基于OFDM系統(tǒng)信道估計(jì)的設(shè)計(jì)及仿真

1、-. z建筑大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 題 目 基于OFDM系統(tǒng)信道估計(jì)的設(shè)計(jì)與仿真 學(xué)院專業(yè)班級信息與控制學(xué)院通信10-1班學(xué) 生 姓 名 曉峰 性別男 指 導(dǎo) 教 師 王鑫 職稱 講師 2014年6月9日-. z摘要正交頻分復(fù)用(OFDM)是一項(xiàng)關(guān)于高速無線傳輸?shù)氖钟形Φ募夹g(shù)。這項(xiàng)技術(shù)通過把整個(gè)頻帶分成許多并行傳輸?shù)恼宇l帶的方法來把多徑遲延效應(yīng)降至最小。這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)在數(shù)字聲音播送、數(shù)字陸地電視播送、無線局域網(wǎng)和高速蜂窩數(shù)據(jù)通訊等方面提出或采納。信道估計(jì)是無線通信傳輸領(lǐng)域的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，直接影響無線通信傳輸系統(tǒng)的性能。所謂信道估計(jì)，就是從接收數(shù)據(jù)中將假定的*個(gè)信道模型的模型參數(shù)

2、估計(jì)出來的過程。通過信道估計(jì)，接收機(jī)可以得到信道的沖激響應(yīng)，從而為后續(xù)的相干解調(diào)提供所需的CSI。在OFDM系統(tǒng)的相干檢測中需要對信道進(jìn)展估計(jì)，信道估計(jì)的精度將直接影響整個(gè)系統(tǒng)的性能。本文首先簡單介紹了 OFDM 系統(tǒng)的根本原理，開展歷史以及實(shí)際應(yīng)用。隨后講述了無線通信的一般特性，著重分析了時(shí)延和多普勒頻移對系統(tǒng)的影響。最后針對 OFDM 系統(tǒng)的信道估計(jì)這一關(guān)鍵技術(shù)，介紹了基于導(dǎo)頻序列的信道響應(yīng)的頻域估計(jì)和時(shí)域估計(jì)的法。關(guān)鍵詞：OFDM；信道估計(jì)；導(dǎo)頻符號；接收機(jī)-. zAbstract Orthogonal Frequency Division Multiple*ing (OFDM) is

3、a very attractive technology on high-speed wireless transmission.The technology through the whole frequency band is divided into many narrow sub-band method based on parallel transmission to minimize the effect of multipath delay.The technology has been proposed or adopted in the digital voice broad

4、cast, digital terrestrial television broadcast, high-speed wireless local area network (LAN) , cellular data municationsand other aspects .Channel estimation is a key technique in the field of wireless munication transmission, which impact on the performance of wireless munication transmission syste

5、m directly. The so-called channel estimation is assumed in the model receiving data from a channel model parameters estimated from the process.Through the channel estimation, the receiver can get the channel impulse response, which provide the CSI for subsequent coherent demodulation.In coherent det

6、ection of OFDM systems need to channel estimation, channel estimation accuracy will directly affect the performance of the whole system.First, this paper introduces the basic principle of OFDM system, the development history and the practical application. Then the paper tells the general characteris

7、tics of wireless munication, and then analyzes the time delay and doppler shift effect of the system. At last,in view of the key technology of channel estimation in OFDM system, the paperdescribes the frequency-domain and time-domain response which is estimated based on channel estimation pilot sequ

8、ences law.Key words: OFDM；channel estimation；pilot symbols；receiver-. z目錄TOC o 1-3 h u HYPERLINK l _Toc390425950第一章緒論 PAGEREF _Toc390425950 h 1HYPERLINK l _Toc3904259511.1 OFDM系統(tǒng)的開展歷史 PAGEREF _Toc390425951 h 2HYPERLINK l _Toc3904259521.2 OFDM技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn) PAGEREF _Toc390425952 h 2HYPERLINK l _Toc3904259531

9、.3 OFDM的應(yīng)用 PAGEREF _Toc390425953 h 3HYPERLINK l _Toc3904259541.4本文主要工作及章節(jié)安排 PAGEREF _Toc390425954 h 4HYPERLINK l _Toc390425955第二章 OFDM系統(tǒng)的根本原理和參數(shù)選擇 PAGEREF _Toc390425955 h 6HYPERLINK l _Toc3904259562.1 OFDM 系統(tǒng)的調(diào)制和解調(diào)原理 PAGEREF _Toc390425956 h 6HYPERLINK l _Toc3904259572.2 保護(hù)間隔和循環(huán)前綴 PAGEREF _Toc3904259

10、57 h 7HYPERLINK l _Toc3904259582.3 本章小結(jié)PAGEREF _Toc390425958 h 8HYPERLINK l _Toc390425959第三章 OFDM在無線信道中的傳輸 PAGEREF _Toc390425959 h 9HYPERLINK l _Toc3904259603.1 無線多徑信道的分析 PAGEREF _Toc390425960 h 9HYPERLINK l _Toc3904259613.1.1 移動(dòng)多徑信道的參數(shù) PAGEREF _Toc390425961 h 10HYPERLINK l _Toc3904259623.1.2 多徑衰落類型

11、 PAGEREF _Toc390425962 h 11HYPERLINK l _Toc3904259633.2 無線信道對 OFDM 的影響 PAGEREF _Toc390425963 h 12HYPERLINK l _Toc3904259643.3 無線 OFDM 系統(tǒng)中的發(fā)射機(jī)和接收機(jī) PAGEREF _Toc390425964 h 12HYPERLINK l _Toc3904259653.4 本章小結(jié) PAGEREF _Toc390425965 h 13HYPERLINK l _Toc390425966第四章 OFDM的信道估計(jì) PAGEREF _Toc390425966 h 14HYP

12、ERLINK l _Toc3904259674.1信道估計(jì)的重要性 PAGEREF _Toc390425967 h 14HYPERLINK l _Toc3904259684.2 信道估計(jì)的方法 PAGEREF _Toc390425968 h 14HYPERLINK l _Toc3904259694.3 導(dǎo)頻形式的選擇 PAGEREF _Toc390425969 h 16HYPERLINK l _Toc3904259704.4 頻域信道傳輸函數(shù)的估計(jì) PAGEREF _Toc390425970 h 17HYPERLINK l _Toc3904259714.5 時(shí)域信道沖擊響應(yīng)的估計(jì) PAGERE

13、F _Toc390425971 h 19HYPERLINK l _Toc3904259724.6 本章小結(jié) PAGEREF _Toc390425972 h 19HYPERLINK l _Toc390425973第五章 OFDM 系統(tǒng)信道估計(jì)算法仿真分析 PAGEREF _Toc390425973 h 20HYPERLINK l _Toc3904259745.1 IEEE802.11a 基帶系統(tǒng) PAGEREF _Toc390425974 h 20HYPERLINK l _Toc3904259755.1.1IEEE802.11a 基帶系統(tǒng)構(gòu)造框圖 PAGEREF _Toc390425975 h

