基于导频的OFDM信道估计中插值的研究论文.doc

本科毕业论文（设计）论文题目：基于导频的OFDM信道估计中插值的研究学生姓名：所在院系：机电学院所学专业：应用电子技术教育导师姓名：完成时间：摘要正交频分复用（OFDM）技术是一种高效的数字传输技术，它可以被看作一种调制技术，也可以被当作一种复用技术，因其具有较高的频谱利用率、功率利用率，优良的抗窄带干扰和多径衰落能力而被视为下一代无线通信的核心技术。移动通信中的无线传输信道是一个时变的多径衰落信道。为了使发送数据经过信道衰落后，在接收端被正确接收，数据所经的信道衰落影响就应该被合理补偿。信道估计技术作为获得信道衰落参数的手段，是现代无线通信领域中的一个研究热点，它是接收端进行相干检测、解调、均衡的基础，是提高无线数据传输接收性能的关键技术之一。在信道估计中，插值是个很重要的环节，在保证导频信号估计的正确性前提下，插值方式的好坏决定了信道估计性能的优劣。本文用数值分析的方法对基于导频的OFDM系统信道估计中的插值问题进行对比分析，并通过仿真实验，得出了科学的结论，给出了在不同的信噪比条件下应采用的导频图案及插值方法。关键词：正交频分复用，信道估计，导频，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目录1绪论.12OFDM原理和系统模型.23信道估计.43.1信道模型.43.2基于导频的OFDM系统信道估计算法分析模型.53.3几种常用的信道估计算法.53.3.1最小二乘（LS）信道估计算法.63.3.2最小均方误差（MMSE）信道估计算法.63.3.3最大似然（ML）估计算法.74信道估计中的插值问题.94.1插值的概念.94.2线性插值.94.3二阶插值.104.4线性滤波器插值（Interp）算法.104.5基于DFT的时域插值.104.6基于低通滤波的变采样率插值（Resample）算法.115数值仿真与结果分析.125.1无噪声环境下的插值精度比较.125.2有噪声环境下的插值精度比较.155.3插值算法的运算量比较.156结论.16致谢.16参考文献.17附录.181绪论正交频分复用（OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing，OFDM）是一种特殊的的高速传输技术，多载波调制（MCM）方式，它可以被看作一种调制技术，也可以被当作一种复用技术，它具有良好的抗多径干扰性能。它的基本原理就是在频域内将系统的总带宽划分成许多子信道，每个子信道都采用彼此正交的并行子载波来进行传输。由于各个子载波之间存在正交性，所以允许子信道的频谱相互重叠。因此与常规的频分复用系统相比，OFDM系统可以最大限度地提高了频谱资源利用率。通过将高速数据流串转换到各个子载波上，每个子载波上的比特速率大为降低，每个子载波中的符号周期会相对增加，因此能有效抑制由于多径时延扩展造成的符号间干扰（ISI）。由于OFDM技术的良好抗符号间干扰（ISI）性能及对频谱资源的高效利用性，它已经成功地应用于欧洲数字音频广播（DAB，DigitalAudioBroadcasting）、数字视频广播（DVB，igitalVideoBroadcasting）、基于IEEE80211标准的无线本地局域网（WLAN）以及非对称高速率数字用户线技术（ADSL）等领域。并且，世界普遍认为，OFDM将是未来第四代无线移动通信中的关键技术之一。移动通信中的无线传输信道是一个时变的多径衰落信道。为了使发送数据经过信道衰落后，在接收端被正确接收，数据所经的信道衰落影响就应该被合理补偿。信道估计技术作为获得信道衰落参数的手段，是现代无线通信领域中的一个研究热点，它是接收端进行相干检测、解调、均衡的基础，是提高无线数据传输接收性能的关键技术之一。同差分解调相比带有信道估计的导频符号辅助相干解调，可增加2.53dB的信噪比增益，还可利用频带利用率高的多电平调制技术（如M-QAM）；此外，信道估计还能提供空时码解码及多用户检测、最大比分集合并等技术所需信息，尤其在无线数据分组通信中，由于常需获得每个数据包经历的信道状态，信道估计很重要。