1、. . . . 畢 業 論 文（設 計）題 目 脈沖噪聲下的OFDM系統多用戶檢測 性能研究英文題目The Performance of OFDM System Multi-user Detection under Impulse Noise43 / 50摘 要OFDM (正交頻分復用)的基本原理是將高速的數據流分解成許多低速率的子數據流，利用相互正交且重疊的多個子載波同時傳輸。它的主要優點是多徑失真低，抗符號間干擾(ISI)能力強，頻帶利用率很高。因此，人們開始關注正交頻分復用（OFDM）系統，希望通過這種技術來解決高速信息流在無線信道中的傳輸問題，從而可以滿足帶寬要求更高的多種多媒體業務和

2、更快的網絡瀏覽速度。本論文詳細地介紹了OFDM系統和脈沖噪聲的基本原理。根據整個系統的功能，編寫了脈沖噪聲、擴頻、OFDM系統以與誤碼率模塊的MATLAB程序，用MATLAB軟件對脈沖噪聲下的OFDM系統多用戶檢測整個系統進行仿真。最后對仿真的結果進行分析。通過仿真得出系統的誤碼率波形，對系統性能進行分析，并進一步對系統改進和調試。仿真結果證明了整個系統的可行性。由誤碼率的波形可以看出，當某一特定值時，整個系統的誤碼率隨信噪比的增大而減小。另外，研究表明較小的脈沖噪聲比較大的脈沖噪聲所造成的誤碼影響要大得多，且=2的脈沖噪聲所造成的誤碼率在信噪比較小的情況下即可達到0。關鍵詞：正交頻分復用（O

3、FDM）；脈沖噪聲；擴頻/解擴；誤碼率；多用戶檢測AbstractThe basic principle of OFDM (orthogonal frequency division multiplexing) is thatdividing high-speed data streaminto many low-rate sub-data streams, and using multiple orthogonal and overlapping sub carriers to transmit simultaneously. Its main advantagesare low multi

4、path distortion, anti-inter-symbol interference (ISI) capacity and high bandwidth efficiency. Therefore, people are focusing on orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) system, and hoping to solve the problems of high-speed data streamstransmission in the wireless channel through this techn

5、ology.So the higher bandwidth requirements to a variety of multimedia services and faster Web browsing speed are met.This paper describes the basic principles of OFDM system and impulse noise in detail. According to the function of the entire system, I write theMATLAB program of impulse noise, spect

6、rum-spread, OFDM system and bit error rate module, and simulate the entire system through MATLAB software.Finally, through the BER simulation waveforms by simulation, Iimproved and the system furtherly . The simulation results show the feasibility of the system. By the error rate waveform can see th

7、at when is a particular value in 0 to 2, the overall system bit error rate increases with signal to noise ratio. In addition, study shows that the small impulse noisecause much greater impact than the lager impulse noise, and the bit error rate caused by the = 2 impulse noise can reach 0in the case

8、of small signal to noise ratio.Key words: OFDM; Impulse noise; Spectrum-spread; BER; Multi-user detection目 錄引言1第一章 OFDM系統的基本介紹31.1 OFDM的基本原理41.1.1 OFDM的產生和發展41.1.2 DFT的實現51.1.3 保護間隔、循環前綴和子載波數的選擇61.1.4 子載波調制與解調91.2 OFDM系統的優缺點101.3 OFDM系統的關鍵技術11第二章多用戶檢測132.1 多用戶檢測的發展132.2 多用戶檢測分類與算法研究132.2.1 基站中的多用戶檢測

9、方法142.2.2 用戶設備中的多用戶檢測方法15第三章穩定分布173.1 穩定分布的提出173.2 穩定分布183.2.1 穩定分布的概念183.2.2 穩定分布模型183.2.3 穩定分布的幾種特殊情況193.2.4 廣義中心極限定理203.3 穩定分布隨機變量的產生213.4 分數低階穩定分布噪聲條件下混合信噪比的設定22第四章在脈沖噪聲下的OFDM系統多用戶檢測性能分析244.1 噪聲的產生244.2 OFDM系統的仿真實現244.2.1 OFDM信號的時域與頻域波形244.2.2 帶外功率輻射以與加窗技術284.3 在脈沖噪聲的OFDM系統多用戶檢測性能仿真實現304.3.1 抗噪聲

10、性能分析30結論34參考文獻35致36附錄：MATLAB仿真程序37引 言現代移動通信是一門復雜的高新技術，不但集中了無線通信和有線通信的最新技術成就，而且集中了網絡接收和計算機技術的許多成果。目前，移動通信已從模擬通信發展到了數字移動通信階段，并且正朝著個人通信這一更高級階段發展。未來移動通信的目標是，能在任何時間、任何地點、向任何人提供快速可靠的通信服務。1978年底，美國貝爾實驗室研制成功先進移動系統（AMPS），建成了蜂窩狀模擬移動通信網，大大提高了系統容量。與此同時，其它發達國家也相繼開發出蜂窩式公共移動通信網。這一階段的特點是蜂窩移動通信網成為實用系統，并在世界各地迅速發展,這個系

