【文章內(nèi)容簡介】 6一起，構(gòu)成接收信號，這種現(xiàn)象稱為多徑傳播。無線信道中移動(dòng)的反射體、散射體以及接收天線組成了一個(gè)不斷變化的傳播環(huán)境，這樣一個(gè)環(huán)境造成信號在幅度、相位和到達(dá)時(shí)間上的變化。隨機(jī)分布的幅度和相位使信號的功率產(chǎn)生波動(dòng)起伏從而引起衰落，也可能造成信號失真。多徑信號會(huì)產(chǎn)生碼間干擾，碼元周期要長一些。（2）移動(dòng)臺(tái)的移動(dòng)速度Doppler 頻移是由于接收天線和發(fā)射天線之間的相對運(yùn)動(dòng)引起的，頻移的大小與相對運(yùn)動(dòng)速度和運(yùn)動(dòng)方向以及載波頻率有關(guān)。具體為： （???coscosmcd fvff ???）其中 表示 Doppler 頻移， 表示運(yùn)動(dòng)速度與電磁波傳播方向之間的夾角， 表示載df cf波頻率， 表示光速， 表示最大 Doppler 頻移， 表示移動(dòng)臺(tái)的運(yùn)動(dòng)速度。可以看到，cmf vDoppler 頻移與載波頻率和移動(dòng)臺(tái)的運(yùn)動(dòng)速度成正比。接收天線和發(fā)射天線之間的相對移動(dòng)會(huì)產(chǎn)生 Doppler 頻移，各個(gè)多徑信號的Doppler 頻移不會(huì)是相同的，這樣由于 Doppler 頻移所產(chǎn)生的調(diào)頻也就不同。（3）信道中障礙物的移動(dòng)速度如果信道中有移動(dòng)的物體，那么這些物體也同樣會(huì)造成多徑信號的 Doppler 頻移的差異。如果物體的移動(dòng)速度大于接收天線的移動(dòng)速度，那么就要考慮這些移動(dòng)物體的影響，如果是小于接收天線的速度，那么移動(dòng)物體所造成的影響可以忽略不計(jì)。（4）信號的帶寬如果信號帶寬大于多徑信道帶寬，那么接收信號就會(huì)失真，但是接收信號的能量在很小的范圍內(nèi)變化不是很大。如果發(fā)射信號的帶寬遠(yuǎn)小于信道帶寬，那么信號的幅度變化會(huì)很快。 多徑信道模型和信道參數(shù)由于信道中接收天線或障礙物運(yùn)動(dòng)，因此無線信道是一個(gè)時(shí)變系統(tǒng)，可以認(rèn)為是一個(gè)時(shí)變線性濾波器。利用時(shí)變線性系統(tǒng)的原理可以得到無線信道的脈沖響應(yīng)： ??? ??10 )()],(2(exp[),(),(Ni iiic ttfjtath ???????（）其中 表示信道的沖擊響應(yīng)， 表示到達(dá)接收天線的第 個(gè)多徑信號與第),(?th?)(i i一個(gè)到達(dá)的多徑信號的時(shí)間之差， 表示時(shí)間間隔。 表示時(shí)延的間隔數(shù)。 表?N),(?tai蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）7示第 個(gè)多徑信號的振幅。 表示第 個(gè)多徑信號的相位， 為載波頻率。i ),(2???tfiic?i cf從這個(gè)模型脈沖響應(yīng)可以看出，它是按照時(shí)間將各個(gè)多徑信號統(tǒng)一表示出來的，因此，在某一個(gè)延遲時(shí)間內(nèi)，可能沒有多徑信號到達(dá)接收天線，此時(shí) 為零。在多),(?tai徑信道中，定義一個(gè)物理量：功率延遲分布 。這個(gè)物理量表示的是接收到的信),(?tP號功率隨時(shí)間的變化。當(dāng)發(fā)射信號可以近似為 函數(shù)時(shí)， 其中 發(fā)射?2),(),(?thkt?k功率有關(guān)。（1）時(shí)間擴(kuò)散函數(shù)寬帶多徑信道的時(shí)間擴(kuò)散特性通常用平均附加時(shí)延 和 （ 有時(shí)也稱為 rms)(???時(shí)延擴(kuò)展）來定量描述： ??kkkkPa)(2?（） 2)(?????（） kkkkPa)(222?