（控制科学与工程专业论文）基于导频的ofdm系统的信道估计算法研究.pdf

中南大学硕士学位论文 摘要 摘要 未来无线移动通信系统的目标是实现随时的高质量、高速率的移 动多媒体和数据传输业务。正交频分复用技术( o r t h o g o n a lf r e q u e n c y d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ，o f d m ) 以其较高的频谱利用率和信息传输效 率，以及较强的抗多径衰落的能力在无线通信领域得到广泛的应用。 无线移动信道是现代通信系统中最为复杂的信道，也是制约系统性能 的重要因素。由于o f d m 系统中的信道具有频率选择性和时变特性， 要在接收端及时的获得信道状态信息，实现实时而准确的相干解调， 必须对信道进行动态的估计。本论文主要针对基于导频的o f d m 系 统的信道估计算法进行研究。 论文离散傅立叶变换( d f t ) 的信道估计算法的基础上，提出一种 基于导频的加窗型第四类离散余弦变换( d c t - ) 的信道估计算法，该 算法使用正弦加窗抑制信道冲激响应的频谱泄露。然后在d c t 变换 域内设计一个低通滤波器，通过动态设计滤波器的截止频率消除高频 噪声。该算法利用d c t 变换的对称特性消除边缘效应；d c t 变换 比传统d f t 变换的能量更加集中，可以减少导频数量，提高信道的 利用率；而且d c t - i v 变换是实数运算，能够降低运算复杂度。仿真 结果表明：在多径衰落信道下，该算法优于传统的基于d f t 的信道 估计算法，是一种可行而且有效的信道估计算法。 针对低通滤波器截止频率不能精确估计的问题，提出一种消噪改 进的d c t o i v 变换域的信道估计算法。首先通过对导频位置的信道估 计值进行相位补偿，消除由于同步偏差带入的相位噪声。然后通过跟 踪信道冲激响应的能量，选取合适的参数，抑制变换域特性中的噪声 功率和残留子载波间干扰的功率。从而提高信道估计器的性能。通过 仿真验证该算法能够有效的降低o f d m 系统的误码率。 关键词正交频分复用，信道估计，第四类离散余弦变换，能量跟踪， 相位补偿 中南大学硕七学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t t h eg o a lo fw i r e l e s sm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e mw i l lb et o a c h i e v eh i g h q u a l i t y , h i g h - s p e e dm o b i l em u l t i m e d i aa n dd a t at r a n s - - m i s s i o nb u s i n e s s o a h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ( o f d m ) h a sb e e na p p l i e dw i d e l yb e c a u s eo fi t s h i g hs p e c t r u mu t i l i z a t i o na n d e f f i c i e n c yo fi n f o r m a t i o nt r a n s m i s s i o n ，a sw e l la sas t r o n ga n t i - m u l t i - p a t h f a d i n gi nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s w i r e l e s sm o b i l ec h a n n e li st h em o s t c o m p l e xc h a n n e l i nt h em o d e mc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s a n di ti sa l s oa n i m p o r t a n tf a c t o rt h a tr e s t r i c t ss y s t e mp e r f o r m a n c e s i n c et h ec h a n n e lo f t h eo f d ms y s t e mh a sf r e q u e n c ys e l e c t i v ea n dt i m e - v a r y i n gc h a r a c t e r - r u s t i c s i ti s n e c e s s a r yt o e s t i m a t ec h a n n e ls ot h a tt h ec h a n n e ls t a t e i n f o r m a t i o nc a nb eo b t a i n e di nt i m ea tr e c e i v ep o i n ta n dc o h e r e n t d e m o d u l a t i o ni sa c