基于OFDM系统信道估计的设计与仿真

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1、沈阳建筑大学毕业设计阐明书毕 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 6月9日摘要正交频分复用(OFDM)是一项有关高速无线传播的十分有吸引力的技术。这项技术通过把整个频带提成许多并行传播的窄子频带的措施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播领域的一项核心技术，直接影响无线通信传播系统的性能。所谓信道估计，就是从接受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

2、。通过信道估计，接受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。本文一方面简朴简介了 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核心技术，简介了基于导频序列的信道响应的频域估计和时域估计的法。核心词：OFDM；信道估计；导频符号；接受机Abstract Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) is a very att

3、ractive 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 broadcast, di

4、gital terrestrial television broadcast, high-speed wireless local area network (LAN) , cellular data communications and other aspects .Channel estimation is a key technique in the field of wireless communication transmission, which impact on the performance of wireless communication transmission sys

5、tem 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

6、 detection 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 charact

7、eristics of wireless communication, 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 paper describes the frequency-domain and time-domain response which is estimated based on channel estimation p

8、ilot sequences law.Key words: OFDM；channel estimation；pilot symbols；receiver 目录第一章 绪论11.1 OFDM系统的发展历史21.2 OFDM技术的优缺陷21.3 OFDM的应用31.4本文重要工作及章节安排4第二章 OFDM系统的基本原理和参数选择62.1 OFDM 系统的调制和解调原理62.2 保护间隔和循环前缀72.3 本章小结8第三章 OFDM在无线信道中的传播93.1 无线多径信道的分析93.1.1 移动多径信道的参数103.1.2 多径衰落类型113.2 无线信道对 OFDM 的影响123.3 无线 OF

9、DM 系统中的发射机和接受机123.4 本章小结13第四章 OFDM的信道估计144.1信道估计的重要性144.2 信道估计的措施144.3 导频形式的选择164.4 频域内信道传播函数的估计174.5 时域内信道冲击响应的估计194.6 本章小结19第五章 OFDM 系统信道估计算法仿真分析205.1 IEEE802.11a 基带系统205.1.1IEEE802.11a 基带系统构造框图205.1.2系统仿真框图215.2 接受机性能225.2.1 信道噪声225.2.2 平坦慢衰落信道235.3 系统仿真245.3.1 OFDM 的参数选择245.3.2 仿真参数设计255.3.3仿真成果

10、及分析25第六章 技术经济分析29第七章 结论31参照文献32道谢33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的是实现无所不在的、高质量的、高速率的移动多媒体传播。但是为了实现这一目的，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途径损耗，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(Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM)技术则是一种很有前程的、可克服信道时延扩展的

11、传播手段,因此被日益受到注重。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，并形成了三大重要原则。但是，3G 满足不了将来无线通信的规定。于是，有人提出了 4G 的概念，并充足与INTERNET 技术相结合，互为运用，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本上充足提高频谱效率以满足大容量的通信规定。因此，多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（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）技术作为继第三代移动通信技术后4G的核心

12、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 (Hybrid Fiber Cable)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-Carrier Modulation, 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就是将所要传播的数据流提成若干个数据子流，每个子数据流具有低得多的传播比特率，并且用这些数据流去并行调制若干个互相正交的载波。目前， 这项技术已在许多高速信息传播领域得到应用，并且有也许成为下一代蜂窝移动通信系统的物理层传播技术。无线通信中信道的多径

13、衰落，多普勒效应及加性噪声等问题，始终是影响通信系统性能的重要因素。本文重要针对无线信道对OFDM系统的影响及OFDM的信道估计问题展开研究。1.1 OFDM系统的发展历史近些年来， 以正交频分复用（OFDM）为代表的多载波传播技术受到了人们的广泛关注。多载波传播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，就构成了多种低速率符号并行发送的传播系统。OFDM是多载波传播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 运用逆迅速傅立叶变换（IFFT）和迅速傅立叶变换（FFT）来分别

14、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播方案。除了OFDM方式之外，人们还提出了许多其她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播性能；1970 年1月有关OFDM 的专利被初次公开刊登；1971年Weinstein和Ebert 在IEEE杂志上刊登了用离散傅立叶变换实现多载波调制的措施；8

