（通信与信息系统专业论文）ofdm信号识别和解调关键技术研究.pdf

摘要 摘要 随着人们对于信息需求的不断提高，无线通信业务的种类日益增多，这也为 无线通信领域的发展带来了新的问题。 一方面，必须有效利用宝贵的频率资源，满足不断出现的高速大容量业务需 求；同时克服无线信道的多径衰落和干扰，提高传输性能。正交频分复用( o f d m ) 技术在众多通信新技术中显示出优越的性能，它不但可以提高频谱利用率，还可 以克服无线信道中的多径衰落，因此将成为未来通信领域的关键技术之一。但 o f d m 技术也存在一些技术难点，比较突出的是它对于信号同步要求很高，如果 不能很好的估计并校正同步偏差，o f d m 系统的性能将明显降低。 另一方面，由于多种无线通信标准并存，不同标准采用不同的信号调制方式 和参数，从而产生了很多需要信号识别的应用领域，例如自适应调制、软件无线 电、军事通信对抗和频谱监测管理等。因此，信号识别技术成为一个急需解决的 问题。目前的信号识别技术中，对于单载波信号识别的研究成果很多；但对于越 来越广泛应用的o f d m 技术，由于信号特征不易提取，所以o f d m 调制类型盲识 别和参数盲估计的方法很少，对于信道状态复杂的无线多径信道，目前的研究成 果更是极少。 针对以上两个领域存在的问题，本文重点研究了0 f d m 调制类型盲识别、 o f d m 参数盲估计、o f d m 信号同步和相位校正等关键技术，还初步研究了o f d m 信道估计和均衡技术。通过本文的工作，建立了一个从o f d m 调制类型盲识别和 参数盲估计到0 f d m 解调的系统，并提出了一些具有创新性的算法，以解决问题 或提高系统性能。 l 、为了解决无线多径信道中的o f d m 调制类型盲识别问题，基于高阶累计量 理论，提出了一种多径信道中o f d m 信号和单载波信号( 如p s k 和q a m ) 的类 识别算法。该算法无需任何信号先验信息，可以在多径信道中精确实现o f d m 调 制类型盲识别。 2 、为了解决无线多径信道中o f d m 时域参数盲估计问题，基于o f d m 信号 的循环平稳特性，提出了两个特殊的相关算法，无需任何先验信息，可以精确估 计出o f d m 时域参数，包括符号总时间长度、有用数据时间长度和保护间隔时间 长度。该算法不受频偏和相偏影响，在多径和低信噪比条件下仍然可以得到很好 的性能。 3 、为了解决o f d m 带宽参数精估计问题，基于小波分析方法可以提取信号细 节的特性，提出一种以小波分解为核心的o f d m 带宽参数精估计方法，依次使用 了小波分解、信号重构，移动相关运算和统计直方图的知识，无需任何先验信息， 可以精确估计出o f d m 的带宽参数。该方法在多径和低信噪比条件下仍然可以得 摘要 到很好的性能，还可以推广用于其它信号的带宽精估计。 4 、在d v b to f d m 系统中，通过分析全导频分布图样的特征，分别提出本 地全导频序列互相关的整偏估计算法和接收全导频自相关的细小偏估计算法，比 传统算法的估计精度更高，并且省去了符号类型检测模块：其次，提出了一种频 域小环整偏校正结构，比传统的反馈到时域的o f d m 整偏校正结构的收敛速度更 快。最后还分析验证了算法在单频网( s f n ) 中具有更离的实用价值。 5 、基于o f d m 信号的自相关性，提出了一种时域盲符号定时算法，通过检测 o f d m 信号中部分循环前缀的相关结果进行符号粗定时。相对于传统的最大似然 ( m l ) 算法，提出的部分检测相关( p m c ) 算法可省去保护间隔检测模块，减少 相关运算次数，使系统复杂度降低，并且在多径信道中性能明显优于传统的m l 算法：其次，在d v b to f d m 系统中，提出了一种基于本地全导频间隔矩阵的细 符号误差跟踪算法，比传统算法的估计精度更高，误差估计范围更大。 6 、在d v b to f d m 系统中，基于符号中全导频的周期性，改进提出了一种 全导频采样钟误差估计算法，比传统的采样钟误差估计算法的精度更高。 7 、以d v b t 系统为模型，提出一种0 f d m 公共相位误差( c p e ) 消除方法， 在频率同步和信道均衡两级级连完成c p e 校正，既保证了系统中信道均衡的正确 进行，又保证了c p e 校正的精度，非常适合o f d m 系统应用；其次，基于全导频 分布图样的特征和周期性，提出了基于全导频的部分c p e 估计算法和剩余c p e 估 计算法，全导频c p e 估计算法的估计精度明显优于传统算法。 8 、最后，初步探讨了o f d m 信道估计和均衡技术，分析了无线信道特性，介 绍了o f d m 技术中的信道估计方法，主要研究了d v b t 和i e e e 8 0 2 1 1 a 系统中基 于辅助数据的非盲信道估计算法，并分析、比较了不同算法的性能。 