現(xiàn)代變換通信系統(tǒng)降噪技術(shù)研究

王洪劍

（黃河科技學(xué)院，鄭州 450063）

現(xiàn)代變換通信系統(tǒng)降噪技術(shù)研究

王洪劍

（黃河科技學(xué)院，鄭州 450063）

文章采用時域和離散傅里葉逆變換域級聯(lián)兩種降噪方式，通過降低導(dǎo)頻信號的噪聲，由此來提升變換域通信系統(tǒng)信道估計值的準確性。最終的仿真結(jié)果顯示：這一方法在時域降噪環(huán)境下同樣有效。這為兩種方法的結(jié)合降噪奠定了基礎(chǔ)。

變換通信系統(tǒng)；降噪技術(shù)；離散傅里葉逆變換域

由于受低信噪比噪聲的干擾，很難獲得清晰、可靠的信道信息，因此，為了提高以O(shè)FDM-TDCS為基礎(chǔ)的低信噪比的性能水平，整個系統(tǒng)必須擁有可靠的信道估計。基于此，文章提出了采用時域和離散傅里葉逆變換域級聯(lián)兩種降噪方式，通過降低導(dǎo)頻信號的噪聲，由此來大大提升變換域通信系統(tǒng)信道估計值的準確性。

1　以正交頻分復(fù)用技術(shù)為基礎(chǔ)的變換域通信系統(tǒng)

圖1　基于OFDM的變換域通信系統(tǒng)（TDCS）結(jié)構(gòu)圖

其結(jié)構(gòu)圖如1所示，發(fā)送端的信源數(shù)據(jù)要先經(jīng)過頻域CCSK基函數(shù)的調(diào)制活動。該基函數(shù)主要是通過信源數(shù)據(jù)發(fā)送端頻譜檢測器估計所產(chǎn)生的頻譜幅度乘以系統(tǒng)內(nèi)的隨機相位之后，并經(jīng)過一系列適當?shù)目s放活動所得。假設(shè)發(fā)送與接收兩端經(jīng)過檢測之后所獲得的頻譜幅度十分理想，而且一致，然后采用普通的OFDM技術(shù)來發(fā)射信源數(shù)據(jù)。信號在該頻域中可以通過以下公式進行表示：

n表示發(fā)射時刻，N為基函數(shù)的長度，k表示特定的子載波，M表示隨機相位矢量，x（n，k）表示第k個子載波在n時刻的發(fā)射信號，Ak則表示取值為1或0的頻譜幅度矢量元素，mk是指在0至M-1之間的隨機整數(shù)，Sn是指第n個發(fā)送的符號。在經(jīng)歷了低信噪比噪聲的干擾之后，發(fā)射信號到達接收端。其所在頻域可以表示為：

y（n，k）表示第k個子載波在n時刻的接受信號；n（n，k）表示均值為0的加性復(fù)高斯噪聲；H（n，k）為第k個子載波在n時刻的信道頻率響應(yīng)；N0是指方差。接收信號在到達接收端之后，首先經(jīng)過OFDM技術(shù)的處理，然后乘以本地生成的基函數(shù)CCSK，最后再通過該基函數(shù)解調(diào)檢測出所發(fā)送的信號，作為終端信息處理的源數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換成所預(yù)期的信息內(nèi)容。

2　以降噪為基礎(chǔ)的信道估計

基于分析的便利性，筆者采用以塊狀導(dǎo)頻圖案為基礎(chǔ)的導(dǎo)頻輔助信道估計模型（PSAM），也即是將導(dǎo)頻植入正交頻分復(fù)用技術(shù)符號內(nèi)所有的子載波中，隨后再將其插入即將發(fā)送的正交頻分復(fù)用技術(shù)信號中。接收機在估計導(dǎo)頻位置的信號過程采用最小二乘法的方式，然后再使用時域以及IDFT變換域級聯(lián)進行降噪活動，由此來大大提升變換域通信系統(tǒng)信道估計值的準確性。

2.1最小二乘法估計

最小二乘法估計是傳統(tǒng)通信系統(tǒng)中獲得導(dǎo)頻位置信道系統(tǒng)最常用的方法，也即是將接收端接收的信號除以發(fā)送端發(fā)送的導(dǎo)頻符號。其公式為：

2.2時域降噪方式研究

2.2.1時間滑動平均降噪法

在IEEE 802.22無線區(qū)域網(wǎng)（WRAN）系統(tǒng)之中，信道系數(shù)變化非常慢，因此，可以假設(shè)N個正交頻分復(fù)用技術(shù)導(dǎo)頻符號的信道系數(shù)保持不變。其公式為：

針對這種信道系數(shù)變化較慢的情況，對N個正交頻分復(fù)用技術(shù)導(dǎo)頻符號所對應(yīng)的子載波的最小二乘法估計信道系數(shù)進行取平均計算，被稱為是時間平均降噪法。其計算方式為：