14、20HYPERLINK l _Toc390425976系統(tǒng)仿真框圖 PAGEREF _Toc390425976 h 21HYPERLINK l _Toc3904259775.2 接收機(jī)性能 PAGEREF _Toc390425977 h 22HYPERLINK l _Toc3904259785.2.1 信道噪聲 PAGEREF _Toc390425978 h 22HYPERLINK l _Toc3904259795.2.2 平坦慢衰落信道 PAGEREF _Toc390425979 h 23HYPERLINK l _Toc3904259805.3系統(tǒng)仿真 PAGEREF _Toc3904259

15、80 h 24HYPERLINK l _Toc3904259815.3.1 OFDM 的參數(shù)選擇 PAGEREF _Toc390425981 h 24HYPERLINK l _Toc3904259825.3.2 仿真參數(shù)設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc390425982 h 25HYPERLINK l _Toc390425983仿真結(jié)果及分析 PAGEREF _Toc390425983 h 25HYPERLINK l _Toc390425984第六章技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析 PAGEREF _Toc390425984 h 29HYPERLINK l _Toc390425985第七章結(jié)論 PAGEREF _T

16、oc390425985 h 31HYPERLINK l _Toc390425986參考文獻(xiàn) PAGEREF _Toc390425986 h 32HYPERLINK l _Toc390425987致 PAGEREF _Toc390425987 h 33附錄一 中文譯文附錄二 英文資料原文-. z基于OFDM系統(tǒng)信道估計(jì)的設(shè)計(jì)與仿真第一章 緒論下一代移動(dòng)無線通信系統(tǒng)的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)無所不在的、高質(zhì)量的、高速率的移動(dòng)多媒體傳輸。但是為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，面臨許多技術(shù)挑戰(zhàn)。例如，移動(dòng)無線通信系統(tǒng)面臨的是十分惡劣的無線信道。穩(wěn)健的移動(dòng)無線通信系統(tǒng)不僅需要克制大的路徑損耗，以及非常嚴(yán)重信號衰落，還要克制由于大的多

17、徑時(shí)延擴(kuò)展而引起的符號間干擾。而正交頻分復(fù)用(Orthogonal Frequency Division Multiple*ing, OFDM)技術(shù)則是一種很有前途的、可克制信道時(shí)延擴(kuò)展的傳輸手段,所以被日益受到重視。目前移動(dòng)通信已從模擬通信開展到數(shù)字通信階段，并向軟件無線電這一新的通信體系開展。目前，第三代移動(dòng)無線網(wǎng)3G已進(jìn)入實(shí)用化階段，并形成了三大主要標(biāo)準(zhǔn)。但是，3G 滿足不了未來無線通信的要求。于是，有人提出了 4G 的概念，并充分與INTERNET 技術(shù)相結(jié)合，互為利用，使之成為具有廣闊應(yīng)用前景的無線移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，并且在開發(fā)新頻段的根底上充分提高頻譜效率以滿足大容量的通信要求。因此，各

18、種新的高效移動(dòng)通信技術(shù)已成為研究熱點(diǎn)，其中的正交頻分復(fù)用Orthogonal Frequency Division Multiple*ing技術(shù)作為繼第三代移動(dòng)通信技術(shù)后4G的核心技術(shù)之一得到了廣泛的研究。在數(shù)字音頻播送(DAB)、高清晰度電視(HDTV)、衛(wèi)星通信、 HFC (Hybrid Fiber Cable)網(wǎng)一種光纖/同軸混合網(wǎng)和移動(dòng)通信中得到應(yīng)用。OFDM 技術(shù)是多載波調(diào)制(Multi-Carrier Modulation, MCM)技術(shù)之一，它用減少和消除碼間串?dāng)_的影響來克制信道的頻率選擇性衰落。所謂的OFDM就是將所要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流分成假設(shè)干個(gè)數(shù)據(jù)子流，每個(gè)子數(shù)據(jù)流具有低得多的傳

19、輸比特率，并且用這些數(shù)據(jù)流去并行調(diào)制假設(shè)干個(gè)相互正交的載波。目前， 這項(xiàng)技術(shù)已在許多高速信息傳輸領(lǐng)域得到應(yīng)用，并且有可能成為下一代蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)的物理層傳輸技術(shù)。無線通信道的多徑衰落，多普勒效應(yīng)及加性噪聲等問題，一直是影響通信系統(tǒng)性能的重要因素。本文主要針對無線信道對OFDM系統(tǒng)的影響及OFDM的信道估計(jì)問題展開研究。1.1 OFDM系統(tǒng)的開展歷史近些年來， 以正交頻分復(fù)用OFDM為代表的多載波傳輸技術(shù)受到了人們的廣泛關(guān)注。多載波傳輸把數(shù)據(jù)流分解為假設(shè)干個(gè)獨(dú)立的子比特流，每個(gè)子數(shù)據(jù)流將具有低得多的比特速率。用這樣低比特率形成的低速率多狀態(tài)符號去調(diào)制相應(yīng)的子載波，就構(gòu)成了多個(gè)低速率符號并行發(fā)送

20、的傳輸系統(tǒng)。OFDM是多載波傳輸方案的實(shí)現(xiàn)方式之一，在許多文獻(xiàn)中OFDM也被稱為離散多音DMT調(diào)制。OFDM 利用逆快速傅立葉變換IFFT和快速傅立葉變換FFT來分別實(shí)現(xiàn)調(diào)制和解調(diào)，是實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度最低，應(yīng)用最廣的一種多載波傳輸方案。除了OFDM方式之外，人們還提出了許多其他的實(shí)現(xiàn)多載波調(diào)制的方式， 如矢量變換方式，基于小波變換的離散小波多音頻調(diào)制DWMT方式等，但這些方式與OFDM相比，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度相對較高，因而在實(shí)際系統(tǒng)中很少采用。OFDM的思想最早可以追溯到20世紀(jì)50年代末期。60 年代，人們對多載波調(diào)制作了許多理論上的工作，論證了在存在符號間干擾的帶限信道上采用多載波調(diào)制可以優(yōu)化系統(tǒng)的傳輸

21、性能；1970 年1月有關(guān)OFDM 的專利被首次公開發(fā)表；1971年Weinstein和Ebert 在IEEE雜志上發(fā)表了用離散傅立葉變換實(shí)現(xiàn)多載波調(diào)制的方法；80 年代，人們對多載波調(diào)制在高速調(diào)制解調(diào)器，數(shù)字移動(dòng)通信等領(lǐng)域中的應(yīng)用進(jìn)展了較為深入的研究。但是由于當(dāng)時(shí)技術(shù)條件的限制，多載波調(diào)制沒有得到廣泛的應(yīng)用；90 年代，由于數(shù)字信號處理技術(shù)和大規(guī)模集成電路技術(shù)的進(jìn)步，OFDM技術(shù)在高速數(shù)據(jù)傳輸領(lǐng)域受到了人們的廣泛關(guān)注.。今天，OFDM已經(jīng)在歐洲的數(shù)字音視頻播送(如DAB和DVB)，歐洲和北美的高速無線局域網(wǎng)系統(tǒng)(如HIPERLAN2,IEEE802.11a)以及高比特率數(shù)字用戶線(如ADSL

