正交小波包波分复用系统的信道估计研究-通信与信息系统.doc

硕士论文


摘  要

　　　正交小波包波分复用（OWPDM）技术是将多载波调制技术和小波包分解重构理论相结合产生的一种新的调制技术。该技术利用小波包逆变换和正变换实现多载波信号的调制和解调，获得比传统正交频分复用（OFDM）系统更高的频谱利用率和抗干扰能力。因为在无线信道中存在多径衰落和多普勒频移，导致系统性能不够理想，为了在OWPDM系统中实现高速率数据传输，必然要采用合适的信道估计技术来对抗信道中的多径衰落和多普勒频移。因此对OWPDM系统及其信道估计等关键技术的研究具有重要的意义和实用价值。

　　　论文首先从系统结构框图、抗干扰性能、频谱利用率、数据安全性、峰均比以及系统实现的复杂度等方面，对比分析了OFDM及OWPDM两个系统的性能。在此基础上，探讨了常用信道估计算法（LS信道估计算法，LMMSE信道估计算法）在OWPDM系统中的适用性，研究了不同映射方式下OWPDM系统中基于插值的线性最小均方误差（LMMSE）信道估计算法，并和LS算法作了比较。仿真结果表明，这种算法能够提高OWPDM系统的信道估计性能。在高阶映射情况下，更精确的插值算法对系统性能的提升更加明显。在基于导频的信道估计中提出了立方卷积插值算法，并在OWPDM系统中把该算法和其他插值算法进行了仿真比较。仿真结果表明该算法能够提高信道估计的精度。

　　　针对传统LMS半盲信道估计容易造成误差传染的缺点，提出了一种改进的基于LMS的半盲信道估计算法，仿真结果表明，在插入更少导频数目的情况下，新算法估计性能优于LS信道估计算法，在插入相同数目导频的情况下，与传统的LMS信道估计算法相比，新算法能使系统获得更好的误码性能。

关键词：正交小波包波分复用  LS  LMMSE  信道估计 半盲信道估计  LMS

Abstract

　　Orthogonal wavelet packet division multiplexing is a new modulation technique combing wavelet packet decomposition and reconstruction theory with multi-carrier modulation technique of communication. In orthogonal wavelet packet division multiplexing system, inverse wavelet packet transform and wavelet packet transform is used to realize the modulation and demodulation of multicarrier signal, which can get higher spectrum utilization rate and high anti-interference capability than traditional OFDM system. Because there have multipath fading and Doppler shift in the wireless channel, the system performance is still not satisfactory. For the realization of high bit rate transmission in OWPDM system, the channel estimation technique is needed to combat multipath fading and Doppler shift. So the research of OWPDM system and its key technologies such as channel estimation has important significance and practical value.

　　The paper summarized the principle of OWPDM system , simulated and compared OFDM and OWPDM system from the aspects of the system structure diagram，anti-interference ability,the spectrum utilization,data security and system complexity. On the basis of it, the article first discusses whether the commonly used channel estimation algorithm (LS channel estimation algorithm, LMMSE channel estimation algorithm) is available in our system, then the interpolation based LMMSE algorithm of OWPDM system is researched, and its performance is compared with LS algorithm in different mapping mode. The simulation results show that the algorithm can effectively improve the performance of OWPDM system. And in case of high order mapping, more precise interpolation algorithm can improve the system performance more obviously. In the pilot-based channel estimation, the cubic convolution interpolation algorithm is proposed, and in the OWPDM system, the algorithm and other interpolation algorithms are compared by simulation. The simulation results show that the algorithm can improve the accuracy of channel estimation.

　　According to the traditional LMS semi-blind channel estimation is easy to cause infection of the error, a improved LMS semi-blind channel estimation algorithm is put forward. Simulation result shows that, when insert fewer pilot number, new algorithm is outperforms LS channel estimation algorithm, when insert the same number of pilot, compared with LMS semi-blind channel estimation algorithm, the new algorithm enables the system to obtain a better BER performance.

　　

Keywords:  Orthogonal wavelet packet division multiplexing    LS    LMMSE channel estimation    semi-blind channel estimation    LMS

　　　

目  录

第1章  引言 1

1.1  研究背景及其意义 1

1.2  多载波调制系统中的信道估计研究 4

1.3  国内外研究现状 5

1.4  本文的研究成果和创新点 7

1.5  本文的结构安排 7

第2章  小波/小波包基础理论 9

2.1  傅里叶变换与小波变换 9

2.2  离散小波变换 12

2.3  多分辨率分析与Mallat算法 13

2.3.1  多分辨率分析 13

2.3.2  Mallat算法 16

2.4  小波包变换 17

2.4.1  Mallat算法及其实现 18

2.5  本章小结 19

第3章  OFDM系统与OWPDM系统 20

3.1  正交频分复用（OFDM）系统 20

3.2  正交小波包波分复用（OWPDM）系统 22

3.2.1  复用转换器完全重构证明 23

3.3  OWPDM系统的特点及其与OFDM系统的比较 26

3.3.1  抗干扰能力 26

3.3.2  频谱利用率 29

3.3.3  数据安全性 30

3.3.4  峰均比特性 31

3.3.5  复杂度 32

3.4  本章小结 33

第4章 无线传输信道模型 35

4.1  大尺度衰落 35

4.2  阴影衰落 35

4.3  多径衰落 36

4.3.1  多径信道的模型及信道中信号的统计特性 36

4.3.2  多径信道的信道参数 37

4.3.3  多径信道中常见的衰落类型 39

4.4  本文采用的信道模型 39

4.5  本章小结 41

第5章 OWPDM系统中基于导频的信道估计 42

5.1  基于导频的信道估计的OWPDM系统 42

5.2  基于导频的信道估计 43

5.2.1  导频的插入方式 43

5.2.2  接收端导频插入位置处信道响应值的估计准则 45

5.2.3  利用导频位置处信道响应求出数据位置处的信道响应 47

5.3  一种新的插值算法 49

5.4  算法仿真分析 50

5.4.1  无信道估计时系统的误码性能 50

5.4.2  采用常值插值时系统的误码性能 52

5.4.3  采用不同插值算法的系统误码性能 53

5.4.4  采用立方卷积插值算法的系统误码性能 55

5.5  本章小结 56

第6章 OWPDM系统中的半盲信道估计 58

6.1  LMS算法原理及其仿真 58

6.1.1  LMS算法原理 58

6.1.2  LMS算法仿真 59

6.2  OWPDM系统中基于LMS的半盲信道估计算法 60

6.2.1  传统的LMS半盲信道估计算法 60

6.2.2  改进的LMS半盲信道估计算法 62

6.3  算法仿真分析 64

6.3.1  基于导频的LS信道估计和LMS半盲信道估计比较 64

6.3.2  两种LMS半盲信道估计算法比较 66

6.3.3  改进LMS算法不同步长的比较 67

6.4  本章小结 67

第7章  总结与展望 69

参考文献 71

致谢 75