（通信与信息系统专业论文）ofdm系统信道估计技术研究.pdf

摘要 为了在接收端能够正确地解调出发端信息，需要从接收数据中将信道信息准 确的估计出来，因此信道估计是实现无线通信的一项关键技术。本文首先简要概 述了信道估计技术的发展，重点分析和介绍了多载波中o f d m 系统的信道估计技 术的算法。其次，针对l m m s e 算法需要知道信道的二阶分布特性缺陷，在假设 信道功率谱服从指数分布，多径时延概率密度为均匀分布的信道模型下，研究了 通过l s 估计自适应计算信道的最大多径时延，从而获得信道的二阶分布特性的算 法。同时，为了降低对信道特性假设的要求，研究了利用奇异值分解分离子空间 的算法。最后，分析了小数倍载波频偏对信道估计性能的影响。给出了载波频偏 和信道估计联合估计的算法，提高了载波频偏估计的准确度。给出一种双环结构 来进行小数倍载波频偏估计，既提高了估计的精度，又扩大了估计的范围。采用 最大似然函数迭代的方法来对当前符号进行信道估计，有利于消除载波频偏的影 响。 关键词：正交频分复用信道估计 线性最小均方误差估计联合估计 载波频偏估计 a b s t r a c t i nw i r e l e s se o m m t m i c a t i o n , d u et os o m en e g a t i v ef a c t o r sl i k em u l t i p a t hd e l a y , t h es i g n a lw i l lb e d i s t o r t 1w h i l ep a s s i n gt h l o i l 曲t h ew i r e l e s sc h a n n e l i no r d e rt o c o r r e c t l y d e m o d u l a t et h e i n f o r m a t i o n 右t h el r a n s m i t l a , c h a n n e ls t a t ci n f o r m a t i o ns h o u l db ea e c u r a 位l y e s t i m a t e da c c o r d i n g t ot h er e e e i v e x ls i g n a l t h e r e f o r e ，t h ee l u u m e le s t i m a t i o ni so n eo fk e yt e c h n i q u e si nt h ew i r e l e s s e o m m u n i c a d o n f i r s t l y t h i sp a p e rg i v e sab r i e fd e v e l o p m e n to v e r v i e wo ft h ec h a n n e le s t i n l a t i o n t e c h n o l o g y e s p e c i a l l y , 8 0 m l 。a l g o r i t h m so n t h em u l t i e a r r i e ro f d mc h a n n e le s t i m a t i o na r e i n t r o d u c e di n d e t a i l s e c o n d l y , a i m i n g 砒t h es h o r t c o m i n gn e e d i n g t ok n o wt h es e c o n do r d e r d i s t r i b u t i o no ft h el m m s ea l g o r i t h m , i nt h es c i m i i ot h a tt h ee l a a l m e lp o w e rs p c c l a u mo b e y s e x p o n e n td i s t r i b u t i o n , a n dt h em u l t i - p a t hd e l a yp r o b a b i l i t yd e n s i t yi sau n i f o r md i s l r i b u t i o nc h a m a e l m o d e l ，t h i sp a p e rg i v e sa l la l g o r i t h mt oa d a p t i v e l ye a l e u l a t et h em l l x i m u mm u l t i p a t hd e l a yt h r o u g h t l a cl sc h a n n e le s t i m a t i o n , s ot h a tt h es e c o n do r d e rd i s t r i b u t i o no ft h ec h a n n e lc a l lb eo b t a i n e d a t t h es a m et i m e ，i no r d e rt or e d u c