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信号周期平稳特性在OFDM系统中的应用研究

郭里婷  
【摘要】:本文研究信号周期平稳特性在OFDM系统中的应用,旨在利用OFDM信号的周期平稳特性进行OFDM系统时延和频偏盲估计、信道盲估计以及信道与频偏的联合盲估计。 OFDM技术被普遍认为是下一代通信系统不可缺少的技术之一。为保证其具有好的性能,需要时频同步、信道估计等一系列的关键技术加以支持。在信道环境允许的情况下,使用盲信号处理解决上述的问题,可以避免传输效率的降低。通信信号普遍具有周期平稳特性,基于信号周期平稳特性的信号处理一般情况下都是不需要辅助信息的盲处理。而且由于具有周期平稳特性的信号在多个循环频率上都有谱信息,充分利用这些信息可以解决更多的信号处理问题。 本文首先介绍信号周期平稳特性理论,包括其定义、周期自相关函数和周期谱、周期平稳特性的引入以及信号周期平稳特性的应用领域等。在信号周期平稳特性理论的支持下,探讨周期平稳信号和平稳信号的关系,并考虑周期平稳信号的抽样特性。在此基础上,分析论证了OFDM信号具有周期平稳特性,从而可以利用周期平稳特性理论解决OFDM系统的一系列关键技术问题。 OFDM系统的时频同步关键在于时延和频偏的估计。本文先后以平坦衰落信道和频率选择性衰落信道为传输模型,提出基于过抽样的OFDM系统时延和频偏联合盲估计算法。理论分析和仿真结果表明,接收端通过选择适当的抽样因子,算法可以实现更大频偏的估计和更精细的时延估计,而且与基于线性时不变信道的传输模型算法相比,本算法仅需要已知信道的各径功率和时延,无需信道在每一径上的幅度和相位。在此基础上,分析指出,如果需要在数据流中放置导频,那么通过合理地设计导频,仍然可以保证OFDM信号具有周期平稳特性,从而本文提出的时延和频偏联合盲估计算法经过适当地修改仍然有效。 OFDM系统信道估计是实现系统均衡和相关解调的关键。针对现有的基于求解线性方程组的算法运算量较大的问题,本文提出一种可以显著减小算法运算量并保持原算法性能的改进算法。由于基于求解线性方程组的算法对接收信号周期自相关函数估计误差很敏感,本文进一步提出一种新的算法,首先进行信道阶数的估计,然后通过估计信道零点间接获得信道估计值。算法误差分析和仿真结果均表明,该算法有更好的性能,而且对信道阶数过估计有一定的容忍性。 系统中信道和频偏总是同时存在的,所以进行OFDM系统信道和频偏的联合估计也是必要且有意义的。本文提出一种联合子空间方法和信号周期平稳特性的信道和频偏联合估计算法。算法首先利用子空间方法获得包含频偏分量的信道估计值,然后利用该结果和周期平稳特性,获得系统频偏估计值,最后从包含频偏分量的信道估计值中去除频偏分量,获得信道估计值。在此基础上,使用迭代的方法获得更准确的信道和频偏估计值。最后,利用子载波加权和求多项式根的方法,可以使有效的频偏估计范围达到正负二分之一的OFDM系统的基带带宽。


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