CN117424784B - 一种基于前导与导频的ofdm***信道估计方法 - Google Patents
一种基于前导与导频的ofdm***信道估计方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于前导与导频的OFDM***信道估计方法,该方法包括:构建二维导频图案;基于前导进行信道估计,获得前导符号对应子载波的信道频率响应;基于导频进行信道估计,获得数据子载波的信道频率响应;根据信道频率响应和信道频率响应,在频率轴上进行线性插值,获得信道频率响应;根据信道频率响应与接收到的频域数据Y进行均衡处理送入解调模块。本发明利用了前导和导频符号对DFT算法进行了改进,同时通过已知导频与已知前导序列进行双重信道估计,不仅通过***导频子载波进行信道估计,还使用了数据子载波中的前导已知序列进行信道估计,极大增强了信道估计性能,能够有效、精确的在恶劣环境下完成OFDM***的信道估计。
Description
技术领域
本发明涉及通信领域,尤其涉及到一种基于前导与导频的OFDM***信道估计方法。
背景技术
正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)技术是一种特殊的使用多载波进行数据传输的方案,它是以FFT和IFFT作为核心进行设计的,在实际工程中有着极其广泛的应用。而信道估计及均衡技术是OFDM***中的一个关键技术,为了OFDM***能够适应各种复杂的信道环境,只有在***接收端进行了精确的信道估计,得出当前***所在信道的频率响应,才能正确的进行信道均衡,从而解调出正确的用户数据。否则,若是通信过程中信道估计不准确,将会造成***工作不正常,导致数据丢失,因此数据链***信道估计及均衡技术是极其重要的,采用可靠、准确的信道估计及均衡技术,可以提升***抗多普勒频移和抗多径能力,保证在不同信道环境下数据能够正确传输。
在OFDM***中,信道估计较为成熟的技术是采用LS、DFT或MMSE算法,其主要应用于块状、梳状和菱形三种导频图案中,通过***的已知导频序列进行信道估计,然而根据OFDM***的特殊性,不同信道环境需要设计不同的导频图案和信道估计方法。目前,在面对较为复杂和恶劣的信道环境时,常规信道估计方法无法满足***性能要求。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种基于前导与导频的OFDM***信道估计方法,旨在解决目前在面对较为复杂和恶劣的信道环境时,常规信道估计方法无法满足***性能要求的技术问题。
为实现上述目的,本发明提供了一种基于前导与导频的OFDM***信道估计方法,所述方法包括:
S1:构建二维导频图案;其中,所述二维导频图案包括数据子载波和***数据子载波中的导频子载波;
S2:基于前导进行信道估计,获得前导符号对应子载波的信道频率响应;
S3:基于导频进行信道估计,获得数据子载波的信道频率响应;
S4:根据所述信道频率响应和所述信道频率响应,在频率轴上进行线
性插值,获得信道频率响应;
S5:根据所述信道频率响应与接收到的频域数据Y进行均衡处理,并将均衡处理
结果送入解调模块。
可选的,所述步骤S1中,构建二维导频图案步骤,具体为:将每4个OFDM符号划分为一个周期,在第4个OFDM符号中,间隔1个数据子载波***1个导频子载波。
可选的,所述步骤S2中,基于前导进行信道估计,获得前导符号对应子载波的信道
频率响应步骤,具体包括:
S21:取接收前导字进行FFT变换后,除去保护子载波和DC子载波得到有效频域数
据,与已知的相对应的频域数据相除得到前导有效子载波对应的信道频率响应,得
到;
S22:对的左右进行对称扩展,将其拓展至子载波个数N,得到,再将
对称扩展后的做反傅里叶变换,得到:;
S23:对进行截取和门限判决;
其中,截取步骤,具体为:
;
上式中,,N为子载波个数,为循环前缀的长度;
其中,门限判决步骤,具体为:
;
上式中,,N为子载波个数,为循环前缀的长度;
S24:对做傅里叶变换,得到;
S25:去除第二步扩展位的数据后,得到前导符号对应子载波的信道频率响应。
可选的,所述步骤S3中,基于导频进行信道估计,获得数据子载波的信道频率响应步骤,具体为:
S31:取OFDM符号经FFT变换后的导频序列,与相对应的已知导频频域数据
