基于导频的OFDM系统设计

2022-03-15 08:25:53 | 浏览次数：

摘要：OFDM（Orthogonal Frequency Division Multipl-exing）是由多载波调制发展而来。文章分析了OFDM系统模型，简单分析了OFDM的关键技术。最后对OFDM系统进行了MATLAB仿真。

关键字：OFDM 信道估计插值算法 MATLAB仿真

中图分类号：TP391 文献标识码：A文章编号：1007-9416（2011）05-0020-02

1、概述

OFDM（Orthogonal Frequency Division Multipl-exing）[1]是由多载波调制发展而来。它将数字调制、数字信号处理、多载波传输等技术有机结合在一起，使得它在系统的频谱利用率、功率利用率、复杂性方面有很强的竞争力，下一代宽带无线接入系统也采用了OF D M作为其调制技术。目前OFDM技术已被广泛应用于欧洲数字音频广播标准( DAB ) 、数字广播电视标准( DVB ) 、无线局域网（欧洲Hiperlan2，北美802.11a等）、宽带无线接入（WiMAX）等系统中。并成为4G无线通信系统的最有竞争力的解决方案之一。

新一代移动通信要求能可靠地传输高速数据，实现语音、数据、图像通信，无线移动信道具有频率和时间选择性衰落特性，造成信息传输中的符号间干扰，无码特性变差。采用OFDM调制，将宽频带的衰落信道变为相互正交的窄带信道，在每个窄带信道上，信道呈现平稳慢衰落特性。因此信道估计对OFDM传输系统非常重要。

2、OFDM系统模型

OFDM系统模型[2]如图1所示，设OFDM符号的频域表示为X(k)，其中k=0，1，…，N-1，表示第k个子信道上的数据。在发送端对进行IFFT变换，并且插入循环前缀，形成时域信号，然后进入多径信道进行传输，在接收端则进行相反操作。

对OFDM系统作如下假设：(1)信道的最大时延保护间隔，也就是信道FIR滤波器的最大抽头数g循环前缀的符号数；(2)系统有良好的同步；(3)信道准静态，即一个OFDM符号帧内，可以认为信道不变。在上述假设下，设在接收端进行FFT变换后的信号为Y=[Y(0),Y(1), …,Y(N-1)]，则有：

Y=XFh+N=XH+N

Y(k)= X(k) H(k)+ N(k)

其中X表示以X(k)为对角线的对角矩阵，N信道中高斯白噪声的频域表示，F为N点DFT变换矩阵。

研究方案

2.1信道估计算法

2.1.1导频分布结构

导频分布结构[3]通常有两大类：块状导频分布和梳状导频分布。块状分布是指导频在时域周期性的分配给OFDM符号，这种导频分布模式适用于慢衰落的无线信道。由于在一个OFDM符号的所有子载波上都有导频，所以在频域无需插值，因此这种导频分布模式对频率选择性衰落相对不敏感。梳状分布是指导频在每个块中是均匀分布的，这种模式在时域上是连续估计的，所以它具有很强的抗快衰落能力，但是因为部分特定的子载波上才携带导频，数据子载波上的信道频响需要通过对相邻导频子载波上的信道响应插值而得到，所以梳状导频相对于块状导频而言对频率选择性衰落更为敏感。两种导频的分布如图2和图3所示。本文主要采用基于块状的导频分布。

2.1.2基于块状导频信号的信道估计算法[4]

(1)基于块状导频信号的LS信道估计算法。LS算法就是在不考虑噪声的条件下，估计信道的冲击响应，使代价函数最小。LS算法的估计式为：

(2)基于块状导频信号的LMMSE信道估计算法。LMMSE信道估计算法对于ICI（子载波间干扰）和高斯白噪声有很好的抑制作用，它是在LS估计的基础上进行的，估计式为：

式中表示导频子信道的自相关函数，

表示高斯白噪声的方差。

LS算法的估计式简单，不需要很复杂的计算，但在性能要求很高的环境下效果不理响；而MMSE算法是通过导频位置获取的信道信息恢复出所有时刻信道信息的最优准则，但计算复杂度很高。本文主要采用LMMSE信道估计算法。

2.1.3插值算法

(1)线性插值法。线性插值[2]是最简单的插值方法之一，是利用两个相邻导频位置上的信道估计值，通过内插得到两个导频之间的数据载波位置的信道响应，算法如下：

其中，和是已经估计出来的导频符

号处的信道响应，是数据符号处的信道响应。

二阶插值法和cubic插值法与线性插值法类似，都是利用已有数据得到插值曲线。

(2)基于FFT的时域插值法。基于FFT的时域插值是一种比较有效的插值法，主要是基于信号处理过程中在时域补零等效于在频域进行内插的原理来恢复出信道的频率响应。