15、0 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进一步的研究。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，由于数字信号解决技术和大规模集成电路技术的进步，OFDM技术在高速数据传播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)以及高比特率数字顾客线(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 原则的无线城域网, 基于IEEE802.15 原则的个人信息网以及将来的下一代无

16、线蜂窝移动通信系统中使用OFDM技术。1.2 OFDM技术的优缺陷OFDM 技术得到广泛应用的重要因素是它有诸多长处：（1）在窄带带宽下也可以发出大量的数据。（2）OFDM 技术可以持续不断地监控传播介质上通信特性的忽然变化，由于通信途径传送数据的能力会随时间发生变化，因此 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播介质下哪一种特定的载波存在高的信号衰减或干扰脉冲，然后采用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 技术的最大长处是对抗频率选择性衰落或

17、窄带干扰。在单载波系统中，单个衰落或干扰可以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导致的符号间干扰，其实现复杂度比采用均衡器的单载波系统小。当信道中由于多径传播而浮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，其她的子载波未受损害，因此系统总的误码率性能要好得多，合用于多径环境和衰落信道中的高速数据传播。（7）通过各个子载波的联合编码，具有很强的抗衰落能力。OFDM 技术自身已经运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

18、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，由于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 实现措施；（10）信道运用率很高，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，系统的频谱运用率趋于 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派每个子载波上传送的信息比特，从而大大提高系统传播信息的容量。（12）在广播应用中,运用OFDM系统可实既有吸引力的单频网络。与老式的单载波传播系统相比OFDM 的重要缺陷在于：（1）OFDM 对于载波频率偏移和相位噪声

19、的敏感限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。1.3 OFDM的应用由于技术的可实现性，在二十世纪90年代，OFDM广泛用于多种数字传播和通信中，如移动无线FM信道，高比特率数字顾客系统（HDSL），不对称数字顾客线系统（ADSL），甚高比特率数字顾客线系统（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通过了一种5GHz的无线局域网原则，其中OFDM调制技术被采用为物理层原则，使得传播速率可达54Mbps。这样，可提供25Mbps的无线AT

20、M接口和10Mbps的以太网无线帧构造接口，并支持语音、数据、图像业务。这样的速率完全能满足室内、室外的多种应用场合。欧洲电信组织的宽带射频接入网的局域网原则Hiperlan/2也把OFDM定为它的调制原则技术。，IEEE802.16通过了无线城域网原则，该原则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，因此系统采用了抵御多径效应、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

21、的原则每年都在发展，2月，IEEE802.16e（移动宽带无线城域网接入空中接口原则）形成了最后的出版物。固然，采用的调制方式仍然是OFDM。11月，根据众多移动通信运营商、制造商和研究机构的规定，3GPP通过被称为LTE即“3G长期演过”的抱负工作。项目以制定3G演进型系统技术规范作为目的。3GPP通过剧烈的讨论和艰苦的融合，终于在12月选定了LTE的基本传播技术，即下行OFDM；上行SC（单载波）-FDMA。OFDM由于技术的成熟性，被选用为下行原则不久就达到了共识。而上行技术的选择上，由于OFDM的高峰均比（PAPR）使得某些设备商觉得会增长终端的功放成本和功率消耗，限制终端的使用时间，

22、某些则觉得可以通过滤波，削峰等措施限制峰均比。但是，通过讨论后，最后上行还是采用了SC-FDMA方式。拥有国内自主知识产权的3G原则TD-SCDMA在LTE演进筹划中也提出了TD-CDM-OFDM的方案。1.4本文重要工作及章节安排本文从无线通信的现状和发展出发，回忆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陷，系统地分析论述了 OFDM 作为多载波调制的重要实现形式在将来移动通信中的重要地位。正文重要进行了如下的分析与研究：一方面分析了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在无线信道中的传播作了具体的分析，其中涉及了无线多径信

23、道的分析、无线信道对OFDM的影响、无线OFDM系统的发射机和接受机方面知识。然后通过认知信道估计的重要性，着重分析信道估计的措施、导频形式的选择，以及时域和频域内信道传播函数的估计。最后通过Matlab软件，在选择好系统参数的状况下，进行仿真实验，得出仿真成果，并进行进一步分析，得出最后的成果。第二章 OFDM系统的基本原理和参数选择2.1 OFDM 系统的调制和解调原理每个 OFDM 符号是多种通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 表达子信道的个数，T表达符号的宽度,di( i=0, 1,L,N-1)是分派给每个

