可以达到1 O m以上。经过多年的发展，B l u e t o o t h 核心协议包括物理层、数据链路层、链路层管理协议等都己经比较完善，基于B l u e t o o t h 的产品已经成熟，并且得到了很好的市场成熟推)和使用。家庭射频(H o m e R F)l u l 标准是H o m e R F 工作组开发的，旨在家庭范围内，使计算机与其他电 子设备之间实现无线通信的开发性工业标准。H o m e R F 是I E E E 8 0 2.1 1 a 和D E C T 的结合，使用这种技术能够降低语音数据成本。H o m e R F 采用了扩频技术，工作在2.4 G H z 的带宽，能够同步支持4 条高质量语音信道，但是H o m e R F 传输速率只有1 M-2 M b p s。由于 H o m e R F 的技术没有完全公开，目 前只有几十家小企业支持，在抗干扰等方面相对其他技术而言尚有欠缺，因此它的应用前景，还不是十分明朗。同 8 0 2.1 1 一样，H o m e R F 的传输距离比 U WB 远，但是传输速率低，在U WB 发射功率受限的前提 卜，两者应该是各有千秋。1.4本文的研究工作 U W B 有两 种 形式，基 带窄 脉 冲方 式的 U W B 系统 n 2)和 基于 调 制载 波方 式的 U W B 系 统 n 3 1。本 文 将以 基于调制载波方式的U WB 系统为主，由于基带采用O F D M技术，即MB-O F D M，为此本论文将在东南大学硕士学位论文第二章 介绍O F D M技术的基本概念、频谱利用率，抗干扰技术、收发机结构等等，为基于 O F D M调制方式的超宽带系统做些必各的理论介绍。第二章主要介绍了基于O F D M的超宽带系统方案，包括物理层包结构，扰码器、信道编码和解码、交织器和解交织器的设计 等等。此外本文的研究重点之一是信道估计，为此在这一章中还包括了 基干O F D M的U WB系统信道模型简介，主要是引入了I E E E 8 0 2.1 5.3 a 的信道模型，描述了U WB系统信道的双指数模型的性质。由于U WB带宽高，分辨率高，U WB 对应信道可分辨的径数会很多信道相对复杂的多 径带来了 相应接收系统的困 难。因此如何做好信道估计 成为 一 个非常关键的 技术。第四章论 述了基于 O F D M技术的 U WB 系统信道估计 技术，也是本论文的重点，研究了L S 算法、M M S E 算法，变换域算法等，给出子性能仿真曲线以 及信 道估计误差的相应曲 线，分析了各种算法的性能优劣、复杂度高低以 及其不同的应用环境。结果显示，M M S E 算法大概比 L S(最小平方)算法好1.5 d B 左右。此外针对某些算法，例如L S 算法，介绍了降 低复杂度或者提高性能的改进。最后作者采用了自 适应估计信道长 度的方法，把它应用到变换域算法中，在C M I 等信道下取得了良 好的性能改善。本文第五章土要讨论基于 O F D M调制方式的U WB 系统的均衡技术以及目前采用的信道估计算法。首 先详细讨论、分析了均衡接收技术，研究了 迫零均衡接收、M MS E 准则均衡接收和联合编解码技术提出的相位均衡接收技术;结果表明相位均衡接收技术要好于前面两种均衡接收技术，但是在低信噪比隋况下，相位均衡接收技术和M M S E 准则均衡接收技术效果差不多。接着讨论演示系统采用的信道估计算法:时域滑动相关，此外，本文还介绍了 一种有效降低时域滑动相关复杂度的 算法。第六章是对本篇论文的展望以及总结。第二章 O F D M技术简介第二章 O F D M技术简介2.1引言 O F D M(O r t h o g o n a l F r e q u e n c y D i v is io n M u lt i p le x in g)110 I技 术是 一 种 应 用于 无 线 通 信 中 的 多 载 波传输技术，它的基本思想是将原有给定带宽的 信道分割成为多个子信道井行传输信息。由 于在各个子 信道上采用正交载波对信号进行调制，使得各个子信道上传输信号 频谱可以 相互交叠，而 在接收端可通过同样的副载波进行解调将信一号 分离，从而具有很高的频谱利用率(理论上 可趋于 2 B a u d f H z).