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摘要摘要正交频分复用技术 是近年来受到人们广泛关注的一种调制

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  摘要摘要正交频分复用技术 是近年来受到人们广泛关注的一种调制技术 在高速无线数据传输领域有很大的应用前景。它将高速的数据流分解成许多低速率子数据流 利用相互正交且重叠的多个子载波同时传播 它的主要优点是抗符号间于扰能力强 频带利用率高 能有效地对抗多径衰落。在 系统中 采用循环前缀技术 从而消除了码

  摘要摘要正交频分复用技术 是近年来受到人们广泛关注的一种调制技术 在高速无线数据传输领域有很大的应用前景。它将高速的数据流分解成许多低速率子数据流 利用相互正交且重叠的多个子载波同时传播 它的主要优点是抗符号间于扰能力强 频带利用率高 能有效地对抗多径衰落。在 系统中 采用循环前缀技术 从而消除了码间干扰 保护了各子载波间的正交关系。同时采用 方法使各个子信道的调制和解调变得非常容易。然而在移动通信中信道的特性是随时间变化的为了提高通信效率和通信质量 有必要对信道的当前特性进行估计。文章在分析和总结相关文献的基础上 介绍正交频分复用技术的发展历史 讨论了正交频分复用技术的基本原理和实现方法 并在对 系统简要分析的基础上 研究了 系统中的信道估计技术 估计、 估计、 估计、 算法、变换域估计、基于内插的信道估计、判决反馈信道估计算法。提出了一种自适应导频插入算法 仿真结果表明该算法在满足系统性能要求的条件下 能显著地减少导频开销。最后我们通过 软件进行仿真 对信道估计方法及他们的特点进行了分析和比较。可以看出 估计的性能要远好于估计 但其复杂度较高 估计的性能及运算复杂度皆介于前两者之间 六边形导频优于矩形导频图案 且都是块状和梳状导频的折衷 拉格朗日内插算法的性能在在较高信噪比条件下远优于线性内插算法和高斯内插算法 但复杂度也较高。因此信道估计算法的选择应在估计准确度和传输有效性之间取得折衷。关键词 正交频分复用信道估计最小均方误差最小平方奇异值分解内插算法自适应导频插入算法 西安电子科技大学学位论文创新性声明秉承学校严谨的学风和优良的科学道德本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知 除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果 也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。申请学位论文与资料若有不实之处 本人承担一切相关责任。本人签名 西安电子科技大学关于论文使用授权的说明本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕业离校后发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。学校有权保留送交论文的复印件 允许查阅和借阅论文 学校可以公布论文的全部或部分内容 可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。 保密的论文在解密后遵守此规定 本学位论文属于保密 在一年解密后适用本授权书。本人签名 同期——第一章绪论第一章绪论移动通信的发展状况移动通信技术高速发展所带来的“千里万里无线通”可谓是人类文明史上的一次奇迹。更为可贵的是 人类无穷尽的智慧使得移动通信在经历了第一代、第二代后 仍在向第三代乃至第四代不断地进步 仍在让奇迹不断地出现。 第一代移动通信技术 主要采用的是模拟技术和频分多址 技术。由于模拟技术十分成熟 因而模拟无线通信系统在发展初期得到了较为广泛的应用 但是它的频谱利用率低、抗干扰能力差、保密性差、系统容量小 不适合日益增长的多媒体通信业务的需要。 第二代移动通信技术 第二代移动通信替代第一代移动通信系统完成了模拟技术向数字技术的转变。主要采用的技术是数字的时分多址 技术和码分多址 技术 主要业务是语音 其主要特性是提供数字化的话音业务及低速数据业务。它克服了模拟移动通信系统的弱点 话音质量、保密性能得到大的提高 并可进行省内、省际自动漫游。但由于第二代数字移动通信系统带宽有限 限制了数据业务的应用 也无法实现高速率的业务如移动的多媒体业务。 第三代移动通信技术 第三代移动通信的概念最初由国际电信联盟 年提出后正式命名为 并于 最终通过了第三代移动通信无线接口标准被正式命名为 无线接口技术规范。此规范包括码分多址 和时分多址 两大类共五种技术 其中 被公认为主流技术 它包括两种频分双工 技术和一种时分双 技术 分别为 对应技术 是由欧洲和日本最早提出的 其核心网基于演进的 网络 空中接口采用直接扩频 和宽带 。