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基于256QAM调制的OFDM系统频域均衡技术研究与仿真毕业论文

 2020-02-17 09:02  

摘 要

在无线传输的移动通信系统中,正交振幅调制(QAM)是相位和幅度共同变换的调制技术,正交频分复用(OFDM)是应用非常广泛的技术之一。基于256QAM的OFDM系统具有频谱效率高和抗频率选择性衰落的良好通信性能。

本文主要介绍了OFDM技术的研究意义以及该技术的优缺点,阐述了QAM调制以及OFDM系统的原理,着重分析了OFDM系统关键技术中的信道估计与均衡技术。通过分析OFDM系统特性和研究时域均衡和频域均衡的原理,从而选择了更简单有效的频域均衡进行实现。由于均衡的前提就是信道估计,因此本文也着重分析了基于导频的信道估计算法,介绍了LS和MMSE准则下的四种内插算法并进行比较对照分析。

本设计最终实现了对于输入二进制比特流数据通过基于256QAM调制的OFDM系统的研究与仿真,并对不同算法的误码率曲线图以及散点图进行比对分析,得出相应结论。

关键词:OFDM系统;QAM调制;信道估计;频域均衡

Abstract

Quadrature Amplitude Modulation (QAM) is a modulation technology of phase and amplitude co.transformation in wireless transmission mobile communication systems. Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) is one of the most widely used technologies. The OFDM system based on 256QAM has high spectral efficiency and good communication performance against frequency selective fading.

This paper mainly introduces the research significance of OFDM technology and its advantages and disadvantages, expounds the principle of QAM modulation and OFDM system, and emphatically analyses the channel estimation and equalization technology in the key technologies of OFDM system. By analyzing the characteristics of OFDM system and studying the principles of time domain equalization and frequency domain equalization, a simpler and more effective frequency domain equalization is chosen to implement. Since the premise of equalization is channel estimation, this paper also focuses on the analysis of pilot.based channel estimation algorithm, introduces four interpolation algorithms under LS and MMSE criteria and makes comparative analysis.

This design finally realizes the research and Simulation of the input binary bit stream data through the OFDM system based on 256QAM modulation, and compares and analyses the BER curves and scatter plots of different algorithms, and draws corresponding conclusions.

Keywords: OFDM system; QAM modulation; Channel estimation; Frequency Domain Equalization

目 录

摘要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 OFDM技术研究现状及发展 2

1.3信道估计与均衡技术在移动通信中的重要性 4

第2章 QAM调制解调及OFDM系统的原理与实现方式 6

2.1 QAM调制解调原理 6

2.2 OFDM系统基本原理 8

2.3 保护间隔和循环前缀 11

2.4 OFDM技术的优缺点 12

第3章 信道估计与均衡技术 15

3.1 引言 15

3.2 基于导频的频域信道估计算法 15

3.2.1 导频插入的样式 15

3.2.2 LS(最小平方)算法 17

3.3.3 MMSE(最小均方误差)算法 17

3.3 在信道估计中的几种内插算法 18

3.4.1 常值内插 18

3.4.2 线性内插 18

3.4.3 DFT内插算法 18

3.4.4 二阶内插 19

3.4时域均衡技术介绍 20

3.4.1 时域均衡原理 20

3.4.2 时域均衡算法 21

第4章 仿真结果及分析 24

4.1 OFDM系统仿真实现的总体思路 24

4.2 仿真性能分析 24

第5章 总结 27

参考文献 28

致谢 30

第1章 绪论

自从人类社会诞生以来,如何高效、快捷地传输信息始终是人类矢志不渝的追求。从文字到印刷术,从信号塔到无线电,从电话到移动互联网,现代科技发展速度一直取决于信息传播速度,新的信息传播方式往往会带来社会天翻地覆的变化。5G就是最新的移动通信浪潮中现阶段进展。由于OFDM技术具有很高的频带利用率以及很好的抗多径效应的能力,它在新一代个人无线通信中依然扮演着很重要的作用。本章主要讨论该论文的研究背景以及该技术的发展现状,并且分析了信道的均衡技术在通信系统中的重要性,最后给出了本文主要思路。

