基于導頻的OFDM信道估計方法

陳燕

摘要：隨著現代科技不斷發展以及社會的進步，越來越多的研究人員開始更多地關注無線寬帶數字通信系統的發展。制約這個系統的傳輸性能和信息速率的主要因素之一，則是無線信道時延擴展引起的符號間干擾。因此，消除符號間干擾，以及由無線信道時延擴展引起的頻率選擇性衰減，成為無線寬帶通信系統中必須要解決的問題，在研究過程中正交頻分復用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing OFDM）技術顯現出了其明顯的優勢。因此OFDM成為下一代寬帶移動通信系統的候選方案。

關鍵詞：無線寬帶數字通信系統 符號間干擾 頻率選擇性衰減 OFDM

1 研究背景

移動通信系統是現代通信系統中的重要組成部分。它是指參與通信雙方或至少一方信息的傳遞與交換必須是在移動中完成的。目前，移動通信技術在發展速度方面、技術的更新換代方面以及市場容量方面均顯現出了其領先地位。而個人通信作為未來移動通信技術的目標，即實現任何人在任何時間任何地點以任何形式進行通信。

作為第二代移動通信系統的改進，第三代移動通信系統只是實現了從窄帶通信系統向未來移動通信系統的過渡，而不是真正實現了寬帶接入系統，因此人們對第三代移動通信系統之后（即4G）的研究日益關注，而研究的重點則是考慮在系統容量、通信質量、數據傳輸速率方面作進一步改進。第四代移動通信系統在消除符號間干擾以及頻率選擇性衰落中借助正交頻分復用（OFDM）技術來提高頻率利用率，速率的確有一定程度的改進，并且在原有基礎上實現了擴容，使用戶享受到寬帶多媒體業務。第四代改善了無線信道下高速數據多徑衰落的情況，減少了符號間的干擾，降低了噪聲，系統性能大大提升。

2 OFDM基本原理

為了提高信號的抗多徑干擾和抗衰落能力，首先把發送端需要發送的數據流分散到若干個子載波上，以免單個子載波的信號速率過高。同時，OFDM中所有子載波在正交情況下，使頻譜重疊1/2，以便接收端可基于相關解調技術將各載波分離出來，并且可以消除碼間干擾的影響。

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圖1 OFDM系統模型圖

信道估計作為相關檢測、解調、均衡的基礎，成為了通信領域的研究熱點之一。根據發送端所采用的調制方式（包括差分或非差分）的不同，在接收端可以用不同的方法加以解調。在發射機采用非差分調制的情況下，要求接收機就必須以相干解調的方式加以恢復。而在相干解調中每個子載波必須是同步的或者相位的偏移是已知的。與此同時，需要通過信道估計來提供信道傳輸系數的估計值，以確保接收機顯示這部分信息。

3 OFDM系統中信道估計算法的分類

如何將高速的數據流分解為多路并行的低速數據流，在多個載波上同時進行傳輸是OFDM考慮的一個重點。對于低速并行的子載波，通過擴展符號周期，可以有效控制多徑效應所造成的時延擴展的影響程度。將保護時間插入OFDM符號后，碼間干擾的影響就基本上可以忽略不計了。

在OFDM系統中可用差分方式的調制解調，如DAB采用OFDM+DPSK，也可以用相干方式，如DVB-T采用OFDM-64QAM，還可以采用非相干方式。采用非相干方式和差分方式時，無需進行信道估計和信道均衡，而采用相干方式解調就必須進行信道估計和均衡。對于高速率數據艙來說，差分方式比相干方式的性能要差3dB。為了獲得更好的性能，對高數據速率系統要采用相干方式解調。

根據實現途徑，可將信道估計劃分為頻域信道估計算法和時域信道估計算法。時域信道估計算法根據的是時域抽樣定理，相應的頻域算法根據頻域的抽樣定理。事實上，只有符合抽樣定理，才能進行DFT/IDFT變換，從而理論上得到無失真的原信號。

根據是否使用輔助數據，把OFDM系統的信道估計粗略地劃分為：

①盲估計：采用盲估計方法時，即便發送數據未知，也不影響接收機對信道估計的完成情況，并且發送機無需發送特殊訓練序列。該方法大大提高了系統的頻譜效率，但為了得到可靠的信道估計接收機必須接收到足夠多的數據符號。

②半盲估計：該方法實際是在數據傳輸效率與收斂速度之間做一個折中，也就是借助少量的訓練序列來獲取信道數據。

③非盲估計：無線移動系統的信道時時變動，在很大程度上均限制了盲估計算法的使用。所以通常對無線通信系統來說，都必須定期或不定期地發送一定的訓練序列來訓練接收機的信道估計器。在使用這種方法達到我們的目的的同時，又會造成帶寬和功率損失，因此，比較適用于突發方式的傳輸系統，如WLAN等。在OFDM系統中，通常是利用規定某些子載波在需要的時刻傳送訓練序列，從而實現維持各子載波相互之間的正交性的目的，將這種方法稱為導頻。

4 基于導頻的OFDM信道估計方法

4.1 基本過程

將導頻插入發送端。借助導頻，導頻位置的信道信息可通過接收端進行恢復，繼而通過內插、濾波、變換等方式獲取所有時段的信道數據。

4.2 步驟

①發送端導頻的選擇與插入。

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圖2 梳狀導頻插入 圖3 塊狀導頻插入

②通過研究如何最有效地從導頻位置恢復出導頻時刻的信道信息，接收端基于所接收的導頻位置的信號估計信道傳輸參數■。

③將導頻插入數據流中進行信道估計，就能夠參考已知點上信道響應的采樣值對整個信道的響應進行估計。

4.3 信道估計的實現

信道估計的目的就是通過接收到的Z來估計信道的頻率響應H。常用的有兩種信道估計方法：最大似然準則（MLE）和最小均方誤差準則（MMSE）。

4.3.1 最大似然估計

使P（z；h）？塏■exp[■Z Bh■Z Bh極大

可以得到h的最大似然估值，即求S？塏Z Bh■Z Bh的最小值■■？塏（BHB）lBHZ，■■？滎■。

4.3.2 最小均方誤差準則（MMSE）

在無線信道中，假設h是一個Rayleigh分布的L*1復矢量，

使■（Z/h）？塏[Z ■（h）HS[Z ■（h）]P（h/Z）達到最小，

■■？塏（σ2Ch1 BHB）1BHr/λ，

其中Ch？塏E{hhH}，■■？滎■。

5 結論

本文對OFDM信道估計算法的研究背景、基本原理、分類以及實現方法進行了系統的分析和深入的探討，并進行了仿真實驗。隨著寬帶移動通信技術的發展，對OFDM技術的研究也持續推進，下一代的移動通信已經將其作為全面提高性能的核心技術。當然在研究的過程中，還有很多復雜的問題有待解決，如實現OFDM的關鍵技術之一，同步技術。

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