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LDPC编码的MIMO OFDM系统设计和性能优化.doc

LDPC编码的MIMO OFDM系统设计和性能优化

Jennifer芹
2017-10-16 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《LDPC编码的MIMO OFDM系统设计和性能优化doc》,可适用于高等教育领域

LDPC编码的MIMOOFDM系统设计和性能优化四川大学硕士学位论文LDPC编码的MIMOOFDM系统设计和性能优化姓名:尚国荣申请学位级别:硕士专业:通信与信息系统指导教师:杨万全编码的系统设计和性能优化通信与信息系统专业研究生:尚国荣指导教师:杨万全播要近年来一种叫做正交频分复用的多载波调制技术由于能够有效的解决宽带无线传输系统中频率选择性衰落信道引起的码间干扰闯题和提高频谱利用率,使其成为无线领域的一个研究焦点。本文尝试将码应用予系统,并对不同架构的系统进行了性能分析,提出一些优化建议。主要的研究工作和研究结果集中在以下几个方面:关键技术分析及系统仿真。在详细分析了移动通信信道的特点之后,讨论了系统的关键技术、基本参数的选择和实现,在此基础上给出了基于的系统的数学模型并对其做了系统仿真。码的编码和译码算法。介绍了最新编码技术,低密度校验码,包括码的产生的技术背景、特点和研究现状,讨论了码的线性时间编码算法和适用于多电平调制的译码算法,最后对基于编码的系统进行了仿真。关键技术研究。介绍了多输入多输出技术,其中包括系统的信道模型和关键技术,尝试将技术和技术结合,给出了一种系统的结合方案。编码的系统设计和性能优化。尝试将码应用于系统,构建了编码的系统,并对不同架构的系统进行了仿真和比较,在此基础上进行了性能分析,并对系统提出了一些优化建议。关键词:正交频分复用符号间干扰由低密度校验码多输入多输出循环前缀丘丘修,辩,,,,对,摭,,他樯,:,,,,系统设计和性能优化四川大学硕士研究生学位论文编码的前言现代社会已步入信息时代,在各种信息技术中。信息的传输即通信起着支撑作用。由于人类社会生活对通信的需求越来越高,世界各国都在致力于现代通信技术的研究和开发以及现代通信网的建设。移动通信是现代通信中不可缺少的组成部分。顾名思义,移动通信就是指通信双方至少~方在运动状态中进行信息传输的通信方式。例如,移动台车辆、船舶、飞机或者行人与固定点之间,或者移动台之间的通信都属于移动通信的范畴。另外,还有一种可移动的概念,即通信用户的位置是可变的,但在通信过程中用户并不处于运行状态。这类通信也可称为移动通信,但与严格意义的移动通信相比,两者的无线信道特性有较大的差别。现代移动通信是一门复杂的高新技术,不但集中了无线通信和有线通信的最新技术成就,而且集中了网络技术和计算机技术的很多成果。目前,移动通信已从模拟通信发展到了数字通信阶段,并且正朝着个人通信这一更高级阶段发展。未来移动通信的目标是,能在任何时间、任何地点、向任何入提供快速可靠的通信服务。移动通信发展历史现代移动通信技术的发展始于世纪年代,但是一直到世纪年代中期,才迎来了移动通信的蓬勃发展时期。对至今日,移动通信的发展经历了三个历史性的发展阶段。第一代蜂窝移动通信系统出现于世纪年代早期,采用频分多址和模拟技术,包括模拟蜂窝和无绳电话系统。如美国的、英国的等。模拟系统的缺点主要有频谱利用率低、抗干扰能力差、系统保密性差,但由于模拟技术十分成熟,因而在发展初期也得到了较为广泛的应用。从世纪年代中期开始,移动数字通信系统进入发展和成熟期,出现了~系列的数字移动通信系统,如、和,称之为第二代移系统设计和性能优化四川大学碰士研究生学位论文编码的动通信系统。第二代移动通信系统实现了数字化的革命,但没有统一的国际标准,各个标准当时都是作为漫游能力有限的国内网或地区网络来设计的,因此,期望多种系统集成为一个可无缝通信的基础设施,并在各种无线环境下提供具有无线电信业务质量的多种业务成为第三代移动通信系统产生的背景和基本要求。早在年代后期,就开始了具有世界一致的频谱和无线接口标准的第三代移动通信系统标准的研究工作。作为第三代移动通信系统的标准在静止和步行环境下最大可以提供的数据传输,在低速和高速移动环境下分别能够提供和的数据传输,今天,第三代移动通信系统即将在全世界范围内投入试运行或商用。与此同时,具有高速率几到几十无线接入能力的无线局域网标准和相应的设备也纷纷问世,它们在或频段支持灵活的高速率数据业务传输,可以在有限的地域范围内构成对系统无线数据接入能力的补充。第三代移动通信系统具有支持多种业务和多媒体业务的能力,但对更高速率的多媒体通信接入的要求是没有止境的。新的移动通信系统将支持各种业务,包括高质量话音和高质量视频业务,高质量的多媒体业务需要宽带高速率传输系统来支持,系统的数据传输速率期望达到,以上,移动情况下至少达到。除了在数据传输速率上的要求外,一种关于系统的理解为不仅包括蜂窝电话。