【正文】 基于 OFDM 技術(shù)的無(wú)線通信系統(tǒng)的信道估計(jì)的研究 目 錄 1 緒論 ............................................................................................................. 1 研究?jī)?nèi)容及背景意義 ........................................................................ 1 本論文所做的主要工作 .................................................................... 2 2 OFDM 系統(tǒng)簡(jiǎn)介 .......................................................................................... 3 單載波通信與多載波通信 ................................................................ 3 OFDM 基本原理 ................................................................................ 5 OFDM 的優(yōu)缺點(diǎn) ................................................................................ 6 OFDM 系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù) ..................................................................... 7 3 OFDM 信道估計(jì)及其性能仿真 .................................................................... 9 信道估計(jì)概述 ................................................................................... 9 信道估計(jì)的目的 ..............................................................................10 OFDM 信道特性 ...............................................................................10 信道估計(jì)方法 ..................................................................................13 插入導(dǎo)頻法信道估計(jì) ............................................................13 最小平方 (LS)算法 .................................................................14 最小均方誤差估計(jì) (MMSE)...................................................17 線性最小均方誤差 (LMMSE)算法 .........................................18 基于 DFT 變換的信道估計(jì) ....................................................19 性能比較與分析 ...............................................................................21 4 改進(jìn)的 DFT 算法及其性能仿真 ................................................................23 算法簡(jiǎn)介 ..........................................................................................23 性能仿真 ..........................................................................................25 5 結(jié)論與展望 ................................................................................................30 參考文獻(xiàn) .......................................................................... 