MIMO-OFDM系统信道估计与均衡技术的研究及FPGA实现

摘要

MIMO技术在带宽一定的情况下，可以有效的提高无线通信的系统容量和传输性能。OFDM技术有着频谱利用率高、抗衰落和多径干扰性能强的优点。MIMO-OFDM系统是将MIMO和OFDM技术有机的结合，充分发挥它们各自的特点。信道估计与均衡技术则是MIMO-OFDM系统中的重要组成部分，对无线通信系统传输质量有着重大的影响。本文的主要内容是MIMO-OFDM系统信道估计与均衡的研究及FPGA实现。　　本文首先对无线通信系统中信道估计与均衡的研究背景、研究意义以及国内外研究现状进行了介绍。然后研究了无线系统的信道模型，重点介绍了瑞利衰落和莱斯衰落信道的统计特性。接着分析了OFDM技术和MIMO技术的基本原理，并给出了系统传输的框图。论文重点研究了MIMO-OFDM系统中的信道估计算法与均衡算法。通过搭建MATLAB仿真平台，对各个算法的性能进行了对比，包括信道估计算法中的LS估计算法、LMMSE估计算法、基于DFT估计算法以及信道均衡算法中的ZF均衡算法和MMSE均衡算法。最后对各个算法的性能和实现复杂度进行综合分析，最终确定了LMMSE估计算法、线性插值算法和ZF均衡算法作为本系统信道估计与均衡的硬件实现的算法方案。　　其次，在信道估计与均衡算法的FPGA实现中，论文主要是对信道估计和信道均衡两个部分硬件实现进行了论述。信道估计的实现部分给出了信道估计整体的FPGA实现结构，然后详细介绍了导频提取及LS估计模块、LMMSE估计模块以及插值运算模块的端口、功能与时序流程。信道均衡的硬件实现部分则详细分析了信道响应矩阵求逆模块和信道均衡模块的端口、功能与时序。接着通过联合MATLAB和Modelsim仿真结果，验证了各个模块的功能和时序，并对误差进行了对比分析。最后给出了信道估计与均衡整体硬件设计的资源消耗报告和综合时序报告，验证了本文信道估计与均衡算法硬件实现的可行性，最终的实现结果符合预期的设计要求。

目录

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第1 章绪论

1.1 课题研究背景和意义

1.2 信道估计与均衡的研究现状

1.3 论文主要工作

1.4 论文结构安排

第2 章 MIMO-OFDM 通信系统

2.1 无线信道模型

2.1.1 大尺度衰落

2.1.2 小尺度衰落

2.2 OFDM基本原理

2.3 MIMO技术

2.3.1 SISO 与 MIMO 技术

2.3.2 空间复用

2.4 MIMO-OFDM系统

2.5 本章小结

第3 章 MIMO-OFDM 系统的信道估计与均衡技术

3.1 导频与导频序列

3.1.1 导频图案

3.1.2 导频序列

3.2 信道估计

3.2.1 基于导频信道估计算法

3.2.2 数据位置的插值算法

3.2.3 信道估计算法仿真

3.2.4 插值算法仿真

3.3 信道均衡

3.3.1 信道均衡算法

3.3.2 信道均衡算法仿真分析

3.4 系统实现分析

3.4.1 信道估计实现的复杂度分析

3.4.2 定点化分析

3.5 本章小结

第4 章信道估计与均衡算法的FPGA 实现

4.1 整体方案设计

4.1.1 顶层模块

4.2 信道估计的 FPGA实现

4.2.1 导频提取及 LS 估计模块

4.2.2 LMMSE 导频估计模块

4.2.3 插值运算模块

4.3 信道均衡的 FPGA实现

4.3.1 信道矩阵求逆模块

4.3.2 均衡模块

4.4 FPGA硬件资源消耗和综合时序报告

4.4.1 FPGA 硬件资源消耗

4.4.2 综合时序报告

4.5 本章小结

第5 章总结与展望

5.1 工作总结

5.2 未来展望

致谢

参考文献