單載波頻域均衡信道估計分析

朱良彬,文運豐,桑會平

(中國電子科技集團公司第五十四研究所,河北石家莊050081)

0 引言

在高速率信息傳輸系統中,對抗多徑衰落方面,基本的傳輸技術可以分為多載波調制體制、單載波時域均衡和單載波頻域均衡。在多載波傳輸技術中,最具代表性的是OFDM技術,它通過IFFT變換將原始的數據符號調制到正交的子載波上;在單載波傳輸技術中,需要在接收端采用均衡器來補償碼間串擾,均衡可以采用傳統的時域濾波器,也可以在頻域進行,相應的系統分別稱為單載波時域均衡系統(Single Carrier Time-Domain Equalization,SC-TDE)和單載波頻域均衡系統(Single Carrier Frequency-Domain Equalization,SC-FDE)。

SC-FDE利用單載波進行數字通信,但是與傳統的單載波通信不同。SC-FDE采用分組傳輸模式,均衡是在頻域進行而不是在時域進行。SC-FDE系統發送的是調制后的高速率單載波信號,接收端通過FFT和IFFT變換來實現頻域均衡,實際上是對接收信號的頻域分析。

在SC-FDE系統中,信道估計在整個系統的實現中起著非常關鍵的作用。信道估計性能的好壞直接影響到頻域均衡的有效性,最終影響整個系統的性能。

1 SC-FDE系統模型

SC-FDE和OFDM 相比,二者在原理和實現結構上都有很多相似之處:都使用了計算效率很高的FFT運算,都是靠保護間隔來消除碼間串擾(ISI),信道估計和均衡也都是在頻域上進行的,數字信號處理的復雜程度相當。SC-FDE系統和OFDM系統,二者的區別僅僅在于IFFT模塊是在接收端還是在發射端。SC-FDE的基本原理框圖如圖1所示。

圖1 SC-FDE系統原理

2 SC-FDE系統信道估計

SC-FDE信道估計的準則主要有最小二乘(LS)準則和最小均方(MMSE)準則。設發射信號表示為:

信道模型為:

接收信號表示為:

接收信號的頻域形式為:

最小二乘(LS)準則信道估計結果為:

最佳均衡抽頭系數為:

最小均方(MMSE)準則為:

最佳均衡抽頭系數為:

在一般的多徑衰落信道中,LS估計準則和MMSE估計準則的性能相近,其中LS算法較簡單。但是,當信道衰落很大,即出現深衰落(Hk很小)時,MMSE估計準則性能比LS估計準則好,所以通常采用最小均方誤差(MMSE)準則。這樣就減小了深衰落信道中的噪聲放大問題,提高了系統的可靠性。

若采用MMSE算法進行頻域均衡,不但需要估計信道的頻率響應,還需要知道信道中的信噪比。信噪比估計問題是提高信道估計有效性的關鍵。

2.1 高斯信道下信噪比估計

由于高斯白噪聲的性質,要想在一般的信號中分離出噪聲信號的能量是十分困難的一件事情。在這里將研究一種使用特殊結構導頻序列來測量信道中加性噪聲的方法。

根據傅里葉變換的性質,當一個序列包含2個或者2個以上的相同的子序列時,其變換結果會呈現特殊的性質。下面以包含4個周期子序列為例來說明。設x=[UW UW UW UW],其中UW為系統幀結構中的獨特字,長度選16。如圖2(a)所示,它包含4個相同的子序列UW,它的FFT變換結果如下圖2(b)所示;對x疊加上高斯白噪聲以后的結果如圖2(c)所示,再對疊加的結果進行FFT變換,結果如圖2(d)所示。從圖2(b)和圖2(d)可以看出,FFT有些點只有噪聲,沒有信號。所以根據這些點的幅值就可以估算出加入的高斯白噪聲的方差。

圖2 FFT性質示意圖

根據上述快速傅里葉變換的性質,在高斯信道條件下,利用經典周期圖法通過計算噪聲能量和信號能量,可以估計出信道中的信噪比。

把隨機信號x(n)的N點觀察數據xN(n)視為一能量有限信號,直接取 xN(n)的傅里葉變換,得XN(ejw),然后取其幅值的平方,并除以N,作為對x(n)真實的功率譜P(ejw)的估計。以PPER(ejw)表示用周期圖法估計出的功率譜,則

綜合周期圖功率譜估計法和上述FFT性質,根據偶數位點頻域幅值可以估算出噪聲的功率或能量,再根據奇數位點頻域幅值可以估算出有用信號的功率或能量,最終計算出接收信號的信噪比。

2.2 多徑信道下算法的局限性和改進

在多徑信道下,除了存在主徑信號外,同時還有多條反射徑伴隨。這種信道條件下,其他子信道上的信號能量會因為受多徑影響擴散到偶子信道上,導致信噪比估計的性能惡化。

這里對該信噪比估計算法進行了改進,在系統的接收端,對接收到的信號先進行一次預處理,用最小二乘算法對數據進行線性均衡,將估計得到的信道信息反饋回去,以降低因多徑傳播造成的能量擴散,再用上述方法對信噪比進行估計。改進后算法流程如圖3所示。

圖3 改進后算法流程

3 仿真性能

在K=4萊斯信道下,對改進前后的信噪比估計算法進行仿真,結果如圖4和圖5所示。圖中橫坐標為信噪比,縱坐標為信噪比估計的相對誤差。從圖中可以看出:改進后的算法能對信噪比進行較為準確的估計。

圖4 萊斯信道下改進前信噪比估計性能

圖5 萊斯信道下改進后信噪比估計性能

利用信道估計得到的信道信息進行頻域均衡,采用SUI-3信道模型進行性能仿真。SUI-3信道具有3個瑞利徑,具體參數如表1所示。FFT長度為512,UW序列長度為64,仿真結果如圖6所示。從圖中可以看出,用論文采用的方法進行信噪比估計后,結合MMSE均衡算法對系統進行優化,要比LS均衡算法誤碼率性能好。

表1 信道參數

圖6 K=4的萊斯信道下均衡性能仿真

4 結束語

將信噪比估計和單載波頻域均衡系統中信道估計結合起來,用信道估計得到的信道信息對對均衡算法進行優化處理。仿真結果表明該方法能夠改善LS信道估計算法在多徑深衰落信道中的不足,消除深衰落點對信道估計精度的影響,有效地改善了SC-FDE系統的誤碼率性能。

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