22、,VDSL) 中得到了廣泛的應(yīng)用。目前，人們正在考慮在基于IEEE802.16 標(biāo)準(zhǔn)的無線城域網(wǎng), 基于IEEE802.15 標(biāo)準(zhǔn)的個(gè)人信息網(wǎng)以及未來的下一代無線蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)中使用OFDM技術(shù)。1.2 OFDM技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)OFDM 技術(shù)得到廣泛應(yīng)用的主要原因是它有很多優(yōu)點(diǎn)：1在窄帶帶寬下也能夠發(fā)出大量的數(shù)據(jù)。2OFDM 技術(shù)能夠持續(xù)不斷地監(jiān)控傳輸介質(zhì)上通信特性的突然變化，由于通信路徑傳送數(shù)據(jù)的能力會隨時(shí)間發(fā)生變化，所以 OFDM 能動(dòng)態(tài)地與之相適應(yīng)，并且接通。3該技術(shù)可以自動(dòng)地檢測到傳輸介質(zhì)下哪一個(gè)特定的載波存在高的信號衰減或干擾脈沖，然后采取適宜的調(diào)制措施來使指定頻率下的載波進(jìn)展成功通信

23、。4OFDM 技術(shù)特別適合使用在高層建筑物、居民密集和地理上突出的地方以及將信號散播的地區(qū)。5OFDM 技術(shù)的最大優(yōu)點(diǎn)是對抗頻率選擇性衰落或窄帶干擾。在單載波系統(tǒng)中，單個(gè)衰落或干擾能夠?qū)е抡麄€(gè)通信鏈路失敗，但是在多載波系統(tǒng)中，僅僅有很小一局部載波會受到干擾。對這些子信道還可以采用糾錯(cuò)碼來進(jìn)展糾錯(cuò)。6可以有效地對抗多徑傳播所造成的符號間干擾，其實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度比采用均衡器的單載波系統(tǒng)小。當(dāng)信道中因?yàn)槎鄰絺鬏敹霈F(xiàn)頻率選擇性衰落時(shí)，只有落在頻帶凹陷處的子載波以及其攜帶的信息受影響，其他的子載波未受損害，因此系統(tǒng)總的誤碼率性能要好得多，適用于多徑環(huán)境和衰落信道中的高速數(shù)據(jù)傳輸。7通過各個(gè)子載波的聯(lián)合編碼，

24、具有很強(qiáng)的抗衰落能力。OFDM 技術(shù)本身已經(jīng)利用了信道的頻率分集，如果衰落不是特別嚴(yán)重，就沒有必要再加時(shí)域均衡器。通過將各個(gè)信道聯(lián)合編碼，則可以使系統(tǒng)性能得到提高。8OFDM 技術(shù)抗窄帶干擾性很強(qiáng)，因?yàn)檫@些干擾僅僅影響到很小一局部的子信道。9可以選用基于 IFFT/FFT 的 OFDM 實(shí)現(xiàn)方法；10信道利用率很高，這一點(diǎn)在頻譜資源有限的無線環(huán)境中尤為重要；當(dāng)子載波個(gè)數(shù)很大時(shí)，系統(tǒng)的頻譜利用率趨于 2Baud/Hz。11在變化相對較慢的信道上 OFDM 系統(tǒng)可以根據(jù)每個(gè)子載波的信噪比來優(yōu)化分配每個(gè)子載波上傳送的信息比特，從而大大提高系統(tǒng)傳輸信息的容量。12在播送應(yīng)用中,利用OFDM系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)有

25、吸引力的單頻網(wǎng)絡(luò)。與傳統(tǒng)的單載波傳輸系統(tǒng)相比OFDM 的主要缺點(diǎn)在于：1OFDM 對于載波頻率偏移和相位噪聲的敏感程度比單載波系統(tǒng)要高。2OFDM 系統(tǒng)中的信號存在較高的峰值平均率比PAR，會導(dǎo)致射頻放大器的功率效率減小1。1.3 OFDM的應(yīng)用由于技術(shù)的可實(shí)現(xiàn)性，在二十世紀(jì)90年代，OFDM廣泛用于各種數(shù)字傳輸和通信中，如移動(dòng)無線FM信道，高比特率數(shù)字用戶系統(tǒng)HDSL，不對稱數(shù)字用戶線系統(tǒng)ADSL，甚高比特率數(shù)字用戶線系統(tǒng)VHDSL，數(shù)字音頻播送系統(tǒng)DAB，數(shù)字視頻播送DVB和HDTV地面?zhèn)鞑ハ到y(tǒng)。1999年，IEEE802.11a通過了一個(gè)5GHz的無線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，其中OFDM調(diào)制技術(shù)被采

26、用為物理層標(biāo)準(zhǔn)，使得傳輸速率可達(dá)54Mbps。這樣，可提供25Mbps的無線ATM接口和10Mbps的以太網(wǎng)無線幀構(gòu)造接口，并支持語音、數(shù)據(jù)、圖像業(yè)務(wù)。這樣的速率完全能滿足室、室外的各種應(yīng)用場合。歐洲電信組織的寬帶射頻接入網(wǎng)的局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)Hiperlan/2也把OFDM定為它的調(diào)制標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)。2001年，IEEE802.16通過了無線城域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)使用頻段的不同，具體可分為視距LOS和非視距NLOS兩種。其中，使用2-11GHz許可和免許可頻段，由于在該頻段波長較長，適合非視距傳播，此時(shí)系統(tǒng)會存在較強(qiáng)的多徑效應(yīng)，而在免許可頻段還存在干擾問題，所以系統(tǒng)采用了抵抗多徑效應(yīng)、頻率選擇性衰落或窄帶

27、干擾上有明顯優(yōu)勢的OFDM調(diào)制，多址方式為OFDMA。而后，IEEE802.16的標(biāo)準(zhǔn)每年都在開展，2006年2月，IEEE802.16e移動(dòng)寬帶無線城域網(wǎng)接入空中接口標(biāo)準(zhǔn)形成了最終的出版物。當(dāng)然，采用的調(diào)制方式仍然是OFDM。2004年11月，根據(jù)眾多移動(dòng)通信運(yùn)營商、制造商和研究機(jī)構(gòu)的要求，3GPP通過被稱為LTE即3G長期演過的理想工作。工程以制定3G演進(jìn)型系統(tǒng)技術(shù)規(guī)作為目標(biāo)。3GPP經(jīng)過劇烈的討論和艱辛的融合，終于在2005年12月選定了LTE的根本傳輸技術(shù)，即下行OFDM；上行SC單載波-FDMA。OFDM由于技術(shù)的成熟性，被選用為下行標(biāo)準(zhǔn)很快就達(dá)成了共識。而上行技術(shù)的選擇上，由于OF

28、DM的頂峰均比PAPR使得一些設(shè)備商認(rèn)為會增加終端的功放本錢和功率消耗，限制終端的使用時(shí)間，一些則認(rèn)為可以通過濾波，削峰等方法限制峰均比。不過，經(jīng)過討論后，最后上行還是采用了SC-FDMA方式。擁有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的3G標(biāo)準(zhǔn)TD-SCDMA在LTE演進(jìn)方案中也提出了TD-CDM-OFDM的方案。1.4本文主要工作及章節(jié)安排本文從無線通信的現(xiàn)狀和開展出發(fā)，回憶了移動(dòng)通信的開展歷史和技術(shù)特點(diǎn)，比照了單載波調(diào)制和多載波調(diào)制的優(yōu)缺點(diǎn)，系統(tǒng)地分析闡述了 OFDM 作為多載波調(diào)制的重要實(shí)現(xiàn)形式在未來移動(dòng)通信中的重要地位。正文主要進(jìn)展了如下的分析與研究：首先分析了OFDM系統(tǒng)的調(diào)制和解調(diào)原理、保護(hù)時(shí)間間隔和

