ofdm關鍵技術的研究及其通信系統仿真設計畢業論文-資料下載頁

　　

【正文】 的性能會直接受到信道估計好壞的影響。基于導頻信息的信道估計和基于循環前綴的盲信道估計是常見的兩種信道估計方法。 基于導頻信息的信道估計算法在信道估計算法中，基于導頻信息的最常用，因為它能夠減輕和補償信道的多徑衰落。這種信道估計算法，導頻是在串并轉換后插入數據流而信道估計是在快速傅里葉變換輸出端進行。基于塊狀導頻信道估計常用的兩種算法為最小平方（LS）信道估計和線性最小均方誤差（LMMSE）信道估計算法。輸出信號經過信道后，可以表示為：。 (式 ) ,(0,1,1)kkkYXHN??????其中： 、 、 、 分別為輸入信號、信道沖激響應、加性高斯白噪聲、經kX,?信道后的輸出信號。OFDM 信道在這里被認為是一組 N 個高斯信道，它們是并行且獨立的。為了方便分析，將式 改為矩陣的形式：西南大學本科畢業論文21， （式YXFh???）其中 ,F 為 DFT 變換矩陣，滿足：01,1[]NXdiag??F= （式00(1)(1)0(1)()NNNWW???? ?? ?? ???? ??）其中 。2/nkjnkNNe??? LS 信道估計算法LS 信道估計算法是從最小平方意義上得到的信道估計器，它沒有將噪聲的影響考慮在內。設 為解調后 OFDM 符號的輸出向量，01,[]NY???為估計得到的信道沖激響應向量， 經過信道估計的輸出信號，011,LSnhh??? Y?它可以表示為： 。 （式LSLSYXHFh???） LS 估計器的核心思想就是使 的值最小，這樣可以得到：()()HLSLSYXh?????。 （式LSSFhQ??）其中 ，代入式 得：1()HLSQX?。 （式LSY??）根據式 可知：最小平方估計 只需要知道觀測方程的觀測矩陣 X，對于待定LSH?的參數 、觀測的噪聲、觀測樣本 Y 的其它統計特性和其它的先驗信息并不需要，這H?西南大學本科畢業論文22就是 LS 估計器的優勢所在。 、 LMMSE 信道估計方法由前面所述，LS 算法中，噪聲的影響并未被考慮在內，因此這種算法性能不大理想。最小均方誤差（LMMSE）估計是 LS 算法的一種改進方案，可以表示為：。 （式12()HLMSE LSHnRX?? ????????）這里 為信道自相關矩陣， 為噪聲方差。由于每次矩陣 X 變化時??HHR?2n都需要做一次矩陣逆運算，所以 LMMSE 估計器具有較大的復雜度。若用均值來代替式中的 ，設 SNR 為 g，則可得到簡化的21()/kEXXI? 1()HX?LMMSE 估計器為：。 （式1()LMSELSHRIg??????） 其中， 、I 為單位矩陣， ， 是一個與信號??2knXg????2kEX??21/k星座有關的常數。這時 X 不再參與矩陣運算，如果 和 g 為已知的固定標稱值，那HR么矩陣 只需計算一次，這樣大大減少了 LMMSE 的復雜性。1()HRIg??? 圖 為上述兩種算法 MATLAB 仿真結果圖。OFDM 系統仿真參數設置如下：采用 16QAM 數字調制方式、最大的多普勒頻偏為 132Hz，多徑信道為 5 徑、仿真載頻為 2 GHz、帶寬 1MHz、子載波數 12CP 為 1導頻間隔為 10。由上述仿真參數可知：子載波間隔為 kHz、一個 OFDM 符號長度為 128 us、CP 長度為 16 us。西南大學本科畢業論文23 符號間隔為10的正交頻分復用信道估計仿真Fig The simulation of OFDM channel estimation when character interval is ten圖 在導頻符號間隔為 10 的情況下，比較了采用兩不同信道估計算法的系統誤比特率隨信噪比變化的曲線。