基于導(dǎo)頻的OFDM信道估計(jì)中插值的研究論文.doc

本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）論文題目：基于導(dǎo)頻的OFDM信道估計(jì)中插值的研究學(xué)生姓名：所在院系：機(jī)電學(xué)院所學(xué)專業(yè)：應(yīng)用電子技術(shù)教育導(dǎo)師姓名：完成時(shí)間：摘要正交頻分復(fù)用（OFDM）技術(shù)是一種高效的數(shù)字傳輸技術(shù)，它可以被看作一種調(diào)制技術(shù)，也可以被當(dāng)作一種復(fù)用技術(shù)，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(shù)。移動(dòng)通信中的無線傳輸信道是一個(gè)時(shí)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(yīng)該被合理補(bǔ)償。信道估計(jì)技術(shù)作為獲得信道衰落參數(shù)的手段，是現(xiàn)代無線通信領(lǐng)域中的一個(gè)研究熱點(diǎn)，它是接收端進(jìn)行相干檢測(cè)、解調(diào)、均衡的基礎(chǔ)，是提高無線數(shù)據(jù)傳輸接收性能的關(guān)鍵技術(shù)之一。在信道估計(jì)中，插值是個(gè)很重要的環(huán)節(jié)，在保證導(dǎo)頻信號(hào)估計(jì)的正確性前提下，插值方式的好壞決定了信道估計(jì)性能的優(yōu)劣。本文用數(shù)值分析的方法對(duì)基于導(dǎo)頻的OFDM系統(tǒng)信道估計(jì)中的插值問題進(jìn)行對(duì)比分析，并通過仿真實(shí)驗(yàn)，得出了科學(xué)的結(jié)論，給出了在不同的信噪比條件下應(yīng)采用的導(dǎo)頻圖案及插值方法。關(guān)鍵詞：正交頻分復(fù)用，信道估計(jì)，導(dǎo)頻，插值A(chǔ)bstractOrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing(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(jì).43.1信道模型.43.2基于導(dǎo)頻的OFDM系統(tǒng)信道估計(jì)算法分析模型.53.3幾種常用的信道估計(jì)算法.53.3.1最小二乘（LS）信道估計(jì)算法.63.3.2最小均方誤差（MMSE）信道估計(jì)算法.63.3.3最大似然（ML）估計(jì)算法.74信道估計(jì)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(shí)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(jié)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(yùn)算量比較.156結(jié)論.16致謝.16參考文獻(xiàn).17附錄.181緒論正交頻分復(fù)用（OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing，OFDM）是一種特殊的的高速傳輸技術(shù)，多載波調(diào)制（MCM）方式，它可以被看作一種調(diào)制技術(shù)，也可以被當(dāng)作一種復(fù)用技術(shù)，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(nèi)將系統(tǒng)的總帶寬劃分成許多子信道，每個(gè)子信道都采用彼此正交的并行子載波來進(jìn)行傳輸。由于各個(gè)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(fù)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(zhuǎn)換到各個(gè)子載波上，每個(gè)子載波上的比特速率大為降低，每個(gè)子載波中的符號(hào)周期會(huì)相對(duì)增加，因此能有效抑制由于多徑時(shí)延擴(kuò)展造成的符號(hào)間干擾（ISI）。由于OFDM技術(shù)的良好抗符號(hào)間干擾（ISI）性能及對(duì)頻譜資源的高效利用性，它已經(jīng)成功地應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)的無線本地局域網(wǎng)（WLAN）以及非對(duì)稱高速率數(shù)字用戶線技術(shù)（ADSL）等領(lǐng)域。并且，世界普遍認(rèn)為，OFDM將是未來第四代無線移動(dòng)通信中的關(guān)鍵技術(shù)之一。移動(dòng)通信中的無線傳輸信道是一個(gè)時(shí)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(yīng)該被合理補(bǔ)償。信道估計(jì)技術(shù)作為獲得信道衰落參數(shù)的手段，是現(xiàn)代無線通信領(lǐng)域中的一個(gè)研究熱點(diǎn)，它是接收端進(jìn)行相干檢測(cè)、解調(diào)、均衡的基礎(chǔ)，是提高無線數(shù)據(jù)傳輸接收性能的關(guān)鍵技術(shù)之一。同差分解調(diào)相比帶有信道估計(jì)的導(dǎo)頻符號(hào)輔助相干解調(diào)，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(diào)制技術(shù)（如M-QAM）；此外，信道估計(jì)還能提供空時(shí)碼解碼及多用戶檢測(cè)、最大比分集合并等技術(shù)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(gè)數(shù)據(jù)包經(jīng)歷的信道狀態(tài)，信道估計(jì)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(diào)（CoherentDetection）技術(shù)獲得較高的性能。