c u r a t er e a l i z e di nr e a l t i m e t h ep a p e rm a i n l ys t u d i e s t h eo f d m s y s t e mc h a n n e le s t i m a t i o na l g o r i t h mb a s e d o np i l o ta s s i s t a n t b a s e do na n a l y s i so fc h a n n e le s t i m a t i o na l g o r i t h mu s i n gt r a d i t i o n a l d f tt r a n s f o r md o m a i n ，n e wc h a n n e le s t i m a t i o ni sp r o p o s e db a s e do n w i n d o w e dd c t - i vt r a n s f o r mw i n d o w e d s i n u s o i d a li su s e dt oi n h i b i t s p e c t r u ml e a k a g eo fc h a n n e li m p u l s er e s p o n s e t h e n ，al o w p a s sf i l t e ri s d e s i g n e d i nt h ed c tt r a n s f o r m d o m a i n h i 曲f r e q u e n c yn o i s e i s e l i m i n a t e dt h r o u g ht h ed y n a m i c a lc u t o f ff r e q u e n c yo ff i l t e r s y m m e t r i c c h a r a c t e r i s t i c so fd c tt r a n s f o r mi su s e dt oe l i m i n a t ee d g ee f f e c t s ；t h e p i l o tq u a n t i t yc a nb er e d u c e da n dt h eu t i l i z a t i o no fc h a n n e lc a nb e i m p r o v e db e c a u s et h ee n e r g yo fd c t - i vt r a n s f o r mi sm o r ec o n c e n t r a t i v e t h a nd f tt r a n s f o r m ；m o r e ，t h ec o m p u t i n gc o m p l e x i t yc a nb er e d u c e d b e c a u s ed c tt r a n s f o r mi sar e a lo p e r a t o r t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w t h a tt h e a l g o r i t h m i s s u p e r i o rt ot h et r a d i t i o n a l c h a n n e le s t i m a t i o n a l g o r i t h mb a s e do nd f tt r a n s f o r mi nt h em u l t i p a t hf a d i n gc h a n n e l ， w h i c hi sa v a i l a b l ea n de f f e c t i v ec h a n n e le s t i m a t i o na l g o r i t h m an e wd e - n o i s i n g i m p r o v e d c h a n n e le s t i m a t i o n a l g o r i t h m i s p r o p o s e db a s e do nt h ed c t - i vt r a n s f o r md o m a i nb e c a u s el o w p a s s f i l t e r sc u t o f ff r e q u e n c yc a nn o tb ea c c u r a t e l ye s t i m a t e d f i r s t ，t h ep h a s e n o i s ec a nb ee l i m i n a t e df o rs y n c h r o n i z eb i a sb yp h a s ec o m p e n s a t i o nt h e l o c a t i o no ft h ep i l o tc h a n n e le s t i m a t i o nv a l u e t h e n t h ec h a n n e l i m p u l s e i l r e s p o n s