一種基于DFT的信道估計(jì)改進(jìn)算法

萬民徐葉茂

（1.91404部隊(duì)94分隊(duì)秦皇島066001）（2.藏龍大道3號武漢430205）

一種基于DFT的信道估計(jì)改進(jìn)算法

萬民1徐葉茂2

（1.91404部隊(duì)94分隊(duì)秦皇島066001）（2.藏龍大道3號武漢430205）

論文在不同信道環(huán)境和不同子載波數(shù)下用Matlab對梳狀導(dǎo)頻插入的LS（最小平方）算法和基于DFT變換的信道估計(jì)算法進(jìn)行了仿真。在總結(jié)兩種算法估計(jì)的基礎(chǔ)上，提出基于DFT的信道估計(jì)改進(jìn)算法，并仿真分析該改進(jìn)算法較傳統(tǒng)算法在減小誤碼率和均方誤差上的優(yōu)越性。

估計(jì)算法；離散傅立葉變換；仿真

Class NumberTN919.3

1 引言

隨著全球信息化時(shí)代的到來，信息技術(shù)的發(fā)展也是日新月異。發(fā)明了許多用于對信息通道進(jìn)行估量計(jì)算的方法，由進(jìn)行估算時(shí)提取的信息不同而主要被分為盲信道法、插入導(dǎo)頻的信息通道估算法和一種介于兩者之間的半盲信道法。

雖然盲信道法在頻帶方面有著很高的利用率，也不需要在使用終端編入任何相關(guān)序列，可由運(yùn)算能力強(qiáng)大的現(xiàn)代計(jì)算機(jī)將目標(biāo)信號中的數(shù)據(jù)直接估算出來，簡化了中間一系列的步驟。但速度相當(dāng)慢，效率相當(dāng)?shù)?，設(shè)計(jì)使用難度相當(dāng)大。直接未被OFDM技術(shù)使用。

第二種常用估計(jì)法如其名，即在發(fā)射信號之前，必須對信號加以處理，內(nèi)置提前商定好的導(dǎo)頻數(shù)據(jù)。信號接收終端根據(jù)商定好的標(biāo)準(zhǔn)，在收到信號之后以導(dǎo)頻數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過各種交叉運(yùn)算等方法，將信息直接計(jì)算出來。其對時(shí)變系統(tǒng)來說，具有極好的斂散性。雖然該技術(shù)解決了計(jì)算速度問題，較之盲信道法快了很多。但是由于其對信號編入了導(dǎo)頻，擠占了大量帶寬，在效率上沒有本質(zhì)提高［1］。

半盲信道法則是對以上兩者的這種，編入的導(dǎo)頻很少，擠占的帶寬也不大，但是效果也僅相當(dāng)于對二者進(jìn)行折半處理［2］。

2 DFT算法簡介

高速DSP技術(shù)的發(fā)展，離散傅里葉變換在DSP上的應(yīng)用，為新型信道估計(jì)算法提供了足夠的發(fā)展空間?；贒FT的信道估計(jì)算法的根本原理是：首先，利用LS估計(jì)法對信號進(jìn)行處理，再通過傅氏變換將頻域和時(shí)域進(jìn)行快速轉(zhuǎn)換。將相關(guān)信道的能量進(jìn)一步壓制在部分采樣點(diǎn)，之后以補(bǔ)零的方式進(jìn)一步使AWGN產(chǎn)生的對信號的干擾降低，再次進(jìn)行傅氏變換，使時(shí)域和頻域進(jìn)行快速轉(zhuǎn)換，從而實(shí)現(xiàn)目的。

對OFDM的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行賦值，將導(dǎo)頻比設(shè)為L，子信道總數(shù)設(shè)為N，導(dǎo)頻和信息子載波的數(shù)量分別設(shè)為M=N/L和N-M。然后對HP(k)進(jìn)行傅氏變換。可求得導(dǎo)頻信道響應(yīng)hP(n)的數(shù)學(xué)表達(dá)式為

為降低AWGN對信號的影響，對hP(n)進(jìn)行補(bǔ)零：

HN(k)為hN(n)的N點(diǎn)FFT變換，即

將式（1）和式（2）帶入式（3）可得

其中

當(dāng)hN(n)=HN(k)為 HP(m)的線性插值。由于DSP技術(shù)日益成熟，基于DFT信道估計(jì)算法的實(shí)現(xiàn)非常容易［3］。

3 改進(jìn)的DFT算法

基于DFT的信道估計(jì)算法雖然復(fù)雜度不高，但估計(jì)性能并不是最優(yōu)的［4］，在此對其做進(jìn)一步的改進(jìn)。在算法中使用漢寧窗，加快帶外衰減。信息處理過程如圖1所示。

在信道估計(jì)時(shí)，先將頻域轉(zhuǎn)換為時(shí)域，使用漢寧（Hanning）窗使帶外噪聲迅速衰減，然后補(bǔ)零達(dá)到循環(huán)前綴長度，之后去窗再轉(zhuǎn)換到頻域［5］。主要步驟如下：

對HM進(jìn)行M點(diǎn)離散傅里葉逆變換，得到：

用漢寧（Hanning）窗對信號進(jìn)行處理，即：

其中式（7）為漢寧窗的表達(dá)式。接著在時(shí)域?qū)π盘栃盘栠M(jìn)行補(bǔ)零操作，使信號長度達(dá)到N維，之后去窗，得到：

最后將hN轉(zhuǎn)換到頻域，得到改進(jìn)算法的信號估計(jì)