因此信道估計(jì)成為完全實(shí)現(xiàn)OFDM系統(tǒng)優(yōu)良性能的關(guān)鍵技術(shù)之一。信道估計(jì)有利于消除信道對(duì)OFDM系統(tǒng)性能的影響，是進(jìn)行相關(guān)檢測(cè)、解調(diào)、均衡的基礎(chǔ)。傳統(tǒng)的無線通信系統(tǒng)中信道估計(jì)方案已經(jīng)較成熟，而對(duì)于OFDM的移動(dòng)通信系統(tǒng)的信道估計(jì)方法尚處于研究和探索階段。信道估計(jì)的方法總體可分為時(shí)域信道估計(jì)算法和頻域信道估計(jì)算法兩大類，又可分為基于導(dǎo)頻或訓(xùn)練符號(hào)的輔助信息信道估計(jì)算法和盲信道估計(jì)算法兩大類。盲估計(jì)基于子空間算法及高階統(tǒng)計(jì)量，其運(yùn)算量大、靈活性差，在實(shí)時(shí)系統(tǒng)中的應(yīng)用愛到很大限制。導(dǎo)頻輔助估計(jì)通過在時(shí)域和頻域插入導(dǎo)頻，先進(jìn)行導(dǎo)頻位置的估計(jì)，再根據(jù)不同的導(dǎo)頻圖案對(duì)信道的全響應(yīng)做出估計(jì)。對(duì)導(dǎo)頻位置估計(jì)的準(zhǔn)則有最小平方（LS）、最小均方誤差（MMSE）、最大似然估計(jì)（MLE）等。在正交頻分復(fù)用（OFDM）系統(tǒng)中常通過插入已知的導(dǎo)頻信號(hào)進(jìn)行信道粗估計(jì)，然后通過插值方法求出信道的全響應(yīng)。在信道估計(jì)中，插值是個(gè)很重要的環(huán)節(jié)。在保證導(dǎo)頻信號(hào)估計(jì)的正確性前提下，插值方式的好壞決定了信道估計(jì)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(shí)域插值、基于低通濾波的變采樣率插值（Resample）等。而在基于導(dǎo)頻的OFDM系統(tǒng)信道估計(jì)中，至今尚未見相關(guān)文獻(xiàn)對(duì)其中的插值問題進(jìn)行科學(xué)分析。2OFDM原理和系統(tǒng)模型正交頻分復(fù)用（OFDM）是一種特殊的多載波調(diào)制（MCM）方式，它可以被看作一種調(diào)制技術(shù)，也可以被當(dāng)作一種復(fù)用技術(shù)。它的主要思想就是在頻域內(nèi)將總的信道分成很多個(gè)子信道，每個(gè)子信道上使用一個(gè)子載波進(jìn)行調(diào)制，各個(gè)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(zhuǎn)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(gè)子信道是相對(duì)平坦的（頻帶窄），信號(hào)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(duì)各路正交子載波的調(diào)制就用快速傅立葉反變換（IFFT）來實(shí)現(xiàn)。為了消除多徑效應(yīng)帶來的碼間干擾（ISI），在每個(gè)OFDM符號(hào)前面插入了循環(huán)前綴（CP），將OFDM每個(gè)符號(hào)最后一段波形復(fù)制到該符號(hào)前面。CP作為一種保護(hù)間隔，它使ISI幾乎完全消除。信息數(shù)據(jù)調(diào)制編碼串并變換加入導(dǎo)頻IFFT插入CP并串變換衰落信道串并變換去除CPFFT信道估計(jì)并串變換解調(diào)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(jìn)制信息經(jīng)過多進(jìn)制調(diào)制成組地映射成QPSK或QAM信號(hào)，經(jīng)過串并變換再插入導(dǎo)頻之后，頻域信號(hào)()Xk經(jīng)過IDFT變換成為時(shí)域信號(hào)()xn，然后插入保護(hù)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(hù)間隔（即CP）所含的采樣點(diǎn)數(shù)。接著發(fā)送信號(hào)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(dá)接收端，則接收信號(hào)的表達(dá)式為()()()()ggynxnhnwn(2)式（2）中，()hn是信道的脈沖響應(yīng)，()wn是加性高斯白噪聲，符號(hào)“”表示卷積運(yùn)算。無線移動(dòng)信道通常采用廣義靜態(tài)非相關(guān)散射（WSSUS）信道模型，所以信道脈沖響應(yīng)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(fù)脈沖響應(yīng)，iDf是第i徑上的多普勒頻移，表示時(shí)延擴(kuò)展索引，i是第i徑由采樣時(shí)間歸一化的延時(shí)。從()gyn上去掉保護(hù)間隔得到序列()yn，再經(jīng)過DFT變換，得到頻域序列()Yk。假設(shè)保護(hù)間隔長(zhǎng)度大于信道的脈沖響應(yīng)長(zhǎng)度，那么OFDM符號(hào)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(dǎo)頻信號(hào)()pYk，從而得到導(dǎo)頻子載波上的信道響應(yīng)()pHk，再經(jīng)過插值得到完整的信道響應(yīng)()Hk。這樣，發(fā)送數(shù)據(jù)()Xk就可以通過在每個(gè)子載波上作一個(gè)單抽頭的復(fù)數(shù)除法而簡(jiǎn)單地恢復(fù)出來。即()()0,1,1()YkXkkNHk(5)式（5）中，()Hk是()Hk的估計(jì)值。從式（5）中也可以看出OFDM系統(tǒng)相對(duì)于單載波系統(tǒng)而言，其均衡復(fù)雜度要低