（信号与信息处理专业论文）正交频分复用系统中的信道估计技术研究.pdf

西北工业大学硕士学位论文摘 要 摘 要 信道估计是正交频分复用系统中的关键技术之一。 只有对信号在多径衰落信 道中所经历的衰落做出 准确实时的估计，系统才可以使用能够提高接收机误比特 率性能的相干检测方法。 近来， 用于正交频分复用o f d m系统的信道估计技术已 经成为学者研究的焦点。.根据算法的特点信道估计方法可分为3类:基于训练序 列的估计、盲估计、半盲估计。本文就是在这个理论背景下深入而完整地研究了 适用于慢衰落多径信道估计的半盲估计算法理论及其在正交频分复用系统中的应 用。本文的主要内容如下; 1 . 针对多径的不同特点， 研究了两种不同多径的形成机理并建立了多径信道 的相应数学模型; 构建了 适于后续算法的三径衰 落信道简易模型，并通过 m a t l a b 仿真结果分析了此信道响应模型的幅频和相频特性。 2 .以最大似然法和隐马尔可夫模型为理论基础，研究了两种半盲分组信道估 计方法。 计算机仿真结果表明， 这两种算法均可以 通过设置较大的数据分组长度n 达到有效的信道估计效果。 3 . 将联合最大似然分组半盲估计算法应用于正交频分复用系统。通过仿真结 果进一步验证了此算法在静态和慢衰落信道中的实用性和有效性;同时通过仿真 将联合最大似然分组半盲信道估计算法和常规的导频辅助信道估计算法的性能进 行了对比分析和评估。 关键词 : 信道估计 正交频分复用多径衰落隐马尔可夫模型 西北工业大学硕士学位论文摘 要 r e s e a r c h o n c h a n n e l e s t i m a t i o n t e c h n i q u e s o f o f d m c o m mu n i c a t i o n s y s t e m s ab s t r a c t c h a n n e l e s t i m a t i o n t e c h n i q u e i s o n e o f t h e k e y c o m m u n i c a t i o n s y s t e m s . c o m m u n i c a t i o n s y s t e m s c a n e n h a n c e t e c h n i q u e s t h e i r be r i n of dm p e r f o r m a n c e u s i n g c o h e r e n c e d e t e c t i o n o n l y w h e n t h e y c o u l d m a k e p r e c i s e a n d r e a l - t i m e e s t i m a t i o n o f f a d i n g c o e f f i c i e n t s o f m u l t i p a t h c h a n n e l w h e r e t h e i n f o r m a t i o n s y m b o l p a s s e s t h r o u g h . r e c e n t l y , m o r e a n d m o r e r e s e a r c h e s a r e f o c u s e d o n c h a n n e l e s t im a t i o n t e c h n i q u e s o f o f d m c o m m u n i c a t i o n s y s t e m s . a c c o r d i n g t o t h e c h a r a c t e r is t i c s o f v a r i o u s a l g o r i t h m s , w e c a n c l a s s i f y t h e m i n t o t h r e e t y p e s : p i l o t - b a s e d , b l i n d a n d s e m i - b l i n d e s t i ma t i o n . i n t h i s d i s s e r t a t i o n , t h e b a s i c t h e o r i e s o f s e mi - b l i n d c h a n n e l e s t i m a t i o n , w h i c h a r e s u i t a b l e f o r s t a t i c , o r s l o w f a d i n g m u l 即a t h c h a n n e l , a n d t h e i r a p p l i c a t i o n s i n o f d m s y s t e m a r e d e e p l y a n d f u l l y s t u d i e d . t h e m a i n c o n t r i b u t i o n s o f t h i s d i s s e r t a t i o n a r e a s f