OFDM通信系统中信道估计研究毕业论文(35页).doc

《OFDM通信系统中信道估计研究毕业论文(35页).doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《OFDM通信系统中信道估计研究毕业论文(35页).doc（34页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、-OFDM通信系统中信道估计研究毕业论文-第 28 页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： 电子信息工程1班 姓 名： 赵晖 指导教师： 那振宇 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

2、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,Ort

3、hogonal Frequency Division Multiplexing is one of the most promising solutions in the high-speed 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 complexit

4、y and performance what some existing technology can not overcome because of the improving of the 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-

5、channel transmission signal and combined in the receiving to achieve frequency diversity signals.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

6、 demodulation system;cyclic prefix;the guard interval; oversampling and OFDM systems advantages 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

7、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 OFD

8、M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

9、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

10、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（Orthogo

11、nal 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

12、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。19

13、01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、

14、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

15、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，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

16、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

17、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

18、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、

19、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，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

20、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11-12。 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

21、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有直接型和基于子空间的统计型信道估计两种。另外，还有一类新兴的基于粒子滤波的信道估计方法。 直接型盲信道估计方法中比较具有代表性的是B.Muque于1999年提出的一种基于接收信号二阶统计特性的OFDM信道盲估计方法，它通过估计接收信号自相关矩阵，利用接收信号自相关矩阵与信道冲击响应之间的关系得到信道估计15。 基于子空间的统计型信道估计一直受到许多研究人员的关注，自二十世纪九十年代提出子空间盲信道估计思想以

22、来，不断出现新的基于子空间的盲信道估计算法。 其基本原理是：观察数据空间的维数大于信号空间的维数，用未知参数矢量构造Toeplitz矩阵H，估计接收信号的自相关矩阵Ryy并对其进行奇异值分解（SVD），可以求出信号和噪声子空间，利用噪声子空间与 H的列组成的矢量空间的正交性，可以求出未知参数矢量，在单输入多输出（SIMO）系统的信道盲估计中，未知参数包含实际信道的冲激响应的信息。BMuquest提出一种利用发送端加入循环前缀而引入的冗余来进行信道估计的子空间方法，无需改变OFDM系统结构就可以直接应用于现有的系统16。早期的子空间法盲估计大部分都是基于单输入单输出（SISO）系统考虑的，Shi

23、提出一种同时适用于单输入单输出（SISO）和多输入单输出（MISO）系统的盲估计方法17。 2006年，Qin等首先将粒子滤波技术应用于OFDM信道估计18，利用基于导频的LS方法估得信道响应作为例子滤波初始状态，然后利用粒子滤波方法得到信道响应概率分布函数。文献19采用混合重要性函数作为粒子滤波器的重要性函数，实现了信道响应、载频偏差和相位噪声的联合估计。 由于OFDM系统可以大大消除码间干扰和信道间的干扰并且可以高速的传输数据，因此OFDM系统被应用到多种衍生的信号传输系统和用来解决多种信号传输问题。 1.3 学位论文的研究内容OFDM涉及很多技术，如同步技术、峰均比、信道编码、信道时变性

24、、自适应技术以及一些其他相关技术。由于通信一方或双方往往不清楚信道情况，或者需要反馈获得信道知识导致过长通信时延，这就需要对通信信道进行估计。若通过信道估计得方法事先获得信道的频谱特性，将各个子信道上的接收信号与信道的频谱特性相除，即可实现接收信号的正确解调。因此，在OFDM众多技术中，信道估计技术具有重要的地位。本论文主要研究OFDM系统中的信道估计问题。在MATLAB平台上，通过编写代码实现OFDM系统的发送、调制、信道模拟、信号接收、解调以及误码率的计算，重点是信道估计部分的实现。进而利用算法和程序对信道估计进行基本分析，并在各种不同参数和环境下给出了仿真结果结果。全面阐释了信道估计在O

25、FDM系统中的重要作用。本文的组织结构如下：第二章 介绍了OFDM系统，给出了OFDM的调制解调原理、保护间隔、循环前缀、参数选择、过采样以及其优缺点，为后续章节提供了理论基础第三章 则是针对OFDM系统的信道估计，首先给出了基于训练序列的信道估计算法的基本原理，进而针对MATLAB平台实现了该算法的程序设计，给出了程序中的一系列恒定以及自定义参数、函数等，为第四章性能分析奠定基础。第四章在第三章的基础上，利用程序对算法性能进行分析，通过设置不同参数来分析何种参数以及它们的变化对系统性能的影响，最后还与未进行信道估计的系统做了比对，体现了基于训练序列的OFDM信道估计算法的优越性。第2章 OF