en o i s ep o w e ra n di n t e r - c a r r i e ri n t e r f e r e n c er e s i d u a lp o w e ro ft h e t r a n s f o r md o m a i nc a nb e e f f e c t i v e l yi n h i b i t e db yt r a c k i n gt h ec h a r u l e l i m p u l s ee n e r g yr e s p o n s ea n ds e l e c t i n gt h ea p p r o p r i a t ep a r a m e t e r s t h e r e f o r e ，t h ec h a n n e le s t i m a t i o np e r f o r m a n c ei s e n h a n c e d e x p e r i m e n t a l r e s u l ts h o w st h eb i te r r o rr a t eo fo f d m s y s t e mi sr e d u c e de f f e c t iv e l y k e yw o r d s o f d m ，c h a n n e le s t i m a t i o n ，d c t - i v ，e n e r g yt r a c k i n g p h a s ec o m p e n s a t i o n 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得中南大学或其他单位的学位或者证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：葛_ 一 醐：1 铝 关于论文使用授权的说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留学位论文，允许该论文被查阅和借阅；学校可以公布该论文的 全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其他手段保存学位论文；学 校可以根据国家和湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者签名： 导师签名：p 堑童 日期：硎7 年岁月0 日 中南大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 随着现代移动通信系统的发展，为了实现高速信息的传输，人们开始研究多 载波调制技术。正交频分复用( o n h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ， o f d m ) 技术就是在此基础上发展起来的一种基于数字信号处理技术的并行数字 传输方式。o f d m 技术以其较高的频谱利用率和信息传输效率，以及较强的抗 多径衰落的能力在无线通信领域得到广泛的应用。 1 1 研究的背景和意义 现代社会己步入信息时代，在各种信息技术中，信息的传输即通信起着支撑 作用。世界各国都在致力于现代通信技术的研究与丌发，而无线通信是现代通信 系统中不可缺少的组成部分。今天，无线通信己经成为人们同常生活不可缺少的 重要通信方式之一，而人们对无线通信业务需求的迅速增加是无线通信技术发展 的根本推动力。1 9 7 8 年底，美国贝尔实验室研制成功的先进移动电话系统 ( a d v a n c e dm o b i l ep h o n es y s t e m ，a m p s ) 实现了基本语音通信；上个世纪8 0 年代中期产生的全球移动电信系统( g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o n ， g s m ) 和9 0 年代初出现的窄带码分多址( c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ，c d m a ) 通信系统i s 9 5 是第二代移动通信技术，满足了人们较高质量的语音业务和低速 率的数据业务要求i l ，2 j 。随着人们对通信业务类型要求的不断扩大，对通信速率 要求的不断提高，已有的第二代移动通信网已经不能满足新的业务需求。为此， 本世纪初，人们制定了以宽带c d m a 技术为核心的第三代移动通信网标准 w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 和t d s c d m a i3 。目前，研究人员把目光投向三代以后 ( b e y o n d 3 g ，b 3 g ) 和第四代( 4 mg e n e r a t i o n ，4 g ) 无线通信系统的技术研究【5 7 j ， 研究主要目标是高速i n t e r a c t 无线接入和高质量数字多媒体信息无线传输等方面 的应用，而此类业务的一个共同点是要求高速无线信息传输。