基于OFDM系统信道估计的设计与仿真.docx

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基于OFDM系统信道估计的设计与仿真

沈阳建筑大学

毕业设计说明书

毕业设计题目基于OFDM系统信道估计的设计与仿真

学院专业班级信息与控制学院通信10-1班

学生姓名范晓峰性别男

指导教师王鑫职称讲师

2014年6月9日

摘要

正交频分复用（OFDM）是一项关于高速无线传输的十分有吸引力的技术。

这项技术通过把整个频带分成许多并行传输的窄子频带的方法来把多径迟延效应降至最小。

这项技术已经在数字声音广播、数字陆地电视广播、无线局域网和高速蜂窝数据通讯等方面提出或采纳。

信道估计是无线通信传输领域的一项关键技术，直接影响无线通信传输系统的性能。

所谓信道估计，就是从接收数据中将假定的某个信道模型的模型参数估计出来的过程。

通过信道估计，接收机可以得到信道的冲激响应，从而为后续的相干解调提供所需的CSI。

在OFDM系统的相干检测中需要对信道进行估计，信道估计的精度将直接影响整个系统的性能。

本文首先简单介绍了OFDM系统的基本原理，发展历史以及实际应用。

随后讲述了无线通信的一般特性，着重分析了时延和多普勒频移对系统的影响。

最后针对OFDM系统的信道估计这一关键技术，介绍了基于导频序列的信道响应的频域估计和时域估计的法。

关键词：

OFDM；信道估计；导频符号；接收机

Abstract

OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing（OFDM）isaveryattractivetechnologyonhigh-speedwirelesstransmission.Thetechnologythroughthewholefrequencybandisdividedintomanynarrowsub-bandmethodbasedonparalleltransmissiontominimizetheeffectofmultipathdelay.Thetechnologyhasbeenproposedoradoptedinthedigitalvoicebroadcast,digitalterrestrialtelevisionbroadcast,high-speedwirelesslocalareanetwork（LAN）,cellulardatacommunicationsandotheraspects.

Channelestimationisakeytechniqueinthefieldofwirelesscommunicationtransmission,whichimpactontheperformanceofwirelesscommunicationtransmissionsystemdirectly.Theso-calledchannelestimationisassumedinthemodelreceivingdatafromachannelmodelparametersestimatedfromtheprocess.Throughthechannelestimation,thereceivercangetthechannelimpulseresponse,whichprovidetheCSIforsubsequentcoherentdemodulation.IncoherentdetectionofOFDMsystemsneedtochannelestimation,channelestimationaccuracywilldirectlyaffecttheperformanceofthewholesystem.

First,thispaperintroducesthebasicprincipleofOFDMsystem,thedevelopmenthistoryandthepracticalapplication.Thenthepapertellsthegeneralcharacteristicsofwirelesscommunication,andthenanalyzesthetimedelayanddopplershifteffectofthesystem.Atlast,inviewofthekeytechnologyofchannelestimationinOFDMsystem,thepaperdescribesthefrequency-domainandtime-domainresponsewhichisestimatedbasedonchannelestimationpilotsequenceslaw.

Keywords:

OFDM；channelestimation；pilotsymbols；receiver

附录一中文译文

附录二英文资料原文

基于OFDM系统信道估计的设计与仿真

第一章绪论

下一代移动无线通信系统的目标是实现无所不在的、高质量的、高速率的移动多媒体传输。

但是为了实现这一目标，面临许多技术挑战。

例如，移动无线通信系统面临的是十分恶劣的无线信道。

稳健的移动无线通信系统不仅需要克服大的路径损耗，以及非常严重信号衰落，还要克服由于大的多径时延扩展而引起的符号间干扰。

而正交频分复用（OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing,OFDM）技术则是一种很有前途的、可克服信道时延扩展的传输手段,所以被日益受到重视。

目前移动通信已从模拟通信发展到数字通信阶段，并向软件无线电这一新的通信体系发展。

目前，第三代移动无线网（3G）已进入实用化阶段，并形成了三大主要标准。

但是，3G满足不了未来无线通信的要求。

于是，有人提出了4G的概念，并充分与INTERNET技术相结合，互为利用，使之成为具有广大应用前景的无线移动通信网络，并且在开发新频段的基础上充分提高频谱效率以满足大容量的通信要求。

因此，各种新的高效移动通信技术已成为研究热点，其中的正交频分复用（OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing）技术作为继第三代移动通信技术后4G的核心技术之一得到了广泛的研究。