这是O F D M与 传统的F D M 不一样的地方，也是O F D M的主要优点之一。另一 方面由于在各个子信道上为窄带传输，可消除多径信道的频率选择性衰落，在总的传输速率一定的情况下，各子信道的传输速率较低，传输信号的带宽小于 信道的相干带宽，可消除或减小码元间千扰。同时O F D M 系统加入循环前 缀(C P,C y c l i c P r e f i x)可以 基本消除由于多径传播造成的 O F D M符号间干扰。O F D M技术早期研究始于二 卜 世纪五十年代，主要用于低速窄带军事通信领域，自1 9 7 1 年W e i n s t e in 和 E b e r t 提出 将离散傅立叶变换(D F T,D i s c r e t e F o u r ie r T r a n s f o r m)It s 用于多 音调制系统中的 频分复用以后，多 音调制技术受到了 越来越广泛的关注。八十年代随着集成电 路工艺技术的迅速发展，开始研究O F D M在高速调制解调器及到移动通信领域的研究，用于电 话网的不同速率O F D M调 制解调 器相继研制出 来。到九+年代，这种技术己 经在欧洲数字语 音广播(D A B,D ig i t a l A u d i oB r o a d c a s t i n g),高清晰度数字电视(H D T V,H i g h-d e f i n it i o n T e l e v i s i o n)和无线局域网(WL A N,Wi r e l e s sL o c a l A r e a N e t w o r k)系统中得到了 应用，并可对D A B 进行移动接收。在移动通信中也有广泛应用，未来的B 3 G,4 G 都考虑将O F D M应用到基带信号处理中。除了上述几种应用之外，O F D M技术还在非对称数字用户环路(A D S L,A s y m m e t r i c D i g i t a l S u b s c r i b e r L i n e),O F D M 与多 输入多 输出(M I M O,M u lti-i n p u t M u lt i-o u t p u t)以 及 C D M A(C o d e D iv i s io n M u lt ip l e A c c e s s)技 术的 结 合使 用，也 得 到了 广泛使用口2.2 O F D M频谱利用率 通常我们采用的系统有单 载波和多载 波1 16 1两种，单载波方案如图 2.1 所示，单 载波系 统在数据 传输速率不高的情况下，多径对应的信号符号之间 造成的干扰不是特别严重，可以 通过使 用合适的 均衡算法使系统能够正常的工作。但是对于宽带业务来说，由 于数据传输速率较高，时 延扩展造成数据符号之间的相互交叠，从而产生了符号之间的串扰(I S O，这对均衡提出了更高的要求，需要引入复杂的均衡算法，还要考虑到算法的可实现性和收敛速度。此外当信号带宽超过信道的相干带宽的时 候，信道的时间弥散会产生频率选择性衰落1 1 6 19 (一，)图2.1单载波传输系统的基本框图 多 载波传输通过把数据流分解为若干个子比 特流，这样每个子数据流将具有低得多的比 特速率，用这样的低比特率形成的低速率多状态符号再去调制相应的子载波，从而构成多个低速率符号并行东南大学硕上学位论文发 送的传输系统。在单载波系统中，容易受到各种衰落的影响，但是在多载波系统中，某一 时刻只会有少部分的子 信道会受到深衰落的影响。多 载波系统的基本结构如图 2 2 所示。Ill 一一口今卜。.L I+F一 欢_e(-r)一-斤 +!1司eses|一|.一!.1里?(a l卜 压 泣一掩少j n kr一 二 亘卜 气 _ 到 图 2.2多载波系统的基本结构 多载波传输技术有多种提法，如O F D M 离散多音调制 D M T)和多载波调制(MC M)、这三种提法概念有相似之处。只不过在O F D M中各子载波保持相互正交，而在M C M中，这一条件并不是总是成立。