这种方式得到欧洲 北美 亚太地区的 运营商和日本 韩国运营商的广泛支持 是第三代移动通信最有竞争力的技术之一。 系统的信道估计算法研究 对应 技术 是由北美最早提出的另一种较具竞争力的第三代移动通信技术 其核心网络采用演进方式的 向后兼容。其单载波形式。采用与 相同的带宽 但容量可相对提高一倍 且所支持的最高业务速率可达 技术得到北美和亚太地区运营商的广泛支持。 为时分双 技术它包括中国提出的 技术和欧洲提出的 两种方式。由我国提出的 由于采用了智能天线和上行同步技术具有大容量 适合不对称数据传输的潜在优点而受到重视。与 相比将有更宽的带宽 其传输速度最低为 最高为 带宽可达 以上。不仅能传输话音 还能传输数据 从而提供快捷、方便的无线应用 如无线接入 能够实现高速数据传输和宽带多媒体服务。但第三代移动通信仍是基于地面、标准不同的区域性通信系统。虽然第三代移动通信可以比现有传输率快上千倍 但是未来仍无法满足多媒体的通信需求。第四代移动通信系统的提供便是希望能满足提供更大的频宽需求 满足第三代移动通信尚不能达到的在覆盖、质量、造价上支持的高速数据和高分辨率多媒体服务的需要。第四代移动通信系统可称为广带 接入和分布网络 具有非对称的超过 的数据传输能力 数据率超过 是支持高速数据率 连接的理想模式上网速度从 提高到 具有不同速率间的自动切换能力。第四代移动通信系统是多功能集成的宽带移动通信系统 在业务上、功能上、频带上都与第三代系统不同 将在不同的固定和无线平台及跨越不同频带的网络运行中提供无线服务 比第三代移动通信更接近于个人通信。第四代移动通信技术可将上网速度提高到超过第三代移动技术 可实现三维图像高质量传输。移动通信技术的信息传输级数要比 移动通信技术的信息传输级数高一个等级。对无线频率的使用效率比第二代和第三代系统都高得多 且抗信号衰落性能更好 其最大的传输速度将是目前“ ”服务的 倍。除了高速信息传输技术外 它还包括高速移动无线信息存取系统、移动平台技术、安全密码技术以及终端间通信技术等 具有极高的安全性 终端还可用作诸如定位、告警等。第四代移动电话不仅音质清晰 而且能进行高清晰度的图像传输 用途将十分广泛。在容量方面 可在 的基础上引入空分多址 容量达到 倍。另外可以在任何地址宽带接入互联网 它包括广带第一章绪论无线固定接入、广带无线局域网、移动广带系统和互操作的广播网络 基于地面和卫星系统 系统可以自动管理、动态改变自己的结构以满足系统变化和发展的要求。用户将使用各种各样的移动设备接入到系统中 各种不同的接入系统结合成一个公共的平台 它们互相补充、互相协作以满足不同的业务的要求 移动网络服务趋于多样化 最终将演变为社会上多行业、多部门、多系统与人们沟通的桥梁。 移动系统网络结构可分为三层 物理网络层、中间环境层、应用网络层。物理网络层提供接入和路由选择功能 它们由无线和核心网的结合格式完成。中间环境层的功能有 映射、地址变换和完全性管理等。物理网络层与中间环境层及其应用环境之间的接口是开放的 它使发展和提供新的应用及服务变得更为容易 提供无缝高数据率的无线服务 并运行于多个频带。这一服务能自适应多个无线标准及多模终端能力 跨越多个运营者和服务 提供大范围服务。第四代移动通信系统的关键技术包括信道传输 抗干扰性强的高速接入技术、调制和信息传输技术 高性能、小型化和低成本的自适应阵列智能天线 大容量、低成本的无线接口和光接口 系统管理资源 软件无线电、网络结构协议等。第四代移动通信系统主要是以正交频分复用 为技术核一 技术的特点是网络结构高度可扩展具有良好的抗噪声性能和抗多信道干扰能力 可以提供比目前无线数据技术质量更高 速率高、时延小 的服务和更好的性能价格比 能为 无线网提供更好的方案。例如无线区域环路州 、数字音讯广播 都将采用技术。 移动通信对加速增长的广带无线连接的要求提供技术上的回应 对跨越公众的和专用的、室内和室外的多种无线系统和网络保证提供无缝的服务。通过对最适合的可用网络提供用户所需求的最佳服务 能应付基于因特网通信所期望的增长 增添新的频段 使频谱资源大扩展 提供不同类型的通信接口 运用路由技术为主的网络架构 以傅利叶变换来发展硬件架构实现第四代网络架构。移动通信将向数据化 高速化、宽带化、频段更高化方向发展 移动数据、移动 将成为未来移动网的主流业务。 系统的发展状况正交频分复用技术 的应用己有近 年的历史 第一个 技术的实际应用是军用的无线高频通信链路。但这种多载波传输技术在双向无线数据方面的应用却是近十年来的新趋势。经过多年的发展 该技术在广播式的音频和视频领域已得到广泛的应用。主要的应用包括 非对称的数字用户环路 标准的音频广播、数字视频广播 通过了一系统的信道估计算法研究个 的无线局域网标准 其中 调制技术被采用为它的物理层标准。 的宽带射频接入网 的局域网标准也把 定为它的调制标准技术。 在内的家公司发起了国际 论坛 致力于策划一个基于 技术的全球性单一标准。现在 论坛的成员己增加到 个会员 其中 个为主要会员。