一種改進(jìn)的OFDM/OQAM系統(tǒng)頻偏與信道估計(jì)算法

張大煒，李　悅

(中國(guó)電子進(jìn)出口總公司，北京 100038)

?

一種改進(jìn)的OFDM/OQAM系統(tǒng)頻偏與信道估計(jì)算法

張大煒，李悅

(中國(guó)電子進(jìn)出口總公司，北京 100038)

摘要與OFDM系統(tǒng)相比，在OFDM/OQAM系統(tǒng)中，通過(guò)實(shí)數(shù)域的正交設(shè)計(jì)，雖然會(huì)提高系統(tǒng)的頻譜效率，但同步精度與信道估計(jì)性能極易受到虛部干擾的影響，惡化系統(tǒng)性能。針對(duì)此問(wèn)題，提出了一種改進(jìn)的OFDM/OQAM多徑信道環(huán)境下聯(lián)合頻偏與信道估計(jì)算法。該算法基于幀頭的已知前導(dǎo)序列，通過(guò)簡(jiǎn)化對(duì)數(shù)似然函數(shù)，得到了信道沖激響應(yīng)以及載波頻偏的最大似然估計(jì)，有效地解決了多徑衰落信道環(huán)境下的OFDM/OQAM系統(tǒng)頻偏估計(jì)和信道參數(shù)(幅度、相位以及時(shí)延)估計(jì)難題，并通過(guò)蒙特卡羅仿真，驗(yàn)證了算法的有效性。

關(guān)鍵詞OFDM/OQAM;多徑;最大似然估計(jì);蒙特卡羅

An Improved Frequency Offset and Channel Estimation

Algorithm of OFDM/OQAM Systems

ZHANG Da-wei，LI Yue

(CEICE,Beijing100038,China)

AbstractCompared with OFDM techniques,the OFDM/OQAM system is designed according to the orthogonality conditions in real number field.Although the system spectrum efficiency is improved,the performance of synchronization and channel estimation is susceptible to the imaginary interference,degrading the system performance.Aiming at this problem,a joint carrier frequency offset(CFO)and multi-path channel parameter estimation algorithm is introduced.Based on the known preamble symbols at the frame head,the maximum likelihood(ML)estimation of channel impulse response and the carrier frequency offset are derived by simplifying the likelihood function.The performance of the algorithm is verified by the Monte Carlo simulations.

Key wordsOFDM/OQAM;multi-path;maximum likelihood estimation;Monte Carlo

0引言

在寬帶無(wú)線通信應(yīng)用領(lǐng)域，相對(duì)于單載波通信技術(shù)體制，多載波通信方式擁有諸多技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，在未來(lái)無(wú)線通信系統(tǒng)中將得到更為廣泛的應(yīng)用。OFDM/OQAM技術(shù)作為一種特殊的多載波通信方式，收發(fā)兩端保證實(shí)數(shù)域內(nèi)的正交性即可，從而為使用時(shí)頻集中度性能更為優(yōu)良的原型脈沖創(chuàng)造了條件，以獲得對(duì)無(wú)線信道時(shí)頻彌散衰落更強(qiáng)的魯棒性。此外，OFDM/OQAM系統(tǒng)無(wú)需使用循環(huán)前綴等保護(hù)措施，在多徑信道環(huán)境中頻譜效率高于OFDM等多載波通信系統(tǒng)[1]。然而OFDM/OQAM也存在一些缺點(diǎn)，例如：系統(tǒng)本身存在自干擾(即虛部干擾)，而自干擾的存在會(huì)降低接收端信道估計(jì)、頻偏估計(jì)以及均衡算法的性能，必須采取改進(jìn)措施應(yīng)對(duì)這一問(wèn)題。

