两种OFDM系统信道估计算法的比较研究及MATLAB仿真-毕业论文Word格式.doc
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目录
摘要 III
ABSTRACT IV
第一章概述 1
1.1OFDM的发展及现状 1
1.2OFDM的优缺点 2
第二章OFDM系统的技术基础 3
2.1OFDM系统基本原理 3
2.1.1串并变换 4
2.1.2字载波调制 5
2.1.3OFDM的IDFT/DFT实现 6
2.1.4保护间隔与循环前缀 7
2.2正交幅度调制（QAM） 8
2.2.1QAM信号的产生 8
2.2.2QAM信号解调 10
2.3信道 11
2.3.1信道的概述 11
2.3.2Rayleigh衰落信道 11
第三章 OFDM系统信道及噪声仿真与分析 12
3.1信道估计 12
3.1.1信道估计的概述 12
3.1.2信道估计的导频插入及插入样式 13
3.2信道估计算法 14
3.2.1LS（最小平方）算法 14
3.2.2LMMSE（线性最小均方误差）算法 15
3.2.3LR_LMMSE（降秩LMSSE）算法 17
3.3信道估计的性能仿真及分析 17
3.3.1理想状态下信道估计仿真结果及分析 17
3.3.2加噪声的信道估计仿真结果及分析 18
I
3.4各种算法抗噪声性能的分析与比较 19
3.4.1LS算法抗噪声性能的分析 19
3.4.2LMMSE算法抗噪声性能的分析 20
3.4.3LR_LMMSE算法抗噪声性能的分析 21
3.4.4各种算法抗噪声性能的整体比较 22
第四章总结 22
参考文献 24
致谢 25
附录 26
II
齐鲁工业大学2014届本科毕业设计（论文）
摘要
在当今高度信息化的社会，信息和通信已成为现代社会的命脉。
信息交流主要依赖于计算机通信，而通信作为传输手段，与传感技术、计算技术相互融合，已成为21世纪国际社会和世界经济发展的强大动力。
众多无线移动通信技术中，正交频分复用（orthogonalfrequencydivisionmultiplexing）是最具应用前景的技术之一。
OFDM系统可通过插入循环前缀，有效抑止多径传输带来的符号间干扰，还可以通过对信道特性的准确估计，减轻信道时变性质对系统的影响。
并且，由于它采用傅立叶变换很大程度地降低了接收机复杂度，因此，OFDM技术在无线通信领域的应用引起了广泛关注.但OFDM系统在对信道参数的估计中容易引起误差，极小的误差容易引起系统很大的失误，因此信道估计在OFDM技术中显得尤为重要。
本文将讨论在无线宽带移动通信环境下OFDM系统的信道估计和信道估计算法。
主要讨论了基于块状导频的OFDM系统信道估计算法，包括：
LS算法，LMMSE算法，LR_LMMSE算法。
最后利用MATLAB的M语言进行编程、仿真，建立了OFDM系统的仿真模型，结合仿真结果分析了OFDM系统的抗噪声性能。
关键词:
正交频分复用信道估计信道估计算法MATLAB抗噪声
III
ABSTRACT
Innowhighlytheinformationsociety,theinformationandthecorrespondencehavebecomethemodernsociety“thelife”.Theinformationexchangemainlyreliesonthecomputercorrespondence,butcorrespondstakesthetransmissionmethod,withthesensingtechnology,thecomputertechnologyfusesmutually,hasbecomeinthe21stcenturytheinternationalsocietyandworldeconomicdevelopmentpowerfulengine.
OFDM（orthogonalfrequencydivisionmultiplexing）isasoneofthemostpromisingtechniquesforwirelessmobilecommunication.OFDMsystemcaneffectivelyeliminatethedisturbanceofinter-symbolinterferencecausedbymulti-pathchannelbyusingcyclicprefix.BesidesOFDMcancombatthetimeselectivefadingwithflexiblydesignedframestructureaccordingtoaccuratechannelestimation.DuetoOFDMsystemadoptingFFTtechnology,itreducesthecomplexityofthereceivergreatly.SotheapplicationofOFDMtechnologyinthedomainofwirelesscommunicationhasattractedwideattention.ButOFDMismuchmorevulnerabletoerrorofbothchannelestimationandhowtoobtaincorrectchannelestimationefficientlyisreallyimportantforOFDMsystem.
