基于OFDM的寬帶短波波形信道估計算法研究＊

李曉勇 李丁山

（武漢船舶通信研究所 武漢 430079）

1 引言

OFDM是一種特殊的多載波調制技術，與傳統多載波調制技術相比，有許多優點：把整個寬帶傳輸帶寬分成很多個窄帶子載波，在一定程度上能抵抗寬帶短波信道的頻率選擇性衰落；引入了循環前綴，能減少符號間干擾；各子載波間是正交關系，載波間頻譜互相重疊，提高了頻譜利用率［1］。正因如此，OFDM已被列入4G無線通信系統的解決方案，受到研究者的廣泛關注。

在寬帶短波傳輸中，多徑衰落和信道的時變性是不可避免的存在，對應于信道的頻率選擇性和時間選擇性。特別是短時間內的頻率選擇性，會對系統造成比較大的性能損失。如果接收方知道信道的衰落情況，就能對衰落頻點進行補償，從而恢復出正確的信號。所以，信道響應進行實時的估計對正確恢復出傳輸的數據就顯得十分重要。文獻［1］利用了維納濾波器的方法來進行信道響應的估計，但維納濾波需要預先知道信道特性，這在實際應用中很難做到。本文著重研究了短波信道信道響應的估計問題，經過仿真分析，找到了一種比較適合短波信道的信道響應估計方法。

2 OFDM系統的組成及工作原理

2.1 系統組成

OFDM系統的組成如圖1所示：該系統主要分為四部分：第一部分為發射端基帶處理單元（包括編碼，交織，數字調制，串并變換等模塊）；第二部分為發射端射頻單元（包括DAC，射頻模塊）；第三部分為接收端射頻單元；第四部分為接收端基帶處理單元（包括同步，信道估計與補償，解調及解碼等模塊）。

圖1 OFDM系統組成框圖

2.2 OFDM系統工作原理

正交頻分復用（OFDM）是多載波調制技術的一種。多載波調制的基本思想是把數據流串并變換為N路數據較低的子數據流，用它們分別去調制N路子載波后再進行并行傳輸。

我們希望這種多載波傳輸方式的頻譜利用率要高，即子載波間隔要盡可能??；還希望系統實現要簡單。

如果子載波間隔設為Δf＝1／Tu，Tu為有用信號長度，那么可以用DFT的快速算法FFT來實現這個多載波并行調制的過程。OFDM系統工作原理如圖2所示。

圖2 OFDM系統工作原理框圖

3 OFDM系統信道估計算法

信道估計方法分為盲估計和基于導頻信號估計方法；依據不同的導頻插入方法可分為梳狀導頻估計方法，塊狀導頻估計方法和二維導頻估計方法。由于短波信道的時變特性，我們采用對時變不是很敏感的梳狀導頻估計方法，處理過程為：

1）在發送端的適當位置插入所選擇的導頻單元；2）在接收端利用導頻恢復出導頻位置的信道響應。

導頻載波處的信道增益估計方法一般有兩種：一種是簡單的最小二乘算法，它計算簡單，容易實現，實用性比較廣；另一種是最小均方誤差算法，它的特點是在均方誤差意義上是最優的，但是計算量大，并且需要知道信道的先驗知識，或者通過估計得到信道的統計信息。

3）通過導頻位置獲取的信道信息生成非導頻子載波信道的信道響應。

我們一般用插值算法來根據導頻子載波的信道信息來得到數據子載波的信道響應。插值方法分為線性插值［4］和變換域插值。

3.1 線性插值算法［5］

線性插值算法的原理是利用相鄰導頻子載波的頻率響應通過線性插值算法來計算出數據子載波處的信道響應。這種算法計算量小，易于實現，但估計性能較低。該算法可表示如下：

其中，Hp（m）和Hp（m＋L）為導頻子載波處的信道響應，H（m＋k）為兩個導頻符號之間的數據子載波出的信道響應。

3.2 變換域內插算法［3～6］

由信號處理知識我們知道，頻域內插等效于時域補零。因此，由導頻子載波的信道響應估計出數據子載波的信道響應的過程，可以使用在導頻子載波的信道沖擊函數后補零，然后再把補零后的時域序列轉化為頻域信號的過程實現，該過程稱為變換域內插算法。變換域內插算法原理如圖3所示。