24、子信道的数据符号，fc是载波频率，则从t = ts 开始的 OFDM 符号可以表达为： , 2-1在诸多文献中，常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)的实部和虚部分别相应于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，构成最后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 2-1 OFDM 的调制和解调框图在图2-2中给出了一种OFDM符号内涉及4个子载波的实例。其中所有的子载波都具相似的幅值和相位，但在实际应用中，根据数据符号的调

25、制方式，每个子载波的幅值和相位都也许是不同的。从图2-2可以看到，每个子载波在一种OFDM 符号周期内都涉及整数倍的周期，并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 涉及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，所有其她子信道的频谱值正好为零。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)的浮现。接受端第K路子载波信号的解调过程为：将接受信号与第K路的解调载波相乘，然后将得到的成果在OFDM 符号的持续时间T内进行积分,即可获得

26、相应的发送信号dk2。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 一般要不小于无线信道的最大时延扩展，这样一种符号的多径分量不会对下一种符号导致干扰。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播时段。然而在这种状况下，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，可以将本来宽度为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(Cyclic pre

27、fix)。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 的部分相似。在实际系统中OFDM符号在送入信道之前，一方面要加入循环前缀，然后送入信道进行传送。在接受端，一方面将接受符号开始的宽度为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涉及的波形的周期个数是整数。这样，时延不不小于保护间隔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 本章小结本章重要讲了 OFDM 系统的发展历史，应用及其优缺陷。着重简介 OFDM 系统的基本

28、原理，信号产生过程，如何运用 IFFT/FFT 调制和解调，参数选择涉及比特速率、带宽、最大时延扩展，尚有保护间隔和循环前缀的概念和选用，及其对对的传播信息起到的作用。使读者总体上对 OFDM 系统有一定的理解。第三章 OFDM在无线信道中的传播在无线通信系统中，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受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提成不同类型的信道。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，一种通过无线信道传播的信号往往会沿某

29、些不同的途径达到接受端，这一现象称为信号的多径传播。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，接受信号功率可表达为: , 3-1式中 d 表达距离向量，其绝对值同表达移动顾客与基站的距离。上式表达信道对无线电信号的影响可归纳为三类：（1）自由空间的途径损失(也称传播损失)|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):由传播环境中的地形起伏、建筑物和其他障碍物对电波的阻塞而引起的衰落，被称为中档尺度衰落。（3）多径衰落R(d) :由移动传播环境中的

30、多径传播，因此导致信号通过多条途径达到接受端，而每个信号分量的时延、衰落和相位都不相似，因此在接受端对多种信号分量叠加时，会导致同相增长，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，其中一种具体体现就是浮现多普勒频移(Doppler Frequency Shift)。自由空间的传播损耗和阴影衰落重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，先简朴简介一下前两种衰落：（1）无线信道的大尺度衰落无线电波在自由空间内传播，其信号功率会随着传播距离的增长而减小，这会对数据速率以及系统性能

31、带来不利的影响。如果不采用其他特殊技术，则数据的符号速率以及电波的传播范畴都会受到很大的限制。但是在一般的蜂窝系中，由于社区的规模相对较小，因此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途径中遇到起伏地形、建筑物和高大的树林等障碍物的阻塞时，在这些障碍物的背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，接受天线接受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，其中接受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

32、，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有更强的绕射能力。3.1.1 移动多径信道的参数下面先简介多径信道的某些参数：时延扩展、相干带宽、多普勒扩展和相干时间，以便更好地理解信道的特性。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，脉冲信号通过多径传播后，由于途径不同，因而达到时间不同，若发射一种脉冲，那么接受信号中涉及了各延迟信号，其脉冲的宽度就要增长，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种拟定关系值，是指在一种特定频率范畴内，两个频率分量有很强的幅度有关性，它表征的是信号中两个频率分量基本有关的频率间隔，也就是

33、说衰落信号的两个频率分量，当频率间隔不不小于相干带宽时，它们是有关的，其衰落具有一致性。当频率间隔不小于有关带宽时，它们就不有关了，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，或是由信道途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种频率范畴，在此范畴内接受的多普勒谱有非零值。如果基带信号带宽远大BD ，则在接受机端可忽视多普勒频率扩展的影响，此时的信道是一种慢衰落信道。相干时间TC是多