皂键词：正交频分复用调制类型盲识别参数盲估计o f d m 解调信号同步 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t h p e o p l e si n c r e a s i n g d e m a n do fi n f o r m a t i o n , t h ek i n d so fw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o ns e r v i c ea l em o r ea n dm o r e ，w h i c hb r i n g su pm o r ep r o b l e m sf o rw i r e l e s s e o m m u n i c a t i o nf i e l d o no n eb a n d ，t h eg r o w i n gd e n s i t yo fc o m m u n i c a t i o ns i g n a l sa n dag r e a td i v e r s i t y o fm o d u l a t i o nt y p e sd e m a n dt oi m p r o v et h es p e c t r u me f f i c i e n c y t h eo r t h o g o n a l f 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 yh a sh i 曲s p e c t r u ms f f i c i e n c y ， a n dp r o v i d e sag o o dp r o t e c t i o na g a i n s tm u l t i - p a t hp r o p a g a t i o n s oi ti s ac o r e t e c h n o l o g yo f t h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e mi nt h ef u t u r e h o w e v e r ，aw e l l - k n o w n d r a w b a c ko fo f d mi st h a ti ti sv e r ys e n s i t i v et os i g n a ls y n c h r o n i z a i t o no f f s e tw h i c h b r i n g su pah i g hb i te r r o rr a t e ( b e r ) ，s oi ti se s s e n t i a lt o a c h i e v ea c c u r a t es i g n a l s y n c h r o n i z a t i o nf o ro f d ms y s t e m o nt h eo t h e rh a n d ，t h e r ea r em a n ys y s t e ms t a n d a r d si nu s en o wa n dd i f f e r e n t s t a n d a r d sh a v ed i f f e r e n tm o d u l a t i o nt y p e sa n dd i f f e r e n tp a r a m e t e r s ，w h i c hl e a d st oal o t o fa p p l i c a t i o nf i e l d so fs i g n a lr e c o g n i t i o n ，s u c ha sa d a p t i v et r a n s m i s s i o n , s o f t w a r e d e f i n e dr a d i o ，e l e c t r o n i cw a ra n ds p e c t r u ms u r v e y a m o n gt h em e t h o d so fs i g n a l c l a s s i f i c a t i o n ，t h e r eh a v eb e e nn u m e r o u sp u b l i c a t i o n sc o n c e r n i n gs i n g l ec a r r i e r ( s c ) m o d u l a t i o nc l a s s i f i c a t i o nb e c a u s eo ft h es cm o d u l a t i o ns i g n a lh a v i n gs h a r p c h a r a c t e r i s t i c ，b u tf e wr e s e a r c h e sf o ro f d mm o d u l a t i o na n dt h em u c hl e s sa i m i n ga t o f d md e t e c t i o ni nm u l t i p a t he n v i r o n m e n t s t ot h e s ep r o b l e m sm e n t i o n e da b o v e ，t h ep a