CN102364902A - 一种用于限幅ofdm***的信道估计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于限幅OFDM***的信道估计方法，该方法综合运用导频信息和历史信道信息获取当前信道响应，提高了迭代算法的收敛速度。其首先对接收信号进行幅度补偿，然后通过LS或MMSE算法获得导频处的信道信息，并内插出所有子信道的信道估计值。该信道估计值与历史信道信息加权平均得到当前信道的响应，然后将该响应用于均衡信道衰落。判决得到的符号再次经过限幅滤波，进而估计出非线性噪声信息，并将该噪声信息用于信道的再估计和信号检测。本发明既适用于时变信道环境，又避免了错误扩散，同时克服了原有方法收敛速度慢的缺点。

Description

一种用于限幅OFDM***的信道估计方法

技术领域

本发明属通信技术领域，特别是涉及一种用于限幅OFDM***的信道估计方法。

背景技术

多媒体传感器网络(WMSN)是一种新型的信息获取和处理技术。与传统传感器网络(WSN)相比，它更关注于音频、视频、图像等大数据量、大信息量媒体的采集、处理与传输。故而低耗能、高速率的数据传输方式成为制约其发展的关键技术问题之一。作为一种高效的、广泛应用的数据传输方式，OFDM适用于多媒体传感器网络。OFDM时域信号由多路相互独立的、经调制的子信号叠加而成，可能产生较大的峰均比(PAPR)。而大峰均比信号通过放大器的非线性区时，会产生信号畸变，导致***性能下降。同时它还会降低功放效率，造成能量浪费。目前已经存在一些抑制信号峰均比的方法，其中限幅滤波最为常用。

信号限幅会带来非线性干扰和带外辐射，造成***的信道估计性能下降。针对此问题，目前公布的方法主要分为两类：基于判决反馈的迭代信道估计方法和基于导频信息的迭代信道估计方法。其中，基于判决反馈的信道估计方法主要是针对带状导频分布的OFDM***(图1)，其首先通过时域插值获得初始信道估计，然后进行信道均衡，并判决得到数据符号。经信号经过限幅滤波后，估计出非线性失真信息，并反馈至信道估计模块。判决得到的数据符号作为已知导频序列，采用LS或者MMSE算法进行信道再估计。上述过程一直持续下去，直到迭代结束。而基于导频信息的迭代信道估计方法主要是针对梳状导频分布的OFDM***(图2)，其首先通过LS或MMSE算法获得导频处的信道估计，并通过频域插值算法内插出所有子信道的信道响应。接收信号经信道均衡后，送入判决器中进行符号判决。判决后的符号再次经历限幅滤波，进而估计出非线性失真信息，并将之反馈至信道估计单元，进入下次迭代过程。上述基于判决反馈方式的迭代估计算法收敛速度快，但带来了错误扩散的风险，且不适用于时变信道环境。而基于导频信息获取初始估计的迭代估计算法，避免了错误扩散，适用于时变信道环境，但其收敛速度慢，需要多次迭代才能接近极限值。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种适用于限幅OFDM***的迭代信道估计方法，解决梳状导频分布的OFDM***中现有信道估计算法不能快速收敛的问题。该方法综合了基于导频信息的迭代估计方法和基于判决反馈的迭代估计方法两者的优点，利用导频信息和历史信道信息共同获取信道估计值，并据此估计非线性噪声信息，然后将该噪声信息用于信道的再估计和信号再检测。它既适用于时变信道环境，又避免了错误扩散，同时也克服了原有算法收敛速度慢的缺点。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种用于限幅OFDM***的信道估计方法，包括发送端信号处理方法和接收端信号处理方法，

所述的发送端信号处理方法包括限幅滤波和低通滤波，发送信号通过所述的限幅滤波器会产生带外辐射和带内干扰；其中，带外辐射通过低通滤器后被滤除；而带内干扰包括幅度衰落和非线性噪声干扰；