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 答 謝 .........................................................................................................311 1 緒論 研究?jī)?nèi)容及背景意義 近 30 年來(lái)，移動(dòng)通信領(lǐng)域經(jīng)歷了從模擬到數(shù)字，窄帶到寬帶，低數(shù)據(jù)傳輸速率到高數(shù)據(jù)傳輸速率的演變。第一代 (1G:AMPS、 TACS)和第二代(2G:GSM、 IS95CDMA)移動(dòng)通信只能提供語(yǔ)音業(yè)務(wù)或部分低數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，為了實(shí)現(xiàn)個(gè)人通信，移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)，高清視頻點(diǎn)播等超寬帶，高數(shù)據(jù)傳輸速率業(yè)務(wù)，人們相繼提出第三代 (3G:CDMA20xx、 WCDMA、 TDSCDMA)和第四代 (4G： LTE TDD、LTE FDD)移動(dòng)通信，而其中的關(guān)鍵技術(shù)之一 —— 正交頻分復(fù)用 (OFDM)成為研究熱點(diǎn)。 OFDM 技術(shù)的提出可以追溯到上世紀(jì) 60年代，但由于當(dāng)時(shí)大規(guī)模集成電路的限制， OFDM 并未得到 重視。直到 1982 年， Weinstei 和 Ebert 提出基于離散傅里葉變換 (DFT)的 OFDM基帶調(diào)制，才使得人們開始重視這一技術(shù)。 1990年， Peled 和 Ruiz 提出的循環(huán)前綴 (Cyclic Prefix,CP)，解決了信道正交性問(wèn)題。加之高速 DSP技術(shù)，自適應(yīng)技術(shù)，軟件無(wú)線電技術(shù)的日益成熟，如何將OFDM 技術(shù)應(yīng)用到無(wú)線通信系統(tǒng)，成為人們亟待解決的問(wèn)題。 經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展， OFDM 技術(shù)已成功應(yīng)用到數(shù)字音頻廣播 (DAB),數(shù)字視頻廣播 (DVB)，高清電視 (HDTV)，視頻點(diǎn)播 (VOD)，無(wú)線局域網(wǎng) (WLAN)等 通信領(lǐng)域。例如 1999年到 20xx年期間，清華大學(xué)成功研發(fā)出 DMBT數(shù)字電視傳輸系統(tǒng)；歐共體研發(fā)的數(shù)字視頻地面廣播 (DVBT)錯(cuò)誤 !未找到引用源。 。 在移動(dòng)通信中，無(wú)線信道往往受到高層建筑物，河流，森林，山脈等的影響而呈現(xiàn)多徑特性。為了更好地適應(yīng)信道傳輸，發(fā)送端通常采用調(diào)制技術(shù)；2 相應(yīng)地，接收端要獲得原始信息，必須對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行解調(diào)。解調(diào)一般分為非相干解調(diào)和相干解調(diào)兩大類，非相干解調(diào)適用于低速傳輸?shù)南到y(tǒng)，對(duì)于多進(jìn)制調(diào)制的高速傳輸系 統(tǒng)，大多數(shù)采用相干解調(diào)技術(shù)。因此，為使接收端獲得與發(fā)送端完全同頻同相的載波信息，必須對(duì)信道進(jìn)行估計(jì) ,以對(duì)抗碼間干擾和多徑衰落。對(duì)于 OFDM 系統(tǒng)，信道估計(jì)的任務(wù)就是，根據(jù)接收到的已失真的、疊加了 AWGN 的信息序列來(lái)準(zhǔn)確估計(jì)出信道的頻域傳輸特性，換句話說(shuō)，就是估計(jì) OFDM 各正交子信道的頻率響應(yīng)值。因此，研究信道估計(jì)技術(shù)意義重大 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 。 本論文所做的主要工作 本文基于 OFDM 系統(tǒng)原理，以 OFDM 信道估計(jì)算法為研究對(duì)象， 對(duì)比分析了快衰落環(huán)境下各種估計(jì)算法的誤碼率和均方誤差，隨后提出一種估計(jì)性能優(yōu)良的改進(jìn)算法，并仿真了改進(jìn)算法在抵抗碼間干擾、多徑衰落的優(yōu)越性。 第一章以移動(dòng)通信的演變?yōu)楸尘?，介紹了 OFDM 技術(shù)的提出、發(fā)展歷程和在民用通信中的應(yīng)用，然后根據(jù)無(wú)線信道環(huán)境引出信道估計(jì)的概念。 第二章簡(jiǎn)要介紹了快衰落信道下 OFDM 系統(tǒng)組成原理，包括串 /并轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)調(diào)制，離散傅里葉變換，循環(huán)前綴等內(nèi)容，然后介紹了 OFDM 系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)及關(guān)鍵技術(shù)。 第三章是本文的重點(diǎn)。