（）（2）相干帶寬在頻率域中使用最多的一個(gè)參數(shù)是相干帶寬 ，它表示了各頻率分量之間有很強(qiáng)cB的相關(guān)性的頻率范圍。在相關(guān)帶寬 之內(nèi)，信號的各頻率分量受到的信道影響很相似，c而在這一范圍之外，信號受到的影響大不一樣。相干帶寬與頻率相關(guān)函數(shù)的閾值有關(guān)，當(dāng)閾值變小時(shí)相干帶寬變大，反之，相干帶寬變小。（3）Doppler 擴(kuò)展和相干時(shí)間在描述 Doppler 頻移時(shí)往往采用 Doppler 擴(kuò)展 和相干時(shí)間 ， 是頻率中的一DBCTDB個(gè)參數(shù)，表示的是一個(gè)頻率范圍，信號頻譜擴(kuò)展與 Doppler 頻移有關(guān)，因此可以用它來描述 Doppler 效應(yīng)。對 Doppler 擴(kuò)展進(jìn)行理論分析非常困難，一般是在實(shí)際中測量，這個(gè)參數(shù)反映了信道隨時(shí)間的變化。如果基帶信號的帶寬大于 ，那么可以忽略DDoppler 擴(kuò)展的影響。相干時(shí)間 是 Doppler 擴(kuò)展在時(shí)域內(nèi)的表示：CT mCfT1?（）蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）8是最大 Doppler 頻移。mf在相干時(shí)間內(nèi)到達(dá)信號的相關(guān)性很強(qiáng)。如果基帶信號帶寬的倒數(shù)大于信道相干時(shí)間，那么經(jīng)過信道后基帶信號就有可能發(fā)生改變。 多徑時(shí)延擴(kuò)展衰落效應(yīng)由于多徑時(shí)延擴(kuò)展產(chǎn)生的衰落效應(yīng)分為兩類，一個(gè)是平坦衰落，另一個(gè)是頻選擇性衰落。（1）平坦衰落如果無線信道帶寬大于發(fā)射信號帶寬，相位為線性，那么信號的頻譜會(huì)保持不變，衰落稱為平坦衰落。在平坦衰落信道中，信道的脈沖響應(yīng) 可近似為是一個(gè) 函數(shù)。),(?th?平坦衰落的條件可以概括為： CSB? ???ST（）其中， 、 分別是相關(guān)帶寬和時(shí)延擴(kuò)展， 。CB??S1?（2）頻率選擇性衰落如果信道的帶寬小于信號的帶寬，那么接收信號中各頻率分量的增益不同，信號波形失真，這種衰落稱為頻率選擇性衰落。當(dāng)多徑時(shí)延超過發(fā)送信號的周期時(shí)，前一個(gè)信號就會(huì)落入后面的信號中，產(chǎn)生頻率選擇性衰落，引起符號間干擾。頻率選擇性衰落的產(chǎn)生條件是： CSB? ???ST（）（3）瑞利分布和萊斯分布在移動(dòng)通信中，瑞利分布通常用來描述平坦衰落接收信號的包絡(luò)的統(tǒng)計(jì)時(shí)變特性。瑞利分布的概率密度函數(shù)為： ?????????)0(0)2exp()(rrP?（）其中， 表示接收信號的振幅， 為包絡(luò)的均方根。r?在瑞利衰落信道中所有多徑分支都是獨(dú)立的，沒有一個(gè)占優(yōu)勢的分支路徑。當(dāng)多徑傳播中有一個(gè)直接的視距射線或有特別強(qiáng)烈的反射波段起主要作用時(shí)，它將改變信蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）9號包絡(luò)的統(tǒng)計(jì)時(shí)變特征，使其不再服從瑞利分布，而服從萊斯分布，萊斯分布的概率密度函數(shù)給出如下： ?????????)0(0,)2exp()( 202 rsJsrrP??（）式中， 表示接收信號的振幅， 為第 1 類零階修正貝塞爾函數(shù)， 是信號中占支r)(0?J 2s配作用的直接分量的平均功率。萊斯分布經(jīng)常用參數(shù) 來描述，稱為萊斯因子，表示K為： 2?s?（） Doppler 擴(kuò)展衰落效應(yīng)根據(jù)發(fā)射信號與信道變化相對的快和慢，可以將信道分為快衰落信道和慢衰落。（1）快衰落如果信道的相干時(shí)間比發(fā)送信號的符號周期短，那么此信道就是快衰落信道。