o l l o ws : 1 a c c o r d i n g t o d i f f e r e n t c h a r a c t e r i s t i c s o f m u l t i p a t h , t h e t h e o r i e s o f tw o k i n d s o f m u l t i p a t h a r e s t u d i e d a n d t h e i r c o r r e s p o n d i n g m a t h e m a t i c a l m o d e l s a r e b u i l t . t h r e e - p a t h m o d e l w i t h o u t n o is e , w h i c h i s f i t f o r f o l l o w i n g a lg o r it h m s , i s m a d e u p . t h e c h a r a c t e r i s t i c s o f a m p l i t u d e - f r e q u e n c y a n d p h a s e - f r e q u e n c y o f t h i s c h a n n e l i m p u l s e r e s p o n s e a r e g i v e n b y c o m p u t e r s i m u l a t i o n . 2 t w o s e m i - b l i n d b l o c k c h a n n e l e s t i m a t i o n m e t h o d s r e s p e c t i v e l y b a s e d o n m a x i m u m l i k e l i h o o d a n d h i d d e n ma r k o v m o d e l a r e s t u d i e d . c o m p u t e r s i m u l a t i o n r e s u l t s h o w s t h a t t w o a l g o r i t h m s c a n e s t i m a t e c h a n n e l f a d i n g c o e f f i c i e n t s m o r e e f f e c t i v e l y b y s e t t i n g b i g g e r d a t a b l o c k l e n g t h n . 3 j o i n t ml b l o c k s e m i - b l i n d c h a n n e l e s t i m a t i o n i s a p p l i e d t o o f d m s y s t e m . t h e c o m p u t e r s i m u l a t i o n r e s u l t s s h o w t h a t t h i s a l g o r i t h m i s s u i ta b l e f o r 西北工业大学硕士学位论文摘 要 o f d m s y s t e m s w i t h s t a t i c o r s l e w f a d i n g c h a n n e l . a t t h e s a m e t i m e , t h e p e r f o r m a n c e o f j o i n t ml b l o c k s e m i - b l i n d c h a n n e l e s t i m a t i o n a n d p i l o t s y m b o l a s s i s t e d c h a n n e l e s t i m a t i o n i s c o m p a r e d a n d e v a l u a t e d . k e y w o r d s : c h a n n e l e s t i m a t i o n o rt h o g o n a l fr e q u e n c y d i v i s i o n m u l t i p l e x i n g mu l t i p a t h f a d i n g h i d d e n ma r k o v m o d e l 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪 ik 正交频分复用系统 中的信道估计技术研究 第一章绪论 十九世纪印 年代人们就提出了多载波传输的概念。目前，多载波传输技术 广泛 被人们接收的 有三 种提法:正 交频分 复用o f d m ,离 散多 音调制d m t 、多 载波调制 mc m。在一般情况下这 3 种提法是等同的，但是从理论上讲，正交频 分复用 o f d m和多载波调制 mc m 中子载波的正交性特征是不一样的。本文的 重点放在目前倍受关注的采用正交频分复用技术的多载波系统上。 