11、統一般被當作是第一代移動通信系統。從20世紀80年代中期開始，數字移動通信系統進入發展和成熟時期。蜂窩模擬網的容量已不能滿足日益增長的移動用戶的需求。80年代中期，歐洲首先推出了全球移動通信系統（GSM：Global System for Mobile）。隨后美國和日本也相繼指定了各自的數字移動通信體制。20世紀90年代初，美國Qualcomm公司推出了窄帶碼分多址（CDMA：Code-Division Multiple Access）蜂窩移動通信系統，這是移動通信系統中具有重要意義的事件。從此，碼分多址這種新的無線接入技術在移動通信領域占有了越來越重要的地位。這些目前正在廣泛使用的數字移動通

12、信系統是第二代移動通信系統。第二代移動通信系統主要是為支持話音和低速率的數據業務而設計的。但隨著人們對通信業務圍和業務速率要求的不斷提高，已有的第二代移動通信網將很難滿足新的業務需求。為了適應新的市場需求，人們正在制定第三代（3G）移動通信系統。但是由于3G系統的核心網還沒有完全脫離第二代移動通信系統的核心網結構，所以普遍認為第三代系統僅僅是一個從窄帶向未來移動通信系統過渡的階段。目前，人們已經把目光越來越多得投向超三代（beyong 3G）的移動通信系統中，使其可以容納市場龐大的用戶數、改善現有通信品質不良，以與達到高速數據傳輸的要求。若從技術層面來看，第三代移動通信系統主要是以CDMA為核

13、心技術，三代以后的移動通信系統則以正交頻分復用OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）最受矚目，特別是有不少專家學者針對OFDM技術在無線通信技術上的應用，提供了相關的理論基礎，例如無線區域環路（WLL：Wireless Local Loop）、數字音訊廣播（DAB: Digital Audio Broadcasting）等，都將在未來采用OFDM技術。目前世界圍存在有多種數字無線通信系統，然而基于支持話音業務的電路交換模式的第二代移動通信系統不能滿足多媒體業務的需要,但是對于高速數據業務來說，單載波TDMA（Time Division

14、Multiple Access）系統和窄帶CDMA系統中都存在很大的缺陷。由于無線信道存在時延擴展，而且高速信息流的符號寬度又相對較窄，所以符號之間會存在較嚴重的符號間干擾（ISI：Inter-Symbol Interference），因此對單載波TDMA系統中使用的均衡器提出非常高的要求，即抽頭數量要足夠大，訓練符號要足夠多，訓練時間要足夠長，而均衡算法的復雜度也會大大增加。對于窄帶CDMA來說，其主要問題在于擴頻增益與高速數據流之間的矛盾。保證一樣帶寬的前提下，高速數據流所使用的擴頻增益就不能太高，這樣就大大限制了CDMA系統噪聲平均的優點，從而使得系統的軟容量受到一定的影響，如果保持原來

15、的擴頻增益，則必須要相應的提高帶寬。此外，CDMA系統的一個非常重要的特點是采用閉環的功率控制，這在電路交換系統中比較容易實現，但對于分組業務來說，對信道進行探測，然后再返回功率控制命令會導致較大的時延，因此對于高速的無線分組業務來說，這種閉環的功率控制問題也存在缺陷。因此，人們開始關注正交頻分復用（OFDM）系統，希望通過這種方法來解決高速信息流在無線信道中的傳輸問題，從而可以滿足帶寬要求更高的多種多媒體業務和更快的網絡瀏覽速度。正交頻分復用(OFDM：Orthogonal Frequency Division Multiplexing)的提出已有近40年的歷史，第一個OFDM技術的實際應用

16、是軍用的無線高頻通信鏈路。但這種多載波傳輸技術在雙向無線數據方面的應用卻是近十年來的新趨勢。經過多年的發展，該技術在廣播式的音頻和視頻領域已得到廣泛的應用。近年來，由于DSP（digital signal processing）技術的飛速發展，OFDM作為一種可以有效對抗ISI的高速傳輸技術，引起了廣泛關注。OFDM技術已經成功地應用于數字音頻廣播（DAB）、高清晰度電視HDTV（High-definition Television）、無線局域網WLAN（Wireless Local Area Network），它在移動通信中的運用也是大勢所趨。1999年IEEE80211a通過了一個5GHz

17、的無線局域網標準，其中OFDM調制技術被采用并作為它的物理層標準。第一章 OFDM系統的基本介紹正交頻分復用（OFDM）技術與已經普遍熟知應用的頻分復用（FDM：Frequency Division Multiplexing）技術十分相似，與FDM基本原理一樣，OFDM把高速的數據流通過串并變換，分配到速率相對較低的若干個頻率子信道中進行傳輸，不同的是，OFDM技術利用了更好的控制方法，使頻譜利用率有所提高。OFDM與FDM的主要差別為以下幾方面：第一：在常規的廣播系統中，每一個無線站在不同的頻率上發送信號，有效的運用FDM來保證每個站點的分隔，廣播系統中的每一個站點沒有任何的同位或同步；但使