首先簡(jiǎn)要介紹了信道估計(jì)的分類和目的；然后介紹了快衰落下的四種信道模型， 并對(duì)四種模型的沖擊響應(yīng)進(jìn)行了仿真，以觀察各信道的時(shí)延擴(kuò)展，并為后面估計(jì)算法的性能仿真做準(zhǔn)備；之后重點(diǎn)分析了基于 LS 算法、 MMSE 算法、 LMMSE算法以及基于 DFT 算法的信道估計(jì)原理，3 進(jìn)行了大量公式推導(dǎo)，并總結(jié)其優(yōu)缺點(diǎn)；最后在不同信道環(huán)境，不同子載波數(shù)下用 MATLAB 對(duì)各算法的誤碼率和均方誤差進(jìn)行了仿真，總結(jié)各算法估計(jì)性能。 第四章在第三章的基礎(chǔ)上提出基于 DFT 的信道估計(jì)改進(jìn)算法，并仿真分析改進(jìn)算法較傳統(tǒng)算法在減小誤碼率和均方誤差上的優(yōu)越性。 第五章是本文的總結(jié)與展望。 2 OFDM 系統(tǒng)簡(jiǎn)介 單載波通 信與多載波通信 單載波通信系統(tǒng)就是用信息調(diào)制單一載波，接收端采用與發(fā)射端相同的載波進(jìn)行解調(diào)的通信系統(tǒng)。它的原理如圖 所示，其中 ()gt 是匹配濾波器，用以濾除帶外噪聲。第一代蜂窩移動(dòng)通信 (1G)與第二代蜂窩移動(dòng)通信 (2G)主要采用這種系統(tǒng)，因?yàn)?1G 和 2G 的數(shù)據(jù)傳輸速率不高，通過(guò)合適的均衡算法便能夠很好地解決多徑衰落引起的符號(hào)間干擾 (ISI)。但是，使用單載波系統(tǒng)傳輸高速的寬帶業(yè)務(wù)，均衡算法中抽頭系數(shù)大，訓(xùn)練序列多，這使得算法非常復(fù)雜，收斂速度也變得緩慢，因此必 然會(huì)存在由于時(shí)延擴(kuò)展而造成的碼間干擾。另外，當(dāng)信道的相關(guān)帶寬小于信號(hào)帶寬時(shí)，會(huì)產(chǎn)生頻率選擇性衰落現(xiàn)象，導(dǎo)致通信的可靠性降低。因此，人們必須提出更好的通信系統(tǒng)模型，來(lái)適應(yīng)高速數(shù)據(jù)通信，多載波通信技術(shù)便是在這種背景下受到人們重視的。 圖 單載波通信原理框圖 4 多載波通信的基本思想是：在頻域上將信道劃分成 M個(gè)相互獨(dú)立的子信道，這樣每個(gè)子信道的頻譜特性都具有平坦或準(zhǔn)平坦衰落特性，然后使用這些子信道傳輸信號(hào)并在接收機(jī)中予以合并，以實(shí)現(xiàn)信號(hào)的頻率分集 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 。與單載波系統(tǒng)相比，多載波系統(tǒng)具有的明顯優(yōu)勢(shì)是，能夠很好地對(duì)抗頻率選擇性衰落。當(dāng) M 很大時(shí)，每個(gè)子信道都可看做是無(wú) ISI 的子信道，在接收端，可以采用低復(fù)雜度的信號(hào)處理算法實(shí)現(xiàn)無(wú) ISI的信息傳輸。多載波調(diào)制技術(shù)的原理框圖如圖 。 圖 多載波調(diào)制原理方框圖 單載波與多載波存著在諸多不同的系統(tǒng)參數(shù)，如符號(hào)時(shí)間，總頻帶寬度等。表 21對(duì)其做了詳細(xì)比較。其中 M 代表子載波數(shù)， ST 為正交頻分復(fù)用碼元周期。這里假設(shè) OFDM系 統(tǒng)的保護(hù)帶寬 =1 (2 )ST? 。 表 21 單載波和多載波系統(tǒng)參數(shù)比較 傳輸方式系統(tǒng)參數(shù) 單載波 多載波 符號(hào)時(shí)間 STM ST 速率 SMT 1ST 總頻帶寬度 2 SMT? 2 1 (2 )SSM T M T? ? ? ? ISI 敏感度 敏感 較不敏感 5 OFDM 基本原理 OFDM 屬于多載波調(diào)制方案之一，它的基本原理是：將高速傳輸?shù)拇袛?shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換成若干個(gè)并行傳輸?shù)牡退僮訑?shù)據(jù)流，然后用這些子數(shù)據(jù)流去調(diào)制相互正交的子載波，從而構(gòu)成多個(gè)低速比特流并行傳輸?shù)南到y(tǒng) 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 。它的最大特點(diǎn)是各子載波具有正交性，從而調(diào)制后的頻譜可以重疊，這在頻譜日益緊張的情況下，是一次重大的技術(shù)變革。在實(shí)際應(yīng)用中，一般采用等效基帶信號(hào)來(lái)描述 OFDM輸出 信號(hào)，具體的數(shù)學(xué)表達(dá)式見式 (21)。 10( 2 ) e x p 2 ( ) ,()0,Mi s S s s s Si Ss s Sid r e c t t t T j t t t t t t TTstt t t t T???? ??? ? ? ? ? ? ?? ??? ? ??? ? ? ???或 (21) 其中， M為子載波數(shù)， ST 為 OFDM碼元周期， ( 0,1, )idi? … ,M1是第 i 個(gè)子信道的數(shù)據(jù)流， st 是 OFDM 符號(hào)開始的時(shí)刻。 ()st 的實(shí)部和虛部分別和 OFDM符號(hào)的同相 (Inphase)和正交 (Quadraturephase)分量相對(duì)應(yīng)，