26、DM通信系统概述OFDM 是一种特殊的多载波调制方案，它既是一种调制技术，也是一种复用技术。其基本思想是在频域内将给定信道划分成N个相互正交的子信道，在每一个子信道上使用一个子载波进行调制，将高速数据流分散到这些相互正交的子载波上进行传输。OFDM 系统各个子载波之间相互正交，极大地提高了系统的频谱利用率，并且使得信号调制、解调可以通过快速傅里叶变换（FFT）及快速逆傅里叶变换（IFFT）实现，从而系统实现的复杂度可以得到简化，这是 OFDM 系统的一个重要优点。子数据流的速率是原数据流的1/ N ，即符号周期扩大为原来的 N倍，这样就大大提高了系统抗码间干扰（Inter symbol Int

27、erference，ISI）的能力。保护间隔的引入进一步提高了系统 ISI 性能19。 2.1 OFDM原理介绍OFDM系统的框图如图2.1所示。系统首先由输入的二进制数据经过串并转换变成N路并行比特流，各支路上的信息比特数可以根据信道的频谱特性进行优化，随后根据各支路的调制方式进行映射得到信号空间中的复数坐标，在经过逆快速傅里叶变换（IFFT）、加入循环前缀（CP）以及并串转换送入信道进行传送。接收端为输出端的逆过程，即首先经过串并转换，然后去除循环前缀、进行快速傅里叶变换以及星座逆映射得到每个之路的接收信号，然后经过并串转换得到串行的接收比特流。2.2 OFDM系统的调制和解调2.2.1

28、OFDM系统的调制1. OFDM调制原理框图OFDM调制的原路框图如图2.2所示。2. OFDM调制符号每个OFDM符号是多个经过调制的子载波信号的和，其中每个子载波的调制方式可以选择常见的PSK、QAM等常见数字调制。如果N表示子信道的个数，T表示OFDM符号的宽度，di(i=0,1, ., N-1)为每个子信道的上数字调制后的数据符号，fc是载波频率，选择各子载波载频的频率间隔为1/T的整数倍，则从t=ts开始的OFDM符号可以表示成：图2.1 OFDM系统框图图2.2OFDM系统的调制 （2-1）那么（2-2）考虑上式前一部分的对称性，OFDM的等效基带信号可以表示成： （2-3）3.

29、OFDM信号谱由于OFDM的符号长度为T，那么（2-3）式相当于在信号上增加了一个门函数，我们可将（2-3）式改写为： （2-4）为了便于分析，取t =-T/2，那么OFDM信号对应的谱为： （2-5）上式中Sa函数的带宽为2/T，那么各载波的主瓣带宽也为2/T，各相邻子载波的载频间隔为1/T，这样就满足了各载波的正交性和50%的交叠20。如果OFDM载波的数量为偶数个，那么载波不按照中频对称，低频的比高频的要多一个载波。一般的将搬上中频的那个载波叫做直流分量。直流分量上的调制信号为dN/2。如图2.3。图2.3 OFDM信号频谱4. OFDM调制信号的IDFT实现当对（2-1）式按周期T/N

30、进行采样，可得到OFDM调制信号的离散表示： （2-6）容易看出，s(k)即为di的IDFT乘以N，那么原始输入N个载波调制数据序列的IFFT后的序列就是OFDM调制信号的N点时域采样序列。2.2.2 OFDM系统的解调1. OFDM解调原理框图OFDM解调原理框图如图2.4所示。图2.4 OFDM系统的解调2. OFDM系统的解调OFDM接收端第k路子载波信号的解调过程为：将接收的信号与第k路的解调载波相乘，然后在OFDM符号的车须时间T内进行积分，即可获得相应载波上的发送信号，数学表达如下： （2-7）只有在n=k时，积分才不为零，那么上式等于dk。3. OFDM解调的DFT实现将（2-7

