基于小波去噪的CMMB信道估計(jì)研究

孔慧芳 劉 杏 許建華 陳安軍

(1. 合肥工業(yè)大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，合肥 230009；2. 中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第41研究所，山東 青島 266555)

基于小波去噪的CMMB信道估計(jì)研究

孔慧芳1劉 杏1許建華2陳安軍2

(1. 合肥工業(yè)大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，合肥 230009；2. 中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第41研究所，山東 青島 266555)

介紹了一種適用于CMMB系統(tǒng)的信道估計(jì)和信道均衡方案。該方案利用最小二乘(LS)方法估計(jì)出導(dǎo)頻處的頻域響應(yīng)，對(duì)結(jié)果進(jìn)行小波去噪，減小加性噪聲的干擾，然后插值得到整個(gè)信道的頻域響應(yīng)，可有效減小高斯白噪聲的干擾和多徑干擾。在高斯白噪聲信道和多徑信道下的仿真驗(yàn)證結(jié)果表明：此方案能有效減小干擾，降低誤碼率，提高系統(tǒng)性能。

小波去噪 信道估計(jì) CMMB 最小二乘法 誤碼率

中國(guó)移動(dòng)多媒體廣播(China Mobile Multi-media Broadcasting，CMMB)是我國(guó)自主研發(fā)的由國(guó)家廣電總局正式頒布的中國(guó)移動(dòng)多媒體廣播行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[1]。CMMB系統(tǒng)物理層調(diào)制采用正交頻分復(fù)用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)結(jié)構(gòu)，OFDM 系統(tǒng)具有頻譜利用率高、數(shù)據(jù)傳輸速率快等優(yōu)點(diǎn)，但是對(duì)頻率偏移較為敏感。而從發(fā)射機(jī)到接收機(jī)信號(hào)的傳播路徑十分復(fù)雜，不但有直線(xiàn)傳播還有因反射而形成的多條不同延時(shí)和衰減的路徑傳播；另一方面，移動(dòng)通信系統(tǒng)經(jīng)常在高速移動(dòng)環(huán)境下工作，極易引起多普勒頻移[2]。這些因素對(duì)于OFDM系統(tǒng)都提出了很大的挑戰(zhàn)。

在系統(tǒng)接收端，為了能夠準(zhǔn)確地解調(diào)恢復(fù)有用信號(hào)，減小系統(tǒng)誤碼率，必須估計(jì)出信道對(duì)信號(hào)的影響并進(jìn)行補(bǔ)償，因此，信道估計(jì)是十分必要的。

常用的信道估計(jì)方法分為盲估計(jì)和基于導(dǎo)頻的信道估計(jì)。在CMMB系統(tǒng)中，發(fā)射端為了輔助接收端進(jìn)行信道估計(jì)，插入了傳輸固定值的導(dǎo)頻信號(hào)。因此，在本系統(tǒng)中采用基于導(dǎo)頻的信道估計(jì)。導(dǎo)頻處信道估計(jì)常用方法有最小二乘(LS)方法和最小均方誤差(MMSE)方法[3]。最小二乘算法不需要信道的先驗(yàn)統(tǒng)計(jì)信息且計(jì)算量小，在實(shí)際中得到廣泛應(yīng)用。對(duì)經(jīng)過(guò)最小二乘算法得到的結(jié)果進(jìn)行去噪處理，常用的有基于DFT的信道估計(jì)算法，將經(jīng)過(guò)IDFT變換的時(shí)域沖激響應(yīng)中除了最大的沖激響應(yīng)長(zhǎng)度之外的噪聲抽頭直接迫零，完成濾波再轉(zhuǎn)換到頻域得到去噪后的頻率響應(yīng)。但是由于在CMMB系統(tǒng)中，每個(gè)OFDM符號(hào)的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度不是2的整數(shù)次冪，在利用DFT和IDFT的過(guò)程中，不能使用FFT算法，導(dǎo)致計(jì)算量很大，在實(shí)際中不能得到廣泛應(yīng)用。為此，筆者采用最小二乘算法對(duì)導(dǎo)頻處進(jìn)行信道估計(jì)，并對(duì)導(dǎo)頻處的信道頻域響應(yīng)進(jìn)行小波去噪，通過(guò)插值算法得到整個(gè)信道的頻域響應(yīng)。