移动通信中的正交频分复用技术o f d m 欢于无线 通信系统 来讲， 正交频 分复用技 术是一 种很适合 用于高 速数据传 输 的多 载波数字 通信技术。 1 ,2 ,3 o f d m系统 将高速的 信息数 据流分 割成若干 平行 的 氏 速率子数据流， 然后使用一组相应数目且频率间隔最小的载波组对各子数据 流进行调制， 其中各子载波在整个符号周期上是正交的， 即在符号周期内任何两 个载波的乘积为零。 在一般的数据传输系统中，数据符号都是按照顺序进行串行传输的。 传输过 程中， 每个数据符号的频谱可以占用它被允许使用的全部频带。 各个载波的信号 频谱也互不重叠， 这就使得系统频带的利用率大大降低。 多载波系统在传输数据 符号时， 首先将需要传输的数据按照某种方式分成若干个子数据流， 然后同步地 对这些子 数据流进 行并行发 射. 在 这种系 统中， 每个 数据符号的 频 谱只占 用有效 数据频带宽度的一部分， 我们称之为频率子信道。 通常在典型的多载波系统中频 率子信道是不会发生重叠的，然而正交频分复用 o f d m 技术则是通过交叠侮个 子信道的频谱来达到更充分利用频带的效果。 早在 4 0多年 前就有 人提出了 可以 同时 在高 频的军事 系统k i n e p l e x 1 3 中 使用并行数据传输和频分复用这两种技术。 接着， 围绕着如何在不存在多址干扰 和码间干扰的线性带限信道中设计一种针对同步传输数据的并行高效系统 ( o f d m ) ， 许多 学者 进行了 尝 试性的理 论研究 并且获 得一些 理论成 果 4 ,5 ,6 。 在 最初使用交叠频谱的o f d m系统中， 正交信道是通过一系列正弦发生器产生的。 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪 ik 正交频分复用系统 中的信道估计技术研究 第一章绪论 十九世纪印 年代人们就提出了多载波传输的概念。目前，多载波传输技术 广泛 被人们接收的 有三 种提法:正 交频分 复用o f d m ,离 散多 音调制d m t 、多 载波调制 mc m。在一般情况下这 3 种提法是等同的，但是从理论上讲，正交频 分复用 o f d m和多载波调制 mc m 中子载波的正交性特征是不一样的。本文的 重点放在目前倍受关注的采用正交频分复用技术的多载波系统上。 移动通信中的正交频分复用技术o f d m 欢于无线 通信系统 来讲， 正交频 分复用技 术是一 种很适合 用于高 速数据传 输 的多 载波数字 通信技术。 1 ,2 ,3 o f d m系统 将高速的 信息数 据流分 割成若干 平行 的 氏 速率子数据流， 然后使用一组相应数目且频率间隔最小的载波组对各子数据 流进行调制， 其中各子载波在整个符号周期上是正交的， 即在符号周期内任何两 个载波的乘积为零。 在一般的数据传输系统中，数据符号都是按照顺序进行串行传输的。 传输过 程中， 每个数据符号的频谱可以占用它被允许使用的全部频带。 各个载波的信号 频谱也互不重叠， 这就使得系统频带的利用率大大降低。 多载波系统在传输数据 符号时， 首先将需要传输的数据按照某种方式分成若干个子数据流， 然后同步地 对这些子 数据流进 行并行发 射. 在 这种系 统中， 每个 数据符号的 频 谱只占 用有效 数据频带宽度的一部分， 我们称之为频率子信道。 通常在典型的多载波系统中频 率子信道是不会发生重叠的，然而正交频分复用 o f d m 技术则是通过交叠侮个 子信道的频谱来达到更充分利用频带的效果。 早在 4 0多年 前就有 人提出了 可以 同时 在高 频的军事 系统k i n e p l e x 1 3 中 使用并行数据传输和频分复用这两种技术。 接着， 围绕着如何在不存在多址干扰 和码间干扰的线性带限信道中设计一种针对同步传输数据的并行高效系统 ( o f d m ) ， 许多 学者 进行了 尝 试性的理 论研究 并且获 得一些 理论成 果 4 ,5 ,6 。 在 最初使用交叠频谱的o f d m系统中， 正交信道是通过一系列正弦发生器产生的。 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪 论 1 9 7 1 年w e in s te in 和e b e rt 简 单 有 效 地 实 现了o f d m技 术 7 . 整 个 过 程 是 通 过 使 用离散 傅立叶 变换实现基带调制解调来完成的。 此方法的应用完全避免了 频分复 用技术必须使用一系列子载波振荡器和相干解调器的弊端。8 0年代，o f d m 被 研究应用于高 速调制解调器、 数字移 动通信和高密 度录音等领域。 特别需要指出 的是， h i r o s a k i 通过 使用离散 傅立叶 方法将o f d m技术用在了 复用q a m系统中 8 , 9 1 。 为了 抑制 平坦衰落、 多径传输和同信道干扰的 影响， c i m i n i 研究了o f d m 技术和基于导频校正方法结合的问 题【 1 0 e 1 9 9 0 年， o f d m技术被 用于高比 特率 数字用户专线” d s l 、 非对称数字用户专线a d s l 1 1 . 