ThisthesiswilldiscusschannelestimationandchannelestimationalgorithmofOFDMsysteminthewirelessbroadbandmobilecommunicationenvironment．ItmainlydiscussesthechannelestimationalgorithmforOFDMsystemsbasedontheblockpilot,whichincludesLS（leastsquare）algorithm，LMMSE（linearminimum-mean-squareerror）algorithmandLR_LMMSEalgorithm.FinallytheMlanguageprogrammingofMATLABwasusedforprogrammingandsimulation,aOFDMsystemsimulationmodelwasestablished,andperformanceofantinoiseoftheOFDMsystemperformancewasanalysedbasedonsimulationresults.
Keywords:
OFDM;
Channelestimation;
Channelestimationalgorithm;
MATLAB;
antinoise
第一章概述
随着移动通信[1]和无线因特网需求的不断增长，越来越需要高速无线系统设计，而这其中的一个最直接的挑战就是克服无线信道带来的严重的频率选择性衰落。
正交频分复用（OFDM）技术可以很好地克服无线信道的频率选择性衰落，由于其简单高效，OFDM已成为实现未来无线高速通信系统中最核心的技术之一。
现代移动通信发展至今，已经经历了三代，而3G的后续技术也在加速研究中。
目前，国际标准化组织正在推动无线传输技术从2Mb/s的传输速率向100Mb/s和1000Mb/s的目标发展，对4G的定义也已经逐渐清晰起来。
基本上可以确定，OFDM/OFDMA、MIMO和智能天线等技术将成为4G的主流技术。
OFDM相关的技术很多，实际应用中的OFDM复杂度很高。
因此，建立适合自己研究方向的OFDM模型，无论是为了理解OFDM技术的理论，还是对后续的OFDM与其他技术相结合的研究工作，都有着非常重要意义。
OFDM是一种特殊的多载波调制技术,它利用载波间的正交性进一步提高频谱利用率,而且可以抗窄带干扰和多径衰落。
多载波调制原理最早在20世纪60年代中期由Collinskineplex提出。
70年代,主要用于美国军用无线高频通信系统；
80年代，OFDM的研究主要用在高速调制解调器、数字移动通信及高密度录音带中；
90年代以后,OFDM主要用在非对称的数字用户环路（ADSL）、ETSI标准的数字音广播（DAB）、数字视频广播（DVB）、高清晰度电视（HDTV）、无线局域网（WLAN）等。
OFDM与CDMA技术结合主要有两种形式,一种是多载波CDMA（MC-CDMA），一种是多载波直扩CDMA（MC-DS-CDMA）。
前者是频域扩展和多载波调制技术相结合,后者是时域扩展和多载波调制技术相结合。
OFDM通过多个正交的子载波将串行的数据并行传输，可以增大码元的宽度，减少单个码元占用的频带，抵抗多径引起的频率选择性衰落；
可以有效克服码间串扰（ISI）,降低系统对均衡技术的要求,适用于多径环境和衰落信道中的高速数据传输;
而且信道利用率很高，这一点在频谱资源有限的无线环境中尤为重要。
这些方案都是基于OFDM之上的，因此,研究OFDM系统的性能就显得非常必要。
本文首先简要介绍OFDM基本原理,在这个基础上建立了OFDM仿真模型,然后通过加保护时隙及进行信道估计，分析OFDM系统在AWGN和多径Rayleigh衰落信道下不用的插入算法的性能，最后给出仿真结果。
1.1OFDM的发展及现状
OFDM是一种特殊的多载波频分复用（FDM）技术。
在传统的多载波频分复用系统中，各个子信道[2]采用不同的载波并行传送数据，子载波之间间隔足够远，采用隔离带来防止频谱重叠，故频谱效率很低。
在均衡器未被采用以前，人们就是用这种多载波方式在时间色散信道中进行高速通信的。
1966年，R.W.Chang分析了在多载波通信系统中如何使经过滤波后带限的子载波保持正交。