研究背景及意义

本文主要的研究背景为OFDM技术在移动通信中的应用。在无线通信中,最重要的两个通信指标即为有效性与可靠性[1]。而现代通信在可靠性方面已达到了了足够满足用户需求的高度,对于有效性的需求却日益提升。而基于256QAM的OFDM调制技术,是一种能够提供高速率、高质量的信息传输方法。QAM是一种以幅度相位的不同取值来联合表示不同数字编码的调制技术, QAM比较于基本的数字调制如ASK、PSK等,可以将频带利用率提升许多[2]。在OFDM系统中,频率选择性信道被转换成平坦衰落的集合通道,因此,在OFDM系统中进行频域均衡是一件相对容易的事情,这可以有效的解决频率选择性多径信道所带来的问题。未来的通信系统需要支持快速移动终端,如车辆通信。众所周知,OFDM作为一种频谱利用率很高的时分复用技术,采用多个子载波进行调制,显示了无线无线电应用的吸引力特征[5]。OFDM基于一个前提:信道所分成的子信道带宽小于相干带宽,这样每个子信道近似于平坦衰落,且保持OFDM子载波之间的正交性。当多普勒效应引起时间信道变化时,这种正交性已损坏,而失去正交性的子载波之间不可避免的产生(ICI)[4],导致通信效果严重恶化。在这种情况下,信道均衡是必要时,我们需要窄带时变信道的精确模型。用多普勒频谱来统计信道抽头是很常见的。本文主要研究的是OFDM系统中的均衡技术问题,而均衡技术的前提是信道估计,故信道估计也是本文研究的重点之一。

1.2 OFDM技术研究现状及发展

正交频分复用在现代无线通信中已被广泛接受,在无线信道中,系统对频率选择性的鲁棒性十分重要。由于OFDM系统的特性,我们可以大大简化均衡器的设计,并且传输速率不会受到较大影响。因此,OFDM如今已经被标准化为一个关键的物理层技术。

正交频分复用作为一种应用广泛的信号传输技术[3]。通过无线信道,已经有多个无线通信标准采用了OFDM技术,如数字音频广播(DAB)数字视频广播(DVB.T),IEEE 802.11a局域网(LAN)标准和IEEE 802.11a城域网(MAN)标准。OFDM也是致力于短程通信(DSRC)用于路边到车辆的通信和AS第四代(4G)手机的潜在候选产品无线系统。

无线通信的发展步伐令人瞠目结舌。仅仅二三十年的时间,无线通信系统已经从第二代移动通信系统(2G)高速发展至如今的成熟体系的4G时代,并且5G通信也即将推出。人们在古代梦寐以求的“千里传音”已经早在1991年的2G时代早已实现[12]。3G时代的过渡让人们体会到了掌中世界的奇妙,人人皆是移动终端,人们的通信体验从简单的声音信号的传输演化为图片、视频等缤纷的多媒体信息的交流。到了如今的4G时代,信息传输相较于二十年前已经产生了翻天覆地的变换。在4G系统中,先进的无线电接口采用正交频分复用(OFDM)、多输入多输出(MIMO)和链路自适应技术。4G无线网络相较于3G,其通信速率有了极大的提升,世界人民都能切身感受到如今通信的高效性与便利性。

OFDM作为一种特殊形式的多载波(MC)。MC传输的概念首先由Chang 在1966年明确提出[7]。在张之前,Doelz等人。1957年为单边带语音通道实施了一个特殊的MC系统,Holsinger于1964年在麻省理工学院的论文中隐含地引入了MC系统。1971年,Weinstein和Ebert提出了限时MC传输,这就是我们今天所说的OFDM。Hirosaki等人研究了均衡化MC系统的实施。Zimmerman和Kirsch在1967年发表了关于MC应用于HF无线电的最早的论文之一。1985年,Cimini创造性的在移动通信中使用了OFDM技术。在中,Casas和Leung讨论了MC在移动无线电FM频道上的应用。宾厄姆研究了MC调制的性能和复杂性,并得出MC的时间已经到来。原始OFDM,聚类OFDM和MC码分多址(CDMA)相关内容可以在[8].[10]中找到。