相除得到导频子载波对应的信道频率响应,得到;
S32:对做线性插值,由导频子载波位置的信道频率响应插值得到数据子载波
位置的信道频率响应,得到有效数据的,为有效子载波对应的信道频率响应;
S33:对的左右进行对称扩展,将其拓展至子载波个数N,得到,对对
称扩展后的做反傅里叶变换,得到;
S34:对进行截取和门限判决:
其中,截取步骤,具体为:
;
上式中,,N为子载波个数,为循环前缀的长度;
其中,门限判决步骤,具体为:
;
上式中,为当前去除保护和DC子载波后的有效子载波频域数据序列,,
N为子载波个数,为循环前缀的长度;
S35:对做傅里叶变换,得到;
S36:去除第三步扩展位的数据后,得到导频和数据子载波的信道频率响应,
然后从抽取出数据子载波位置对应的值,组成数据子载波的信道频率响应。
可选的,所述S4中,根据所述信道频率响应和所述信道频率响应,在频
率轴上进行线性插值,获得信道频率响应,具体包括:
S41:对于前导后三个OFDM符号中的有效子载波对应的信道频率响应,由前导序列
的信道频率响应和第四个OFDM符号的信道频率响应在频率轴上进行线性插值
得到。
可选的,所述S4中,根据所述信道频率响应和所述信道频率响应,在频
率轴上进行线性插值,获得信道频率响应,具体包括:
S42:从第五个OFDM起,没有导频的OFDM符号中有效子载波对应的信道频率响应,由前后两个含有导频的OFDM符号计算得到的信道频率响应在频率轴上进行线性插值得到。
可选的,所述步骤S5中,均衡处理结果,具体为:
;
其中,为插值后得到的信道频率响应,Y为接收到的频域数据,为均衡处理结
果。
本发明的有益效果在于:提出了一种基于前导与导频的OFDM***信道估计方法,
所述方法包括:S1:构建二维导频图案;其中,所述二维导频图案包括数据子载波和***数
据子载波中的导频子载波;S2:基于前导进行信道估计,获得前导符号对应子载波的信道频
率响应;S3:基于导频进行信道估计,获得数据子载波的信道频率响应;S4:根据
所述信道频率响应和所述信道频率响应,在频率轴上进行线性插值,获得信道
频率响应;S5:根据所述信道频率响应与接收到的频域数据Y进行均衡处理,并将均衡
处理结果送入解调模块。本发明利用了前导和导频符号对DFT算法进行了改进,同时通过已
知导频与已知前导序列进行双重信道估计,不仅通过***导频子载波进行信道估计,还使
用了数据子载波中的前导已知序列进行信道估计;该方法适用于二维导频图案的OFDM系
统,同时极大增强了信道估计性能,实验证明,该方法能够有效、精确的在恶劣环境下完成
OFDM***的信道估计。
附图说明
图1为本发明基于前导与导频的OFDM***信道估计方法的流程示意图;
图2为本发明二维导频图案的示意图;
图3为本发明前导时域结构的示意图;
图4为本发明基于前导及导频的信道估计流程的原理示意图;
图5为本发明频偏为0.01倍子载波间隔时的解调性能指标的示意图;
图6为本发明频偏为0.05倍子载波间隔时的解调性能指标的示意图。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例,参照附图做进一步说明。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。
本发明实施例提供了一种基于前导与导频的OFDM***信道估计方法,参照图1,图1为本发明一种基于前导与导频的OFDM***信道估计方法实施例的流程示意图。
本实施例中,一种基于前导与导频的OFDM***信道估计方法,包括:
S1:构建二维导频图案;其中,所述二维导频图案包括数据子载波和***数据子载波中的导频子载波;
S2:基于前导进行信道估计,获得前导符号对应子载波的信道频率响应;
S3:基于导频进行信道估计,获得数据子载波的信道频率响应;
S4:根据所述信道频率响应和所述信道频率响应,在频率轴上进行线
性插值,获得信道频率响应;
S5:根据所述信道频率响应与接收到的频域数据Y进行均衡处理,并将均衡处理
结果送入解调模块。
在优选的实施例中,所述步骤S1中,构建二维导频图案步骤,具体为:将每4个OFDM符号划分为一个周期,在第4个OFDM符号中,间隔1个数据子载波***1个导频子载波。
在优选的实施例中,所述步骤S2中,基于前导进行信道估计,获得前导符号对应子
