CN111277521A - 一种单载波频域均衡***的信道估计与滤噪方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种单载波频域均衡***的信道估计与滤噪方法。本发明属于通信技术领域，尤其涉及单载波频域均衡***中信道估计与滤除噪声方法。所述方法主要包括：接收端读取M点导频数据；对得到的导频数据进行最小二乘估计，得到所述导频信号的时域信道；将时域信道前N‑1点数据拼接到尾部形成新的N+M‑1点时域信道,并对新的时域信道进行最大能量窗滑动搜索，得到最大能量窗起始位置；利用能量窗外的信道估计值进行噪声估计，根据噪声对能量窗内窗外进行联合降噪处理；对降噪后的原始时域信道中间补零，补齐至有用数据的长度，得到估计的有用数据的时域信道。本发明方法使用最大能量窗搜索以及窗内窗外联合降噪的方法，最大程度上保留信道中的有效能量径，滤除噪声径，信道估计准确，误差小。

Description

一种单载波频域均衡***的信道估计与滤噪方法
技术领域
本发明属于通信技术领域，尤其涉及单载波频域均衡***中信道估计与滤噪方法。
背景技术
2003年发布的IEEE 802.16a标准在IEEE 802.16标准的基础上制定了2～11GHz租用频带的空中接口标准，并规定了SC-FDE***作为传输模式之一。IEEE 802.16a标准中的单载波传输模式不同于传统的单载波传输，它发送的是调制后的高速率单载波信号，接收端通过FFT和IFFT变换来实现频域均衡，实际上是对接收信号的频域分析，这种***称为单载波频域均衡***。
信号的发送载体即为信道，主要的传播信道为无线信道。无线信道由于其传播环境恶劣，会产生符号间干扰，使得接收的信号严重失真。由于无线信道的这种特性，使得信道有很大的随机性，因此对信道的估计和预测是非常有必要的。
现有技术中存在一种信道估计方法。这种方法发送的信号由导频信号和有用数据组成。首先，将导频***到发送端的适当位置；然后，在接收端通过信道估计准则来得到***导频位置的信道信息；最后，在得到的信道信息的基础上，于是整个信道的信息可以通过内插、滤波等方法来得到。具体的，在估计出导频位置的频域信道后，通过快速傅里叶变换(IFFT)得到时域信道冲击响应。由于导频的长度小于有用数据的长度，依次需要在导频时域信道冲击响应后面补零，补齐到有用信号的长度，依此得到有用信号的时域信道冲击响应。
发明人发现现有技术中至少存在如下问题：在理想情况下，经由信道估计得到的时域信道冲击响应能量较大点通常全部集中在信道前端，而在时域信道冲击响应末端的点的能量值一般为零。而在具体实现过程中，由于收发两端的滤波器以及多径信道的共同作用，会使得经由信道估计得到的时域信道冲击响应发生能量扩散现象，如果同步阶段不能给出准确的信道估计FFT窗位置，由于FFT计算产生循环移位，求得时域信道能量较大的径不一定全部集中在信道前端，而在时域信道末尾会出现若干能量较大径。此外，考虑噪声的影响，时域信道冲击响应各径都掺有噪声能量。针对尾部出现较大能量径，现有技术主要由以下两种：(1)在定时同步阶段通过设置静态门限来找到符合条件的首条能量径，依此作为FFT窗起始点；(2)在同步阶段给出FFT窗起始点的基础上，提前一个固定的m点取数，并以次作为新的FFT起始点。针对各径均掺杂噪声的方法主要是保留时域信道中最大的n根径，其余各径置零。无线信道是动态变化的，设置静态门限和提前固定m点取数的信道估计方法以及保留n点最大径的滤噪方式并不适用复杂多变的无线信道条件，不能完全解决尾部出现较大能量点的问题以及最大程度滤除信道噪声。这样得到的信道估计结果去除了尾部可能出现的较大能量点，与有用数据信道情况有很大误差，这些误差会导致解调错误，并导致解调性能降低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种单载波频域均衡***信道估计与滤噪方法。此方法能够充分考虑由于FFT循环移位引起的时域信道冲击响应末端出现的较大能量点，采用最大能量窗的方法把末端较大能量点循环移位道信道前端，并采用窗外置零和窗内门限筛选的方法去除噪声影响。本发明提供的方法信道估计准确，误差小，可以保证高速业务中信道的性能稳定可靠。
本发明的技术方案是：一种单载波频域均衡***的信道估计与滤噪方法，该方法包含以下步骤：
步骤1.1、单载波频域均衡***的接收端读取M点导频信号，利用LS算法得到时域信道；
步骤1.2、将时域信道前N-1点数据拼接到其尾部形成新的N+M-1点时域信道；
步骤1.3、对拼接后的时域信道进行最大能量窗滑动搜索，找到窗内信号能量最大的位置；
步骤1.4、根据最大能量窗的窗外数据进行噪声估计；
步骤1.5、对时域信道进行滤噪处理，即为窗能量内径以噪声为门限进行滤噪，窗外能量径清零；