31、）式也按照周期T/N采样，同时也令ts=0，再令接收的基带型号为s(t)。 （2-8）容易发现接收基带采样序列的DFT除以N即为这个OFDM符号周期内相应载波上的解调序列，和之前的公式作比较，我们在发射端就除以N，这样发射和解调就相当于对序列做IDFT和DFT。2.2.3 IFFT和FFT我们知道一种常用的离散傅立叶变换的快速算法FFT，这样我们就可以通过对N个载波上的输入序列做N点IFFT产生一个OFDM信号一个符号周期内的N个采样值。将接收到N个的按周期T/N采样的接收基带信号进行N点FFT，即可得到相应一个OFDM符号内的N个载波上的输入序列。2.3 OFDM系统的保护间隔和循环前缀2.

32、3.1 保护间隔OFDM系统之所以可以有效地对抗多径时延扩展是因为其将输入的数据流并行分配到N个并行的子信道上，使得每个OFDM的符号周期可以扩大为原来的的N倍，从而使时延扩展与符号周期的比值降低N倍。因此为了最大限度地消除符号间的干扰（ISI），需要在每个OFDM符号间插入保护间隔（GI），该保护间隔的长度Tg一般要大于无线信道的最大时延扩展，这样一个符号的多径分量就不会对下个符号造成干扰。但是如果在这段保护间隔内没有插入任何信号（空闲的传输时段），就会产生信道间的干扰（ICI），即子载波之间的正交性遭到破坏，不同的子载波之间产生干扰，如图2.5所示。第2子载波对第2子载波的解调形成干扰第1

33、子载波具有延时的第2子载波保护间隔FFT积分时间图2.5 空闲保护间隔在多径情况下的影响从图中可以看出，由于在FFT运算时间长度内第1个子载波与带有延时的第2个子载波之间的周期个数差不是整数，所以当接收机对第1子载波进行解调时，第2子载波会对解调进行干扰，同样，反过来进行也会存在干扰。因此我们必须去寻求办法去解决这中信道间的干扰。2.2.2 循环前缀为了消除由于多径传播造成的信道间的干扰（ICI），我们可以将原来宽度为T的OFDM符号进行周期，用扩展的信号来填充保护间隔（GI），如图2.6所示，循环前缀中的信号与OFDM符号尾部宽度为Tg的部分相同。在正常操作过程中，OFDM符号在送入信道之前

34、首先要加入循环前缀，然后送入信道进行传输。在接收端，首先将接受符号开始的宽度为Tg的部分丢掉，然后将剩余的宽度为T的部分进行傅里叶变换，然后进行解调。通过这种方式可以保证一个FFT周期内，OFDM符号的时延部分所包含的波形周期个数也是整数，这样，时延小于保护间隔的时延信号就不会在解调过程中产生信道间的干扰21。 图2.6 具有循环前缀的OFDM符号2.4 OFDM系统的参数选择在OFDM系统中，所需要确定的参数有：符号周期、子载波的数量和符号周期。这些参数的选择取决于给定信道的带宽、时延扩展以及所要求的信息传输速率。步骤如下：（1）确定保护间隔：一般来说选择保护间隔的时间长度为时延扩展均方根值

35、的2到4倍。（2）选择符号周期：由于保护间隔所带来的信息传输效率的损失和系统的复杂度以及系统峰值的平均功率比等因素，我们一般选择的符号周期长度至少是保护间隔的5倍。（3）确定子载波的数量：子载波的数量可以直接利用-3dB带宽除以子载波间隔（即去掉保护间隔之后的符号周期的倒数）得到。也可以利用所要求的比特速率除以每个子信道中的比特速率来确定子载波的数量。每个自信道中的传输的比特速率由调制类型、编码速率以及符号速率来确定。2.5 OFDM系统中的过采样问题2.5.1 OFDM的时频域分析我们知道对序列进行OFDM调制相当于作IFFT，我们又知道，一个信号的FFT相当于对该信号进行频域分析，所以在相

36、当一部分参考文献中将OFDM调制解调器的输入和输出数据叫做频域信号，将调制解调器内的信号叫时域信号。2.5.2 OFDM符号时频结构在实际应用时，通常将Ns个OFDM符号组成一个OFDM桢进行传输。这样一个OFDM桢的桢长为NsT。OFDM系统的接收信号的频域（就是解调信号）可表示成Rn = HnSn + Nn（n=0，N-1），其中Hn为第n个子载波的复衰落系数，Nn代表第n个子信道的噪声，噪声服从零均值的高斯分布。2.5.3 过采样由上述可知，通过IFFT，在一个OFDM符号周期内进行N次采样，但是N点的IFFT得到的输出样值往往不能反映连续OFDM信号的变化特性，在采样值被还原后，信号中