正交频分复用技术 和正交幅度调制( q u a d r a t u r ea m p l i t u d em o d u l a t i o n ，q a m ) 相结合在高速无线 传输中具有许多优势，b 3 g 和4 g 系统中已将o f d m 技术列为备选物理层标准。 最近几年，研究人员针对o f d m 技术在无线通信系统中的应用提出了许多理论 和技术基础【8 ，9 】。 o f d m 技术是一种多载波传输技术，其主要特点是把高速的信息分割到多 个正交子载波上并行低速传送。由于子载波相互交叠和正交，它们可独立并行传 送信息符号而不互相干扰同时保持较高频谱利用率。基于块传输技术的o f d m 系统在每个o f d m 信息符号之间加上时间保护间隔( t i m eg u a r di n t e r v a l ，t g i ) ， 只要t g i 的长度大于信道冲激响应( c h a n n e li m p u l s er e s p o n s e ，c i r ) 的最大时 中南大学硕十学位论文 第一章绪论 延扩展，系统的所有子载波之间的j 下交性在通过信道后就能够得到保持，o f d m 这种基于块传输的正交多载波传送方式使它具有抗符号间干扰( i n t e r - s y m b o l i n t e r f e r e n c e ，i s i ) 能力【l0 1 ，同时也可以将信道均衡从复杂的时域处理转化到简 单易行的频域处理。 移动通信是利用无线电波进行信息传输的。移动通信的信道复杂，干扰和噪 声影响很大。电磁波不仅会随着传播距离的增加而发生弥散损耗，而且会受到地 形地物的遮蔽而产生“阴影效应”，而且会发生散射，衍射，绕射等等，导致信 号从不同的路径到达接收端。这种多径信号的叠加，由于他们的幅度相位和到达 时问都不一样，会产生电平衰落和时延扩展。其次，由于移动终端的运动或者反 射，衍射和绕射物体的运动而引起的多普勒频移，当快速运动时，是不能忽略它 们的影响的，他们会使不同路径的信号产生不同的多普勒频移，也就是说随机调 频。所有这些问题对o f d m 系统的接收机的设计提出了很大的挑战，而在接收机 中，信道估计器是一个很重要的组成部分。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j 下确接收，数 据所经历的信道衰落影响应该被合理的补偿。而信道估计技术，作为获得信道衰 落参数的手段，是提高无线数据传输接收性能的关键技术之一。精确的信道估计 是o f d m 进行相干检测从而准备恢复发送信号必不可缺的部分。 随着无线通信系统的快速发展和完善，人们越来越认识到信道估计在无线通 信中是一项很重要的技术。信道估计可以定义为描述物理信道对输入信号的影响 而进行定性研究的过程。如果信道是线性的话，那么信道估计就是对系统冲激响 应进行估计，所谓信道估计，就是信道对输入信号影响的一种数学表示。而好的 信道估计就是使得某种估计误差最小化的估计算法。 图1 1 中x ( n ) 是发送的o f d m 频域信号，h ( n ) 为实际中的无线通信信道频 域响应，如瑞利多径信道，疗( 月) 为信道估计模型，如下文中的l s ，m m s e 等信 道估计模型，e ( n ) 即为估计误差，信道估计算法就是要使均方误差e e 2 ( 玎) 】最小， 同时还要尽量降低算法的复杂度。 卜1 信道估计的一般模型 发射源信号通过无线物理信道进行数据传输，接收端为了检测出正确的传输 2 中南大学硕十学位论文 第一章绪论 信息，很有必要了解正确的物理信道相关参数。这样就可以对接收信号进行补偿 性恢复。在整个无线通信系统中，通信信道都是时变的。根据不同的传输环境， 如室内、郊区、山区等，信道一般都会呈现出不同衰落程度和特性。因此这就要 求接收端必须根据信道变化的速率，在连续时间中每个相等的时间间隔内重复地 进行实时信道估计。由于带宽和功率的限制，应该说信道估计需要消耗的成本代 价越低越好。但从另外一个角度考虑，如果对于信道估计投入的成本过低，那么 将会导致计算出效果很差的信道估计值，从而会严重降低接收端系统恢复源信号 的能力及系统的总体性能。 信道估计对于o f d m 系统的总体性能有很大的影响，通过信道估计算法， 接收机可以得到信道的冲激响应。自适应信道均衡器利用信道估计来对抗i s i 的 影响】。分集技术利用信道估计实现与接收信号最佳匹配的接收机1 1 2 , 1 3 j 。最大似 然检测通过信道估计使得接收端错误概率最小化【1 4 1 。此外，信道估计使得相干 检测成为可能【巧】。相干检测要知道信号的相位信息，在接收端需要先进行信道 估计，才能实现信号的检测，因此研究o f d m 系统中的信道估计具有重要的意 义。 1 2o f d m 系统无线信道的特点 1 2 1 无线信道的传播特征 无线移动信道是现代通信系统中最为复杂的信道，也是制约系统性能的重要 因素。它一般是随机时变的，因此信道往往不能简单地用线性时不变冲激响应函 数厅( ，) 来表示，需要很多复杂的自适应信号处理技术对信道特性进行估计和跟 踪。 由于信道中反射体引起的多径传播，加上收发设备、环境物体的移动性，电 磁波通过各路径到达的时间和相位也不同，从而产生衰落。相位变化的随机性导 致接收信号的幅度的急剧( 3 0 d b 甚至4 0 d b ) 变化。