基于ofdm技術(shù)的無(wú)線通信系統(tǒng)的信道估計(jì)的研究畢業(yè)設(shè)計(jì)-在線瀏覽
2024-08-06 16:19本頁(yè)面
【正文】 子載波來(lái)獲得相應(yīng)的信息傳輸速率，從而滿足現(xiàn)代通信的需求。(4)由于OFDM各子載波相互正交，在極端情況下允許各調(diào)制信號(hào)的頻譜有重疊，因此與第一代移動(dòng)通信中的FDM系統(tǒng)相比，OFDM系統(tǒng)頻譜利用率高，可節(jié)省帶寬。高峰均比信號(hào)通過(guò)功率放大器時(shí)，為防止信號(hào)畸變，功放必須具有較大的線性范圍，這將降低功率放大器的工作效率。OFDM系統(tǒng)要求各信道之間嚴(yán)格正交，系統(tǒng)的定時(shí)同步精度非常高，對(duì)于快衰落環(huán)境引起的頻偏，高精度定時(shí)同步算法發(fā)雜，且較難實(shí)現(xiàn)。時(shí)域與頻域同步技術(shù)前文提到，OFDM系統(tǒng)對(duì)定時(shí)同步有很高的精度要求，且易受頻偏影響。在通信過(guò)程中，同步一般分為捕獲和跟蹤兩個(gè)階段。信道估計(jì)在正交頻分復(fù)用系統(tǒng)中，信道估計(jì)器的設(shè)計(jì)主要考慮以下兩方面的因素：一是算法簡(jiǎn)單、硬件實(shí)現(xiàn)容易且估計(jì)性能優(yōu)良的估計(jì)器的設(shè)計(jì)；二是導(dǎo)頻圖案的選擇，無(wú)線信道一般是多徑衰落信道，為提高通信可靠性，需要不斷地發(fā)送導(dǎo)頻信息來(lái)跟蹤無(wú)線信道。信道編碼與交織信道編碼與交織技術(shù)能夠有效降低數(shù)字通信系統(tǒng)的誤碼率，提高通信的抗干擾能力。信道編碼與交織編碼結(jié)合使用，使得通信系統(tǒng)具有較強(qiáng)的檢錯(cuò)與糾錯(cuò)能力，從而提高了通信系統(tǒng)的可靠性。當(dāng)這N路信號(hào)恰好同時(shí)出現(xiàn)峰值時(shí)，OFDM信號(hào)的峰值功率將會(huì)產(chǎn)生最大值，且是平均功率的N倍。因此，人們提出諸如限幅類(lèi)技術(shù)，編碼類(lèi)技術(shù)和概率類(lèi)技術(shù)來(lái)降低PAPRError! Reference source not found.。也正因?yàn)樾盘?hào)的高速傳輸，要使接收端信號(hào)的誤碼率降低，必須對(duì)信道的傳輸特性進(jìn)行估計(jì)。3 OFDM信道估計(jì)及其性能仿真 信道估計(jì)概述所謂信道估計(jì)，就是描述物理信道對(duì)輸入信號(hào)的影響而進(jìn)行定性研究的過(guò)程，換句話說(shuō)，信道估計(jì)就是估計(jì)發(fā)送天線到接收天線之間的無(wú)線信道的頻率響應(yīng)Error! Reference source not found.。為了提高通信的抗干擾性能，必須對(duì)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間的無(wú)線信道進(jìn)行估計(jì)，以滿足信號(hào)的無(wú)失真?zhèn)鬏敗Ｒ话愕?，信道估?jì)算法要使誤碼率最低，均方誤差最小，且算法復(fù)雜度不要太高，因此，信道估計(jì)器結(jié)構(gòu)的選擇至關(guān)重要。在發(fā)送端信號(hào)的某些比特位上插入合適長(zhǎng)度的導(dǎo)頻信息，在接收端根據(jù)這些導(dǎo)頻信息，按照某種估計(jì)準(zhǔn)則對(duì)信道進(jìn)行估計(jì)。但是由于引入了輔助信息，浪費(fèi)了帶寬，降低了頻譜利用率。不需要在信息的比特位上插入導(dǎo)頻信息，只需在接收端通過(guò)信息提取技術(shù)來(lái)獲得信道的估計(jì)值。(3)半盲信道估計(jì)。其優(yōu)勢(shì)不如導(dǎo)頻輔助信道估計(jì)，但彌補(bǔ)了盲信道估計(jì)的不足。在正交頻分復(fù)用系統(tǒng)中，一般情況下都采用此類(lèi)信道估計(jì)算法。通過(guò)信道估計(jì)算法，可以得到發(fā)送端與接收端無(wú)線信道的沖激響應(yīng)，使信道誤差最小化，最大程度保證原始信息無(wú)失真?zhèn)鬏?。OFDM系統(tǒng)也不例外，主要研究Saleh和Valenzuela提出的以下四種信道特性Error! Reference source not found.：CM1信道：發(fā)射機(jī)與接收機(jī)之間的距離在4m以?xún)?nèi)，在視距范圍內(nèi)；CM2信道：發(fā)射機(jī)與接收機(jī)之間的距離在4m以?xún)?nèi)，不在視距范圍內(nèi)；CM3信道：發(fā)射機(jī)與接收機(jī)之間的距離在4～10m，不在視距范圍內(nèi)；CM4信道：發(fā)射機(jī)與接收機(jī)之間的距離在4～10m，不在視距范圍內(nèi)，代表了均方根時(shí)延達(dá)到25ns極端多徑信道環(huán)境。