随后不久B.R.Saltzberg给出了一篇性能分析的文章，他指出在设计一个有效的并行传输系统时，应该把注意力更多地集中在减少相邻信道的串扰上，而不是使各个独立的信道工作得更好，因为此时信道串扰是造成信号失真的主要因素。
1971年，S.B.Weinstein和P.M.Ebert提出用傅立叶变换（DFT）进基带OFDM调制和解调。
通过DFT进行OFDM基带调制和解调避免了生成多个子载波和多个窄带带通滤波器，使系统的模拟前端由多个变为一个，同时由于DFT可以用FFT来快速实现，这进一步降低了系统实现的复杂度。
为对抗符号间干扰和载波闻干扰，他们提出在符号间插入一段空白时隙作为保护间隔。
他们的系统虽然没有能在色散信道中获得很好的子载波正交性，但对OFDM仍是一个很大贡献。
另一个重要贡献来自A.Peled和A.Rmz，他个人提出了采用循环前缀来解决色散信道中子载波间的正交性问题。
当信道响应长度小于循环扩展时，循环前缀的存在使信号与信道响应的线性卷积变成循环卷积，从而使色散OFDM信号可以通过频域单点均衡进行去相关。
当然，循环扩展的引入会导致少量的信噪比损失。
由于无线信道的多径传播会使宽带OFDM信号产生频率选择性衰落，导致各个子信道上的信噪比不同，因此实际的OFDM系统都是与交织、纠错编码结合在一起，形成编码的正交频分复用（COFDM）。
交织和编码[3]能够使OFDM系统获得良好的频率和时间二维分集。
1.2OFDM的优缺点
虽然OFDM已经得到广泛的应用，但是在使用中我们也要清楚的认识到它的优缺点，下面简要的从这两方面介绍下OFDM。
OFDM技术的优点[9]主要有：
（1）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，并且接通和切断相应的载波以保证持续地进行成功的通信；
（2）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；
（3）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。
高速的数据传播及数字语音广播都希望降低多径效应对信号的影响。
（4）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。
（5）可以有效地对抗信号波形间的干扰，适用于多径环境和衰落信道中的高速数据传输。
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。
（6）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。
（7）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。
（8）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。
（baud即波特；
1Baud=log2M（bit/s），其中M是信号的编码级数）。
OFDM技术的缺点主要有：
虽然OFDM有上述优点，但是同样其信号调制机制也使得OFDM信号在传输过程中存在着一些劣势：
（1）对相位噪声和载波频偏十分敏感
这是OFDM技术一个非常致命的缺点，整个OFDM系统对各个子载波之间的正交性要求格外严格，任何一点小的载波频偏都会破坏子载波之间的正交性，引起ICI，同样，相位噪声也会导致码元星座点的旋转、扩散，从而形成ICI。
而单载波系统就没有这个问题，相位噪声和载波频偏仅仅是降低了接收到的信噪比SNR，而不会引起互相之间的干扰。
（2）峰均比过大
OFDM[6]信号由多个子载波信号组成，这些子载波信号由不同的调制符号独立调制。
同传统的恒包络的调制方法相比，OFDM调制存在一个很高的峰值因子。
因为OFDM信号是很多个小信号的总和，这些小信号的相位是由要传输的数据序列决定的。
对某些数据，这些小信号可能同相，而在幅度上叠加在一起从而产生很大的瞬时峰值幅度。
而峰均比过大，将会增加A/D和D/A的复杂性，而且会降低射频功率放大器的效率。
同时，在发射端，放大器的最大输出功率就限制了信号的峰值，这会在OFDM频段内和相邻频段之间产生干扰。
（3）所需线性范围宽