et h ea s s u m p t i o nr e q u i r e m e n t so ft h ee h a t m e le l u w a c t e r i s t i c ，t h i s p a p e rs t u d i e s a l g o r i t h m t o s e p a r a t es i g n a l a n dn o i s e s u b s p a e ew i l h t h e s i n g u l a rv a l u e d e c o m p o s i t i o nm e t h o d f i n a l l y , t h i sp a p e ra n a l y z e st h ei m p a c to ft h ef r a c t i o n a lc a l t i e rf r e q u e n c y o 凰e t so i lt h ep e r f o r m a n c 2o ft h ee h a m a e le s t i m a t i o n a na l g o r i t h mc o m b i n e dt h ec a r r i e rf r e q u e n c y o f f s e ta n dt h ec h a n n e le s t i m a t i o ni sg i v e nw h i c hi m p r o v e st h ea c c u r a c yo ft h ec a r r i e rf r e q u e n c y o f f s e te s t i m a t i o n ad o u b l e - l o o ps l r u e t u r ew l a i e hc 如e s t i m a t et h ef r a c t i o n a lc a l t i c rf r e q u e n c yo 凰e ti s p r o p o s e di nt h ep a p e r , w h i c hc f l t nn o to n l yi m p r o v et h ee s t i m a t i o na c c u r a c y , b u ta l s oe x t e n dt l a es c o p e o ft h ee s t i m a t i o n t h i sp a p e rp r o p o s e sac h a n n e le s t i m a t i o na l g o r i t h mw l a i e hu t h el l l a x i l n u l l l l i k e l i l a o o df u n e t i o nt ot h ec u r r e n tm e t h o do fi t e r a t i v ec h a n n e le s t i m a t i o ns y m b o l st oe l j l l l i n a t et h e i n t l u e n e eo f c a r r i e rf r e q t m c yo f f s e t k e y w o r d ：o f l ) b l c h a n n e le s t i m a t i o n l m m s g c o m b i n e de s t i m a l i o nc a r r i e r l i r e q u e n e yo f f s e te s l i m a t i o n 西安电子科技大学 学位论文创新性声明 秉承学校严谨的学分和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标 注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说 明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名：垄壶蔓笼 日期五翌! ：苎：兰 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保 留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后 结合学位论文研究课题再攥写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。( 保密的 论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在一年解密后适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 日期逆呈：墨：! 二 日期2 乡p i ? 第一章绪论 第一章绪论 由于信道存在多径对延等影响，信号通过无线信道时会发生畸变。为了在接 收端能够正确地解调出发端信息。需要从接收数据中将信道信息准确的估计出来， 因此信道估计是实现无线通信的一项关键技术。