高速水声通信中OFDM的关键技术与应用研究.pdf

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1、分类号：U DC：密级：编号：工学博士学位论文高速水声通信中O F D M 的关键技术与应用研究博士研究生：王明牮指导教师：桑恐方研究员学科、专业：信号与信息处理哈尔滨工程大学高速水声通信中O F D M 的关键技术与廊用研究摘要水声通信技术在国防上具有重大的战略意义，同时也越来越多地被应用到海洋环境考察、资源开发等民用领域。水声信道高速率数据传输更成为水下通信技术的前沿热点研究课题之一，也是一项刻不容缓的任务。高速水声通信面临最困难的问题就是多途干扰，其中码元的自多途引起接收信号的幅度衰落，码元间的互多途引起接收信号的码间干扰；再加上海洋环境的高噪声背景、低的载波频率、极为有限的带宽以及传输

2、信道的时间空间频率变化特性，使水声信道成为迄今为止最困难的无线通信信道；正因为如此，高速可靠的水声通信已成为世界性的难题。近年来，由于正交频分复用(O F D M)技术具有频谱利用率高、抗多径和脉冲噪声能力强、在高效带宽利用率情况下的高速传输能力以及简单的实现方法，使其成为高速水声通信中的研究重点和热点之一。本论文主要针对高速水声通信中O F D M 的关键技术与应用进行了研究，所做的工作主要有：1 高速水声通信中O F D M 的关键技术研究。论文针对高速水声通信中O F D M 的部分关键技术进行了仿真研究，并通过湖上和海上试验数据进行了验证。主要研究的关键技术有：1)保护间隔：本文就保护

3、间隔对O F D M 系统的影响进行了分析，并结合深海水声信道的特点提出了一种可适合于深海水声通信的保护间隔结构，仿真结果表明该结构具有较好的效果。2)信道估计：本文主要讨论了导频辅助信道估计方法，比较了梳妆导频与块状导频的性能，特别研究了水声信道中导频插入间隔对系统性能的影响。3)频率同步：本文针对频率同步对O F D M 系统的性能影响进行了分析，提出了一种频偏估计方法，仿真结果表明该方法具有较高的估计精度，并通过试验数据验证了该方法在移动水声通信中的可行性。们相位噪声：本文进行了相位旋转的理论分析，并针对采样时钟偏差哈尔滨工程大学博士学何论文导致的相位噪声进行了研究；提出了一种基于双符号

4、块状导频的补偿采样时钟偏差的相位补偿方法，并通过仿真和试验数据进行了验证。2 高速水声通信中O F D M 技术的试验研究。本文结合O F D M 关键技术分别进行了高速水声通信中O F D M 技术的湖上和海上试验研究，试验研究结果表明，采用O F D M 技术进行高速水声通信是切实可行的，具有较高的通信速率和较低的误码率；同时也验证了各关键技术在水声信道中的实用性。3 高速水声通信中O F D M 技术的系统应用研究。本文设计实现了两个基于O F D M 技术的高速水声通信系统：1)基于O F D M 技术的水下转发器系统。本文简要介绍了系统的设计与实现，并进行了系统的湖上试验研究，达到了

5、较好的效果；并针对系统设计中存在的不足提出了改进建议。2)基于O F D M 技术的超高速水下图像水声传输系统。该系统主要应用于水下高分辨率图像传输甚至视频传输，本文针对系统软硬件设计与调试中的问题进行了阐述，并完成了系统的联调。关键词：正交频分复用；高速水声通信；保护间隔；频率同步；相位噪声高速水声通信中O F D M 的关键技术与应用研究A b s tr a c tU W A(U n d e r w a t e rA c o u s t i c)c o m m u n i c a t i o nt e c i m o l o g yi so fg r e a ts t r a t e g

6、i cs i g n i f i c a n c ei nn a t i o n a ld e f e n s e，b u ta l s oi n c r e a s i n g l yb e i n ga p p l i e dt ot h em a r i n ee n v i r o n m e n ti n s p e c t i o n，r e s o u r c ed e v e l o p m e n ta n do t h e rc i v i l i a na r e a s H i g h-s p e e dd a t at r a n s m i s s i o nh a