由于在不同的時間，噪聲之間呈現(xiàn)出分隔、獨立的狀態(tài)，由此可知此時刻的噪聲方差僅僅是最小二乘法估計的1/N。然而，這種計算方式只局限于特定的求平均需要，但不同位置的信道估計值呈現(xiàn)出迥異的延時性特征。因此，為了使估計的信道系數(shù)具有相同的時延，可采用時間滑動的平均降噪方式來實現(xiàn)這一目的，也即是將第n個導(dǎo)頻符號所對應(yīng)子載波信道系數(shù)的估計值，通過n-（N/2），…，n，…，n+［（N-1）/2］時刻所對應(yīng)的導(dǎo)頻子載波的最小二乘法估計的平均值來進行表示。在此過程中，可以將不大于a的最大整數(shù)視為［a］。這一信道系數(shù)的估計方法可以表示為：

2.2.2時間遺忘降噪方式

上文分析的時間滑動平均降噪與時間平均降噪所計算出的信道系數(shù)都呈現(xiàn)出時延性的特征，也即是信道系數(shù)之間具有明顯的時間間隔特征，因此，根據(jù)這一特點，可采用時間遺忘降噪的方式來估計信道系數(shù)。該方法的最大優(yōu)點就在于對緩存導(dǎo)頻數(shù)據(jù)沒有過多的要求，能夠?qū)崟r處理系統(tǒng)內(nèi)的導(dǎo)頻數(shù)據(jù)。

具體來說，時間遺忘降噪方式也即是通過前一時刻估計的信道系數(shù)按權(quán)相加當前時刻運用最小二乘法所獲得的信道系數(shù)，計算結(jié)果作為當前時刻估計的信道系數(shù)。其計算方法為：

其中，0＜α≤1。該公式假設(shè)不同時刻的信道系數(shù)也不相同，因此，各個時刻通過最小二乘估計所獲得的信道系數(shù)應(yīng)對當前所計算出的信道系數(shù)呈現(xiàn)出迥異的權(quán)值，與當前時刻越近，其信道估計值也就越有可能相等，因此也就表現(xiàn)出更大的權(quán)值。正如上文所說，在不同的時間，噪聲之間呈現(xiàn)出分隔、獨立的狀態(tài)。基于此，某一時刻（假定為n）的信道估計方差同最小二乘估計的噪聲方差之間的比值公式為：

信源數(shù)據(jù)接收端需要接收一段導(dǎo)頻符號之后，n時刻的信道估計方差同最小二乘估計的噪聲方差之間的比值才能達到收斂值α/（2-α）的水平。最開始的一段時間內(nèi)計算出的信道估計值并不準確，因此，在減小時延的過程中，可以將時間平均降噪和時間遺忘降噪聯(lián)合起來，從而大大提升信道估計的準確性。在此過程中，可采用兩種方式實現(xiàn)：一是采用時間平均降噪來處理最開始接收到的信源數(shù)據(jù)，當信道估計值比較準確的時候再實施時間遺忘的降噪方法；二是在每收到M個導(dǎo)頻符號之后，通過時間平均的方式計算出均值，然后采用時間遺忘算法按權(quán)相加前一段時刻的信道估計值，并將此結(jié)果作為最終的信道估計值。

3　離散傅里葉逆變換域降噪

時間遺忘降噪法和時間滑動平均降噪法都是建立在慢衰落信道在時延過程中的緩慢變化特征的基礎(chǔ)之上而進行的信道估計，而離散傅里葉逆變換（IDFT）域降噪則是通過多徑時延集中在整個時隙的前一段的特征而進行的信道估計活動。其實現(xiàn)過程為：先將前面幾種時域降噪方法計算之后得到的估計值（n，k）或者是最小二乘估計值（n，k），通過離散傅里葉逆變換到時域。由于多徑時延主要是集中在前一階段中的時隙，因此，這一段時隙也包含了時域的信道系數(shù)，而噪聲能夠擴展至整個時隙，因此，可通過并不復(fù)雜的濾波的方式，通過前一段時隙，將后一段時隙設(shè)置為0，由此大大降低噪聲對信道估計的干擾或影響等。

4　結(jié) 語

最終的基于時域和IDFT降噪技術(shù)的仿真結(jié)果表明：本文提出的以時域和離散傅里葉逆變換（IDFT）域聯(lián)合降噪的方法呈現(xiàn)出良好的降噪性能，尤其是時間遺忘降噪與時間平均降噪相結(jié)合的兩方計算方式不僅大大提升了信道估計的精確性；還極大減小了時延， 提高了通信系統(tǒng)的運行質(zhì)量和效率，呈現(xiàn)出良好的實用價值。目前，這種降噪方式在理論上具有明顯的可行性價值，然而如何應(yīng)用于實際的通信活動中還有待進一步的研究。這將是該課題進行下一步研究的方向。

主要參考文獻

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10.3969/j.issn.1673 - 0194.2015.20.089

TN914

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1673-0194（2015）20-0113-02

2015-08-27