29、循環(huán)前綴。接著從信道方面，對OFDM在無線信道中的傳輸作了詳細(xì)的分析，其中包含了無線多徑信道的分析、無線信道對OFDM的影響、無線OFDM系統(tǒng)的發(fā)射機(jī)和接收機(jī)方面知識。然后通過認(rèn)知信道估計(jì)的重要性，著重分析信道估計(jì)的方法、導(dǎo)頻形式的選擇，以及時(shí)域和頻域信道傳輸函數(shù)的估計(jì)。最后通過Matlab軟件，在選擇好系統(tǒng)參數(shù)的情況下，進(jìn)展仿真實(shí)驗(yàn)，得出仿真結(jié)果，并進(jìn)展深入分析，得出最終的結(jié)果。第二章 OFDM系統(tǒng)的根本原理和參數(shù)選擇2.1 OFDM 系統(tǒng)的調(diào)制和解調(diào)原理每個(gè) OFDM 符號是多個(gè)經(jīng)過調(diào)制的子載波信號之和，其中每個(gè)子載波的調(diào)制方式可以選擇相移鍵控PSK或者正交幅度調(diào)制(QAM)。如果用 N

30、表示子信道的個(gè)數(shù)，T表示符號的寬度,di( i=0, 1,L,N-1)是分配給每個(gè)子信道的數(shù)據(jù)符號，fc是載波頻率，則從t = ts 開場的 OFDM 符號可以表示為：, 2-1在很多文獻(xiàn)中，經(jīng)常采用如下所示的等效基帶信號來描述 OFDM 的輸出信號:, 2-2其中式(2-2)的實(shí)部和虛局部別對應(yīng)于OFDM符號的同相和正交分量，在實(shí)際中可以分別與相應(yīng)子載波的cos分量和sin分量相乘，構(gòu)成最終的子信道信號和合成的 OFDM 符號。圖 2-1 給出了 OFDM 系統(tǒng)的調(diào)制和解調(diào)的框圖，圖中假定ts = 0. 圖 2-1 OFDM 的調(diào)制和解調(diào)框圖在圖2-2中給出了一個(gè)OFDM符號包括4個(gè)子載波的

31、實(shí)例。其中所有的子載波都具一樣的幅值和相位，但在實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)數(shù)據(jù)符號的調(diào)制方式，每個(gè)子載波的幅值和相位都可能是不同的。從圖2-2可以看到，每個(gè)子載波在一個(gè)OFDM 符號周期都包含整數(shù)倍的周期，而且各個(gè)相鄰子載波之間相差1個(gè)周期。由圖2-2可以看出，各子載波信號之間滿足交性。 圖2-2 包含4個(gè)子載波的 OFDM符號 這種正交性還可以從頻域角度理解。從 OFDM 各個(gè)子載波信號的頻譜圖可以看出,在每一子載波頻率的最大值處，所有其他子信道的頻譜值恰好為零。也就是說，OFDM 各子載波信號之間的正交性防止了子信道間干擾(ICI)的出現(xiàn)。接收端第K路子載波信號的解調(diào)過程為：將接收信號與第K路的解調(diào)

32、載波相乘，然后將得到的結(jié)果在OFDM 符號的持續(xù)時(shí)間T進(jìn)展積分,即可獲得相應(yīng)的發(fā)送信號dk2。2.2 保護(hù)間隔和循環(huán)前綴在OFDM系統(tǒng)中，為了最大限度地消除符號間干擾，在每個(gè)OFDM符號之間要插入保護(hù)間隔,該保護(hù)間隔長度Tg 一般要大于無線信道的最大時(shí)延擴(kuò)展，這樣一個(gè)符號的多徑分量不會對下一個(gè)符號造成干擾。在這段保護(hù)間隔，可以不插入任何信號，即保護(hù)間隔是一段空閑的傳輸時(shí)段。然而在這種情況下，由于多徑傳播的影響，會產(chǎn)生信道間干擾ICI，即子載波之間的正交性遭到破壞，使不同的子載波之間產(chǎn)生干擾。為了消除由于多徑傳播造ICI，可以將原來寬度為T的OFDM符號進(jìn)展周期擴(kuò)展，用擴(kuò)展信號來填充保護(hù)間隔。如

33、圖2-3所示，保護(hù)間隔的信號稱為循環(huán)前綴(Cyclic prefi*)。由圖2-3可以看出，循環(huán)前綴中的信號與OFDM符號尾部寬度為Tg 的局部一樣。在實(shí)際系統(tǒng)中OFDM符號在送入信道之前，首先要參加循環(huán)前綴，然后送入信道進(jìn)展傳送。在接收端，首先將接收符號開場的寬度為Tg的局部丟棄，將剩余的寬度為T的局部進(jìn)展傅立葉變換，然后進(jìn)展解調(diào)。通過在OFDM符號參加循環(huán)前綴可以保證在FFT周期OFDM符號的延時(shí)副本所包含的波形的周期個(gè)數(shù)是整數(shù)。這樣，時(shí)延小于保護(hù)間隔Tg的時(shí)延信號就不會在解調(diào)的過程中產(chǎn)生ICI。 圖2-3 具有循環(huán)前綴的OFDM符號2.3 本章小結(jié)本章主要講了 OFDM 系統(tǒng)的開展歷史，

34、應(yīng)用及其優(yōu)缺點(diǎn)。著重介紹 OFDM 系統(tǒng)的根本原理，信號產(chǎn)生過程，如何利用 IFFT/FFT 調(diào)制和解調(diào)，參數(shù)選擇包括比特速率、帶寬、最大時(shí)延擴(kuò)展，還有保護(hù)間隔和循環(huán)前綴的概念和選取，及其對正確傳輸信息起到的作用。使讀者總體上對 OFDM 系統(tǒng)有一定的了解。第三章 OFDM在無線信道中的傳輸在無線通信系統(tǒng)中，由基站發(fā)射機(jī)到移動(dòng)臺的無線連接為前向或下行(Downlink);而由移動(dòng)臺到基站接收機(jī)的無線連接則稱反向或上行(Uplink)。典型地，前向和反向被分成不同類型的信道。無線電信號無論是在前向，還是在反向的傳播，都會以多種方式受到物理信道的影響3。由于無線信道的復(fù)雜性，一個(gè)通過無線信道傳播的

35、信號往往會沿一些不同的路徑到達(dá)接收端，這一現(xiàn)象稱為信號的多徑傳輸。雖然電磁波傳播的形式很復(fù)雜，但一般可歸結(jié)為反射、繞射和散射三種根本傳播方式。移動(dòng)通信中的信道是一種時(shí)變信道。無線電信號通過移動(dòng)信道時(shí)會受到各個(gè)方面的衰減損失，接收信號功率可表示為:, 3-1式中 d 表示距離向量，其絕對值同表示移動(dòng)用戶與基站的距離。上式表示信道對無線電信號的影響可歸納為三類：1自由空間的路徑損失(也稱傳輸損失)|d|-n，也被稱為大尺度衰落，其中n一般為3 - 4。2陰影衰落S(d):由傳輸環(huán)境中的地形起伏、建筑物和其它障礙物對電波的阻塞而引起的衰落，被稱為中等尺度衰落。3多徑衰落R(d) :由移動(dòng)傳播環(huán)境中的