7、 sb e c o m eo n eo ft h eh o tr e s e a r c ht o p i c si nt h ef o r e f r o n to f U W Ac o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g i e s，i sa l s oa nu r g e n tt a s k T h em o s td i f f i c u l tp r o b l e mi nh i g h-s p e e dU W Ac o m m u n i c a t i o ni sm u l t i-p a t hi n t e r f e r

8、e n c e s，w h i c hc a u s et h ed e c l i n eo ft h er e c e i v es i g n a l sa n di n t e rs y m b o li n t e r f e r e n c e0 s 0；c o u p l e dw i t hh i g hb a c k g r o u n dn o i s e,l o wf r e q u e n c yc a r r i e r，e x t r e m e l yl i m i t e db a n d w i d t ha n dt r a n s m i s s i o

9、nc o n d i t i o n so ft h et i m e-s p a c e-f r e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i c s，U W Ac h a n n e lb e c o m e st h em o s td i f f i c u l tw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nc h a n n e lS Of 缸S o r e l i a b l eh i g h-s p e e dU W Ac o m m u n i c a t i o nh a sb e c o m eaw o r

10、 l d w i d ep r o b l e m I nr e c e n ty e a r s，a So 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)t e c h n o l o g yw i t hh i 曲s p e c t r u me f f i c i e n c y，s t r o n ga b i l i t yo f o v e r c o m i n gm u l t i-p a t ha n di m p u l s en o i s e，t h ea

11、 b i l i t yo fh i g h-s p e e dt r a n s m i s s i o ni nt h ec a s oo fe f f i c i e n tu t i l i z a t i o no fb a n d w i d t ha n ds i m p l em e t h o d,i tb e c o m e so n eo ft h ef o c m e si nh i g h-s p e e dU W Ac o m m u n i c a t i o n，T h ep 印e rm a i n l ys t u d i e st h ek e yt e c

12、 h n o l o g i e sa n ds y s t e ma p p l i c a t i o n sf o rO F D Mi n 抽g l 卜s p e e dU W Ac o m m u n i c a t i o n s，t h em a i nc o n t e n to f t h i sp a p e ra r ea sf o l l o w s：1 T h es t u d yo ft h ek e yt e c h n o l o g i e sf o rO F D Mi nh i 曲一s p e e dU W Ac o m m u n i c a t i o n

13、：I nt h i sp a p e r,p a r t so ft h et e c h n o l o 百e sf o rO F D Mi nh i g h s p e e dU W Ac o m m u n i c a t i o nh a v eb e e ns t u d i e db ys i m u l a t i o n s，a n dt e s t e db yt h ed a t ac o l l e c t e do nt h el a k ea n ds e a T h em a j o rk e yt e c h n o l o g i e ss t u d i e

14、da sf o l l o w s：a)G u a r dI n t e r v a l(G I)：1 1 1 ee f f e c to ft h eG If o rO F D Ms y s t e m sh a sb e e na n a l y z e di nt h ep a p e r；c o n s i d e r e dt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ed e e pS e a哈尔滨丁程大学博士学位论文c h a n n e l，as t r u c t u r eo ft h eG Ii sp r o p o s e d，w h

15、 i c hi ss u i t a b l ef o rU W Ac o m m u n i c a t i o n si nd e e ps e a；s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h es t r u c t u r eh a sg o o dr e s u l t s，b)C h a n n e lE s t i m a t i o n：t h i sp a p e rd i s c u s s e dt h ec h a n n e le s t i m a t i o nm e t h o do fP S A M(P

16、i l o tS y m b o lA s s i s t e dM o d u l a t i o n)，a n di n s e r t e das p e c i a ls t u d yo f t h ee f f e c to nO F D Ms y s t e mb yd i f f e r e n tp i l o ti n t e r v a l c)F r e q u e n c yS y n c h r o n i z a t i o n：t h ee f f e c to f 丘e q u e n c ys y n c h r o n i z a t i o no nO

17、F D Ms y s t e m sh a sb e e na n a l y z e d Af r e q u e n c ye s t i m a t i o nm e t h o di sp r o p o s e d，w h i c hh a sh i g he s t i m a t i o na c c u r a c y，t h es i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h em e t h o di sf e a s i b l ea n de f f e c t i