從仿真曲線可以看出，LMMSE 算法性能較好，相同信噪比條件下其誤碼率較低，但因其考慮了噪聲的影響，故算法復雜度與計算量比 LS 大；LS 算法性能較差，在低信噪比條件下，高斯白噪聲對 LS 算法的估計結果影響很大，因為算法沒有考慮高斯白噪聲的影響，適用于大信噪比的情況下，可靠性不如LMMSE 算法，但是由于其實現簡單，且不需要知道信道統計信息，所以在實際中仍得到廣泛應用。此外，我們可以 LMMSE 算法加以改進，在不改變其性能的基礎上，采用降秩等方法來減小 LMMSE 算法的復雜性，這將在以后的研究中進一步探索。六、OFDM 通信系統設計 發射機設計該 OFDM 通信系統發射端的原理框圖如圖 所示。西南大學本科畢業論文24卷積碼編碼/交織編碼Q P S K調制插導頻串/并轉換矩陣變換I F F T并/串轉換加循環前綴2 倍采樣率數字上變頻O F D M符號.........圖 OFDM 通信系統發射端的原理框圖Fig The diagram of OFDM munication system transmitter 信道編碼信道編碼可以采用卷積編碼和交織編碼同時進行，形成信道級聯編碼。仿真時卷積編碼碼率和 K 分別設置為 1/2 和 1，G=[1 0 1 1 0 1 1。1 1 1 1 0 0 1 ]，將輸入的 90 個0、1 二進制數經過卷積編碼后可得到 192 個 0、1 二進制數。交織編碼采用的是 24 行8 列的矩陣，按行寫入，按列讀出，交織編碼具有良好的抗突發干擾能力。 QPSK 調制數字通信系統中，調制方式為 QPSK（四相移鍵控） ，QPSK 的優點是頻譜利用率高和抗干擾能力強，易于電路實現，PAPR 抑制性能較好。四相移鍵控調制的映射方式如表 所示。表 QPSK 調制數據Table The data of QPSK modulation輸入數據 調制后數據1 , 1 1+i1, 1 1i1, 1 1+i1, 1 1i 插導頻插導頻是在矩陣變換之前進行的。一般來講每 8 個有效數據插入一個導頻，96 個復數據插入 10 個導頻，所以一幀數據長度為 106。 矩陣變換矩陣變換的目的是降低系統的 PAPR 值，這里采用的矩陣大小為 ，滾降10628?系數 。這樣一來便可以使 OFDM 系統的 PAPR 分布得到顯著改善，??CCDF，對功率放大器的要求也會下降，降低成本。接收端只需乘上一個發端矩陣的逆西南大學本科畢業論文25矩陣就可以恢復原始信號。 IFFT 變換在進行矩陣乘運算后，子載波個數為 256，而一幀數據長度為 128，因此必須進行在數據后面補 128 個零的處理。此外，在補 128 個零以后，還需要對數據進行搬移，這是為了解決頻譜利用率的問題。 加循環前后綴與升采樣我們對 IFFT 后輸出的數據作如下處理：前 32 點和后 32 點分別作為循環前綴和循環后綴。如果射頻的采樣時鐘為 ，對基帶信號進行升采樣能使數據速率匹配。升采樣過程分兩部分組成：第一部分對信號進行 20 倍升采樣，所采用的方法是利用上變頻模塊的 CIC 內插濾波器實現；第二部分是通過在每個數據中間插入 1 個 0 來達到對加了循環前后綴之后的數據進行 2 倍升采樣的目的。 數字上變頻實際應用中，之所以需要進行數字上變頻，是因為需要將基帶信號進行線性頻譜搬移，具體操作是將一個載波信號（I、Q 兩個支路）與基帶成形信號（同樣分為I、Q 兩個支路）進行乘法運算，再把兩個支路相加即可。此外，還需要在 I、Q 兩個支路上各加上低通 FIR 濾波器，這樣做是為了抑制已調信號的帶外輻射。為了使產生的基帶信號與后面的采樣速率相匹配，在進行正交調制前還必須通過 CIC 內插濾波器將基帶信號進行 20 倍升采樣處理，整個實現過程如圖 。其中：FIR 為基帶成型濾波器，CIC 為 梳狀內插濾波器，NCO 為數控振蕩器。