基于DFT的短波OFDM系統信道估計改進算法

周小宇，王 飛，孟婷婷

（重慶郵電大學移動通信技術重慶市重點實驗室，重慶400065）

基于DFT的短波OFDM系統信道估計改進算法

周小宇，王 飛，孟婷婷

（重慶郵電大學移動通信技術重慶市重點實驗室，重慶400065）

傳統的DFT算法利用信道估計沖擊響應的長度小于循環前綴長度的原理，濾除了循環前綴碼長度以外的噪聲，循環前綴內的估計值仍存在噪聲，結合傳統DFT信道估計算法，提出了一種短波OFDM系統的基于DFT的改進信道估計算法，此算法首先進行傳統的DFT信道估計算法，濾除部分噪聲信號。再根據信道脈沖響應的幅值選取幅值最大的Ng/2個信號作為有用信號，然后用DFT得到的估計值的平均值替換其余Ng/2個信號，最后得到基于DFT改進算法的信道估計信號。仿真結果表明該算法性能有很大提高。

信道估計；DFT；短波；脈沖響應

0 引言

短波是工作在1.5～30 MHz頻段的電磁波進行通信的一種通信系統，短波通信具備無中繼遠程通信能力、網絡重構快捷、抗毀性強和保密性強等優點，所以短波通信在軍事、搶險救災等領域得到廣泛應用。但是，短波通信信道具有頻帶窄、衰落和多徑干擾嚴重、頻率選擇性衰落，因此引入OFDM調制技術就可以有效地彌補這些不足。而短波OFDM系統中，自適應的信道均衡器利用信道估計來對抗ISI的影響。分集技術利用信道估計實現與接收信號最佳匹配的接收機，所以信道估計是短波OFDM系統中比較關鍵的技術之一［1］。

文獻［2］提出了經典的導頻信道估計算法，此算法給信道容量帶來很大浪費，文獻［3］證明該算法的性能不是很好，LS算法比較簡單，但此算法沒有考慮信道中的噪聲影響，所以在低噪聲條件下采取此算法性能較好。基于此文獻［4］提出了基于DFT的信道估計算法，對沖擊函數進行濾波，濾除了循環前綴碼以外的噪聲，然而，前綴碼中仍然存在噪聲，為了彌補DFT算法不徹底，以及信道由于受噪聲的影響，信號的功率主要集中在前幾個信號抽頭較大的信號上，基于此提出了一種基于DFT改進的信道估計算法。

1 信道模型

短波OFDM系統的傳輸模型［5］如圖1所示。在發送端，首先根據預先規定的調制方案將輸入的二進制數據信息分組和映射。然后插入導頻，已調信號X（k）經過IFFT變換變成時域的x（n）。在相鄰的OFDM符號之間插入保護間隔（GI），用來消除符號之間干擾（ISI）。所發射信號通過具有窄帶高斯白噪聲的頻率選擇性衰落信道，在接收端，移除保護間隔（GI），然后信號就經過FFT變換再將其進行基于導頻的信號校正，最后將信號解調。

圖1 短波OFDM系統的傳輸模型

2 基于DFT的信道估計

在短波OFDM通信系統中，接收信號在去除循環前綴經過FFT處理后，在OFDM符號持續期間第k個子載波的接收符號可以表示為：

式中，Y（k）中為接收端收到信號，X（k）為輸入信號，W～（k）為信道噪聲信號。那么LS算法得出的信號初始估計值為：

式中，k為子載波數，令W～（k）/X（k）＝W（k），H（k）為真實信道沖擊響應函數，LS算法［6，7］得到的頻域估計做IDFT變換得出時域估計：

DFT算法［8，9］利用了短波OFDM通信系統的信道估計沖激響應的長度通常情況下小于循環前綴碼的長度。表明大于循環前綴碼的長度的估計值都為噪聲，用表達式可表示為：

從式（4）可以看出，Ng≤n≤N－1時的部分全應為噪聲，不含任何有用信息，因此把Ng≤n≤N－1時的估計值置0，其余值不變，就可以得到DFT算法信道估計表達式如式（5）所示：

雖然基于DFT信道估計算法濾除了循環前綴碼長度以外噪聲［10］，然而仍還有噪聲，為了濾除這部分別噪聲，提出一種基于DFT改進算法的信道估計。

3 基于DFT改進算法的信道估計

基于DFT的改進的信道估計算法的主要思想是：由于DFT算法的信道估計值中還存在噪聲，使得信號的的功率變化范圍很大，這樣解調出的信道有可能會失真，且短波信號的傳播具有嚴重時域彌散性［11］，為了減少這種影響。提出了DFT信道估計的改進算法，對基于DFT信道估計在0≤n≤Ng－1的hDFT（n）進行處理而其他不變，濾除其中的噪聲干擾。基于改進DFT算法的流程如圖2所示。