因此，对于信道估计的研究是一 项有重要意义的工作。 1 1 信道估计概述 当信号通过无线信道时，由于信道存在多径时延等影响，接收端的信号出现 了码间串扰( i s i ) ，使得符号检测时差错率变高。因此需要在接收端加入均衡器来对 信道失真进行校正补偿。根据接收到的信号，可以直接设计均衡器，也可以首先 进行信道估计，然后再用估计的信道参数设计均衡器。为了方便分析比较，本文 将信道估计和均衡结合在一起构成一个整体来分析。 信道估计均衡按照其应用的通信系统可以分为：单载波均衡和多载波均衡： 1 、单载波均衡( 信道估计) ： 单载波均衡的复杂度与信道的最大时延扩展成正比。一般采用训练序列估计 出信道响应，通过采用自适应算法不断更新均衡的系数来跟踪信道的变化。根据 均衡的输出是否用于反馈控制，可分为线性均衡和非线性均衡两类。线性均衡应 用在信道衰落不严重时，有迫零( z f ) 算法和最小均方误差( m m s e ) 算法。非线性均 衡应用在信道多径衰落严重时，判决反馈均衡( d f e ) 和最大似然序列均衡技术 ( m l s e ) 是非线性均衡中最常见的。单载波频域均衡是现在研究的热点。 单载波频域均衡( s c f d e ) 信道估计：将单载波技术和o f d m 技术结合，如果 信号数据中有训练序列，一般可以根据l m s 算法用己知的训练序列对均衡器的系 数进行训练，否则先用信道相关估计的方法来得到信道冲击响应来初始化抽头系 数，然后再使用自适应均衡器对抽头系数进行进一步的跟踪。单载波频域均衡信 道估计算法有很多，其中有已经被8 0 2 1 6 采用的基于u w ( u n i q u e w o r d ) i “1 的方法： 在通信的建立阶段，采用基于训练帧的信道估计方法；采用n e w m a n n 序列作为训 练帧进行l s 信道估计对可以达到l s 信道估计的m s e 性能界p 2 j 。 2 、多载波均衡( 信道估计) ： 多载波的频域均衡复杂度与信道最大时延扩展的对数成正比。信道的频域响 应可通过在各个符号中插入的导频直接获得，从而使多载波信号的均衡可通过简 单的单点均衡器来完成。现有的多载波系统主要有以下几类： 2 o f d m 系统信道估计技术研究 o f d m 技术信道估计：o f d m 技术是一种特殊的多载波调制方法，其各个子 载保持相互正交。对o f d m 技术信道估计现在已经做了很多研究，由此产生了很多 的信道估计算法，其中主要有基于导频或训练序列的方法，基于判决反馈信道估 计和基于被传输信息符号的有限字符和其统计特性的盲信道估计方法等。 o f d m 技术与多天线分集相结合的m i m o - o f d m 技术信道估计：接收到的信 号是来自不同发射天线的信号的叠加，这些发送的信号到达同一天线时的功率近 似相同。因此如果采用单天线的方法分别进行信道估计，则来自其他天线的干扰 变得很大，从而导致信道估计的均方误差( m s e ) 很大，所以需要采用和s i s o o f d m 系统不同的导频设计原则和信道估计方法。人们对m i m o - o f d m 的信道估计做了 很多的研究：针对2 条发射天线的情况文献皿】给出y m t m o - o f d i m 系统中最小二乘 ( l s ) 准则的信道估计方法，文献【4 给出了最优化导频设计方案，以及假设相邻两 个o f d m 符号内信道近似不变简化算法，文献 3 】通过频域训练符号的组合直接求 解频域信道的方法。考虑到无线信道可以由若干条路径来表示，采用一种包含时 延信息的信道模型，可以通过对信道时延估计来提高估计的精度i t ，其他的还有 基于m m s e 准则的信道估计聆1 和自适应信道估计等。 o f d m 技术与c d m a 相融合的m c c d m a 技术信道估计：最常使用的有基于导 频辅助的l s 算法”、基于d f t 的l s 算法”等。o f d m 技术与空时编码相结合的 s t c o f d m 技术信道估计：在信道传输函数的各元素满足互质并且要求传输的数 据有恒定的模值时，可以采用确定型的盲信道估计法i t o 和对发送的数据进行预编 码的采用基于子空问信道估计法i l l l 等， 信道估计就估计的手段来讲。可以分为三类：盲信道估计、非盲估计和半盲 信道估计。 1 2o f d m 信道估计技术的研究 o f d m 信道估计的方法有很多种，通常可以分为三类： 第一类是基于导频或训练序列的方法： 在发送端的数据流中插入一定数量的已知信号，然后从接收到的信号中提取 出相应的信息。根据某种算法( l s 或m m s e 等) 估计出导频信号处的信道传递函数， 再进行插值运算，即利用这些值估计出数据信号处的信道传递函数。最后，完成 对接收信号的矫正。 最早出现的信道估计的算法是最小二乘( l s ) 算法。它不需要预先知道信道的特 性，实现简单，只需要一个除法器，但是这个算法受噪声影响比较大，性能比较 差。 最小均方误差( m m s e ) 估计是性能最佳的信道估计方法，但是m m s e 的缺点主 第一章绪论 3 要是需要进行矩阵求逆，算法的复杂度高，而且要预先知道信道的特性( 如信道的 相关函数) 。