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OFDM系统频域均衡技术研究.doc

发布时间：2022-06-08 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：0.95M 资料格式：doc 举报 版权申诉
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    摘 要
    Abstract
    第一章 绪论
    1.1 移动通信的发展状况
    1.2 OFDM系统的发展现状
    1.3均衡技术的研究背景和意义
    1.4本文的主要工作安排
    第二章 OFDM 技术及系统原理
    2.1 OFDM的产生和发展
    2.2 正交频分复用
    2.3 OFDM系统模型
    2.4 OFDM调制和解调技术
    2.5 OFDM的DFT实现
    2.6 保护间隔、循环前缀和子载波数的选择
    第三章 OFDM均衡技术
    3.1 均衡的基本理论
    3.2 均衡算法
    3.2.1 MMSE算法
    3.2.2自适应MMSE算法
    3.2.3最小均方（LMS）算法
    3.2.4 最小平方（LS）算法
    3.2.5 递推最小二乘（RLS）算法
    3.2.6 Singular Value Decomposition(SVD)算法
    3.3 OFDM频域均衡
    3.3.1 OFDM频域均衡器的基本原理
    3.3.2 频域迫零均衡算法
    第四章 仿真和结果分析
    4.1 RLS和LMS算法仿真和对比
    4.2 OFDM系统搭建
    4.3 多径情况下OFDM系统误码率性能仿真
    4.4 OFDM均衡算法仿真比较
    4.4.1 LS与MMSE均衡算法仿真比较
    4.4.2 迫零均衡与MMSE均衡仿真比较
    第五章 总结与展望
    5.1 总结
    5.2 展望
    参考文献
    致 谢
    本 科 生 毕 业 论 文 题 院 专 目： OFDM 系统频域均衡技术研究 系：信息科学与技术学院电子与通信工程系 业： 电子信息科学与技术 学生姓名： 谢 彦 05375116 张 萍(讲师) 学 号： 指导教师： （职 称） 二〇〇 九
    i
    摘 要 正交频分复用(OFDM)技术是多载波调制中的一种有效传输方式，其主要思 想是：将信道分成若干个正交子信道，将高速的数据信号转换成并行的低 速子数据流，调制到在各个子信道上进行传输。由于 OFDM 系统具有良好的 抗多径干扰能力及较高的带宽效率等优点，被认为是未来移动通信的核心技术， 成为近年来的研究热点之一。 在无线传输环境中，接收信号会存在多径时延、时间选择性衰落和频率偏移。 当 OFDM 系统存在较高的载波频偏或无线通信系统的发射端和接收端之间相对 运动引起的多普勒频移较大时，OFDM 系统载波间的正交特性就会遭到破坏， 从而产生严重的子载波间干扰(ICI)，并导致系统性能的大大降低。同时由于信号 传输过程中存在多径效应，所以会不可避免地引入符号间干扰（ISI）。因此，需 要估计出信道特性作进一步补偿，也就是要进行均衡。因此，本篇论文将对 OFDM 系统中均衡算法特别是频域均衡的技术进行了研究。 本文首先介绍了近年来移动通信的发展状况及 OFDM 系统的发展现状及研 究背景。并详细描述了 OFDM 系统的基本原理、模型以及特点。随后，本文对 OFDM 系统中调制和解调技术、DFT 实现以及子载波间干扰(ICI)以及符号间的 干扰 ISI 的产生机理进行了具体分析，并在此基础上研究和分析了几种常用的 OFDM 均衡算法。最后，基于 MATLAB 软件平台搭建了 OFDM 基带仿真系统， 研究并分析了 OFDM 系统的信号，并对常用的均衡算法进行仿真和比较，研究 算法对系统性能的影响。为进一步研究 OFDM 系统性能提供了一个通用的平台。 关键词：无线通信；多径衰落；正交频分复用；频域均衡 i
    Abstract Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) is a high efficiency multi-carrier transmission technology. The main idea is: The channel is divided into some sub-channel; the high-speed data signals are changed into low-speed parallel data streams, and then modulated on each channel for transmission. Because of nice ability against multi-Path interference and high bandwidth efficiency, OFDM has already been one of key techniques in mobile communication systems in the future. In the wireless transmission environment, there would be multi-path delay, time selective fading and frequency offet in the signal what is received. When there is a higher carrier frequency offset or the Doppler frequency shift caused by the relative movement between the transmitter and receiver is larger，the orthogonally between sub-carriers will be destroyed，resulting in a serious inter-carrier interference(ICI)， and lead to greatly degrade system performance. Also, in the signal transmission process, it is unavoidable to cause inter-symbol-interference ISI. Therefore, this paper makes a research on equalization algorithm and the technology, especially in frequency domain. Firstly，the development of wireless mobile communication and OFDM system in the current years, the basic principle ， structure and characteristics of OFDM systems are introduced.Secondly, we analyze the modulation, demodulation and DFT realization of OFDM system, and the generation of ICI and ISI. Based on this, some frequency domain equalization algorithms are analyzed researched.Lastly, an OFDM Base-Band simulation system on the platform of MATLAB was designed, researching on the signal in the OFDM transmission and comparing different algorithms.That job supplies a general platform for farther researching on OFDM system. Key words: Wireless Communications, Multipath Fading, OFDM; Frequency Domain Equalization ii