在数字音频广播（DAB）、高清晰度电视（HDTV）、卫星通信、HFC（HybridFiberCable）网——一种光纤/同轴混合网和移动通信中得到应用。

OFDM技术是多载波调制（Multi-CarrierModulation,MCM）技术之一，它用减少和消除码间串扰的影响来克服信道的频率选择性衰落。

所谓的OFDM就是将所要传输的数据流分成若干个数据子流，每个子数据流具有低得多的传输比特率，并且用这些数据流去并行调制若干个相互正交的载波。

目前，这项技术已在许多高速信息传输领域得到应用，并且有可能成为下一代蜂窝移动通信系统的物理层传输技术。

无线通信中信道的多径衰落，多普勒效应及加性噪声等问题，一直是影响通信系统性能的重要因素。

本文主要针对无线信道对OFDM系统的影响及OFDM的信道估计问题展开研究。

1.1OFDM系统的发展历史

近些年来，以正交频分复用（OFDM）为代表的多载波传输技术受到了人们的广泛关注。

多载波传输把数据流分解为若干个独立的子比特流，每个子数据流将具有低得多的比特速率。

用这样低比特率形成的低速率多状态符号去调制相应的子载波，就构成了多个低速率符号并行发送的传输系统。

OFDM是多载波传输方案的实现方式之一，在许多文献中OFDM也被称为离散多音（DMT）调制。

OFDM利用逆快速傅立叶变换（IFFT）和快速傅立叶变换（FFT）来分别实现调制和解调，是实现复杂度最低，应用最广的一种多载波传输方案。

除了OFDM方式之外，人们还提出了许多其他的实现多载波调制的方式，如矢量变换方式，基于小波变换的离散小波多音频调制（DWMT）方式等，但这些方式与OFDM相比，实现复杂度相对较高，因而在实际系统中很少采用。

OFDM的思想最早可以追溯到20世纪50年代末期。

60年代，人们对多载波调制作了许多理论上的工作，论证了在存在符号间干扰的带限信道上采用多载波调制可以优化系统的传输性能；1970年1月有关OFDM的专利被首次公开发表；1971年Weinstein和Ebert在IEEE杂志上发表了用离散傅立叶变换实现多载波调制的方法；80年代，人们对多载波调制在高速调制解调器，数字移动通信等领域中的应用进行了较为深入的研究。

但是由于当时技术条件的限制，多载波调制没有得到广泛的应用；90年代，由于数字信号处理技术和大规模集成电路技术的进步，OFDM技术在高速数据传输领域受到了人们的广泛关注.。

今天，OFDM已经在欧洲的数字音视频广播（如DAB和DVB），欧洲和北美的高速无线局域网系统（如HIPERLAN2,IEEE802.11a）以及高比特率数字用户线（如ADSL,VDSL）中得到了广泛的应用。

目前，人们正在考虑在基于IEEE802.16标准的无线城域网,基于IEEE802.15标准的个人信息网以及未来的下一代无线蜂窝移动通信系统中使用OFDM技术。

1.2OFDM技术的优缺点

OFDM技术得到广泛应用的主要原因是它有很多优点：

（1）在窄带带宽下也能够发出大量的数据。

（2）OFDM技术能够持续不断地监控传输介质上通信特性的突然变化，由于通信路径传送数据的能力会随时间发生变化，所以OFDM能动态地与之相适应，并且接通。

（3）该技术可以自动地检测到传输介质下哪一个特定的载波存在高的信号衰减或干扰脉冲，然后采取合适的调制措施来使指定频率下的载波进行成功通信。

（4）OFDM技术特别适合使用在高层建筑物、居民密集和地理上突出的地方以及将信号散播的地区。

（5）OFDM技术的最大优点是对抗频率选择性衰落或窄带干扰。

在单载波系统中，单个衰落或干扰能够导致整个通信链路失败，但是在多载波系统中，仅仅有很小一部分载波会受到干扰。

对这些子信道还可以采用纠错码来进行纠错。

（6）可以有效地对抗多径传播所造成的符号间干扰，其实现复杂度比采用均衡器的单载波系统小。

当信道中因为多径传输而出现频率选择性衰落时，只有落在频带凹陷处的子载波以及其携带的信息受影响，其他的子载波未受损害，因此系统总的误码率性能要好得多，适用于多径环境和衰落信道中的高速数据传输。