现在对m m s e 算法的改进主要集中在两个方面：降低矩阵的求逆复杂 度和降低对信道特性的假设要求。在降低矩阵的求逆复杂度的方面：用信道的平 均时延来确定算法的阶数m 】，由此降低运算阶数的算法，但是整个系统依赖于对 信道的平均时延的估计；线性最小均方误差( l m m s e ) 估计是在m m s e 基础上的低 阶近似，降低算法的复杂度。在降低对信道特性的假设要求方面：利用无线信道 的时频域二维相关性的r o b u s t 信道估计“7 1 方法，这种方法对无线信道的统计特性 并不敏感，是仍然需要知道部分信道先验信息，包括最大d o p p l c r 频移、最大多径 时延和噪声功率，这些在实际系统中仍然是很难准确获取的；更一般的做法是， 建立一个相似的信道模型，如广义平稳非相关散射信道模型h ”，利用模型的多径 时延自相关函数或多普勒自相关函数，应用到算法中。这种方法在信道模型与实 际信道符合的时候性能比较好，但是当实际信道与模型差距较大即产生失配时， 会有性能的损失。对于多径信道，可以假设信道的功率服从指数分布，通过系统 的功率谱延迟来获得信道的最大多径时延的算法f ”，但是算法是通过累加各个时 刻的值获得的最大多径时延，当数据符号比较多时，会导致判断的值与实际差别 较大。 二维维纳滤波器【l 町是理论上晟小均方( m m s 日意义上的最佳的滤波器，但是二 维维纳滤波的实现有两个缺陷：复杂度很高和需要准确知道时变无线信道的二阶 统计特性。实际中采用的方法之一是将二维的维纳滤波器分成两个时域和频域一 维的维纳滤波器级联1 1 5 】来进行信道估计，它的性能可以和二维的维纳滤波器接近， 但是算法的复杂度和计算量依然很大；另外一种方法就是基于变换域来处理，将 信道估计的问题变换到变换域中去处理以降低系统的复杂度和运算量，主要有奇 异值分解和d f t 的信道估计两种方法。奇异值分解的方法1 仅仅利用了信道频域 的相关性来分析，没有利用信道的时域信息，因此算法的性能有所降低，而且它 对信道的某些参数进行设定和通过对矩阵进行奇异值分鳃德到近似低阶秩矩阵， 虽然降低了系统的复杂度，但是同时也降低了信道估计的精度；d f t 的方法 4 5 1 主 要利用信号处理过程中的在时域补零等效于在频域内插的原理恢复出频率响应， 因为d f t 现在有快速算法，可以降低系统的复杂度，但是这种方法的前提条件是 忡l ：信道多径时延扩展应该是采样时间的整数倍，不满足这个条件系统的性能就 会急剧的下降。可以采用加窗的方法，通过对信道频域进行加窗滤波，通过选取 有特定旁瓣特性的数据窗口来减少变换后的信道冲击响应的扩散来改进性能 1 3 1 。 第二类是判决反馈信道估计： 判决反馈信道估计的基本假设：在两个o f d m 符号的时间间隔内信道是不变或 者变化很小。其中最主要的算法有：采用前一个符号的信道频域响应去均衡后一 个符号瞄】，低通滤波器滤波降噪的滤波器决策反馈m 】，最小均方误差准则的判决 4 o f d m 系统信道估计技术研究 反馈1 等。 采用判决反馈的方法，在传送o f d m 符号时可以少加甚至不加导频信息，有效 的提高传输的效率。缺点是当符号中出现错误时会产生误差扩散，导致系统的性 能下降，只有当训练序列重新到达的时才能重新工作。 第三类是盲信道估计或者半盲信道估计： 与传统的非盲信道相比，盲信道估计不用辅助数据，因此系统的传输效率提 高。但是盲信道估计算法利用信号的统计特性，一般需要较多的数据才可以完成 收敛、完成对信道参数的估计，很难实时快速地跟踪快衰落信道的变化，并且到 一定程度后性能不随信噪比的提高而改善，实现复杂度也较高。现在人们对盲信 道估计做了很多的研究，从信号处理的方法上主要分为以下三类：第一类利用循 环前缀冗余信息，这种方法是基于子空间分解技术】；第二类利用自相关矩阵 的子矩阵m 】，将信号矩阵分解为信号子空间和噪声子空间，利用二者的正交性来 求信号的时域脉冲响应；第三类产生信息的符号为有限字符集特性及其统计特性 3 0 - ”】，在子载波上置零的情况下，也能得到很好的估计值，但这种方法随符号星 座图阶数的增加，计算量增大川等。此外还有迭代贝叶斯法则阱l ，高阶统计量法 【”1 等。 目前出现了一种基于e m ( e x p e g t a t i o nm a x i m i z a t i o n ) 的代估计算法”。这种 方法主要通过迭代的方法来进行信道估计，该算法主要分为两部分，e 步骡和m 步 骤，通过多次迭代求得最优的估计值。 但是以上这些盲信道估计算法不能保证对所有的f i r 信道都能辨识，并且还存 在信号或者符号估计的不确定问题。半盲信道估计既克服了盲信道估计精度低， 收敛速度慢等缺点，而且在同等导频数量情况下获得的信道估计精度要优于非盲 信道估计】。 现在出现了将信道估计和载波频偏联合估计的研究方向，这是因为采用联合 估计可以消除载波频偏对信道估计的影响，获得更加好的性能【，”。o f d m 系统对 载波频偏很敏感m “】，o f d m 系统中子信道的频谱相互覆盖，子信道之间满足严 格的正交性。当无线信号的频谱在传输过程存在的系统噪声或者目标移动导致出 现频率偏移或是发射机与接收机本地振荡之间存在频率偏差都会使o f d m 系统子 载波之间的正交性遭到破坏，产生子信道的信号相互干扰。