在快衰落信道中，信道的脈沖響應(yīng)在一個(gè)符號周期內(nèi)變化很快。快衰落信道的條件是： CST? B（）快衰落與多徑?jīng)]有關(guān)系，它僅表示信道中運(yùn)動(dòng)物體的變化所引起的信道響應(yīng)的變化快慢。一個(gè)快衰落信道既可能是平坦衰落，也可能是頻率選擇性衰落。平坦信道的脈沖響應(yīng)可以近似為 函數(shù)，如果一個(gè)信道是平坦快衰落信道，那么就表示此 函數(shù)? ?的變化率要大于發(fā)射信號的符號變化率。如果一個(gè)信道是頻率選擇性快衰落信道，那么就表示多徑信號各分量的幅度、相位的變化要大于發(fā)送信號的變化率。（2）慢衰落在慢衰落信道中，信道的變化率要小于信號的符號變化率，也就是說在一個(gè)或者多個(gè)符號周期內(nèi)信道是不變化的（或者說變化非常緩慢） ，是一個(gè)靜態(tài)信道。相應(yīng)的在頻域中，信道的 Doppler 擴(kuò)展要比基帶信號的帶寬小很多。慢衰落信道的條件是： CST? CSB?（）OFDM 信號是在離散頻率選擇性衰落信道中傳輸，離散多徑信道沖激響應(yīng)模型為：蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）10 ???10, )(Llnlmnlh??（）式中 表示相鄰兩個(gè)多徑信號時(shí)間之差， 表示總的時(shí)延間隔數(shù)， 為時(shí)變復(fù)路徑? l nl,增益， 。)1(max???LT瑞利信道模型可定義為： ?? ??10, )(]2exp[),(Nl nlmnlmljath??????（）其中， ， 是信道衰落系數(shù)， 服從瑞利分布，自相關(guān)函數(shù)???10)2/exp(LkW?? nl,為 為第一類零階修正貝塞爾函數(shù)， 是最大 Doppler 頻移。),2()0??DafJR? DfOFDM技術(shù)的應(yīng)用環(huán)境一般是頻率選擇性瑞利衰落信道。 正交頻分復(fù)用（OFDM ）技術(shù)與頻分復(fù)用（FDM）技術(shù)的比較OFDM 是一種特殊的多載波傳輸方案，它可以看作是一種調(diào)制技術(shù)，也可以被當(dāng)作一種復(fù)用技術(shù)。多載波傳輸把數(shù)據(jù)流分解成若干個(gè)子比特流，這樣每個(gè)子數(shù)據(jù)流將具有低得多的比特速率，用這樣低比特速率形成的低速率多狀態(tài)符號再去調(diào)制相應(yīng)的子載波，就構(gòu)成多個(gè)低速率的符號并行發(fā)送的傳輸系統(tǒng)。正交頻分復(fù)用是對多載波調(diào)制（MCM ，MultiCarrier Modulation）的一種改進(jìn)，它的特點(diǎn)是各子載波相互正交，所以擴(kuò)頻調(diào)制后的頻譜可以相互重疊，不但減小了子載波間的相互干擾，還大大提高了頻率利用率。選擇 OFDM 的一個(gè)主要原因在于該系統(tǒng)能夠很好地對抗頻率選擇性干擾和窄帶干擾。正交頻分復(fù)用（OFDM ，Orthogonal Frequency Division Multiplexing）技術(shù)與已經(jīng)普遍應(yīng)用的頻分復(fù)用（FDM ，F(xiàn)requency Division Multiplexing）技術(shù)十分相似。OFDM技術(shù)把高速的數(shù)據(jù)流通過串/并變換，分配到速率相對較低的若干個(gè)頻率子信道中進(jìn)行傳輸，不同的是，OFDM 技術(shù)更好地利用了控制方法，使頻譜利用率有所提高。OFDM 與 FDM 的主要差別有以下幾個(gè)方面：（1）在常規(guī)的廣播系統(tǒng)中，每一個(gè)無線基站在不同的頻率上發(fā)送信號，有效地運(yùn)用 FDM 來保證每個(gè)站點(diǎn)的分隔，廣播系統(tǒng)中的每一個(gè)站點(diǎn)沒有任何的定位和同步。