（7）通过各个子载波的联合编码，具有很强的抗衰落能力。

OFDM技术本身已经利用了信道的频率分集，如果衰落不是特别严重，就没有必要再加时域均衡器。

通过将各个信道联合编码，则可以使系统性能得到提高。

（8）OFDM技术抗窄带干扰性很强，因为这些干扰仅仅影响到很小一部分的子信道。

（9）可以选用基于IFFT/FFT的OFDM实现方法；

（10）信道利用率很高，这一点在频谱资源有限的无线环境中尤为重要；当子载波个数很大时，系统的频谱利用率趋于2Baud/Hz。

（11）在变化相对较慢的信道上OFDM系统可以根据每个子载波的信噪比来优化分配每个子载波上传送的信息比特，从而大大提高系统传输信息的容量。

（12）在广播应用中,利用OFDM系统可实现有吸引力的单频网络。

与传统的单载波传输系统相比OFDM的主要缺点在于：

（1）OFDM对于载波频率偏移和相位噪声的敏感程度比单载波系统要高。

（2）OFDM系统中的信号存在较高的峰值平均率比（PAR），会导致射频放大器的功率效率减小[1]。

1.3OFDM的应用

由于技术的可实现性，在二十世纪90年代，OFDM广泛用于各种数字传输和通信中，如移动无线FM信道，高比特率数字用户系统（HDSL），不对称数字用户线系统（ADSL），甚高比特率数字用户线系统（VHDSL），数字音频广播系统（DAB），数字视频广播（DVB）和HDTV地面传播系统。

1999年，IEEE802.11a通过了一个5GHz的无线局域网标准，其中OFDM调制技术被采用为物理层标准，使得传输速率可达54Mbps。

这样，可提供25Mbps的无线ATM接口和10Mbps的以太网无线帧结构接口，并支持语音、数据、图像业务。

这样的速率完全能满足室内、室外的各种应用场合。

欧洲电信组织的宽带射频接入网的局域网标准Hiperlan/2也把OFDM定为它的调制标准技术。

2001年，IEEE802.16通过了无线城域网标准，该标准根据使用频段的不同，具体可分为视距（LOS）和非视距（NLOS）两种。

其中，使用2-11GHz许可和免许可频段，由于在该频段波长较长，适合非视距传播，此时系统会存在较强的多径效应，而在免许可频段还存在干扰问题，所以系统采用了抵抗多径效应、频率选择性衰落或窄带干扰上有明显优势的OFDM调制，多址方式为OFDMA。

而后，IEEE802.16的标准每年都在发展，2006年2月，IEEE802.16e（移动宽带无线城域网接入空中接口标准）形成了最终的出版物。

当然，采用的调制方式仍然是OFDM。

2004年11月，根据众多移动通信运营商、制造商和研究机构的要求，3GPP通过被称为LTE即“3G长期演过”的理想工作。

项目以制定3G演进型系统技术规范作为目标。

3GPP经过激烈的讨论和艰苦的融合，终于在2005年12月选定了LTE的基本传输技术，即下行OFDM；上行SC（单载波）-FDMA。

OFDM由于技术的成熟性，被选用为下行标准很快就达成了共识。

而上行技术的选择上，由于OFDM的高峰均比（PAPR）使得一些设备商认为会增加终端的功放成本和功率消耗，限制终端的使用时间，一些则认为可以通过滤波，削峰等方法限制峰均比。

不过，经过讨论后，最后上行还是采用了SC-FDMA方式。

拥有我国自主知识产权的3G标准TD-SCDMA在LTE演进计划中也提出了TD-CDM-OFDM的方案。

1.4本文主要工作及章节安排

本文从无线通信的现状和发展出发，回顾了移动通信的发展历史和技术特点，对比了单载波调制和多载波调制的优缺点，系统地分析阐述了OFDM作为多载波调制的重要实现形式在未来移动通信中的重要地位。

正文主要进行了如下的分析与研究：

首先分析了OFDM系统的调制和解调原理、保护时间间隔和循环前缀。

接着从信道方面，对OFDM在无线信道中的传输作了详细的分析，其中包含了无线多径信道的分析、无线信道对OFDM的影响、无线OFDM系统的发射机和接收机方面知识。

然后通过认知信道估计的重要性，着重分析信道估计的方法、导频形式的选择，以及时域和频域内信道传输函数的估计。

最后通过Matlab软件，在选择好系统参数的情况下，进行仿真实验，得出仿真结果，并进行深入分析，得出最终的结果。

第二章OFDM系统的基本原理和参数选择

2.1OFDM系统的调制和解调原理

每个OFDM符号是多个经过调制的子载波信号之和，其中每个子载波的调制方式可以选择相移键控（PSK）或者正交幅度调制（QAM）。

如果用N表示子信道的个数，T表示符号的宽度,di（i=0,1,L,N-1）是分配给每个子信道的数据符号，fc是载波频率，则从t=ts开始的OFDM符号可以表示为：

2-1

在很多文献中，经常采用如下所示的等效基带信号来描述OFDM的输出信号:

2-2

其中式（2-2）的实部和虚部分别对应于OFDM符号的同相和正交分量，在实际中可以分别与相应子载波的cos分量和sin分量相乘，构成最终的子信道信号和合成的OFDM符号。

图2-1给出了OFDM系统的调制和解调的框图，图中假定ts=0.