1 2 和超高 速数字用户 专线 v h d s l 业务中。 同时 数字音频广播d a b 1 3 、 数字电视d v b 1 4 , 1 5 、 无线5 g h z 局 域网( 包 括 美 国 的ie e e 8 0 2 .1 1 a 和 欧 洲 的h i p e r l a n /2 1 6 ) 等 也 选 择 使 用了 o f d m技术。 近来， 在宏小区 和微小区内 将o f d m技术和 动态数 据分组结 合以 解决高速数据包无线通道问题的研究己经有了很大的进展。 以上部分文章对 o f d m发展状况进行大致的介绍，下面文章将对 o f d m的 优缺点 进行更 加详细的分析。 优点: . 和等数据速率的单载波系统相比，o f d m具有较长的符号周期。这就使 得 o f d m系统耗费更少的信号处理时间， 从而拥有更强的抗脉冲噪声和 快速信道衰落的能力。 . o f d m具有很强的抗窄带干扰的能力，因为这种干扰仅能影响到子载波 的一小部分信号。 . 从 原理上讲o f d m对多径造成的频率 选择 性衰落具有很强的抑 制作 用。 因为o f d m需要传输的数据事先己 经经历了串 变并的过程， 此时 的数据 符号频 谱宽度只占 原数据符号频谱宽度的一 部分， 也就等效于信道的频 率响应在局部上就表现出了平坦特性。因此，频率选择性衰落信道在每 个o f d m子信道上就只具有单独的复增益。 . o f d m支持 动态比 特分配， 这一特性就使得不同的子 载波 可以 根据它所 面临的噪声 和干扰水平来使用不同的调制 格式【 1 7 1 . . 快速傅立叶变换的有效使用可以大大简化 o f d m系统的实际应用。 缺点 : 西北t业大学硕十学位论文第一章绪 论 . o f d m有一个很大的峰均值功率比，工作中它需要使用一个线性放大器 来补偿信号的 扭曲 【 1 8 1 。 但是实际 放大器一 般都 为非线性的，因 此放人 器的非线性特性会导致系统内部产生更多的i s i 和i c i 。 尤其是放大器的 截断特性会导致系统性能的严重下降。 . o f d m对于同步误差特别敏感。发射机和接收端的本地振荡器之间的频 率偏差会导致子载波频谱正交性的丧失。因此如何达到精确的系统同步 是 o f d m系统需要解决的重要问题。 . 信道在时域上弥散特性带来的码间干扰以及它在频域上色散特性带来的 同信道千扰都会破坏 o f d m系统的子载波正交性。 因此， 在建立系统模 型时必须认真考虑周期性前缀和最大载波间隔的取值问题。 综 上所述，可以 看出虽 然 o f d m 也 有一些 不足之处， 但是 总的 来讲 它确实 是一项很有发展潜力的技术。凭借其技术优势，o f d m 很可能成为新一代移动 通信系统的核心技术。 1 . 2 信道估计给无线通信系统带来的益处 本文的研究重点是信道估计技术。随着无线通信系统的快速发展和完善，人 们越来越认识到信道估计在无线通信中是一项很重要的技术。 发射源信号通过无 线物理信道进行数据传输， 接收端为了检测出正确的传输信息， 很有必要了解正 确的物理信道相关参数. 这样就可以对接收信号进行补偿性恢复。 在整个无线通 信系统中， 通信信道都是时变的 根据不同的传输环境， 如室内、 郊区、山区等， 信道一般都会呈现出不同衰落程度和特性。 因此这就要求接收端必须根据信道变 化的 速率，在连续时间中 每个相 等的时 间间隔内 重复地 进行实时 信道估计。由 于 带宽和功率的限制， 应该说信道估计需要消耗的成本代价越低越好。 但从另外一 个角 度考虑，如 果对于信道 估计投入的 成本过 低那么将会 导致 计算出 效果 很差 的信道估计值，从而会严重降低接收端系统恢复源信号的能力及系统的总体性 能。 另外， 最大似然序列检测接收机和自 适应信道均衡器也都需要使用到信道估 计的结 果。 最大似 然序列检 测接收 机使用 信道估计 值来进 行数据 检测以 便尽量 减 小系统的误码率。自 适应信道均衡器使用信道估计值来实现对信道的补偿。 除了 西北t业大学硕十学位论文第一章绪 论 . o f d m有一个很大的峰均值功率比，工作中它需要使用一个线性放大器 来补偿信号的 扭曲 【 1 8 1 。 但是实际 放大器一 般都 为非线性的，因 此放人 器的非线性特性会导致系统内部产生更多的i s i 和i c i 。 尤其是放大器的 截断特性会导致系统性能的严重下降。 . o f d m对于同步误差特别敏感。发射机和接收端的本地振荡器之间的频 率偏差会导致子载波频谱正交性的丧失。因此如何达到精确的系统同步 是 o f d m系统需要解决的重要问题。 . 信道在时域上弥散特性带来的码间干扰以及它在频域上色散特性带来的 同信道千扰都会破坏 o f d m系统的子载波正交性。 因此， 在建立系统模 型时必须认真考虑周期性前缀和最大载波间隔的取值问题。 综 上所述，可以 看出虽 然 o f d m 也 有一些 不足之处， 但是 总的 来讲 它确实 是一项很有发展潜力的技术。凭借其技术优势，o f d m 很可能成为新一代移动 通信系统的核心技术。 1 . 2 信道估计给无线通信系统带来的益处 本文的研究重点是信道估计技术。