18、 v e d)P h a s eN o i s e：I nt h i sp a p e r,at h e o r e t i c a la n a l y s i so ft h ep h a s er o t a t i o nh a sb e e nd o n e，e s p e c i a l l yt h ep h a s en o i s ec a u s e db yt h ed e v i a t i o no ft h es a m p l i n gc l o c k Am e t h o do fp h a s ec o m p e n s a t i o nf o rt

19、h ed e v i a t i o no ft h es a m p l i n gc l o c ki sp r o p o s e d，a n di th a sb e e np r o v e db yl a k ee x p e r i m e n t s 2 T h ee x p e r i m e n t a ls t u d yo fh i g h s p e e dU W Ac o m m u n i c a t i o n sb a s e dO i lO F D M：I nt h ep a p e r，t h ee x p e r i m e n t sh a v eb

20、e e nd o n er e s p e c t i v e l yi nt h el a k ea n dt h es e a,t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a ti ti sf e a s i b l et oa c h i e v eh i g h-s p e e dU W Ac o m m u n i c a t i o nb yu s i n gt h eO F D Mt e c h n o l o g i e s。a n di tC a nr e a c hh i g h e rd a t ar a t e

21、w i t hI o w e rB E R 3 A p p l i c a t i o ns t u d yo fO F D Ms y s t e m si nh i g h-s p e e dU W Ac o m m u n i c a t i o n：T w oh i g h-s p e e dU W Ac o m m u n i c a t i o ns y s t e m sb a s e dO nO F D Mh a v eb e e nd i s c u s s e di nt h ep a p e r：曲U n d e r w a t e rr e p e a t e rs y

22、s t e mb a s e do nO F D M：T h i sp a p e ri n t r o d u c e dt h es y s t e md e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no ft h es y s t e m T h ee x p e r i m e n to ft h es y s t e mi nt h el a k ea c h i e v e dg o o dr e s u l t s S u g g e s t i o n sf o ri m p r o v e m e n th a v eb e e np r

23、o p o s e di nv i e wo f t h ei n a d e q u a c i e so f t h ee x i s t i n gs y s t e m 价S u p e r-s p e e dU W Ac o m m u n i c a t i o ns y s t e mb a s e do nO F D Mf o ri m a g e st r a n s m i s s i o n：T h es y s t e mi sm a i n l yu s e df o ru n d e r w a t e rh i g h-r e s o l u t i o ni m

24、 a g e st r a n s m i s s i o no re v e nv i d e ot r a n s m i s s i o n I nt h ep a p e r,h a r d w a r e高速水声通信中O F D M 的关键技术与麻用研究a n ds o f t w a r ed e s i g na n ds y s t e md e b u g g i n gi s s u e sa r ed i s c u s s e d，a n dt h es y s t e mt e s th a sb e e nc o m p l e t e d K e yw o r d

25、 s：O F D M；h i g h s p e e dU W Ac o m m u n i c a t i o n；g u a r di n t e r v a l；f r e q u e n c ys y n c h r o n i z a t i o n；p h a s en o i s e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己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

26、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)：毳塑聋日期：砷年7 月弓日第1 章绪论第1 章绪论1 1 论文研究背景和意义水声通信技术在国防上具有重大的战略意义，同时也越来越多地被应用到海洋环境考察、资源开发等民用领域。水声信道高速率数据传输更成为水下通信技术的前沿热点研究课题之一，也是一项刻不容缓的任务”。军用方面，建立水声数据通信系统，在于解决水雷遥控、潜艇之间、母舰与潜艇或其它水下无人作战平台传输获取的战场信息问题，如图像、战场态势、情报信息等。民用方面，随着海洋开发和信息产业的发展，利用海洋信道传递数据信息的需求大为增加。各种数据信息，如遥测数据，水下机器人和海上

27、石油平台的遥控指令，水下无缆电话，海底勘探数据，水下电视图像，环境系统中的污染监测数据，水文站的采集数据等，利用水声信道和水声通信系统进行传送的需求大为增加，水声通信系统的商用价值凸现，与之相应的是水声通信的研究迅速增加，特别是高速水声通信系统。高速水声通信面临最困难的问题就是多途干扰，其中自多途引起的接收信号的幅度衰落，互多途引起接收信号的码间干扰，再加上海洋环境的高噪声背景、低的载波频率、极为有限的带宽以及传输条件的时间空间频率变化特性，使水声信道特别是浅海水声信道成为迄今为止最困难的无线通信信道”1。国内外均对这个难题进行研究并提出了多种措施，比如使用自适应波束形成、自适应均衡和分集技术