34、普勒扩展在时域的表达，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记录平均值。换句话说，相干时间就是指在一段时间间隔，在此间隔内，两个达到信号有很强的幅度有关性。如果基带信号带宽的倒数不小于信道相干时间，那么传播中基带信号也许会发生变化，导致接受机信号失真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也许产生四种不同的效应，这些是由信

35、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，多径衰落信道存在着两种扩展：多径效应引起的时间上的时延扩展，多普勒效应引起的多普勒频谱扩展。时延扩展使接受信号在时域上的波形展宽，多普勒频谱扩展使接受信号在频域上的频谱展宽。这是移动通信的信道的电波传播特性分别在时域和频域上的体现。如果移动无线信道带宽不小于发送信号带宽，且在带宽范畴内有恒定的增益及线性相位，则接受信号就会经历平坦的衰落过程。在平坦的衰落状况下，信道的多径效应使发送信号的频谱特性在接受机内仍保持不变。然而，由于多径效应导致信道增益的

36、起伏，使接受信号的强度会随着时间变化。平坦衰落信道即幅度变化的信道，可当作窄带信道，这是由于信号带宽比平坦衰落信道的带宽窄得多，即 BsBc 。根据信号与信道变化快慢的比较，信道可分为快衰落信道和慢衰落信道，在快衰落信道中，信道的冲击响应在符号周期内变化不久。即信道的相干时间比信号周期短。由于多普勒扩展引起频率色散（也称为时间选择性衰落）导致信号失真。从频域上看，信号失真随发送信号带宽的多普勒扩展的增长而加剧。产生快衰落的条件为：BsBd 。3.2 无线信道对 OFDM 的影响OFDM 的并行多载波构造及循环前缀的加入使得系统对多径时变有很强的适应性，但是循环前缀的加入会加大通信开销，使传播效

37、率减少。子载波数目的增多也使系统的复杂度增大。上节所述，由于无线信道对系统的影响重要来自多径时延和多普勒频移，下面重要讲无线多径信道中时延和多普勒频移对 OFDM 的影响。OFDM 系统中，子载波数目为N ，系统的采样间隔为TS ,循环前缀的长度为 Tg ，选择这些参数是很核心的。为了达到更好的性能，应当使每个子载波尽量达到频率非选择性慢衰落。已知系统带宽B = 1/TS,子载波带宽为1/(NTS)。一方面，由于循环前缀的加入会带来信噪比损失：LOSS=NTS/(NTS+Tg),因此应当让循环前缀的长度和符号长度相比尽量的小，这样才干减小信噪比的损失。循环前缀选用和信道多径时延有很大的关系，应

38、选用NTS = ,或者说是子载波的数目N =B，但如果 OFDM 符号长度过大，则也许导致由多普勒扩展引起的子信道频率间干扰过大，由慢衰落的定义，可知当子载波的带宽比多普勒频移fd 大诸多时，系统对多普勒展宽和有关的子信道频率间干扰并不敏感，因此子载波的个数应当满足：fd = 1/(NTS)。多普勒频移引起的 ICI 加性干扰噪声对信道估计的性能有很大影响，随着 ICI 功率的增长信道估计的性能会迅速下降。因此要控制多普勒频移在一定的范畴内。对于平坦信道，当导频符号（CP）的长度不够时，多径时延将带来 ISI 和 ICI，由此引起的干扰噪声将影响 OFDM系统。3.3 无线 OFDM 系统中的

39、发射机和接受机OFDM系统发射机和接受机的典型构造如图3-1所示，图3-1的上半部分是发送机的框图，下半部分是接受机的框图，由于IFFT和FFT的运算环节非常相似，可以用相似的硬件来实现。因此将实现IFFT和FFT 运算的部分放在了同一种方框图中。一般来说，在实际的OFDM系统中，发送机在IFFT 调制前涉及前向纠错编码、交错、QAM制、导频插入、串7并变换等。在IFFT 模块的背面涉及并7串变换、插入循环前缀、加窗数7模变换、射频调制和放大等。接受机涉及射频放大和解调、模7数变换、定期同步、并变换FFT 解调、信道纠正、QAM解调、交错、纠错码译码等。 图 3-1 OFDM系统发射机和接受机

