【正文】 的性能會(huì)直接受到信道估計(jì)好壞的影響?；趯?dǎo)頻信息的信道估計(jì)和基于循環(huán)前綴的盲信道估計(jì)是常見(jiàn)的兩種信道估計(jì)方法。 基于導(dǎo)頻信息的信道估計(jì)算法在信道估計(jì)算法中，基于導(dǎo)頻信息的最常用，因?yàn)樗軌驕p輕和補(bǔ)償信道的多徑衰落。這種信道估計(jì)算法，導(dǎo)頻是在串并轉(zhuǎn)換后插入數(shù)據(jù)流而信道估計(jì)是在快速傅里葉變換輸出端進(jìn)行。基于塊狀導(dǎo)頻信道估計(jì)常用的兩種算法為最小平方（LS）信道估計(jì)和線性最小均方誤差（LMMSE）信道估計(jì)算法。輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)信道后，可以表示為：。 (式 ) ,(0,1,1)kkkYXHN??????其中： 、 、 、 分別為輸入信號(hào)、信道沖激響應(yīng)、加性高斯白噪聲、經(jīng)kX,?信道后的輸出信號(hào)。OFDM 信道在這里被認(rèn)為是一組 N 個(gè)高斯信道，它們是并行且獨(dú)立的。為了方便分析，將式 改為矩陣的形式：西南大學(xué)本科畢業(yè)論文21， （式Y(jié)XFh???）其中 ,F 為 DFT 變換矩陣，滿足：01,1[]NXdiag??F= （式00(1)(1)0(1)()NNNWW???? ?? ?? ???? ??）其中 。2/nkjnkNNe??? LS 信道估計(jì)算法LS 信道估計(jì)算法是從最小平方意義上得到的信道估計(jì)器，它沒(méi)有將噪聲的影響考慮在內(nèi)。設(shè) 為解調(diào)后 OFDM 符號(hào)的輸出向量，01,[]NY???為估計(jì)得到的信道沖激響應(yīng)向量， 經(jīng)過(guò)信道估計(jì)的輸出信號(hào)，011,LSnhh??? Y?它可以表示為： 。 （式LSLSYXHFh???） LS 估計(jì)器的核心思想就是使 的值最小，這樣可以得到：()()HLSLSYXh?????。 （式LSSFhQ??）其中 ，代入式 得：1()HLSQX?。 （式LSY??）根據(jù)式 可知：最小平方估計(jì) 只需要知道觀測(cè)方程的觀測(cè)矩陣 X，對(duì)于待定LSH?的參數(shù) 、觀測(cè)的噪聲、觀測(cè)樣本 Y 的其它統(tǒng)計(jì)特性和其它的先驗(yàn)信息并不需要，這H?西南大學(xué)本科畢業(yè)論文22就是 LS 估計(jì)器的優(yōu)勢(shì)所在。 、 LMMSE 信道估計(jì)方法由前面所述，LS 算法中，噪聲的影響并未被考慮在內(nèi)，因此這種算法性能不大理想。最小均方誤差（LMMSE）估計(jì)是 LS 算法的一種改進(jìn)方案，可以表示為：。 （式12()HLMSE LSHnRX?? ????????）這里 為信道自相關(guān)矩陣， 為噪聲方差。由于每次矩陣 X 變化時(shí)??HHR?2n都需要做一次矩陣逆運(yùn)算，所以 LMMSE 估計(jì)器具有較大的復(fù)雜度。若用均值來(lái)代替式中的 ，設(shè) SNR 為 g，則可得到簡(jiǎn)化的21()/kEXXI? 1()HX?LMMSE 估計(jì)器為：。 （式1()LMSELSHRIg??????） 其中， 、I 為單位矩陣， ， 是一個(gè)與信號(hào)??2knXg????2kEX??21/k星座有關(guān)的常數(shù)。這時(shí) X 不再參與矩陣運(yùn)算，如果 和 g 為已知的固定標(biāo)稱值，那HR么矩陣 只需計(jì)算一次，這樣大大減少了 LMMSE 的復(fù)雜性。1()HRIg??? 圖 為上述兩種算法 MATLAB 仿真結(jié)果圖。OFDM 系統(tǒng)仿真參數(shù)設(shè)置如下：采用 16QAM 數(shù)字調(diào)制方式、最大的多普勒頻偏為 132Hz，多徑信道為 5 徑、仿真載頻為 2 GHz、帶寬 1MHz、子載波數(shù) 12CP 為 1導(dǎo)頻間隔為 10。