还包括很多新类型的通信系统,如宽带无线接入系统等新的系统的显著特征是:多媒体通信、无线接入宽带固定网和不同系统之间的无缝漫游。新的无线通信接入系统为满足新的要求必将使用一系列先进的技术,物理层上作为一种具有良好应用前景的技术需要我们投入相当的科研力量进行研究,为掌握新一代的通信系统技术打下基础。因此,下节我们围绕技术进行介绍。技术的发展和现状是的英文缩写,中译为正交频分复用。在许多场合下,也叫做多载波调制,即,系统设计和性能优化四川大学硕士研究生学位论文编码的简称为。在理解的实质后,我们会发现,既可以被看箨一种调制技术,也可以被当作一种复用技术“’。在传统的多载波传输系统中,整个信号频段被划分为个相互不熏叠的频率予信道每个子信道传输独立地调制符号,然后再将个子信道进行频率复用。这种避免信道频谱重叠看起来有利于消除信道间的干扰,但是却不能有效利用宝贵的频谱资源。为了解决这种低效利用频谱资源的问题在世纪年代提出一种思想,即使用子信道频谱相互覆盖的并行数据传输和,其中每个予信道内承载的信号传输速率为,而且要求各个子信道在频域距离也是,从而可以避免使用高速均衡,并且可以对抗窄带脉冲噪声和多径衰落,而且还可以充分地利用可用的频谱资源,即技术。早期的系统都使用正弦波发生器组和相干解调器组实现调制和解调,当子信道数目很大时,系统复杂性太高,造价昂贵难以接受。年,和将离散傅立叶变换应用到正交频分复用系统的调制和解调中,避免使用频分复用系统中的子载波发生器和相干解调器组,使得全数字化的实现成为可能,并且随着大规模集成电路技术的发展,大量载波数的正交频分复用系统玎叮芯片实现己经可以商用。的数字化的实现和技术的发展大大推进了系统在有线传输和无线传输中的应用。二十世纪年代,广泛用于高速数据接入系统中,如高速数据用户线路,非对称数字用户线路和甚高速数字用户线路以及数字音频广播、数字视频广播【和数字电视、陆地广播系统中。今天已经成功应用到高速无线局域网标准中。如和欧洲的中,他们在子载波上使用最高调制,可以达到的数据传输速率。论文工作技术由于其特有的抗信道时延扩展符号间干扰,的能力而受到了众多宽带无线通信系统的青睐,新一代的宽带无线通信系统必将逐渐融合当前最先进的技术,如物理层面上的技术、空时编码和发分集技术、自适四川大学硕士研究生学位论文编码的蔓堕塑生塑壁壁垡垡应编码调制技术等。同时技术由于其子载波之间的正交性要求而对载波频率偏移极其敏感,载波频率偏移的纠正算法研究对提高系统抵抗收发端载波频偏移引起的载波间干扰具有很高的应用价值,同时我们看到系统的符号时间加长,在高频带和高速移动的情况下的信道快速变化同样会破坏系统子载波之问的正交性,带来,因此在高速移动通信的应用问题也是值得研究的。本文尝试将码应用于系统,在对各个关键技术进行介绍和分析的基础上,构建了编码的系统,并对不同架构的系统进行了性能分析,提出一些优化建议。本文的具体结构如下:第二章无线移动信道的主要特征就是多径传播,在本章我们主要讨论了无线信道中的多径衰落、时变性以及多普勒频移等基本特征,然后分析了移动信道模拟中常用的几种理论模型,包括高斯信道、瑞利等。衰落信道、信道、宽带信道第三章先将技术与单载波技术进行了比较,论述了系统的优缺点,随后主要讨论了系统的关键技术,包括调制与解调、保护间隔和循环前缀、加窗技术、基本参数的选择,以及系统的实现,在此基础上给出了基于的系统的数学建模、分析及性能仿真。差错控制编码是通信系统设计中非常熏要的一个环节,在第四章我们首先介绍了最新编码技术叫低密度校验码,包括码的产生的技术背景、特点和研究现状。在此基础上,我们着重讨论了码的线性时间编码算法和适用于多电平调制的译码算法,最后为了验证上述算法的正确性,我们对系统进行了仿真。第五章首先介绍了多输入多输出【技术,其中包括了系统的信道模型以及关键技术空时编码技术,在此基础上将技术和诅技术结合而得到一种新的技术技术,最后我们给出了系统的一种结合方案。第六章我们尝试将码应用于系统,为此构建了编码的系统,随后我们对系统进行系统设计和性能优化四川大学硕士研究生学位论文编码的系统的性能进行了仿真,在仿真中对不同架构的了分析比较,针对系统的特点提出了一些优化建议。最后对论文的工作做了总结和展望。系统设计和性能优化四川大学硕士研究生学位论文编码的移动信道分析研究和开发移动信道中的数字传输技术的第一步就是需要对移动信道特性有一定了解。与其他通信信道相比,移动信道是最为复杂的一种。电报传播的主要方式是空间波,即直射波、折射波、散射波以及它们的合成波。再加上移动台本身的运动,使得移动台与基站之间的无线信道多变并且难以控制。信号通过无线信道时,会遭受各种衰落的影响,一般说来接收信号的功率可以表达为::”且其中表示移动台与基站的距离向量,表示移动台与基站的距离。根据上式,无线信道对信号的影响可以分为三种:大尺度衰落:当接收机和发射机之间的相对位置在米到多米的范围内变化时,接收信号的本地平均值将保持不变,但是如果它们之间相对位置的改变超出了以上的范围,并且信道中面临的是不同的阻挡物和发射平面时,接收信号功率的本地平均值也会有几个数量级的改变,即产生大尺度衰落。