36、多徑傳輸，因此造成信號經(jīng)過多條路徑到達(dá)接收端，而每個(gè)信號分量的時(shí)延、衰落和相位都不一樣，因此在接收端對多個(gè)信號分量疊加時(shí)，會造成同相增加，異相減小的現(xiàn)象，這也稱為小尺度衰落。此外，由于移動(dòng)臺的運(yùn)動(dòng)，還會使得無線信道呈現(xiàn)出時(shí)變性，其中一種具體表現(xiàn)就是出現(xiàn)多普勒頻移(Doppler Frequency Shift)。自由空間的傳播損耗和陰影衰落主要影響到無線區(qū)域的覆蓋，通過合理的設(shè)計(jì)就可以消除這種不利的影響。3.1 無線多徑信道的分析在討論多徑衰落信道之前，先簡單介紹一下前兩種衰落：1無線信道的大尺度衰落無線電波在自由空間傳輸，其信號功率會隨著傳播距離的增加而減小，這會對數(shù)據(jù)速率以及系統(tǒng)性能帶來不

37、利的影響。如果不采用其它特殊技術(shù)，則數(shù)據(jù)的符號速率以及電波的傳播圍都會受到很大的限制。但是在一般的蜂窩系中，由于小區(qū)的規(guī)模相對較小，所以這種大尺度衰落對移動(dòng)通信系統(tǒng)的影響不需要單獨(dú)加以考慮。2無線信道的陰影衰落當(dāng)電磁波在傳播路徑中遇到起伏地形、建筑物和高大的樹林等障礙物的阻塞時(shí)，在這些障礙物的后面產(chǎn)生電磁場的陰影。移動(dòng)臺在移動(dòng)過不同的障礙物的陰影區(qū)時(shí)，接收天線接收信號的場強(qiáng)中值會發(fā)生變化，從而引起衰落，這種衰落稱為陰影衰落。與多徑衰落相比，陰影衰落是一種宏觀衰落，是以較大的空間尺度來衡量的，其衰落特性呈對數(shù)正態(tài)分布，其中接收信號的局部場強(qiáng)中值變化的幅度取決于信號頻率和障礙物狀況，頻率較高的信號

38、比頻率較低的信號更加容易穿透障礙物，而低頻信號比擬高頻率的信號具備更強(qiáng)的繞射能力。3.1.1 移動(dòng)多徑信道的參數(shù)下面先介紹多徑信道的一些參數(shù)：時(shí)延擴(kuò)展、相干帶寬、多普勒擴(kuò)展和相干時(shí)間，以便更好地了解信道的特性。時(shí)延擴(kuò)展和相干帶寬是用于描述本地信道時(shí)間色散特性的兩個(gè)參數(shù)。在時(shí)域中，脈沖信號經(jīng)過多徑傳播后，由于路徑不同，因而到達(dá)時(shí)間不同，假設(shè)發(fā)射一個(gè)脈沖，則接收信號中包含了各延遲信號，其脈沖的寬度就要增加，這種現(xiàn)象稱為時(shí)延擴(kuò)展。而相干帶寬是從時(shí)延擴(kuò)展得出的一個(gè)確定關(guān)系值，是指在一個(gè)特定頻率圍，兩個(gè)頻率分量有很強(qiáng)的幅度相關(guān)性，它表征的是信號中兩個(gè)頻率分量根本相關(guān)的頻率間隔，也就是說衰落信號的兩個(gè)頻率

39、分量，當(dāng)頻率間隔小于相干帶寬時(shí)，它們是相關(guān)的，其衰落具有一致性。當(dāng)頻率間隔大于相關(guān)帶寬時(shí)，它們就不相關(guān)了，其衰落具有不一致性。前面兩個(gè)參數(shù)并未提供描述信道時(shí)變特性的信息。這種時(shí)變特性或是由移動(dòng)臺與基站間的相對運(yùn)動(dòng)引起的，或是由信道路徑中物體的運(yùn)動(dòng)引起的。多普勒擴(kuò)展和相干時(shí)間就是描述小尺度信道時(shí)變信道的兩個(gè)參數(shù)。多普勒擴(kuò)展BD是譜展寬的測量值， 這個(gè)譜展寬是移動(dòng)無線信道的時(shí)間變化率的一種度量。多普勒擴(kuò)展被定義為一個(gè)頻率圍，在此圍接收的多普勒譜有非零值。如果基帶信號帶寬遠(yuǎn)大BD，則在接收機(jī)端可忽略多普勒頻率擴(kuò)展的影響，此時(shí)的信道是一個(gè)慢衰落信道。相干時(shí)間TC是多普勒擴(kuò)展在時(shí)域的表示，用于在時(shí)域描述

40、信道頻率色散的時(shí)變特性，則TC = 1 / fm,fm是最大多普勒頻率。它是信道沖擊響應(yīng)維持不變的時(shí)間間隔的統(tǒng)計(jì)平均值。換句話說，相干時(shí)間就是指在一段時(shí)間間隔，在此間隔，兩個(gè)到達(dá)信號有很強(qiáng)的幅度相關(guān)性。如果基帶信號帶寬的倒數(shù)大于信道相干時(shí)間，則傳輸中基帶信號可能會發(fā)生改變，導(dǎo)致接收機(jī)信號失真4。3.1.2 多徑衰落類型當(dāng)信號通過移動(dòng)無線信道時(shí)，其衰落類型決定于發(fā)送信號特性和信道特性， 信號參數(shù)帶寬，符號間隔及信道參數(shù) (時(shí)延擴(kuò)展，多普勒擴(kuò)展) 決定了不同的發(fā)送信號將經(jīng)歷不同的衰落。移動(dòng)無線信道的時(shí)間色散和頻率色散可能產(chǎn)生四種不同的效應(yīng)，這些是由信號參數(shù)及信道特性決定的。多徑的時(shí)延擴(kuò)展會引起時(shí)間

41、色散及頻率選擇性衰落，而多普勒擴(kuò)展會引起頻率色散及時(shí)間選擇性衰落，這兩種機(jī)制彼此是獨(dú)立的。如上所述，多徑衰落信道存在著兩種擴(kuò)展：多徑效應(yīng)引起的時(shí)間上的時(shí)延擴(kuò)展，多普勒效應(yīng)引起的多普勒頻譜擴(kuò)展。時(shí)延擴(kuò)展使接收信號在時(shí)域上的波形展寬，多普勒頻譜擴(kuò)展使接收信號在頻域上的頻譜展寬。這是移動(dòng)通信的信道的電波傳播特性分別在時(shí)域和頻域上的表現(xiàn)。如果移動(dòng)無線信道帶寬大于發(fā)送信號帶寬，且在帶寬圍有恒定的增益及線性相位，則接收信號就會經(jīng)歷平坦的衰落過程。在平坦的衰落情況下，信道的多徑效應(yīng)使發(fā)送信號的頻譜特性在接收機(jī)仍保持不變。然而，由于多徑效應(yīng)導(dǎo)致信道增益的起伏，使接收信號的強(qiáng)度會隨著時(shí)間變化。平坦衰落信道即幅度