进一步的，实际中无线接收 机所面临的多径信道瞬时传输特性是时变的，因为在某一个特定时刻，用户接收 的信号所经历的路径与该用户所处的位置的地理环境等有密切关系：用户每移动 到一个新的位置或者即使处于原来位置由于无线媒体的扰动( 空气和云层的变 化、树叶的闪动等) 都会引起新的多径干扰。因此，无线移动信道的等效基带冲 激响应模型可以用一个具有时变特征的脉冲序列来描述【1 6 】： 一l e ( r ，f ) = e 口，( f ) p 一2 万力。艿( r 一( f ) ) ( 1 1 ) ，= o 式( 1 1 ) 中，( ，) 为第f 径分量的衰减，它是时问的函数，说明这个衰减是时 中南人学硕士学位论文第一章绪论 变的，而_ ( f ) 为第f 径分量传播时延，z 为射频载波频率。c ( f ，) 随时间变化的 特性如图1 2 所示。图中，轴表示用户进行收发信号的不同时刻，而横轴f ( f ) 则 表示，时刻信道的多径分量时延分布，它反映了信道的时延扩展程度。 毛乃f 3巧 图1 - 2 无线移动信道的时变线性冲激响应模型 对于移动信道，可以用多径时延扩展和多普勒频移两类参数来描述，虽然它 们往往同时作用于信道中传输的信号，但是在分析的时候我们可以分别来讨论， 这样做的好处是便于分类信号所经历的衰减类型。 ( 1 ) 无线信道的多径时延衰落 无线信道的主要特征是多径传播，即接收机所接收到的信号是通过不同的直 射、反射、折射等路径到达接收机的。由于电波通过各个路径的距离不同，因而 各条路径中发射波的到达时间、相位都不相同。不同相位的多个信号在接收端叠 加，如果同相叠加则会使信号幅度增强，而反向叠加则会削弱信号幅度。这样， 接收信号的幅度将会发生急剧变化，产生衰落，造成了信道的时间弥散性( t i m e d i s p e r s i o n ) 【1 7 1 。 在传输过程中，由于时延扩展，接收信号中的一个符号的波形会扩展到其他 符号当中，造成符号间干扰。为了避免产生i s i ，应该令符号宽度要远远大于无 线信道的最大时延扩展，或者符号速率要小于最大时延扩展的倒数。 在频域内，与时延扩展相关的是相干带宽，实际应用中通常用最大时延扩展 的倒数来定义相干带宽，即： ( b ) 。上 f m “ ( 1 2 ) 从频域角度观察，多径信号的时延扩展可以导致频率选择性衰落( f r e q u e n c y s e l e c t i v ef a d i n g ) ，即针对信号中不同的频率成分，无线传输信道呈现不同的随 机响应，产生不同的衰落，信号波形会发生畸变。当信号的速率较高，信号带宽 4 中南大学硕士学位论文第一章绪论 超过无线信道的相干带宽时，信号通过无线信道后各频率分量的变化是不一样 的，引起信号波形的失真，造成符号间干扰，即频率选择性衰落；反之，当信号 的传输速率较低，信道带宽小于相干带宽时，信号通过无线信道后各频率分量都 受到相同的衰落，波形不会失真，没有符号间干扰，信号只是经历了平衰落，即 非频率选择性衰落。相干带宽是无线信道的一个特性，信号通过无线信道时，是 否出现频率选择性衰落取决于信号本身的带宽。 ( 2 ) 无线信道的时变性以及多普勒频移 当移动台在运动中进行通信时，接收信号的频率会发生变化，称为多普勒效 应，这是任何波动过程都具有的特性。信道的时变性是指信道的传递函数是随时 间而变化的，即不同的时刻发送相同的信号，在接收端收到的信号是不相同的。 时变性在移动通信系统中的具体体现之一是多普勒频移( d o p p l e rs h i f t ) 1 8 , 1 9 】， 即单一频率信号经过时变衰落信道之后会呈现为具有一定带宽和频率包络的信 号，又称为信道的频率弥散性( f r e q u e n c yd i s p e r s i o n ) 。 多普勒效应所引起的附加频率偏移称为多普勒频移，可以用下式表示： 乃= - ；c o s o = j 。c o s o = 厶c o s 0 ( 1 - 3 ) 式中z 表示载波频率，c 表示光速，厶表示最大多普勒频移，v 表示移动台的运 动速度。 多普勒频移与载波频率和移动台运动速度成正比。当移动台向入射波方向移 动时，多普勒频移为正，即移动台接收到的信号频率会增加；如果背向入射波方 向运动，则多普勒频移为负，即移动台接收到的信号频率会减小。由于多普勒频 移的存在，单一频率信号五到达接收端的时候，其频谱不再是位于频率轴+ f o 处 的单纯6 函数，而是分布在( 五一z ，五+ 厶) 内，具有一定宽度的频谱。 从时域来看，与多普勒频移相关的是相干时间，即： ( 峨万1 ( 1 - 4 ) 相干时间是信道冲激响应维持不变的时间间隔的统计平均值。也就是说，相 干时问就是指一段时间间隔，在此间隔内，两个到达信号有很强的幅度相关性。 如果基带信号带宽的倒数，一般指符号宽度大于无线信道的相干时间，那么信号 的波形可能发生变化，造成信号的畸变，产生时间选择性衰落，即快衰落；反之， 如果符号的宽度小于相干时间，信号经历非时间选择性衰落，即慢衰落。 1 2 2 无线衰落信道的包络统计特征 由于无线信道的多径时延效应和多普勒效应，发送信号经过无线信道之后， 中南人学硕十学位论文第一章绪论 接收信号的包络将呈现随机性。研究表明，多径衰落环境中的包络一般服从瑞利 分布或莱斯分布。