28、等，但在抗浅海强多途上尚未取得较为满意的结果，这使得高速水声通信成为一个世界性的难题。研究水声通信必须综合物理海洋学、声学、电子技术和信号处理技术等多种学科和技术知识，所以水声通信的研究已经成为各国科学家和工程技术人员研究的热点之一。而且水声通信也是国际发达国家对我国实行封锁的领域，因而对此方面的研究更是势在必行“”。本文基于这样的背景，并结合项目需求，进行了高速水声通信中O F D M 的关键技术与系统应用研究。哈尔滨下稃大学博+学何论文1 2 国内外水声通信研究现状及发展趋势水声通信技术诞生于二十世纪中叶，和其他信号处理技术的发展趋势相同，也经历了从最初的模拟通信阶段到现如今的数字通信阶段

29、的过程。世界上第一个水声通信系统是美国海军水声实验室于1 9 4 5 年研制的水下电话，主要用于潜艇之间的通信。该系统使用单边带调制技术，载波频段为8 1 1k H z，工作距离可达几公里”。在其后的一段时间里，出现了很多使用模拟单边带或幅度调制的水声通信系统。这些模拟系统的功率利用率不高，为了在几公里的距离上进行通信，通常要用上百瓦的发射功率。我国的6 6 0 通信声纳就是采用单边带调制技术进行语音通信。但在7 0 年代末以前，很少有水声调制的公开报道，而且这些水声模拟通信系统也无法减小信道衰落所带来的信号失真。由于模拟调制技术限制了系统性能的提高，进入7 0 年代后，随着具有相似衰落特性的

30、无线电高频信道中通信技术的发展，新一代的水声通信系统也开始采用数字编码技术，其主流是幅移键控(A S K)、频移键控(F S K)和相移键控(P S K)，以及由此派生出的各种变形方式。在水声通信中采用数字技术有两方面的重要作用：一是可以采用复杂的纠错编码技术以增加传输的可靠性；二是可以采用数字处理技术来抵消信道多途和频率扩展的影响。因此，与模拟通信相比，数字通信具有抗干扰性强、可用再生中继避免干扰累加、便于加密、便于交换和设备易于集成化等优点”1。数字编码技术主要分为非相干调制方法和相干调制方法两类。1 2 1 非相干水声通信研究结果非相干调制方法能消除载波相位跟踪的敏感问题，系统抗干扰、抗

31、衰落性能好，而且实现简单，因此广泛应用于低速、要求高可靠性的系统中。例如多进制频移键控(M F S K)调制。它的优点在于具有较高的可靠性和潜在的频率分集性能，特别适用于传输远距离、低比特率的导航设施和命令信息。然而，虽然M F S K 系统可靠，但通信速率加大时，要取得同样的速率要求相对较大的通信带宽，这限制了M F S K 在高速通信领域的应用。为了获得较高的2第1 章绪论传输速率，往往采用M F S K 和复杂的编码技术以使相邻子信道能同时传输不同的信息比特。目前非相干系统研制面临的主要任务是自适应地调节系统，使得参数达到最佳化，以适应信道环境，从而达到最远地传输距离、最高的数据率和可靠

32、性。下表为过去二十年问，频率键控通信系统的一些试验研究结果”“”。表1 1 近年来发展的非相干水声通信系统T a b l e1 1S u m m a r y o fs e v e r a ls a l i e n t m e t r i c s f o r i n h e r e n t t e l e m e t r ys y s t e m主要数据编码方式带宽带宽效距离误差室窒概率参与者(冗余量)(H z)(k m)(b p s)M o r g e r a(1 9 8 0)0 5G o l a yC o d e5 0O 0 1N A s I MN f 久G a r r o d(1 9 8

