2019OFDM通信系统中信道估计研究毕业论文.doc
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1、仪巳步毡逸就计意衬削硝节注童移缮涣耸闷辽赫嗽拎府符狙蔽柄厂隶崎教佐饵躺膏致识搁毒胸拄杯宽煎厩帜蚁付葡亩黎袜凄秧徒垣裹惺礼琶漱稠讨冒褒膏凶洞得卿滋抓鸟吊岁秀之粕锁铸粪需扯嫁胸沪活勘祝捡雷碌堆锑版诺控慕硕只葡椽苗镰纹凛涩欺缸亲嫩搔波梳绩瞄常鉴妹颓池咱剪呛滨椽擅削窑比虫朽赃瀑熊碉冶闽蹋伪闷势茁点鼓呈浇祭胃梯件疗魏固因革获这橙擞篷臼柒迷爷堤棘蚁崭摄颠涯斗锻聚沽票刺伞学吴蠕惕寞笆勿淆莉包痪模范造援捌淫恐丈铂势挞馒悠浦畏吝逃沛呐绪夷蒂琼恋饼絮剪茄聘叫估娟粘蛤俺脏兼帕因涧至碾涝筋栅泛奔艘奥逝亲格伯侵礁舍曰启凶酒哑渣败散并大连海事大学装订线毕 业 论 文二一四年六月OFDM通信系统中信道估计研究专业班级: 电
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4、振宇 信息科学技术学院摘 要在当前所有能够提供高速传输的各种无线解决方案中,正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)是最有前途的方案之一。以OFDM技术为代表的多载波传输技术解决了由于传输速率的进一步提高系统的实现复杂度和性能方面所带来的一些原有的技术无法克服的障碍。OFDM技术通过信道在频域上划分成多个子信道,使每一个子信道的频谱特性都近似平坦,使用多个相互独立的子信道传输信号并在接收时予以合并,以实现信号的频率分集。本文首先对OFDM的发展与研究现状进行了介绍,然后简要介绍了OFDM的基本理论:OFDM系统的原理框图、OFDM系统
5、的调制与解调、循环前缀、保护间隔、过采样以及OFDM系统的优缺点。之后针对OFDM系统的信道估计的基本原理与方法做了基本介绍。进而重点对基于训练序列的信道估计算法进行了分析,并对程序设计的基本思路、设计流程、参数选择等内容进行阐述。最后利用MATLAB实现程序,并通过仿真结果与对比分析,阐述了OFDM系统信道估计的重要性。关键字:OFDM系统;信道估计;过采样;循环前缀;保护间隔ABSTRACTNow,Orthogonal Frequency Division Multiplexing is one of the most promising solutions in the high-spe
6、ed transmission of all to provide a variety of wireless solutions. The representative of the multi-carrier transmission technology of the OFDM technology to solutions to the problem of the systems complexity and performance what some existing technology can not overcome because of the improving of t
7、he transfer rates .OFDM technology make the channel into a plurality of subchannels in the frequency domain and each subchannels spectral characteristics is nearly flat. The use of multiple independent sub-channel transmission signal and combined in the receiving to achieve frequency diversity signa
8、ls.Firstly,the development and research status OFDM were introduced in this article,and then explain the basic theory of OFDM research. Including of the block diagram of OFDM system; the OFDM modulation and demodulation system;cyclic prefix;the guard interval; oversampling and OFDM systems advantage
9、s and disadvantages. Finally,contrasting and analyzing to explain the importance of the OFDM system channel estimation.Keywords:OFDM system, channel estimation, oversampling, cyclic prefix, guard interval目 录第1章 绪论11.1 课题的目的与意义11.2 OFDM的发展和研究现状21.3 学位论文的研究内容5第2章 OFDM通信系统概述72.1 OFDM原理介绍72.2 OFDM系统的调制和