18、用OFDM傳播技術，如DAB，從多個無線站來的信息信號被組合成一個單獨的復用數據流，這些數據是由多個子載波密集打包組成，然后將在OFDM體系中傳輸，在OFDM信號的所有子載波都是在時間和頻率上同步的，使子載波之間的干擾被嚴格控制。這些復用的子載波在頻域錯重疊，但因為調制的正交性且采用循環前綴作為保護間隔，所以不會發生載波間干擾ICI（Inter-Carrier Interference）。第二：對傳統的頻分復用（FDM）系統而言，傳播的信號需要在兩個信道之間存在較大的頻率間隔即保護帶寬來防止干擾，這降低了全部的頻譜利用率；然而應用OFDM的子載波正交復用技術大大減少了保護帶寬，提高了頻譜利用率

19、，如圖1-1。在早期時候，正交頻分復用（OFDM）系統中，各子載波采用正交濾波器將信道分成多個子信道，但要用很多的濾波器，尤其是當路數增多的時候。1971年，Weinstein與Ebert等將DFT應用在多載波傳輸系統中，從而很方便地實現了多路信號的復合和分解。OFDM系統的一個重要優點就是可以利用快速傅立葉變換實現調制和解調，從而大大簡化系統實現的復雜度。圖 11FDM與OFDM帶寬利用率的比較正交頻分復用（OFDM）系統是一種特殊的多載波傳輸方案，它可以被看作是一種調制技術，也可以被當作一種復用技術。多載波傳輸把數據流分解成若干個子比特流，這樣每個子數據流將具有低得多的比特速率，用這樣的低

20、比特率形成的低速率多狀態符號再去調制相應的子載波，就構成多個低速率符號并行發送的傳輸系統。正交頻分復用是對多載波調制（MCM：Multi-Carrier Modulation）的一種改進。它的特點是各子載波相互正交，所以擴頻調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，還大大提高了頻譜利用率。選擇OFDM的一個主要原因在于該系統能夠很好地對抗頻率選擇性衰落和窄帶干擾。在單載波系統中，一次衰落或者干擾就可以導致整個鏈路失效，但是在多載波系統中，某一時刻只會有少部分的子信道會受到深衰落的影響。1.1 OFDM的基本原理1.1.1OFDM的產生和發展OFDM的思想早在60年代就已經提出，由

21、于使用模擬濾波器實現起來的系統復雜度較高，所以一直沒有發展起來；70年代，S.B.Weinstein提出用離散傅立葉變換（DFT）實現多載波調制，為OFDM的實用化奠定了理論基礎；80年代，L.J.Cimini首先分析了OFDM在移動通信中應用存在的問題和解決方法。從此以后，OFDM在移動通信中的應用才如火如荼地開展起來。圖12為OFDM系統收發端的典型框圖。發送端將被傳輸的數字數據轉換成子載波幅度和相位的映射，并進行IDFT變換將數據的頻譜表達式變到時域上。IFFT變換與IDFT變換的作用一樣，只是有更高的計算效率，所以適用于所有的應用系統。其中，上半部分對應于發射機鏈路，下半部分對應于接收

22、機鏈路。由于FFT操作類似于IFFT，因此發射機和接收機可以使用同一硬件設備。當然，這種復雜性的節約則意味著該收發機不能同時進行發送和接收操作。 接收端進行發送端相反的操作，將RF信號與基帶信號進行混頻處理，并用FFT變換分解頻域信號，子載波的幅度和相位被采集出來并轉換回數字信號。IFFT和FFT互為反變換，選擇適當的變換將信號接收或發送。當信號獨立于系統時，FFT變換和IFFT變換可以被交替使用。圖 12 OFDM收發機框圖1.1.2DFT的實現傅立葉變換將時域與頻域聯系在一起，傅立葉變換的形式有幾種，選擇哪種形式的傅立葉變換由工作的具體環境決定。大多數信號處理使用離散傅立葉變換（DFT）。

23、DFT是常規變換的一種變化形式，其中，信號在時域和頻域上均被抽樣。由DFT的定義，時間上波形連續重復，因此導致頻域上頻譜的連續重復。快速傅立葉變換FFT僅是DFT計算應用的一種快速數學方法，由于其高效性，使OFDM技術發展迅速。對于比較大的系統來說，OFDM復等效基帶信號可以采用離散傅立葉逆變換（IDFT）方法來實現。為了敘述的簡潔，對于信號以的速率進行抽樣，即令，則得到： (1-1)可以看到等效為對進行IDFT運算。同樣在接收端，為了恢復出原始的數據符號，可以對進行逆變換 ，即DFT得到： (1-2)根據以上分析可以看到，OFDM系統的調制和解調可以分別由IDFT和DFT來代替。通過點的ID

24、FT運算，把頻域數據符號變換為時域數據符號，經過射頻載波調制之后，發送到無線信道中。其中每個IDFT輸出的數據符號都是由所有子載波信號經過疊加而生成的，即對連續的多個經過調制的子載波的疊加信號進行抽樣得到的。在OFDM系統的實際運用中，可以采用更加方便快捷的快速傅立葉變換（IFFT/FFT）。點IDFT運算需要實施次的復數乘法，而IFFT可以顯著的降低運算的復雜度。對于常用的基-2 IFFT算法來說，其復數乘法次數僅為，但是隨著子載波個數的增加，這種方法復雜度也會顯著增加。對于子載波數量非常大的OFDM系統來說，可以進一步采用基-4的IFFT算法來實施傅立葉變換。1.1.3保護間隔、循環前綴和