OFDM的灵活性提供了使用先进技术的机会,例如自适应加载,发射分集和接收机分集,以提高传输效率。香农1948年的经典论文[16]提出,通过使用具有无限密集子信道集的MC系统,并根据信噪比调整传输功率和数据速率,可以实现频率选择性信道的最高数据速率。(SNR)在不同的子信道上。根据他的理论,得出了一种充水原理。Cioffi和他的团队已经广泛研究了OFDM与非对称数字用户线的性能优化,它们通常被称为离散多音(DMT)。他们早期关于OFDM或DMT系统实际加载算法的一些发明在[17]中。

如果使用多个发射和接收天线来形成多输入多输出(MIMO)信道,则可以显着提高无线系统的容量。在与单输入单输出(SISO)系统相比,MIMO系统可以通过平坦衰落或窄带的最小发射和接收天线数量来提高容量。通道。对于宽带传输,自然地将OFDM与空时编码(STC)或空间 . 时间处理相结合以处理无线信道的频率选择性并获得分集和容量增益。因此,MIMO.OFDM已广泛用于各种无线系统和标准中。

而在即将到来的5G通信技术里,OFDM依然有着很大的舞台。支持多种不同的服务,数据速率增加约当前技术的1000倍,超低延迟和能源/成本效率都是即将推出的5G标准的期望。为了满足这些期望,研究人员调查了涉及不同网络层的各种潜在技术,并讨论了它们对可能的5G场景的权衡。作为通信系统中最关键的组成部分之一,波形设计在实现上述目标中起着至关重要的作用。简单来说,5G波形的基本特点,随着灵活性的提高,多址接入的支持,协同能力的提高,存在着不同的波形、低延迟和与未来有前途的技术,如大规模MIMO和MMWave通信的兼容性。正交频分复用(OFDM)已成为许多现有标准中的主导技术,并且仍然被认为是5G无线接入网(RAN)宽带通信的最受欢迎的技术之一。已经成为当前许多标准(如长期演进(LTE)和Wi.Fi)成功部署的主要技术,在从现有技术(4G)到下一代的过渡过程中,波形选择被分为两个或五个大的参数。第一种方法考虑了多种方法。字符存在并处理它的缺点与属性解决方案。另一方面,第二个字符是实现交替的多个Ticarrier技术,并在不同的引用基础上进行签名。波形一直在从根本上影响无线通信的发展。作为最新的例子,4G长期演进(LTE)的成功主要基于由循环前缀OFDM(CP.OFDM)提供的灵活性,效率和稳健性及其低峰值平均功率比(PAPR)用于MBB服务的变体离散傅立叶变换扩展OFDM(DFT.s.OFDM)。然而,在5G时代,需要重新考虑传统CP.OFDM的能力并寻求可能的增强。这是由于以下5G与其先例不同的主要特征:

混合数字学: 5G旨在提供各种服务,例如 eMBB,mMTC和URLLC。5G波形不应像在LTE中那样均匀地分配时间/频率资源,而应支持更灵活的分配以及用于各种服务的多个数字学的共存。例如,URLLC服务优选地在较短的时间间隔中传输,与LTE相比具有更大的子载波间隔以满足1ms的循环时间约束[19]

更高的频谱效率: 5G的频谱效率预计将比其eMBB服务的先例高三倍。在LTE中,10%的带宽被保留作为信号的保护带,以满足频谱掩模和相邻信道泄漏比(ALCR)要求。为了更有效地利用频谱,5G波形必须极大地减少这种保护频带。

异步传输:在LTE中,基站(BS)必须向用户设备(UE)发送频繁的定时提前(TA)信号以维持严格的同步,以便减轻载波间干扰(ICI)。相关的开销可能很大,特别是在上行链路中。对于像mMTC这样的服务来说肯定是不利的,这些服务特别具有大量连接。相反,5G波形需要支持异步传输,以避免这种开销并保证大规模连接。