37、将不再含有原信号的高频成分，呈现出虚假的低频信号。实现OFDM的过采样：由于OFDM的调制端采用的是IFFT，根据IFFT的过采样原理，只要在原始输入序列的中间添加(p-1)N个0，就可以实现p倍的过采样。一般来说大部分的信道都不能直接传送系带信号，所以实际通信系统都采用了调制技术。在发送端利用基带信号控制载波的某些参量是的这些载波参量随基带信号的变化而变化，完成系带信号的调制，得到已调信号。另外，在接收端为了从这些已调信号中恢复基带信号还必须进行解调。调制的方式不同对应的解调的方式也就不同。一般将解调的方式分为：非相干解调（包络检波法等）、相干解调（同步检测法）以及采用差分编码时常用的差分相

38、干解调（差分检波法）。对于相干解调，解调时必须用到与发送端相同的频率和相位的载波信息，不然将无法正确解调，所以必须进行信道估计。而对于非相干解调和差分相干解调来说虽然可以避免进行信道估计和信道均衡，但是差分相干解调仅仅适合于低速率的系统。因此为了更好的性能对于高数据速率系统还是应该选用相干解调方式。对于 OFDM 系统来说，优良的系统性能依赖于精确的信道估计。分集技术可以利用信道估计实现信号最佳接收；自适应的信道均衡器利用信道估计来对抗 ISI 的影响；最大似然检测通过信道估计使得接收端错误概率最小；相干解调也必须依赖于正确的信道估计。 OFDM 信道估计方法可以分为两大类：基于训练序列的信道

39、估计方法和盲信道估计方法。基于训练序列的信道估计方法原理是，在发送信号选定某些固定的位置插入已知的训练序列，接收端根据接收到的经过信道衰减的训练序列和发送端插入的训练序列之间的关系得到上述位置的信道响应估计。然后运用内插技术得到其他位置的信道响应估计。盲信道估计方法无需在发送信号中插入训练序列，利用 OFDM 信号本身的特性进行信道估计。盲信道估计方法能获得更高的传输效率，但信道估计性能往往不如基于训练序列的信道估计方法22。2.6 OFDM系统的优缺点2.6.1 OFDM系统的缺点 近些年，OFDM 技术得到了广泛的应用，原因在于它具有许多优点： （1）频谱利用率高。传统的频分复用技术是将频

40、带分成若干个相互之间无重叠的子带进行数据的并行传输，接收端通过一组带通滤波器来分离这些子信道。这就需要在子带之间留有足够的保护频带，导致频谱资源的浪费。而OFDM 各个子载波之间相互正交，相邻子信道间的频谱存在重叠，最大限度地利用了频谱资源。 （2）能有效对抗ISI。把高速数据流分配到许多个子载波上进行传输，使得子载波上的数据符号周期延长，有效减小了信道的时间弥散带来的 ISI。另外，OFDM中引入循环前缀技术，进一步增强了系统抗 ISI 性能。 （3）可以选择性地利用信道。无线信道存在频率选择性，由一个较宽的频带划分而成的子信道上的衰落程度存在差别。因此，可以动态地分配子信道，充分利用信道条

41、件好的子信道。对于多用户系统，对某一用户不适应的子信道或许适用于其他用户，所以可以选择性地分配子信道，提高系统的整体性能。 （4）可以利用IDFT、DFT进行OFDM系统的正交调制、解调，对于子载波数很大的系统，采用IFFT、FFT代替。随着DSP 技术和大规模集成电路技术的发展，IFFT、FFT运算很容易实现。 （5）支持非对称无线数据传输。无限数据传输通常要求上、下行非对称，即下行链路传输量远远大于上行链路传输量。无论从用户的使用需求，还是从通信系统的要求考虑，都需要通信系统物理层支持非对称数据传输。而OFDM 可以通过分配不同的子载波数给上、下行链路来实现上、下行链路不同的传输速率。 （