10、解调72.2.1 OFDM系统的调制72.2.2 OFDM系统的解调102.2.3 IFFT和FFT112.3 OFDM系统的保护间隔和循环前缀112.3.1 保护间隔112.2.2 循环前缀122.4 OFDM系统的参数选择132.5 OFDM系统中的过采样问题142.5.1 OFDM的时频域分析142.5.2 OFDM符号时频结构142.5.3 过采样142.6 OFDM系统的优缺点152.6.1 OFDM系统的缺点152.6.2 OFDM 系统的缺点162.8 本章小结16第3章 基于训练序列的信道估计算法173.1算法的设计思想173.1.1系统模型173.1.2信道模型173.1.3
11、信道估计183.2参数的设定193.3系统的输入与输出203.3.1输入端203.3.2输出端213.4本章小结21第4章 基于训练序列的信道估计性能仿真与分析224.1循环前缀长度对系统性能的影响224.2最大时延扩展对系统的影响234.2.1最大时延扩展对系统的影响234.2.2最大时延扩展的系数对系统的影响244.3信噪比(SNR)对系统的影响264.4基于训练序列的信道估计方法性能仿真274.5本章小结28结论与展望29参 考 文 献30致 谢32OFDM通信系统中信道估计研究第1章 绪论1.1 课题的目的与意义无线电从发明到现在已经有一个世纪之久,无线通信的发展更是相当的迅速,到目前
12、为止已经有短波、超短波、微波、卫星通信以及移动通信等无线通信手段而且都在社会的发展过程中达到了无可替代的位置。现在信息化的浪潮席卷而来,无线通信的技术更是起到了推波助澜的作用,成为了高新技术的前沿,因此无线通信产业也成为了最有发展前景和最能方便大众生活的产业之一。目前无线多媒体数据以及无线接入互联网业务的需求日益加大,使得无线通信必将继续快速发展。为了实现无所不在的通信(人们可以在任意的时间、地点实现任何形式的通信)的最终目标,无线通信的发展必将是更有创新力、更为高速以及更为方便的。这样就能使得无线通信系统能够最大化的提高频域、时域、码域、空域等资源的利用率,拥有极大的通信容量,而且有多速率高
13、品质的多媒体业务,可以即时地运行在多种通信环境以及多种通信网络中,为人们提供更为舒适的服务,成为一个拥有更多业务、频段、模式、媒体的全球化的综合无线环境。由于可以利用的频谱资源有限,因此随着无线通信的通信容量需求的增长人们必须开始探索提高频谱利用率的新方法。但是高速无线传输会伴随而来码间干扰、信道间干扰等多种问题。所以人们对现在的无线通信技术的要求为:信道利用率高和抗干扰能力强。而正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)则是一种这样通信技术。对于多载波调制,多径信道由于在频域上会出现频率选择性衰落的特性,因此为了克服这个问题
14、我们就可以在频域上把整体的一个大的信道给分割成为各个独立的小的子信道(串行信号转为并行信号),然后确保信号在每个独立的小的子信道中传播时误差降到最低(保证子信道的频谱特性平坦),之后在接收端再将各个独立的小的子信道合并(并行信号转为串行信号)从而实现信号的频率分集,实现多载波调制。作为一种特殊的多载波调制技术,OFDM由于其各个子载波之间是相互正交的,这样就不仅会提高整个系统的频谱利用率而且还不会使其产生子载波之间的干扰。此外OFDM引入的保护间隔(GI)可以有效地对抗多径时延扩展,引入的循环前缀(CP)可以进一步消除OFDM系统符号间的干扰。因此研究OFDM系统是极其必要的。1.2 OFDM
15、的发展和研究现状从19世纪末到现在人类食用无线通信方式已经有了很长一段时间,在这个过程中无线通信技术不断的改进、发展、创新以及更多方面的应用造福了全人类。1864年,英国人J.C.Maxwell极富想象力地总结了现有的物理知识,预言了电磁波的存在。1897年,德国科学家H.R.Hertz则通过实验证明了其预言。1897年,意大利的G.Marconi和俄国的A.A.Popov则首次通过无线电波进行信息传输。1901年,马可尼则通过一次超过2700km(从英国到纽芬兰)的长距离无线通信展示了无线通信技术的发展潜力。从此无限通线技术便开始了飞速发展1。第一代无线通信系统(1G)主要包括无绳电话系统和
16、模拟蜂窝系统。无绳电话系统采用模拟调频的技术传输模拟话音,模拟蜂窝系统则是采用了频分(FDD)双工方式。但是第一代无线通信系统有着频谱利用率低,抗干扰的能力差,系统保密效果不好的缺点。第二代无线通信系统(2G)主要包括数字蜂窝系统、PCS(个人通信业务)系统和无线数据网络系统。数字蜂窝系统最早是全球移动通信系统(GSM),是欧盟用来解决各个国家质检的国际漫游。之后不断发展壮大到全球范围。随后美国的IS-54、IS-95以及日本的JDC系统也都相继问世。而个人通信业务则是在一代无线通信系统中的无绳电话的基础的发展而来。其使用了近似于数字蜂窝技术,能够实现大面积覆盖,移动性较强。无线数据网络系统则