25、子載波數的選擇應用OFDM的一個重要原因在于它可以有效的對抗多徑時延擴展。通過把輸入數據流串并變換到個并行的子信道中，使得每一個調制子載波的數據周期可以擴大為原始數據符號周期的倍，因此時延擴展與符號周期的數值比也同樣降低倍。為了最大限度的消除符號間干擾，還可以在每個OFDM符號之間插入保護間隔（Guard Interval）,而且該保護間隔長度一般要大于無線信道中的最大時延擴展，這樣一個符號的多徑分量就不會對下一個符號造成干擾。在這段保護間隔可以不插任何信號，即是一段空白的傳輸時段。然而在這種情況下，由于多徑傳播的影響，則會產生載波間干擾（ICI）, 即子載波之間的正交性遭到破壞，不同的子載波

26、之間的產生干擾。這種效應可見圖1-4。由于每個OFDM符號中都包括所有的非零子載波信號，而且也可同時出現該OFDM符號的時延信號，圖1-3給出了第一子載波和第二子載波的時延信號。從圖中可以看到，由于在FFT運算時間長度，第一子載波和第二子載波之間的周期個數之差不再是整數，所以當接收機試圖對第一子載波進行解調時，第二子載波會對第一子載波造成干擾。同樣，當接收機對第二子載波進行解調時，也會存在來自第一子載波的干擾。圖 13 多徑情況下，空閑保護間隔在子載波間造成的干擾在系統帶寬和數據傳輸速率都給定的情況下，OFDM信號的符號速率將遠遠低于單載波的傳輸模式。例如在單載波BPSK調制模式下，符號速率就

27、相當于傳輸的比特速率，而在OFDM中，系統帶寬由個子載波占用，符號速率則倍低于單載波傳輸模式。正是因為這種低符號速率使OFDM系統可以自然地抵抗多徑傳播導致的符號間干擾（ISI），另外，通過在每個符號的起始位置增加保護間隔可以進一步抵制ISI，還可以減少在接收端的定時偏移錯誤。這種保護間隔是一種循環復制，增加了符號的波形長度，在符號的數據部分，每一個子載波有一個整數倍的循環，此種符號的復制產生了一個循環的信號，即將每個OFDM符號的后時間中的樣點復制到OFDM符號的前面，形成前綴，在交接點沒有任何的間斷。因此將一個符號的尾端復制并補充到起始點增加了符號時間的長度，圖1-4顯示了保護間隔的插入。

28、圖 14 加入保護間隔的OFDM符號符號的總長度為其中為OFDM符號的總長度，為采樣的保護間隔長度，為FFT變換產生的無保護間隔的OFDM符號長度，則在接收端采樣開始的時刻應該滿足下式： (1-7)其中是信道的最大多徑時延擴展，當采樣滿足該式時，由于前一個符號的干擾只會存在于, 當子載波個數比較大時，OFDM的符號周期相對于信道的脈沖響應長度很大，則符號間干擾（ISI）的影響很小，將會沒有符號間干擾（ISI）；而如果相鄰OFDM符號之間的保護間隔滿足的要求，則可以完全克服ISI的影響。同時，由于OFDM延時副本所包含的子載波的周期個數也為整數，時延信號就不會在解調過程中產生ICI。OFDM系統

29、加入保護間隔之后，會帶來功率和信息速率的損失，其中功率損失可以定義為 (1-9)從上式可以看到，當保護間隔占到20時，功率損失也不到1dB。但是帶來的信息速率損失達20。而在傳統的單載波系統中，由于升余弦濾波也會帶來信息速率（帶寬）的損失，這個損失與滾降系數有關。但由于插入保護間隔可以消除ISI和多徑所造成的ICI的影響，因此這個代價是值得的。加入保護間隔之后基于IDFT（IFFT）的OFDM系統框圖可以表示為圖1-5。圖 15 加入保護間隔，利用IDFT/DFT實施的OFDM系統框圖通過適當選擇子載波個數，可以使信道響應平坦，插入保護間隔還有助于保持子載波之間的正交性，因此OFDM有可能完全

30、消除ISI和多徑帶來的ICI的影響。1.1.4子載波調制與解調（1）調制OFDM采用四種調制方式，分別為BPSK、QPSK、16QAM和64QAM。調制方式的選擇根據SIGNAL中的RATE與速率來決定。6Mbits和9Mbits用BPSK, 12Mbits和18Mbits用QPSK, 24Mbits和36Mbits用16QAM, 48Mbits和54Mbits用64QAM。調制方法如下：首先，把輸入的二進制序列分成長度為1，2，4，6的組，分別對應BPSK, QPSK,16QAM和64QAM。接下來，把這些二進制序列組分別映射為星座圖中對應的點的復數表示，其實是一種查表的方法。為了所有的映射

31、點有一樣的平均功率，輸出要進行歸一化，所以對應BPSK、QPSK、16QAM和64QAM，分別乘以歸一化系數1，, , 。輸出的復數序列即為映射后的調制結果。（2）解調由于在通信系統中存在噪聲等干擾的影響，故信息在傳輸過程中會產生失真，解調接收就要求最大可能的減少誤差。在本論文中，解調的方法：首先，求出接收端信號值（復數形式表示）與星座圖中各點的距離，接下來求出所有距離中的最小值，則將星座圖中該點所對應的二進制值作為解調的結果輸出。與調制相對應，要除以歸一化系數。1.2 OFDM系統的優缺點近年來，OFDM技術已經備受關注，其原因在于OFDM技術有以下優點：(1) 把高速率數據流通過串并轉換，