1 CMMB系統(tǒng)接收端結(jié)構(gòu)①

CMMB系統(tǒng)接收端的模型框圖如圖1所示。

圖1 CMMB系統(tǒng)接收端的模型框圖

對(duì)接收到的時(shí)域數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)的同步頭確定時(shí)隙起點(diǎn)，粗略估計(jì)出由于收發(fā)頻率不一致導(dǎo)致的頻偏，去除保護(hù)間隔和循環(huán)前綴后，確定快速傅里葉變換(Fast Fourier Transfer，F(xiàn)FT)開(kāi)窗位置，估計(jì)出數(shù)據(jù)頻偏，進(jìn)行FFT恢復(fù)出各子載波上的數(shù)據(jù)。提取出固定位置的導(dǎo)頻信息，計(jì)算并補(bǔ)償頻率偏移，并進(jìn)行信道估計(jì)，得到當(dāng)前的信道頻率響應(yīng)。通過(guò)信道均衡，補(bǔ)償消除信道的多徑衰落和多普勒頻移的影響，最后經(jīng)過(guò)解映射和軟判決解碼，完成整個(gè)接收端的解調(diào)解碼過(guò)程。

在信道估計(jì)模塊中，第n個(gè)OFDM符號(hào)持續(xù)期間，第k個(gè)子載波的接收信號(hào)可以表示為：

Y[n,k]=X[n,k]H[n,k]+W[n,k]

(1)

其中，Y[n，k]是接收的經(jīng)過(guò)FFT處理后的信號(hào)，X[n，k]是第n個(gè)調(diào)制在第k個(gè)子載波上的符號(hào)，H[n，k]是在第n個(gè)符號(hào)、第k個(gè)子載波的信道頻域響應(yīng)，W[n，k]是高斯白噪聲。信道估計(jì)的作用就是估計(jì)出H[n，k]，來(lái)恢復(fù)出發(fā)射端的原始信號(hào)。

2 無(wú)線(xiàn)信道特征

無(wú)線(xiàn)通信信道最明顯的特征就是多徑衰落效應(yīng)和時(shí)間變化特性，即存在一條以上的信號(hào)傳播路徑，且信道特性隨時(shí)間變化較快，具有明顯的隨參信道特性。多徑衰落效應(yīng)是由于障礙物的折射、散射或反射等原因造成的。不同路徑到達(dá)的信號(hào)由于行程不同，其幅度和時(shí)間延遲不同。接收信號(hào)就是由這些經(jīng)不同路徑到達(dá)的信號(hào)疊加的總和：

(2)

移動(dòng)多媒體的接收端通常處于高速移動(dòng)的環(huán)境中或傳播路徑中阻擋的物體的運(yùn)動(dòng)都能引起多普勒頻移，造成多普勒擴(kuò)展，體現(xiàn)為信道的時(shí)變特性。具有時(shí)變特性的信道會(huì)造成信號(hào)的失真。信

號(hào)的失真程度隨著持續(xù)時(shí)間或多普勒頻移的增加而增大。在移動(dòng)通信中多普勒頻移fd為：

(3)

3 信道估計(jì)算法

3.1基本信道估計(jì)算法

CMMB系統(tǒng)信道估計(jì)分為導(dǎo)頻處信道估計(jì)、非導(dǎo)頻位置即數(shù)據(jù)位置頻域響應(yīng)內(nèi)插和信道估計(jì)噪聲抑制3部分[4]。

由CMMB系統(tǒng)幀結(jié)構(gòu)可知，離散導(dǎo)頻分散在每個(gè)時(shí)隙、每個(gè)OFDM符號(hào)中并且固定傳送符號(hào)1+0j，由接收到的OFDM信號(hào)中離散導(dǎo)頻的頻域響應(yīng)值可以估計(jì)信道對(duì)信號(hào)的影響。