p e rh a sr e s e a r c h e do nt h ef i e l d so f b l i n d m o d u l a t i o nc l a s s i f i c a t i o no fo f d m ，b l i n dp a r a m e t e re s t i m a t i o no fo f d m ，o f d m s y n c h r o n i z a t i o na n dp h a s ee r r o rc o r r e c t i o n ar e c o g n i t i o na n dd e m o d u l a t i o ns y s t e mo f o f d mi se s t a b l i s h e da n ds o m en o v e la l g o r i t h m sa r ep r o p o s e d 1 ab l i n dm e t h o dt od e t e c tm u l t i c a r r i e rm o d u l a t i o nt y p eo fo f d mi nm u l t i - p a t h e n v i r o n m e n t si sp r o p o s e d t h ep r o p o s e dm e t h o di sb a s e do nf o u r t h - o r d e rc u m u l a n t s w i t h o u ta n yp r i o rk n o w l e d g eo fs i g n a l s ，t h em e t h o di d e n t i f i e so f d ma n ds i n g l e - c a r r i e r ( s c ) m o d u l a t i o n ss u c ha sp s k ( p h a s es h i f tk e y i n 曲a n dq a m ( q u a d r a t u r ea m p l i t u d e m o d u l a t i o n ) w e l li nm u l t i - p a t he n v i r o n m e n t s 2 ab l i n dt i m e p a r a m e t e r se s t i m a t i o ns c h e m ef o ro f d mi sp r o p o s e db a s e do n c o r r e l a t i o np r o p e r t yb e t w e e nu s e f u ls y m b o la n dc y c l i cp r e f i xo fa no f d ms y m b 0 1 w i t h o u ta n yp r i o ri n f o r m a t i o n ，t h ep r o p o s e ds c h e m ee s t i m a t e s “u s e f u lt i m e a n d s y m b o ld u r a t i o nb yt w oe s p e c i a l l yd e s i g n e dc o r r e l a t i o na l g o r i t h m s ，a n dt h e n g u a r d a b s t r a c t t i m e ”c a r l b ew o r k e do u t t h ep r o p o s e dt i m e p a r a m e t e r se s t i m a t i o na l g o r i t h m sc a n o b t a i ng o o dp e r f o r m a n c e si nl o ws n ra n dm u l t i p a t hc h a n n e lc o n d i t i o n s ，a n da r e r o b u s ti nt h ep r e s e n c eo fp h a s ea n df r e q u e n c yo f f s e t s 3 a na c c u r a t eb a n d w i d t he s t i m a t i o ns c h e m eb a s e do nw a v e l e tt r a n s f o r m ( w di s p r o p o s e df o ro f d m ，w h i c he s t i m a t e sb a n d w i d t ho fo f d ms i g n a lu s i n gw a v e l e t d e c o m p o s i t i o n ，s i g n a lr e c o n s t r u c t i o n ，m o v i n g c o v a r i a n c ec a l c u l a t i o na n ds t a t