我国的信息产业部也己参加了 论坛 可见 在无线通信的应用已引起国内通信界的重视。 论坛的固定无线接入工作组向的无线城域网委员会提交了一份建议书 提议采用 技术作为工 城域网的物理层 标准。随着 两个标准在局域网的普及应用技术将会进一步在无线数据本地环路的广域网领域做出重大贡献。 由于其频谱利用率高、成本低等原因越来越受到人们的关注。随着人们对通信数据化、宽带化、个人化和移动化的需求 技术在综合无线接入领域将越来越得到广泛的应用。正交频分复用技术 是一种多载波数字调制技术 虽然 的概念已经存在了很长时间 但是直到最近随着多媒体业务的发展 它才被人们认识到是一种实现高速双向无线数据通信的良好方法。随着 芯片技术的发展 傅立叶变换 反变换、高速 采用的 技术、栅格编码技术、软判决技术、信道自适应技术、插入保护时段、减少均衡计算量等成熟技术的逐步引入 人们开始集中越来越多的精力开发 技术在移动通信领域的应用 第三代以后的移动通信的主流技术将是 技术。 本文主要工作及章节安排本文首先介绍了 的原理与关键技术 然后讨论了移动无线信道中的电波传播特性 给出了两种常用的平坦衰落信道模型和频率选择性衰落信道的建模方法 做为本文仿真中所使用信道模型的理论根据。在此基础上 详细分析了 系统的信道估计算法及其性能 包括基于 的信道估计算法、 信道估计算法、 信道估计算法、 算法、变换域信道估计算法、基于内插的信道估计算法、判决反馈信道估计算法。最后分别给出了这些算法在多径衰落信道下的仿真结果 对其性能进行了比较。本文共分为四章 具体的章节安排如下 第一章 首先介绍了本文所选题目的研究背景及意义 然后给出了本文的主要研究工作以及章节安排。第二章 介绍了 系统的基本原理 优缺点及其关键技术。包括 实现、添加循环前缀、加窗技术、参数选择等内容。第一章绪论第三章 介绍了移动无线信道中的大尺度衰落特性和小尺度衰落特性 详细分析了两种常用的平坦衰落信道模型 参考模型和 模型。并给出了频率选择性衰落信道的建模方法。第四章 研究了 系统的信道估计算法及其性能 包括基于 的信道估计算法、 信道估计算法、 信道估计算法、 算法、变换域信道估计算法、基于内插的信道估计算法、判决反馈信道估计算法。提出了一种自适应导频插入算法。最后分别给出了这些算法在多径衰落信道下的仿真结果 对其性能进行了比较。最后对全文的工作进行了总结。第二章 的原理与关键技术 第二章 的原理与关键技术‘ 的基本原理人们采用相干时间或带宽来描述信道的时变特性 采用多径时延扩展或相干带宽来描述信道的多径特性。在小于相干时间的时间范围内 可以将信道看成线性时不变系统 而如果信道带宽小于相干带宽 则可以认为该信道是非频率选择性信道 其所经历的衰落是平滑衰落 即所有的频率成分所经历的衰落情况是相同的。这样就可以得到一个简单而又较为符合实际系统的研究模型。正交频分复用 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 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而带来的符号间干扰 。而且 一般都采用循环前缀作为保护间隔 从而可以避免由多径带来的信道间干扰 的基本原理的基本原理模型 的基本原理就是把串行的数据流分解成若干个数据速率低得多的并行子数据流 每个子数据流再去调制相应各个正交的子载波 最后把各个子载波上的信号叠加合成一起输出。 系统的基本原理如图 所示 接收蠼图系统基本原理模型 系统的信道估计算法研究从上图可以看出 的发送端的基本原理就是把输入数据经过串并变换成 路子信道数据 然后分别调制相应各个正交的子载波后叠加合成一起输出。而在接收端则用各个子载波分别混频和积分得到各路数据 经过并串变换便输出原始数据。 信号的表达式及其正交性从上面对 基本原理的论述可以看出 其实现的根本思想是通过串并变换把串行的高速数据流变成并行的低速数据流 实现的关键点是保证各个子载波之间的正交性。串并变换是很容易实现的 而正交性是如何实现的呢 下面先看看 信号的表达式。一个 符号之内包括多个经过调制的子载波的合成信号 其中每个子载波信号都可以进行相移键控 或者正交幅度调 。如果 表示子信道的个数 丁表示一个 符号的时间宽度 为每个子信道的数据符号 开始的一个已经调制的符号可表示为 然而在多数的文献中通常采用复等效基带信号来表示 的输出信号 所示。其中实部和虚部分别对应于符号的同相和正交分量 在实际中可以分别与相应的子载波的 分量和 分量相乘 再叠加成 信号。 和式都可以看出 信号相邻子载波间的间隔为 的码元速率即 这样就有 一一 说明了只要使各个子载波之间的间隔为厅就保证了各个子载波之间的正交性。正是这种正交性使频谱互相重叠的各个子载波信号能够被正确的分离出来。比如要解调第 个子载波 根据图 以及式

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