受这些考虑的启发,过去几年已经提出并研究了显着的波形,包括f.OFDM [17],窗口.OFDM(W.OFDM)[18],通用滤波多载波(UFMC),滤波器 .频带多载波(FBMC)和广义频分复用(GFDM)。。最近,考虑到性能 . 复杂性权衡,技术成熟度,MIMO友好性,尤其是向后兼容性和向前兼容性,第三代合作伙伴计划(3GPP)的成员公司达成了关于5G波形的协议,声称对于eMBB和URLLC服务至少高达40 GHz,支持基于CP.OFDM的波形,并且发射机波形的滤波和窗口等频谱限制技术对接收机应该是透明的。

继承CP.OFDM的所有优点,W.OFDM和f.OFDM最明显的进步是分别使用滤波和加窗来减少OOB发射,通过限制保护频带来提高频谱利用效率。由于3GPP是全球蜂窝网络标准的主要贡献者之一,从实施和部署的角度来看,对于即将推出的5G,鼓励将注意力集中在CP.OFDM波形及其CP.OFDM波形的更仔细、更周到的设计、评估、实现和比较上增强,即 f.OFDM和W.OFDM,以更好地适应上述5G特性。

1.3信道估计与均衡技术在移动通信中的重要性

由于现实生活中无线信道往往是多径信道,会有严重的频率选择性衰落等现象。无线信道的不确定性和时变特性会给通信效果带来很大的干扰。为了获得较好的用户体验,现代无线通信系统必须在接收机上下功夫,来弥补信息在无线信道的丢失。[13]信道均衡的基本目的就是为了消除多径传播造成的码间串扰,我们在接收机采用均衡器来均衡信道,期望均衡后的等效信道能够符合人们的要求。

正交频分复用(OFDM)由于其对无线信道中频率选择性的鲁棒性而在现代无线通信系统中被广泛接受。OFDM已被标准化为许多商业系统中的关键物理层技术。与许多相干通信系统一样, OFDM系统中的接收机设计是改善通信系统性能的关键所在。其中,不得不提的就是信道估计与均衡技术的使用。

信道估计和信道均衡技术是分不开的,前者是后者的前提,后者是前者的目的。只有通过信道估计得到了较为准确的信道信息,才会使得均衡效果达到较好的标准。信道估计是为了估计出信道的频域或者时域响应,对接收到数据进行调整和矫正,以得到更为准确的数据。整个通信系统的性能好坏与否很大程度上取决于信道估计这一关键环节。

信道估计大体上可以分为时域信道估计和频域信道估计[15],不同的估计方法针对的情况有所不同。时域估计在接受机的FFT变换之前进行处理,其目的是估计信道的脉冲响应,频域的在FFT变换之后进行,其目的是估计信道的频率响应。OFDM技术的最大优势之一就是可以进行较为简单的频域均衡。尽管由于保护间隔的引入,OFDM系统的特性可以消除一部分的符号间串扰,但为了将码间串扰降至最低,信道的估计与均衡必不可少,通过均衡来减弱多普勒频移以及多径衰落的影响。信道估计技术和信道均衡技术对整个通信系统性能都有十分关键的影响。

综上所述,信道估计与均衡技术是OFDM通信系统中对接收信息处理加工回馈给接收方十分关键的环节。

第2章 QAM调制解调及OFDM系统的原理与实现方式

2.1 QAM调制解调原理

在数字调制中,基本调制方法ASK、FSK、PSK等调制方式频带利用率低,往往只利用了信号空间中的一条线(ASK)或一个圆(PSK),人们为了更好的利用信号空间,采用了幅度相位联合调制的方法,同时用幅度和相位来共同携带信号信息,相较于只调制幅度或者相位的基本调制方式来说,频谱利用率有明显提高。

QAM是将输入的比特流分成多个小组进行映射,在分别乘以进行相互正交的和这两个同频正交载波,利用这种已调信号在同一带宽内频谱正交的性质,在接收端分别乘以同向载波和正交载波即可恢复映射信号。

M进制正交振幅调制信号一般表示为

(2.1)

式中:携带幅度信息;携带相位信息,它们通过取多个离散值来表示不同的信号;是宽度为的单个信号波形,通过将余弦函数展开,我们可以得到如下的正交形式。

(2.2)

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