33、1)4 0T o n e B i t lN 舱N A4 0 s l5 0 0 0O 1 22 9 D1 0 3M a c k e l b u r g(1 9 9 1)1 2 5 0T o l l e 昭i t I1 0 0 0 0O 1 32 0 0N 舱S c u s s e l(1 9 9 7)2 4 0 0H a d a m a r d5 1 2 00 4 71 0 0 s I MN A注：N A 表示在发表的文献中没有给出；S I M 表示仿真或理论设计结果而不是试验结果：角标S 和D 分别代表浅海和深海试验。1 2 2 相干水声通信研究结果水声通信中使用相干调制方式的研究开始于上世纪

34、8 0 年代初。相干调制通信如P S K 和Q A M 是目前水下数字通信的重点和难题。虽然多进制调制相干通信可以极大地提高水声通信的数据传输率，但需要大的信噪比，在传播损失和环境噪声影响较大的长距离信道中，相干通信无法保证可靠性。相哈尔滨下程大学博十学付论文干调制在水下的应用首先是在一些几乎不表现多途效应的水声信道上进行的，如深水垂直信道、近距离水平信道等，这些信道的相位稳定性好，可以直接采用陆地无线通信的成熟技术。一般认为，近距离水平信道的可用带宽可达1 0 0 k H z 以上，实现相干调制比中、远程浅海水平信道要容易的多，因此在中、远程浅海水平信道应用相干调制也是目前最富挑战性和最活跃

35、的研究领域之一。相位相干调制有差分相干调制和绝对相干调制之分。由于难以实现有效的载波恢复，最初的相移键控系统大多使用差分相移键控方式(D P S K)。采用差分相干调相除了不需要相干载波外，在抗频漂能力、抗多途效应及抗相位慢抖动能力方面都优于采用相干解调的绝对调相，但由于参考相位中噪声的影响，在抗噪声能力上有损失。较早的D P S K 水声通信系统由GR M a k e l b u r g 等人于1 9 8 l 给出“。该系统在多途干扰不大的水底到水面的垂直信道中实现了4 8 0 0 比特秒的传输速率。其后的一段时间里，采用相移键控水声通信系统竞相出现，但多数只能工作于垂直信道或很短距离的水平

36、信道。下表为过去二十年间，D P S K 通信系统的一些试验研究结果”“。表1 2D P S K 通信系统的研究成果作者数据率带宽载波通信距离误码率(时间)(k b p s)(k H z)(k H z)(k m)M a c k e l b u r g(1 9 8 1)4 881 44 81 0 4O l s e n(1 9 8 5)221 06 O1 0 一M a c k e l b u r g(1 9 9 1)4 861 11 0 OH o w e(1 9 9 2)1 61 05 01 0 一3S u z u k i(1 9 9 2)1 682 06 51 0-4J o n e(1 9 9

37、7)2 01 05 01 O1 0-2从上个世纪9 0 年代至今，水声通信领域的研究重点转向对高速相干调制通信技术的研究，各种基于P S K 调制的通信系统相继出现“”，下表汇集了近年来P S K 水声通信系统的一些研究成果”“。4第1 章绪论表1 3P S K 水声通信系统的研究成果研究者调制数据率带宽载波距离误码率(时间)方法(k b p s)(k n z)(k m)K a v a(1 9 8 9)1 6 Q A M5 0 01 2 5 1 0 0 00 0 6 1 0。7S u z u k i(1 9 8 5)4。8 P S K2 0 3 01 0，2 53 5 1 0 4S t o j

38、 a n o i c(1 9 9 3)4。8 P S KO 6 3 OO-3 1 o 1 08 9 2 0 3 1 0 2G o a l i c(1 9 9 4)Q P S K63 6 00 0 4L a b a t(1 9 9 4)Q P S K63 6 04 0 1 0-3T a r b i t(1 9 9 4)B P S K2 02 0 5 00 9 1 0。7J a r v i s(19 9 5)B，Q P S K1 1 2 2O 6 2 2O 5 8 O 1 0-7C a p e l l a n o(1 9 9 6)B P S KO 2O 2 75 0 1 0 7J a r b i

