基于導頻的ofdm系統信道估計算法研究-資料下載頁

【導讀】特殊的高速多載波傳輸技術，具有很高的頻譜利用率和抗多徑干擾的能力。線接入方面得到了廣泛的應用，是第四代移動通信系統的核心技術之一。通信傳輸領域的一項關鍵技術，直接影響無線通信傳輸系統的性能。估計是通過導頻符號估計出信道的時域或頻域響應，然后用于系統的相關檢測等。論文首先介紹了OFDM系統的原理和特點，總結了無線信道的時間選擇性和頻率選擇性。并分析了多徑時延和多普勒頻移對OFDM系統的影響。在此基礎上，我們通過仿真研究了OFDM. 內插以及維納濾波等。頻圖案對時延和多普勒敏感性。結果表明塊狀導頻圖案適合慢衰落信道，梳狀導頻圖案適合。平坦衰落信道；LMMSE準則要優于LS準則；維納濾波相對于其它的插值來說性能最好。

　　

【正文】 滿足抽樣定理時，系統受信道的頻率選擇性影響較嚴重，不能 準確恢復信道。 這種情況下，將會產生嚴重的 ISI，使接收端無法正確解調。 如圖 16 所示，當導頻間隔為 2 或 4 時，可以準確恢復發送數據。但當導頻間隔為 8 時，已經出現了“地板效應”，導頻間隔為 16 時， BER 已經十分差，基本不能用于通信。 正方形導頻圖案 圖 17 給出了正方形導頻圖案下，二維維納濾波和 IDFT/linear【 21】 兩種二基于導頻的 OFDM 系統信道估計算法研究 23 維插值方法的比較： 圖 17 正方形導頻圖案下，不同信道估計方法的比較 其中，信道多徑條數為 3 條，各徑時延分別為 [ 0 1e6 ]，各徑的衰減系數為 [ 0 5 10]，最大多普勒頻移為 250HZ， 頻域內的導頻間隔 fN =4，時域內的導頻間隔 tN =2。由于二維維納濾波利用了時域和頻域二維的信道相關性，在導頻間隔 同時 滿足 時域和頻域抽樣定理的條件下，信道估計的性能非常好。但它的復雜度也很高。 IDFT/linear 是 由 提出的 一種改進的二維信道估計方案， 它首先在頻域用 IDFT 插值，然后在時域用 線性插值得到所有時刻的信道信息。在插值過程中，由于沒有利用信道特性， 計算復雜度遠遠 低于二維維納濾波， 但估計效果要比二維維納濾波算法差， 和二維維納濾波有 大約 2dB 的性能差異。 但 在一定的誤差范圍內， 根據通信系統的具體要求， 可以由 IDFT/linear代替二維維納濾波，以獲得較低的計算復雜度，降低在接收端處理數據所造成的時延。 不同導頻圖案之間的比較 基于導頻的 OFDM 系統信道估計算法研究 24 圖 18 給出了正方形，塊狀，梳狀三種導頻圖案之間的比較。 圖 18 不同導頻圖案下，信道估計性能比較 其中，多徑條數為 3 條，各徑時延分別為 [0 1e6]，各徑的衰減系數為 [0 5 10]，最大多普勒頻移為 150HZ。 正方形導頻圖案的導頻間隔為：Nf=4， Nt=2；塊狀導頻圖案的導頻間隔為 Nt=2；梳狀導頻圖案的導頻間隔為 Nf=4。 正方形導頻圖案下采用二維維納內插，塊狀導頻圖案下首先采用 LMMSE 算法恢復導頻處的信道信息，然后用常值插值恢復所有時刻的信道信息。而梳狀導頻下，采用 IDFT 插值方法。 由圖可見，在正方形導頻圖案下的信道估計性能最好。 塊狀導頻圖案和梳狀導頻圖案在此種情況下性能相近，但都差于正方形導頻圖案。并且，正方形導頻圖案使用的導頻符號數也是最少的。 即導頻符號的利用率最高。但它的復雜度 卻 是最高的。 在接收端進行 信道估計時，所引入的系統時延也是最大的， 也就是由計算復雜度換取了性能的提高。 由前面的分析可知：影響通信系統性能的兩個主要因素為信道的多徑時延和多普勒頻移。它們影響著信道的時間選擇性和頻率選擇性。同時，也決定著，對某種無線信道來說，需要采用哪種信道估計方案。 圖 19 和 圖 20 分別給出了塊狀導頻和梳狀導頻對時延和 多普勒頻移的敏感程度的比較 ： 基于導頻的 OFDM 系統信道估計算法研究 25 圖 19 不同最大時延下，塊狀導頻和梳狀導頻的性能比較 圖 20 不同多普勒頻移下，塊狀導頻和梳狀導頻的性能比較 基于導頻的 OFDM 系統信道估計算法研究 26 圖 19 給出了不同最大時延下，塊狀導頻和梳狀導頻的 BER 曲線。