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单载波频域均衡技术的研究.pdf

发布时间：2022-06-09 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：2.23M 资料格式：pdf 举报 版权申诉
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    封面
    文摘
    英文文摘
    声明
    第一章 绪论
    1.1无线通信的发展史
    1.2单载波与多载波技术
    1.3均衡技术的研究现状
    1.4本文的主要工作与内容安排
    第二章 SC-FDE原理及性能分析
    2.1无线信道特性分析
    2.1.1 衰减作用
    2.1.2 多径效应
    2.1.3 时变特性
    2.2 SC-FDE的基本原理
    2.2.1 SC-FDE结构框图
    2.2.2 SC-FDE数学表示
    2.3 SC-FDE与OFDM系统性能比较
    2.3.1信道容量
    2.3.2信号峰值平均功率比(PAPR)
    2.3.3误码性能及仿真结果比较分析
    2.4本章小节
    第三章 信道估计与均衡技术
    3.1频域均衡的原理
    3.2信道估计技术
    3.2.1信道估计的模型
    3.2.2 SC-FDE信道估计的过程
    3.3均衡技术
    3.3.1均衡器的分类
    3.3.2均衡准则及算法
    3.3.3仿真结果比较分析
    3.4本章小结
    第四章 单载波频域均衡(SC-FDE)技术
    4.1 SC-FDE系统负载帧格式
    4.2独特字UW的产生方法及性能研究
    4.3 SC-FDE系统仿真实现
    4.3.1 SC-FDE系统仿真实现框图
    4.3.2 SC-FDE系统仿真实现中的关键技术
    4.3.3不同条件下的仿真结果比较分析
    4.4改进的SC-FDE系统
    4.5本章小结
    第五章 结论与展望
    致谢
    参考文献
    研究成果
    西安电子科技大学硕士学位论文单载波频域均衡（SC-FDE）技术的研究姓名：崔璐申请学位级别：硕士专业：通信与信息系统指导教师：李兵兵20090101
    摘要在无线信道上进行高速率通信时，由于多径效应的影响，会产生严重的码间干扰。为了消除码间干扰，降低通信系统的误码率，均衡技术被广泛地应用于各种高速率无线通信系统中。在众多均衡技术中，运用于单载波系统的频域均衡技术由于其在计算复杂度上的优势，成为下一代无线通信系统的核心技术之一。本论文主要围绕单载波频域均衡技术展开。首先阐述了无线信道的基本特性，引出了应用均衡技术的必要性。接着研究了单载波频域均衡技术的系统框图和原理，并与正交频分复用传输系统在信道容量、信号峰值平均功率比以及误码性能方面进行了比较分析与仿真。在此基础上，研究了单载波频域均衡系统中的信道估计与均衡技术，并仿真分析了不同调制与均衡方式下系统的误码性能。最后针对单载波频域均衡系统中信号帧结构的设计和导频信号(独特字)的产生方法，对系统进行了改进，提出了采用多块独特字作为训练序列的单载波频域均衡系统结构，并对采用新方法的系统性能与开销进行了分析。关键词：SC．FDE信道估计频域均衡独特字
    AbstractAfundamentalchallengeintransmittinghi曲speeddataoverradiochannelsisISI(Inter-SymbolInterference)causedbymulti—pathpropagation．InordertoovercomeISIanddecreaseBER(BitErrorRate)，equalizationtechnologyiswidelyusedinhi曲speedwirelesscommunicationsystem．Amongexistingequalizationtechnologies，Single—carrierbasedFrequencyDomainEqualizationexhibitsthepropertyofrelativelylowcomplexity．Itiscommendedasoneofkeytechnologiesbynext—generationwirelesscommunicationsystem．