基于導頻的OFDM信道估計中插值的研究論文.doc

本科畢業(yè)論文（設計）論文題目：基于導頻的OFDM信道估計中插值的研究學生姓名：所在院系：機電學院所學專業(yè)：應用電子技術教育導師姓名：完成時間：摘要正交頻分復用（OFDM）技術是一種高效的數(shù)字傳輸技術，它可以被看作一種調制技術，也可以被當作一種復用技術，因其具有較高的頻譜利用率、功率利用率，優(yōu)良的抗窄帶干擾和多徑衰落能力而被視為下一代無線通信的核心技術。移動通信中的無線傳輸信道是一個時變的多徑衰落信道。為了使發(fā)送數(shù)據(jù)經(jīng)過信道衰落后，在接收端被正確接收，數(shù)據(jù)所經(jīng)的信道衰落影響就應該被合理補償。信道估計技術作為獲得信道衰落參數(shù)的手段，是現(xiàn)代無線通信領域中的一個研究熱點，它是接收端進行相干檢測、解調、均衡的基礎，是提高無線數(shù)據(jù)傳輸接收性能的關鍵技術之一。在信道估計中，插值是個很重要的環(huán)節(jié)，在保證導頻信號估計的正確性前提下，插值方式的好壞決定了信道估計性能的優(yōu)劣。本文用數(shù)值分析的方法對基于導頻的OFDM系統(tǒng)信道估計中的插值問題進行對比分析，并通過仿真實驗，得出了科學的結論，給出了在不同的信噪比條件下應采用的導頻圖案及插值方法。關鍵詞：正交頻分復用，信道估計，導頻，插值AbstractOrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing(OFDM)technologyisahighlyefficientdigitaltransmissiontechnology,itcanbeseenasamodulationtechnique,couldalsobedescribedasakindofmultiplexing,whichhasahigherspectrumefficiency,powerefficiency,excellentnarrow-bandinterferenceandmultipathfadingabilitytobeseenasthecoreofthenextgenerationofwirelesscommunicationstechnology.ChannelEstimationinOFDMtechnologyasoneofthekeytechnologiesofmodernwirelesscommunicationsintheareaofaresearchhotspot,itisthereceiverforcoherentdetection,demodulationandbalancedbasis.Inchannelestimation,theinterpolationisaveryimportantaspect.Pilotsignalstoensuretheaccuracyoftheestimatedunderthepremiseofqualityinterpolationmodedeterminesthechannelestimationperformanceisgoodorbad.Inthispaper,numericalanalysisofthepilot-basedchannelestimationinOFDMsystemsinacomparativeanalysisofinterpolationproblemand,throughsimulationexperiments,todrawascientificconclusion,giventhesignaltonoiseratioindifferentconditionstobeusedPilotpatternsandinterpolationmethods.KeyWords:OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing,ChannelEstimation,Pilot,I目錄1緒論.12OFDM原理和系統(tǒng)模型.23信道估計.43.1信道模型.43.2基于導頻的OFDM系統(tǒng)信道估計算法分析模型.53.3幾種常用的信道估計算法.53.3.1最小二乘（LS）信道估計算法.63.3.2最小均方誤差（MMSE）信道估計算法.63.3.3最大似然（ML）估計算法.74信道估計中的插值問題.94.1插值的概念.94.2線性插值.94.3二階插值.104.4線性濾波器插值（Interp）算法.104.5基于DFT的時域插值.104.6基于低通濾波的變采樣率插值（Resample）算法.115數(shù)值仿真與結果分析.125.1無噪聲環(huán)境下的插值精度比較.125.2有噪聲環(huán)境下的插值精度比較.155.3插值算法的運算量比較.156結論.16致謝.16參考文獻.17附錄.181緒論正交頻分復用（OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing，OFDM）是一種特殊的的高速傳輸技術，多載波調制（MCM）方式，它可以被看作一種調制技術，也可以被當作一種復用技術，它具有良好的抗多徑干擾性能。它的基本原理就是在頻域內將系統(tǒng)的總帶寬劃分成許多子信道，每個子信道都采用彼此正交的并行子載波來進行傳輸。由于各個子載波之間存在正交性，所以允許子信道的頻譜相互重疊。因此與常規(guī)的頻分復用系統(tǒng)相比，OFDM系統(tǒng)可以最大限度地提高了頻譜資源利用率。通過將高速數(shù)據(jù)流串轉換到各個子載波上，每個子載波上的比特速率大為降低，每個子載波中的符號周期會相對增加，因此能有效抑制由于多徑時延擴展造成的符號間干擾（ISI）。