(4)

n=0,…,53；k=0,…,3076

得到導(dǎo)頻位置的頻率響應(yīng)值以后，通過(guò)插值算法可以得到有效數(shù)據(jù)位置的頻率響應(yīng)。根據(jù)CMMB子載波結(jié)構(gòu)示意圖的特點(diǎn)和信道的頻率相關(guān)性，筆者將1 537、1 538處的連續(xù)導(dǎo)頻用于插值計(jì)算中。根據(jù)文獻(xiàn)[5]，采用時(shí)頻二維一階插值算法，在相同信噪比的情況下，獲得較低的誤碼率，得到更為理想的信道估計(jì)效果。筆者在文獻(xiàn)[5]的基礎(chǔ)上，在頻域采用高斯插值算法，時(shí)域仍采用線(xiàn)性插值算法,則有：

(5)

式(5)中各參數(shù)值如下：

l=-P+1,…,-1,1,…,P-1

m=0,1,2,…

3.2基于小波去噪的信道估計(jì)

根據(jù)文獻(xiàn)[6]的方法，對(duì)插值后得到的信道頻率響應(yīng)進(jìn)行小波去噪，但是插值會(huì)使信號(hào)的噪聲能量減小，導(dǎo)致小波去噪時(shí)對(duì)噪聲方差的估計(jì)不準(zhǔn)確，降低小波去噪的性能。筆者采用先對(duì)導(dǎo)頻處的信道頻率響應(yīng)的實(shí)部和虛部分別進(jìn)行小波去噪，再進(jìn)行時(shí)頻二維插值的信道估計(jì)方法。小波分析用于去噪的一般過(guò)程如下[7]：

a. 分解過(guò)程，選定一種小波，對(duì)信號(hào)進(jìn)行N層小波(小波包)分解；

b. 作用閾值過(guò)程，對(duì)分解得到的各層系數(shù)選擇一個(gè)閾值，并對(duì)細(xì)節(jié)系數(shù)作用閾值處理；

c. 重建過(guò)程，降噪處理后的系數(shù)通過(guò)小波(小波包)重建恢復(fù)原始信號(hào)。

設(shè)f(x)為需要進(jìn)行小波去噪的一維信號(hào)。根據(jù)離散小波變換的定義，記：

φj,k=2-j/2φ(2-jx-k),ψj,k=2-j/2ψ(2-jx-k)

(6)

{φj,k(x)}、{ψj,k(x)}為小波基函數(shù)的母函數(shù)及其傅里葉變換。在第j層上的離散小波分解為：

(7)

(8)

j=0,1,…,J-1；k=0,1,…,M/2j-1

其中，M為輸入信號(hào)的長(zhǎng)度。hn,gn分別為低通與高通權(quán)系數(shù)，分別對(duì)應(yīng)離散信號(hào)的低頻概況和高頻細(xì)節(jié)。j為分解尺度，最多不超過(guò)M個(gè)。圖2為兩層小波分解示意圖。

圖2 信號(hào)f的兩層小波分解示意圖

理論證明[8]，對(duì)于含噪信號(hào)來(lái)說(shuō)，噪聲部分的細(xì)節(jié)信號(hào)的幅度和方差隨著小波分解尺度的增加不斷減小，而對(duì)應(yīng)于有用信號(hào)的近似信號(hào)不會(huì)隨著分解尺度的增加而減小。選取一個(gè)合適的λ作為閾值，當(dāng)分解系數(shù)小于這個(gè)臨界閾值時(shí)，認(rèn)為這時(shí)的分解系數(shù)主要是由噪聲引起的，予以舍棄；當(dāng)分解系數(shù)大于這個(gè)臨界閾值時(shí)，認(rèn)為這時(shí)的分解系數(shù)主要是由信號(hào)引起的，就把這一部分直接保留下來(lái)(硬閾值方法)或按照某一固定量向零收縮(軟閾值方法)[9]。

硬閾值函數(shù)為：

(9)

軟閾值函數(shù)為：

(10)