F I R C I CF I R C I CN C OIQ基帶處理后的數據c o ss i n輸出 R F 數據圖 數字上變頻電路實現結構圖Fig The implemental structure of digital upconvertor這里 FIR 濾波器各項指標為：19 階，抽樣截止頻率為 128kHz，阻帶截止頻率、通帶截止頻率分別為 40kHz、20kHz，帶外衰減設置為 100dB，帶內紋波小于 1dB），CIC 內插濾波器的參數取為 R=M =N=2,直接數字頻率合成器（ DDS）用來實現數控振蕩器的功能。西南大學本科畢業論文26 接收機設計該 OFDM 通信系統接收端的原理框圖如圖 所示。 數字下變頻去循環前綴串/并轉換F F T矩陣逆變換并/串轉換Q P S K解調解交織V i t e r b i解碼.........相位補償符號定時 F F T 開窗位置頻偏糾正N C O控制N C O圖 OFDM 通信系統接收端的原理框圖Fig The diagram of OFDM system receiver接收機很多通信處理的模塊都是與發射機的相關模塊功能相似，這里不再一一介紹，接收機主要增加了同步模塊。 系統仿真參數根據前面已經介紹的 OFDM 通信系統的設計方案，表 給出了仿真系統的主要參數。表 OFDM 通信系統仿真參數Table The simulating data of OFDM munication system仿真數據名稱 數值 仿真數據名稱 數值數據傳輸速率 編碼類型 卷積編碼/ 交織編碼調制方式 QPSK 信道 加性高斯白噪聲信道譯碼 Viterbi 譯碼 子載波數 128OFDM 符號長度 320 保護間隔 循環前后綴各 32點IFFT/FFT 點數 256 載波頻率 320kHz 系統性能仿真根據前面介紹的 OFDM 通信系統的設計，可以仿真得到設計系統的性能如圖 所示。西南大學本科畢業論文27圖 OFDM 通信系統性能仿真圖Fig The simulation figure of OFDM munication system performance從 MATLAB 仿真結果來看，OFDM 系統相較于單載波 16QAM 系統而言，傳輸誤碼率較小，即 OFDM 傳輸系統更適合有多徑干擾的信道。但由于 OFDM 系統存在易受頻率偏差的影響、PAPR 值較高等缺點，實際實現時需要克服這些不足，因此系統較為復雜。另外，在仿真過程中，各個關鍵技術算法實現上依然有所欠缺和系統的復雜性等導致 OFDM 仿真性能和理論上有所差異，但在誤差范圍之內，具有很高的可靠性，故OFDM 通信系統仿真設計完全能夠體現 OFDM 技術的優越性能。七、總 結本文首先介紹了 OFDM 的基本概念和應用發展，緊接著探討了 OFDM 系統的關鍵技術及其算法實現，最后根據前面所述相關知識設計出 OFDM 通信系統并利用MATLAB 進行系統仿真并進行分析。西南大學本科畢業論文28文章屬于驗證性質的范疇，可由此進一步深入研究 OFDM 技術，具有較高的參考意義和借鑒價值。論文主要是基于 MATLAB 的算法設計及其仿真，理論性較強，實際上可以利用 FPGA 實現 OFDM 通信系統的設計，這將是我下一階段研究的課題。 參考文獻[1] 彭木根， OFDM 與 WiMAX（第二版）[M].北京:機械工業出版社. :4177.[2] 關鍵技術與應用[M].北京:機械工業出版社,2022: 9597.[3] 韋剛，季飛，[M]. 北京:電子工業出版社. 2022:134154.西南大學本科畢業論文29[4] Molisch,；Win，.；Winters,(STF)Coding for MIMOOFDM System[J].IEEE Communications Letters,Volume:6 Issue:9，Sep2022 Page(s):370372.[5] Richard van Nee,Ramjee Wireless Multimedia Communications[M]. Artech House unive