步骤1.6、根据滤噪后的时域信道得出有用信号的频域信道。
进一步的，步骤1.1中，所述LS算法为：
Figure RE-GDA0002464596240000021
其中，Y为接收导频信号频域数据，X为本地导频信号频域数据，时域信道估计为
Figure RE-GDA0002464596240000023
进一步的，步骤1.3中，所述的最大能量窗滑动搜索方法具体如下：
1.3.1、所述的能量窗的窗长为N，N大于信道多径时延；
1.3.2、所述的能量窗滑动搜索从新的N+M-1点时域信道第k个数据hk开始计算，滑动求取连续N个数据的能量和Pk：
Figure RE-GDA0002464596240000022
1.3.3、筛选出最大能量窗，记录其起始位置k。
进一步的，步骤1.4中，所述的噪声估计的方法具体为：
Figure RE-GDA0002464596240000031
进一步的，步骤1.5中，所述对时域信道进行降噪处理，包括：
1.5.1、对所述最大能量窗外的时域信道各径置零；
1.5.2、对所述最大能量窗内的时域信道各径以噪声功率为门限进行筛选，未过噪声门限的窗内点置零。
进一步的，步骤1.6中，所述的估计有用信号的频域信道，其步骤包括：
1.6.1、所述的M点导频信号的时域信道补零至有用信号的长度，得到估计的有用信号的时域信道；
1.6.2、对所述的有用信号的时域信道进行傅里叶变换，得到有用信号的频域信道。
本发明具有的有益效果：本发明所述的方法通过使用最大信道能量窗搜索方法来解决时域信道末端出现的较大能量点；使用窗内噪声门限滤噪，窗外小能量径置零的方法来去除噪声对信道的影响。相比较传统的单载波频域均衡的信道估计算法，此方法能够充分考虑无线信道的时变性，采用最大能量窗的方法把末端较大能量点循环移位道信道前端，并联合采用窗外置零和窗内门限筛选的方法去除噪声径的影响，从而使信道估计更加精确，误差小，可以保证高速业务中信道的性能稳定可靠。
附图说明
图1为本发明的总体流程图；
图2为本发明中的实施例的数据组帧结构示意图；
图3为本发明中的实施例拼接后的时域信道冲击响应示意图；
图4为本发明中的实施例中信道估计与滤噪方法的性能比较示意图；
图5为本发明实施例中使用的信道参数示意图。
具体实施方式
下面结合实例和说明书附图对发明的技术方案进行详细说明：
一种单载波频域均衡***的信道估计与滤噪方法，该方法包含以下步骤：
步骤1.1、单载波频域均衡***的接收端读取M点导频信号，利用LS算法得到时域信道；
步骤1.2、将时域信道前N-1点数据拼接到其尾部形成新的N+M-1点时域信道；
步骤1.3、对拼接后的时域信道进行最大能量窗滑动搜索，找到窗内信号能量最大的位置；
步骤1.4、根据最大能量窗的窗外数据进行噪声估计；
步骤1.5、对时域信道进行滤噪处理，即为窗能量内径以噪声为门限进行滤噪，窗外能量径清零；
步骤1.6、根据滤噪后的时域信道得出有用信号的频域信道。
进一步的，步骤1.1中，所述LS算法为：
Figure RE-GDA0002464596240000041
其中，Y为接收导频信号频域数据，X为本地导频信号频域数据，时域信道估计为
Figure RE-GDA0002464596240000042
进一步的，步骤1.3中，所述的最大能量窗滑动搜索方法具体如下：
1.3.1、所述的能量窗的窗长为N，N大于信道多径时延；
1.3.2、所述的能量窗滑动搜索从新的N+M-1点时域信道第k个数据hk开始计算，滑动求取连续N个数据的能量和Pk：
Figure RE-GDA0002464596240000043
1.3.3、筛选出最大能量窗，记录其起始位置k。
进一步的，步骤1.4中，所述的噪声估计的方法具体为：
Figure RE-GDA0002464596240000044
进一步的，步骤1.5中，所述对时域信道进行降噪处理，包括：
1.5.1、对所述最大能量窗外的时域信道各径置零；
1.5.2、对所述最大能量窗内的时域信道各径以噪声功率为门限进行筛选，未过噪声门限的窗内点置零。
进一步的，步骤1.6中，所述的估计有用信号的频域信道，其步骤包括：
1.6.1、所述的M点导频信号的时域信道补零至有用信号的长度，得到估计的有用信号的时域信道；
1.6.2、对所述的有用信号的时域信道进行傅里叶变换，得到有用信号的频域信道。
参见图1，本发明专利的信道估计与滤噪方法主要包括数据读取单元、LS信道估计单元、最大能量窗搜索、降噪处理以及计算有用信道的频域信道；
本申请提供了一种单载波频域均衡高速宽带通信的信道估计与滤噪方法，所述方法采用搜索最大能量窗的方式充分考虑信道末端的较大能量点，窗内窗外联合滤噪的方法消除噪声的影响，所得信道估计准确，误差小，可以保证高速业务中信道的性能稳定可靠。方法主要包括以下步骤：
