论文

摘要

随着人们对宽带无线通信需求的不断增长，宽带无线通信的理论和技术己经 成为整个通信技术领域最引人注目的研究方向。以正交频分复用(OFDM)技术为代 表的多载波传输是一种很有前途的技术，并成为下一代无线通信的核心技术。考虑算法的复杂度，基于导频的信道估计技术近几年己经被认为是解决信道估计问题的有效方法。

本文对OFDM系统的信道估计技术进行研究，重点是研究OFDM系统基于导频的信道估计方法。首先，简要概述了OFDM系统的特点，以及OFDM系统中信道估计的意义和研究现状。其次，详细论述了OFDM系统的基本原理、优缺点和涉及到的关键技术，包括了OFDM系统的基本模型、OFDM系统的DFT实现方法以及关键的同步技术。并且对信道估计的三种方法进行了详细的论述，最主要的是基于导频信号的信道估计技术。再次，对OFDM系统中基于导频的信道估计进行了更为深入的探究，包括导频形状的三种选择、导频子载波处的三种信道估计算法以及对每种算法在不同导频选择下的仿真分析。最后，通过Matlab仿真得到了以下结果：在实际应用中通常使用LMMSE算法进行信道估计，验证了LMMSE算法的可行性。结论：在低信噪比下，LS算法复杂度低，准确度会受到限制，从而影响信道的估计；MMSE算法复杂度过高，并且LMMSE算法与MMSE算法相比，误码性能相当，而LMMSE算法复杂度比MMSE算法简单；在低信噪比下，MMSE算法与SVD算法性能相当，但在大信噪比下，其误比特率明显比MMSE算法大，甚至当信噪比很大时其性能尚不及LS算法。

关键词：正交频分复用 同步 导频信号 LS准则 MMSE准则 SVD算法

ABSTRACT

As the growing demand of broadband wireless communications, its theory and technology have become the highest research in the field of communications.Orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) as the representative of the multi-carrier modulation is a promising technique which has become one key technology in the new filed of wireless mobile communications.Considered the complexity of algorithm, the pilot-assisted channel estimation technique has received considerable attention as an effective approach for solving the channel estimation problems in recent years.

In this paper, the OFDM system channel estimation technology is researched,focuses on the channel estimation method based on pilot study of OFDM system.First, a brief overview of the characteristics of the OFDM system and OFDM system, the channel estimation of the significance and research status.Secondly, discusses in detail the key technology and the basic principles of OFDM system,and the advantages and disadvantages of involved, including the basic model of OFDM system, OFDM system and DFT method to realize the synchronization of key technology. Andthree kinds of channel estimation methods are discussed in detail, is the main channel estimation technique based on pilot signals. Once again, the OFDM system channel estimation based on pilot conducted a more in-depth inquiry, including the algorithm and theanalysis of the simulation of each algorithm in different pilot selection under three kinds of channel three, the shape of the selected pilot pilot subcarrier estimation. Finally, the following results are obtained through Matlab simulation: in practical applications often use LMMSE algorithm for channel estimation, proves the feasibility of the LMMSE algorithm. Conclusion: in the low SNR, LS algorithm has low complexity, accuracy is limited, thus affecting the channelestimation; MMSE algorithm complexity is too high, and compared with LMMSE algorithm and MMSE algorithm, the BER performance of LMMSE algorithm, and the complexity of the MMSEalgorithm is simple; in low SNR, MMSE algorithm and the performances of SVD algorithm, butwhen the signal-to-noise ratio is high enough, the bit error rate is higher than the MMSE algorithm, even when the SNR is large and its performance is less than LS algorithm.

Keywords:Orthogonal frequency division multiplexing Synchronization The pilot signal The LS criterion The MMSE criterion SVD algorithm