圖2 改進DFT算法的流程圖

改進的DFT算法步驟如下：

①利用LS準則得到信道的初始估計hLS（n ），然后利用DFT信道估計算法得到hDFT（n）；

②當0≤n≤Ng－1時，計算求得幅度的平均值

③由于短波OFDM信號具有稀疏性，有用信號大多數都集在幅度大的信號上，所以選擇hDFT（n）中幅值最大的Ng/2個信號作為有用信號；

④用U替換中其余幅值較小的Ng/2個信號；

⑤得到改進的DFT信道估計hDFT－U（n）；

⑥在對做DFT變換即可得基于DFT的改進算法的信道估計的值：

4 仿真分析

為了驗證信道估計性能，將基于LS算法和DFT算法與基于DFT改進算法的BER（Bit Error Rate）和MSE進行比較。MSE的定義［12］如下：

式中，～h為估計值，h為信道沖擊響應的實際值。

文本所用到參數如表1所示。理論上，在時間選擇性、頻率平坦性衰落信道條件下FDPSK調制性能優于TDPSK調制，但是，FDPSK調制則通過各相鄰子載波差分信息來傳輸數據，要求接收端在每幀進行幀內差分數據解調，因而，FDPSK調制要求高度精確的幀同步定時。而實際系統中，收發端的采樣時鐘差異和時變多徑信號的共同影響會導致幀同步誤差，引起FDPSK調性能惡化，所以在短波通信系統采用TDPSK調制。本文仿真是基于美國電信科學協會（ITS）根據短波電離層信道實測提出的一種寬帶短波信道模型，即寬帶短波信道ITS模型［13］，各子載波均采用4TDPSK調制方式，所需子載波數為1 024個，為了減少短波信道的快衰落，采用梳狀導頻結構。

表1 仿真所采用的信道參數

基于LS算法和DFT算法與基于DFT的改進算法的BER曲線如圖3所示。從圖中可以看出基于DFT的信道估計算法通過將沖擊響應中循環前綴長度以外的信號置零濾除部分噪聲，相對于不考慮噪聲影響的LS信道估計算法在BER性能上平均約有5 dB提升，而基于DFT的改進算法較傳統的DFT算法有3 dB的提升。

基于LS算法和DFT算法與基于DFT的改進算法的MSE曲線如圖4所示，從圖中可以看出當信噪比SNR小于2 dB時，基于LS算法和DFT算法與基于DFT的改進算法的MSE相差不大，而當信噪比SNR大于2 dB時，基于DFT的改進算法的MSE比基于LS算法和DFT算法的MSE都小。

圖3 BER曲線對比

圖4 MSE曲線對比

5 結束語

基于DFT的短波OFDM系統信道估計彌補基于LS算法大噪聲情況下沒有考慮噪聲的不足，利用信道估計沖擊響應的長度小于循環前綴長度的原理，濾除了循環前綴長度以外的噪聲。但是小于循環前綴的信號仍存在噪聲，基于DFT的改進算法的主要目的就是濾除這部分噪聲。首先選出循環前綴中信號幅度中最大的Ng/2個信號作為有用信號，然后用循環前綴中信號的平均值替換其余Ng/2個信號，最后得到基于DFT改進算法的信道估計信號。由仿真圖可以看出，基于DFT的短波OFDM系統信道估計改進算法性能優于傳統的DFT算法。

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Improved Channel Estimation Algorithm Based on DFT for Shortwave OFDM System

ZHOU Xiao－yu，WANG Fei，MENG Ting－ting
（Chongqing Key Lab of Mobile communications Technology，Chongqing University of Posts and Telecommunications，Chongqing 400065，China）

Utilizing the theory that the length of impulse response is shorter than thatof cyclic prefix，the conventional DFT channel estimation algorithm filters out the noises out of the cyclic prefix length.However，the estimated value still has noises within the cyclic prefix.Combining with the conventional DFT channel estimation algorithm，an improved DFT channel estimation algorithm is proposed for shortwave OFDM system.The algorithm uses the conventional DFT channel estimation algorithm to filter out part of the noises，and then selects the largest channel impulse response signal as useful signal according to themagnitude of the amplitude.It then uses the average value of the estimated values to replace the remaining signals，and finally obtains a signal based on the improved DFT estimated channel algorithm.The simulation results show that the channel estimation performance of this algorithm is greatly improved.

channel estimation；Discrete Fourier Transform；shortwave；impulse response

TN929.5

A

1003－3114（2015）04－37－3

10.3969/j.issn.1003－3114.2015.04.09

周小宇，王 飛，孟婷婷.基于DFT的短波OFDM系統信道估計改進算法［J］.無線電通信技術，2015，41（4）：37－39，55.

2015－03－05

長江學者和創新團隊發展計劃（IRT1299）；重慶市科委項目（CSTC2012jjA40044，cstc2013yykfA40010）；重慶市科委重點實驗室專項經費；重慶郵電大學自然科學基金項目（A2011－51）；應急通信重慶市重點實驗室開放課題資助。

周小宇（1990—），女，碩士研究生，主要研究方向：移動通信與移動互聯網及短波通信。王飛（1989—），男，碩士研究生，主要研究方向：圖像處理及信號處理。