适用于OFDM-UWB系统的信道估计方法研究

论文摘要

超宽带（UWB）技术作为一种极具潜力的高速、短距离、低功耗的无线传输方式,近些年在学术界和工业界都引起了极大的关注。随着WiMedia联盟的多带正交频分复用（MB-OFDM）标准最终通过国际标准化组织（ISO）认证,正式成为第一个UWB的国际标准,MB-OFDM UWB技术已在无线传输领域得到了广泛的应用。首先,本文简要地介绍了MB-OFDM UWB系统的数字基带,其中重点介绍了笔者提出的基于双端口存储器的（解）交织器结构。该结构消除了传统交织器实现中复杂连线在布局布线和串绕方面带来的问题且能兼容不同的交织长度,有效地降低了硬件实现的复杂度和资源的消耗。从现场可编程门阵列（FPGA）的实现报告中可以看到,本文提出的新结构所消耗的FPGA资源数目对于交织器和解交织器来说分别降低了46%和78%。在介绍完数字基带后,本文重点介绍了笔者提出的适用于MB-OFDM UWB系统的信道估计方法一虚拟导频辅助信道估计（PPACE）算法。该方法具有低的硬件实现复杂度,且能有效地抵抗多径信道带来的符号间干扰。在不知道信道和噪声的统计信息的情况下,基于离散傅立叶变换（DFT）的信道估计方法通常被用来提高基于最小二乘（LS）准则的信道估计算法的性能。但由于基于DFT的信道估计器中需要使用额外的FFT/IFFT对,这会带来较高的计算复杂度以及相应较大的面积和功耗开销。本文提出的PPACE算法仅使用了32点的DFT,大大降低了硬件开销。仿真结果表明,低复杂度的PPACE算法要优于传统的基于DFT的算法,甚至优于基于线性最小均方差（LMMSE）准则的信道估计方法。另外,本文作者根据UWB信道模型的参数提出了一种通用加窗技术,该技术能提高基于DFT的信道估计算法的均方误差（MSE）性能。随着超宽带技术的演进,多天线（MIMO）技术与超宽带的结合是大势所趋,此举可将超宽带的数据率提高至Gbps数量级,大大满足了市场对高速无线传输的需求。然而MIMO技术的引入给信道估计带来了不小的困难,因为多天线系统的接收信号是多个发射天线发送信号的衰落与加性噪声的叠加。若采用以前适用于OFDM系统的信道估计方法,对于某个特定的发射接收天线对,来自于其它天线的信号即为干扰,这样信号噪声功率比常常在0dB以下,从而带来很大的估计误差,导致系统性能急剧下降。结合本文提出的PPACE信道估计算法,本论文将其应用到MIMO-OFDM系统。仿真结果和实现结果表明在关注的信噪比范围内,本文提出的PPACE算法要优于传统的LS算法,且信道估计器的硬件实现复杂度大大降低。总而言之,本文提出的PPACE算法不仅适用于MB-OFDM UWB系统和MIMO-OFDM UWB系统,稍加改动还适用于其它以OFDM技术为基础的无线通信系统。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 引言
• 1.1 论文研究背景
• 1.1.1 UWB技术发展简介
• 1.1.2 UWB技术的实现方式
• 1.1.3 UWB技术的不足
• 1.1.4 UWB应用
• 1.1.5 UWB标准化进程
• 1.1.6 UWB系统的发展方向
• 1.2 论文的选题和动机
• 1.3 论文的主要工作和贡献
• 1.4 论文的组织结构
• 第二章 MB-OFDM UWB系统数字基带的实现
• 2.1 MB-OFDM UWB数字基带的结构
• 2.2 MB-OFDM UWB系统数字基带的实现
• 2.2.1 扰码器/解扰器（Scrambler/Descramble）
• 2.2.2 卷积编码器（convolution encoder）
• 2.2.3 删余模块（puncture）
• 2.2.4 交织器/解交织器（interleaver/deinterleaver）
• 2.2.5 映射/反映射（mapping/demapping）
• 2.2.6 插入循环前缀/插入零前缀
• 2.3 MB-OFDM UWB系统数字基带的FPGA实现结果
• 第三章 适用于MB-OFDM UWB系统信道估计算法
• 3.1 信道估计算法介绍
• 3.2 UWB信道模型
• 3.3 MB-OFDM UWB系统模型
• 3.4 适用于MB-OFDM UWB系统的信道估计算法设计
• 3.4.1.基于通用窗的信道估计算法
• 3.4.2.适用于CP-OFDM UWB系统的低复杂度信道估计算法
• 3.4.3.适用于ZP-OFDM UWB系统的低复杂度信道估计算法
• 3.5 信道估计模块的硬件实现
• 3.6 本章小结
• 第四章 适用于MIMO-OFDM UWB系统信道估计算法
• 4.1 信道估计算法简介
• 4.2 适用于CP-based MIMO-OFDM UWB系统的信道估计算法
• 4.2.1.算法简介
• 4.2.2.性能分析
• 4.3 适用于ZP-based MIMO-OFDM UWB系统的信道估计算法
• 4.3.1.算法简介
• 4.3.2.性能分析
• 4.4 信道估计模块的硬件实现
• 4.5 本章小结
• 第五章 总结与展望
• 5.1 总结
• 5.2 研究工作展望
• 参考文献
• 致谢