以前的信道估计中普 遍都是将系统认为准确同步，认为系统没有载波偏差的，但是这种假设是不能够 始终成立的，载波偏差将会使系统的性能恶化，为了提高系统的性能有必要将载 波频偏估计和信道估计联合起来，获得更好的信道估计的性能。 载波频偏会引起接收到的信号频率发生偏移和幅度产生衰减，对o f d m 系统 的插值产生影响以及对系统的m s e 1 产生影响，使系统信干比和信噪比下降 “】。文献 4 0 】利用判决反馈估计载波频偏，然后修正系统的传输函数，通过多次 第一章绪论 的运算来获得最佳的判决效果。算法主要是应用于系统跟踪中，要求系统本身有 较低的误码率，如果误码率超过1 0 2 ，系统性能下降明显，不能准确估算出载 波频偏。 1 3 论文的主要工作 本文主要对o f d m 技术的信道估计算法、载波频偏和信道估计联合估计的算 法进行了研究，主要的成果有： 1 ) 现有的基于假设信道分布的l m m s e 算法，随着信道的变化，最大时延会 发生相应的变化，信道的统计特性不再满足假设的该指数分布，信道估计 的性能会急剧下降。本文给出通过l s 估计实时计算最大时延的算法； 2 1 采用基于假设信道服从分布的l m m s e 信道估计算法，在信道不服从假设 的分布时，容易产生失配。本文研究了一种基于l s 算法，利用奇异值分解 分离信号子空间和噪声子空间的算法： 3 1 给出一种载波频偏和信道估计联合的算法，可以比较精确的估计出小数倍 载波频偏，研究一种双环结构来进行小数倍载波频偏估计，既提高了估计 的精度，又扩大了估计的范围。最后在通过联合估计算法估算出载波频偏 的前提下，本文给出通过使用最大似然函数的方法迭代来对当前符号进行 信道估计，消除载波频偏的影响。 本文的具体安排如下： 第一章，对信道估计技术算法进行分类，重点对o f d m 信道估计技术深入的 研究，讨论了载波频偏和信道估计联合估计，最后指出本文的主要工作和内容安 排。 第二章，首先介绍了o f d m 的基本原理，介绍了无线传输的特性：衰减作用、 多径传播和多谱勒效应给信号带来的影响。描述多径传播信道的模型：瑞利 ( r a y l e i g h ) 衰落、n a k a g a m i - m 分布和莱斯( m e e a a ) 分布模型。无线通信中两种具有 典型代表意义的信道模型：s u i 信道模型和i t u 1 2 2 5 r m 信道模型，最后给出了本 文仿真中所用的信道模型和本文仿真o f d m 系统条件。 第三章，主要对0 f d m 系统中信道估计的三部分做了研究，分析了导频的选 择与插入，给出导频符号在时域和频域方向要满足的条件，分析了常见的四种导 频形式的性能的优缺点；分析了四种导频位置信道信息的获取的方法：l s 、 l m m s e 、s v d 以及变换域滤波；分析了通过导频位置的信道信息获取全部子载波 的信道信息的方法：分段常数内插、线性内插、高斯内插、c u b i e - s p l i n e 内插和低 通滤波插值算法，比较各种算法的优劣。针对l m m s e 算法给出了两点改进：通 过信道的l s 估计的值获得最大时延值的算法，仿真结果表明系统在存在多谱勒频 6 o f d m 系统信道估计技术研究 移时，获得比固定系数的方法大约l d b 的优化：针对现在l m m s e 算法是假设信 道分布，研究了一种基于l s 算法，利用奇异值分解分离信号空间和噪声子空间的 算法，仿真结果表明采用分离子空间的方法可以获得比基于假设信道分布的性能 l d b 的优化。 第四章，通过理论分析和m a t l a b 仿真表明存在小数倍载波频偏对信道估计 的影响：当存在小数倍载波频偏时，o f d m 系统的信道估计的性能会急剧下降。 本文首先给出一种载波频偏和信道估计联合的算法，比较了基于m l 算法、利用 导频处的信息的算法和载波频偏和信道估计联合算法的估计小数倍载波的性能， 可以看出采用联合算法的性能要优于其他两种估计的性能，考虑到采用联合估计 算法要求小数倍载波频偏要求满足：占 0 3 ，根据文献f 4 9 】研究一种双环结构的载 波频偏估计。使小数倍载波频偏估计的范围到达1 0 2 数量级，最后在估算出载波频 偏的前提下，本文采用最大似然函数的方法迭代消除载波频偏对本符号的o f d m 性能的影响。 第五章，总结论文的内容，对下一步的研究工作指明方向。 第二章o f d m 原理及无线信道传输特性 第二章o f d m 原理及无线信道传输特性 随着无线通信技术的不断发展，人们对于包括音频、视频在内的多媒体通信 的要求日益强烈，要满足这个要求就必须提供具有很高的数据传输速率。o f d m 技术具有频谱利用率高、抗噪声能力相当强、适合高速数据传输等优点。正是由 于具有这些优点，o f d m 技术现在已经被广泛应用于广播式音频、视频领域和民 用通信系统，主要的应用包括：非对称数字用户环路( a d s l ) 、e t s i 标准数字音频 广播( d a b ) 、数字多媒体广播( d s m ) 、数字视频广播( d v a ) 、高清晰度电视( h d l 、 无线局域网( w l a n ) 等。