    OFDM 系统频域均衡技术研究 目 录 摘 要.........................................................................................................................................i Abstract.....................................................................................................................................ii 第一章 绪论..............................................................................................................................1 1.1 移动通信的发展状况.................................................................................................1 1.2 OFDM 系统的发展现状............................................................................................2 1.3 均衡技术的研究背景和意义..................................................................................... 3 1.4 本文的主要工作安排................................................................................................. 4 第二章 OFDM 技术及系统原理............................................................................................ 5 2.1 OFDM 的产生和发展................................................................................................5 2.2 正交频分复用.............................................................................................................5 2.3 OFDM 系统模型........................................................................................................6 2.4 OFDM 调制和解调技术............................................................................................8 2.5 OFDM 的 DFT 实现................................................................................................ 11 2.6 保护间隔、循环前缀和子载波数的选择...............................................................12 第三章 OFDM 均衡技术.......................................................................................................15 3.1 均衡的基本理论.......................................................................................................15 3.2 均衡算法...................................................................................................................16 3.2.1 MMSE 算法..................................................................................................16 3.2.2 自适应 MMSE 算法......................................................................................17 3.2.3 最小均方（LMS）算法.............................................................................. 18 3.2.4 最小平方（LS）算法..................................................................................19 3.2.5 递推最小二乘（RLS）算法....................................................................... 20 3.2.6 Singular Value Decomposition(SVD)算法...................................................21 3.3 OFDM 频域均衡......................................................................................................22 3.3.1 OFDM 频域均衡器的基本原理......................................................................23 3.3.2 频域迫零均衡算法.......................................................................................26 第四章 仿真和结果分析........................................................................................................27 4.1 RLS 和 LMS 算法仿真和对比................................................................................27 4.2 OFDM 系统搭建......................................................................................................30 4.3 多径情况下 OFDM 系统误码率性能仿真............................................................. 