子载波间存在儿种不同的分配方案，如图2.3 a 所示，一种是传统的F D M(频分复用)方案，将频带划分为N 个互相不重叠的子带，在接收端，用滤波器组进行分离，这种方法的 优点是简单、直接。缺点是频谱利用率低，子信道间要留有保护频带，而且多个滤波器组的实现也有不少困难;第二 种方案是采用O F D M技术，如图2.3 b 各个子载 波有1/2 的重叠，但保持互相正交，在接收端通过相干解调 技术分离出来，避免使用滤波器组，从而将频谱效率提高一倍。图2-3 a传统的频分复用OF DM图2-3 b O F D M频带分配第二章 O F D M技术简介2.3 OF D M信号的调制与解调 由上边的介绍可以看出，一个O F D M符号 之内包 括多个经过调 制的子载波合成信号，其中每一个子载波都可以 受到相移键控 P S K)或者正交幅度调制(Q A M)符号调 制。如果N 表示子信道的个 数，T 表 示 O F D M 信号 的 宽 度，d,(i 二 0,1,.,N 一 1)是 分 配 给 母 个 信 道 的 数 据 符号 关是 第 0 个子 载 波 的 载 波 频 率，r e c t(t)=l,目 f-T/2，则 从，=t，开 始 的 O F D M 符 号 可 以 表 示 为:s(t)=R e d，一(t-i,-T)expLj2lr(f+T)(t-小 一s(t)=0 t 1+t,(2，)然而在多数文献中，一般采用复等效低通信号来描述O F D M的输出 信号，见式(2,2)。其中实部和虚部分别对应O F D M符号的同相和正交分量，在实际中可以分别对应与 相应子载波的C o s 分量和s i n 分量相乘，构成最终的子信道和合成的O F D N符号。s(t)二 0 1 t+t,(2.2)根据子载波的正交性特性:I r ex p(j o)t)ex p(一，。，)*=r-t1 M=n0 M#n(2 3)在接收端对第j 个子载波进行解调，并且 积分，得:。_l，、r I_。_t，、二-1.1 1 一 1-1.T IT 一 ”会“!c x p l J z-n T l 一 O P!下十户j，1一T 一一内d一 奋 N-1_ j d,.,.rexp(j2,r iT l(t-t,)dt1一 d(2.4)根 据(2.4)式 可以 看 到，对 第J 个 子 载 波 进 行 解 调 可以 恢复 出 期 望 信 号d,，而 对 于 其 他子 载 波 来说，由于 在 积分间隔内，频率差别(i 一 j)I T可以 产生 整数倍个周期，所以 其积分结果为 零。这种正交性也可以从频域角度来理解。根据(2.1)式，每个 O F D M 符号在其周期S内 包含多个非零子载波。因此其频谱可以看成是周期为T的矩形脉冲的频谱与一组位于 各个子载波频率上s函数的 卷积。矩形脉冲的频谱幅值为s i n e(厂)函 数，这种函数的零点出 现在频率为1/T整数倍位置上。如图 2 A所示。在每一个子 载波频率最大值的处，所有其他子 信道频谱值恰好为 零。因此可以从多个相互重叠的子信道符号频谱中提出每个子信道符号，而不受到其他子信道的干扰。东南大学硕 1:学位论文入了洲日 认了 丫 丫 丫 飞图2.4 O F D M子信道符号的频谱O F D M的 一 个 优点 是 可以 通过F F T 来实 现。对(2.2)式，令t:二 0,井 且忽略 矩形函 数S(1)以 T I N的速率抽样，即令i=k T I N(k=0,1,-.-,N-1)，可以 得到:、一，(、:/、)一 望、e x p(j 2;rik-)。、*、一 1 衷石!v(2.5)可以 看 到S k 等效 对d，进 行I D F T 运算。同 样，在 接收 端，为了 恢复出 原 始的数 据符 号试，可以 对气进行逆变换，即D F T运算得到:d;一 艺S k e x p(一，钾2 r ik)N0sf-N 一I(2 石)从上述分析可以看出,O F D M系统的调制解调可以分别由I D F T/D F T来代替。通过N点的I D F T,把 频 域的 数 据 符号d 变换到S k.经过射 频，发 送到 无 线 信道。