40、的构造3.4 本章小结本章中一方面分别讨论了无线信道对接受信号导致的大尺度衰落、阴影衰落以及小尺度衰落。对于大尺度衰落，给出了信号功率会随着传播距离的增长而减小的结论;对于阴影衰落，给出了信号的频率对阴影衰落的影响；最后，较具体的讨论了小尺度衰落的影响，其中涉及时延扩展以及多普勒频移对信号的影响。 第四章 OFDM的信道估计由前几章，理解了 OFDM 的基本原理以及信道特性，下面将简介信道估计的措施，由于信道估计对对的恢复信号有很大作用7。本文将着重简介基于导频的信道估计措施。4.1信道估计的重要性无线通信系统的性能很大限度上受到无线信道的影响。无线信道和固定信道相比更为复杂，具有随机不可预测

41、性。举例来说，模拟有线信道的典型信噪比为 46dB，也就是说信号电平要比噪声电平高出40000倍，并且有线信道的传播质量可以通过选择更好的材料和加工工艺得到保证，在有线传播中信噪比的波动一般不超过 1-2dB，与此相对的是移动无线信道中信号强度的深度衰落司空见惯，甚至可达 30 多种 dB，在都市环境中，一辆迅速行驶的车辆上的移动台在一秒钟之内明显的衰落可以达到数十次。将来移动通信技术的发展和应用，越来越依赖与对无线信道的理解和掌握，这就规定我们对无线信道进行估计和预测。从已有的研究和将来的发展需要看，对无线信道的估计和预测可以提成 3 种类型:适合于滤波解决的信道记录特性估计、适合于自适应技

42、术的信道平稳特性实时估计和预测、适合于信道运用技术的传播特性的精细估计和预测。对于 OFDM 系统来说，重要采用第三种技术估计信道传播函数。4.2 信道估计的措施在移动通信系统中，调制方式分为差分调制和相干调制，在差分调制中，信息是由相邻两个符号的差来编码的，可以不需要信道估计，并使系统减少了复杂度，但相对而言数据传播率较低。在 OFDM 系统中，接受端须知信道的信息， 而移动信道属于多径衰落信道，OFDM 系统中每个子载波在传播的过程中其幅度和相位都会随载波频移，相位噪声，定期偏移等因素而变化，在时域和频域引起衰落，产生码间干扰，减少了系统性能。因此如何在接受时能检测出这些变化的因素已成为能

43、否精确地解调原信号的核心，这正是信道估计器要解决的问题。目前，信道估计的措施有许多种，重要有两类：一类是盲估计，根据信号在时间或频率上的有关性对信道进行估计，如线性最小均方误差（LMMSE）估计，最小二乘（LS）估计，此类估计需要所有 N 个子载波的有关性，算法复杂，计算量大，估计器构造复杂，已有人分别对上述两种算法进行了改善，减少了复杂性，最小均方误差（MMSE）性能较好，但复杂性高，最小二乘（LS）复杂性较低，但性能不如 MMSE。另一类是基于导频方式的估计，是本文重要简介的措施，此类信道估计的常用措施有两种：基于导频信道的估计和基于导频符号的估计。基于导频信道的措施是在系统中设立专用导频

44、信道来发送导频信号 。由于 OFDM 系统具有时频二维构造，因此采用导频符号辅助信道估计更加灵活。所谓的基于导频符号的信道估计是指在发送端的信号中的某些位置插入某些接受端已知的符号或序列，接受端运用这些信号或序列受传播衰落影响的限度，根据某些算法来估计信道的衰落性能，固然也可以用 MMSE 和 LS 算法， 这一技术叫作导频信号辅助调制 (PSAM), 在多种衰落估计技术，PSAM 是一种有效的技术。在单载波系统中，导频符号或序列只能在时间方向上插入， 在接受端提取导频信号估计信道的冲击响应h(t,)。而在多载波系统中，导频信号可以在时间和频率两个方向上插入，在接受端可提取导频信号估计信道的传