i s t i c h i s t o g r a mm e t h o di nt u r n w i t h o u tr e q u i r i n gi n f o r m a t i o na b o u ti n c o m i n gs i g n a l ，t h e p r o p o s e ds c h e m ec a l le s t i m a t eb a n d w i d t hp a r a m e t e ra u t o m a t i c a l l ya n da c c u r a t e l ye v e n a t l o ws n r 4 an e wc a r r i e rf r e q u e n c yo f f s e t ( c f o ) e s t i m a t i o na l g o r i t h ma n dac f o c o r r e c t i o ns t r u c t u r ea r ep r o p o s e df o ro f d m t h ep r o p o s e dc f oe s t i m a t i o na l g o r i t h m u s e sa l lp i l o t si n c l u d i n gc o n t i n u a lp i l o t s ( c p ) a n ds c a t t e r e dp i l o t s ( s p ) t oe s t i m a t et h e c f oi n 行e q u e n c yd o m a i n ，w h i c hc a na c q u i r em o r ea c c u r a t ee s t i m a t i o nr e s u l t st h a nt h e c o n v e n t i o n a la l g o r i t h m t h en e wc f oc o r r e c t i o ns t r u c t u r ei sad o u b l e l o o ps t r u c t u r e ， “f r a c t i o n a l ”f r e q u e n c yo f f s e t ( f f o ) i sc o r r e c t e du s i n gal o n gl o o pa sc o n v e n t i o n a l m e t h o d h o w e v e r , “i n t e g r a l ”f r e q u e n c yo f f s e t ( i f o ) d o e sn o tg ob a c kt ot h et i m ed o m a i n a n di sr e c o v e r e du s i n gas h o r tl o o pi nf r e q u e n c yd o m a i n ，w h i c hc a l ls h o n e nt h e c o n v e r g e n c et i m eo ff r e q u e n c ys y n c h r o n i z a t i o n a tl a s t ，t h e v a l u eo ft h ep r o p o s e d m e t h o du s i n gi ns i se x p a t i a t e d 5 i nd v b to f d ms y s t e m w ep r o p o s e dal o wc o m p l e x i t ya n dg o o dp e r f o r m a n c e c o a r s e s y m b o ls y n c h r o n i z a t i o n ( c s s ) a l g o r i t h ma n d a na c c u r a t ef i n e s y m b o l s y n c h r o n i z a t i o n ( f s s ) a l g o r i t h m t h en e wc s sa l g o r i t h mi sb a s e do na u t o c o r r e l a t i o n p r o p e r t yo fo f d ms i g n a l a n de s t i m a t e st h es y m b o ls t a r t p o s i t i o nb ym e a s u r i n g c o r r e l a t i o nr e s u l t so ft h ep a r t i a lc y c l i cp r e f i x i th a sl o w e rc o m p l e x i t ya n db e t t e r p e r f o r m a n c e ( i nm u l t i - p a t hc h a n n e l ) c o m p a r e dw i