由上述仿真參數(shù)可知：子載波間隔為 kHz、一個(gè) OFDM 符號(hào)長(zhǎng)度為 128 us、CP 長(zhǎng)度為 16 us。西南大學(xué)本科畢業(yè)論文23 符號(hào)間隔為10的正交頻分復(fù)用信道估計(jì)仿真Fig The simulation of OFDM channel estimation when character interval is ten圖 在導(dǎo)頻符號(hào)間隔為 10 的情況下，比較了采用兩不同信道估計(jì)算法的系統(tǒng)誤比特率隨信噪比變化的曲線。從仿真曲線可以看出，LMMSE 算法性能較好，相同信噪比條件下其誤碼率較低，但因其考慮了噪聲的影響，故算法復(fù)雜度與計(jì)算量比 LS 大；LS 算法性能較差，在低信噪比條件下，高斯白噪聲對(duì) LS 算法的估計(jì)結(jié)果影響很大，因?yàn)樗惴](méi)有考慮高斯白噪聲的影響，適用于大信噪比的情況下，可靠性不如LMMSE 算法，但是由于其實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，且不需要知道信道統(tǒng)計(jì)信息，所以在實(shí)際中仍得到廣泛應(yīng)用。此外，我們可以 LMMSE 算法加以改進(jìn)，在不改變其性能的基礎(chǔ)上，采用降秩等方法來(lái)減小 LMMSE 算法的復(fù)雜性，這將在以后的研究中進(jìn)一步探索。六、OFDM 通信系統(tǒng)設(shè)計(jì) 發(fā)射機(jī)設(shè)計(jì)該 OFDM 通信系統(tǒng)發(fā)射端的原理框圖如圖 所示。西南大學(xué)本科畢業(yè)論文24卷積碼編碼/交織編碼Q P S K調(diào)制插導(dǎo)頻串/并轉(zhuǎn)換矩陣變換I F F T并/串轉(zhuǎn)換加循環(huán)前綴2 倍采樣率數(shù)字上變頻O F D M符號(hào).........圖 OFDM 通信系統(tǒng)發(fā)射端的原理框圖Fig The diagram of OFDM munication system transmitter 信道編碼信道編碼可以采用卷積編碼和交織編碼同時(shí)進(jìn)行，形成信道級(jí)聯(lián)編碼。仿真時(shí)卷積編碼碼率和 K 分別設(shè)置為 1/2 和 1，G=[1 0 1 1 0 1 1。1 1 1 1 0 0 1 ]，將輸入的 90 個(gè)0、1 二進(jìn)制數(shù)經(jīng)過(guò)卷積編碼后可得到 192 個(gè) 0、1 二進(jìn)制數(shù)。交織編碼采用的是 24 行8 列的矩陣，按行寫(xiě)入，按列讀出，交織編碼具有良好的抗突發(fā)干擾能力。 QPSK 調(diào)制數(shù)字通信系統(tǒng)中，調(diào)制方式為 QPSK（四相移鍵控） ，QPSK 的優(yōu)點(diǎn)是頻譜利用率高和抗干擾能力強(qiáng)，易于電路實(shí)現(xiàn)，PAPR 抑制性能較好。四相移鍵控調(diào)制的映射方式如表 所示。表 QPSK 調(diào)制數(shù)據(jù)Table The data of QPSK modulation輸入數(shù)據(jù) 調(diào)制后數(shù)據(jù)1 , 1 1+i1, 1 1i1, 1 1+i1, 1 1i 插導(dǎo)頻插導(dǎo)頻是在矩陣變換之前進(jìn)行的。一般來(lái)講每 8 個(gè)有效數(shù)據(jù)插入一個(gè)導(dǎo)頻，96 個(gè)復(fù)數(shù)據(jù)插入 10 個(gè)導(dǎo)頻，所以一幀數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為 106。 矩陣變換矩陣變換的目的是降低系統(tǒng)的 PAPR 值，這里采用的矩陣大小為 ，滾降10628?