由于OFDM系统峰值平均功率比（PAPR）大，对非线性放大更为敏感，故OFDM调制系统比单载波系统对放大器的线性范围要求更高。
第二章OFDM系统的技术基础
2.1OFDM系统基本原理
OFDM的基本思想[3]就是把一个高速率的数据流分解成很多低速率的子数据流，以并行的方式在多个字载波上传输，字载波间彼此保持相互正交的关系以消除字载波间数据的干扰，并且每个子载波可以看成一个独立的子信道，由于每个子信道上数据的传输速率较低，当信号通过无线频率选择性衰落信道时，虽然在整个信号频带内信道是有衰落的，但是在每个子信道上可以近似看成是平坦的，只要通过简单地频域均衡就可以消除频率选择性衰落新到的影响；
同时利用FFTIfFFT的周期循环特性，在每个传输符号前加一段循环前缀（Cyelicprefix，CP），可以消除多径信道的影响，防止码间干扰（IntersybolInteerfrence，ISI）。
OFDM系统收发机的典型框图2-1所示[8]。
其中，上半部分对应于发射机链路，下半部分对应于接收机链路。
RFRX
ADC
时频同步
S/P
去循环前缀
DAC
RXTX
加循环前缀和加窗
P/S
信道译码
解交织
解调
信道均衡
IFF（TX）
FFT（RX）
插入导频
调制
交织
信道编码
图2-1OFDM收发机框图
发送端将被传输的数字信号转换成子载波幅度和相位的映射，并进行离散Fourier反变换（IDFT）将数据的频谱表达式变到时域上。
IFFT变换与IDFT变换的作用相同，只是有更高的计算效率，所以适用于所有的应用系统。
接收端进行与发送端相反的操作，将射频（RadioFrequency，RF）信号与基带信号进行混频处理，并用FFT变换分解频域信号，子载波的幅度和相位被采集出来并转换回数字信号。
IFFT和FFT互为反变换，选择适当的变换将信号接受或发送。
2.1.1串并变换
数据传输的典型形式是串行数据流，符号被连续传输，每一个数据符号的频谱可占据整个可利用的宽带。
但在并行数据传输系统中，许多符号被同时传输，减少了那些在串行系统中出现的问题。
在OFDM系统中，每个传输符号的速率在几十比特每秒到几十千比特每秒之间，所以必须进行串行变换[13]，将输入串行比特流转换成可以传输的OFDM符号。
由于调制模式可以自适应调节，所以每个子载波的调制模式是可以变化的，因而每个子载波可以传输比特数也是可变化的，所以串行变换需要分配给每个子载波数据段的长度是不一样的。
在接收端执行相反的过程，从各个子载波处来的数据被转换回原始的串行数据。
当一个OFDM符号在多径无线信道中传输时，频率选择性衰落会导致某几组子载波受到相当大的衰减，从而引起比特错误。
这些在信道频率响应上的零点会造成在邻近的子载波上发生的信息受到破坏，导致在每个符号中出现一连串的比特错误。
与一大串错误连续出现的情况比较，大多数前向纠错编码在错误均匀分布的情况下会工作的更有效。
所以，为了提高系统的性能，大多数系统采用数据加扰作为串并变换工作的一部分。
这可以通过把每个连续的数据比特随机的分配到各个子载波上来实现。
在接收端，进行一个对应的逆过程还原出原始信号。
这样，不仅可以还原出数据比特原来顺序，同时还可以分散由于信道衰落引起的一连串的比特错误，使其在时间上近似均匀分布。
这种将比特错误位置的随机化可以提高前向纠错编码的性能，并且系统的总性能也得到改进。
2.1.2字载波调制
一个OFDM符号之内包含多个经过相移键控（PSK）或者正交幅度调制（QAM）的子载波[11]。
其中，N表示子载波的个数，T表示OFDM符号的持续时间，是分配给每个子载波的数据符号，是第i个子载波的载波频率，矩形函数则从开始的OFDM符号可以表示为式（2-1）所示：
（2-1）
通常采用等效复基带信号来描述OFDM的输出信号,见式（2-2）所示：
（2-2）
式（2-2）中，的实部和虚部分别对应于OFDM符号的同相和正交分量，在实际系统中可以分别与相应子载波的cos分量和sin分量相乘，构成最终的子载波信号和合成的OFDM符号。
在（图2-2）中给出了OFDM系统基本模型的框图，其中，。
在接收端将接收到的同相和正交分量映射回数据信息，完成子载波解调。
积分
+
信道
图2-2OFDM系统的基本模型
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