基于梳状导频信道估计的OFDM 系统仿真

1、基于梳状导频信道估计的OFDM 系统仿真    摘 要：正交频分复用（OFDM，Orthogonal Frequency Division Multiplexing）技术不但能够大幅度的提高无线通信系统的信道容量和传输速率，并且能够有效地抵抗多径衰落和抑制干扰，从而成为第四代移动通信系统核心技术之一。本文在阐述了OFDM 系统基本原理的基础上建立了系统仿真模型，对基于导频信号的信道估计问题进行了分析。基于所建模型，利用MATLAB 仿真软件完成系统信号生成、噪声生成、导频插入、循环前缀、调制、解调等部分的设计，最后给出了系统的星座图。关键字：OFDM;

2、循环前缀；信道估计；系统仿真中图分类号：TN9291 引言正交频分复用（OFDM，Orthogonal Frequency Division Multiplexing）技术具有较高的频谱利用率和传输速率以及较强的抗多径干扰性能，因此在无线通信系统中得到广泛的应用，如：数字音频广播(DAB) 、数字视频广播(DVB) 、基于IEEE802. 11 标准的无线本地局域网(WLAN)以及ADSL 等。随着3G 技术的不断完善，4G 技术的研究正如火如荼，而OFDM 正是4G 移动通信的核心技术之一。较之第三代移动通信系统，采用新技术的OFDM具有更高的频谱利用率和良好的抗多径干扰能力。它不仅仅可以增

3、加系统容量，更重要的是它能更好地满足多媒体通信要求，将包括语音、数据、影像等大量信息的多媒体业务高品质地传送出去。因此，对OFDM 技术进行系统仿真，是研究其性能特点，理解其应用的重要方法和手段12。2 OFDM 基本原理OFDM 的基本原理就是把高速的数据流通过串并变换，分配到传输速率相对较低的若干个子信道中进行传输。由于每个子信道中的符号周期会相对增加，因此可以减轻由于无线信道的多径时延扩展所产生的时间弥散性对系统造成的影响，并且还可以在OFDM 符号之间插入保护间隔令保护间隔大于无线信道的最大时延扩展，这样就可以最大限度地消除由于多径带来的符号间干扰( ISI)。一个OFDM 符号之内包

4、含很多个经过相移键控（PSK）或者正交幅度调制（QAM）的子载波，一个从t = ts 开始的OFDM 符号可以表示为：( ) Re ( / 2)exp 2 ( ) , ;10s t d rect t t T j f t t t t t T s sNii s i s + = =（1）s s s(t) = 0,t < t 或t > T + t （2）其中，N 表示子载波的个数，T 表示OFDM 符号的持续时间（周期）， i d （i= 0,1,2, ，- 2 -N-1 ） 是分配给每个子信道的数据符号， i f 是第i 个子载波的载波频率，rect(t) = 1, t T / 2 3。

5、如果将要传输的比特分配到各个子载波上，某一种调制模式则将它们映射为子载波的幅度和相位，通常采用等效基带信号来描述OFDM 的输出信号：( ) ( / 2)exp 2 ( ), ;10t t t t t Tts t d rect t t T j f i s sNii s i s + =（3）s s s(t) = 0,t < t 或t > T + t （4）其中s(t)的实部和虚部分别对应于OFDM 的同相和正交分量，在实际系统中可以分别于相应子载波的cos 分量和sin 分量相乘，构成最终的子信道信号和合成OFDM 符号。对式（3）中OFDM 复等效基带信号可以采用离散傅里叶逆变换（

6、IDFT）来实现。令式（3）中的ts=0，并且忽略矩形函数，对于信号s(t)以T/ N 的速率进行抽样，即令t=kT/N(k=0,1,2,，N-1)，则得到：( / ) exp( 2 ),0 1;10 = = =k NNs s kT N d j ikNik i（5）从(5)式可以看到， k s 等效为对i d 进行了IDFT 运算。同样，在接收端，为了恢复出原始的数据符号i d 可以对k s 进行逆变换（即DFT），得到:exp( 2 ),0 1;10 =i NNd s j ikNki k（6）可以看出，OFDM 系统的调制和解调可以分别由IDFT 和DFT 来实现4。在实际应用中，可以采用更

7、加方便快捷的IFFT/FFT 实现。OFDM 原理框图如图1 所示：- 3 -图1 OFDM 系统原理图3 OFDM 系统仿真模型图2 给出了OFDM 仿真模型。在发端，信源采用二进制均匀分布序列，经16QAM 调制并加入导频之后进行IFFT 变换，之后加入循环前缀形成OFDM 帧结构。信息经过多径信道后，在收端进行与发端相反的过程。即，分解OFDM 帧结构，去循环前缀后进行FFT，并进行信道估计后数字解调。最后，比较收发两端信号计算得到误码率。图2 系统仿真模型4 信道估计本文采用梳状导频方案，如图3 所示。导频符号均匀地分布在每个OFDM 符号中，相D/A串并转换IFFT循环前缀脉冲成形滤

8、波器（g(t)）s(t)并串转换A/D并串转换FFT去循环前缀匹配滤波器（g(T-t)）c (n) r(t)串并转换调制调制信道n(t)c (n)n)二进制信源编码映射加入导频IFFT加循环前缀构成OFDM 多径信道 分解OFDM帧去循环前缀信道估计FFT解码二进制信号误码率估计后的星座图估计前的星座图- 4 -对于块状导频，在假定两种导频的导频载荷相同的情况下，梳状导频有更高的重传率更适合于快衰落信道。由于只有一部分子载波包含导频符号，因而信道的频域响应要通过相邻导频间的插值得到，相对于块状导频，梳状导频对于频率选择性衰落更为敏感。所以，导频间隔必须小于信道的相关带宽5。图3 梳状导频下的O

9、FDM 符号结构在收端，FFT 处理后，相应的频率信道响应可用公式（7）表示： (0), ( 1) ,.( ) ( ),2102Ti nfLj nLnfLj niA e h h h LH AhH f h n eii = = 和，（7）L 为插入导频的长度。现在的信道估计算法都根据OFDM 信号的时频二维特性，分别在信道的时域和频域插入已知的导频信号，然后通过估计算法估计出任意时刻，每个子载波上的频域响应67。5 仿真结果分析仿真参数如表1 所示表1 仿真参数参数 仿真值子载波数 150比特数/符号 4符号数/载波 30循环前缀长度 20时间频率导频数据导频长度 31调制方式 16QAM信道 多径衰落信道从图4和图5 可以明显看出未经信道估计前的16QAM星座图要比信道估计后的16QAM星座图模糊得多。由此表明信道估计可以很好的改善传输质量，进而减小误码率。图4 信道估计前的16QAM 星座图图5 信道估计后的16QAM 星座图6 结语针对目前移动通信研究热点OFDM 技术进行了基于MATLAB 的计算机仿真，建立了系统仿真模型。基于所建模型，利用MATLAB 仿真软件完成系统信号生成、噪声生成、导频插入、循环前缀、调制、解调等部分的