鉴于传输速率较高，所以在基于OFDM的新一代无线通信系统中要使用相干解调（CoherentDetection）技术获得较高的性能。因此信道估计成为完全实现OFDM系统优良性能的关键技术之一。信道估计有利于消除信道对OFDM系统性能的影响，是进行相关检测、解调、均衡的基础。传统的无线通信系统中信道估计方案已经较成熟，而对于OFDM的移动通信系统的信道估计方法尚处于研究和探索阶段。信道估计的方法总体可分为时域信道估计算法和频域信道估计算法两大类，又可分为基于导频或训练符号的辅助信息信道估计算法和盲信道估计算法两大类。盲估计基于子空间算法及高阶统计量，其运算量大、灵活性差，在实时系统中的应用爱到很大限制。导频辅助估计通过在时域和频域插入导频，先进行导频位置的估计，再根据不同的导频图案对信道的全响应做出估计。对导频位置估计的准则有最小平方（LS）、最小均方误差（MMSE）、最大似然估计（MLE）等。在正交频分复用（OFDM）系统中常通过插入已知的导频信号进行信道粗估计，然后通过插值方法求出信道的全响应。在信道估计中，插值是个很重要的环节。在保证导频信号估计的正确性前提下，插值方式的好坏决定了信道估计性能的优劣。常用的插值方法有：线性插值（Linear）、二阶插值、线性滤波器插值（Interp）、基于DFT的时域插值、基于低通滤波的变采样率插值（Resample）等。而在基于导频的OFDM系统信道估计中，至今尚未见相关文献对其中的插值问题进行科学分析。2OFDM原理和系统模型正交频分复用（OFDM）是一种特殊的多载波调制（MCM）方式，它可以被看作一种调制技术，也可以被当作一种复用技术。它的主要思想就是在频域内将总的信道分成很多个子信道，每个子信道上使用一个子载波进行调制，各个子载波之间相互正交，而且并行传输。这样，通过将高速串行数据流转化为低速并行数据流，尽管总的信道是非平坦的，具有频率选择性，但是每个子信道是相对平坦的（频带窄），信号带宽小于信道的相干带宽，就有效地消除了总的信道的频率选择性，对各路正交子载波的调制就用快速傅立叶反变换（IFFT）来实现。为了消除多径效应带来的码间干扰（ISI），在每个OFDM符号前面插入了循环前缀（CP），将OFDM每个符号最后一段波形复制到该符号前面。CP作为一种保护间隔，它使ISI几乎完全消除。信息数据调制编码串并变换加入导频IFFT插入CP并串变换衰落信道串并变换去除CPFFT信道估计并串变换解调编码接收序列图1OFDM系统原理框图OFDM系统原理框图如图1所示，信源发出的二进制信息经过多进制调制成组地映射成QPSK或QAM信号，经过串并变换再插入导频之后，频域信号()Xk经过IDFT变换成为时域信号()xn，然后插入保护间隔（CP），得到(),1,1()()0,1,1gggxNnnNNxnxnnN(1)式（1）中N是子载波数，gN是保护间隔（即CP）所含的采样点数。接着发送信号通过具有加性高斯白噪声的频率选择性多径衰落信道后到达接收端，则接收信号的表达式为()()()()ggynxnhnwn(2)式（2）中，()hn是信道的脉冲响应，()wn是加性高斯白噪声，符号“”表示卷积运算。无线移动信道通常采用广义静态非相关散射（WSSUS）信道模型，所以信道脉冲响应可表示成21()()01DinrjfTNiiihnhenN(3)式（3）中，r表示传播路径总数，ih是第i径上的复脉冲响应，iDf是第i径上的多普勒频移，表示时延扩展索引，i是第i径由采样时间归一化的延时。从()gyn上去掉保护间隔得到序列()yn，再经过DFT变换，得到频域序列()Yk。假设保护间隔长度大于信道的脉冲响应长度，那么OFDM符号之间不存在ISI，因此()()()()()0,1,1YkXkHkIkWkkN(4)式（4）中，()Wk是()wn的傅立叶变换，而()Ik是由多普勒频移引起的载波间干扰。然后就可以从()Yk中提取接收导频信号()pYk，从而得到导频子载波上的信道响应()pHk，再经过插值得到完整的信道响应()Hk。这样，发送数据()Xk就可以通过在每个子载波上作一个单抽头的复数除法而简单地恢复出来。即()()0,1,1()YkXkkNHk(5)式（5）中，()Hk是()Hk的估计值。从式（5）中也可以看出OFDM系统相对于单载波系统而言，其均衡复杂度要低