目录

第一章 绪论.........................................................1

1.1本文的研究背景...............................................1

1.2 OFDM技术的特点及应用........................................2

1.2.1 OFDM技术的特点........................................2

1.2.2 OFDM技术的应用........................................3

1.3 OFDM系统中信道估计的意义及研究现状...........................4

1.3.1 OFDM系统中信道估计的意义...............................4

1.3.2 OFDM系统中信道估计的研究现状...........................5

1.4 本文的研究内容及章节安排.....................................6

第二章 OFDM系统的基本原理..........................................8

2.1 OFDM系统的基本原理...........................................8

2.1.1 OFDM系统的基本模型....................................8

2.1.2 OFDM系统的DFT实现.....................................9

2.1.3 保护间隔与循环前缀....................................13

2.2 OFDM系统的优缺点 ...........................................15

2.2.1 OFDM系统的优点........................................15

2.2.2 OFDM系统的缺点 .......................................16

2.3 OFDM系统的关键技术..........................................17

2.3.1 同步技术..............................................17

2.3.2 信道估计技术..........................................19

2.3.3 降低峰均比技术........................................20

2.4 本章小结....................................................22

第三章 信道估计方法研究............................................23

3.1 基于导频信号的信道估计......................................23

3.2 盲信道估计方法..............................................25

3.3 半盲信道估计................................................27

第四章OFDM系统中基于导频的信道估计 ...............................29

4.1 导频的选择 .................................................29

4.1.1 块状导频..............................................29

4.1.2 梳状导频..............................................31

4.1.3 散状和交错状导频......................................32

4.2 导频子载波处的信道估计......................................33

4.2.1 基于最小二乘（LS）准则的信道估计......................33

4.2.2 基于最小均方误差准则（MMSE）的信道估计及其优化........36

4.2.3 基于奇异值分解算法（SVD）的信道估计...................39

4.3 算法仿真分析................................................40

4.3.1 最小二乘（LS）准则下不同导频的仿真结果................40

4.3.2 最小均方误差准则（MMSE）下不同导频的仿真结果..........42

4.3.3 奇异值分解算法下不同导频的仿真结果....................43

4.6 结论........................................................45

致谢...............................................................46

主要参考文献及附录.................................................47

第一章 绪论

1.1 本文的研究背景

正交频分复用(OFDM)是一种应用于无线通信中的多载波高速传输技术，它可以被看作一种调制技术，也可以被当作一种复用技术。OFDM技术的主要特点是将高速串行数据分割到多个正交子载波上进行相对低速的并行传输。

正交频分复用最早起源于20世纪50年代中期，主要用于低速窄带军事通信领域，在60年代就己经形成了使用并行数据传输和频分复用的概念，1970年1月首次公开发表了有关OFDM的专利。自1971年S. B. Weinstein和P. M. Ebert提出将离散傅立叶变换(DFT, Discrete Fourier Transform)用于多音调制系统中的频分复用以后[1]，多音调制技术受到了越来越广泛的关注。随着技术的不断发展，出现了实现IFFT/FFT快速算法的芯片，使得多载波调制变得非常简单容易。80年代随着集成电路工艺技术的迅速发展，OFDM技术被研究应用于高速调制解调器、数字移动通信等领域。90年代以来，这种技术己经在欧洲的数字音频广播((DAB , Digital AudioBroadcasting)·数字视频广播(DVB, Digital Video Broadcasting)、高清晰度电视(HDTV, High-definition Television)、无线局域网(WLAN, Wireless Local AreaNetwork)技术标准IEEE802.11 a[2]和宽带无线接入技术标准802.16中得到了应用，并可对DAB进行移动接收。此外，OFDM技术还在非对称数字用户线(ADSL,Asymmetric Digital Subscriber Line)、短波电离层反射通信、高速话带及群带调制解调器等领域得到了广泛应用。另外，OFDM技术易于结合空时编码，分集，干扰抑制，以及智能天线技术，最大程度地提高物理层传输的可靠性和有效性，如果再结合自适应调制，自适应编码以及动态子载波分配，动态比特分配等技术，其性能可以进一步提高。随着OFDM相关技术的不断成熟，以及与MIMO(Multiple Input Multiple Output), CDMA(Code Division Multiple Access)技术的结合使用，在下一代移动通信中的也将得到广泛的运用[[3] [4] [5]。这些技术都具有很好的发展前景。因此，OFDM通信技术受到人们越来越广泛的接受和重视。

现代社会己步入信息时代，在各种信息技术中，信息的传输即通信起着支撑 作用，由于人类社会生活对通信的需求越来越高，世界各国都在致力于现代通信 技术的研究、开发以及现代通信网的建设。