32、使得每個子載波上的數據符號持續長度相對增加，從而有效的減少無線信道的時間彌散所帶來的ISI，這樣就減小了接收機均衡的復雜度，有時甚至可以不采用均衡器，而僅僅通過采用插入循環前綴的方法消除ISI的不利影響。(2) 傳統的頻分多路傳輸方法，將頻帶分為若干個不相交的子頻帶來傳輸并行數據流，子信道之間要保留足夠的保護頻帶。而OFDM系統由于各個子載波之間存在正交性，允許子信道的頻譜相互重疊，因此與常規的頻分復用系統相比，OFDM系統可以最大限度的利用頻譜資源。當子載波個數很大時,系統的頻譜利用率趨于2 B/Hz。(3) 各個子信道中的正交調制和解調可以通過采用IDFT和DFT的方法來實現。對于N很大的

33、系統中，可以通過采用快速傅立葉(FFT)來實現。而隨著大規模集成電路技術與DSP技術的發展，IFFT與FFT都是非常容易實現的。(4) 無線數據業務一般存在非對稱性，即下行鏈路中傳輸的數據量要大于上行鏈路中的數據傳輸量，這就要求物理層支持非對稱高速率數據傳輸，OFDM系統可以通過使用不同數量的子信道來實現上行和下行鏈路中不同的傳輸速率。(5) OFDM可以容易的與其他多種接入方法結合使用，構成OFDMA系統，其中包括多載波碼分多址MC-CDMA、跳頻OFDM以與OFDM-TDMA等等，使得多個用戶可以同時利用OFDM技術進行信息的傳輸。但是OFDM系統由于存在有多個正交的子載波，而且其輸出信號

34、是多個子信道的疊加，因此與單載波系統相比，存在如下缺點：(1) 易受頻率偏差的影響。由于子信道的頻譜相互覆蓋，這就對它們之間的正交性提出了嚴格的要求。由于無線信道的時變性，在傳輸過程中出現無線信號的頻譜偏移，或發射機與接收機本地振蕩器之間存在的頻率偏差，都會使OFDM系統子載波之間的正交性遭到破壞，導致子信道的信號相互干擾（ICI）,這種對頻率偏差的敏感是OFDM系統的主要缺點之一。(2) 存在較高的峰值平均功率比。多載波系統的輸出是多個子信道信號的疊加，因此如果多個信號的相位一致時，所得到的疊加信號的瞬時功率就會遠遠高于信號的平均功率，導致出現較大的峰值平均功率比（PAPR：Peak-to-

35、Average power Ratio）。這就對發射機放大器的線性提出了很高的要求，可能帶來信號畸變，使信號的頻譜發生變化，從而導致各個子信道間的正交性遭到破壞，產生干擾，使系統的性能惡化。1.3 OFDM系統的關鍵技術下一代移動通信系統有關的OFDM系統關鍵系統技術有：(1) 時域和頻域同步OFDM系統對定時和頻率偏移敏感，特別是實際應用中可能與FDMA、TDMA和CDMA等多址方式結合使用時，時域和頻率同步顯得尤為重要。與其它數字通信系統一樣，同步分為捕獲和跟蹤兩個階段。在下行鏈路中，基站向各個移動終端廣播式發同步信號，所以，下行鏈路同步相對簡單，較易實現。在上行鏈路中，來自不同移動終端的

36、信號必須同步到達基站，才能保證子載波間的正交性。基站根據各移動終端發來的子載波攜帶信息進行時域和頻域同步信息的提取，再由基站發回移動終端，以便讓移動終端進行同步。具體實現時，同步將分為時域同步和頻域同步，也可以時頻域同時進行同步。(2) 信道估計在OFDM系統中，信道估計器的設計主要有兩個問題：一是導頻信息的選擇。由于無線信道常常是衰落信道，需要不斷對信道進行跟蹤，因此導頻信息也必須不斷的傳送。二是既有較低的復雜度又有良好的導頻跟蹤能力的信道估計器的設計。在實際設計中，導頻信息選擇和最佳估計器的設計通常又是相互關聯的，因為估計器的性能與導頻信息的傳輸方式有關。(3) 信道編碼和交織為了提高數字

37、通信系統性能，信道編碼和交織是通常采用的方法。對于衰落信道中的隨機錯誤，可以采用信道編碼；對于衰落信道中的突發錯誤，可以采用交織。實際應用中，通常同時采用信道編碼和交織，進一步改善整個系統的性能。在OFDM系統中，如果信道衰落不是太深，均衡是無法再利用信道的分集特性來改善系統性能的，因為OFDM系統自身具有利用信道分集特性的能力，一般的信道特性信息已經被OFDM這種調制方式本身所利用了。但是，OFDM系統的結構卻為在子載波間進行編碼提供了機會，形成COFDM方式。編碼可以采用各種碼，如分組碼、卷積碼等，卷積碼的效果要比分組碼好。(4) 降低峰均功率比由于OFDM信號時域上表現為個正交子載波信號