在无线移动通信系统中，瑞利衰落分布是常用的用于描述平坦 衰落信号或独立多径分量接收中包络的时变统计特性的一种衰落模型；莱斯衰落 分布是由于在瑞利衰落分布基础上，存在一条直视路径的影响造成的。瑞利分布 和莱斯分布常用来描述从多径信道接收的信号的统计起伏型，它们都属于小尺度 传播模型，描述的是短距离( 几个波长) 或短时间( 秒级) 内的接收场强的快速 波动。 ( 1 ) 瑞利分布统计模型【2 0 j 在移动通信信道中，由于基站和移动台之间的反射体、散射体和折射体的数 量是相当多的，所以信道的冲激响应表示如下： l 向( r ) = u k 6 ( r - - r k ) e 纯 ( 1 - 5 ) k = l 式( 1 5 ) 中代表到达的多径的径数；地代表第k 条路径的信号幅度；r k 代表 第k 条路径相对第一条路径( 2 - = 0 ) 的时延；纯代表第k 条路径的信号相位。 当彳仝数较多时，司1 暇议信迫中小存在较强的直达彳仝，凼此信迫的冲撖啊应 向( r ) 可以看成一个复高斯过程，其包络的值“( ，) 符合瑞利分布： 础) = 手p 吾胚z ，锄 ( 1 - 6 ) 信号包络“的均值万、均方根值“。和方差町2 ，分别为 珏脚) 2 p ( 岫2 括一1 2 5 3 3 仃 ( 1 - 7 ) “。：扛两： ：菇：1 4 1 4 仃 一= e ( u 2 ) 一e 2 ( “) = 0 4 2 9 2 0 2 当信号包络甜( ，) 降低到均方根值“，以下时，称信号经历了“衰落”。 相位缈( f ) 服从均匀分布，其概率密度函数为 p ( 缈) ：毒一，0 伊 2 万 z 万 ( 2 ) 莱斯分布统计模型 ( 1 8 ) ( 1 9 ) ( 1 1 0 ) 当移动台与基站间存在直射波信号时，即有一条主路径，通过主路径传输过 6 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 来被接收的信号为一个稳定幅度p 和相位焦，其余多径传输过来的信号仍如上面 “瑞利分布统计模型”所述。这种情况下，信号相当于在瑞利衰落多径上叠加了一 个主要的非衰落的静态分量，其包络“( f ) 服从莱斯分布： m ) = 事e x p ( u 2 + p 2 ) i o ( u 盯p 一) ，。“ o o 相位缈( ，) 的概率密度函数为 肿，= 害扣帅，p 警卜c 百, o c o s ( o , - 缈) ，枷鸭2 刀， ( 1 1 2 ) 式( 1 1 i ) 和( 1 1 2 ) 中，p 和鼠分别为主信号幅度的峰值和相位；l o ( x ) 为第一 类修j 下的贝塞尔函数，e r f ( ) 为误差函数【2 1 1 。 定义用于描述莱斯分布的参数莱斯因子k 为主信号的功率与多径分量 方差之比，即k = p 2 ( 2 0 - 2 ) ，它能够完全地确定莱斯分布。当pj 0 ，kj o o ( d b ) ， 即主信号幅度减小时，莱斯分布转变为瑞利分布。因此，瑞利分布是莱斯分布的 一个特例，莱斯分布是瑞利分布的一个扩展。考虑到一个典型的城区环境中，收 发两端之间一般不存在直线传播路径。因此我们可以认为工作在该传播环境下的 单天线系统无线信道其包络特性服从瑞利分布。 1 3o f d m 系统信道估计技术的研究现状 在发射端传输数据前，将导频信号插入原始传输信号中的这一思想为稳定的 信道估计提供了基础。o f d m 系统中一系列基于导频的信道估计算法可以看作 是多载波情况下用于衰落信道的导频符号辅助调制的一般性方法。 导频信号不附带任何信息，因此这个前缀不仅造成了带宽扩展而且还导致了 能量损耗。这两种损失可以用导信比来衡量。在多载波系统中，导频被同时插入 了时间和频率内，所以和单载波系统相比它的导信率大大减小。文献 2 2 ，2 3 研 究了在o f d m 系统中设计导频模式的问题。 对于慢衰落信道，可以假设在一个o f d m 符号时间问隔内信道频率特性是不 变的。在此假设下，因为一个o f d m 符号是多个子载波正交复合而成，故不同子 信道的信道衰落只影响到其上传输的数据信号，而不影响其它的正交的子载波上 传输的数据信号。当等待传输数据的导频信道在o f d m 时频网格的某个特定位置 时，信道估计值就可以通过2 维内插法来求得【2 4 , 2 5 j 。如果己知信道的统计特性， 那么可以使用2 维维特纳滤波器设计出最小均方误差准则下的最优线性信道估计 7 中南大学硕七学位论文 第一章绪论 器1 2 6 j 。为了减少上述方法的计算复杂度，分别在时域或频域只使用一维有限冲 激响应维纳滤波器的次最优估计器更加简单些【2 7 1 。对于时域上的插值，可以采 用线性、低通滤波器等插值方式【2 引，当低通滤波器性能较好时，可以很好地抑 制噪声。对于频域插值，典型的插值算法有线性2 9 1 ，c u b i c 3 们，奇异值分解等f 3 l j 。 然而实际系统中，由于环境特点的不同以及用户经常移动的关系，信道的统 计特性往往是未知的。为了解决这个问题，文献【3 2 】提出了一种基于最小均方误 差准则的导频辅助估计器的实现方案。这种估计器是针对具有理想带限二维谱的 信道设计出来的，它对于信道的统计特性并不敏感。文献 3 3 】在只考虑单个 o f d m 信号的情况下，提出了一种和频域线性最小均方差估计器复杂度类似的 估计器。