无线移动信道是在频率和时闯上都是衰落的，是双重色散 的，因此研究无线移动信道对研究信道估计技术有很重要的作用。 o f d m 是一种特殊的多载波调制( m c m ：m u l t i c a r r i e r m o d u l a t i o n ) 系统，与传统 的频分多址( f d m a ：f r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 在有些方面是相似的，它 们都是通过将有用频带细分为多个信道然后分配给用户来提供多用户接入。 在传统的频分多址系统中，整个信号频段被划分为n 个相互不重叠的频率子 信道( 图2 1 ) 。每个子信道传输独立的调制符号，然后再将n 个子信道进行频率复 用。这种传输方式不能有效利用频谱资源。为了增加频谱效率，提高利用率而提 出了o f d m 技术。 1 啵 像| 、。 l 1 石 保护 正 间隔 图2 1f d m 频谱 。 o f d m 技术是将有用频谱资源分成多个子信道，传输时将一个串行高速码流 变成多个并行低速码流，并将每一个子码流用一个子载波进行调制，最后将多个 子载波并行传输。因此，虽然总的无线信道的频率响应是非平坦，即具有频率选 择性，但是每个子信道上是相对平坦，克服了频率选择性衰落。由于时域是一系 o f d m 系统信道估计技术研究 列矩形码元，故频域每个子载波信号的频谱为s i ( x ) i x 函数( 图2 2 ( a ) ) ，且保持相 互正交，每个子载波上进行的是窄带传输相邻子载波间有1 2 的重叠( 图2 2 ( b ) ) 载 波间结合的很紧凑达到了理论值，频谱效率提高了将近l 倍，信号带宽小于信道 的相应带宽，因此o f d m 比f d m 有更高的频谱利用率。 图2 2 ( a ) 单个o f d m 于带频谱图2 2 0 ) o f d m 信号频谱 下面简单介绍o f d m 调制解调的过程：在发送端，将一串信息单元序列以， d l ，d 。串并变换成n 路信息单元，分别调制在正交的n 个子载波兀，正， 厂上，然后将n 路调制信号相加发送出去；在接收端，首先对接收信号进行采 样，然后使用n 个相同的子载波进行n 路解调，再将这n 路解调信号并串输出， 复现发送的信号为，研，以。设 z ，五，厶。) 是一组载波，则各载频的 关系是： 五= 五+ 七r , k = 0 , 1 ，2 一1( 2 - 1 ) 其中l i t , 是子载波间隔，f o 是载频。 设载波的单元信号组定义： 舭) = 州d 艺q ( 2 - 2 ) 可以证明频谱相互交叠，因此p 。( f ) 满足正交条件： f 以。归( f ) 出= it 。b ，, m m = h n ( 2 3 ) 当以一组取自有限集的a ( n ) 表示数字信号对p 。( f ) 调制时，调制后的信号s ( f ) 为： s ( 力= 荆一缸巾f 【o ，乃】( 2 - 4 ) s ( o 即为。f 。m 信号当v = 壶= 专，对接收到的信号s ( f ) 进行采样有： 第二章o f d m 原理及无线信道传输特性 s ( | j 瓦) ：兰d ) e j 2 赢蠕；芝d ( h ) 一：m , v = n i d f t d ( 。) 】 o _ i 一1 ( 2 5 ) n = o n f f i o 可以看到s ( k ) 是d ( n ) 的i d f t ，所以接收端d ( ) 可通过s ( k ) 的d f t 得到 n - i d ( 玎) = s ( k ) e - m “”= d f t s ( k ) 】0 - s n - 1 ( 2 6 ) k = 0 根据上述分析可以看到，o f d m 系统的调制和解调可以分别由i d f t f d f t 来 代替通过n 点i d f t 运算，把频域数据符号4 变换为时域数据符号s ( _ i ) ，经过 载波调制之后，发送到信道中。在接收端，将接收信号进行相干解调，然后将基 带信号进行n 点d f t 运算，即可获得发送的数据符号。 2 2 无线信道特性及多径信道模型 2 2 ，1 无线传输的信道特性 相对于有线传输系统，无线传输环境要复杂和恶劣得多。呈现出一种与静态 特性不同，无线信道更多地呈现出随机特性和时变特性。无线信道对传输信号的 影响可表现为以下几个方面：衰减作用、多径效应和时变性。 1 衰减作用 发送信号经多次反射、折射和散射等达到接收机，当多个信号达到接收机时， 它们随机叠加可能造成接收信号幅度的极大变化，表现为衰落现象。无线信道传 输路径的长度和路径中障碍情况引起的信号衰落可以分为三类： 1 、大尺度衰落 无线电波在自由空间内传输时，其信号功率会随着传播距离的增加而减小， 即无线信道的大尺度衰落会导致信号的信噪比降低。对数据速率以及系统性能带 来不利影响。在郊区、平原或者海平面等宽阔地带，大尺度衰落是传播损耗主要 考虑的问题，但在一般蜂窝系统中，由于小区规模较小，这种衰落对通信系统的 影响并不需要单独加以考虑。 2 ) 小尺度衰落 无线信号在经过很短的传播时间或距离内幅度有很大的衰落，这种衰落的程度 和影响远远大于大尺度衰落。