随着无线通信系统的快速发展和完善，人 们越来越认识到信道估计在无线通信中是一项很重要的技术。 发射源信号通过无 线物理信道进行数据传输， 接收端为了检测出正确的传输信息， 很有必要了解正 确的物理信道相关参数. 这样就可以对接收信号进行补偿性恢复。 在整个无线通 信系统中， 通信信道都是时变的 根据不同的传输环境， 如室内、 郊区、山区等， 信道一般都会呈现出不同衰落程度和特性。 因此这就要求接收端必须根据信道变 化的 速率，在连续时间中 每个相 等的时 间间隔内 重复地 进行实时 信道估计。由 于 带宽和功率的限制， 应该说信道估计需要消耗的成本代价越低越好。 但从另外一 个角 度考虑，如 果对于信道 估计投入的 成本过 低那么将会 导致 计算出 效果 很差 的信道估计值，从而会严重降低接收端系统恢复源信号的能力及系统的总体性 能。 另外， 最大似然序列检测接收机和自 适应信道均衡器也都需要使用到信道估 计的结 果。 最大似 然序列检 测接收 机使用 信道估计 值来进 行数据 检测以 便尽量 减 小系统的误码率。自 适应信道均衡器使用信道估计值来实现对信道的补偿。 除了 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪 论 上述两种情况， 信道估计的 益处还有很多， 例如 信道估计 可以使 通信系统能够自 适应地改变它的数 据速率或者调 制方式. 这样做 可以 有效降低由 于在带限信道 中 传输数据过快而引 起过多码间干 扰的可能 性。 因 此， 我们可以 看出 真正有效的 信 道估计能 够在最大减少估计代价的同时 很明显 地改 善信道参数估计的 准确程度. 并且大幅度地提高系统性能. 3研究背景 信道估计对于 o f d m 系统的总体性能有很大的 影响。当 系统使用差分 形式 的调制方式时， 数据 信息根 据两个连续符号的 差分值进行编码， 此时信道的时 域 变化 值很小， 所以 系统并不 需要信道估计。 这种 情况也是 无线系统中 一种广泛实 用的技术， 但是由 于不需要信道估计过程， 系统接收 机的复 杂度就明 显很高。 然 而实践证明， 差分检测器和相干 检测器 相比 会导致系统产生mb的 信噪比 损失。 因此为了 能够使用性能 更优的相干检测方法， 研究信 道估计技术是十分必要的。 在发 射端传输数据前， 将导频信号插入原始传 输信号为 稳定的 信道估计提供 了 基础。o f d m 系统中一系列基于导频的 信道估计算法可以 看作是单载波情况 下用于衰落信道的导 频符号 辅助调制的 一般性方 法【 1 9 . 2 0 。 在单载波 情况下， 导 频辅 助调制中 每两 个导频 符号的时间间 隔不应该超过1 / 2 九兀， 其中九为 最大多 普勒 频移，兀为符号周期 2 0 。 导频 信号不附带 任何信息，因 此这个前 缀不仅造 成了带宽扩展而且还导致了能量损耗。 这两种损失可以用导信比来衡量。 在多载 波系统中， 导频被同时 插入了 时间和频率内 ， 所以 和单载波系统 相比它的导 信率 大 大 减 小 。 文 献 【 2 1 ,2 2 研 究了 在o f d m系 统 中 设 计 导 频 模 式 的问 题。 对于慢 衰落信 道，不同 子信道的 信道衰落只和一 个 o f d m信号相关 而和其 他的 正交。当 等待传输数据的 导频信道在o f d m 时 频网格的某 个特定 位置时， 信 道 估 计 值 就 可以 通 过2 维内 插 法 来 求 得 2 3 ,2 4 。 如 果已 知 信 道 的 统 计 特性 ， 那 么 可以使用 2维维 特纳滤波器设 计出 最小 均方误差准则下的最 优线性 信道估 计 器 2 4 。 为 了 减 少 上 述 方 法 的 计 算 复 杂 度， 分 别 在时 域 或 频 域 只 使 用 一 维 有 限 冲 激响 应维纳滤波 器的次 最优估计器更加简单些【 2 5 0 然而实 际系统中，由 于 环境 特点的不同以及用户经常移动的关系， 信道的统计特性往往是未知的。 为了解决 西北工业大学硕士学位论文第一章绪 论 上述两种情况， 信道估计的益处还有很多， 例如信道估计可以使通信系统能够自 适应地改变它的数据速率或者调制方式. 这样做可以 有效降低由于在带限信道中 传输数据过快而引起过多码间干扰的可能性。 因此， 我们可以看出真正有效的信 道估计能够在最大减少估计代价的同时很明显地改善信道参数估计的 准确程度. 并且大幅度地提高系统性能. 1 . 3研究背景 信道估计对于 o f d m 系统的总体性能有很大的影响。当系统使用差分形式 的调制方式时， 数据信息根据两个连续符号的差分值进行编码， 此时信道的时域 变化值很小， 所以系统并不需要信道估计。 这种情况也是无线系统中一种广泛实 用的技术， 但是由于不需要信道估计过程， 系统接收机的复杂度就明显很高。 然 而实践证明， 差分检测器和相干检测器相比 会导致系统产生mb的信噪比 损失。 因此为了能够使用性能更优的相干检测方法，研究信道估计技术是十分必要的。 在发射端传输数据前， 将导频信号插入原始传输信号为稳定的信道估计提供 了基础。o f d m 系统中一系列基于导频的信道估计算法可以 看作是单载波情况 下用于 衰落信 道的导 频符号 辅助调制的 一 般 性方 法【 1 9 .2 0 。 