45、递函数H (f,t)。只要导频信号在时间和频率方向上间隔对于信道带宽足够少，就可以采用二维内插滤波的措施来估计传递函数H (f,t)，也可以采用分离的一维估计。 在 OFDM 系统中，信道估计器的设计重要有两个问题：一是导频信号的选择，由于无线信道常常是衰落信道，需要不断对信道进行跟踪，因此导频信号也必须不断的传送。 二是既有较低的复杂度又有良好的导频跟踪能力的信道估计器的设计，在拟定导频发送方式和估计准则条件下，寻找最佳的信道估计器构造。 在实际设计中，导频信息的选择和最佳估计器的设计一般又是互相关联的。由于估计器的性能与导频信息的传播方式有关。然而，在多载波 OFDM 系统中，由于多址接入

46、，必然受到信道干扰，加性噪声和窄带干扰，虽然在插入导频信号的状况下对信道的估计也是很困难的。 因此，在保证系统容量、性能、可靠性的前提下，采用有效的估计措施可使系统性能得到明显的提高。此外，有一种基于直接序列扩频的导频编码方式，其信号在 FFT 变换前的时域表达式为：X(n) = a(n)c1+c2其中c1，c2为互相正交的扩频码，这种方式适合于多径频率选择性快衰落信道。4.3 导频形式的选择基于导频符号信道估计的 OFDM 系统 ，其导频形式的选择决定于两个重要的参数，最大速度（决定最小相干时间）和最大多径时延（决定最小相干宽）。为了可以跟上传播函数的时频变化，导频符号应当放置得足够近，但导

47、频符号又不能太多，这样一来会减少数据速率，因而必需综合考虑。导频符号由特定的 OFDM 子载波传播 ，其在 OFDM 帧中位置是一定的。在接受端，对信道的估计可以看作对信道冲击响应H(k)的二维采样，采样必须满足采样定理。因此，导频符号的最低密度由 Nyquist 频率拟定，即 Nt = 1/2fmax , Nf = 1/2fDTS 。 图 4-1 导频形式示意图图 4-1（a）是梳状的导频形式，导频信号均匀地分布于每个 OFDM 符号内，即每个符号具有相似的导频信号，如果这两种导频形式的有效载荷相似，梳状的导频形式有较高的反复传播率，在一种 OFDM 符号内，只有某些子载波包具有导频信号，数

48、据信息信道响应的估计可以通过相邻导频子载波获得。因而它适合于快衰落信道。这种形式相对于块状的导频形式来说对频率选择性衰落是敏感的，也就是说，导频信号的在频率方向上的间隔应比信道的有关带宽小得多。（b）是块状的导频形式，在某一特定的 OFDM 符号内全是导频信号，导频信号是周期性的发送的，这种形式特别适合于慢衰落信道，由于在某一种符号内的子载波全都是导频 ，信道内插不需在频率方向上进行，相对于频率选择性衰落不敏感。（c）是散布的导频形式，导频信号均匀的分布于时间和频率两个方向上， 它比前两种形式可用较少的导频数，并且具有较好的性能，它能更好的跟踪信道的变化。如将以几种方式混合使用，可以达到更好的

49、效果，如图 4-2 的导频插入类型。 图 4-2 散布的导频示意图4.4 频域内信道传播函数的估计频域内信道传播函数估计的系统模型如图 4-3 所示， 二进制信息和插入的导频信号通过编码映射成QAM信号。通过IDFT变换将长度为N的X(k)变成时域信号x(n), n = 0,1N， 4-1加入保护间隔后的信号为： 4-2式中 N 为子载波数，Ng 为保护间隔，当信号通过频率选择性时变衰落信道时，收到的信号为： 4-3w(n)为加性白高斯噪声，h(n)为信道的冲击响应。图 4-3 频域内信道估计系统模型去掉保护间隔，如果没有多址干扰，符号间干扰及子载波间干扰。则接受信号可表达为，将进行DFT变换

50、得： 4-4y(n)经 DFT 后 从 Y(k)中抽取导频信号 Yp(k) 而发送的导频信号 Xp(k)是已知的，因而可以得到导频信号位置的信道响应估计 He(K)： k = 0,1N-1 4-5 得到导频信号位置的信道传播函数的估计值后 数据位置的信道响应可通过相邻导频信号信道响应内插得到。 如图 4-4，在接受端，输入信号通过 FFT 变换后得到数据Y(k)，从Y(k)抽取导频位置的数据Yp(k)，根据已知的导频数据Yp(k)得到导频位置的信道响估值He(k)，再通过时频方向上的内插得到所有位置的信道响。图 4-4 信道估计框图4.5 时域内信道冲击响应的估计图 4-5 改善的时域内信道估