‘ThethesisfocusesontheSC—FDE(Single—CarderFrequencyDomainEqualization)technology．Firstly,thecharacteristicsofradiochannelsarepresentedandtheconceptofSC-FDEtechnologyisexplained．Secondly，theprinciplesandsystemconstructionoftheSC—FDEtechnologyalestudiedandthenthechannelcapability,PAPR(PeakAveragePowerRatio)andBERarecompared、ⅣitllthoseofOFDM(OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing)system．Onthisbasis，thethesisresearchesonthechannelestimationandequalizationtechniquesofSC—FDEsystem，itcompletesthesimulationandcomparativeanalysisofSC-FDEsystembasedonthedifferentmodulationtypesandequalizmionalgorithms．Finally,consideringthesignalframestructuredesignandthemethodtogeneratepilotsignals(UniqueWord)ofSC-FDE，themethodofusingmorethanoneUWasthetrainingsequencestoimprovethesystemisproposedandtheanalysisonperformanceandcostofthesystemusingthenewmethodiSgiven．KeyWords：SC-FDEChannelestimationFrequencydomainequalizationUniqueWord
    西安电子科技大学学位论文独创性(或创新性)声明本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。本人签名：缝缢西安电子科技大学关于论文使用授权的说明本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。(保密的论文在解密后遵守此规定)本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。本人签名：篷缢新躲弘日期：
    第一章绪论第一章绪论在通信工业领域中，无线通信【l】目前正处在蓬勃快速的发展中，它的迅速发展缩短了人与人之间的距离，给人们的生活带来了莫大的便利。同时随着各种不同通信系统和方法的提出以及在不同环境中的应用，更显示了无线通信在实际中的重要地位。可以说，无线通信不断地改变着人类的生活方式，拉近了人与人之间的距离。然而，无线业务和无线通信市场需求的不断增长使我们面临巨大的挑战和机遇，因此，宽带无线通信技术日益受到人们的重视。无线通信从早期的模拟蜂窝网、当代的数字蜂窝网逐步过渡到3G和4G系统，可以说，宽带无线通信已经成为无线通信技术发展的必然趋势，在未来的话音、视频、数据及多媒体12J等综合业务方面有着广阔的应用前景。在过去的十几年中宽带无线通信技术获得了很大的发展，无线业务以空前的速度增长，全球正在迅速向着信息时代迈进。1．1无线通信的发展史通信与信息系纠3】是构建现代信息社会的重要基石，而无线通信是实现在任何时间、任何地点与任何人进行任何方式的通信这一终极理想的必要途径。纵观无线移动通信的发展史，可以将无线通信的发展分为以下几个阶段。第一代移动通信系统(1G)：20世纪50年代和60年代期间，美国AT&T贝尔实验室提出并发展了蜂窝无线通信的概念，将移动电话的服务区划分成若干个小区，每个小区设立一个基站，构成蜂窝移动通信系统。到了70年代至80年代，集成电路技术、微型计算机、微处理器和交换技术的快速发展，使得蜂窝系统由概念走向实际应用，美国、欧洲、日本纷纷研制出陆地移动电话系统。可以说，这时的移动通信系统真正进入了个人领域。