4 性能仿真

一般地，研究無線通信系統(tǒng)的信道特性時(shí)，通常是基于收發(fā)信機(jī)之間否存在視距分量。主要研究Saleh和Valenzuela提出的以下四種信道特性，其信道參數(shù)設(shè)置見表1，仿真參數(shù)設(shè)置見表2［6～8］。

在S-V模型的四種信道環(huán)境中，分別在64子載波數(shù)，128子載波數(shù)條件下，用Matlab對改進(jìn)算法的估計(jì)性能進(jìn)行仿真分析［9-10］。

表1 四種信道參數(shù)設(shè)置

表2 四種信道估計(jì)仿真參數(shù)

信號在64子載波數(shù)下，經(jīng)過CM-1信道傳輸后，系統(tǒng)誤碼率性能如圖2所示。由此可知，DFT算法的信道估算能力很強(qiáng)，有效地阻止了頻譜泄露的發(fā)生。對其經(jīng)過進(jìn)一步改進(jìn)之后，使其在較低SNR的情況下，噪聲被進(jìn)一步降低，性能較原算法有著極大的提高。同樣地，即使是在非視距環(huán)境下，改進(jìn)算法能夠?qū)⑾到y(tǒng)誤碼率降到最低。圖3和圖4分別是CM-3信道和CM-4信道環(huán)境下的系統(tǒng)誤碼率曲線，由圖3可得，相同誤碼率下，改進(jìn)算法的SNR較DFT算法有4dB的提升，較LS算法有9.5dB的提升；同樣，在圖4中，相同誤碼率下，改進(jìn)算法的SNR較DFT算法有2.5dB的提升，較LS算法有8dB的提升?？梢钥闯?，CM-4環(huán)境下的系統(tǒng)性能較CM-3有所下降，原因是CM-4信道環(huán)境更復(fù)雜，多徑時(shí)延最大。

圖5 是信號在64子載波數(shù)下LS、DFT、改進(jìn)DFT算法的均方誤差比較圖，該圖直觀地反映了改進(jìn)算法在降低MSE的優(yōu)越性。由圖可得，當(dāng)SNR均為6dB時(shí)，改進(jìn)DFT算法的均方誤差較傳統(tǒng)DFT算法有了0.35dB的提升，較LS算法有0.51dB的提升。

圖6是在128子載波下的仿真結(jié)果。由圖可得，同一算法，隨著子載波數(shù)的增加，估計(jì)性能略有下降，表3～表4也說明了這一點(diǎn)，例如在64子載波與128子載波下，DFT算法的誤碼率增加了2.50%，均方誤差增加了0.26%；改進(jìn)算法的誤碼率增加了1.76%，均方誤差增加了0.13%。因此，隨著子載波數(shù)的增加，改進(jìn)算法的估計(jì)性能會降低。

表3 三種算法在64和128子載波下的誤碼率比較

表4 三種算法在64和128子載波下的均方差比較

5 結(jié)語

本文討論了一種改進(jìn)的基于DFT的信道估計(jì)算法。該算法較傳統(tǒng)的DFT算法各有優(yōu)點(diǎn)，因此需要針對使用環(huán)境選擇合適的DFT算法。總而言之，DFT算法具有較好的抗信道時(shí)間選擇性衰落的性能，并且易于使用高速DSP來實(shí)現(xiàn)。

［1］L.W.Couch著，羅新民，等譯.數(shù)字與模擬通信系統(tǒng)［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2002：23-28.

［2］T.S.Rappaport著，周文安，等譯.無線通信原理與應(yīng)用［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2006：34-36.

［3］Bernard Sklar著，徐平平，等譯.數(shù)字通信基礎(chǔ)與應(yīng)用［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2002：55-58.

［4］張菊茜，舒治安.正交頻分復(fù)用（OFDM）技術(shù)［J］.艦船電子工程，2003（1）：39-43.

［5］H.ochiai，H.Imai.performance analysis of the deliberately clipped OFDM signals［J］.IEEE Trans.on comm，2002（1）：282-292.

［6］J.G.Proakis，M.Salehi，andG.Bauch著，劉樹棠譯.現(xiàn)代通信系統(tǒng)MATLAB版［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2005：98-101.

［7］鄧華.通信仿真及應(yīng)用實(shí)例詳解［M］.北京：北京人民郵電出版社，2003：66-74.

［8］郭文彬，桑林.通信原理－基于Matlab的計(jì)算機(jī)仿真［M］.北京：北京郵電大學(xué)出版社，2005：75-81.

［9］張菊茜.OFDM系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)2006：45-48.

［10］佟學(xué)儉.正交頻分復(fù)用（OFDM）通信系統(tǒng)內(nèi)若干關(guān)鍵技術(shù)的研究［D］.北京：北京郵電大學(xué)，2001：51-52.

An Optimized Channel Estimation Algorithm Based on DFT

WAN Min1XU Yemao2
（1.Unit 94，No.91404 Troops of PLA，Qinhuangdao066001）（2.No.3 Canglong Road，Wuhan430205）

According to different channel environment and number of subcarriers，this paper simulated LS（least squares estimation）algorithms and DFT on channel estimation algorithms with Matlab.Through comparison and summary of these two algorithms，the paper made an optimized DFT on channel estimation algorithms.By simulated the optimized algorithm，the papaer compared the bit error rate and mean square error of above algorithms.

estimation algorithms，DFT，simulation

TN919.3

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.07.009

2017年1月13日，

2017年2月14日

萬民，男，工程師，研究方向：通信。徐葉茂，男，碩士研究生，高級工程師，研究方向：通信。