载波的信道频率响应步骤,具体包括:
S21:取接收前导字进行FFT变换后,除去保护子载波和DC子载波得到有效频域数
据,与已知的相对应的频域数据相除得到前导有效子载波对应的信道频率响应,得
到;
S22:对的左右进行对称扩展,将其拓展至子载波个数N,得到,再将
对称扩展后的做反傅里叶变换,得到:;
S23:对进行截取和门限判决;
其中,截取步骤,具体为:
;
上式中,,N为子载波个数,为循环前缀的长度;
其中,门限判决步骤,具体为:
;
上式中,,N为子载波个数,为循环前缀的长度;
S24:对做傅里叶变换,得到;
S25:去除第二步扩展位的数据后,得到前导符号对应子载波的信道频率响应。
在优选的实施例中,所述步骤S3中,基于导频进行信道估计,获得数据子载波的信
道频率响应步骤,具体为:
S31:取OFDM符号经FFT变换后的导频序列,与相对应的已知导频频域数据
相除得到导频子载波对应的信道频率响应,得到;
S32:对做线性插值,由导频子载波位置的信道频率响应插值得到数据子载波
位置的信道频率响应,得到有效数据的,为有效子载波对应的信道频率响应;
S33:对的左右进行对称扩展,将其拓展至子载波个数N,得到,对对称
扩展后的做反傅里叶变换,得到;
S34:对进行截取和门限判决:
其中,截取步骤,具体为:
;
上式中,,N为子载波个数,为循环前缀的长度;
其中,门限判决步骤,具体为:
;
上式中,为当前去除保护和DC子载波后的有效子载波频域数据序列,,
N为子载波个数,为循环前缀的长度;
S35:对做傅里叶变换,得到;
S36:去除第三步扩展位的数据后,得到导频和数据子载波的信道频率响应,
然后从抽取出数据子载波位置对应的值,组成数据子载波的信道频率响应。
在优选的实施例中,所述S4中,根据所述信道频率响应和所述信道频率响应,在频率轴上进行线性插值,获得信道频率响应,具体包括:S41:对于前导后三个
OFDM符号中的有效子载波对应的信道频率响应,由前导序列的信道频率响应和第四
个OFDM符号的信道频率响应在频率轴上进行线性插值得到。
在优选的实施例中,所述S4中,根据所述信道频率响应和所述信道频率响应,在频率轴上进行线性插值,获得信道频率响应,具体包括:S42:从第五个OFDM起,
没有导频的OFDM符号中有效子载波对应的信道频率响应,由前后两个含有导频的OFDM符号
计算得到的信道频率响应在频率轴上进行线性插值得到。
在优选的实施例中,所述步骤S5中,均衡处理结果,具体为:;其中,为
插值后得到的信道频率响应,Y为接收到的频域数据,为均衡处理结果。
为了更清楚的解释本申请,下面提供本申请在实际应用中的具体实例。
一、对于导频图案与前导设计:
本实施例设计每四个OFDM符号为一个周期,前三个符号不需要***导频,第四个OFDM符号中,间隔1个数据子载波***一个导频,需要注意的是,第四个符号中的第一个和最后一个有效子载波必须为导频子载波,导频***结构如图2所示。上述方形导频图案是对块状导频图案和梳状导频图案的改进,它是在频域和时域两个方向上以相同的或者不同的间隔***导频,因为导频分布较为分散,与块状导频结构和梳状导频相比,方形导频结构具有更高的资源利用率。
另外,如图3所示,本实施例***的数据前导序列设计中,CP为循环前缀,N为OFDM符号长度,也为子载波个数;前导在数据子载波中进行传输,第一个OFDM符号包含一个循环前缀,第二个OFDM符号没有循环前缀。
二、对于基于前导与导频的OFDM信道估计的实现原理:
LS是最基础的一种信道估计算法,LS的估计值按下式计算:
;
其中,X为发送的已知向量,Y为接收到的对应向量,为估计出的相应子载波位
置的信道频率响应。但由于其精度易受噪声影响,因此Van De Beek等人提出基于离散傅里
叶变换(DFT)的估计算法,通过削弱最大多径时延扩展以外的噪声,在LS算法的基础上对信
道频率响应的估计值进行了修正。
而本实施例所述的OFDM***信道估计方法则是在DFT降噪算法的基础上进行了改进,其基于前导和导频进行信道估计,前导同样属于已知符号数据,在数据子载波中进行传输,主要流程如图4所示。
如图4所示,其主要工作流程如下所述:
流程1:基于前导进行信道估计
(1)LS信道估计:取接收前导字进行FFT变换后,除去保护子载波和DC子载波得到
有效频域数据,与已知的相对应的频域数据相除得到前导有效子载波对应的信道频率
响应:
(2)对的左右进行对称扩展,将其拓展至子载波个数N,得到,再将对
称扩展后的做反傅里叶变换,得到:
(3)对进行截取和门限判决:
截取:;
上式中,,N为子载波个数,为循环前缀的长度;
其中,门限判决步骤,具体为:
;
上式中,,N为子载波个数,为循环前缀的长度;
(4)对做傅里叶变换,得到;
(5)去除第二步扩展位的数据后,得到前导符号对应子载波的信道频率响应。
流程2:基于导频进行信道估计
(1)LS信道估计:OFDM符号经FFT变换后,取出导频序列,与相对应的已知导频
频域数据相除得到导频子载波对应的信道频率响应,得到
(2)对做线性插值,由导频子载波位置的信道频率响应插值得到数据子载波位
置的信道频率响应,得到有效数据的,为有效子载波对应的信道频率响应。
(3)对的左右进行对称扩展,将其拓展至子载波个数N,得到,对对称
扩展后的做反傅里叶变换,即:
(4)对进行截取和门限判决:
截取:;
上式中,,N为子载波个数,为循环前缀的长度。
门限判决:;
上式中,为当前去除保护和DC子载波后的有效子载波频域数据序列(含有导频的
OFDM符号),,N为子载波个数,为循环前缀的长度。
(5)对做傅里叶变换,得到。
(6)去除第三步扩展位的数据后,得到导频和数据子载波的信道频率响应,
然后从抽取出数据子载波位置对应的值,组成数据子载波的信道频率响应。
流程3:频率轴上进行线性插值
(1)第一种情况:前导后三个OFDM符号中的有效子载波对应的信道频率响应,由前
导序列的信道频率响应和第四个OFDM符号的信道频率响应在频率轴上进行线
性插值得到。
(2)其它:根据导频图案可知,由于***每四个OFDM符号为一个周期,四个OFDM符号中的最后一个OFDM符号含有导频,所以,从第五个OFDM起,没有导频的OFDM符号中有效子载波对应的信道频率响应,可以由前后两个含有导频的OFDM符号计算得到的信道频率响应在频率轴上进行线性插值得到。
流程4:均衡
假设插值后得到的信道频率响应为,接收到的频域数据为Y,则进行均衡处理,,得到的进行组合后送入解调模块。
三、对于仿真结果:
在多径加高斯白噪声信道下,设频偏为0.01倍与0.05倍子载波间隔时,采用本实施例所述信道估计方法的解调性能指标如图5和图6所示。
如图5和图6所示,在经过前级频偏估计后,本实施例信道估计方法依然具备一定的抗残余频偏能力,同时相比于传统信道估计方法,具有更加接近理想估计的性能,在较为恶劣的信道环境中,能够满足OFDM通信***需求。
由此,本实施例他提供信道估计方法适用于在较为复杂和恶劣信道环境下工作的OFDM通信***,设计采用方形导频图案,并将前导信道估计与导频信道估计相结合,同时对DFT算法进行了改进,通过已知导频与已知前导序列进行双重信道估计,不仅通过***导频子载波进行信道估计,还使用了数据子载波中的前导已知序列进行信道估计,相比常规仅采用***导频进行信道估计的方法,其性能更加接近理想估计,使得其在恶劣环境中依然能保证估计的准确性,具有较高的工程应用价值,实验证明,本实施例所述OFDM***的信道估计方法可以在恶劣环境中完成可靠的信道估计,保证接收机后级的解调性能。
可以理解的是,在本说明书的描述中,参考术语“一实施例”、“另一实施例”、“其他实施例”、或“第一实施例~第N实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中,对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且,描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
需要说明的是,在本文中,术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含,从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者***不仅包括那些要素,而且还包括没有明确列出的其他要素,或者是还包括为这种过程、方法、物品或者***所固有的要素。在没有更多限制的情况下,由语句“包括一个……”限定的要素,并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者***中还存在另外的相同要素。