圖3 變換域內插算法

這種變換域方法在高斯信道下可以很好地工作，估計性能優于線性插值算法。但是抵抗多徑衰落的能力較差，在多徑信道下誤差底板效應明顯。圖6的仿真曲線也證明了這點。

3.3 一種改進的變換域方法

3.2 節中的變換域方法等效于用一個“低通濾波器”對導頻信道的沖擊響應進行處理，即在導頻信道的沖擊響應的尾部補零。對導頻信道頻率響應的變換域進行研究，觀察導頻信道頻率響應的“變換域響應”，發現能量集中在原點和原點附近的“低頻”區域，而噪聲分布在整個“頻域”中。理想導頻信道頻域響應的變換域特性如圖4所示。

為了進一步降低噪聲對信道估計的影響，可以將低通濾波器改為帶阻濾波器。帶阻濾波器算法與上節中的低通濾波器算法的區別主要為低通濾波器是在導頻信道的沖擊響應的尾部補零，而帶阻濾波器算法在導頻信道的沖擊響應的中間補零［4］。具體可由下式實現：

圖4 理想導頻信道頻域響應的變換域特性

這種改進的方法能夠較好地抵抗信道的多徑擴展，在多徑信道下也有比較理想的性能。

4 仿真分析

本文仿真使用虛擬子載波方法，具體的OFDM系統參數如表1所示。

利用上述系統參數，分別在兩種信道條件下進行了仿真，高斯信道和瑞利信道。瑞利信道包含了三條路徑，具體路徑參數如表2所示。

表1 OFDM系統參數

圖5 高斯信道下信道估計算法仿真比較

表2 瑞利信道參數

圖6 多徑信道下信道估計仿真比較

圖5在高斯信道下對線性插值算法、變換域插值算法和改進的變換域插值算法進行了比較，總體來說，改進的變換域算法效果最好，線性插值算法和變換域插值算法性能接近。

圖6在多徑信道下比較了以上三種信道估計算法，可以看出，變換域插值算法效果最差，有很明顯的誤碼率底板效應。線性插值算法和改進的變換域插值算法在低信噪比下效果相當，但當信噪比較高時（大于10dB），變換域插值性能比線性插值算法性能提高了2～4dB。

5 結語

本文在Matlab仿真平臺下仿真了三種信道估計算法。結果表明，高斯信道下，變換域插值算法和線性插值算法效果接近，改進的變換域算法與這兩種方法相比，性能提高了不到1dB。但在典型的短波信道下，變換域算法有明顯的性能底板效應，線性插值算法性能居中，而改進的變換域算法比線性插值算法性能提高了2～4dB。所以，在實際無線信道的高速數據傳輸系統中，使用這種改進的變換域算法進行信道估計效果更好。

［1］Dong Li，Feng Guo，Guosong Li，et al.Enhanced DFT Interpolation－based Channel Estimation for OFDM Systems with Virtual Subcarriers［C］／／Proc.IEEE VTC＇06－Spring，Melbourne，Australia，2006，5：1580－1584.

［2］尹長川，羅濤，等.多載波寬帶無線通信技術［M］.北京：北京郵電大學出版社，2004.

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［4］Yuping Zhao，Aiping Huang.A novel channel estimation method for OFDM mobile communication systems based on pilot signals and transform－domain processing［C］／／Proceedings of IEEE VTC’97.Phoenix，USA，1997，2089－2093.

［5］Huiying Jiao，Jianping An.A novel method of channel estimation for DRM system.IEEE 02［C］.2005.

［6］M.Sandell，O.Edfors.A Comparative Study of Pilot－based Channel Estimators for Wireless OFDM［C］／／Div.Signal Processing， LuleaUniv.Technology， Sweden， Res.Rep.TULEA 1996.

［7］彭明金，李智.基于疊加訓練序列的MIMO－OFDM信道估計［J］.計算機與數字工程，2012（10）.

［8］汪裕民.OFDM關鍵技術與應用［M］.北京：機械工業出版社出版社，2006.