图2-1OFDM的调制和解调框图

在图2-2中给出了一个OFDM符号内包括4个子载波的实例。

其中所有的子载波都具相同的幅值和相位，但在实际应用中，根据数据符号的调制方式，每个子载波的幅值和相位都可能是不同的。

从图2-2可以看到，每个子载波在一个OFDM符号周期内都包含整数倍的周期，而且各个相邻子载波之间相差1个周期。

由图2-2可以看出，各子载波信号之间满足交性。

图2-2包含4个子载波的OFDM符号

这种正交性还可以从频域角度理解。

从OFDM各个子载波信号的频谱图可以看出,在每一子载波频率的最大值处，所有其他子信道的频谱值恰好为零。

也就是说，OFDM各子载波信号之间的正交性避免了子信道间干扰（ICI）的出现。

接收端第K路子载波信号的解调过程为：

将接收信号与第K路的解调载波

相乘，然后将得到的结果在OFDM符号的持续时间T内进行积分,即可获得相应的发送信号dk[2]。

2.2保护间隔和循环前缀

在OFDM系统中，为了最大限度地消除符号间干扰，在每个OFDM符号之间要插入保护间隔,该保护间隔长度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不会对下一个符号造成干扰。

在这段保护间隔内，可以不插入任何信号，即保护间隔是一段空闲的传输时段。

然而在这种情况下，由于多径传播的影响，会产生信道间干扰（ICI），即子载波之间的正交性遭到破坏，使不同的子载波之间产生干扰。

为了消除由于多径传播造ICI，可以将原来宽度为T的OFDM符号进行周期扩展，用扩展信号来填充保护间隔。

如图2-3所示，保护间隔内的信号称为循环前缀（Cyclicprefix）。

由图2-3可以看出，循环前缀中的信号与OFDM符号尾部宽度为Tg的部分相同。

在实际系统中OFDM符号在送入信道之前，首先要加入循环前缀，然后送入信道进行传送。

在接收端，首先将接收符号开始的宽度为Tg的部分丢弃，将剩余的宽度为T的部分进行傅立叶变换，然后进行解调。

通过在OFDM符号内加入循环前缀可以保证在FFT周期内OFDM符号的延时副本内所包含的波形的周期个数是整数。

这样，时延小于保护间隔Tg的时延信号就不会在解调的过程中产生ICI。

图2-3具有循环前缀的OFDM符号

2.3本章小结

本章主要讲了OFDM系统的发展历史，应用及其优缺点。

着重介绍OFDM系统的基本原理，信号产生过程，如何利用IFFT/FFT调制和解调，参数选择包括比特速率、带宽、最大时延扩展，还有保护间隔和循环前缀的概念和选取，及其对正确传输信息起到的作用。

使读者总体上对OFDM系统有一定的了解。

第三章OFDM在无线信道中的传输

在无线通信系统中，由基站发射机到移动台的无线连接为前向链接或下行链接（Downlink）;而由移动台到基站接收机的无线连接则称反向链接或上行链接（Uplink）。

典型地，前向链接和反向链接被分成不同类型的信道。

无线电信号无论是在前向链接，还是在反向链接的传播，都会以多种方式受到物理信道的影响[3]。

由于无线信道的复杂性，一个通过无线信道传播的信号往往会沿一些不同的路径到达接收端，这一现象称为信号的多径传输。

虽然电磁波传播的形式很复杂，但一般可归结为反射、绕射和散射三种基本传播方式。

移动通信中的信道是一种时变信道。

无线电信号通过移动信道时会受到各个方面的衰减损失，接收信号功率可表示为:

3-1

式中d表示距离向量，其绝对值同表示移动用户与基站的距离。

上式表示信道对无线电信号的影响可归纳为三类：

（1）自由空间的路径损失（也称传输损失）|d|-n，也被称为大尺度衰落，其中n一般为3-4。

（2）阴影衰落S（d）:

由传输环境中的地形起伏、建筑物和其它障碍物对电波的阻塞而引起的衰落，被称为中等尺度衰落。

（3）多径衰落R（d）:

由移动传播环境中的多径传输，因此造成信号经过多条路径到达接收端，而每个信号分量的时延、衰落和相位都不相同，因此在接收端对多个信号分量叠加时，会造成同相增加，异相减小的现象，这也称为小尺度衰落。

此外，由于移动台的运动，还会使得无线信道呈现出时变性，其中一种具体表现就是出现多普勒频移（DopplerFrequencyShift）。

自由空间的传播损耗和阴影衰落主要影响到无线区域的覆盖，通过合理的设计就可以消除这种不利的影响。

3.1无线多径信道的分析

在讨论多径衰落信道之前，先简单介绍一下前两种衰落：

（1）无线信道的大尺度衰落

无线电波在自由空间内传输，其信号功率会随着传播距离的增加而减小，这会对数据速率以及系统性能带来不利的影响。

如果不采用其它特殊技术，则数据的符号速率以及电波的传播范围都会受到很大的限制。

但是在一般的蜂窝系中，由于小区的规模相对较小，所以这种大尺度衰落对移动通信系统的影响不需要单独加以考虑。

（2）无线信道的阴影衰落

当电磁波在传播路径中遇到起伏地形、建筑物和高大的树林等障碍物的阻塞时，在这些障碍物的后面产生电磁场的阴影。

移动台在移动中通过不同的障碍物的阴影区时，接收天线接收信号的场强中值会发生变化，从而引起衰落，这种衰落称为阴影衰落。

与多径衰落相比，阴影衰落是一种宏观衰落，是以较大的空间尺度来衡量的，其衰落特性呈对数正态分布，其中接收信号的局部场强中值变化的幅度取决于信号频率和障碍物状况，频率较高的信号比频率较低的信号更加容易穿透障碍物，而低频信号比较高频率的信号具备更强的绕射能力。

3.1.1移动多径信道的参数

下面先介绍多径信道的一些参数：

时延扩展、相干带宽、多普勒扩展和相干时间，以便更好地了解信道的特性。

时延扩展和相干带宽是用于描述本地信道时间色散特性的两个参数。

在时域中，脉冲信号经过多径传播后，由于路径不同，因而到达时间不同，若发射一个脉冲，那么接收信号中包含了各延迟信号，其脉冲的宽度就要增加，这种现象称为时延扩展。

而相干带宽是从时延扩展得出的一个确定关系值，是指在一个特定频率范围内，两个频率分量有很强的幅度相关性，它表征的是信号中两个频率分量基本相关的频率间隔，也就是说衰落信号的两个频率分量，当频率间隔小于相干带宽时，它们是相关的，其衰落具有一致性。

当频率间隔大于相关带宽时，它们就不相关了，其衰落具有不一致性。

前面两个参数并未提供描述信道时变特性的信息。

这种时变特性或是由移动台与基站间的相对运动引起的，或是由信道路径中物体的运动引起的。

多普勒扩展和相干时间就是描述小尺度内信道时变信道的两个参数。

多普勒扩展BD是谱展宽的测量值，这个谱展宽是移动无线信道的时间变化率的一种度量。

多普勒扩展被定义为一个频率范围，在此范围内接收的多普勒谱有非零值。

如果基带信号带宽远大BD，则在接收机端可忽略多普勒频率扩展的影响，此时的信道是一个慢衰落信道。

相干时间TC是多普勒扩展在时域的表示，用于在时域描述信道频率色散的时变特性，则TC=1/fm,fm是最大多普勒频率。

它是信道冲击响应维持不变的时间间隔的统计平均值。

换句话说，相干时间就是指在一段时间间隔，在此间隔内，两个到达信号有很强的幅度相关性。

如果基带信号带宽的倒数大于信道相干时间，那么传输中基带信号可能会发生改变，导致接收机信号失真[4]。

3.1.2多径衰落类型

当信号通过移动无线信道时，其衰落类型决定于发送信号特性和信道特性，信号参数（带宽，符号间隔）及信道参数（时延扩展，多普勒扩展）决定了不同的发送信号将经历不同的衰落。

移动无线信道的时间色散和频率色散可能产生四种不同的效应，这些是由信号参数及信道特性决定的。

多径的时延扩展会引起时间色散及频率选择性衰落，而多普勒扩展会引起频率色散及时间选择性衰落，这两种机制彼此是独立的。

如上所述，多径