上述本发明实施例序号仅仅为了描述,不代表实施例的优劣。
以上仅为本发明的优选实施例,并非因此限制本发明的专利范围,凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换,或直接或间接运用在其他相关的技术领域,均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (5)
1.一种基于前导与导频的OFDM***信道估计方法,其特征在于,所述方法包括:
S1:构建二维导频图案;其中,所述二维导频图案包括数据子载波和***数据子载波中的导频子载波;所述步骤S1中,构建二维导频图案步骤,具体为:将每4个OFDM符号划分为一个周期,在第4个OFDM符号中,间隔1个数据子载波***1个导频子载波;
S2:基于前导进行信道估计,获得前导符号对应子载波的信道频率响应;所述步骤S2中,基于前导进行信道估计,获得前导符号对应子载波的信道频率响应/>步骤,具体包括:
S21:取接收前导字进行FFT变换后,除去保护子载波和DC子载波后得到有效频域数据,与已知的相对应的频域数据/>相除得到前导有效子载波对应的信道频率响应/>,得到/>;
S22:对的左右进行对称扩展,将其拓展至子载波个数N,得到/>,再将对称扩展后的/>做反傅里叶变换,得到:/>;
S23:对hls1进行截取和门限判决;
其中,截取步骤,具体为:
;
上式中,,N为子载波个数,为循环前缀的长度;
其中,门限判决步骤,具体为:
;
上式中,,N为子载波个数,为循环前缀的长度;
S24:对做傅里叶变换,得到Hls3=fft(hls3,N);
S25:去除第二步扩展位的数据后,得到前导符号对应子载波的信道频率响应;
S3:基于导频进行信道估计,获得数据子载波的信道频率响应;
S4:根据所述信道频率响应和所述信道频率响应/>,在频率轴上进行线性插值,获得信道频率响应/>;
S5:根据所述信道频率响应与接收到的频域数据Y进行均衡处理,并将均衡处理结果送入解调模块。
2.如权利要求1所述的一种基于前导与导频的OFDM***信道估计方法,其特征在于,所述步骤S3中,基于导频进行信道估计,获得数据子载波的信道频率响应步骤,具体为:
S31:取OFDM符号经FFT变换后的导频序列,与相对应的已知导频频域数据/>相除得到导频子载波对应的信道频率响应/>,得到/>;
S32:对做线性插值,由导频子载波位置的信道频率响应插值得到数据子载波位置的信道频率响应,得到有效数据的/>,/>为有效子载波对应的信道频率响应;
S33:对的左右进行对称扩展,将其拓展至子载波个数N,得到/>,对对称扩展后的/>做反傅里叶变换,得到/>;
S34:对进行截取和门限判决:
其中,截取步骤,具体为:
;
上式中,,N为子载波个数,为循环前缀的长度;
其中,门限判决步骤,具体为:
;
上式中,为当前去除保护和DC子载波后的有效子载波频域数据序列,,N为
子载波个数,为循环前缀的长度;
S35:对做傅里叶变换,/>;
S36:去除第三步扩展位的数据后,得到导频和数据子载波的信道频率响应,然后从/>抽取出数据子载波位置对应的值,组成数据子载波的信道频率响应/>。
3.如权利要求2所述的一种基于前导与导频的OFDM***信道估计方法,其特征在于,所述S4中,根据所述信道频率响应和所述信道频率响应/>,在频率轴上进行线性插值,获得信道频率响应/>,具体包括:
S41:对于前导后三个OFDM符号中的有效子载波对应的信道频率响应,由前导序列的信道频率响应和第四个OFDM符号的信道频率响应/>在频率轴上进行线性插值得到。
4.如权利要求3所述的一种基于前导与导频的OFDM***信道估计方法,其特征在于,所述S4中,根据所述信道频率响应和所述信道频率响应/>,在频率轴上进行线性插值,获得信道频率响应/>,具体包括:
S42:从第五个OFDM起,没有导频的OFDM符号中有效子载波对应的信道频率响应,由前后两个含有导频的OFDM符号计算得到的信道频率响应在频率轴上进行线性插值得到。
5.如权利要求4所述的一种基于前导与导频的OFDM***信道估计方法,其特征在于,所述步骤S5中,均衡处理结果,具体为:
;
其中,为插值后得到的信道频率响应,/>为接收到的频域数据,/>为均衡处理结果。
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