具有代表性的有美国的AMPS系统，英国的TACS系统，北欧(丹麦、挪威、瑞典、芬兰)的NMT系统、日本的NAMTS系统等等，这些系统均先后投入商用。这个时期系统的主要技术是模拟调频、频分多址，以模拟方式工作，故称之为蜂窝式模拟移动通信系统，或第一代移动通信系统(1G)。与此同时，许多无线系统已经在全世界范围内发展起来，寻呼系统和无绳电话系统在扩大服务范围，许多相应的标准应运而生。第二代移动通信系统(2G)：20世纪90年代后，随着数字技术的发展，通信、信息领域中的很多方面都面临向数字化、综合化、宽带化方向发展的问题。第二代移动通信系统采用微蜂窝小区结构，数字化技术，引入了GMSK、QPSK调制方式与时分多址、码分多址技术，提高了频谱利用率和用户容量。目前国际上已
    2单载波频域均衡(SC—FDE)技术的研究进入商用的数字蜂窝系统有欧洲的GSM、美国的D—删PS、IS．54、IS．95、日本的JDC系统等。其中的典型代表是GSM系统，1990年制定出GSM的规范。GSM于1992年投入商用。最初最大速率为14．4kbps，改进后速率可达57．6kbps。IS。95是最早的商用CDMA网络，1993年制定标准，1995年投入商用。IS．95第一个版本IS．95A提供的速率为14kbps，1997年改进后的IS一95B数据传输速率可达64kbps。第三代移动通信系统(3G)：进入90年代中期，ITU提出了IMT-2000第3代移动通信系统(3G)，于1992年给出其频段范围，1998年后确定了最终的无线传输技术(RTT)标准，主要包括WCDMA、CDMA2000、TD．SCDMA等。3G的主要业务是在2G提供的话音数据的基础上，进一步提供多媒体服务如静态图像、移动图像等多种业务，包括高速移动环境中(FDD：500km／h，TDD：120km／h)支持速率为144kbit／s的业务，步行慢速移动环境(30kin／h)中支持速率为384kbit／s的业务，室内环境(3km／h)支持速率达2Mbit／s的业务。目前已经在日本、欧洲等地开始商用。未来移动通信的目标是为每个人提供综合的宽带业务，并在业务获得及网络性能上提供前所未有的灵活性。虽然3G标准已逐渐成熟，并且在世界部分国家地区已经得到商用。但是为较高速多媒体业务设计的第三代移动通信系统在通信的容量与质量等方面将远远不能满足人们对宽带无线通信系统的大容量、全业务、智能化要求。因此世界各国在推动3G商用化的同时，已经把研究重点转入下一代移动通信的先期研究，在概念和技术上寻求创新和突破，发展多层次联合优化技术，从而使无线通信的容量和速率有了很大的提高。4G与3G都是为未来宽带无线通信服务的，4G不仅仅是简单地为了适应用户数和带宽的增加，更为重要的是：它必须适应多媒体的传输需求，并包括对通信品质的更高要求。目前，世界各国和各大电信厂商都已经开展了新一代移动通信系统的研究。美国国防部(DOD)在2006年完成了一个NG(且P下一代)无线通信网络系统的研究；美国国家自然基金会(NSF)提出了对4G计划的支持，它提出的4G系统是一个完全以分组交换为基础的网络，其所有逻辑网络元素将实现数字化；日本和韩国也早已开始进行第四代等未来移动通信服务技术的研究开发，日本的NTTDoCoMo公司早在1998年就开始了4G的研究，近期试验计划的目的是开发商用的’4G技术，同时为国际电联无线通信组(ITU．R)目前讨论的4G全球标准奠定技术基础。我国在2001年启动的“十五"“863"重大研究计划中已经将B3G／4G系统关键技术的研究作为战略研究重点领域之一，称为FUTURE(FutureTechnologiesforUniversalRadioEnvironment)计划，旨在解决未来移动无线多媒体系统的一些关键问题和技术难点，为4G系统的开发积累雄厚的技术储备。
    第一章绪论31．2单载波与多载波技术在宽带无线通信系统中，由多径传输引起的频率选择性衰落会严重影响通信的可靠性。因此如何提高系统的传输性能和采用何种方案对抗信道的多径效应是很有关系的。在对抗多径衰落方面，基本的传输技术可以分为单载波和多载波两大类。单载波系统是一种很成熟的传输系统，当今大部分通信系统都属于单载波传输体系。在单载波传输技术中，需要在接收端采用均衡器来补偿码间干扰，均衡可以采用传统的时域均衡器，也可以在频域进行。单载波系统一般通过训练序列对信道响应进行估计，然后通过某种自适应算法不断更新均衡器的系数以跟踪信道的变化。根据自适应均衡器的输出是否被用于反馈控制，均衡技术通常可分为线性均衡和非线性均衡两类。线性均衡器比较简单，当信道衰落不严重时可以较好的消除信道对信号造成的影响。