信道的大尺度衰落主要用来描述接收信号功率的本地平均值随接收机与发射机之间距离的变化情况,刀一般为~。阴影衰落埘:表示由于传播环境的地形起伏、建筑物和其他障碍物对地波的阻塞或遮蔽而引发的衰落,被称为中等尺度衰落。多径衰落:表示由于无线电波在空间传播会存在反射、绕射、衍射等,因此造成信号可以经过多条路径到达接收端,而每个信号分量的时延、衰落和相位都不相同,因此在接收端对多个信号分量叠加时,会造成同相增加、异相减小的现象,这也被称作小尺度衰落。此外,由于移动台的运动,这会使得无线信道呈现出时变性,其中一种具体表现就是会出现多普勒频移。本章主要针对无线信道的多径衰落和时变性加系统设计和性能优化四川大学硕士研究生学位论文编码的“以讨论,对大尺度衰落和阴影衰落只作简单介绍。无线信道的多径衰落无线移动信道的主要特征就是多径传播,即接收机所接收到的信号是通过不同的直射、反射、折射等路径到达接收机的电波。由于电波通过各个路径的距离不同,因而各条路径中发射波的到达时间、相位都不相同。不同相位的多个信号在接收端叠加,有时同相叠加而增强,有时反相叠加而减弱。这样,接收信号的幄度将会发生急剧变化,就会产生衰落。例如发射端发送一个窄脉冲信号,则在接收端可以收到多个窄脉冲,每一个窄脉冲的衰落和时延以及窄脉冲的个数是不同的,这样就造成了信道的时问弥散性。在传输过程中,由于时延扩展,接收信号中的一个符号的波形会扩展,,为了避免到其他符号当中,遣成符号间干扰产生,应该令符号宽度要远远大于无线信道的最大时延扩展,或者符号宽度要远远大于无线信道的最大时延扩展,或者符号速率要小于最大时延扩展的倒数。由于移动环境十分复杂,不同地理位置,不同时间所测量到的时延扩展都可能是不同的,因此需要采用大量测量数据的统计平均值。在频域内,与时延扩展相关的另一个重要概念是相干带宽,实际应用中通常用最大时延扩展的倒数来定义相干带宽,即:衄。。上从频域角度观察,多径信号的时延扩展可以导致频率选择性衰落,即针对信号中不同的频率成分无线传输信道会呈现不同的随机响应,由于信号中不同频率分量的衰落是不一致的,所以经过衰落之后,信号波形就会发生畸变。由此可以看到,当信号的速率较高,信号带宽超过无线信道的相干带宽时,信号通过无线信道后各频率分量的变化会不一样,从而引起信号波形的失真,造成符号间干扰,此时就认为发生了频率选择性衰落反之,当信号的传输速率较低,信号带宽小于相干带宽时,信号通过无线信道后各频率分量都受到相同四川大学硬士研究生学位论文煽码的系统设计和性静优化的衰落,因而衰落波形不会失真,没有符号问干扰,则认为信号直射经历了平褒落,即非频率选择性衰落。相干带宽是无线信道的一个特性,至于信号通过无线信道时,是出现频率选择性衰落还是平衰落,这要取决于信号本身的带宽。无线信道的时变性以友多普勒簸移当移动台在运动中进行通信时,接收信号的频率会发生变化,称为多普勒效应,这是任何波动过程都具有的特性。以可见光为例,假设一个发光物体在远处以固定的频率发出光波,我们可以接收到的频率应该是与物体发出的频率相同。现在假定该物体开始向我们运动,但光源发出第二个波峰时,它距我们的距离应该要比发出第一个波峰的时候要近,这样第二个波峰到达我们的时间要小于第一个波峰到达我们的时间,因此这两个波峰到达我们的时间间隔变小了,与此相应我们接收到的频率就会增加。相反,当发光物体远离我们而去的时候,我接收到的频率靛要减小,这就是多普勒效应的原理。信道的时变性是指信道的传递函数是随着时间而变化的,即在不同的时刻发送相同的信号,在接收端收到的信号是不相同的,如图所示。时变性在,即单一频率移动通信系统中的具体表现之一就是多普勒频移信号经过时交衰落信道之后会呈现为具有一定带宽和频率包络的信号,这也可以称为信道的频率弥散性嘲。。葺‘‘‘‘一‰曩毛一蕾置岛田由于多径造成的信道时变性系统设计和性能优但四川大学硕士研究生学位论文编码的多普勒效应所引起的附加频率偏移可以称为多普勒频移,可以用下式表示:厶其中,五为信号载波的波长,厶为多谱勒频移,为相对运动速度,口为运动速度与电磁波传播方向之间的夹角。从式可以看出,多谱勒频移可以为负值,当时可得到多谱勒频移的最大值。各参数的物理意义如图所示。、圈多谱勒撷移从时域来看,与多普勒频域相关的另一个概念就是相干时闻,即:。,相干时间是信道冲激响应维持不变的时间间隔的统计平均值。换句话说,相干时间就是指一段时间间隔,在此间隔内,两个到达信号有很强的幅度相关性。如果基带信号带宽的倒数,~般指符号宽度大于无线信道的相干时间,那么信号的波形就可能会发生变化,造成信号的畸变,产生时间选择性衰落,也成为快衰落:反之,如果符号的宽度小于相干时间,则认为是非时间选择性衰落,即慢衰落。移动通信信道常见理论模型高斯信道编码的系统设计和性能优化四川大学硕士研究生学位论文最篱单的信道,常指加权高斯自噪声信道。这种噪声假没为在整个信道带宽下功率谱密度为常数,并且振幅符合高斯概率分布,即:脚‘孺’一等高斯信道对于评价系统性能的上界具有重要意义,对于定量或定性地评价某种调制方案、误码率性能等具有重要作用。