針對(duì)此問(wèn)題，目前的研究大多數(shù)基于分散布設(shè)的已知的導(dǎo)頻序列，或是在相對(duì)簡(jiǎn)單的加性白高斯信道中討論問(wèn)題，本文提出的算法基于幀頭集中布設(shè)的前導(dǎo)序列，信道假設(shè)為慢變的多徑衰落信道，更加貼近實(shí)際應(yīng)用。

1系統(tǒng)模型

1.1OFDM/OQAM系統(tǒng)發(fā)射端

系統(tǒng)具有M個(gè)子信道，子信道間隔為F=1/T，原型脈沖為實(shí)函數(shù)p(t)，發(fā)端基帶處理的采樣頻率為Fs=1/Ts=MF[2]。

OFDM/OQAM系統(tǒng)發(fā)射端離散基帶信號(hào)為：

(1)

式中，dk,n為第k個(gè)子信道，第n個(gè)時(shí)隙內(nèi)發(fā)送的實(shí)數(shù)數(shù)據(jù)，采自對(duì)應(yīng)復(fù)數(shù)調(diào)制星座點(diǎn)(例如QPSK調(diào)制等)的實(shí)部或虛部；S為一幀數(shù)據(jù)中的時(shí)隙數(shù)目；φk,n和βk,n為保證實(shí)數(shù)域正交性而引入的調(diào)制因子[3]。

1.2OFDM/OQAM系統(tǒng)接收端

接收端的離散接收信號(hào)為：

(2)

式中，n(mTs)離散加性白高斯噪聲[5]。

2OFDM/OQAM系統(tǒng)聯(lián)合頻偏與信道估計(jì)算法

2.1前導(dǎo)符號(hào)的設(shè)置

該算法基于在幀頭部位安置的2個(gè)時(shí)隙長(zhǎng)度的已知的前導(dǎo)符號(hào)，對(duì)應(yīng)的離散基帶發(fā)射信號(hào)為：

(3)

有2種前導(dǎo)符號(hào)的設(shè)置方式，如圖1和圖2所示。方式2為避免前導(dǎo)符號(hào)受到隨后發(fā)送的未知數(shù)據(jù)符號(hào)的干擾，二者之間存在一個(gè)空余時(shí)隙；方式1則為了提高頻譜效率沒(méi)有安排空余時(shí)隙[6]。

圖1　前導(dǎo)符號(hào)設(shè)置方式1

圖2　前導(dǎo)符號(hào)設(shè)置方式2

2.2算法推導(dǎo)

(4)

當(dāng)M》1時(shí)，接收信號(hào)的能量近似等于各徑信號(hào)的能量之和，即

(5)

將式(5)代入至式(4)中，有

(6)

式中，g(θp,ε)為離散接收信號(hào)與第p根多徑分量的相關(guān)函數(shù)，具體表達(dá)式為：

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

則時(shí)延θ和ε的ML估計(jì)為：

(12)

求解上述P維最優(yōu)化問(wèn)題，計(jì)算復(fù)雜度相當(dāng)高。假設(shè)ε充分小，且原型脈沖p(mTs)離散長(zhǎng)度為KM，其中K為重疊因子，由此可以得到：

(13)

式中，

(14)

將式(13)代入到式(7)中，得到

(15)

由式(12)得到頻偏與時(shí)延的近似ML估計(jì)：

(16)

(17)

式中，

均為加權(quán)互相關(guān)函數(shù)之和。而d(θp)為離散接收信號(hào)延遲滑動(dòng)θp個(gè)采樣點(diǎn)之后的能量。

根據(jù)式(16)和式(17)分別得到時(shí)延θp以及頻偏ε的近似最大似然估計(jì)，繼而利用式(9)和式(10)得到多徑分量相位和衰落幅度的最大似然估計(jì)[7]。

3仿真結(jié)果分析

仿真中采用的OFDM/OQAM系統(tǒng)帶寬為11.2MHz；調(diào)制方式為QPSK；原型濾波器的重疊因子為4，采用歐盟PHYDYAS項(xiàng)目所使用的原型濾波器；采用ITU-A多徑衰落信道模型；蒙特卡羅仿真次數(shù)為5 000[8]。