数据读取：对接收的时域数据进行导频数据读取，将数据读取位置整体提前M点取数，得到LS信道估计单元需要的导频数据UWsig。
如图2所示，所述时域数据主要由导频信号(UW)和有用数据(Data)组成；在所述导频信号的前端***循环前缀(CP)；其中，Nuw为训练序列点数，NCP为循环前缀的点数；
LS信道估计：估计所述导频信号的时域信道响应；具体步骤如下：
(1)、对读取的时域导频数据UWsig点进行Nuw点傅里叶变换，得到所述导频信号的频域信号Y；
Y＝fft(UWsig，Nuw)
(2)、对所述导频信号的频域信号与预存的本地导频信号的频域信号X进行最小二乘信道估计，得到所述导频信号的频域信道H，
H＝Y/X
(3)、将所述导频信号的频域信道变换到时域，得到所述导频信号的时域信道h；
h＝ifft(H，Nuw)
最大能量窗搜索：对导频信道的时域冲击响应进行最大能量窗滑动搜索，循环左移时域冲击响应将最大能量窗的起始点移到信道起始点位置；具体步骤如下：
(1)、如图3，将时域信道头部N-1点数据拼接到尾部，形成Nuw+N-1点信道估计值；其中，K为搜索窗长；
(2)、滑动搜索最大能量窗：从所述时域信道冲击响应第一个点开始搜索，每次计算k个点的能量和Pk，依次滑动计算Nuw个能量和；
求出Nuw个能量和中最大值，以及最大能量窗的起始点i；
Figure RE-GDA0002464596240000051
[Pmax，i]＝max(Pk)
降噪处理：LS信道估计是在频域进行的，即本来可以直接在得到导频的频域信道后进行插值得到有用数据的频域信道，但是由于LS信道估计没有考虑噪声的影响，因此得到的信道准确度较低，故很有必要对信道进行降噪处理，而降噪只能在时域处理。
具体降噪步骤如下：
(1)、计算导频信道的时域冲击响应在能量窗以外的各点的平均能量，作为噪声功率；
(2)、导频信道的时域冲击响应在能量窗以外的各点置为零；
(3)、导频信道的时域冲击响应在能量窗以内的各点根据最大能量值与噪声功率比值进行筛选，未过门限的各径置零；
时域信道补零：从所述得到的时域信道中间补零，补齐到有用数据的信道长度，得到估计的有用数据的时域信道；然后对有用数据的时域信道做FFT，得到有用数据的频域信道。

Claims (6)

1.一种单载波频域均衡***的信道估计与滤噪方法，其特征在于：该方法包含以下步骤：
步骤1.1、单载波频域均衡***的接收端读取M点导频信号，利用LS算法得到时域信道；
步骤1.2、将时域信道前N-1点数据拼接到其尾部形成新的N+M-1点时域信道；
步骤1.3、对拼接后的时域信道进行最大能量窗滑动搜索，找到窗内信号能量最大的位置；
步骤1.4、根据最大能量窗的窗外数据进行噪声估计；
步骤1.5、对时域信道进行滤噪处理，即为窗能量内径以噪声为门限进行滤噪，窗外能量径清零；
步骤1.6、根据滤噪后的时域信道得出有用信号的频域信道。
2.根据权利要求1所述的一种单载波频域均衡***的信道估计与滤噪方法，其特征在于：步骤1.1中，所述LS算法为：
Figure FDA0002325594000000011
其中，Y为接收导频信号频域数据，X为本地导频信号频域数据，时域信道估计为
Figure FDA0002325594000000012
3.根据权利要求1所述的一种单载波频域均衡***的信道估计与滤噪方法，其特征在于：步骤1.3中，所述的最大能量窗滑动搜索方法具体如下：
1.3.1、所述的能量窗的窗长为N，N大于信道多径时延；
1.3.2、所述的能量窗滑动搜索从新的N+M-1点时域信道第k个数据hk开始计算，滑动求取连续N个数据的能量和Pk：
Figure FDA0002325594000000013
1.3.3、筛选出最大能量窗，记录其起始位置k。
4.根据权利要求1所述的一种单载波频域均衡***的信道估计与滤噪方法，其特征在于：步骤1.4中，所述的噪声估计的方法具体为：
Figure FDA0002325594000000014
5.根据权利要求1所述的一种单载波频域均衡***的信道估计与滤噪方法，其特征在于：步骤1.5中，所述对时域信道进行降噪处理，包括：
1.5.1、对所述最大能量窗外的时域信道各径置零；
1.5.2、对所述最大能量窗内的时域信道各径以噪声功率为门限进行筛选，未过噪声门限的窗内点置零。
6.根据权利要求1所述的一种单载波频域均衡***的信道估计与滤噪方法，其特征在于：步骤1.6中，所述的估计有用信号的频域信道，其步骤包括：
1.6.1、所述的M点导频信号的时域信道补零至有用信号的长度，得到估计的有用信号的时域信道；
1.6.2、对所述的有用信号的时域信道进行傅里叶变换，得到有用信号的频域信道。
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