瑞利衰落信道若接收信号每一多径分量相互独立,则信号包络的功率谱密度函数服从瑞利分布,信号包络的概率密度函数为:一,盯八吩姒三立舻其中口为接收信号包络的均方值,此包络的均值为万盯。当用于计算机仿真时,瑞利信道分析模型可表示为:。其中,工和是独立的高斯随机变量。信道在小区制移动通信网中,接收机路径中有一条主路径,通常是视距传播路径,另外还有散射路径。在很多情况下,接收信号包络的概率密度函数服从分布。分布有一个重要参数其定义为:吲’一足黼散射路径能量当为零时,信道即瑞利信道而当为无穷大时,信道就是高斯信道。宽带信道在宽带信道中,由于码元传输速率很大,因此很容易造成码间串扰。因而对信道中传输和信息必须进行有效的脉冲判决,从而能使误码率在控制范围内。系统设计和性能优化四川大学硕士研究生学位论文编码的系统是种无线环境下的高速多载波传输技术。多载波传输把数据流分解为若干个独立的子比特流,每个予数据流将具有低得多的比特速率。用这样低比特率形成的低速率多状态符号去调制相应的子载波,就构成了多个低速率符号并行发送的传输系统。技术是多载波传输方案的实现方式之一,主要思想是在频域内将给定信道分成许多正交子信道,在每个子信道上使用一个予载波进行调制,并且各子载波并行传输。总的信道是非平坦的,具有频率选择性。每个子信道是相对非平坦的,具有频率选择性。每个子信道内是相对平坦的,子信道进行窄带传输,信号带宽小于信道的带宽,可以大大消除信号波形间的干扰。在系统中,各个子信道的载波相互正交,它们的频谱是相互重叠的,不但减小了子载波闻的相互干扰,又提高了频谱利用率【。在许多文献中,也被称为离散多音调制。利用逆快速傅里叶变换和快速傅里叶变换来分别实现调制和解调,是实现复杂度最低、应用最广的一种多载波传输方案。除了方式之外,人们还提出了许多其它的实现多载波调制的方式,如矢量变换方式、基于小波变换的离散小波多音频调制方式等,但这些方式与相比,实现复杂度相对较高,因而在实际系统中很少采用。与单载波系统的比较采用传输系统的一个主要原因是它能够以较为合理的实掩复杂度来解决无线信道中较大的时延扩展所带来的不利影响。在单载波系统中,当时延扩展大于数据符号周期的时,就必须采用均衡器来克服符号问干扰,因此单载波系统的实现复杂度主要集中于均衡器部分。而在系统中并不要求使用复杂的均衡器,实现复杂度主要取决于作的计算复杂度。系统设计和性能优化班大学硕士研究生学位论文编码的在标准中,系统的传输方式为具有个子载波的,可以处理的信道最大时延扩展长度为。当系统的信息传输速率为时,如果采用单载波的调制解调器来实现以上的信息传输速率,需要具有个前馈抽头和个反馈抽头的判决反馈均衡器来克服信道上的符号间干扰。考虑到信号的解调仅篙要复数运算的实数部分,则单载波系统每秒需要进行的实数运算次数为×。在系统中,每个符号周期内需要进行点的运算,如果采用基的算法,点的将需要次复数乘法,因此系统每秒需要进行×次运算。由此可知,单载波系统的实现复杂度是系统实现复杂度的倍,而且这种复杂度的差异将随着带宽和时延扩展乘积的增加而显著增加。如上所述,与单载波系统相比,系统可以大大降低计算复杂度。而且在单载波系统中,如果无线信道的时延扩展超过了均衡器的能力,则会为系统性能带来很大的危害,造成错误的传播,即使采用低速率编码以及更小规模的调制方式也不能很好地解决时延扩展所带来的问题。而对于系统来说则不存在这种问题。技术的优点简要总结如下技术适合无线信道中的宽带传输,凭自身机制加上适当的措旆就能够有效地对抗多径传播引起的码问干扰。码问干扰是无线通信中降低性能的重要因素,如果能够有效地解决这个问题,系统的性能将会有可观的改善。能够结合信道编码技术有效地对抗频率选择性衰落。基于的系统与单载波系统相比,复杂性较低。在单载波系统中,大部分复杂性都在于均衡器:在系统中,大部分复杂性都取决于的复杂性,而不需要做均衡。将和均衡器的复杂性相比较可知,的复杂度较低,从而的系统复杂性比单载波系统低。技术的频谱利用率很高。在无线环境中,传输技术的频谱利用率是很重要的考虑因素,因为无限频谱资源是有限的。在中,相邻子载波的频谱可以重叠,从理论上,其频谱利用率可以接近极限。四川大学硕士研究生学位论文编码的系统设计和性能优化任何一种技术都有其不足之处,也不例外,同单载波系统相比也存在着一些缺点:对载波频率频移和相位噪声以及定时的误差比较敏感。造成的限制了系统的性能。系统要求各个子载波之间相互正交,如果收发端载波不匹配,则子载波之间的正交性容易受到破坏,会产生载波问干扰,限制了系统在商信嗓比下的性能,一般要求剩余载波频率偏移不超过系统子载波的,保证子载波上的载干比不小于。另一个主要缺点就是系统的发送信号是多个子载波上发送信号的叠加,当多个信号同相相加时,叠加信号的瞬时功率很大,远远超出信号的平均功率,导致符号波形具有较高的峰值平均功率比问题。这使,这个问题称为嘞系统对发送滤波器的线性范围要求提高,增加了设备的代价。如果放大器的动态范围不能满足信号的变化,则会产生信号畸变,信号频谱泄漏,各子载波之间的正交性也会遭到破坏,产生干扰。