由于OFDM技術的良好抗符號間干擾（ISI）性能及對頻譜資源的高效利用性，它已經(jīng)成功地應用于歐洲數(shù)字音頻廣播（DAB，DigitalAudioBroadcasting）、數(shù)字視頻廣播（DVB，igitalVideoBroadcasting）、基于IEEE80211標準的無線本地局域網(wǎng)（WLAN）以及非對稱高速率數(shù)字用戶線技術（ADSL）等領域。并且，世界普遍認為，OFDM將是未來第四代無線移動通信中的關鍵技術之一。移動通信中的無線傳輸信道是一個時變的多徑衰落信道。為了使發(fā)送數(shù)據(jù)經(jīng)過信道衰落后，在接收端被正確接收，數(shù)據(jù)所經(jīng)的信道衰落影響就應該被合理補償。信道估計技術作為獲得信道衰落參數(shù)的手段，是現(xiàn)代無線通信領域中的一個研究熱點，它是接收端進行相干檢測、解調、均衡的基礎，是提高無線數(shù)據(jù)傳輸接收性能的關鍵技術之一。同差分解調相比帶有信道估計的導頻符號輔助相干解調，可增加2.53dB的信噪比增益，還可利用頻帶利用率高的多電平調制技術（如M-QAM）；此外，信道估計還能提供空時碼解碼及多用戶檢測、最大比分集合并等技術所需信息，尤其在無線數(shù)據(jù)分組通信中，由于常需獲得每個數(shù)據(jù)包經(jīng)歷的信道狀態(tài)，信道估計很重要。鑒于傳輸速率較高，所以在基于OFDM的新一代無線通信系統(tǒng)中要使用相干解調（CoherentDetection）技術獲得較高的性能。因此信道估計成為完全實現(xiàn)OFDM系統(tǒng)優(yōu)良性能的關鍵技術之一。信道估計有利于消除信道對OFDM系統(tǒng)性能的影響，是進行相關檢測、解調、均衡的基礎。傳統(tǒng)的無線通信系統(tǒng)中信道估計方案已經(jīng)較成熟，而對于OFDM的移動通信系統(tǒng)的信道估計方法尚處于研究和探索階段。信道估計的方法總體可分為時域信道估計算法和頻域信道估計算法兩大類，又可分為基于導頻或訓練符號的輔助信息信道估計算法和盲信道估計算法兩大類。盲估計基于子空間算法及高階統(tǒng)計量，其運算量大、靈活性差，在實時系統(tǒng)中的應用愛到很大限制。導頻輔助估計通過在時域和頻域插入導頻，先進行導頻位置的估計，再根據(jù)不同的導頻圖案對信道的全響應做出估計。對導頻位置估計的準則有最小平方（LS）、最小均方誤差（MMSE）、最大似然估計（MLE）等。在正交頻分復用（OFDM）系統(tǒng)中常通過插入已知的導頻信號進行信道粗估計，然后通過插值方法求出信道的全響應。在信道估計中，插值是個很重要的環(huán)節(jié)。在保證導頻信號估計的正確性前提下，插值方式的好壞決定了信道估計性能的優(yōu)劣。常用的插值方法有：線性插值（Linear）、二階插值、線性濾波器插值（Interp）、基于DFT的時域插值、基于低通濾波的變采樣率插值（Resample）等。而在基于導頻的OFDM系統(tǒng)信道估計中，至今尚未見相關文獻對其中的插值問題進行科學分析。2OFDM原理和系統(tǒng)模型正交頻分復用（OFDM）是一種特殊的多載波調制（MCM）方式，它可以被看作一種調制技術，也可以被當作一種復用技術。它的主要思想就是在頻域內將總的信道分成很多個子信道，每個子信道上使用一個子載波進行調制，各個子載波之間相互正交，而且并行傳輸。這樣，通過將高速串行數(shù)據(jù)流轉化為低速并行數(shù)據(jù)流，盡管總的信道是非平坦的，具有頻率選擇性，但是每個子信道是相對平坦的（頻帶窄），信號帶寬小于信道的相干帶寬，就有效地消除了總的信道的頻率選擇性，對各路正交子載波的調制就用快速傅立葉反變換（IFFT）來實現(xiàn)。為了消除多徑效應帶來的碼間干擾（ISI），在每個OFDM符號前面插入了循環(huán)前綴（CP），將OFDM每個符號最后一段波形復制到該符號前面。CP作為一種保護間隔，它使ISI幾乎完全消除。信息數(shù)據(jù)調制編碼串并變換加入導頻IFFT插入CP并串變換衰落信道串并變換去除CPFFT信道估計并串變換解調編碼接收序列圖1OFDM系統(tǒng)原理框圖OFDM系統(tǒng)原理框圖如圖1所示，信源發(fā)出的二進制信息經(jīng)過多進制調制成組地映射成QPSK或QAM信號，經(jīng)過串并變換再插入導頻之后，頻域信號()Xk經(jīng)過IDFT變換成為時域信號()xn，然后插入保護間隔（CP），得到(),1,1()()0,1,1gggxNnnNNxnxnnN(1)式（1）中N是子載波數(shù)，gN是保護間隔（即CP）所含的采樣點數(shù)。接著發(fā)送信號通過具有加性高斯白噪聲的頻率選擇性多徑衰落信道后到達接收端，則接收信號的表達式為()()()()ggynxnhnwn(2)式（2）中，()hn是信道的脈沖響應，()wn是加性高斯白噪聲，符號“”表示卷積運算。無線移動信道通常采用廣義靜態(tài)非相關散射（WSSUS）信道模型，所以信道脈沖響應可表示成21()()01DinrjfTNiiihnhenN(3)式（3）中，r表示傳播路徑總數(shù)，ih是第i徑上的復脈沖響應，iDf是第i徑上的多普勒頻移，表示時延擴展索引，i是第i徑由采樣時間歸一化的延時。從()gyn上去掉保護間隔得到序列()yn，再經(jīng)過DFT變換，得到頻域序列()Yk。假設保護間隔長度大于信道的脈沖響應長度，那么OFDM符號之間不存在ISI，因此()()()()()0,1,1YkXkHkIkWkkN(4)式（4）中，()Wk是()wn的傅立葉變換，而()Ik是由多普勒頻移引起的載波間干擾。然后就可以從()Yk中提取接收導頻信號()pYk，從而得到導頻子載波上的信道響應()pHk，再經(jīng)過插值得到完整的信道響應()Hk。這樣，發(fā)送數(shù)據(jù)()Xk就可以通過在每個子載波上作一個單抽頭的復數(shù)除法而簡單地恢復出來。即()()0,1,1()YkXkkNHk(5)式（5）中，()Hk是()Hk的估計值。從式（5）中也可以看出OFDM系統(tǒng)相對于單載波系統(tǒng)而言，其均衡復雜度要低