在相同的信道環(huán)境下對(duì)OFDM系統(tǒng)、采用前導(dǎo)符號(hào)布設(shè)方式1和方式2的OFDM/OQAM系統(tǒng)及單載波的QPSK系統(tǒng)進(jìn)行了仿真。信噪比誤碼率性能曲線如圖3所示。

圖3　信噪比誤碼率性能曲線

通過(guò)仿真圖可以看出，采用本文提出的聯(lián)合頻偏與信道估計(jì)算法，采用前導(dǎo)符號(hào)布設(shè)方式2的OFDM/OQAM系統(tǒng)的誤碼率性能明顯好于前導(dǎo)符號(hào)布設(shè)方式1下的OFDM/OQAM系統(tǒng)，且非常接近于理想信道下的OFDM系統(tǒng)誤碼率性能。

4結(jié)束語(yǔ)

本文提出的算法基于幀頭集中布設(shè)的前導(dǎo)序列，利用聯(lián)合頻偏與信道估計(jì)算法，通過(guò)對(duì)對(duì)數(shù)似然函數(shù)的簡(jiǎn)化，有效地解決了多徑衰落信道環(huán)境下的OFDM/OQAM系統(tǒng)頻偏估計(jì)和信道參數(shù)(幅度、相位以及時(shí)延)估計(jì)難題，并通過(guò)蒙特卡羅仿真，驗(yàn)證了算法的有效性，貼近工程應(yīng)用，易于實(shí)現(xiàn)，對(duì)今后的工程具有借鑒意義。

參考文獻(xiàn)

[1]PROAKISJG.數(shù)字通信(第四版)[M].北京:電子工業(yè)出版社，2003:540-545．

[2]WEINSTEINS，EBERTP.DataTransmissionbyFrequency-divisionMultiplexingUsingtheDiscreteFourierTransform[J].IEEETransactionsonCommunicationTechnology,1971,19(10)628-634.

[3]李曉晗.基于DCT的OFDM信道估計(jì)[J].無(wú)線電工程，2008，38(4):31-33．

[4]沈傳宇，肖麗萍，張吉星.一種OFDM導(dǎo)頻的信道估計(jì)算法的研究[J].無(wú)線電通信技術(shù),2008，34(4):9-10．

[5]湯守領(lǐng)，吳長(zhǎng)奇，王熹.OFDM系統(tǒng)中對(duì)最大似然算法頻偏估計(jì)的改進(jìn)[J].無(wú)線電通信技術(shù)，2010，36(5):62-64．

[6]CHERUBINIG,ELEFTHERIOUE,OLCERS.FilteredMultitoneModulationforVeryHigh-speedDigitalSubscribeLines[J].IEEEJournalonSelectedAreasinCommunications,2002,20(5):1 016-1 028.

[7]TONELLOAM.ANovelMulti-carrierScheme:CyclicBlockFilteredMultitoneModulation[C]∥ProceedingsofIEEEInternationalConferenceonCommunications(ICC2013),2013.

[8]SICLETC,SIOHANP,PINCHOND.PerfectReconstructi-onConditionsandDesignofOversampledDFT-modulatedTransmultiplexers[C]∥EURASIPJournalonAppliedSignalProcessing,2006:1-14.

張大煒男，(1981—)，高級(jí)工程師。主要研究方向：系統(tǒng)工程。

李悅男，(1978—)，工程師。主要研究方向：電子對(duì)抗。

作者簡(jiǎn)介

收稿日期：2015-09-17

中圖分類號(hào)TN915

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

文章編號(hào)1003-3106(2015)12-0013-03

doi:10.3969/j.issn.1003-3106.2015.12.04

引用格式：張大煒，李悅.一種改進(jìn)的OFDM/OQAM系統(tǒng)頻偏與信道估計(jì)算法[J].無(wú)線電工程,2015,45(12):13-15.