系统性能下降。关犍技术调制与解调每个符号之内包含多个经过调制的子载波信号,其中每个子载波的调制方式可以选择进制相位调制或者正交幅度调制。如果用表示子信道的个数。表示符号的宽度,,,一是分配给每个子信道的数据符号,工是第各子载波的载波频率,矩形函数,,则从,开始的符号可以表示为。:一,,丁。,一顽一,,】在很多文献中,经常采用如下所示的等效基带信号来描述的输出信四川大学硕士研究生学位论文编码的酣系统设计和性能优化翮蠢骞圈系统的调制和解调蒜图玎’符号内包括个子载波的情况四川大学硕士研究生学位论文编码的系统设计和性能优化在图中给出了~个符号内包括个子载波的实例。其中所有的子载波都具有相同的幅值和相位,但在实际应用中,根据数据符号的调制方式,每个子载波的幅值和相位都可能是不同的。可以看到,每个子载波在一个符号周期内都包含整数倍的周期,而且各个相邻子载波之间相差一个周期,各子载波之间满足正交性。艇蛾’。。亨一一’,。磁氏酗溯、,剑溉编澎图皿系统子信道符号的频谱这种正交性还可以从频域角度理解。根据式一,每个符号在其周期内包括多个非零的子载波。因此其频谱可以看作是周期为的矩形脉冲的频谱与~组位于各个子载波频率上的占豳数的卷积。矩形脉冲的频谱幅值为函数,这种函数的零点出现在频率为厂整数倍的位置上。图给出了符号中各个予载波信号的频谱图。从图中可以看出,符号频谱实际上可以满足奈奎斯特准则,在每一子载波频率的最大值处,所有其他子信道的频谱值恰好为零,即多个子信道频谱之间不存在相互干扰。也就是说,各予载波信号之间的正交性避免了子信道之间干扰的出现。接收端第路子载波的解调过程为:将接收信号与第路的解调载波四川大学硕士研究生学位论文编码的系统设计和性能优化歹万三与竺相乘,然后将得到的结果在。符号的持续时间内进行积分,即可获得相应的发送信号。实际上,对于比较大的系统来说,式中定义的复等效基带信号可以采用离散逆傅里叶变换来实现。令式中的,。,,,,则可以得到:础一萎一等式中,即为的运算。在接收端,为了恢复出原始的数据符号,,可以对进行变换,得到:刍,艺四一,等根据上述分析可以看到,系统的调制与解调可以分别由来代替。通过点运算,把频域数据符号变换为时域数据符号,经过载波调制之后,发送到无线信道中。其中每个输出的数据符号七都是由所有子载波信号经过叠加而生成的,即对连续的多个经过调制的子载波的叠加信号进行抽样得到的。在接收端,将接收信号进行相干解调,然后将基带信号进行点运算,即可获得发送的数据符号,。在系统的实际应用中,可以采用更加方便的快速傅里叶变换来实现调制和解调。点运算需要实施次的运算乘法,而可以显著地降低运算的复杂度。为保持时域符号和频域符号功率相等,我们在以下的分析中对发端和收端的】盯和分别乘以归~化的系数,表示为:婴型盔兰堡主翌壅生兰堡丝壅些兰塑璺箜幽旦型墨竺塑塑堡塑垡些一功丽刍唧,万尹,击篓砌吲啊万争硼’,对于常用的基算法来说,其复数乘法的次数仅为:,但是随着子载波个数的增加,这个方法的复杂度也会显著增加。对于子载波数量算法来实施傅里叶变换,非常大的系统来说,可以进一步采用基其复数乘法的数量仅为,一。保护间隔和循环前缀在系统中,除非子载波很大,否则难于使信号的带宽小于信道的相干带宽,从而出现符号间干扰,破坏子载波间的正交性,引起解调误差,导致误码率上升。为消除,一种常用的方法是在每个符号之间要加入保护间隔,而且该保护间隔长度疋一般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,可以不发送任何符号和功率,即保护间隔是一段空闲的传输时段,这样前一个符号的能量不会扩展到当前符号时间内,因而没有。然而在这种情况中,由于多径传播的影响,不能保证正交多载波符号经过多径信道后完全保持正交,第,个予载波的第二径分量由于时间延迟于第七个子载波的第一径分量而会造成对第个予载波的,即子载波之间的正交性遭到了破坏,是不同的子载波之间产生干扰。使用循环前缀是系统中消除,同时避免的一种有效办法【“川。所谓循环前缀就是将原来宽度为的符号进行周期扩展,用扩展信号来填充保护间隔,将每个符号的后时间中的样点复制到符号的前面,在交接处没有任何的中断,经多径信道后,接收端经过同步后去掉循环前缀内的数据,只对有用符号时间内的符号进行采样并用变换回频域,系统设计和性能优化四川大学顶士研究生学位论文编码的这样循环前缀可以完成对前一个符号的隔离作用,同时又保持符号内各子载波之间的正交性,消除。从离散时间处理的角度看,这种循环前缀将信道的线性卷积变为循环卷积,从而在离散频域看信道表现为一个乘法因子,系统的均衡由此大为简化,可以理解为一阶抽头的均衡器。图显示了循环前缀的插入。叭似认』~一而百藉孬嚣摘:正交频分鼻用:快速傅立变换图具有循环前缀的符号由图可以看出,由于循环前缀的加入也使符号时间的长度增加了,符号的总长度为‘,其中为符号的总长度,为抽样的保护间隔长度,南为变换产生的无保护间隔的符号长度。在接收端抽样开始的时刻应该满足。,其中。是信道的最大多径时延扩展,当抽样满足该式时,由于前一个符号的干扰只会存在于【,『。】