ofdm系统中基于导频的信道估计算法的性能分析

毕业设计（论文）题目OFDM系统中基于导频的信道估计算法的性能分析电信学院信息工程系信息012班学生田开波指导教师张国梅设计所在单位电信学院信通所二00四年六月1摘要正交频分复用OFDM（OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing）技术,是近年来受到人们广泛关注的一种调制技术,在高速无线数据传输领域有很大的应用前景。它将高速的数据流分解成许多低速率子数据流，利用相互正交且重叠的多个子载波同时传播，它的主要优点是抗符号间干扰能力强，频带利用率高，能有效地对抗多径衰落。在OFDM系统中，采用循环前缀（CP，CyclicPrefix）技术，从而消除了码间干扰（ISI，Inter-SymbolInterference），保护了各子载波间的正交关系。同时采用IFFT（InverseFastFourierTransform）和FFT（FastFourierTransform）方法使各个子信道的调制和解调变得非常容易。然而在移动通信中信道的特性是随时间变化的，为了提高通信效率和通信质量，有必要对信道的当前特性进行估计。文章在分析和总结相关文献的基础上，介绍正交频分复用技术的发展历史，讨论了正交频分复用技术的基本原理和实现方法，并在对OFDM系统简要分析的基础上，介绍了OFDM系统中基于块状分布的导频信号的信道估计技术。这种技术的基本原理是在系统的发射端每隔一定的时间插入导频信号，在接收端从接收到的数据流中提取导频信号，并以此来估计此时段内的信道特性。本文探讨了OFDM系统中基于导频的信道估计的三种常用方法——MMSE估计、LS估计、SVD估计。通过MATLAB软件进行仿真，对三种2信道估计方法及他们的特点进行了分析和比较。最后我们可以看出MMSE估计的性能要远好于LS估计，但其复杂度较高，SVD估计的性能及运算复杂度皆介于前两者之间。关键词：正交频分复用，信道估计，最小均方误差，最小平方,奇异值分解ABSTRACTOFDM（OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing）isamodulationtechnology,whichisverypopularinrecentyears,withagoodapplicationfutureinthefieldofhighspeedwirelesscommunications.Itsplitsahigh-ratedatastreamintoanumberoflower-ratedatastreamsthataretransmittedsimultaneouslyoveranumberofsubcarriers.ThebenefitsofOFDMareresiliencytointer-symbolinterference,highspectralefficiencyandefficienttoreducemulti-passinterference.OFDMsystemusescircleprefixtechnology,whichcanavoidinter-symbolinterferenceandprotectthequadrature-phasingofanumberofsubcarriers.MeanwhileIFFTandFFTarealsousedinthesystem,whichmadethemodulationandthedemodulationsimple.However,thechanneltransferfunctionvarieswithtimesinthemobilecommunication.Inordertoimprovecommunicationefficiencyandquality,itisnecessarytomakeadynamicestimationofthecurrenttransferfunction.Basedonrelatedmaterials,thehistoryoftheOFDMtechnologyispresentedinthepaper.AndtheprincipleandimplementationofOrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing(OFDM)isdiscussed.OnthebriefanalysisofOFDMsystem,thispaperintroduceschannelestimationviablock-typepilotarrangementguidedfrequencyinOFDMsystem.ThemostlyelementsofthisIItechnologyareasfollow:inthesendingend,insertPilotSignalsintothedataincertainintervals.Inthereceivingend,takethePilotSignalsoutofthedataandobtaintheestimateofthechanneltransferfunction.Inthispaper,therechannelestimationmethods（MMSE、LS、SVD）forOFDMareintroduced,theirperformanceareanalyzedandcomparedbysimulation.Intheend,wecanseetheperformanceofMMSEestimatoristhebest,andtheperformanceofLSestimatoristheworst,whileforthecomplexityofthethreechannelestimatormethods,theconditionisreversecomparingwiththeconditionoftheperformance.KeyWords:Orthogonalfrequencydivisionmultiplexing(OFDM),Channelestimation,Minimummean-squareerror(MMSE)，Least-square(LS)，Singularvaluedecomposition(SVD)III前言...........................................................1第一章移动通信系统及OFDM技术概述............................31.1移动通信系统的发展历史...................................31.2OFDM技术发展史........................................41.3OFDM技术原理描述......................................6第二章OFDM系统中基于导频的信道估计技术......................92.1常见的三种导频结构......................................92.1.1块状导频结构......................................102.1.2梳状导频结构......................................112.1.3正方形分布的导频结构..............................122.2OFDM系统中基于导频信道估计技术的基本原理.............132.2.1基于导频的信道估计的OFDM系统模型.................132.2.2OFDM系统的基本原理.............................132.2.3信道传递函数......................................16第三章基于块状导频结构的信道估计算法..........................173.1基于块状导频结构的信道估计概述.........................173.2三种基于块状导频结构的信道估计算法.....................173.2.1MMSE估计.......................................183.2.2LS估计...........................................193.2.3SVD估计..........................................20第四章仿真及结果..............................................23IV4.1仿真系统描述............................................234.1.1仿真条件及信道模型................................234.1.2仿真流程图........................................264.2仿真结果及分析..........................................28第五章总结...................................................32致谢..........................................................34参考文献.......................................................35附录仿真源程序...............................................3611前言在现代通信系统中，如何高速和可靠的传输信息是一个很重要的内容。目前，数据传输的理论和实践已经取得很大的进展，但这些进展并不适应于更广泛的信道以获取更高的传输性能。而且随着通信的发展，特别是无线通信业务的增长，可利用的频带日趋紧张。除了开发新的频谱资源外，采用新的高效抗干扰调制技术，提高频带的利用率一直是人们关心的话题，OFDM技术的出现则为这些问题的解决开辟了一条新的路径。OFDM即正交频分复用，是对多载波调制（MCM，Multi-CarrierModulation）的一种改进，它在频域把信道分成许多正交的子信道，各子信道的载波保持正交，并将高速数据流串并转换到这些正交并行子载波上，以较低的比特率传送。它适用于在多径和频率选择性信道环境下的高速数据传输。它具有能有效消除符号间串扰（ISI）、提高频谱利用率，很好的对抗频率选择性衰落和窄带干扰的优点。OFDM的相干解调需要对信道进行估计和跟踪，一般可采用插入导频的数据辅助估计法或基于高阶统计量的盲估计法。本文主要考虑基于块状导频结构的信道估计，它适用于慢衰落无线信道。基于块状导频结构的信道估计是指在发送信号中每隔一定的时间插入导频信号（收方确知的信2号），且导频信号占用所有的子载波，收方通过对导频信号的处理进行信道估计。因为信道是慢衰落的，所以信道在两个导频信号之间的时间内可以近似看作是恒定的，于是各符号所在信道的特性都可以通过这些导频信号所经信道的传输特性做内插滤波而得到。针对OFDM传输系统的特点，我们试图利用不同的估计准则和理论来处理其中的信道估计问题。OFDM技术已经成功地应用于非对称数字用户环路（ADSL）、无线本地环路（WLL）、音频数字广播（DAB）、高清晰度数字电视（HDTV）和无线局域网（WLAN）。随着DSP芯片技术的发展，格栅编码技术、软判决技术、信道自适应技术及信道估计技术等成熟技术的应用，OFDM技术的实现和完善指日可待。本文的第一部分简要介绍移动通信系统的发展历史以及OFDM技术的基本原理；在第二部分我们描述了带有导频部分的O