31 4.4 OFDM 均衡算法仿真比较.......................................................................................32 4.4.1 LS 与 MMSE 均衡算法仿真比较............................................................... 32 4.4.2 迫零均衡与 MMSE 均衡仿真比较.............................................................34 第五章 总结与展望................................................................................................................36 i
    5.1 总结...........................................................................................................................36 5.2 展望...........................................................................................................................37 参考文献..................................................................................................................................38 致 谢......................................................................................................................................40 ii
    第一章 绪论 1.1 移动通信的发展状况 移动通信作为现代通信系统中的重要组成部分，是指通信双方至少有一方在 移动状态下进行的信息传输，例如移动装置与固定点之间或者移动装置之间的通 信。移动通信融合了无线通信和有线通信的最新技术，集合了计算机技术和网络 技术的许多成果，具有市场容量大，发展速度快，技术更新快的特点。 1978 年，美国贝尔实验室成功研制出高级移动电话系统，建成了蜂窝状模 拟移动通信网，极大地提高了系统容量，标志了第一代移动通信系统的诞生，这 一阶段的特点是蜂窝结构移动通信网成为了实用系统，采用频分多址和模拟调制 FM 技术，使频带可重复利用，实现移动环境下不间断通信。第一代移动通信系 统的出现和发展，最重要的特点是体现在移动性上，结束了过去无线通信发展过 程中时常被其他通信手段替代而处于辅助地位的历史[1]。 从 20 世纪 80 年代中期开始，数字移动通信系统进入发展和成熟的时期。模 拟蜂窝的容量已经不能满足日益增长的移动用户的需求。欧洲首先推出了全球移 动通信系统（GSM）。90 年代初，美国 Qualcomm 公司推出了窄带码分多址（CDMA） 蜂窝移动通信系统，成为移动通信系统发展的里程碑[2]，宣告了第二代移动通信 系统的诞生。这一代移动通信系统是以数字信号传输、码分多址 CDMA 为主体 技术，频谱效率提高，系统容量增大，易实现数字保密、通信设备的小型化和智 能化，标准化程度大大提高。制定了更加完善的呼叫和网络管理功能，可与窄带 综合业务数字网相兼容，除了传送语音外，还可传送数据业务，如传真和分组的 数据业务等。以数字信号处理为基本技术的第二代移动通信系统是目前最广泛使 用的通信系统。 为了适应新的市场需求，人们发展出了第三代移动通信系统。其中最基本的 特征是智能信号处理技术，实现了基于话音业务为主的多媒体数据通信，具有更 高的频谱效率、更高的服务质量及低成本，并且可实现全球无限覆盖。第三代移 动通信系统拥有更大的系统容量和更灵活的高速率、多速率数据的传输，除了语 音和数据传输外，还能传送高质量的活动图像。3G技术标准由国际电信联盟(ITU) 1
    在2000年5月确定，主要包括WCDMA、CDMA2000和TD-SCDMA三大主流标准。 普遍认为 3G 系统仅仅出于一个从窄带系统向未来移动通信系统过渡的阶段， 其核心网还没有完全脱离第二代移动通信系统的核心网结构。因此，人们已经开 始把目光投向 3G 以后的移动通信系统，即第四代移动通信系统。第四代移动通 信在业务、功能、频宽等因素上都有别于第三代移动通信，是将所有无线服务统 一化，能在任何地方接入互联网，包括卫星通讯、定位定时、数据采集、远程控 制等综合功能[3]。与第三代移动通信系统相比，第四代移动通信系统具有更高的 数据速率和频谱利用率、更高的安全性、智能性和灵活性、更高的传输质量和业 务质量。OFDM 技术作为一种强有力的数字调制方式，以其突出的优点引起了 广泛的关注，针对在移动通信技术上的应用提出大量相关的理论基础，OFDM 已 经成为第四代移动通信系统的核心技术。 1.2 OFDM 系统的发展现状 OFDM 技术最初是由 R.W.Chan 于 20 世纪 60 年代中期提出，他指出利用正 交子载波同时发送的基本原理，免除了陡峭的带通滤波器，大大提高了频谱利用 率。20 世纪 70 年代，Weinstein 和 Ebert 提出了使用离散傅立叶变换(DFT)实现 调制和解调，从而大大降低了多载波系统的复杂度，成为 OFDM 发展史上的一 个里程碑，为 OFDM 的实用化奠定了理论基础。1980 年，Peled 和 Ruiz 提出了 采用循环前缀的方法来保证信号经过色散信道后仍然保持各子载波间的正交性， 这种方法能有效的降低符号间干扰(ISI)和子载波间干扰(ICI)。1985 年，Cimini 把 OFDM 的概念应用到蜂窝移动无线通信系统中，从此 OFDM 技术在移动无线 通信领域开辟了新天地。1999 年 IEEE802.11a 通过一个 5G 的无线局域网标准， 其中采用了 OFDM 调制技术并将其作为它的物理层标准。欧洲电信标准协会 （ETSI）的宽带射频接入网（BRAN）的局域网标准也把 OFDM 定为它的标准 调制技术[2]。OFDM 在移动通信中的应用得到了迅猛的发展。 OFDM 既可以被看作是一种调制技术，也可以被当作一种复用技术，是在频 分复用的基础上发展起来的。多载波传输把数据流分解成若干子比特流，每个子 数据流都具有较低的速率。OFDM 的主要特点是各子载波互相正交，故扩频调 制后的频谱可以相互重叠，不但减小了子载波间的相互干扰，还大大提高了频谱 2
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