42、變化的信道，可看成窄帶信道，這是因?yàn)樾盘枎挶绕教顾ヂ湫诺赖膸捳枚?，?BsBc 。根據(jù)信號與信道變化快慢的比擬，信道可分為快衰落信道和慢衰落信道，在快衰落信道中，信道的沖擊響應(yīng)在符號周期變化很快。即信道的相干時(shí)間比信號周期短。由于多普勒擴(kuò)展引起頻率色散也稱為時(shí)間選擇性衰落導(dǎo)致信號失真。從頻域上看，信號失真隨發(fā)送信號帶寬的多普勒擴(kuò)展的增加而加劇。產(chǎn)生快衰落的條件為：BsBd 。3.2 無線信道對 OFDM 的影響OFDM 的并行多載波構(gòu)造及循環(huán)前綴的參加使得系統(tǒng)對多徑時(shí)變有很強(qiáng)的適應(yīng)性，但是循環(huán)前綴的參加會加大通信開銷，使傳輸效率降低。子載波數(shù)目的增多也使系統(tǒng)的復(fù)雜度增大。上節(jié)所述，由于無

43、線信道對系統(tǒng)的影響主要來自多徑時(shí)延和多普勒頻移，下面主要講無線多徑信道中時(shí)延和多普勒頻移對 OFDM 的影響。OFDM 系統(tǒng)中，子載波數(shù)目為N ，系統(tǒng)的采樣間隔為TS,循環(huán)前綴的長度為 Tg，選擇這些參數(shù)是很關(guān)鍵的。為了到達(dá)更好的性能，應(yīng)該使每個(gè)子載波盡量到達(dá)頻率非選擇性慢衰落。系統(tǒng)帶寬B = 1/TS,子載波帶寬為1/(NTS)。首先，由于循環(huán)前綴的參加會帶來信噪比損失：LOSS=NTS/(NTS+Tg),因此應(yīng)該讓循環(huán)前綴的長度和符號長度相比盡量的小，這樣才能減小信噪比的損失。循環(huán)前綴選取和信道多徑時(shí)延有很大的關(guān)系，應(yīng)選取NTS = ,或者說是子載波的數(shù)目N =B，但如果 OFDM 符號長

44、度過大，則可能導(dǎo)致由多普勒擴(kuò)展引起的子信道頻率間干擾過大，由慢衰落的定義，可知當(dāng)子載波的帶寬比多普勒頻移fd大很多時(shí)，系統(tǒng)對多普勒展寬和相關(guān)的子信道頻率間干擾并不敏感，因此子載波的個(gè)數(shù)應(yīng)該滿足：fd = 1/(NTS)。多普勒頻移引起的 ICI 加性干擾噪聲對信道估計(jì)的性能有很大影響，隨著 ICI 功率的增加信道估計(jì)的性能會迅速下降。所以要控制多普勒頻移在一定的圍。對于平坦信道，當(dāng)導(dǎo)頻符號CP的長度不夠時(shí)，多徑時(shí)延將帶來 ISI 和 ICI，由此引發(fā)的干擾噪聲將影響 OFDM系統(tǒng)。3.3 無線 OFDM 系統(tǒng)中的發(fā)射機(jī)和接收機(jī)OFDM系統(tǒng)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的典型構(gòu)造如圖3-1所示，圖3-1的上半局

45、部是發(fā)送機(jī)的框圖，下半局部是接收機(jī)的框圖，因?yàn)镮FFT和FFT的運(yùn)算步驟非常相似，可以用一樣的硬件來實(shí)現(xiàn)。因此將實(shí)現(xiàn)IFFT和FFT 運(yùn)算的局部放在了同一個(gè)方框圖中。一般來說，在實(shí)際的OFDM系統(tǒng)中，發(fā)送機(jī)在IFFT 調(diào)制前包括前向糾錯(cuò)編碼、交織、QAM制、導(dǎo)頻插入、串7并變換等。在IFFT 模塊的后面包括并7串變換、插入循環(huán)前綴、加窗數(shù)7模變換、射頻調(diào)制和放大等。接收機(jī)包括射頻放大和解調(diào)、模7數(shù)變換、定時(shí)同步、并變換FFT 解調(diào)、信道糾正、QAM解調(diào)、交織、糾錯(cuò)碼譯碼等。圖 3-1 OFDM系統(tǒng)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的構(gòu)造3.4 本章小結(jié)本章中首先分別討論了無線信道對接收信號造成的大尺度衰落、陰影衰

46、落以及小尺度衰落。對于大尺度衰落，給出了信號功率會隨著傳播距離的增加而減小的結(jié)論;對于陰影衰落，給出了信號的頻率對陰影衰落的影響；最后，較詳細(xì)的討論了小尺度衰落的影響，其中包括時(shí)延擴(kuò)展以及多普勒頻移對信號的影響。第四章 OFDM的信道估計(jì)由前幾章，了解了 OFDM 的根本原理以及信道特性，下面將介紹信道估計(jì)的方法，因?yàn)樾诺拦烙?jì)對正確恢復(fù)信號有很大作用7。本文將著重介紹基于導(dǎo)頻的信道估計(jì)方法。4.1信道估計(jì)的重要性無線通信系統(tǒng)的性能很大程度上受到無線信道的影響。無線信道和固定信道相比更為復(fù)雜，具有隨機(jī)不可預(yù)測性。舉例來說，模擬有線信道的典型信噪比為 46dB，也就是說信號電平要比噪聲電平高出40

47、000倍，而且有線信道的傳輸質(zhì)量可以通過選擇更好的材料和加工工藝得到保證，在有線傳輸噪比的波動(dòng)通常不超過 1-2dB，與此相對的是移動(dòng)無線信道號強(qiáng)度的深度衰落司空見慣，甚至可達(dá) 30 多個(gè) dB，在城市環(huán)境中，一輛快速行駛的車輛上的移動(dòng)臺在一秒鐘之顯著的衰落可以到達(dá)數(shù)十次。未來移動(dòng)通信技術(shù)的開展和應(yīng)用，越來越依賴與對無線信道的了解和掌握，這就要求我們對無線信道進(jìn)展估計(jì)和預(yù)測。從已有的研究和將來的開展需要看，對無線信道的估計(jì)和預(yù)測可以分成 3 種類型:適合于濾波處理的信道統(tǒng)計(jì)特性估計(jì)、適合于自適應(yīng)技術(shù)的信道平穩(wěn)特性實(shí)時(shí)估計(jì)和預(yù)測、適合于信道利用技術(shù)的傳輸特性的精細(xì)估計(jì)和預(yù)測。對于 OFDM 系統(tǒng)