39、s(1 9 9 7)0 9 1 84 0，8 0 1 0 k m)稳健通信(l k b i t s)的方案，其技术路线是开发新的最佳相关信号处理概念和算法，引入连续信道辨识技术，提高通信系统对环境变化的稳健性，并对算法迸行海试验证”。1 3 多载波调制技术概述虽然目前水声通信技术的研究热点集中在相干检测和高数据率传输上，但这些技术能否应用到各种场合还取决于水声信道的情况和技术应用的必要性。因为相干通信需要大信噪比，在传播损失和环境噪声影响较大的中长距离信道中，难以设计有效的均衡器来克服多途引起的码间干扰和相位畸变，特别是时变频率选择性衰落信道，无法取得良好的效果。上世纪9 0 年代中后期以来，

40、展开了对水声通信新技术的研究，主要包括哈尔滨工程大学博十学位论文水下多载波调制技术、码分多址(C D M A)扩谱技术、空间分集技术等，取得了一些令人鼓舞的初步成果”1。多载波传输的概念出现于2 0 世纪6 0 年代”“一，它是将高速率的信息数据流经串并变换，分为若干个低速数据流，然后每路低速数据采用一个独立的载波调制并迭加在一起构成发送信号。在接收端用同样数量的载波对发送信号进行相干接收，获得低速率信息数据后，再通过并串变换得到原来的发送信号。这种传输方式的优点在于通过将待发送的信息码元进行串并变换来降低速率，增大信息码元周期，只要时延扩展与码元周期相比小于一定的比值，就不会造成码间干扰，因

41、而多载波调制对于信道的时间弥散性不敏感。1 3 1 正交频分复用技术正交频分复用技术是一种无线环境下的高速传输技术，具有很大的发展潜力。无线信道的频率响应大多是非平坦的，而O F D M 技术的主要思想就是在频域内将所给的信道分成多个正交子信道，在每个子信道上使用一个子载波进行调制，并且各子载波并行传输，这样，尽管总的信道是非平坦的，也就是具有频率选择性，但是每个子信道是相对平坦的，并且在每个子信道上进行的是窄带传输，信号带宽小于信道的相干带宽，因此可以大大消除符号间干扰(I S l)。由于载波间有部分重叠，所以它比传统的F D M A(F r e q u e n c yD i v i s i

42、 o nM u l t i p l e A c c e s s)提高了频带利用率。为了增加数据的吞吐量，提高数据传输速度，O F D M 又采用了一种称为H O M EP L U G 的技术，对所有将要发送信号的载波进行合并处理，把众多子信号合并成一个独立的传输信号进行发送。正交频分复用调制技术的应用追溯到本世纪6 0 年代，当时主要用于军用的高频通信系统”，也曾被考虑用于高速调制解调器。但需要使用多个调制解调器，这种复杂性大大限制了其应用和发展。1 9 7 1 年，W e i n s t e i n 和E b e r t提出了用离散傅氏变换(D i s c r e t eF o u r i

43、e rT r a n s f o r m,D F T)来等效实现多个调制解调器的功能，这个思想大大简化了原始的O F D M 系统并促进了O F D M 技术的发展。8 0 年代，人们研究如何将O F D M 技术应用于高速M O D E M。9 0 年代以来，O F D M 技术的研究深入到在无线调频信道上的宽带数据传输。1 2第l 苹绪论在高速无线环境下，O F D M 技术的优势突出，现已被广泛应用于民用通信系统中。近年来，由于数字信号处理技术(D i g i t a lS i g n a lP r o c e s s i n g，D S P)的发展，O F D M 作为一种可以有效对抗

44、I S I 的高速传输技术，引起了广泛注意。在高速(宽带)无线应用环境中，O F D M 技术的优势很突出，而且可以利用有效的新技术去修正和弥补O F D M 的固有缺点。目前，欧洲的数字音频广播(D A B)系统和数字视频广播系统使用的就是O F D M 调制技术。欧洲的A C T S项目中也使用了O F D M 技术。O F D M 还是无线局域网(w L A N)和宽带无线接入(I E E E8 0 2 1 6)的核心技术。随着D S P 芯片技术的发展，傅立叶变换反变换、信道自适应、插入保护间隔等技术逐步引入到无线通信领域，人们将不断开发0 F D M 在无线通信领域的应用。1 3 2