t hc o n v e n t i o n a lm a x i m u ml i k e l i h o o d 洲l ) m e t h o d t h ep r o p o s e df s sa l g o r i t h mi sb a s e do np i l o t sa n de s t i m a t e st h er e s i d u a l s y m b o ld e v i a t i o nb ya l l p i l o t si na no f d ms y m b 0 1 i tc a na c q u i r em o r ea c c u r a t e e s t i m a t i o nr e s u l t st h a nt h ec o n v e n t i o n a la l g o r i t h m 6 ，i nd v b to f d ms y s t e m b a s e do nt h ep e r i o d i c i t yo ft h ea l lp i l o t si na no f d m s y m b o l ，an o v e ls a m p l ec l o c ks y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h mi sp r o p o s e d i tc a na c q u i r e m o r ea c c u r a t er e s u l t st h a nt h ec o n v e n t i o n a la l g o r i t h m 7 an e wc o m l b o np h a s ee r r o r ( c p e ) c a n c e l l a t i o ns c h e m ei sp r o p o s e df o ro f d m s y s t e m ，w h i c hc o r r e c t st h ec p ew i t ht w os t e p si nf r e q u e n c ys y n c h r o n i z a t i o na n d c h a n n e le q u a l i z e r , a n de s t i m a t e st h ec p eu s i n ga l lp i l o t si na no f d ms y m b 0 1 t h e p r o p o s e dc p ec o r r e c t i o ns t r u c t u r ew i t ht w os t e p sw e l la d a p t st oo f d ms y s t e m ，a n dt h e a b s t r a c t n e wc p ee s t i m a t i o na l g o r i t h m su s i n ga l lp i l o t sc a no b t a i nm o r ea c c u r a t er e s u l t st h a nt h e c o n v e n t i o n a lm e t h o d s 8 a sa n o t h e rk e yt e c h n o l o g yo fo f d m t h ec h a n n e le s t i m a t i o ni ss t u d i e d e l e m e n t a r i l y 1 r i 圮d i f f e r e n tc h a n n e le s t i m a t i o ns c h e m e so fo f d m ，e s p e c i a l l yt h e d a t a - a i d e dm e t h o d s ，a r ea n a l y z e d a tl a s t ，b a s e do nt h ed v b - ta n di e e e 8 0 2 1 l a s y s t e m s ，p e r f o r m a n c e so ft h ed i f f e r e n td a t a a i d e dc h a n n e le s t i m a t i o na l g o r i t h m s a l e a n a l y z e da n dc o m p a r e d 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 y d i v i s i o n i d e n t i f i c a t i o n ， b l i n d p a r a m e t e r e s t i m a t i o n , s y n c h r o n i z a t i o n m u l t i p l e x i n g ，b l i n d m o d u l a t i o n o f d md e m o d u l a t i o n ， s i g n a l 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： 日期 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( 与学位论文相关) 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) 本人签名： 导师签名： 日期 日期 第一章绪论 第一章绪论 当今世界已经跨入了信息时代，信息成为社会活动中最重要的资源之一，人 们期望能够随时随地、及时可靠且不受时空限制地进行任何形式的信息交流。