所述的接收端信号处理方法为一个迭代过程，包括以下步骤：

A.幅度补偿，补偿由于限幅滤波造成的幅度衰落；

B.导频处信道估计，已知导频序列为利用LS算法、MMSE算法或LMMSE算法

计算得到导频子载波处的信道估计值；

C.频域插值，利用DFT插值算法、线性插值算法或高阶多项式插值算法内插得到所有子信道的信道估计值；

D.信道加权平均，将步骤C得到的信道估计值与历史信道信息加权平均，得到当前的信道响应；

E.信道均衡，根据步骤D得到的信道响应，均衡接收信号的多径瑞利衰落，得到信号

F.消除非线性失真，从均衡后的信号

中减去非线性失真信息

G.信号判决，对步骤F中补偿后的信号进行判决，得到判决后的符号；

H.重组OFDM符号，步骤G判决的数据符号与导频序列重新组成符号

I.限幅滤波，将步骤H的符号变换至时域，进行限幅滤波，然后将之变换到频域，得到限幅后的信号

J.估计非线性失真信息，

K.更新导频序列，从步骤I的信号中抽取导频位置的信息，得到限幅后的导频序列。

所述的发送端信号处理位于OFDM***发射机的IFFT变换模块之后，加入循环前缀模块之前。

所述的限幅滤波，如果输入信号的幅度超过A，则设置输出信号的幅度为A，相位保持不变；如果信号的幅度不超过A，则输出信号幅度和相位均保持不变。

所述的接收端信号处理位于OFDM***接收机的FFT变换模块之后。

所述的步骤B中导频处信道估计，若迭代计数器为初始迭代，则导频序列

为原始导频序列；否则，

为上次迭代时步骤K所述导频序列。

所述的步骤D所述历史信道信息，若当前符号为数据帧的首符号，则历史信道信息为0；否则，历史信道信息是指当前OFDM符号之前的所有或者部分信道响应。

所述的步骤F所述非线性失真信息，若为初始迭代，则其值为0；否则，该信息为上次迭代时步骤J所述非线性失真信息。

所述的信道响应，是指所述迭代估计算法估计的历史信道响应。

发送端***框图如图3所示，OFDM时域信号由多路相互独立的、经调制的子信号叠加而成，可能产生较大的峰均比。为了抑制峰均比，在发送端进行限幅滤波，如下式所示：

$x_g\left(n\right)=g\left(x\left(n\right)\right)=\left\{\begin{array}{cc}{\mathrm{Ae}}^{j\arg \left\{x\left(n\right)\right\}}& \left|x\left(n\right)\right|>A\\ x\left(n\right)& \left|x\left(n\right)\right|\≤A\end{array}\right.$ \*MERGEFORMAT(1)

上式中A为限幅滤波器的最大输出幅度，x(n)为OFDM时域输入信号。限幅滤波对有用信号的影响包括带外辐射和带内干扰两部分。其中，带外辐射可以通过低通滤器滤除；而带内干扰的影响体现在两个方面，幅度衰落和非线性噪声干扰。即输出信号也可以表示为

x_g(n)＝αx(n)+d(n)\*MERGEFORMAT(2)

其中，α为取决于抑制率γ的常数。

$\mathrm{\α}=R_{{\mathrm{xx}}_g}{R}_{\mathrm{xx}}^{-1}=1-e^{-{\mathrm{\γ}}^2}+\sqrt{\mathrm{\π}}/2\·\mathrm{\γ}\·\mathrm{erfc}\left(\mathrm{\γ}\right)$ \*MERGEFORMAT(3)

本发明只针对信道估计，故而假设OFDM***是完全时间、频率同步的，且无符号间干扰(ISI)影响。接收端***框图如图4所示，同步后的接收信号首先去除循环前缀，实施FFT变换，然后进行幅度补偿。从幅度补偿后的信号中抽取导频信息，进行LS或MMSE信道估计，然后采用频域插值算法内插出所有子信道的信道估计值。该信道估计值与历史信道信息加权平均得到初始信道的响应。随后，接收信号经信道均衡后，送入判决器中进行符号判决。该数据符号***导频序列，重新组成OFDM符号，并经IFFT变换后再次经历与发送端相同的限幅滤波，然后估计出非线性失真信息。该失真信息在下次迭代中用于信道再估计和信号检测。随着迭代次数的增加，判决得到的数据误码率逐渐降低，并最终达到稳定。相应的，估计的信道信息将越来越精确，最终达到某一极限。由于信道估计时利用了信道的时间相关性，该算法的收敛速度具有了很大提升。