但使用 OFDM 傳播技術(shù)，譬如 DAB（Digital Audio Broadcasting） ，從多個(gè)無線基站來的信息信號被組合成一個(gè)單獨(dú)的復(fù)用數(shù)據(jù)流，這些數(shù)據(jù)是由多個(gè)子載波密集打包組成的，蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）11然后在 OFDM 體系中傳輸。在 OFDM 信號內(nèi)所有子載波都是在時(shí)間和頻率上同步的，以使子載波之間的干擾被嚴(yán)格控制。這些復(fù)用的子載波在頻域中交錯(cuò)重疊，但因?yàn)檎{(diào)制的正交性且采用循環(huán)前綴作為保護(hù)間隔，所以不會(huì)發(fā)生子載波間干擾（ICI，InterCarrier Interference） 。（2）對傳統(tǒng)的 FDM 系統(tǒng)而言 ，傳輸?shù)男盘栃枰箖蓚€(gè)信道之間存在較大的頻率間隔（即保護(hù)帶寬）來防止干擾，就降低了全部的頻譜利用率。然而，應(yīng)用 OFDM 的子載波正交復(fù)用技術(shù)大大減小了保護(hù)帶寬，提高了頻率利用率。OFDM 系統(tǒng)的一個(gè)重要優(yōu)點(diǎn)就是可以利用快速傅里葉變換實(shí)現(xiàn)調(diào)制和解調(diào)，從而大大簡化了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度。 OFDM 系統(tǒng)的分類OFDM 系統(tǒng)包括 CPOFDM 系統(tǒng)和 ZPOFDM 系統(tǒng)。這兩種系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)大致相同，唯一不同之處就是用于抑制符號間干擾（ISI ，Inter Symbol Interference）的重復(fù)數(shù)據(jù)樣點(diǎn)的設(shè)置不同以及由此導(dǎo)致的接收端均衡操作的差別。 CPOFDM 系統(tǒng)CPOFDM 系統(tǒng)的 CP（Cyclic Prefix）指的是循環(huán)前綴，它是將每次 IFFT 操作后生成的 OFDM 符號的最后 個(gè)樣點(diǎn)復(fù)制到符號的最前端作為用戶數(shù)據(jù)的前綴。信道cpN沖激響應(yīng) 通常使用抽頭延遲線模型進(jìn)行模擬，這樣發(fā)射數(shù)據(jù)通過信道就相當(dāng)于和)(th進(jìn)行線性卷積，因此，只有當(dāng) 不小于信道的最大時(shí)延 時(shí)，才能避免傳輸過)(t cp max?程中兩個(gè) OFDM 數(shù)據(jù)符號之間產(chǎn)生干擾，即所謂的符號間干擾（ISI ） 。此外，循環(huán)前綴長度 的選擇還要考慮有效數(shù)據(jù)傳輸速率的要求，過長的 會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的有效速cpN cpN率降低。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)法則，循環(huán)前綴長度最少為信道均方根延遲擴(kuò)展的 2~4 倍。 ZPOFDM 系統(tǒng)與采用數(shù)據(jù)前綴的 CPOFDM 不同，ZPOFDM 系統(tǒng)采用的是后綴形式。其中，ZP （Zero Padding）表示補(bǔ)零操作，顧名思義，它沒有采用 IFFT 調(diào)制后的數(shù)據(jù)樣點(diǎn)作為后綴，而是在生成的數(shù)據(jù)符號后面添加了 個(gè)零值點(diǎn)。由于沒有數(shù)據(jù)樣點(diǎn)的重復(fù)，所L以，在 ZPOFDM 系統(tǒng)中， OFDM 符號與信道沖激響應(yīng)的卷積仍然是線性卷積，而不是 CPOFDM 中的圓周卷積，這將直接導(dǎo)致接收端的均衡操作更加復(fù)雜。由于 CPOFDM 系統(tǒng)的接收端均衡操作更為簡便，而且循環(huán)前綴還可以同時(shí)用于定時(shí)同步和載波頻偏估計(jì)，所以很多協(xié)議（如 標(biāo)準(zhǔn)）和實(shí)際的系統(tǒng)（如 DVBT ）中都采用了 CPOF