这种算法使用了奇异值分解和最优化降秩的理论，设计这种估计器需要 知道信道的频率相关性和噪声功率值。文献 3 4 ，3 5 提出了一种相关算法，即在时 间方向上利用了信道的相关性，文献 3 6 讨论了基于h a n d m a d e 变换的m m s e 信 号估计，但是依然需要估计噪声功率。 第二类只考虑单个o f d m 符号的低复杂度信道估计器，是通过在时域内将 信道能量集中变换到几个系数的基础上建立起来的。这种类型的低复杂度估计器 分别使用了d f t 和最优化降秩法1 3 7 , 3 8 j ，这种方法常常需要知道信道冲激响应的 相关函数。文献【3 9 就是基于d f t 的信道估计，虽然易于实现，但是在信道为非 整数倍抽样延迟的情况下，性能会明显降低。 与此同时，还有很多其它用于o f d m 系统的盲信道估计算法。其中一些是 基于子空间的算法，它们利用了o f d m 传输中循环自i 缀固有的循环平稳特性。 这类方法要求信道频率响应在载波频率上无零点【4 0 , 4 1 。另一种盲信道估计器则是 利用了己调制信号的有限符号集特l 生 4 2 a 3 j 。 综上所述，信道估计法主要分为以下两大类：基于导频的、盲的信道估计。 在基于导频( 或者蜕训练序列) 的信道估计法中，导频信息被事先传送给接收机以 便进行信道估计。虽然此法识别信道速度快，但是需要耗费更多的有用带宽，这 对于带限信道传输来讲确实是一大弊端。盲算法在信道估计中并不发射任何导频 信号给接收端，而是仅利用接收信号的统计特性对信道进行识别。虽然此类算法 对于信道带宽有限，而不想浪费更多带宽来使用导频信号的系统来讲是很具有吸 引力的，但是典型的盲算法都会需要很长的观测阶段，这一特点导致了算法在进 行信道估计时必然会产生相位模糊和实时性差等问题。由于这些弊端的存在，盲 算法在移动通信中的应用范围受到了很大的限制。 1 4 本文主要研究内容 在现代移动通信中，o f d m 技术具有极高的频谱利用率和优良的抗多径干 8 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 扰的能力，已经成功地应用于各种实际的系统中，但同时也面对许多的技术挑战， 信道估计就是o f d m 系统中需要解决的主要难题之一。因此，针对o f d m 系统 存在的这个难题，本文将以o f d m 系统中的信道估计技术为主要内容而展开具 体的研究。 绪论部分介绍了课题的研究背景和意义，o f d m 系统无线信道的主要特点， 以及信道估计技术的研究现状。 第二章首先给出o f d m 基带系统的组成，并概括介绍了正交频分复用技术 的原理，接着讨论o f d m 系统中的无线信道仿真模型。然后介绍现有的信道估 计的主要研究方法，并对它们进行性能比较，本文选择了导频辅助的信道估计方 法。 第三章首先阐述了信道估计在o f d m 系统中的必要性以及对系统的影响， 然后介绍传统的基于导频的d f t 变换的信道估计算法，在归纳该算法存在的问 题基础上提出基于导频的加窗型d c t - i v 变换的o f d m 系统的信道估计算法，给 出该算法的实现框图和流程描述，最后在仿真中比较这两种算法的性能。 第四章首先分析第三章的加窗型d c t - i v 变换信道估计算法存在不足，然后 对多径信道的能量分柿和估计进行了研究，跟踪多径信道能量，消除噪声干扰， 并对导频的信道估计值进行相位补偿，改进的消噪算法能够有效的消除子载波干 扰和噪声干扰，并通过仿真验证该算法的有效性。 第五章对全文进行概括性的总结，并对后续研究工作提出了展望。 9 中南大学硕十学位论文第一二章o f d m 系统基丁导频的信道估计算法理论 第二章0 f d m 系统基于导频的信道估计算法理论 o f d m 是一种多载波传输技术，它的基本原理是把高速的数据流通过串并 变换分解为在多个载波上同时并行传输的低速数据流。对于低速并行的子载波而 言，由于符号周期的展宽，可以减轻由无线信道的多径时延扩展所产生的时间弥 散对系统造成的影响。当每个o f d m 符号中插入一定的保护间隔后，码间干扰 就可以忽略。 无线移动通信系统的性能主要受到无线信道的制约，无线信道是基站天线与 用户天线之问的传播路径。发射机和接收机之间的传播路径复杂，从简单的视距 传播到通过各种复杂的地貌，如建筑物，山脉和森林等影响的传播。此外无线信 道不像有线信道那样固定并可预见，而是具有很大的随机性，导致接收信号的幅 度、相位和频率失真。 在现代移动通信系统中，信道估计是基带信号处理中最关键和最复杂的部 分，是进行相关检测、解调以及均衡的基础，也是通信领域的一个研究热点。信 道估计可以定义为描述物理信道对输入信号影响的数学表示的研究过程。“好” 的信道估计就是使得某种估计误差最小化的估计算法。通过信道估计算法，接收 机可以得到信道的冲激响应。 在o f d m 系统中，设计基于导频的信道估计方法通常需要考虑三个关键问 题：首先是如何根据信道的特点来决定导频的结构；其次是如何根据接收信号设 计出既能准确地对导频信道做出估计，又具有低复杂度的信道估计器；其三在于 如何利用估计出的导频信道信息，经过合适的插值，滤波，变换等算法，得到数 据信道中的信道估计值，从而对数据载波上接收到的信号进行均衡，准确地恢复 出原始的发送数据。 