系數(shù) 。這樣一來(lái)便可以使 OFDM 系統(tǒng)的 PAPR 分布得到顯著改善，??CCDF，對(duì)功率放大器的要求也會(huì)下降，降低成本。接收端只需乘上一個(gè)發(fā)端矩陣的逆西南大學(xué)本科畢業(yè)論文25矩陣就可以恢復(fù)原始信號(hào)。 IFFT 變換在進(jìn)行矩陣乘運(yùn)算后，子載波個(gè)數(shù)為 256，而一幀數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為 128，因此必須進(jìn)行在數(shù)據(jù)后面補(bǔ) 128 個(gè)零的處理。此外，在補(bǔ) 128 個(gè)零以后，還需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行搬移，這是為了解決頻譜利用率的問(wèn)題。 加循環(huán)前后綴與升采樣我們對(duì) IFFT 后輸出的數(shù)據(jù)作如下處理：前 32 點(diǎn)和后 32 點(diǎn)分別作為循環(huán)前綴和循環(huán)后綴。如果射頻的采樣時(shí)鐘為 ，對(duì)基帶信號(hào)進(jìn)行升采樣能使數(shù)據(jù)速率匹配。升采樣過(guò)程分兩部分組成：第一部分對(duì)信號(hào)進(jìn)行 20 倍升采樣，所采用的方法是利用上變頻模塊的 CIC 內(nèi)插濾波器實(shí)現(xiàn)；第二部分是通過(guò)在每個(gè)數(shù)據(jù)中間插入 1 個(gè) 0 來(lái)達(dá)到對(duì)加了循環(huán)前后綴之后的數(shù)據(jù)進(jìn)行 2 倍升采樣的目的。 數(shù)字上變頻實(shí)際應(yīng)用中，之所以需要進(jìn)行數(shù)字上變頻，是因?yàn)樾枰獙⒒鶐盘?hào)進(jìn)行線性頻譜搬移，具體操作是將一個(gè)載波信號(hào)（I、Q 兩個(gè)支路）與基帶成形信號(hào)（同樣分為I、Q 兩個(gè)支路）進(jìn)行乘法運(yùn)算，再把兩個(gè)支路相加即可。此外，還需要在 I、Q 兩個(gè)支路上各加上低通 FIR 濾波器，這樣做是為了抑制已調(diào)信號(hào)的帶外輻射。為了使產(chǎn)生的基帶信號(hào)與后面的采樣速率相匹配，在進(jìn)行正交調(diào)制前還必須通過(guò) CIC 內(nèi)插濾波器將基帶信號(hào)進(jìn)行 20 倍升采樣處理，整個(gè)實(shí)現(xiàn)過(guò)程如圖 。其中：FIR 為基帶成型濾波器，CIC 為 梳狀內(nèi)插濾波器，NCO 為數(shù)控振蕩器。F I R C I CF I R C I CN C OIQ基帶處理后的數(shù)據(jù)c o ss i n輸出 R F 數(shù)據(jù)圖 數(shù)字上變頻電路實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)圖Fig The implemental structure of digital upconvertor這里 FIR 濾波器各項(xiàng)指標(biāo)為：19 階，抽樣截止頻率為 128kHz，阻帶截止頻率、通帶截止頻率分別為 40kHz、20kHz，帶外衰減設(shè)置為 100dB，帶內(nèi)紋波小于 1dB），CIC 內(nèi)插濾波器的參數(shù)取為 R=M =N=2,直接數(shù)字頻率合成器（ DDS）用來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)控振蕩器的功能。西南大學(xué)本科畢業(yè)論文26 接收機(jī)設(shè)計(jì)該 OFDM 通信系統(tǒng)接收端的原理框圖如圖 所示。 數(shù)字下變頻去循環(huán)前綴串/并轉(zhuǎn)換F F T矩陣逆變換并/串轉(zhuǎn)換Q P S K解調(diào)解交織V i t e r b i解碼.........