接收到的信号就是由许多不同路径的信号反射、折 射合成的，会引起在接收的时候多个信号叠加引起相位的变化，同相的信号被增 强，异相减小。接收信号的幅度急剧变化，这种衰落的现象就是小尺度衰落。 其次，在无线移动信道环境中，由于移动台的运动，还会使无线信道呈现出时 o o f d m 系统信道估计技术研究 变性，造成接收信号的多普勒频移，而多个多径分量经由不同的方向到达接收机， 就会造成接收信号的多普勒扩展。由于存在多径时延和多普勒频移，信道频率响 应在频率方向和时间方向都会产生波动。 3 ) 阴影衰落 是一种慢衰落，当无线电波在传播路径上遇到起伏地形、高大建筑物、植被 等障碍物的阻挡时，会产生电磁场的阴影；接收信号通过不同的障碍物阴影时， 场强中值发生变化，从而引起服从对数正态分布的阴影衰落。 2 、多径效应 、 接收天线接收到的信号是经过不同的路径到达的，由于各条路径分量经历的 传播路径不同，因此具有不同的时间延迟和相位，这就使得接收信号的链量在时 间上被扩展，而接收到的信号是这些信号的叠加信号，因此会产生信号的变化从 而产生衰落。发端发送的是一个窄脉冲信号，而接收到的可能是多个窄脉冲信号 的叠加。第一个到达和最后一个到达的信号分量之间的时间差是最大时延扩展。 由于时延扩展的存在，使接收到的这个符号的波形会影响到其他的符号。造成符 号间干扰o s l ) 。强的i s i 会使得接收机的符号判决性能出现严重的下降。从频域看， 如果多径信道具有恒定增益和线性相位的带宽范围( 相干带宽) 小于发送信号的带 宽，则该信道特性会导致接收信号波形产生频率选择性衰落，引起数字信号传输 出现i s l 。 3 、时变性 信道的时变性是只信道的传输函数是随时间变化的，它是由于发射机和接收 机之间的相对运动引起的，或者是由于信道中的其他物体的运动引起的，描述这 个特性主要是用多谱勒扩展和相干时间。多谱勒频移是由于多谱勒效应引起的附 加频率偏移。它与移动台的速度、运动的方向、接收机多径波的入射角等有关。 相干时间与多谱勒频移成反比的关系，是信道冲击响应维持不变的时闻间隔的统 计平均值。它在一段时间间隔内，两个到达信号有很强的幅度相关性。 如果符号宽度大于无线信道的相干时间，那么信号的波形可能会发生变化， 产生时间选择性衰落，即快衰落：反之，则认为是非时间选择性衰落，即慢衰落。 2 2 2 多径传播信道的模型 在地面无线通信系统中，电波在三维空间传播。基站发射的信号和移动台的 天线通常都是采用垂直极化，然而在实际使用过程中，二者还是存在着一定的夹 角，加上传播的环境比较复杂，导致电磁波的极化的类型发生转化。如果移动台 之间的距离足够长，则可以认为是二维的。 设发射的信号为s ( t ) c o s w o t ，其中s ( f ) 表示的是发送信号的复包络则经过万条 第二章o f d m 原理及无线信道传输特性 路径传播之后的接收信号可以表示为 ： r ( f ) = q ( t ) c o s w o t - r ，( t ) = c ( f ) c o s 【w o h 破( f ) 】 ( 2 - 7 ) l = 11 = 1 其中，c a t ) 和f 妁分别表示第i 条路径接收信号的幅度和传输时延，它 q j ，( t ) = 一w o r 。o ) 。通常，幅度和相位是缓慢变化的随机过程，接收信号可以看作一 个窄带过程。因此，式( 2 7 ) 可以写成： r ( f ) = c l ( t ) e o s 谚( t ) c o s w o t - c t ( t ) s i n q b i ( t ) s i n w o t ( 2 - 8 ) 1 1 1i = l 设： 五( f ) - - z c j ( t ) c o s 旃( t ) i - i 五( f ) = c f o ) s i n 谚( f ) ( 2 9 ) 则式( 2 8 ) 变为： r ( t ) = x 。( t ) c o s w o t x ，( t ) s i n w 0 ( t ) = v ( t ) e o s w o t + 伊( r ) ( 2 - 1 0 ) 其中，以力表示合成波的包络，( 力表示合成波的相位。 fy ( r ) = 扛丽丽i 1 = 嚣 口1 d 从式( 2 1 1 ) 可以看出：从波形上看，多径传播使单载波信号变成了包络和相位 都受到调制的窄带信号，通常称这样的信号为衰落信号：从频谱上看，多径传播 引起频率弥散，即由单一的频率变成一个窄带频谱。通常，描述多径传播信道模 型主要有以下三种： a 1 瑞利( p a y l e i g h ) 衰落 当接收到的信号是由大量的平面波复合而成的时候，此时接收到的信号可以 看成是广义平稳的复高斯过程。当多径数目较大的时候，对于任意时刻t ，z 和置 可以看成服从高斯分布( 均值为0 ，方差为占2 的高斯随机变量) ，并且相互完全独立， 两者组合成的幅度x - - 4 霹( f ) + 霹( f ) 服从瑞利分布如图2 3 ，相位妒服从均匀分布 跚： p = 李e x p ( 参，o “ o ( 2 - 1 4 ) 其中而是零阶第一类修正b e s s e l 函数，q = e ( r 2 ) 以及s 2 = m ；- i - m ：，m i 和t e l 2 分别是两个高斯随机变量的均值。