2 1o f d m 系统的基本原理 2 1 1o f d m 系统基本模型 o f d m 基带系统的组成框图如下图2 1 所示m j 。 输入比特序列首先通过串并变换变成低速数据流，根据所采用的数字调制方 式，选择m q a m 调制或者q p s k 删j 1 完成相应的调制映射，形成调制信息序列， 在这里插入已知的导频序列，然后进, j 亍i f f t ，得到o f d m 已调信号的时域抽样序 列，加上循环前缀c p ( 循环前缀可以使o f d m 系统完全消除信号的多径传播造 成的符号问干扰( i s i ) 和载波间干扰( i c i ) ) 之后再作并串变换形成串行数据流， 然后送进d a c 模块，得到o f d m 已调信号的时域波形。 1 0 中南人学硕士学位论文第二章o f d m 系统基于导频的信道估计算法理论 接收端先把接收信号送进a d c 模块，形成o f d m 信号的抽样序列，串并之后 去掉循环前缀c p ，对该抽样序列作f f t ，然后利用已知的导频序列进行信道估计， 去掉无线信道的干扰，得到原数字调制信息序列，再进行并串变换，解调之后得 到输出序列。 图2 - 10 f d m 组成框图 o f d m 的基本原理就是把高速的数据符号流通过串并转换，分配到传输速 率相对较低的若干个子载波上传输。由于每个子载波上的符号周期相对增加，因 此可以在一定程度上减轻由无线信道的多径时延对系统造成的影响。并且，通过 快速傅立叶变换进行调制和解调，可以大大简化系统实现的复杂度。在本节中， 将简述其原理。 一个o f d m 符号包括多个经过调制的子载波的合成信号，其中每个子载波 被单独调制，在大多数应用中，调制的方式都是j 下交幅度调制( q a m ) 。在第刀 个o f d m 符号周期内，如果表示子信道的个数，丁表示o f d m 符号的周期， t 代表系统采样时钟，x ( n ，七) ( 七= o ，1 ，一1 ) 是分配给第k 个子载波的符号数 据，兀表示第k 个子载波的频率。则第力个f d m 符号的第z 个采样( ，= 0 ，l ，。， 一1 ) 可以表示为： v l s ( n ，) = ( 月，k ) e m 觚 k = o ( 2 1 ) 公式( 2 1 ) 所描述的f d m 系统可以用图2 2 来表示，待传输的数据比特通 过q a m 符号映射后，再并行化成个速率相对较低的符号，对并行化后的符号 分别调制不同的载波频率厶一 一，然后将各路子载波的调制信号相加。在公式 ( 2 1 ) 的基础上，o f d m 和普通f d m 的最大区别，就是用于各个子载波调制 的各个频率， 厶厶一，是相互j 下交的，它们满足公式： 土f p f i j 2 d t ：上掣p 血印n 万j 2 巩m ：1 肛门 ( 2 2 ) 土f pz p 一哪：土yp 血印n p 一巩m ： 1 卜几 ( 2 2 ) ? 。由 篙 【0 m 以 为了满足公式( 2 2 ) 中的正交条件，必须使每个子载波在一个o f d m 符号 中南人学硕十学位论文第二章o f d m 系统基于导频的信道估计算法理论 e 弘a j l - g j 2 。y 2 以 s ( n ，) + p j 2 , r f v 一- 亿 图2 - 2f d m 调制基本模型 周期内都包含整数倍个周期，且相邻子载波问相差一个周期，那么子载波频率可 以定义为： 六= 七， k = o ，l ，- 1 ( 2 - 3 ) 那么o f d m 的调制公式可以写成： s ( 门，) = 去i 篓x ( 门，七) p ，箐“= i f f 丁( x ( 门，七) ) ( 2 4 ) o f d m 的信号调制可以通过快速傅立叶反变换( i f f t ) 来实现。在接收端， 同样可以用简单的快速傅旱叶变换( f f t ) 实现信号的解调： n l 2 丌l ， z ( n ，七) = s ( t l , 1 ) e - 焉- 削= f f t ( s ( n ，f ) ) 万1 刍n - i 磊n - 1x ( 聆，七弦。等州p 一鲁“= x ( 玎，七) ( 2 5 ) 根据公式( 2 4 ) 和( 2 5 ) ，o f d m 调制和解调的基本模型如图2 3 所示【4 5 】。 由于引入了f f t 的概念，一般情况下，我们将发送端i f f t 模块之前的信号 x ( n ，尼) 和接收端f f t 模块之后的信号z ( n ，七) 称为o f d m 的频域信号，而将i f f t 之后和f f t 之前的信号s ( n ，) 称为o f d m 的时域信号。 图2 - 3o f d m 调制解调基本模型 中南大学硕士学位论文第二章o f d m 系统基于导频的信道估计算法理论 o f d m 系统中子信道符号频谱如图2 4 所示【4 6 1 ，每个子载波的频谱呈s i n e 函数形状，且各个子载波相互重叠。但是，由于在整数子载波间隔的位置上，各 个子载波保持正交，所以在这些位置上没有子载波间干扰( i c i ) ，可以在接收端 对数据进行理想地恢复。正是由于o f d m 信号在频谱上可以相互叠加的特点， 它不需要保护频带，可以用奈奎斯特( n y q u i s t ) 符号速率进行数据传输，从而 提供比普通f d m 系统更