无 线通信即是满足这种愿望的必要手段，它以空前的速度迅猛发展，日益成为社会 发展的主动力。 1 1 无线通信发展历程 1 9 0 1 年，马可尼进行了世界上第一次横跨大西洋的无线电报通信实验，开创 了人类无线通信的新纪元。经过若干年的发展，无线通信技术的水平不断提高， 传输容量更大、效率更高、质量更好，可提供多种综合服务，在现代通信领域中 占据了极其重要的地位。并继续向更好的传输质量、更高的传输效率和更多的服 务种类发展。 在无线通信发展初期，人们大量使用中、长波通信；2 0 世纪2 0 年代初，出现 了短波通信，它不受网络枢钮和有源中继的制约，具有抗毁和自主通信能力；2 0 世纪4 0 年代到5 0 年代，产生了频带较宽、性能更稳定的微波通信，由于微波的 波长短，遇到阻挡会被反射或被阻断，因此它属于视距通信，但一些新的研究中， 如微波“对流层散射通信”、“流星余迹通信”等，利用高层大气的不均匀性或流星余 迹对电波的散射作用可以达到超视距通信：2 0 世纪6 0 年代，卫星通信兴起，它具 有容量大、传输质量高、不受地理条件限制，覆盖面广等特点。 进入2 0 世纪9 0 年代后，无线通信中的个人移动通信进入了发展高峰。短短 十几年，个人移动通信技术先后经历了：第一代模拟系统，采用f d m a ( f r e q u e n c y d i v i s i o nm u l t i p l e a c c e s s ) 技术和模拟调制方式；第二代窄带数字系统，采用t d m a ( t i m ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 或c d m a ( c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 技术 和数字调制方式提高系统容量，并使用独立信道传送信令使系统性能大为改善； 即将商用的第三代宽带数字系统，采用c d m a 技术( 包括北美的c d m a 2 0 0 0 欧 洲的w c d m a 和中国的t d 。s c d m a ) ，可以满足人们对多媒体通信的要求。 随着新技术的不断涌现和市场需求的不断提高，无线通信将呈现以下几个发 展趋势：设备智能化、平台统一化；通信技术宽带化；应用频段更高，频率资源 利用更有效；高速率、高质量、低成本；业务数据化、分组化，移动互联网逐步 形成；无线网络综合化、全球化、个人化。 ! 西安电子科技人学博士学位论文：o f d m 信号识别和解凋关键技术研究 1 2 目前无线通信技术的研究热点 针对无线通信的发展趋势，目前无线通信技术的研究热点有以下若干方向， 他们将是未来无线通信发展的基础。 1 、传输技术 无线信号传输时，通常需要纠错编码、信号调制和天线等环节，所以传输技 术e l 前的研究主要包括： ( 1 ) l d p c 编码技术【i 】 纠错编码技术作为改善数字通信可靠性的一个有效手段，传统的主要有分组 码、卷积码、串行级连码和t u r b o 码等。在编码器复杂度相同的情况下，卷积码 的性能优于分组码，t u r b o 码比串行级连码具有更大的编码增益。低密度奇偶校验 ( l o wd e n s i t yp a r i t yc h e c k ，l d p c ) 码是一类可以用非常稀疏的奇偶校验矩阵 ( p a r i t y c h e c k ) 或二分图( b i p a r t i t eg r a p h ) 定义的线性分组码。其性能优于t u r b o 码，并具有较大的灵活性和较低的差错平底特性；描述简单，对严格的理论分析 具有可验证性：译码复杂度低于t u r b o 码，且可实现完全的并行操作，适合硬件 实现。 ( 2 ) o f d m 技术u 1 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 ，o f d m ) 足一种可 以抵抗多径干扰、并具有较高频谱效率的多载波调制( m u l t i c a r r i e r sm o d u l a t i o n m c m ) 技术。0 f d m 技术的核心是：将传输信道分成多个窄带子信道，子信道的 载波相互正交，在每个子信道上进行传输，这样减少了子载波问的干扰。另外， 子信道的带宽小于信道的相关带宽，因此子信道上的频率选择性衰落是平坦的， 这样消除了符号间干扰。