48、來說，主要采用第三種技術(shù)估計(jì)信道傳輸函數(shù)。4.2 信道估計(jì)的方法在移動(dòng)通信系統(tǒng)中，調(diào)制方式分為差分調(diào)制和相干調(diào)制，在差分調(diào)制中，信息是由相鄰兩個(gè)符號的差來編碼的，可以不需要信道估計(jì)，并使系統(tǒng)減少了復(fù)雜度，但相對而言數(shù)據(jù)傳輸率較低。在 OFDM 系統(tǒng)中，接收端須知信道的信息， 而移動(dòng)信道屬于多徑衰落信道，OFDM 系統(tǒng)中每個(gè)子載波在傳輸?shù)倪^程中其幅度和相位都會隨載波頻移，相位噪聲，定時(shí)偏移等因素而變化，在時(shí)域和頻域引起衰落，產(chǎn)生碼間干擾，降低了系統(tǒng)性能。因此如何在接收時(shí)能檢測出這些變化的因素已成為能否準(zhǔn)確地解調(diào)原信號的關(guān)鍵，這正是信道估計(jì)器要解決的問題。目前，信道估計(jì)的方法有許多種，主要有兩類：

49、一類是盲估計(jì)，根據(jù)信號在時(shí)間或頻率上的相關(guān)性對信道進(jìn)展估計(jì)，如線性最小均方誤差LMMSE估計(jì)，最小二乘LS估計(jì)，此類估計(jì)需要所有 N 個(gè)子載波的相關(guān)性，算法復(fù)雜，計(jì)算量大，估計(jì)器構(gòu)造復(fù)雜，已有人分別對上述兩種算法進(jìn)展了改良，降低了復(fù)雜性，最小均方誤差MMSE性能較好，但復(fù)雜性高，最小二乘LS復(fù)雜性較低，但性能不如 MMSE。另一類是基于導(dǎo)頻方式的估計(jì)，是本文主要介紹的方法，此類信道估計(jì)的常用方法有兩種：基于導(dǎo)頻信道的估計(jì)和基于導(dǎo)頻符號的估計(jì)。基于導(dǎo)頻信道的方法是在系統(tǒng)中設(shè)置專用導(dǎo)頻信道來發(fā)送導(dǎo)頻信號 。由于 OFDM 系統(tǒng)具有時(shí)頻二維構(gòu)造，因此采用導(dǎo)頻符號輔助信道估計(jì)更加靈活。所謂的基于導(dǎo)頻符

50、號的信道估計(jì)是指在發(fā)送端的信號中的*些位置插入一些接收端的符號或序列，接收端利用這些信號或序列受傳輸衰落影響的程度，根據(jù)*些算法來估計(jì)信道的衰落性能，當(dāng)然也可以用 MMSE 和 LS 算法， 這一技術(shù)叫作導(dǎo)頻信號輔助調(diào)制 (PSAM), 在各種衰落估計(jì)技術(shù)，PSAM 是一種有效的技術(shù)。在單載波系統(tǒng)中，導(dǎo)頻符號或序列只能在時(shí)間方向上插入， 在接收端提取導(dǎo)頻信號估計(jì)信道的沖擊響應(yīng)h(t,)。而在多載波系統(tǒng)中，導(dǎo)頻信號可以在時(shí)間和頻率兩個(gè)方向上插入，在接收端可提取導(dǎo)頻信號估計(jì)信道的傳遞函數(shù)H (f,t)。只要導(dǎo)頻信號在時(shí)間和頻率方向上間隔對于信道帶寬足夠少，就可以采用二維插濾波的方法來估計(jì)傳遞函數(shù)H

51、 (f,t)，也可以采用別離的一維估計(jì)。 在 OFDM 系統(tǒng)中，信道估計(jì)器的設(shè)計(jì)主要有兩個(gè)問題：一是導(dǎo)頻信號的選擇，由于無線信道常常是衰落信道，需要不斷對信道進(jìn)展跟蹤，因此導(dǎo)頻信號也必須不斷的傳送。 二是既有較低的復(fù)雜度又有良好的導(dǎo)頻跟蹤能力的信道估計(jì)器的設(shè)計(jì)，在確定導(dǎo)頻發(fā)送方式和估計(jì)準(zhǔn)則條件下，尋找最正確的信道估計(jì)器構(gòu)造。 在實(shí)際設(shè)計(jì)中，導(dǎo)頻信息的選擇和最正確估計(jì)器的設(shè)計(jì)通常又是相互關(guān)聯(lián)的。因?yàn)楣烙?jì)器的性能與導(dǎo)頻信息的傳輸方式有關(guān)。然而，在多載波 OFDM 系統(tǒng)中，由于多址接入，必然受到信道干擾，加性噪聲和窄帶干擾，即使在插入導(dǎo)頻信號的情況下對信道的估計(jì)也是很困難的。 因此，在保證系統(tǒng)容量、

52、性能、可靠性的前提下，采用有效的估計(jì)方法可使系統(tǒng)性能得到明顯的提高。另外，有一種基于直接序列擴(kuò)頻的導(dǎo)頻編碼方式，其信號在 FFT 變換前的時(shí)域表示式為：*(n) = a(n)c1+c2其中c1，c2為相互正交的擴(kuò)頻碼，這種方式適合于多徑頻率選擇性快衰落信道。4.3 導(dǎo)頻形式的選擇基于導(dǎo)頻符號信道估計(jì)的 OFDM 系統(tǒng) ，其導(dǎo)頻形式的選擇決定于兩個(gè)重要的參數(shù)，最大速度決定最小相干時(shí)間和最大多徑時(shí)延決定最小相干寬。為了能夠跟上傳輸函數(shù)的時(shí)頻變化，導(dǎo)頻符號應(yīng)該放置得足夠近，但導(dǎo)頻符號又不能太多，這樣一來會降低數(shù)據(jù)速率，因而必需綜合考慮。導(dǎo)頻符號由特定的 OFDM 子載波傳播 ，其在 OFDM 幀中位

53、置是一定的。在接收端，對信道的估計(jì)可以看作對信道沖擊響應(yīng)H(k)的二維采樣，采樣必須滿足采樣定理。因此，導(dǎo)頻符號的最低密度由 Nyquist 頻率確定，即 Nt = 1/2fma*, Nf = 1/2fDTS 。圖 4-1 導(dǎo)頻形式示意圖圖 4-1a是梳狀的導(dǎo)頻形式，導(dǎo)頻信號均勻地分布于每個(gè) OFDM 符號，即每個(gè)符號具有一樣的導(dǎo)頻信號，假設(shè)這兩種導(dǎo)頻形式的有效載荷一樣，梳狀的導(dǎo)頻形式有較高的重復(fù)傳輸率，在一個(gè) OFDM 符號，只有一些子載波包含有導(dǎo)頻信號，數(shù)據(jù)信息信道響應(yīng)的估計(jì)可以通過相鄰導(dǎo)頻子載波獲得。因而它適合于快衰落信道。這種形式相對于塊狀的導(dǎo)頻形式來說對頻率選擇性衰落是敏感的，也就是