有益效果

与现有技术相比，本发明具有下列优点：

1.采用了梳状导频方案，具有很强的抵抗多普勒频移的能力，很适合应用于时变性强的多径信道环境；

2.该方法收敛速度快，只需要1次迭代即可达到令人满意的性能；

3.相对于采用判决反馈方式的估计算法，避免了错误扩散的风险；

4.本方法可以复用***的其他模块，因而从整***的角度考虑，不会增加太多的资源消耗。此外，该方法的初始信道估计与迭代信道估计部分均采用相同的结构，更利于工程实现。

附图说明

图1为本发明块状导频分布图。

图2为本发明梳状导频分布图。

图3为本发明发送端***框图。

图4为本发明接收端***框图。

图5为本发明迭代算法流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

1.发送端信号处理方法

1)信号限幅。经IFFT变换后的OFDM时域信号峰均比较大，需要在发送端进行限幅滤波，如下式所示：

$x_g\left(n\right)=g\left(x\left(n\right)\right)=\left\{\begin{array}{cc}{\mathrm{Ae}}^{j\arg \left\{x\left(n\right)\right\}}& \left|x\left(n\right)\right|>A\\ x\left(n\right)& \left|x\left(n\right)\right|\≤A\end{array}\right.$ \*MERGEFORMAT(4)

2)低通滤波。限幅对有用信号的影响包括带外辐射和带内干扰两部分，利用低通滤波器可以滤除带外辐射。

2.接收端信号处理方法

接收端算法流程图如图5所示，假设迭代次数为ITER_NUM。若接收符号为数据帧的首符号，此时历史信道信息是无效的，则

具体算法描述如下：

1)幅度补偿。补偿由于限幅滤波造成的幅度衰落Y_c＝α^-1Y。

2)初始化参数。

其中，

为限幅后的导频序列，X_p为原始导频序列，为非线性失真信息，i为迭代计数器。

3)判断迭代计数器。若i＞ITER_NUM，则迭代结束，转至步骤(17)；否则转至步骤(4)。

4)抽取导频信息，从Y_c中抽取导频信号Y_p。

5)LS信道估计。采用LS算法估计信道响应

${\hat{H}}_p^i=\mathrm{diag}{\left(X_p^i\right)}^{-1}{Y}_p$ \*MERGEFORMAT(5)

6)频域插值。根据步骤(5)估计出的信道响应

采用DFT插值算法内插出所有子信道的信道响应

${\hat{H}}^i={{\mathrm{FDF}}_p}^H{\hat{H}}_p^i={{\mathrm{FDF}}_p}^H\mathrm{diag}{\left(X_p^i\right)}^{-1}{Y}_p$ \*MERGEFORMAT(6)

上式中，F为N×N的傅立叶变换矩阵，

为P×P的傅立叶变换矩阵的共轭转置。D为N×P的矩阵。

7)信道加权平均。

与前一符号的信道响应

加权平均，加快迭代算法的收敛速度。加权后的信道响应为：

${\tilde{H}}^i=C^i{\hat{H}}^i+(1-C^i){\hat{H}}_{\mathrm{pre}}$ \*MERGEFORMAT(7)

上式中0≤Cⁱ≤1为一常数，若接收符号为数据帧的首符号，不存在历史信道信息，则其取值为1。该常数与信道的时间相关性、峰均比抑制率和迭代次数有关。随着迭代次数的增加，

越来越精确，其所占的比重随之增大。同时，随着信道时间相关性的增强，该常数随之降低。当信道为非时变信道时，其取值为0。

8)信道均衡。根据估计的信道响应

对信号Y_c进行迫零均衡。均衡后的信号为

${\hat{Y}}_e^i=\mathrm{diag}{\left({\tilde{H}}^i\right)}^{-1}{Y}_c$ \*MERGEFORMAT(8)