当主要分量减弱时，就转变为r a y l e i g h 分布。 图2 3 r a y i e i g h 包络电平图 图2 4 r i e e a n 包络电平图 c ) n a k a g a r a i - m 分布 另一种概率分布模型是n a k a g a m i - m 分布，其分布函数定义为1 ： n ( 一= 丽2 【习m 中“e x p ( 一手，r o ( 2 - 1 5 ) 其中，r ( m ) 是r 的函数，q = e ( r 2 ) ，衰减因子m 为： m = 南，m 圭 1 = ：_ ，之一l z o 研( r 2 一q ) 1 2 、。 与瑞利分布不同的是，n a k a g a m i - m 分布的参变量有两个，n a k a g a m i - m 分布可 以用来模拟比瑞利分布缓慢或者快速的衰落条件。观察可知，m = l 时n a k a g a m i - m 分布就变成了瑞利分布，r e = l 2 时，n a k a g a m i - m 分布就变成了单边高斯分布； m 斗时，n a k a g a m i - m 分布就成了一个脉冲( 无衰落) 。 第二章o f d m 原理及无线信道传输特性 2 3 无线通信中典型信道模型 无线通信的信道模型有很多，其中具有典型代表意义的由以下两类： 1 、s u i 信道模型： 由斯坦福大学提出了s t a n f o r du n i v e r s i t yi n t e r i m ( s u l ) 模型是基于8 0 2 1 6 a 环境 为非视距f n l o s ) 传输环境，包括s u i 一1 s u i 6 共六种信道。按地形的不同可以分 为以下三类： a 类：多山树木密度较大的地形，建议采用s u i 5 ，s u i 6 信道： b 类：树木密度中等的地形，建议采用s u i 一3 。s u i _ 4 信道； c 类：平坦树木密度较小的地形，建议采用s u i - 1 ，s u i - 2 信道。 以s u i 一3 为例，如表2 1 所示，该模型定义了一个三径的r i e e a n 信道：主径 服从k 因子( 该径上的直射分量和散射分量功率之比) 为1 的r i c e 2 t n 分布，其余两 径服从r a y l e i g h 分布。 2 1s u i 信道模型参数 信道模型各径b。延扩展 g s 】各径功率衰减 d b 】k 因子( 全向天线) t a p lt a p 2 t 3t 1 t a p 2t a p 3t a p l t 2t a p 3 羽丁i 一100 40 901 52 0 4 00 如i 200 41 101 21 5200 文玎一300 40 9051 0100 s u l 401 54048000 s 叮504 1 00 5 1 000 0 双6 01 42 001 01 400 0 2i t u 1 2 2 5k m 信道模型： 广义平稳非相关散射模型是能够同时显示时延扩展和多普勒扩展。当不相关 的路径个数足够大时，信道冲激响应的二次分量变为高斯广义平稳非相关散射( 中 心极限定理) 。广义高斯散射模型与许多实际多径衰落信道相吻合。瑞利衰落信道 的离散冲激响应的数学模型可以表示为旧】： l - ! h ( t ，f ) = k ( f ) 以p a ( t - r ) ( 2 1 7 ) m = 0 其中表示离散传输的路径数，f _ 表示第m 条路径的相对应的时延，k ( r ) 服 从瑞利分布，色服从均匀分布。 i t u 1 2 2 5r m 信道模型测试环境有分为3 种： 1 4 o f d m 系统信道估计技术研究 1 ) 室内：基站和移动台位于建筑物内：小尺寸蜂窝，d o p p l e r 频率由步行速度 决定； 2 ) 步行：基站的天线高度较低，位于室外，较低的发射功率，d o p p l e r 频率由 步行速度决定，偶尔受车速影响： 3 ) 车速：基站使用屋顶天线，用户处于车速、步行或者静止状态。更大的尺 寸蜂窝，d o p p l e r 频率由车速度决定，更低的频率用于步行和静止的用户 其中的城市的室内模型如下表2 2 所示，其中c h a n n e la 代表较低的延迟扩展， c h a n n e lb 代表较高的延迟扩展。 表2 21 t u - r m 1 2 2 5 城市的“i n d o o r 模型 t 印 c h a n n e 卜ac h a n n e l - ac h a s m l - bc h a n n e l b d o p p l e r 相对延迟 矧平均功率【加】相对延迟 删平均功率 d b 】 频谱 10000f l a t 2 5 0301 0 03 6f i a t 31 1 0 1 00 2 0 0- 7 2 f h t 41 7 01 & 03 0 01 08f l a t 52 9 02 605 0 01 80f 1 a t 63 1 0 一3 207 0 02 52 f 1 a t 本文选用的信道模型：本文选用与许多实际多径衰落信道相吻合满足广义