42、6）容易与其他接入方式结合，组成OFDM系统，使得多用户可以利用同一OFDM系统进行数据传输。如多载波码分多址、跳频OFDM、时分复用OFDM 等。 2.6.2 OFDM 系统的缺点 因为OFDM系统存在许多个正交的子载波，其信号是许多子信道信号的叠加。相对于单载波系统和传统多载波系统，存在以下缺点： 对载频偏差特别敏感。由于OFDM相邻子信道的频谱相互重叠，这就要求所有子载波之间严格正交。由于发射机与接收机本振之间存在的频率偏差、多普勒频移等因素的存在，会使得OFDM系统子载波之间的正交性遭到破坏，导致子信道间干扰。 峰均比较高。多载波调制系统的输出信号是多个子信道信号的叠加，因此，当多个子

43、信道的信号相位一致时，所得到的叠加信号的瞬时功率就会远远大于信号的平均功率，这就导致OFDM系统容易出现较高的峰值平均功率比。这样就对发射机内功率放大器的线性性能提出了很高的要求，如果放大器的动态范围不能满足信号的变化，则会导致信号发生畸变，使信号的频谱发生变化，从而破坏各个子信道信号之间的正交性23。 2.8 本章小结本章探讨了OFDM系统的基本原理。了解了OFDM系统的调制/解调方式、循环前缀、保护间隔、参数选择以及对信道估计的初步介绍。OFDM是一种特殊的多载波调制，将给定信道划分成许多个子信道，每个子信道对应一个子载波，这些子载波之间相互正交。OFDM将高速数据流分配到这些正交的子载波

44、上进行传输，符号周期变长，系统对抗多径衰落的能力得到增强，并且提高了系统的频偏利用率。OFDM技术优点众多，但是为了提高系统的整体性能，仍有一些需要进一步研究的关键技术。 第3章 基于训练序列的信道估计算法本章主要介绍了本论文的所讲述的OFDM信道估计的作者自己的实现方法。分别阐述了其思想、流程、框图、参数以及输入和输出。具体实现是通过MATLAB软件进行代码编写，通过产生随机变量来作为输入量，通过调制转换，送入模拟信道中进行传输，最后通过信道估计来对其预判解调，并最终计算其误码率。在过程中还加入了随机的噪声信号进行干扰来测试此方法的性能。3.1算法的设计思想本文设计的OFDM的信道估计是通过

45、MATLAB进行实现的。3.1.1系统模型图3.1是OFDM系统的基带模型。离散时间OFDM系统模型可以描述为：输入信号经子带编码映射(如QAM、PSK等)后被分成路低速率信号，再通过IFFT将各路信号调制到不同的子载波上，得到一个长度为N的OFDM符号。其中，第m个OFDM信号可以表示为 （3-1）式中，n=0, 1, ., N-1；X(m, k)是第k个子载波信号(子带编码映射的输出)。为了消除多径信道产生的符号间干扰，OFDM信号间要加入大于信道时延的循环前缀(CP)，然后送上发射天线。信号经多径信道衰落后到达接收端，先去除CP，得到接收信号y(m, n)，然后利用FFT变换得到频域的Y

46、(m, k)信号，再通过信道估计，解调出发送信号(m, k)。3.1.2信道模型无线多径衰落信道的冲激响应可以建模为 （3-2）其中表示第k条路径的时延，为广义平稳(WSS)窄带复高斯过程。假设不同路径之间的衰减是相互独立的，L为信道冲激响应的长度。接收端信号可以表示为图3.1 OFDM系统的基带模型 （3-3）式中，表示卷积运算，为零均值、方差为的高斯白噪声。经过DFT变换，得到频域接收信号 （3-4）式中是多径信道的频域响应，是高斯白噪声的频域形式，它和有相同的功率谱密度。信道估计的任务就是得到信道响应的估计值，然后用来解调得到发送信号24。 （3-5）3.1.3信道估计信道估计部分主要是通过训练信号进行的信道估计算法：对于训练信号xn，接收到的时域信号为： （3-6）将卷积表示成矩阵形式，有： （3-7）其中分别为接收到的训练符号列矢量、信道冲击响应列矢量和加性噪声列矢量，L定义为估计到的信道冲激响应的最大长度，由训练符号得到的等效循环卷积矩阵。