閾值λ的選取規(guī)則有4種：無(wú)偏似然估計(jì)、固定閾值估計(jì)、啟發(fā)式閾值估計(jì)和極值閾值估計(jì)[10]。筆者選取啟發(fā)式閾值并用軟閾值處理的方法進(jìn)行小波去噪。啟發(fā)式閾值是一種最優(yōu)預(yù)測(cè)變量的閾值，是前兩種閾值的綜合。如果信噪比較高，可采用無(wú)偏似然估計(jì)，給定一個(gè)閾值t，得到其似然估計(jì)，再將非似然t最小化，就可以得到選的閾值。如果信噪比很小，而無(wú)偏似然估計(jì)有很大的噪聲，就要采取固定的閾值[11]：

(11)

(12)

4 仿真分析

在Matlab 2012a環(huán)境下搭建CMMB系統(tǒng)接收端整體仿真模型，仿真參數(shù)如下：

物理層帶寬 8MHz

采樣頻率 10MHz

有效子載波數(shù)目 3 076

循環(huán)前綴長(zhǎng)度 51.2μs

OFDM符號(hào)長(zhǎng)度 460.8μs

子載波間隔 2.441 406 25kHz

經(jīng)過(guò)采樣時(shí)鐘同步、載波同步和符號(hào)同步之后，對(duì)頻偏進(jìn)行補(bǔ)償，提取導(dǎo)頻信息之后，進(jìn)行信道估計(jì)的仿真。其仿真參數(shù)如下：

信道類(lèi)型1 高斯白噪聲信道

信道類(lèi)型2 瑞麗多徑信道

調(diào)制方式 QPSK

閾值選擇準(zhǔn)則 啟發(fā)式閾值

閾值處理方法 軟閾值

圖3、4分別表示在fd×Tsym=0.0006平坦衰落慢變信道和fd×Tsym=0.004(Tsym表示符號(hào)周期)平坦衰落快變信道下線(xiàn)性插值、時(shí)頻二維插值與筆者所提信道估計(jì)方法的仿真分析曲線(xiàn)。可以看出，線(xiàn)性插值、時(shí)頻二維插值、筆者介紹的基于小波去噪的信道估計(jì)方法3種算法相比，性能逐步提高。這是因?yàn)閷?duì)導(dǎo)頻處的信道頻率響應(yīng)進(jìn)行小波閾值去噪之后，再利用時(shí)頻二維插值對(duì)噪聲采取了雙重抑制，有效減小了誤碼率，提高了信道估計(jì)的性能。在仿真過(guò)程中，選定合適的小波基函數(shù)和分解尺度都對(duì)基于小波去噪的信道估計(jì)的性能至關(guān)重要。

圖3 平坦衰落慢變信道下不同信道估計(jì)方法仿真

圖4 平坦衰落快變信道下不同信道估計(jì)方法仿真

5 結(jié)束語(yǔ)

筆者提出一種基于小波去噪的CMMB系統(tǒng)的信道估計(jì)算法。由于信道估計(jì)常用的最小二乘算法易受高斯白噪聲的影響，并且引入之后很難消除，采用小波去噪的方法對(duì)信道估計(jì)的結(jié)果進(jìn)行處理，經(jīng)過(guò)仿真驗(yàn)證，選擇適當(dāng)?shù)姆纸獬叨群突瘮?shù)在慢變衰落信道和快變衰落信道下都能有效降低誤碼率，獲得良好的信道估計(jì)性能。

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ResearchonChannelEstimationforCMMBSystemwithWaveletDe-noising

KONG Hui-fang1,LIU Xing1,XU Jian-hua2,CHEN An-jun2

(1.SchoolofElectricalEngineeringandAutomation,HefeiUniversityofTechnology,Hefei230009,China;2.The41stInstituteofCETC,Qingdao266555,China)

A channel estimation and equalization scheme for CMMB system was described, which has least square (LS) method adopted to estimate frequency response at pilot carriers and then implement wavelet de-noising to decrease interference from additive noise as well as interpolate for whole channel frequency re-

TP14

A

1000-3932(2016)10-1070-05

2016-09-04(修改稿)

國(guó)家重大科學(xué)儀器設(shè)備開(kāi)發(fā)專(zhuān)項(xiàng)(2012YQ200224，2013YQ200607)