由信道能量平均值這一參數(shù)可以看出，CM4信道由于環(huán)境復(fù)雜，需要的信道能量最大。表32 MATLAB環(huán)境下的系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置仿真參數(shù)數(shù)值信號(hào)長(zhǎng)度(bit)200取樣間隔(ns)持續(xù)時(shí)間(ns)碼元周期(ns)22信噪比(dB)5訓(xùn)練序列長(zhǎng)度(bit)37結(jié)合表31，表32對(duì)OFDM四種信道特性的沖激響應(yīng)進(jìn)行仿真。 信道估計(jì)方法 插入導(dǎo)頻法信道估計(jì)前面提到，插入導(dǎo)頻法能夠在較低復(fù)雜度的情況下獲得較好的估計(jì)性能。結(jié)構(gòu)太復(fù)雜，硬件電路實(shí)現(xiàn)困難；數(shù)量太大，系統(tǒng)效率會(huì)降低。但無(wú)論采取何種方式，插入導(dǎo)頻的間隔必須滿足Naiquist抽樣定理。梳狀導(dǎo)頻是在相同頻率、不同時(shí)間內(nèi)插入數(shù)比特導(dǎo)頻符號(hào)，并和信息一同傳輸，其特點(diǎn)是具有更高的傳輸效率，適合于快衰落信道下的信道估計(jì)；塊狀導(dǎo)頻是在同一時(shí)間、不同頻率內(nèi)插入數(shù)比特導(dǎo)頻符號(hào)，由于頻點(diǎn)的不同，頻率選擇性衰落信道對(duì)這種導(dǎo)頻的設(shè)計(jì)方案不敏感，一般用于LS、MMSE算法Error! Reference source not found.。轉(zhuǎn)化為公式即為：。在時(shí)域抽樣定理中，抽樣頻率應(yīng)滿足：，即： （32）其中為信號(hào)帶寬，是在時(shí)間方向上的最小間隔。為滿足優(yōu)良的信道傳輸特性，時(shí)域抽樣點(diǎn)數(shù)應(yīng)和和頻域抽樣點(diǎn)數(shù)近似相等，即： (34)綜上所述，根據(jù)已知的導(dǎo)頻信息，便可獲得信道在導(dǎo)頻位置的傳輸特性，進(jìn)而獲得整個(gè)信道的傳輸特性。 最小平方(LS)算法基于最小平方(LS)準(zhǔn)則的信道估計(jì)算法Error! Reference source not ，主要用于低數(shù)據(jù)速率傳輸?shù)耐ㄐ畔到y(tǒng)中，它是OFDM系統(tǒng)信道估計(jì)算法的基礎(chǔ)。假設(shè)，其中有用信息，是被估計(jì)的M維隨機(jī)參量，噪聲是均值為0，功率譜密度為的加性高斯白噪聲(AWGN)，是對(duì)接收信號(hào)的M點(diǎn)抽樣。經(jīng)過(guò)M點(diǎn)取樣，可得如下矩陣方程： (35)其中 (36)最小平方估計(jì)算法的代價(jià)函數(shù)可表示為： (37)將上式中每一項(xiàng)按維數(shù)展開(kāi)，且 (38)可以得到(39)所以可以表示為 (310)將對(duì)求偏導(dǎo)，可得： (311)要想LS代價(jià)函數(shù)存在極值，上式必須為零，即 (312)則有 (313)根據(jù)式(313),。在實(shí)際應(yīng)用中，信道的沖激響應(yīng)之間的關(guān)系為： (314)因此LS估計(jì)的均方誤差(Mean Square Error,MSE)為： (315)其中為高斯白噪聲平均功率。假設(shè)信號(hào)與噪聲相互獨(dú)立，在接收端對(duì)信號(hào)進(jìn)行N點(diǎn)DFT時(shí)引入DFT矩陣Z，表示為： (316)在提取導(dǎo)頻信息后，信道的沖激響應(yīng)可表示為： (317)其中表示接收端信息的自相關(guān)矩陣，為信道頻率響應(yīng)與接收端信息的互相關(guān)矩陣。 線性最小均方誤差(LMMSE)算法LMMSE信道估計(jì)Error! Reference source not ，它的核心思想在于對(duì)LS估計(jì)進(jìn)行奇異值分解，在不降低估計(jì)器性能的條件下降低算法復(fù)雜度，并抑制AWGN和ICI，但是它也有缺點(diǎn)，就是需要知道每條子路徑功率的先驗(yàn)信息，并利用此信息來(lái)構(gòu)造自相關(guān)矩陣。LMMSE信道估計(jì)的代價(jià)函數(shù)： (323)由此可以得到LMMSE信道估計(jì)準(zhǔn)則下的信道特性： (324)其中,是信息和導(dǎo)頻間的互相關(guān)矩陣，大小為,是導(dǎo)頻間的自相關(guān)矩陣，大小為，W為L(zhǎng)MMSE權(quán)值矩陣。 基于DFT變換的信道估計(jì)高速DSP技術(shù)的發(fā)展，離散傅里葉變換在DSP上的應(yīng)用，為新型信道估計(jì)算法提供了足夠的發(fā)展空間。! Reference source not found.。經(jīng)傅里葉逆變換后得到的導(dǎo)頻信道響應(yīng)為： (326)為降低AWGN對(duì)信號(hào)的影響，對(duì)進(jìn)行補(bǔ)零：
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