在单载波 情况下， 导 频辅 助调制中 每两 个导频 符号的时间间 隔 不 应该超 过1 / 2 九兀， 其中九为 最大多 普勒 频移，兀为符号 周期 2 0 。 导 频 信号不附 带 任 何 信息， 因 此这个前 缀不仅 造 成了带宽扩展而且还导致了能量损耗。 这两种损失可以用导信比来衡量。 在多载 波系统中， 导频被同时插入了 时间和频率内， 所以 和单载波系统相比 它的导信率 大 大 减 小。 文 献【 2 1 ,2 2 研 究了 在o f d m系 统中 设 计 导 频 模 式的问 题。 对于慢衰落信道，不同 子信道的 信道衰落只和一个 o f d m信号相关而和其 他的正交。当等待传输数据的导频信道在o f d m时频网格的某个特定位置时， 信道 估 计 值 就 可以 通 过2 维内 插 法 来 求 得 2 3 ,2 4 。 如 果已 知 信 道的 统计 特性， 那 么可以使用 2维维特纳滤波器设计出最小均方误差准则下的最优线性信道估计 器2 4 。 为了 减 少 上 述 方 法的 计 算 复 杂 度， 分 别 在时 域 或 频 域只 使 用 一 维 有限 冲 激响 应维纳滤波 器的 次 最优估计 器更加简 单些【 2 5 0 然而实 际 系统中，由 于 环境 特点的不同以及用户经常移动的关系， 信道的统计特性往往是未知的。 为了解决 西北工业大学硕士学位论文第一章绪 论 这个问 题 文献 2 6 提出 了 一种基于 最小 均方 误差 准则的导 频辅 助估计 器的 实 现 方案。 这种估计器是针对具有理想带限二维谱的信道设计出来的， 它对于信道的 统计特性并不敏感。 直 接 判决 估 计 是 一 种 盲的 信 道估 计 方 法。 文 献【 2 7 在只 考 虑单 个o f d m信 号的情况下， 提出了一种和频域线性最小均方差估计器复杂度类似的估计器。 这 种算法使用了奇异值分解和最优化降秩的理论。 设计这种估计器需要知道信道的 频 率 相关 性和噪 声 功 率值。 文 献 【 2 8 】 提出 了 一 种 相关 算 法， 即 在时 间 方向 上 利 用 了 信道的相关性。 第二类只考虑单个o f d m符号的 低复杂度信道估计器t 是通过 在时域内 将信道能量集中变换到几个系数的基础上建立起来的。 这种类型的低复 杂 度估 计器分别 使用了d f i 和最优化降 秩法【 2 9 。 这种方法常常需 要知道 信道冲 激响应的相关函数。与此同时，还有很多其它用于 o f d m系统的盲信道估计算 法。 其中一些是基于子空间的算法， 它们利用了o f d m传输中循环前缀固 有的 循环平稳 特性 8 ,3 0 。 这类方法要求 信道频 率相应 在载波频率 上无零点。 另一 种 盲信道估计器则是利用了己调制信号的有限符号集特性。 综上所述，信道佑计法主要分为以下三大类:基于导频的、盲的、半盲的信 道估计。 在基于导频 ( 或者说训练序列) 的 信道估计法中， 导频信号信息被事先 传送给接收机以便其进行信道估计。 虽然此法识别信道速度快， 但是需要耗费更 多的有用带宽， 这对于带限信道传输来讲确实是一大弊端。 盲算法在信道估计中 并不发射任何导频信号给接收端， 而是仅利用接收信号的统计特性对信道进行识 别。 虽然此类算法对于信道带宽小而不想浪费更多带宽来使用导频信号的系统来 讲是很具有吸引力的， 但是典型的盲算法都会需要很长的 观测阶段， 这一特点导 致了 算法在进行信道估计时必然会产生相位模糊问题。 由于这个弊端存在， 盲算 法在移动通信中的应用范围受到了很大的限制。 近来， 大部分研究人员的目 光都 放在了 如何更好地结合这两种算法的优势上， 即在信道估计中既利用已知的导频 信号， 又利用未知数据信号的统计特性。 以大量的研究结果作为理论背景， 我们 发现基于导频的信道估计本质上可看作一个二维维纳滤波器， 它把发射端的导频 数据看成 “ 白 噪声” ，用其进行初始信道内插。然后，用这个已估计出的信道参 数来“ 半盲” 恢复估计原发数据。 接着， 算法再根据恢复出的数据逐步递推信道 的衰落参数。 这种方法使得信道估计的精度得到了很大的提高。 由于在盲识别过 西北工业大学硕士学位论文第一章绪 论 程中 利用了 导频信号， 因此半盲算法的估计误差大为降低。 所以 在使用相同 数目 的导频信号， 或者说需要更少的导频符号时， 这种半盲算法和基于导频的算法相 比能够提供更好的系统性能。 基于以上原因， 作者将研究的目的放在了半盲信道估计算法上。文章算法研 究的理论基础是最大似然法和隐马尔可夫模型。 根据隐马尔可夫模型的原理以及 它适合解决问题的类型， 我们认为利用此模型来解决包含迭代计算的信道估计问 题是有效可行的。 介于信道估计对 o f d m系统的总体性能有着很大的影响，本 文后面部分将此算法用在了o f d m系统中，这一新的尝试对此领域的研究具有 一定的理论参考意义。( 本文在算法研究过程中部分内容借用了前人的理论研究 成果，对此文中有相应的标注) 。 1 . 