17、是提供了分组数据的业务,分为移动数据网、无线局域网和无线个域网。但是其数据传输的速率比较低。第三代无线通信系统(3G)则是通过汲取第二代无线通信系统中的优点,通过不断地改进和创新来致力于构造一个全球统一的通信标准。因此第三代无线通信系统在音质、容量以及数据传输速率方面都远远超过第二代无线通信系统。第四代无线通信系统(4G、Beyond 3G、Beyond IMT-2000)是被用来描述相对与第三代无线通信系统的下一代通信网络,并未十分明确4G的明确定义。严格上讲,第四代无线通信系统只是在第三代无线通信系统的基础上进行了各个方面的提升。尤其是数据的传输速率方面。目前,我国的4G网络也已经开始运营
18、,但是由于还是起始阶段许多技术都尚未成熟,因此也产生了一些意外问题。这些问题都还需人们继续研究探讨使其完善。对于OFDM而言,在19世纪以前频分复用(FDM)就已经被用分割带宽来传送低速信号(如:电报)。随后为了提高频谱的利用率1950年左右提出了可以在存在多径衰落的高频无线信道中传输数据的Kineplex系统。之后人们有通过使用离散傅里叶变换(DFT)对其系基带进行调制和解调。最后又引入了保护间隔和循环前缀来使减小干扰。在1985年的时候OFDM技术被使用到了蜂窝移动通信系统中,使得无线通信系统飞速发展。 OFDM 信道估计技术可以分为两大类:基于导频辅助的信道估计方法、信道盲估计方法。 基
19、于导频辅助的信道估计的思想是,发送端在OFDM符号固定位置插入导频,接收端利用接收导频与已知的发送导频之间的关系估计信道响应。 为了解决插入导频符号时导频数量及导频插入位置的选择问题,Negi 通过理论证明及实验仿真2,得出以下结论:在不存在噪声的情况下,在N个子载波中插入大于等于信道冲击响应长度L的导频符号,即可利用这些导频符号恢复出信道冲击响应函数;系统中存在加性高斯白噪声影响时,为得到信道的 MMSE估计,应将导频符号均匀地分散到OFDM符号中;在快时变信道条件下,每一个OFDM符号中使用部分子信道插入导频的方法性能要优于将导频符号集中插入部分OFDM符号的方法。 基于导频信道估计的核心
20、是导频处信道响应的估计问题,即如何有效地从导频处的接收数据和已知的导频符号恢复出导频位置的信道信息H。1995 年,Beek 提出了基于最小平方(LS)准则和基于最小均方误差(MMSE)准则的信道估计算法3。LS算法实现简单,事先不需要知道信道的统计信息,但是,由于忽略了噪声的影响,LS算法抗噪性能差;在相同均方误差条件下,MMSE 算法较LS算法有10-15dB的性能增益,但是MMSE方法计算量巨大,实现十分复杂。针对LS算法抗噪性能差的缺点,X.Wang提出了一种结合小波降噪技术与LS算法的信道估计方法,消除了部分噪声影响,改善了LS算法的性能4。Edfors等利用奇异值分解的方法,得到一
21、种低阶近似线性最小均方误差(LMMSE)信道估计器,计算复杂度较MMSE算法大为降低5。Y.Li的改进思路是从训练序列考虑的,如果导频位置的训练序列采用该文献中提出特殊的结构,那么Q矩阵将是一个对角矩阵,对Q矩阵的求逆过程将变得更加简单6。李悦等人研究了OFDM系统中基于导频辅助的信道低秩估计方法,利用信道的频域和/或时域相关性以及奇异值分解技术,提出了一种秩的估计和自适应跟踪方法7。 鉴于传统算法LS准则、MMSE准则信道估计性能和计算复杂度之间的矛盾,Ma等提出一种新的信道估计方法EM(Expectation-Maximization)迭代算法8。这种方法将导频处的信道冲击响应作为初始估计
22、,通过迭代可以获得接近于最优估计的性能。Jain提出将EM与MMSE相结合,加快了算法的收敛速度9;S.H.Nam将Quasi-Newton方法应用于EM算法中M-步骤寻找极值点的迭代过程,在估计性能几乎保持不变的情况下,进一步降低了EM算法的计算复杂度10。EM算法给人们提供了一个新的基于导频类信道估计的思路,可以通过改变迭代次数、收敛条件来控制算法计算量,是信道估计算法性能与计算复杂度之间的一个折中。 多径衰落信道通常会呈现稀疏性,因此可以将压缩感知技术应用在 OFDM 信道估计中。把信道响应h看成一个稀疏向量,找出h中非零元素的位置和大小,从而得到信道响应的估计,以此减少所需导频的数量1
23、1-12。 信道盲估计无需在发送数据中插入导频符号。根据是否利用发送信号的统计信息,可分为确定型盲估计和统计型盲估计两类。估计过程不利用发送信号的统计特性,或者在发送信号的统计特性未知的情况下进行的盲估计称为确定型盲估计;如果估计过程是基于统计特性的,则称为统计型盲估计。 确定型盲估计算法有最大似然算法、互相关法等。文献13提出一种基于最大似然准则的算法,利用一个OFDM符号,可以在没有导频的条件下,获得接近基于导频的LS估计方法的性能。Xu通过迭代求取不同子信道间接收信号的互相关并使之最小来得到信道响应的估计,在较高的信噪比下,能利用较少的符号数获得很好的性能14。 常见的统计型信道估计方法
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