在过去的十几年里，移动通信技术己完成了由第一代模拟通信技术向第二代 数字通信技术的过渡，但还是无法达到真正的全球自动漫游。第三代移动通信向 个人通信的目标迈出了一大步，但第三代移动通信不能算是完全的个人通信。未 来的第四代移动通信应该比第三代移动通信更接近于个人通信，即任何人在任何 时间、任何地点上实现任何形式的通信。这就要求通信的内容除话音外，还有其 它媒体包括语音、数据、影像等大量信息通过宽频的信道传送出去。第四代移动 通信不仅仅是为了适应用户数的增加，更重要的是，必须要适应多媒体的传输需 求，当然还包括通信品质的要求。总的来说，未来移动通信系统必须可以容纳市 场庞大的用户数、改善现有通信品质不良以及达到高速数据传输的要求。而正交 - 1 -

频分复用(OFDM, Orthogonal Frequency Division Multiplexing)技术在未来通信系统中最受瞩目。本章简要介绍OFDM技术发展历史、关键技术及论文课题的提出和主要研究内容，为后面的章节奠定了理论基础。

1.2 OFDM技术的特点及应用

1.2.1 OFDM技术的特点

OFDM技术属于多载波调制技术，但它并不完全等同于多载波调制。OFDM技术在频域内将给定的信道分成若干个正交子信道，用一个子载波调制一个子信道，且各个子载波并行地传输。由于OFDM系统的每个子信道是相对平坦的，且信号带宽小于信道的相干带宽，因此大大消除了信号波形间的干扰。各个子信道的载波相互正交且频谱相互重叠，这不但减小了子载波间的相互干扰，还提高了频谱的利用率。另外，OFDM技术备受关注的其中一条重要的原因是它可以利用离散傅立叶反变换/离散傅立叶变换(IDFT/DFT)代替多载波的调制和解调，大大降低了硬件实施的复杂度。

1.2.2 OFDM技术的应用

自20世纪80年代以来，OFDM技术的应用己经越来越广泛。经过多年的发 展，该技术在音频广播和视频广播领域己得到了广泛的应用。主要的应用包括非对称数字用户环路(ADSL ) , ETSI标准的音频广播(DAB)和数字视频广播(DVB) 等。DVB是在AM和FM等模拟广播基础上发展起来的，其中可以提供与CD相 媲美的音质，以及其他的新型数据业务。1995年，由欧洲电信标准协会(ETSI 制定了DAB标准，这是第一个使用OFDM的标准。接着在1997年，基于OFDM 的DVB标准也开始投入使用。在ADSL应用中，OFDM被典型地当作离散多音调 制(DMT modulation，成功地用于有线环境中，可以在1MHz带宽内提供高达 8Mbit/s的数据传输速率。

1999年IEEE 802.11 a通过了一个SGHz的无线局域网标准，其中OFDM调制技术被采用作为它的物理层标准。ETSI的宽带射频接入网(BRAN)的局域网标准也把OFDM技术定为它的调制标准技术。1999年12月，包括爱立信、诺基亚和Wi-LAN在内的7家公司发起了国际OFDM论坛，致力于策划一个基于OFDM 技术的全球单一标准。现在OFDM论坛的成员己经增加到46个会员，其中15个 为主要会员。我国的信息产业部也己经参加了OFDM论坛，OFDM技术在无线通 信领域的应用己经引起国内通信界的重视。2000年11月，OFDM论坛的固定无线接入工作组向IEEE 802.16.3的无线局域网委员会提交了一份建议书，提议采用OFDM技术作为IEEE 802.6.3城域网的物理层(PHY)标准。随着IEEE 802.11 a 和BRANHiperLAN/2两个标准在局域网的普及和应用，OFDM技术将会进一步在 无线数据本地环路的广域网领域做出重大贡献。OFDM技术由于其频谱利用率高、 成本低等原因越来越受到人们的关注，随着人们对通信数据化、宽带化、个人化 和移动化的需求，OFDM技术在综合无线接入领域将会越来越得到广泛的应用。 随着DSP芯片技术的发展，傅立叶变换/反变换、高速MODEM采用的64/128/256QAM技术、栅格编码技术、软判决技术、信道自适应技术、插入保护 时段以及减少均衡计算量等成熟技术的逐步引入，人们开始集中越来越多的精力 开发OFDM技术在移动通信领域的应用，第三代以后的移动通信的主流技术将以 技术为核心。

此外，OFDM还易于结合空时编码、分集、干扰(包括ISI和ICI)抑制以及 - 2 -