4 论文内 容安排 本论文共有5 章， 文章安排如下: 第一章 主要叙述了正交频分复用技术， 从原 理上解释了信道估计给无线通 信系统带来的益处;描述了论文的研究背景，主要介绍了 应用于o f d m系统中 的信道估计算法的研究动态以 及阐明了本文研究的出发点。 最后， 具体有序的说 明了文章的内容安排。 第二章主要介绍了后续算法研究和仿真中需要用到的无线信道相关知识。 首先， 文章建立了一般性的信道估计问题模型: 接着， 分析建立了 两种多径效应 的数学模型，仿真分析了简易三径衰落信道的幅频、 相频特性。 第三章在多径慢衰落条件下研究了两类基于最大似然法的半盲分组信道 估计方法。 此两种算法分别在最大似然准则和隐马尔可夫模型的基础上将基于导 频的估计法和盲算法相结合， 它们均利用导频信号为盲算法提供了 优良的初始化 值;对两种算法进行了实时仿真，并对仿真结果进行了性能分析。 第四章 在上述研究的基础上， 将联合最大似然估计算法应用于正交频分复 用系统。 首先， 建立了 简单的o f d m系统模型。 然后， 给出了 联合最大似然半 盲分组信道估计算法在o f d m系统中性能的计算机仿真结果。 第五章是全文的工作总结，并展望了信道估计这一领域可能的研究方向。 西北工业大学硕士学位论文第一章绪 论 程中 利用了 导频信号， 因此半盲算法的估计误差大为降低。 所以 在使用相同 数目 的导频信号， 或者说需要更少的导频符号时， 这种半盲算法和基于导频的算法相 比能够提供更好的系统性能。 基于以上原因， 作者将研究的目的放在了半盲信道估计算法上。文章算法研 究的理论基础是最大似然法和隐马尔可夫模型。 根据隐马尔可夫模型的原理以及 它适合解决问题的类型， 我们认为利用此模型来解决包含迭代计算的信道估计问 题是有效可行的。 介于信道估计对 o f d m系统的总体性能有着很大的影响，本 文后面部分将此算法用在了o f d m系统中，这一新的尝试对此领域的研究具有 一定的理论参考意义。( 本文在算法研究过程中部分内容借用了前人的理论研究 成果，对此文中有相应的标注) 。 1 . 4 论文内 容安排 本论文共有5 章， 文章安排如下: 第一章 主要叙述了正交频分复用技术， 从原 理上解释了信道估计给无线通 信系统带来的益处;描述了论文的研究背景，主要介绍了 应用于o f d m系统中 的信道估计算法的研究动态以 及阐明了本文研究的出发点。 最后， 具体有序的说 明了文章的内容安排。 第二章主要介绍了后续算法研究和仿真中需要用到的无线信道相关知识。 首先， 文章建立了一般性的信道估计问题模型: 接着， 分析建立了 两种多径效应 的数学模型，仿真分析了简易三径衰落信道的幅频、 相频特性。 第三章在多径慢衰落条件下研究了两类基于最大似然法的半盲分组信道 估计方法。 此两种算法分别在最大似然准则和隐马尔可夫模型的基础上将基于导 频的估计法和盲算法相结合， 它们均利用导频信号为盲算法提供了 优良的初始化 值;对两种算法进行了实时仿真，并对仿真结果进行了性能分析。 第四章 在上述研究的基础上， 将联合最大似然估计算法应用于正交频分复 用系统。 首先， 建立了 简单的o f d m系统模型。 然后， 给出了 联合最大似然半 盲分组信道估计算法在o f d m系统中性能的计算机仿真结果。 第五章是全文的工作总结，并展望了信道估计这一领域可能的研究方向。 西北工业大学硕士学位论文第二章理论基础 第二章理论基础 本章主要讨论一些在文章后续算法研究中将会涉及到的相关知识点。 这些理 论基础对于理解信道估计问题很有必要。 首先， 构建了研究信道识别问题的理论 框图，描述了数据调制方式四相相移键控及其相关解调的原理:接着， 分析研究 了两种不同的多径效应数学模型: 最后， 建立并仿真了简易的三径衰落信道模型， 给出了模型的计算机仿真结果。 2 . 1 问题建模 在图2 . 1 中我们建立了无线通信信道估计的理论框图。在发射端，信源产生 包含有用信息的信源信号， 这些信号通过调制器转换为待发送信号。被发送的 信 号通过无线信道传输后， 不仅在信号幅度上发生了衰落， 而且在各自 的相位和波形 上也产生了很大的畸变。 与此同时有用的信号也被混入了服从不同分布的随机噪 声。 信号由 天线接收后， 接收端系统会采用不同的技术， 如信道识别、分集等先对 遭受干扰和衰落的信号进行恢复， 然后再对此信号进行合适的相关解调并送入信 宿处。 在整个无线传输系统的收发信息过程中， 信道估计起着非常重要的作用。 总的 来讲，信道估计模块的作用在于利用特定的 条件和手段估计出 信道的冲激响应函 数。 以信道估计为前提， 接收端就能够依据此模块估计出来的信道衰落参数对接 收信号进行相位和幅度上的互补性恢复。 进而整个系统的性能， 尤其是数据传输 的可靠性会得到有效地改善。 从图2 . 1 中不难看到， 含有训练序列的估计器是利 用接收端已知训练序列的优势来完成信道冲激响应函数估计的。 半盲估计器则是 依靠部分训练序列带来的信息， 通过特定算法来对信道的冲激响应函数进行估计 的。 2 . 2四相相移键控q p s k 数字调制是现今许多无线移动通信系统都必须采用的技术之一。 和模拟调制 相比， 数字调制有很多优点， 如抗噪声能力强， 对信道扰动的鲁棒性高， 可以 将不同 西北工业大学硕士学位论文第二章理论基础 第二章理论基础 本章主要讨论一些在文章后续算法研究中将会涉及到的相关知识点。 