38、的疊加，當這個信號恰好均以峰值相加時，OFDM信號也將產生最大峰值，該峰值功率是平均功率的倍。盡管峰值功率出現的概率較低，但為了不失真地傳輸這些高峰均功率比（Peak to Average Power Ratio, PAPR）的OFDM信號，發送端對高功率放大器（HPA）的線性度要求很高且發送效率極低，接收端對前端放大器以與A/D變換器的線性度要求也很高。因此，高的PAPR使得OFDM系統的性能大大下降甚至直接影響實際應用。為了解決這一問題，人們提出了基于信號畸變技術、信號擾碼技術和基于信號空間擴展等降低OFDM系統PAPR的方法。(5) 均衡在一般的衰落環境下，OFDM系統中均衡不是有效改善

39、系統性能的方法。因為均衡的實質是補償多徑信道引起的碼間干擾，而OFDM技術本身已經利用了多徑信道的分集特性，因此在一般情況下，OFDM系統就不必再做均衡了。在高度散射的信道中，信道記憶長度很長，循環前綴CP（Cyclic Prefix）的長度必須很長，才能夠使ISI盡量不出現。但是，CP長度過長必然導致能量大量損失，尤其對子載波個數不是很大的系統。這時，可以考慮加均衡器以使CP的長度適當減小，即通過增加系統的復雜性換取系統頻帶利用率的提高。此外，OFDM與空時編碼、智能天線等技術的結合也備受關注。第二章 多用戶檢測2.1 多用戶檢測的發展在移動通信的發展過程中，無線環境中的信號衰落與相互干擾一

40、直是影響移動通信質量的重要因素之一。為對抗衰落與干擾，幾十年來人們研究并應用了多種技術，如GSM的自適應均衡、IS-95 CDMA的RAKE接收機等。多用戶檢測技術（Multiuser Detection, MUD）是根據經典信息論的最佳聯合檢測理論提出的一種有效對抗多址干擾的先進技術。從1979年K.Schneider提出聯合檢測的概念，特別是1986年S.Verdu提出最優多用戶檢測算法以來，經過20多年的理論研究，并結合碼分多址移動通信系統的實踐與發展，多用戶檢測逐漸成熟。在蜂窩移動碼分多址通信中，干擾大概分為三種類型：加性白噪聲干擾、多徑干擾與多用戶間的多址干擾。由于在同一個小區間同時

41、通信的用戶不是一個而是多個，在碼分多址中多個用戶占用同一時隙、同一頻率，當同時通信用戶數較多時，多址干擾成為最主要的干擾。CDMA系統是一個多入多出（MIMO）系統，采用傳統的單入單出（SISO）檢測方法，如匹配濾波器，不能充分利用用戶間的信息，而將多址干擾認為是高斯白噪聲。所以多址干擾不僅嚴重影響系統的抗干擾性，而且也嚴格限制了系統的容量提高。在多徑衰落環境下，由于各個用戶之間所用的擴頻碼通常難以保持正交，因而造成多個用戶之間的相互干擾，并限制系統容量的提高。解決以上問題的一個有效方法是使用多用戶檢測技術（MUD）。由于信道的非正交性和不同用戶擴頻瑪字的非正交性，導致用戶間存在相互干擾，多用

42、戶檢測的作用就是去除多用戶之間的相互干擾。也就是根據多用戶檢測算法，在經過非正交信道和非正交的擴頻碼字，重新定義用戶判決的分界線，在這種新的分界線上，可以達到更好的判決效果，去除用戶之間的相互干擾。2.2 多用戶檢測分類與算法研究多用戶檢測的基本原理是通過發送已知序列對信道進行估計，并測量各個用戶擴頻碼間的非正交性，用矩陣求逆或迭代法消除用戶之間的干擾，進而正確恢復所有用戶數據。檢測的誤碼率經過20余年的發展，對抑制多址干擾的多用戶檢測方法已研究的十分廣泛和具體。在不同的準則下，多用戶檢測具有不同的分類方法。按性能的不同，多用戶檢測可分為最優多用戶檢測法與準最優多用戶檢測法。從結構上看，多用戶

43、檢測又分為線性多用戶檢測與非線性多用戶檢測方法。2.2.1 基站中的多用戶檢測方法基站（BaseStation,或NodeB）中多用戶檢測方法。由于基站知道所有用戶的特征碼(signaturesequence)，考慮到算法復雜度之后，基站中的多址干擾抑制方法選擇針對多用戶的多用戶檢測方法。下面分別介紹基站中的典型多用戶檢測方法。（1）最優多用戶檢測法最優多用戶檢測法，即最大似然序列估計（MLSE）方法，1986年由Verdu提出。該算法的復雜度隨著用戶數成指數增加，當用戶數大于9時，是不可行的。最優多用戶檢測法提供了性能改善的極限值。（2）線性準最優多用戶檢測法由于最優多用戶檢測法的復雜度太高