相位補(bǔ)償符號(hào)定時(shí) F F T 開(kāi)窗位置頻偏糾正N C O控制N C O圖 OFDM 通信系統(tǒng)接收端的原理框圖Fig The diagram of OFDM system receiver接收機(jī)很多通信處理的模塊都是與發(fā)射機(jī)的相關(guān)模塊功能相似，這里不再一一介紹，接收機(jī)主要增加了同步模塊。 系統(tǒng)仿真參數(shù)根據(jù)前面已經(jīng)介紹的 OFDM 通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，表 給出了仿真系統(tǒng)的主要參數(shù)。表 OFDM 通信系統(tǒng)仿真參數(shù)Table The simulating data of OFDM munication system仿真數(shù)據(jù)名稱 數(shù)值 仿真數(shù)據(jù)名稱 數(shù)值數(shù)據(jù)傳輸速率 編碼類型 卷積編碼/ 交織編碼調(diào)制方式 QPSK 信道 加性高斯白噪聲信道譯碼 Viterbi 譯碼 子載波數(shù) 128OFDM 符號(hào)長(zhǎng)度 320 保護(hù)間隔 循環(huán)前后綴各 32點(diǎn)IFFT/FFT 點(diǎn)數(shù) 256 載波頻率 320kHz 系統(tǒng)性能仿真根據(jù)前面介紹的 OFDM 通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，可以仿真得到設(shè)計(jì)系統(tǒng)的性能如圖 所示。西南大學(xué)本科畢業(yè)論文27圖 OFDM 通信系統(tǒng)性能仿真圖Fig The simulation figure of OFDM munication system performance從 MATLAB 仿真結(jié)果來(lái)看，OFDM 系統(tǒng)相較于單載波 16QAM 系統(tǒng)而言，傳輸誤碼率較小，即 OFDM 傳輸系統(tǒng)更適合有多徑干擾的信道。但由于 OFDM 系統(tǒng)存在易受頻率偏差的影響、PAPR 值較高等缺點(diǎn)，實(shí)際實(shí)現(xiàn)時(shí)需要克服這些不足，因此系統(tǒng)較為復(fù)雜。另外，在仿真過(guò)程中，各個(gè)關(guān)鍵技術(shù)算法實(shí)現(xiàn)上依然有所欠缺和系統(tǒng)的復(fù)雜性等導(dǎo)致 OFDM 仿真性能和理論上有所差異，但在誤差范圍之內(nèi)，具有很高的可靠性，故OFDM 通信系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)完全能夠體現(xiàn) OFDM 技術(shù)的優(yōu)越性能。七、總 結(jié)本文首先介紹了 OFDM 的基本概念和應(yīng)用發(fā)展，緊接著探討了 OFDM 系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)及其算法實(shí)現(xiàn)，最后根據(jù)前面所述相關(guān)知識(shí)設(shè)計(jì)出 OFDM 通信系統(tǒng)并利用MATLAB 進(jìn)行系統(tǒng)仿真并進(jìn)行分析。西南大學(xué)本科畢業(yè)論文28文章屬于驗(yàn)證性質(zhì)的范疇，可由此進(jìn)一步深入研究 OFDM 技術(shù)，具有較高的參考意義和借鑒價(jià)值。論文主要是基于 MATLAB 的算法設(shè)計(jì)及其仿真，理論性較強(qiáng)，實(shí)際上可以利用 FPGA 實(shí)現(xiàn) OFDM 通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，這將是我下一階段研究的課題。 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