由于o f d m 技术具有众多优势，所以它有着广阔的应用 前景，如d v b t 吲( d i g i t a lv i d e ob r o a d c a s t i n g t e r r e s t r i a l ) 、数字音频广播【4 】( d i g i t a l a u d i ob r o a d c a s t i n g ，d a b ) 、i e e e 8 0 2 1l a g 5 - 6 1 、i e e e 8 0 2 1 6 d 1 7 】等都采用了o f d m 技术。还有很多以0 f d m 为核心，结合纠错编码、多天线、自适应编码调制、动 态子载波分配和动态比特分配等技术的通信系统。 但o f d m 技术也有一些缺陷，如信号的峰平功率比高，对载波频率偏移敏感 等。这些问题的解决将使系统获得更优的性能。 ( 3 ) m i m 0 技术t 无线信道中，电磁环境较为复杂，多径衰落、多普勒频移和其他干扰源的存 在往往会影响数据传输质量。由此产生了多入多出( m u l t i p l e i n p u tm u l t i p l e o u t p u t ， m i m o ) 技术，它可以将多径效应作为一个有利因素加以利用。m i m o 系统在发射 端和接收端都采用多天线或阵列天线和多通道手段。通过这些并行的空间信道可 第一章绪论 以实现信息的独立传输，从而提高数据率。理论上，当功率和带宽固定时，m i m o 的最大传输容量随最小天线数的增加而线性增加，因此，对于无线通信系统的容 量提升而言，m i m o 技术具有极大的潜力。 2 、接入网技术 利用大楼或小区内已有的有线网设施，廉价的无线局域网( w i r e l e s s l o c a l a r e a n e t w o r k , w l a n ) 正在快速部署，与昂贵的3 g 蜂窝设备所许诺的速率相比，它为 计算机提供的数据速率可高出一个数量级以上。如i e e e8 0 2 1 i b o 】系统可提供 l l m b s 速率，i e e e8 0 2 1 l a 和h i p e r l a n 2 1 1 1 】系统的速率可达5 4 m b s 。若使用v o l p ( v o i c e o v e r - i n t e r n e tp r o t o c 0 1 ) 技术，w l a n 系统可以不依赖蜂窝设施，在一个小 区内提供移动语音服务。现在已有研究把2 5 g 和3 g 蜂窝技术与w l a n 技术集成 在一起的芯片和设备，以适应不同的应用场合。 3 、信号识别技术 1 2 - 1 3 1 由于各种通信方式和通信技术的不断更新和广泛应用，使我们所处的空间中 充满了各种各样的电磁波。随着空间电磁环境的不断复杂和数字调制技术的广泛 应用，数字通信信号调制类型识别和参数估计技术日益受到重视。信号类型的多 样性和通信信道彼此之间的电磁干扰，也使得特征提取技术越来越复杂。信号识 别技术有很高的实用价值，如自适应调制技术、s d r 系统、军事通信对抗和频谱 监测管理等。信号识别技术就是通过不同信号的特征对接收信号的调制方式进行 分类，并估计信号相关参数的过程。其核心是信号特征的提取，必须对信号时域、 频域或其它变换域的特点进行深入研究，选择能够体现信号特征、且易于提取的 信息作为信号识别的特征参数。 对于传统单载波信号的识别已经有较多研究，但对于多载波的o f d m 调制技 术，由于信号特征难以提取，需要估计的信号参数较多，造成信号识别比较困难， 相关研究成果也较少。由于o f d m 正在被越来越多的用于无线通信领域，所以对 于o f d m 调制类型识别的研究是非常重要的。 4 、多址接入技术 通信系统中，当多个用户需要同时通信时，系统资源必须以适当的方式分配 给用户，使他们能同时接入系统，这就需要多址技术。 ( 1 ) c d m a 技术1 1 4 1 c d m a 系统为每个信道分配了相互正交的地址码，将基带信号的频谱展宽发 送，接收端在时域采用与地址码对应的匹配滤波器或相关器提取发送信号。系统 中为每个用户分配不同的编码序列来共享信道资源，该编码序列具有很强的自相 关性和较弱的互相关性。按照获得宽带信号的调制方式不同，c d m a 技术可以分 为三种，跳频( f r e q u e n c yh o p p i n g ，f h ) 扩频、跳时( t i m eh o p p i n g ，t h ) 扩频和 直接序列( d i r e c ts e q u e n c y , d s ) 扩频。一般的c d m a 系统都具有下列优点：通信 4 西安电子科技大学博士学位论文：o f d m 信号识别和解调关键技术研究 容量大；系统具有软容量特性；适合在衰落信道中传输移动；具有良好的通信安 全性。 ( 2 ) o f d m a 技术i j 刈 o f d m a 为每个用户分配一定数量的子载波进行传输，其接入方式与传统的 f d m a 方式类似。不同之处是：f d m a 系统中不同用户在分离的频段上传输，用户 频段之间插入保护间隔：o f d m a 系统中不同用户在相互正交的子载波上传输，通 过载波码序列的概念就可以实现o f d m a 。