51、计的措施如图4-5，在此算法中，把一种 OFDM 符号间隔提成L个等长的子间隔，并假设多径时延在一种OFDM 符号内不变，并且信号幅度和相位在一种子间隔内的变化可忽视，并把接受信号分为两部分，即长期衰落(慢衰落)rl (t)和短期衰落（快衰落)rs(t)，此时的接受信号表达为：r(t) = rl (t)rs(t)，在信噪比较低时，两种估计措施的性能相近，在信噪比较高时，时域估计的性能优于频域估计的性能，这是由于信道响应的变化更多地被时域估计的措施所辨认，时域估计的措施在快衰落环境和慢衰落环境均具有较好的性能。4.6 本章小结本章重要简介了基于导频序列的信道估计措施，列举了几种导频形式的特点，分

52、析了信道的频域估计算法和时域估计算法5。第五章 OFDM 系统信道估计算法仿真分析有了前几章的知识内容准备，在此基本上本章将对基于导频符号信道估计的OFDM系统进行仿真。使用的仿真软件：Matlab7.1.0仿真软件7。仿真所采用的系统是参照基于WLAN IEEE802.11a 合同的基带系统。5.1 IEEE802.11a 基带系统IEEE802.11a 合同是物理层采用了OFDM 调制技术的一种无线局域网合同，工作在 5GHz 的U-NII(Unlicensed-National Information Infrastructure)射屡屡段。IEEE802.11a 原则采用正交频分多路复

53、用(OFDM)技术，能进一步提到频带运用率8。同步 OFDM 技术将多种低速子载波组合成一种高速传播信道，从而进一步提高数据传播速率。IEEE802.11a 同步提供了8个不重叠的信道，这使得 IEEE802.11a 已成为现代无线局域网最可靠、最高效的解决方案。5.1.1 IEEE802.11a 基带系统构造框图图 5-1 IEEE802.11a 基带系统构造框图 如图 5-1 示，IEEE802.11a 将二进制数据通过卷积编码，交错，调制映射，将二进制序列组映射为星座图中相应的点的复数表达。通过离散傅立叶反变换(IDFT)将数据的频谱体现式变换届时域。IFFT 变换和 IDFT 变换的作

54、用相似，只是具有更高的计算效率，因此更适于实际的应用系统。通过插入循环前缀引入保护间隔，能有效地对抗多径时延带来的 ISI。 IEEE802.11a 合同定义了八个可用的射频信道。每个信道的最大传播速率为54Mbps，然而能达到的最大顾客数量吞吐量只有这个数值的一半，并且该吞吐量是同一信道内所有顾客共享的（在数据通信中，吞吐量是指在给定期间内，从一种地点成功传送到另一种地点的数据总量）。5.1.2系统仿真框图本文仿真是在 Matlab7.1.0 环境下所做的，仿真的系统是根据 IEEE802.11a 合同原则所搭建的模块系统。OFDM 系统的仿真环节如图 5-2 所示。图 5.2 系统仿真环节

55、图5.2 接受机性能在仿真之前，如果不讨论信道噪声及信道衰落如何影响无线接受机的性能，那么数字调制技术的研究将是不完整的。由于数字无线通信系统输入输出的二进制运算随时间随机变化，因此系统性能按照平均信号差错概率来衡量。当符号1处在发送而接受机判决符号1（或反之）时，差错将发生。Pe就是相对于信号0和1的先验概率对这两种条件差错概率所做的平均。在这种状况下，常称Pe为误比特率(BER)。下面考虑接受机性能，考虑时基于如下条件：（1）存在加性信道噪声（2）存在由频率平坦慢衰落信道作为范例的乘性噪声对于工作于简朴调制方案（如BPSK、QPSK、BFSK、MSK）下的相干接受机，可望用精确公式得到Pe

56、。另一方面，相干接受机以更复杂的调制方案（如高斯滤波的MSK、M进制PSK、M进制QAM、M进制FSK）工作时，解析措施将变得异常困难。因此，人们往往运用差错界或计算机仿真来导出Pe的近似公式。5.2.1 信道噪声在相干接受机中，本地载波与发射机载波在相位和频率上同步。为了达到同步，在设计接受机时需要额外的电路。接受机设计可通过忽视相位信息而得到简化，在这种状况下的接受机称为非相干接受机。然而，这种设计简化是以噪声性能恶化为代价的。一方面，表 5-1 列出了几种接受机的误比特率，这些接受机是：（1）相干二进制相移键控(BPSK)（2）相干四相相移键控(QPSK)（3）相干二进制频移键控(BFS