44、，1989年以后的研究均側重于準最優多用戶檢測法。準最優多用戶檢測可分為線性與非線性兩大類。所謂線性或非線性，即是判斷算法的輸出是否是輸入的線性變換。線性多用戶檢測算法主要包括去相關法（Decorrelator）和最小均方估計法（MMSE）。去相關法與MMSE法的復雜度均隨用戶數線性增長，其中去相關法不需估計各用戶的幅度，具有較好的抗遠近效應能力，而MMSE法需估計各用戶的幅度，抗遠近效應能力不如去相關法，但去相關法對信道噪聲有放大作用，MMSE法則沒有。當信噪比較大時，使用去相關法較好；當信噪比較小進，易于使用MMSE法。去相關性與MMSE法均需對互相關矩陣求逆，當用戶數很多時，使用去相關法

45、與MMSE法的復雜度還是太大。為此Moshavi等人提出了矩陣求逆的多項式分解法，只取多項式的前幾項代替整個逆陣，從而化簡求逆的復雜度。（3）非線性準最優多用戶檢測法由于線性多用戶檢測法復雜度高，收斂慢，從可實現性角度考慮的研究方向主要集中于非線性多用戶檢測方法。非線性多用戶檢測方法主要有多級型、判決反饋型、神經網絡等幾種方法。多級型多用戶檢測算法，根據每一級各用戶的檢測形式不同，又可劃分很多形式。若每一級各用戶并行的采用匹配濾波器或相關器檢測，這就是傳統的并行干擾對消（parallelinterferencecancellation:PIC）算法。若每一級的每個用戶，根據信號強度的大小，采用

46、串行的匹配濾波或相關檢測的方法，這就是所謂的串行干擾對消（successiveinterferencecancellation:SIC）算法。當然，每一級各用戶還均可以采用去相關檢測、MMSE等算法，這時的性能會更好一些，但算法實現復雜度也更高一些。多級型多用戶檢測算法的每級算法結構相似，因而多級型的每一級的最后（除最后一級），還有一個各用戶信號的再生、還原過程，這也是多級型方法的特點之一。判決反饋多用戶檢測算法，有與多級型算法類似的種類。從本質上看，判決反饋多用戶檢測算法等價于多級型算法。從結構上來看，判決反饋法將多級型方法采用循環的方式一級來完成，通過對一級的多次循環，完成多級型一樣的功能

47、。從實現上來看，判決反饋多用戶檢測算法比多級型算法需要更多的存儲空間。多用戶檢測從本質上看，是一個組合優化問題。因而，所有解決組合優化的算法原則均可適用于多用戶檢測。其中基于神經網絡的解組合優化問題當然可以適合多用戶檢測。2.2.2 用戶設備中的多用戶檢測方法多用戶檢測對于用戶設備（UserEquipment,UE，又稱移動終端:MobileStation,MS）來說，從安全與復雜度上考慮，它只知道自己使用的特征序列。這時的多址干擾抑制方法（為了方便，也稱為多用戶檢測方法），與基站中的的多址干擾抑制方法有很大的差別。用戶設備中多用戶檢測的各種方法。把傳統CDMA檢測器作為固定式多用戶檢測方法也

48、歸納進來了。所謂傳統CDMA檢測器，即采用了相關器或匹配濾波器檢測方法。傳統CDMA檢測器為了減弱多址干擾的影響，在系統級中采用了功率控制的方法，它要求到達某一接收機輸入端的各個用戶的功率相等。這是一種最簡單、原始的多址干擾抑制方法，已成功應用于軍、民用CDMA移動通信網。為了更有效的對抗多址干擾，用戶設備采用自適應技術來抑制多址干擾。所謂自適應多址干擾抑制算法，即接收機的多址干擾抑制部分采用了自適應濾波器的結構，濾波器的系數是自適應變化的，標準是滿足某種標準下的最優化。自適應式多用戶檢測方法也可劃分為兩大類：線性與非線性。類似于基站中的多用戶檢測方法，用戶設備中的自適應非線性多用戶檢測方法包

49、含有判決反饋、神經網絡方法。下面主要介紹用戶設備中的自適應線性多用戶檢測方法。（1）線性高復雜度自適應多用戶檢測算法線性高復雜度自適應多用戶檢測算法，根據自適應算法抽頭間距（也可以表述為自適應算法對輸入信號的采樣間隔）的大小，可以劃分為碼元空間、分數空間兩種。如果抽頭間距等于接收機擴頻碼的一個碼元寬度，這就是碼元空間法。分數空間法則定義為自適應算法抽頭間距只是碼元寬度的一部分。分數空間法自適應多用戶檢測算法則包含最優線性同軛線性算法（optimumlinear-conjugate-linear,LCL）與復時間相關自適應濾波算法（complextimedependentadaptivefilt

50、er,TDAF）。復時間相關自適應濾波算法還可以進一步劃分，濾波算法是基于波形估計濾波式的，還是基于符號估計濾波式。（2）線性低復雜度自適應多用戶檢測算法線性低復雜度自適應多用戶檢測算法，依據對高復雜度自適應多用戶檢測算法簡化的方法的不同，可分為兩類：最優簡化法、次優簡化法。其中次優簡化法包含循環位濾波器組法與符號過采樣法。第三章 穩定分布3.1 穩定分布的提出穩定分布的概念最先是由利維（Levy）于1925年在研究廣義中心極限定理時給出的，但是在當時，這個概念幾乎沒有引起信號處理領域的關注。非高斯穩定分布最重要的特征是在概率分布上的穩定性和概率密度函數較厚的拖尾。如果一種物理現象既有穩定的特