9)补偿非线性失真。从均衡后的信号

中消除非线性失真，

10)符号判决。从

中抽取数据载波

并选择与

欧式距离最短的符号作为最佳判决，其中k为子载波序号。

11)OFDM符号重组。判决得到的数据信息中***导频序列X_p，重新组成OFDM符号

12)IFFT变换，将信号

变换至时域

13)限幅滤波。将时域信号

送入限幅滤波器中，经历与发送端相同的失真。

14)FFT运算，将限幅后的时域信号变换至频域

15)估计非线性噪声。

${\hat{D}}^i={\mathrm{\α}}^{-1}{\hat{X}}_g^i-{\hat{X}}^i$ \*MERGEFORMAT(9)

16)更新限幅后的导频序列更新迭代次数i。从

中抽取限幅后导频序列

迭代次数增加i＝i+1。转至步骤(3)。

17)更新历史信道信息，

18)迭代算法结束。

Claims (8)

1.一种用于限幅OFDM***的信道估计方法，包括发送端信号处理方法和接收端信号处理方法，其特征在于：

所述的发送端信号处理方法包括限幅滤波和低通滤波，发送信号通过所述的限幅滤波器会产生带外辐射和带内干扰；其中，带外辐射通过低通滤器后被滤除；而带内干扰

包括幅度衰落和非线性噪声干扰；

所述的接收端信号处理方法为一个迭代过程，包括以下步骤：

A.幅度补偿，补偿由于限幅滤波造成的幅度衰落；

B.导频处信道估计，已知导频序列为利用LS算法、MMSE算法或LMMSE算法计算得到导频子载波处的信道估计值；

C.频域插值，利用DFT插值算法、线性插值算法或高阶多项式插值算法内插得到所有子信道的信道估计值；

D.信道加权平均，将步骤C得到的信道估计值与历史信道信息加权平均，得到当前的信道响应；

E.信道均衡，根据步骤D得到的信道响应，均衡接收信号的多径瑞利衰落，得到信号

F.消除非线性失真，从均衡后的信号

中减去非线性失真信息

G.信号判决，对步骤F中补偿后的信号进行判决，得到判决后的符号；

H.重组OFDM符号，步骤G判决的数据符号与导频序列重新组成符号

I.限幅滤波，将步骤H的符号变换至时域，进行限幅滤波，然后将之变换到频域，得到限幅后的信号

J.估计非线性失真信息，

K.更新导频序列，从步骤I的信号

中抽取导频位置的信息，得到限幅后的导频序列。

2.根据权利要求1所述的一种用于限幅OFDM***的信道估计方法，其特征在于：所述的发送端信号处理位于OFDM***发射机的IFFT变换模块之后，加入循环前缀模块之前。

3.根据权利要求1所述的一种用于限幅OFDM***的信道估计方法，其特征在于：所述的限幅滤波，如果输入信号的幅度超过A，则设置输出信号的幅度为A，相位保持不变；如果信号的幅度不超过A，则输出信号幅度和相位均保持不变。

4.根据权利要求1所述的一种用于限幅OFDM***的信道估计方法，其特征在于：所述的接收端信号处理位于OFDM***接收机的FFT变换模块之后。

5.根据权利要求1所述的一种用于限幅OFDM***的信道估计方法，其特征在于：所述的步骤B中导频处信道估计，若迭代计数器为初始迭代，则导频序列

为原始导频序列；否则，

为上次迭代时步骤K所述导频序列。

6.根据权利要求1所述的一种用于限幅OFDM***的信道估计方法，其特征在于：所述的步骤D所述历史信道信息，若当前符号为数据帧的首符号，则历史信道信息为0；否则，历史信道信息是指当前OFDM符号之前的所有或者部分信道响应。

7.根据权利要求1所述的一种用于限幅OFDM***的信道估计方法，其特征在于：所述的步骤F所述非线性失真信息，若为初始迭代，则其值为0；否则，该信息为上次迭代时步骤J所述非线性失真信息。

8.根据权利要求6所述的一种用于限幅OFDM***的信道估计方法，其特征在于：所述的信道响应，是指所述迭代估计算法估计的历史信道响应。

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