但是当无线信道存在严重的多径衰落时，线性均衡器为了补偿信道频域响应中的幅度衰落，必须对该段频谱进行放大，从而也使该频段的噪声增强。而非线性均衡器在这种恶劣的信道下会有较好的效果。近年来更复杂的最大似然序列均衡技术也逐渐应用于移动无线信道的均衡器中。多载波调制本质上是一种频分复用技术。频分复用(FDM)技术早在19世纪以前就已经被提出，它把可用带宽分成若干相互隔离的子频带，同时分别传送一路低速信号，·从而达到信号复用的目的。在多载波传输技术中，最具代表性的是正交频分复用(OFDM)技术，它通过IFFT变换将原始的数据符号调制到正交的子载波上。OFDM技术是一种特殊的多载波调制方式(同时也可视作为多路传输技术)，可被看作是一种调制技术，也可被当作一种复用技术。该技术是抵抗频率选择性干扰的有效方法，正在成为宽带无线接入领域的热点。OFDM系统将串并变换后的信号发送到多个子载波上，每一个子载波占据很窄的带宽，各子载波频谱相互重叠但保持正交，大大提高了频谱利用率。发送过程中，每一个子载波的幅度和相位会受到信道的影响，因此在接收端分别对每一个子载波的相位和幅度变化进行补偿。与相同传输速率的单载波系统比较，在理想情况下，OFDM系统每个子载波上的码元宽度是单载波系统码元宽度的N倍州为FFT运算的点数)，通常远远大于信道的时延扩展，因此OFDM系统每个子载波均具有极强的抗码间干扰的能力。但是，OFDM系统存在对定时误差、载频同步误差比较敏感和大的峰均功率比(PAPR)等不足，直接影响了OFDM技术的更大规模应用。与多载波调制相比，单载波有其自身的优势，主要表现在：(1)．由于多载波传输的子载波数目很多，所以已调信号表现出高斯分布特性，峰均功率比较高，而单载波调制的能量分布依赖于星座点和成型滤波器的滚降系
    单载波频域均衡(SC—FDE)技术的研究数，峰均功率比较低。故多载波系统比单载波系统需要更宽的线性范围，需要动态范围很大的线性放大器。(2)．单载波调制采用的时域处理技术，相位跟踪器可以在每个时钟都对相位进行调节，所以单载波调制对相位噪声不敏感。多载波调制采用频域处理技术，以一个FFT块为单位进行处理，相位噪声将导致严重的子载波干扰，使系统性能急剧恶化，所以多载波调制对相位噪声极为敏感。但是单载波调制仍存在许多的不足。表现在抗连续波干扰(CW)上，单载波调制是时域处理的，CW所造成的干扰是连续的，所以单载波调制抗CW性能差；而且由于无线信道的传播环境十分恶劣，在高速率数据传输条件下多径传播引起的时延扩展对系统会有比较大的影响，为了消除信道对传输系统性能的影响，就需要进行信道估计和信道均衡。单载波系统的均衡技术一般都在时域中进行，通常采用训练序列来正确设置时域均衡器的抽头系数，使均衡器的自适应算法在接收数据时可以跟踪不断变化的信道。理论上讲，理想时域均衡的单载波系统和多载波OFDM系统性能是一样的，但由于硬件资源的限制，实际时域均衡器达不到最佳性能。针对以上情况，IEEE802．16a标准提出了一种新的单载波传输模式，它是一种基于OFDM的传输模式，能够克服OFDM系统的不足，并在保持相同复杂度的同时，获得与OFDM系统近似的性能。IEEE802．16a标准中的单载波传输模式不同于传统的单载波传输，它发送的是调制后的高速率单载波信号，接收端通过FFT和IFFT变换来实现频域均衡，实际上是对接收信号的频域分析，这种系统称为单载波频域均衡(SC．FDE)[41系统。在多径频率选择性衰落信道中进行数据传输时，通常的时域均衡器，因为抽头系数太多，难以实现。而SC系统由于接收端使用FFT变换对数据块的数据同时进行处理，因而提高了系统效率。较之于OFDM系统，SC．FDE可以放宽对接收机模拟元器件的约束，所以，廉价的功率放大器可以得到高效率地使用，从而使得具有较长待机时间和电池寿命的移动终端变得较为便宜；由于使用了高效的FFT运算，接收机的复杂程度就要比具有时域均衡器结构的常规单载波系统低得多。SC．FDE也可以和OFDM共存于一个双向传输系纠5】中，以便更灵活、更高效地发挥两种技术的优势。另外，SC．FDE技术还可以与多输入多输出技术相结合，提高频谱利用率，改善系统性能，在宽带无线通信领域有着广阔的应用前景。1．3均衡技术的研究现状在数字传输系统中，如果调制带宽超过了信道的相干带宽，将会产生码间干扰。在无线通信中，多径传输是产生码问干扰的主要原因，码问干扰是制约通信
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