51、性又有較厚的拖尾，則穩定分布就是一種可采用的模型。實際上，穩定性是一個非常自然的假設，許多物理過程都有這種穩定特性。另一方面，人們在近年來發現了越來越多的物理現象具有比高斯分布更厚的統計拖尾。由此，穩定分布和穩定分布過程為不同領域的許多現象提供了非常有用的模型，并且已經開始應用于物理學、經濟學、水文學、生物學與電子信息工程中。在信號處理和通信領域，穩定分布也得到了許多重要的應用。例如，穩定分布在脈沖狀信號噪聲的建模方面受到了更加廣泛的關注。在通信技術領域，傳統上常采用加性高斯模型來描述信道噪聲。事實上這種假定有時候是不符合實際的，這是由于通信信號中時常所伴隨的一些出現概率較低的噪聲，往往有很大

52、的幅度。這種尖峰脈沖狀噪聲成分在許多問題中是非常顯著的，不可忽視的，例如大氣噪聲以與聲納和潛水艇通信中的水聲信號與噪聲等。這種類型的脈沖狀噪聲經常能被觀察到，與高斯分布的噪聲比較接近，但是其統計密度分布有較厚的拖尾。穩定分布特性可以由廣義中心極限定理來解釋，并且已經證明了其分布有較厚的代數拖尾。實際上，穩定分布當的特例柯西分布已經在文獻得到了研究和應用，Rappaport 等人利用柯西分布來表示劇烈的脈沖狀噪聲，Stuck 等人則發現某種類型線中的噪聲可以用穩定分布來描述，且其特征指數接近于2。近年來，在通信和信號處理領域，穩定分布和相應的分數低階統計量理論的研究和應用越來越受到重視，特別是美

53、國南加州大學尼卡斯（Nikias）教授與其合作者的一系列關于穩定分布和分數低階統計量的研究論文與著作，在穩定分布和分數低階統計量的基本理論方面，在穩定分布噪聲下的線性系統分析、信號檢測和參數估計、自適應波束形成和時間延遲估計等方面，豐富和發展了穩定分布和分數低階統計量信號處理的理論、方法和應用，有力地推動了這一領域的進步。這些研究成果包括：（1）基于漸近極值理論、順序統計量和分數低階矩提出了新型脈沖干擾參數估計器。與最大似然估計器不同，這種估計器是以封閉表達式、最小實時要求和對穩定分布的韌性為特征的，并且其設計擴展到了FIR和IIR系統的辨識。（2）研究脈沖信號環境下的盲系統辨識問題。當一個非

54、最小相位FIR信道的輸入為一個SS隨機過程時，基于高階統計量的盲辨識方法需要用基于分數低階統計量的方法來代替。（3）提出了一種新型韌性波束形成器，在寬圍的非高斯加性噪聲干擾環境中能夠實現最優。當加性干擾是SS 過程時，基于分數低階統計量的波束形成比高斯型的有顯著的韌性，而在高斯環境下，二者的結果類似。（4）在通信、雷達、聲納和生物醫學信號處理領域中，若干擾或噪聲具有尖峰脈沖特征，則基于二階或高階統計量的自適應算法不再適用，基于p階矩的新算法具有很好的抑制分數低階穩定分布噪聲的能力。（5）常規的盲均衡方法適用于有限方差數據。而當數據服從分數低階穩定分布時，由于沒有有限的方差，必須采用基于分數低階

55、統計量的方法。（6）采用廣義條件均值（GCM）和絕對值準則（AVC）來檢測和估計脈沖干擾，這種新算法對于任意密度干擾的抑制具有很好的韌性，并且無論對于理論分析還是實時實現都是相對簡單的。3.2 穩定分布3.2.1穩定分布的概念定義如果對于任何正數A和B，存在正數C和一個實數D，滿足（3-1）則隨機變量是穩定分布的。式中，和為的獨立樣本，且符號“”表示分布一樣。如果當D = 0時式（3-1）成立，則稱為嚴格穩定的。如果和具有一樣的分布，則稱為對稱穩定的。顯然，對稱穩定分布總是滿足嚴格穩定分布的。3.2.2穩定分布模型在實際應用中所遇到的大量的非高斯信號或噪聲具有顯著的尖峰脈沖特性。由于這種脈沖特性，使得這類非高斯過程的統計特性顯著偏離高斯分布，特別是其概率密度函數的衰減過程比高斯分布要慢，從而造成了顯著的拖尾。研究表明，水聲信號、低頻大氣噪聲、許多生物醫學信號以與許多人為噪聲都屬于這類過程。如果采用高斯分布模型來描述這類過程，將會由于模型與信號噪聲不能很好匹配而導致所設計的信號處理器顯著退化。而穩定分布則為這類過程提供了非常有用的理論工具，因此，通常用穩定分布模型來描述這類具有顯著尖峰脈沖狀波形和較厚概率密度函數拖尾的隨機信號。穩定分布沒有統一的封閉的概率密度函數，通常用其特征函數式（3-2）來描述（3-2）式中，（3-3） （3-4）式中：（1）