由 于实际 系统中，通 常 采 用更 加 方 便快捷的F F T/I F F T 来代替D F T/I D F 丁。就算当N很大的时候，F F T 运算复杂度增加速度也就是 稍稍快手线性变换。2.4 O F D M抗干扰措施2.4.1 保护间隔与循环前缀 应用O F D M的一个最主要原因是它可以 有效地对抗多径时延扩展。通过把输入的数据流串 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。为了最大限度消除符号间干扰(I S I),我 们 需 要 在。F D M的 符 号 之 间 插 入 保 护 间 隔(g u a r d in t e r v a l),而 且 保 护 间 隔 长 度几 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，即是一段空闲传输时间。然而在这种情况下，由于无线信道多径信道的影响，8第-fi b O F D M技术简介会产生信道间干扰(I C I)，即子载波之问的正交性会遭到破坏，不同的子载波间产生干扰。这种效应如图2.5。时延的第二子 载波和第 一 子载波在 F F T积分时间lc 度内 周期个数差不再是整数倍，也就是不再满足互相正交的条件，所以接收机对第一个子载波进行解凋的时候，第二子载波会造成干扰。同样对第二子载波进行接收，也会存在来自 第一子载波的千扰口第一子载波二尸 产 于、/一 已_一_一一矢-一-一 了时延的第二子载波!J勺、才声了 卜 一、图2.5多径时延产生的I C I 为了 消除由于多 径造成的I C I,O F D M符号 需要在其保护间隔内 填入循环前缀符号f n l，如图2.6 0将每个O F D M符号尾部的L 个抽样值复制到O F D M符号前边，这样就可以保证在F F T 积分时间长度内，O F D M符号的延时副本内 所包含波形周期的个数也是整数，满足了正交性的条件，保证了时延小于保护间隔内的时延信号 不会在解调中出 现I C I,循环前缀O F D M 原始符复制后面一部分L+N时间 图2.6 循环前缀示意图 当然，系统加入循环前缀也带来了一 定的性能损失。首先，系统损失了 信号能量，因为能量的L I(N 十 L)被用来传送循环前缀，而循环前缀在接收端解调时是被删除不用的。其次，循环前缀降低了系统的有效带宽 利用率，即每单 位带宽的比 特率。理论上，使用M进制数字调 制的O F D M系统可达到l o g 2 M b it s/s/H z,假 定 输入 系 统的比 特率 为R=1)T b，则M进制 调 制后的 速 率为I/(T b 1 0 9 2 M),fi侮个子载波上的符号速率更低，为1 枷几l o g 2 M)，等于子载波间隔O f o O F D M的带宽为:B=f N-,一 f 0+o f二(N一 1)4 f+A f=1 I(T,l o g,M)(2.7)带宽 利 用率 为刀=R I B二 l o g,M。但在 加入 长为L 的 循 环前 缀后，为 保 持 信息 速 率R 不 变，东南大学顿 卜 学位论文O F D M总 的 抽 样 速 率 上 升 为(N十 劝/(N几l o g,AI),等 效 于 子 载 波 间 隔 上 升了(N+L)I N倍，故O F D M的 带宽增大到B.(N+L)I N，而 系统的 有效的比 特率 仍为R，所以 带宽利用率就降 低为N/T(N+L)。但是相 对循环前缀所带来的好处，它的这些性能损失是 可以 接收的。2.4.2加窗 技术 前 边讨论的O F D M符号上 侮个子载波传送的波形都是矩形函数，这种波形在接收端理想同步时是最优的。但是问题是其带外功率谱密度衰减地比较慢，也就是说带外辐射功率比较大。随着子 载波数锹的增加，由于 每个子载波功率谱密度土猫和旁瓣变窄(也就是下 降的陡度增加)，所以O F D M符号功率潜密 度的下降速度会逐渐增加。但是即使这样，资料显示，在2 5 6 个子载波的 情况下，其-4 0 d B的带宽仍然是-3 d B带宽的4 倍。因 此为了使 得让带宽 之外的功率 谱密度下 降的更快，通常 采用加窗的方法p