,当予载波个数比较大时,的符号周期相对于信道的脉冲响应长度。。很大,则的影响很小,甚至会没有而如果相邻符号之间的保护间隔满足。的要求,则可以完全克服的影响。同时,由于延时副本内所包含的子载波的周期个数也为整数,时延信号就不会在解调过程中产生四川大学硕士研究生学位论文编码的系统设计和能优化。在实际系统中,符号在送入信道之前,首先要加入循环前缀,然后送入信道进行传送。在接收端,首先将接收符号开始的宽度为疋的部分丢弃,将剩余的宽度为的部分进行傅里叶变换,然后进行解调。加入保护间隔之后会带来功率和信息速率的损失,其中功率损失为。蜮疋,可以看到,当保护间隔占到有用符号持续时间的时,功率损失也不到。但是带来的信息速率损失达。尽管这样,通过在符号内加入循环前缀可以保证在周期内,符号的延时副本内所包含的波形的周期个数是整数。这样,时延小于保护间隔的时延信号就不会在解调的过程中产生,这个代价是值得的。加宙技术由式一或式所定义的信号存在的缺点是功率谱的带外衰减速度不够快,即带外辐射功率比较大。虽然随着子载波数量的增加,由于每个子载波功率谱密度主瓣和旁瓣变窄,所以信号功率谱的带外衰减速度会加快,但是即使在个子载波的情况中,其带宽仍然是一带宽的倍”。为了加快信号功率谱带外部分的下降速度,可以对每个符号进行加窗处理,使符号周期边缘的幅度值逐渐过渡到零。经常被采用的窗函数是式定义的升余弦窗:,万芦霉,兰芦以正『其中,表示加窗前的符号长度,而加窗后符号的长度应该为‖,从而允许在相邻符号之间存在有相互覆盖的区域,经过加窗处理后的符号如图所示。系统设计和性能优化四大学硕士研究生学位论文编码的互苎二三圣熊一照应互,图经过加面处理后的符号在实际系统中,经过加窗的符号的产生过程为:酋先,在,个经过数字调制的符号后面补零,构成个输入样值序列,然后进行运算将输出的最后个样值插入到符号的最前面,将输出的最前面个样值插入到符号的最后面接下来,将符号与式定义的升余弦函数州时域相乘最后将经过加窗的符号延时,与前一个经过加密的符号相加。由图可见,由于加窗的影响,相邻的两个符号之间会存在宽带为的重叠区,其中口为升余弦窗的滚降因子。采用了升余弦窗函数之后,可以显著提高符号频谱带外部分的下降速度。例如,对于个子载波的符号,加的升余弦窗,此时滚降区域虽然仅占符号间隔的,但却可以使带宽减小未加窗时的一半。需要注意的是,卢值得选择要恰当,选择大的,值虽然可以大大改善符号的频带效率,但同时也会降低符号对时延扩展的容忍程度。基本参数选择在系统中,参数的选择需要根据系统的应用要求在多项要求冲突中进行折中考虑。通常需要确定以下参数:符号周期、保护间隔、子载波的数量。这些参数的选择取决于给定信道的带宽、时延扩展以及所要求的信息传输速率。系统的各参数一般按照以下步骤来确定:确定保护间隔。由于应用系统的主要目的是抗信道多径时延系统设计和性能优化四川大学硕士研究生学位论文编码的蚺扩展,一般首先要根据系统的应用环境中的典型信道时延扩展。选取一定时间长度的保护间隔疋。为完全消除,保护间隔的长度通常要大于时延扩展显然保护间隔越大对抗信道时延扩展的文件性越好,但同时会带来系统效率和带宽损失。根据经验,我们一般选择保护间隔的时间长度为移动通信环境信道的时延扩展均方根的倍。选择符号周期。为了最大限度的减少插入保护比特带来的信噪比的损失,希望符号周期长度要远远大于保护间隔的长度。但是符号周期长度又不可能任意大,否则系统中要包含更多的予载波数,从而导致子载波间隔相应减少,系统复杂度增加,而且还加大了系统的峰值平均功率比,同时使系统对频率偏差更加敏感。因此考虑到保护间隔所带来的信息传输效率的损失和系统的实现复杂度以及系统的峰值平均功率比等因素,在实际系统中,一般选择符号周期长度是保护间隔长度的倍。确定子载波的数量。子载波可直接利用一带宽除以予载波间隔即去掉保护间隔之后的符号周期的倒数得到。或者可以利用所要求的比特速率除以每个子信道中的比特速率来确定子载波的数量。目前技术应用在、和标准和,中。他们针对不同的应用环境和数据速率而设计,系统参数也有很大的差别。和针对陆地音频广播和视频广播的单频网目的而设计,保护闯隔比较长,为,有用符号时间为,在带宽内实际使用个子载波,用点佰实现规定了两种模式,模式和模式,其中模式针对单频网络设计,在带宽内实际使用个子载波,用点实现,有用符号时间为坤,保护间隔可取有用符号时闯的到,分别对应保护间隔的时间长度为脚到膨,能够抵抗不同地区大小的单频网络设计的时延扩展模式则主要针对非单频网络设计,在带宽内实际使用个子载波,用点呵,实现,有用符号时间为口。保护间隔可取为有用符号时间的四川大学硕士研究生学位论文编码的系统设计和忖能优化到,分别对应到,可以抵抗一般山地和市区范围内的时延扩展。而则主要针对室内和小地区范围内的无线环境设计,这种环境内信道时延一般在几十个到几百个纳秒,因此,和一样,在带宽内实际使用个子载波,用点实现,载波频率间隔为,有用符号时间为膨,保护间隔为有用符号时间的,,。