这些理 论基础对于理解信道估计问题很有必要。 首先， 构建了研究信道识别问题的理论 框图，描述了数据调制方式四相相移键控及其相关解调的原理:接着， 分析研究 了两种不同的多径效应数学模型: 最后， 建立并仿真了简易的三径衰落信道模型， 给出了模型的计算机仿真结果。 2 . 1 问题建模 在图2 . 1 中我们建立了无线通信信道估计的理论框图。在发射端，信源产生 包含有用信息的信源信号， 这些信号通过调制器转换为待发送信号。被发送的 信 号通过无线信道传输后， 不仅在信号幅度上发生了衰落， 而且在各自 的相位和波形 上也产生了很大的畸变。 与此同时有用的信号也被混入了服从不同分布的随机噪 声。 信号由 天线接收后， 接收端系统会采用不同的技术， 如信道识别、分集等先对 遭受干扰和衰落的信号进行恢复， 然后再对此信号进行合适的相关解调并送入信 宿处。 在整个无线传输系统的收发信息过程中， 信道估计起着非常重要的作用。 总的 来讲，信道估计模块的作用在于利用特定的 条件和手段估计出 信道的冲激响应函 数。 以信道估计为前提， 接收端就能够依据此模块估计出来的信道衰落参数对接 收信号进行相位和幅度上的互补性恢复。 进而整个系统的性能， 尤其是数据传输 的可靠性会得到有效地改善。 从图2 . 1 中不难看到， 含有训练序列的估计器是利 用接收端已知训练序列的优势来完成信道冲激响应函数估计的。 半盲估计器则是 依靠部分训练序列带来的信息， 通过特定算法来对信道的冲激响应函数进行估计 的。 2 . 2四相相移键控q p s k 数字调制是现今许多无线移动通信系统都必须采用的技术之一。 和模拟调制 相比， 数字调制有很多优点， 如抗噪声能力强， 对信道扰动的鲁棒性高， 可以 将不同 西北工业大学硕士学位论文第二章理论基础 的声音、 数据、 图象信息融合在一起， 安全性好等。 通常一种理想的调制方式能 够使通信在低信噪比清 况下提供低的误码率，在多径和衰落条件下能很好地工 作。目 前， 在众多数字调制方式中，四相相移键控q p s k是移动通信系统中最常 用的一种。 图2 . 1无线通信信道估计问 题理论框图 虽然调制方式与信道估计问题没有直接关系， 但本文在o f d m系统仿真过程 中都涉及到了此调制和解调过程。 所以 本小节将对四相相移键控的调制和解调原 理进行必要的描述。 2 . 2 . 1四相相移键控q p s k 调制 q p s k调制是多 进制相移键控m p s k中的 特例 ( 即m = 4 ) . m进制相移键控 信号中， 载波相位有m种取值。即m p s k信号一般可以 表示为: si (t) - 漂cos(a.nf t 2 d/ m ) ， 一 1,2 . m ;。 一 t ( 2 . 1 ) 其中t 为 符 号间 隔 时 间 ,e 为s ; ( r ) 在一 个 符 号 周 期内 的 能 量。f , 为 载 波频 率。 另 一 方 面 ，每 个 信 号 波 形 都 可以 表 示为 两 个 正 交的 信 号 波 形s , ( t ) 和、 ( r ) 的 线 性组合， 即 s ; ( t ) 二 s i i s i ( t ) + s ; 2 s q ( t ) r 二 ; ;，不 1 井) ( 2 . 2 ) 一 v - - s(- ) - s(l zf jit- m， 一 v t sin ( m ) sin (2 nf t) 其中 西北工业大学硕士学位论文第二章理论基础 的声音、 数据、 图象信息融合在一起， 安全性好等。 通常一种理想的调制方式能 够使通信在低信噪比清 况下提供低的误码率，在多径和衰落条件下能很好地工 作。目 前， 在众多数字调制方式中，四相相移键控q p s k是移动通信系统中最常 用的一种。 图2 . 1无线通信信道估计问 题理论框图 虽然调制方式与信道估计问题没有直接关系， 但本文在o f d m系统仿真过程 中都涉及到了此调制和解调过程。 所以 本小节将对四相相移键控的调制和解调原 理进行必要的描述。 2 . 2 . 1四相相移键控q p s k 调制 q p s k调制是多 进制相移键控m p s k中的 特例 ( 即m = 4 ) . m进制相移键控 信号中， 载波相位有m种取值。即m p s k信号一般可以 表示为: si (t) - 漂cos(a.nf t 2 d/ m ) ， 一 1,2 . m ;。 一 t ( 2 . 1 ) 其中t 为 符 号间 隔 时 间 ,e 为s ; ( r ) 在一 个 符 号 周 期内 的 能 量。f , 为 载 波频 率。 另 一 方 面 ，每 个 信 号 波 形 都 可以 表 示为 两 个 正 交的 信 号 波 形s , ( t ) 和、 ( r ) 的 线 性组合， 即 s ; ( t ) 二 s i i s i ( t ) + s ; 2 s q ( t ) r 二 ; ;，不 1 井) ( 2 . 2 ) 一 v - - s(- ) - s(l zf jit- m， 一 v t sin ( m ) sin (2 nf t) 其中 西北工业大学硕士学位论文第二章理论基础 1曰4 (2口 一 j