57、K)（4）相干最小相移键控(MSK)（5）差分相移键控(DPSK)（6）非相干二进制频移键控(BFSK)表 5-1 相干和非相干数字通信接受机误比特率（BER）计算公式的汇总符号方案 BER(加高斯噪声信道) BER(蛮瑞利衰落信道) (a)相干BPSK 相干QPSK 相干MSK (b)相干BFSK (c)DPSK (d)非相干BFSK Eb=每比特的发射能量N0=信道噪声单边功率谱密度r0=每比特噪声谱密度比的接受能量的均值5.2.2 平坦慢衰落信道表 5-1 还涉及了慢瑞利衰落信道的误比特率的精确计算公式，在该表中 5-1是接受信号每比特噪声谱密度比的均值。在式5-1中，盼望值是表征信道的

58、瑞利分布随机变量的均值。将这些公式与加性高斯白噪声信道（即非衰落信道）的式进行比较可以发现，瑞利衰落过程将导致数字通信接受机噪声性能的严重恶化，这种恶化可用附加的平均信噪谱密度的dB数来度量。特别是，误比特率随r0的渐近下降遵循反率关系。这种渐近特性与误比特率随r0呈指数率下降的无衰信道道状况有很大差别。图5.3给出了按表 5-1的公式画出的曲线图，以便比较AWGN 与瑞利衰落信道两种状况下QPSK（涉及 BPSK、MSK）的误比特率此图还涉及具有不同莱斯系数K下莱斯衰落信道的相应曲线。有图可见，当K从零增长到无穷大时，接受机的性能将从瑞利衰落信道的性能变为加性高斯白噪信道的性能9。注意，图给

59、出的莱斯信道性能是通过计算机仿真得来的。从图我们可以看出，由信道衰落引起的问题是一种严重的问题。例如，当信噪比为 10dB 且存在瑞利衰落是，使用BPSK将导致约 310-2的BER，这样的差错率对于无线信道中传播语音或数字数据信号是不够好的。为理解决这个问题，一般采用收分集的措施。 图5.3 不同衰落信道上相干检测QPSK的性能比较5.3 系统仿真5.3.1 OFDM 的参数选择在OFDM系统中，我们需要拟定如下参数：信号周期、保护间隔、子载波的数量。这些参数的选择取决于给定的信道的带宽、时延扩展以及所规定的信息传播速率。一般按照如下环节来拟定OFDM系统的各参数：（1）拟定保护间隔：根据经

60、验，一般选择保护间隔的时间长度为时延扩展均方根值的2到4 倍。（2）选择信号周期：考虑到保护间隔所带来的信息传播效率的损失和系统的实现复杂度以及系统的峰均平均功率比等因素，在实际系统中，一般选择信号周期长度至少是保护间隔长度的5倍。（3）拟定子载波的数量：子载波的数量可以直接运用-3dB带宽除以子载波间隔得到。也可以运用所规定的比特速率除以每个子信道的比特速率来拟定子载波数量。每个子信道中传播的比特速率由调制类型、编码速率以及信号速率来拟定。在选定了以上参数之后，还要保证在 FFT/IFFT 运算时间内和信号间隔内的采样数量必须为整数，如不能满足规定，可合适变化以上参数，以满足采样数量为整数的规定。5.3.2 仿真参数设计表 5-2 仿真参数参数名称 参数设立子载波数200比特数/符号2符号数/载波50训练序列符号数10循环前缀长度T/4调制方式QDPSK信道多径数3、5、6信道最大时延7(单位数据符号)FFT变换长度1024仿真条件收发之间严格同步5.3.3仿真成果及分析在基于WLANIEEE802.11a系统平台上，高斯和瑞利信道条件下，通过仿真，得到了OFDM系统的误比特率。基于块状导频构造信道估计规定信道必须是慢衰落信道，即信道在几种OFDM符号期间是不变化的。仿真成果如图 5-4，5-5，5-6，5-7所示。图 5-4 不同信道条件下 OFDM 性能体现图 5-5