系统的实现采用直接方法实现的调制,当很大的时候需要很多载波发生器、滤波器、调制器和相干解调器,组成的系统很复杂,不可能在实际中应用。因此,提出了用技术实现的调制。设在一个周期【,列内传输的,个符号为,,,,。,为复数。第个符号调制第个载波却,合成的信号为:’,【,刀令,为符号序列。,,,:,,。的时间间隔,显然,,。得:晓。。:血争一:九。埘。肖,的低通复包络为:系统设计和性能优化四川大学硕士研究生学位论文编码的:芝。争吼”睾,由疗睾’静。专,由牵,鲁』万事,,』争,,,』蓑吼万事,若以为采样频率对采样,【,刀内共有个样值:‘,若以为采样频率对采样,【,刀内共有吾个样值:瓯:,。:艺。”等。等》删‰~其中行,,,,瓯的虚部和实部分别是和,在处的抽样值。可见,。恰好是的逆傅里叶变换,将。低通滤波就可得到。系统仿真系统的完整框图如图所示。形成信号的信号源一般使用调制或调制。信号可以表示为同相分量和正交分量。发送端将被传输的数字信号转换成子载波幅度和相位的映射,将串行输入的信号拆分成路并行信号,并进行离散傅里叶反变换将数据的频谱表达式变到时域上。最后再将路调制信号叠加起来发送出去。快速傅里时反变换与离散傅里叶反变换的作用相同,只是有更高的计算效率。其中上半部分对应于发射机链路,下半部分对应于接收机链路。由于操作类似于,四川大学硕士研究生学位论文编码的系统设计和性能笾垡因此发射机和接收机可以使用同一硬件设备。当然,这种复杂度的节约则意味着该收发机不能同时进行发送和接收操作。。屯耍丽卜一景德一加窗一叫亘巫卜隘卜匿卜匿吖习一丑咂卜圜川毽蛸圈网厂砸卜叫嚎料图系统框图接收的步骤基本上是发射的逆过程,将射频信号与基带信号进行混频处理,并用变换分解频域信号,子载波的幅度和相位被采集出来并转换回数字信号。和互为反变换,选择适当的变换将信号接收或发送。当信号独立于系统时,变换和变换可以被交替使用。以下对系统进行仿真,仿真的参数如下仿真结构框图如图所示:仿真中帧长也就是子载波个数为每个子载波上采用的是映射:映射方式如下所示:一一一一一一出’出圈,,卷积码编码器结构图信道编码采用的是卷积码,,,其结构如图所示:没有采用交四川大学硕士研究生学位论文编码的系统设计和性瞻优化织。信道为多径瑞丽衰落信道,也就是频率选择性衰落信道,信道长度:仿真结果如图所示。削嚏礴协硝岷一一一一口、特曲、、、、刁为挪’圈系统仿真结果仿真结果分析:比较图中曲线和也就是比较编码和未经编码的系统性能。由此可见,可知:在相同条件下,当为。时,编码增益为系统在襄落信道中进行传输时采用卷积编码后性能可以大大提高。比较图曲线和在为时,即便有理想的信道估计,系统在频率选择性衰落信道中的性能与信道中的性能相比差了左右。四川大学硕士研究生学位论文编码的系统设计和性能优化系统中的编码技术系统中插入保护间隔后可以避免并减小问题,但同时信号经过多径衰落信道到达接收端的所有子载波上的信号幅度可能不同。事实上,某些子信道由于深衰落可能会完全被淹没。因此,即使在大多数予载波上都能做到无差错检测,但整个系统的误比特率却会由于幅度很小的个别子信道的影响而很高,甚至高达。为了避免这种现象出现,需要引入差错控制编码。在子载波中引入差错控制编码,较差子信道中的部分差错被纠正后可达到一定的性能,这与具体的编码技术和信道本身的特征有关。在本章,我们讨论了最新的编码技术一低密度校验码的编译码技术,并尝试将应用于系统,并做了相关仿真。差错控制编码争码的产生由于多径和衰落的存在,移动通信系统中需要信号和信息处理来提高无线传播环境中的链路性能,而信遒预测与均衡、分集技术、信道编码技术都是改变恶劣的无线传播环境中链路性能的有效方法。为了保证各种数据在信道中可靠有效地传输,纠错编码在现代移动通信系统中是必不可少的环节。尤其随着无线数字通信的发展及各种高速率、突发性强的业务的出现,我们必须找到好的纠错编码方案,以满足下一代移动通信系统的需要。纠错编码起源于香农提出的香农第二定理也称信道编码定理,定理指出实现可靠通信所允许的传输速率的上限为信道容量。在信道带宽受限和功率受限的条件下,如果传输速率为,,则:一面【导妇四川大学硕士研究生学位论文编码的系统设计和性能馋佳墨:望二々’,一“’斧矿。:芳曲”锄表明带限信道中,传输速率达到信道容量时可靠通信所需的最小比特能噪比为一,称为香农限,香农限成为设计信道编码时试图逼近的信噪比下限。香农理论使纠错编码理论不断发展成熟。成为一门重要的科学。最初的研究主要集中在以代数理论为基础的线性分组码,出现了汉明码、循环码等一系列好码。五十年代引进的卷积码在编码过程中引入了寄存器,增加了码元之间的相关性,从而在相同的复杂度下获得比分组码更高的编码增益,同时也增加了分析和设计的复杂度随着各种卷积码译码算法的出现,尤其是算法,促成了卷积码的深入研究和应用。而后来出现的网格编码调制技术,莫定了卷积码在通信领域中的主导地位。由信道编码定理,对于容量为的零散无记忆信道,只要侍传输的信息其信息率,总可以找到~种编码方法,使当码长足够长时,译码差错率足够小。乘积码和级联码的出现,是人们在复杂度允许的条件下在逼近香农限的方面作的一个尝试。