45、O F D M 基本原理1 3 2 1O F D M 调制理论介绍在基本的O F D M 系统中，码率为R 的输入比特流加入b=R T 比特的缓冲器，其中，r 为码宽(秒)，I T 为传码率。在一个码宽内传输的信号称为一个符号。对于b b i t s，设用于第i 个子信道的比特数为6 i(i=1,2，N)，则6可表示为6=岛(1 一1)每个子信道的包比特在o F D M 编码器中映射成复数子符号置，其幅度为l Z I，相位为讧。置的数值可以认为是多载波调制中第i 个通道信号的幅度。这样的字符号共有2 4 中可能性。其它相连续的b 比特的符号块也是用同样的方法处理的。我们用符号j o 来表示第玎

46、个传输符号的第f 个子符号。个子信道上的子符号经过I F F T 变换处理后，连成一个点时域符号的集合以(后)(n=O，N 一1)。其I F F T 的计算式是：以)-专善置一口州(1-2)毗=等躬扣0，1，-11 3哈尔滨工程大学博七学位论文在O F D M 系统中，I F F T 输出的时域集合中最后L p r 个样点的复本加到每个时域符号头部形成一个循环输出的序列。这些复制的样点成为循环前缀。由此形成的+三。样点序列构成一个O F D M 符号。这一O F D M 符号通过一个多径信道发送出去，多径信道的脉冲响应函数为(n)，其长度小于循环长度三，在接收方，先收到的三，个采样点被放弃，其

47、余的N 个采样点进行离散傅立叶变换(D F T)处理。第雄个O F D M 符号(f)，f=一L p,+l，0 1，N-1 可以表述为如下姒驴徽“x：三乏爿m s，令而=矗(O)(1)厢(三一1)】7 为(f)经过的多径信道，接收到的信道(f)为(f)=x。()+矗(f)+w(f)(1-4)L-|=(f 一叶w(f)=0其中W-w(o)w(1)w(N 一1)r 矢量为包含加性高斯噪声的采样点。去除最初的L p,个采样点，余下的个采样点D F T 处理后，得到的信号为儿j 为N-I=(f)F w(1-5)=芝1=0 芝1-0 办c，c，一D+似。J l，=f 办(，)(f 一，)+似讣俐LN-I

48、L-I。咖tx(i一咖咖(“)+N-I=ZZh(ow(啪咖，P 咖一咖咖川+w(啪咖t-O I-0i-0：L-1 硼弦-w 艺(f 一咖一九0-1)+N-1w(咖咖t=口删(f 一咖一九w(f 弦咖，=0t-0已知P 一以，是周期为N 的循环变量，即e-“=e-m“”，以及从O F D M 符号的组成可得，对于，=0,1，上，(一)=(一，)，因此1 4第1 章绪论N I一1-I lx,(i-1)e 咖“。=x,(i)e-j-*。+(咖”s=O，=一，t-0又一l-Z x,(0 e-肌7，卸=吒j(1 6)(1 7)其中，风表示h 的D F T 的第k 个采样点，而(D=0f=厶，N l，由此

49、得到，y。j=H k 玩j+呒，其中，表示w 的D F T 的第七个采样点。等价的时域表现形式为=以固i l(力+删。显然O F D M 调制解调可以通过I F F T 和F F T的方式简单实现。1 3 2 2O F D M 通信系统基本框图设O F D M 的基带调制信号带宽为B，码元周期为A t。O F D M 的基本原理是将原信号通过串并转换分割为个子信号，转换后码元速率为R N，周期为T=+A t，然后用个子信号分别调制N 个相互正交的子载波，最后将路调制后的信号相加即得到发射信号。发射和接收的原理如图1 9 和图1 1 0 所示”。富并转换图1 9O F D M 发射原理框图F i

50、 g I 9T h et r a n s m i t t e ro f O F D Ms y s t e m s肌弦O豢+肿，*=瓯=MP0WM=mD故M哈尔滨工稃大学博十学何论文i；i；i i i i i i i i；i i i i i i i i i；i i i i i i i i；i i i i i i；i；i i i i i；i i i；i i i i i i j i i；i i i i i i i i；j i i i i i并由转换图1 1 0O F D M 接收原理框图F i g 1 1 0T h er e c e i v e ro f O F D Ms y s t e m s在接