由圖可知，由于塊狀導頻是每隔若干個 OFDM 符號，然后在一個 OFDM 符號的每個子載波中插入導頻，能較好地跟蹤頻率選擇性衰落。而梳狀導頻由于是每隔若干個子載波在每一個 OFDM 符號中插入若干個導頻符號，當信道的最大時延較小時，可以跟蹤信道的頻率選擇性衰落，但當信道的最大時延增大時，信道的相干帶寬減小，使梳狀導頻的導頻間隔不能滿足抽樣定理時，信道估計性能變差，出現了“地板效應”。如圖 19 所示。但圖 19 的結果是在慢衰落信道中，即多普勒頻移較小的信道信道情況下 得出的，當固定信道的最大時延，改變多普勒頻移大小時， 可以得到，在多普勒頻移較小時，梳狀導頻和塊狀導頻圖案的性能相近，但當多普勒頻移增大，即信道變為快衰落信道時，塊狀導頻不能跟蹤信道的變化，性能明顯下降，而梳狀導頻的性能基本不變。如圖 20 所示。 結論 由上面對仿真結果的分析可知， 二維導頻圖案的性能較好，但由于在恢復導頻信息時需要使用復雜的算法，它的計算復雜度也較高。采用塊狀導頻圖案和梳狀導頻圖案可以降低恢復導頻信息時的復雜度，但它們都有一些缺點：塊狀導頻圖案對時間選擇性衰落敏感，而梳狀導頻圖案對頻率選擇性衰落敏感。 在恢復導頻處的信道信息時， LMMSE 算 法的性能最好，但它的復雜度也很高，計算時延比較大。 LS 算法最簡單，但對噪聲誤差比較敏感。 SVD 算法降低了LMMSE 的計算復雜度，性能也很好，但它會帶來“地板效應”。 由導頻處的信道信息恢復所有時刻的信道信息時，可以常值，線性，高斯， IDFT/DFT 等插值算法，這幾種插值算法的性能依次增高，但計算復雜度也是依次增大的。所以，在通信系統中選擇一種信道估計方案時，需要綜合考慮多方面的因素 ，如信道特性，系統要求的精確度以及計算復雜度等。 基于導頻的 OFDM 系統信道估計算法研究 27 4 總結與展望 本文所作的工作 本文對基于導頻的 OFDM 系統信道估計算法進行了 研究，所作的主要工作有： 分析了信道估計中常用的導頻圖案，有塊狀，梳狀和正方形。 研究了恢復導頻處信道信息時常用的方法，有 LS， LMMSE，基于 SVD 的LMMSE。 研究了由導頻處的信道信息恢復所有時刻信道信息時常用的插值算法，有常值，線性 IDFT/DFT，基于變換域插值，以及插值加低通濾波的方法。 比較了塊狀導頻和梳狀導頻對時延和多普勒的敏感程度，指出根據不同的信道特性應使用不同的導頻圖案。 對信道估計研究的展望 信道估計 算法研究 對 OFDM 系統來說 ，有著深遠的意義。本文只研究了基于導頻的信道估計及其在不同 信道下的性能。而盲信道估計由于不需要傳送已知序列，提高了通信系統的有效性，如果再能找到一種計算復雜度低的盲信道估計算法，那么對 OFDM 的信道估計研究將有深遠影響。 另外，隨著 MIMOOFDM 以及 UWB 的發展，研究在 MIMOOFDM 和 UWB系統下的信道估計算法也將成為一種發展趨勢。 基于導頻的 OFDM 系統信道估計算法研究 28 致謝 在畢業設計的這幾個月中，我的指導老師穆曉敏教授給了我很大的關心和支持，給我創造了良好的學習環境。在每周的例會上，耐心地解答我遇到的問題，幫我理順研究思路，并提供了大量的寶貴的參考資料。在此向穆老師表示 衷心的感謝和崇高的 敬意。同時，也非常感謝曾經教誨和給予我幫助的老師們，感謝你們 4 年來對我的辛苦培育。 在這里，還要感謝研究生師兄張健康。 他耐心的解答了我遇到的很多問題，及時提醒我糾正錯的研究思路，給了我很多好的建議。 同時，也衷心感謝百忙之中抽出時間評閱我論文的各位老師，感謝他們在這炎熱的夏日付出的辛勤勞動。 基于導頻的 OFDM 系統信道估計算法研究 29 參考文獻 [1] 王文博，鄭侃 . 寬帶無線通信 OFDM技術 .人民郵電出版社， 2020年 11月 [2] LE Y. 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