年,法国的等人提出了~种称为码的新的编码方案,使人们朝着编码性能的极限又迈进了一大步,成为近年来纠错编码研究中的一个热点。码是一种级联码,由两个卷积码并行级联而成。每个子编码器采用了递归系统卷积码,予编码器之间采用交织器来消除子码间的相关性。同时,码的译码部分采用了软输入和软输出的译码算法和迭代译码的方法,使子译码器间可以相互传递信息,保证编码信息的充分利用。根据等人的仿真结果,二元码在码率和码长较长×的条件下,经次迭代得到了离理论极限越的误码率性能。在获得巨大成功的码的启发下,另一类具有相似特征和性能的编码重新得到人们的重视,这就是码。码是一类可以用稀疏的奇偶校验矩阵或者二分图定义的线性分组码,最系统设计和性能优化四川大学硕士研究生学位论文编码的初由“发现,所以称为码。经过数十年代沉寂,随着计算机硬件和相关理论的发展,和”重新发现了它,并证明它在基于的迭代译码相结合的条件下具有逼近限的性能。最新研究表明,码具有以下特点:低译码复杂度,可线性时间编码,具有逼近香农限的特性,可并行译码,以及在恰当选择非芷则码次数分布条件下优于码。需要指出的是,由于这些优点在码长比较长的情况下可以得到充分的体系,所以特别适合对时延要求不是很高的情况下,所以特别适合于未来移动通信系统中数据的传输。另外,商速数据通信具有高采样速率,那么一帧可以包含更多的数据,这样就可以使用具有更长码长的纠错码来编码了,这时码将大有作为。码的特点和研究现状码是一种萋于稀疏校验矩阵的线性分组码,正是利用校验矩阵是稀疏性这个特点,我们才能实现低复杂度的编译码,从而使得码走向实用化成为可能。前面提到的码是一种正则的码。而和等人,对码进行了推广,提出非正则的码。最初提出的编码具有规则的码结构,其校验矩阵是稀疏矩阵。且每一行具有相同个数的,每一列也具有相同个数的。认为,如果允许校验矩阵的行或者列中非零元的个数发生变化,同时保证矩阵的稀疏性,那么编码的译码算法仍然适用,而编码的性能却能够得到极大的提高,使之能够赶上甚至超过码的性能。这是因为在这种编码结构中,如果对应二分图的左节点和右节点有合适的次数分布,那么在译码时将会存在一种波状效应珊,将极大地提高了译码的性能。非正则码就是这种允许同种节点有不同次数的低密度的编码,而咀耀最初提出的编码相应的是正则码。等通过优化非正则图的次数结构来寻找逼近容量的非正则码哪。研究结果表明系统设计年【性能优化四川大学硕士研究生学位论文编码的,理论上的极限性能仅仅比香农限高的非正则码次数分布对已经找到了。对于中短长度的码,二分图中短长度圈将使码性能严重下降,如何构造无短长度圈的研究所以变得非常重要。对于长码长的编码,随机构造是一种可行的方法,因为码长越大,矩阵越稀疏,短长度圈出现的概率就越小,且由于大数定理的作用,圈的长度趋于一致,编码的性能也趋于一致但是对中短长度的编码,校验矩阵对编码性能就具有较为明显的影响,需要研究合适的构造方法,以构造好的校验矩阵,获得好的编码性能。这方面的构造方法现在主要有组合构造法、有限几何构造法、群论构造法、和图论构造法,但是这些方法主要是面向正则码,有很大局限性,而且理论性太强,不实用“。等提出了扩展的算法,可以设出一定、高码率的码或者码率一定、高的码,是具有一般性的方法,适当改进将可以用来设计具有保证的不规则的码。等九提出了:能选择编码的矩阵通常具有下三角结构。和“证明了具有准下角结构的校验矩阵也可以实现线性时间编码,即编码复杂度与码长具有线性的关系,并且给出了将一个已知的稀疏校验矩阵通过行列位置互换交换成下三角矩阵的贪心算法。如果我们能够构造出具有准下三角的校验矩阵,我们就可以线性时间编码了。给出了种码的迭代算法,即硬判决和软判决算法。软判决译码虽然有较好的性能,但太复杂了:和在文献”中提出了信息传递算法,它是两者的折衷。在文献【给出概率域上信息传递算法具体步骤,并且给出译码算法程序。和”开发了一种在码长趋于无穷长的条件下跟踪码图中消息概率的技术,称为“密度演进”系统设计和性能优化四川大学硕士研究生学位论文编码的算法。这种算法可以用来近似估计噪声门限在该门限以下当码长足够长、迭代次数足够多的条件下可以使误码率为零。等利用消息分布的高斯近似简化了密度演进的算法,所以可以快速的找到门限,更容易地优化次数分布。码的线性时间编码码是一种基于稀疏校验矩阵的线性码,假设口矩阵是×且满秩的,则码长为,校验位为,信息位为,码率为卜。矩阵每行中“”的个数称为行权重,每列中“”的个数称为列权重。日矩阵用二分图表示时,图的上面有个节点,每个节点表示码字的一个比特位,称为比特节点下面有肘个节点,每个节点表示一个校验集,称为校验节点校验矩阵中元素只。,表示二分图中比特节点和校验节点之间存在连接边,这条边可称为两端节点的相邻边,相邻边两端的节点称为相邻节点:每个节点相邻边数称为该节点的度数。对于规则码,其校验矩阵疗中每一行的行权重和每一列的列权重是固定的对应的二分图中,比特节点度数和校验节点度数分别对应

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