恒包络OFDM系统中的信号捕获和均衡技术研究

摘要

在无线通信领域的发展中，正交频分复用（OFDM）技术因其对抗码间串扰的优良性能和极高的频谱利用率，在近几年得到了快速发展。但是OFDM较高的峰均比（PAPR）是其最大的缺陷之一，这会导致信号超过系统功放的动态范围从而产生非线性失真。恒包络OFDM（CE-OFDM）就是对传统OFDM信号进行相位调制，使其成为包络恒定的信号，这样就从根本上解决了峰均比过高的问题。 本文在CE-OFDM系统的基础上，研究其接收端的信号捕获技术、信道估计和均衡技术，具体的研究内容如下： 第一，本文研究了CE-OFDM系统的信号捕获算法，在传统的基于FFT的相关函数捕获算法的基础上，提出一种优化算法，这种优化算法利用扩频码频谱特性，减少FFT/IFFT计算点数并补零，能够提高捕获效率并且降低系统复杂度。通过仿真发现，优化的算法能够减少一半以上的计算点数、降低系统复杂度并且保证检测概率要求；并且，在CE-OFDM系统中，当信噪比高于-5dB时候，优化的算法检测概率达到1，能够完全实现对信息数据的捕获。 第二，本文研究了CE-OFDM系统的信道估计算法，在频率选择性衰落环境中，根据系统的特点设计了帧结构，仿真比较了CE-OFDM调制数据、QPSK调制数据、SOQPSK调制数据和Chu序列四种导频类型的均方误差（MSE），发现估计性能最好的是Chu序列，其他三种因为频谱不平坦导致估计性能不理想；同时仿真验证了LS算法、LMMSE算法和ELMMSE算法的估计性能，发现在低信噪比条件下，LMMSE算法的性能最好，ELMMSE算法的性能次之，而LS算法只有在高信噪比时才能达到其他两个算法的性能，但是其算法复杂度始终是最低的。 第三，本文研究了CE-OFDM系统的均衡算法，在慢衰落环境中，仿真比较了ZF均衡算法和MMSE均衡算法的误码率性能，发现结合任意一种估计算法，MMSE算法的均衡性能都好于ZF算法；同时利用MMSE算法，仿真四种不同衰落信道中CE-OFDM的误码率性能，发现当CE-OFDM系统调制指数较大时，在频率选择性衰落信道的误码率性能最好，在调制指数较小时，频率分集特性不明显。因此对CE-OFDM系统，在条件允许情况下，要尽量选择大调制指数。 第四，本文基于Verilog硬件描述语言，并在QuartusⅡ9.0的开发环境中，对CE-OFDM系统的捕获算法以及利用LS算法和MMSE算法的信道估计与均衡进行了FPGA实现，分析了资源的占用率，利用波形仿真验证了上述算法的正确性。

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ABSTRACT

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缩略语对照表

第一章 绪论

1.1 研究背景和意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本文章节安排

第二章 CE-OFDM系统相关技术

2.1 无线信道

2.1.1 无线信道模型

2.1.2 衰落概率模型

2.2 OFDM基本原理

2.2.1 OFDM信号的产生

2.2.2 循环前缀

2.2.3 PAPR分析

2.3 CE-OFDM基本原理与系统模型

2.3.1 CE-OFDM信号的产生

2.3.2 CE-OFDM系统模型和关键技术

2.4 信号捕获的基本原理

2.4.1 直接序列扩频调制

2.4.2 基于相关函数的信号捕获算法

第三章 CE-OFDM系统捕获算法研究

3.1 互相关函数的计算

3.1.1 串行计算

3.1.2 并行计算

3.1.3 基于FFT的计算

3.2 基于FFT的相关函数的捕获算法

3.2.1 取包络与积累

3.2.2 检测与判决

3.2.3 建立模型和仿真

3.3 基于FFT的相关函数捕获算法的优化

3.3.1 优化算法的原理

3.3.2 仿真分析

第四章 CE-OFDM系统信道估计与均衡

4.1 基于导频的频域信道估计

4.1.1 导频设计对信道估计的影响

4.1.2 基于导频的频域信道估计算法研究

4.2 CE-OFDM系统的频域均衡

4.2.1 频域均衡的原理

4.2.2 CE-OFDM系统均衡算法研究

4.3 CE-OFDM的频率分集特性

4.3.1 CE-OFDM的频率分集原理

4.3.2 仿真分析

第五章 CE-OFDM系统捕获与均衡的FPGA实现

5.1 CE-OFDM系统捕获的FPGA实现

5.1.1 捕获方法的基本原理和FPGA实现过程

5.1.2 捕获算法的仿真分析

5.2 CE-OFDM信道估计与均衡的FPGA实现

5.2.1 信道估计与均衡的基本原理和FPGA实现过程

5.2.2 信道估计和均衡算法的仿真分析

第六章 总结与展望

参考文献

致谢

作者简介

1. 基本情况

2. 教育背景

3. 攻读硕士学位期间的研究成果

3.1 发表学术论文

3.2 申请（授权）专利

3.3 参与科研项目及获奖