o f d m a 系统具有以下优点；不同用户 使用不同的子载波，只要用户间的定时偏差和频率偏差足够小，就可以最大限度 地消除用户间的干扰，获得较大的系统容量；由于一个用户可以使用多个子载波， 用户相当于使用了频率分集；当传输速率较高时，系统可采用自适应载波分配技 术，相当于使用了用户分集：可以灵活地适应业务带宽需求，通过简单地改变使 用的子载波数量，就可以用于特定的传输带宽。 5 、系统实现构架 目前，多种不同的无线通信标准并存，不同系统问难以互容。面对这一难题， 软件无线电i l6 。灌】( s o f t w a r ed e f i n e dr a d i o ，s d r ) 是一个最有希望的解决手段。s d r 在一个可编程的硬件平台上，所有的应用都通过软件编程实现。所以它能保证各 种通信系统间的无缝集成，增加系统的灵活性，并降低建设成本。基于s d r 的通 信系统具有以下优点：在同一硬件平台上兼容不同的系统；可在不同系统之间进 行智能切换；可以进行自身的软件升级；能根据业务流量、信道质量等情况自动 选择传输信道；自动选择通信调制模式，采用乖确的通信协议和信号格式实现远 端通信。 6 、网络组织方式 未来无线网络要适应无固定结构而存在的状态，因此自组网络【1 9 】是未来无线 通信的关键技术之一。它由一群移动节点合作参与，允许在无中心设施支持的情 况下建立通信，并且网络链路是动态的，当节点在网络中移动时，链路将发生变 化。在过去，它被认为是适于战争和灾害地区的通信结构，在那里，无中心的自 组网络结构在操作上有优势，甚至是必须豹。当新的无线技术出现后，便携设备 之间需要交互，自组网络将在商业领域发展起来。例如，h i p e r l a n 2 的直接操作 模式可让相邻的终端直接通信；i e e e 8 0 2 1 1 自组模式和i e e e 8 0 2 1 5 个人区域网 ( p e r s o n a l a r e a n e t w o r k i n g ，p a n ) 支持无中心的无线接入和路由技术。 7 、网络优化设计 未来无线网络设计应考虑网络跨层问的相互作用，网络跨层设计能够实现可 用的调n 编码方案与可用链路质量之间的匹配，可以为衡量网络整体最佳性能提 供判据。另外，跨层设计可以使每一层内针对每种可能的资源，以及在多层之间 的需要快速地进行适配，以更好地满足不同信道条件中，特别是无线环境内更高 第一章绪论 5 数据速率的要求。通过与信道状况相适应，并且相应地选择调制和编码方案，可 以大大优化o f d m 等高速物理层技术的性能。 1 3 本文研究内容及安排 无线通信领域为了实现更高的传输效率和更优的传输性能，势必将采用这些 新技术，但在这些新技术中还存在着不少难点，为了推动无线通信领域的不断发 展，有必要对这些技术难点进行深入的研究。 针对信号识别技术被日益重视以及o f d m 技术被广泛采用的现状，为了解决 多径信道环境中o f d m 技术在自适应调制技术、s d r 系统、军事通信对抗和频谱 监测管理等领域的应用；并进一步提高o f d m 系统的解调性能。本文重点研究了 o f d m 调制类型盲识别、参数盲估计、o f d m 同步及相位校正等关键技术，还初 步研究了o f d m 信道估计和均衡技术。 本文各章节安排如下： 第二章首先介绍了信号识别的发展和应用，给出了信号识别系统的一般结构， 分析了信号识别技术的研究现状；其次介绍了o f d m 技术的发展和应用，阐述了 o f d m 的原理、基本结构和参数选择，归纳了o f d m 技术的优缺点。 第三章给出了o f d m 调制类型盲识别和参数盲估计的系统方案，并研究了多 径信道中o f d m 调制类型的盲识别。首先分析了典型的o f d m 调制类型识别方法， 指出了其无法用于多径信道的缺陷。其次提出一个适于多径信道中o f d m 调制类 型盲识别的特征量，并讨论了此特征量对于多径信道中o f d m 盲识别的有效性。 然后推导出了判别门限和判别规则，最后通过仿真验证了提出的盲识别算法的性 能。 第四章研究了o f d m 参数盲估计，研究内容分为两部分：时域参数估计和频 域参数估计。 1 、o f d m 时域参数包括保护间隔长度，有效数据长度和符号总长度。它对于 o f d m 信号确认、信号盲接收以及o f d m 信号干扰等具有重要意义。首先分析了 几种典型的o f d m 时域参数估计方法，指出了这些方法在多径信道、全盲接收等 现实应用条件下的不足。其次讨论了全盲条件下时域参数估计的困难，以及o f d m 循环前缀和有效数据间存在的相关性，然后分析了信号经过不同相关运算的结果， 基于此结果提出了两个特殊设计的相关算法进行多径信道中0 f d m 时域参数盲估 计，最后还推论了算法对于频偏、相偏等偏差的冗余性。 2 、o f d m 频域参数估计主要研究了o f d m 带宽参数的精确估计，它对于信 号窄带滤波和频谱监测管理具有重要意义。首先指出传统的依赖人眼对信号频谱 进行带宽估计的缺点。其次基于小波分析方法能够提取信号细节的特性，提出了 西安电子科技大学博士学位论文：o f d m 信号识别和解调