54、說，導(dǎo)頻信號的在頻率方向上的間隔應(yīng)比信道的相關(guān)帶寬小得多。b是塊狀的導(dǎo)頻形式，在*一特定的 OFDM 符號全是導(dǎo)頻信號，導(dǎo)頻信號是周期性的發(fā)送的，這種形式特別適合于慢衰落信道，因?yàn)樵?一個(gè)符號的子載波全都是導(dǎo)頻 ，信道插不需在頻率方向上進(jìn)展，相對于頻率選擇性衰落不敏感。c是散布的導(dǎo)頻形式，導(dǎo)頻信號均勻的分布于時(shí)間和頻率兩個(gè)方向上， 它比前兩種形式可用較少的導(dǎo)頻數(shù)，并且具有較好的性能，它能更好的跟蹤信道的變化。如將以幾種方式混合使用，可以到達(dá)更好的效果，如圖 4-2 的導(dǎo)頻插入類型。圖 4-2 散布的導(dǎo)頻示意圖4.4 頻域信道傳輸函數(shù)的估計(jì)頻域信道傳輸函數(shù)估計(jì)的系統(tǒng)模型如圖 4-3 所示， 二進(jìn)

55、制信息和插入的導(dǎo)頻信號通過編碼映射成QAM信號。經(jīng)過IDFT變換將長度為N的*(k)變成時(shí)域信號*(n), n = 0,1N， 4-1參加保護(hù)間隔后的信號為：4-2式中 N 為子載波數(shù)，Ng 為保護(hù)間隔，當(dāng)信號通過頻率選擇性時(shí)變衰落信道時(shí)，收到的信號為：4-3w(n)為加性白高斯噪聲，h(n)為信道的沖擊響應(yīng)。圖 4-3 頻域信道估計(jì)系統(tǒng)模型去掉保護(hù)間隔，假設(shè)沒有多址干擾，符號間干擾及子載波間干擾。則接收信號可表示為，將進(jìn)展DFT變換得： 4-4y(n)經(jīng) DFT 后 從 Y(k)中抽取導(dǎo)頻信號 Yp(k) 而發(fā)送的導(dǎo)頻信號 *p(k)是的，因而可以得到導(dǎo)頻信號位置的信道響應(yīng)估計(jì) He(K)：

56、 k = 0,1N-1 4-5 得到導(dǎo)頻信號位置的信道傳輸函數(shù)的估計(jì)值后 數(shù)據(jù)位置的信道響應(yīng)可通過相鄰導(dǎo)頻信號信道響應(yīng)插得到。 如圖 4-4，在接收端，輸入信號經(jīng)過 FFT 變換后得到數(shù)據(jù)Y(k)，從Y(k)抽取導(dǎo)頻位置的數(shù)據(jù)Yp(k)，根據(jù)的導(dǎo)頻數(shù)據(jù)Yp(k)得到導(dǎo)頻位置的信道響估值He(k)，再通過時(shí)頻方向上的插得到所有位置的信道響。圖 4-4 信道估計(jì)框圖4.5 時(shí)域信道沖擊響應(yīng)的估計(jì)圖 4-5 改良的時(shí)域信道估計(jì)的方法如圖4-5，在此算法中，把一個(gè) OFDM 符號間隔分成L個(gè)等長的子間隔，并假設(shè)多徑時(shí)延在一個(gè)OFDM 符號不變，并且信號幅度和相位在一個(gè)子間隔的變化可忽略，并把接收信號分

57、為兩局部，即長期衰落(慢衰落)rl (t)和短期衰落快衰落)rs(t)，此時(shí)的接收信號表示為：r(t) = rl (t)rs(t)，在信噪比擬低時(shí)，兩種估計(jì)方法的性能相近，在信噪比擬高時(shí)，時(shí)域估計(jì)的性能優(yōu)于頻域估計(jì)的性能，這是因?yàn)樾诺理憫?yīng)的變化更多地被時(shí)域估計(jì)的方法所識別，時(shí)域估計(jì)的方法在快衰落環(huán)境和慢衰落環(huán)境均具有較好的性能。4.6 本章小結(jié)本章主要介紹了基于導(dǎo)頻序列的信道估計(jì)方法，列舉了幾種導(dǎo)頻形式的特點(diǎn)，分析了信道的頻域估計(jì)算法和時(shí)域估計(jì)算法5。第五章 OFDM 系統(tǒng)信道估計(jì)算法仿真分析有了前幾章的知識容準(zhǔn)備，在此根底上本章將對基于導(dǎo)頻符號信道估計(jì)的OFDM系統(tǒng)進(jìn)展仿真。使用的仿真軟件：

58、Matlab7.1.0仿真軟件7。仿真所采用的系統(tǒng)是參照基于WLAN IEEE802.11a 協(xié)議的基帶系統(tǒng)。5.1 IEEE802.11a 基帶系統(tǒng)IEEE802.11a 協(xié)議是物理層采用了OFDM 調(diào)制技術(shù)的一個(gè)無線局域網(wǎng)協(xié)議，工作在 5GHz 的U-NII(Unlicensed-National Information Infrastructure)射頻頻段。IEEE802.11a 標(biāo)準(zhǔn)采用正交頻分多路復(fù)用(OFDM)技術(shù)，能進(jìn)一步提到頻帶利用率8。同時(shí) OFDM 技術(shù)將多個(gè)低速子載波組合成一個(gè)高速傳輸信道，從而進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)傳輸速率。IEEE802.11a 同時(shí)提供了8個(gè)不重疊的信道，

59、這使得 IEEE802.11a 已成為現(xiàn)代無線局域網(wǎng)最可靠、最高效的解決方案。5.1.1IEEE802.11a 基帶系統(tǒng)構(gòu)造框圖圖 5-1 IEEE802.11a 基帶系統(tǒng)構(gòu)造框圖 如圖 5-1 示，IEEE802.11a 將二進(jìn)制數(shù)據(jù)通過卷積編碼，交織，調(diào)制映射，將二進(jìn)制序列組映射為星座圖中對應(yīng)的點(diǎn)的復(fù)數(shù)表示。通過離散傅立葉反變換(IDFT)將數(shù)據(jù)的頻譜表達(dá)式變換到時(shí)域。IFFT 變換和 IDFT 變換的作用一樣，只是具有更高的計(jì)算效率，所以更適于實(shí)際的應(yīng)用系統(tǒng)。通過插入循環(huán)前綴引入保護(hù)間隔，能有效地對抗多徑時(shí)延帶來的 ISI。 IEEE802.11a 協(xié)議定義了八個(gè)可用的射頻信道。每個(gè)信道

60、的最大傳輸速率為54Mbps，然而能到達(dá)的最大用戶數(shù)量吞吐量只有這個(gè)數(shù)值的一半，而且該吞吐量是同一信道所有用戶共享的在數(shù)據(jù)通信中，吞吐量是指在給定時(shí)間，從一個(gè)地點(diǎn)成功傳送到另一個(gè)地點(diǎn)的數(shù)據(jù)總量。5.1.2系統(tǒng)仿真框圖本文仿真是在 Matlab7.1.0 環(huán)境下所做的，仿真的系統(tǒng)是根據(jù) IEEE802.11a 協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)所搭建的模塊系統(tǒng)。OFDM 系統(tǒng)的仿真步驟如圖 5-2 所示。圖 5.2 系統(tǒng)仿真步驟圖5.2 接收機(jī)性能在仿真之前，如果不討論信道噪聲及信道衰落如何影響無線接收機(jī)的性能，則數(shù)字調(diào)制技術(shù)的研究將是不完整的。由于數(shù)字無線通信系統(tǒng)輸入輸出的二進(jìn)制運(yùn)算隨時(shí)間隨機(jī)變化，因此系統(tǒng)性能按照平均