一種OFDM系統(tǒng)中實用的干擾抑制信道估新計算法
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作者：張毅
1 引言
OFDM（正交頻分復(fù)用）是一種多載波傳輸技術(shù)，它的主要思想是將整個信道分成若干個正交的子信道，在每個子信道上進(jìn)行信號的調(diào)制和傳輸，從而提高頻帶利用率。OFDM已在多種無線通信系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用，如數(shù)字音頻廣播(DAB)系統(tǒng)、數(shù)字視頻廣播(DVB)系統(tǒng)、無線局域網(wǎng)(WLAN)以及第四代移動通信系統(tǒng)(LTE)等。在大多數(shù)OFDM系統(tǒng)中，為了獲得較好的接收性能，都采取了基于頻域的訓(xùn)練序列進(jìn)行信道估計。頻域訓(xùn)練序列最簡單的信道估計算法是最小二乘(least square，LS)準(zhǔn)則。
典型的基于頻域訓(xùn)練序列的信道估計原理如圖1所示。
根據(jù)信道估計原理，接收到的信號y，可以表示為：
其中，Y（k,ι）是接收信號的頻域數(shù)據(jù)，H(k，ι)是信道頻域沖擊響應(yīng)，X(k,ι)是發(fā)射信號的頻域數(shù)據(jù)，N是信道白噪聲的頻域數(shù)據(jù)。
所謂LS信道估計就是：
其中，HLS(k，ι)即信道估計的頻域數(shù)據(jù)。但實際上：
由式(3)可以看到，LS信道估計的結(jié)果HLS(k,f)相對于實際信道H(k，f)來講，忽略了噪聲N對信道的影響。為了提升LS信道估計的性能，Jang J H等人對LS信道估計中忽略的噪聲進(jìn)行研究，提出將LS頻域信道估計的結(jié)果通過DFT變換到時域進(jìn)行噪聲消除的算法．取得了逼近理想信道估計的性能。
然而，在寬帶OFDM系統(tǒng)中，傳輸信道除了受多徑和噪聲影響外，還可能遇到帶內(nèi)的突發(fā)窄帶干擾，意即：
其中，I(ki,ι)是OFDM無線傳輸信道內(nèi)的窄帶干擾，如果采用LS信道估計，有：
由式(5)可以看到，噪聲和干擾都會影響璐信道估計的結(jié)果。當(dāng)信道中存在窄帶干擾時，如果僅進(jìn)行噪聲消除，OFDM系統(tǒng)的傳輸性能會大大降低，對系統(tǒng)的工程應(yīng)用范圍也有負(fù)面影響。為了提升OFDM系統(tǒng)在工程應(yīng)用中的性能，本文在保證算法復(fù)雜度可實現(xiàn)的基礎(chǔ)上，提出一種實用的干擾抑制信道估計算法，有效彌補了LS信道估計在噪聲消除和干擾抑制方面的不足，并通過仿真驗證了算法的性能。
2 基于DFT的信道估計算法
通過時域信道估計進(jìn)行降噪的算法思想如圖2所示。
根據(jù)參考有：
其中，ai代表不同多徑上的增益，L代表最大多徑時延，hIs(n,ι)代表信道的時域沖擊響應(yīng)。由于信道的多徑傳播，對于時域信道估計，可以認(rèn)為在多徑時延內(nèi)的抽頭是信號、干擾和熱噪聲共同作用的結(jié)果，而其他位置的抽頭就是干擾和熱噪聲共同作用的結(jié)果，意即：
從而，可以通過對多徑時延外的信號進(jìn)行噪聲估計，實現(xiàn)時域信道估計的降噪。不過，由于實際信道的多徑時延不可能恰好是OFDM最小采樣間隔的整數(shù)倍，時域信道沖激響應(yīng)在多徑時延外存在功率泄露，所以工程實現(xiàn)的方案是通過比對噪聲門限來消除LS信道估計結(jié)果中的噪聲。
基于DFT的信道估計算法過程如下。
(1)對LS信道估計結(jié)果進(jìn)行IFFT得到時域信道沖激響應(yīng)為：
- 提取時域沖激響應(yīng)的多徑抽頭，并進(jìn)行降噪處理：
其中，hPP(n,ι)為降噪處理后的時域信道沖擊響應(yīng)，Γ為降噪門限，可以通過仿真來輔助制定，實際通信系統(tǒng)中還可以通過對信道環(huán)境的實測結(jié)果進(jìn)行動態(tài)配置。
(3)求取噪聲消除后的頻域信道估計
其中，HPP(k，f)為降噪處理后的頻域信道沖擊響應(yīng)。
基于DFT的信道估計算法的核心思想是對頻域的LS信道估計進(jìn)行一次時頻變換，在時頻進(jìn)行噪聲估計和消除，從而提高LS信道估計的性能。
3干擾抑制信道估計方法
由于窄帶干擾的時域特性體現(xiàn)為噪底抬高，當(dāng)信道中存在窄帶干擾時，如果直接基于DFT的信道估計算法會引起信道噪聲估計偏大，降噪后的信道估計不準(zhǔn)確，并且隨著信噪比的提升，信道估計的誤差會越大，導(dǎo)致最終的接收性能在降噪后反而更加惡化。
對比式(8)，疊加干擾之后的LS時域信道估計hLS(n,ι)應(yīng)表示為：
其中，hI(n,f)是對干擾信號進(jìn)行LS信道估計后的時域波形。
因為噪聲具有帶內(nèi)隨機(jī)性，而干擾存在于特定頻段，因此對于式(11)進(jìn)行降噪操作不會改變信號和干擾的頻域特性，即：
從而：
根據(jù)式(13)，在受到干擾的頻點ki存在
分量，由此可以設(shè)置判決門限識別出受到干擾的頻段，通過鄰頻段的信道估計對干擾頻段的信道進(jìn)行插值估計，以達(dá)到抑制干擾影響信道估計性能的效果。實際工程應(yīng)用中，干擾無法事先消除，因此Hpp(k,ι)不可得，只能用HLS(k,ι)近似代替。
干擾抑制信道估計的實現(xiàn)過程如圖3所示。
干擾抑制算法的核心思想是通過比對降噪前后頻域信道估計結(jié)果，識別出被干擾的頻段，用領(lǐng)頻段的信道估計結(jié)果進(jìn)行插值，在此基礎(chǔ)上再進(jìn)行噪聲消除，從而得到更為準(zhǔn)確的信道估計結(jié)果。在實現(xiàn)上，干擾抑制信道估計算法只需要對LS信道估計結(jié)果進(jìn)行3次FFT/IFFT，即可完成噪聲消除和干擾抑制，算法的工程可實現(xiàn)性非常高。
干擾抑制算法過程如下。
(1)對LS信道估計結(jié)果進(jìn)行IFFT得到時域信道沖激響應(yīng)：
- 提取時域沖激響應(yīng)的多徑抽頭，并進(jìn)行降噪處理：
(3)求取噪聲消除后的頻域信道估計HPP(k,ι)=FF[HPP(N,ι)]
(4)判斷并識別干擾頻段：
其中，Γ為干擾門限。
(5)對受到干擾的HLS(kI,ι)用鄰頻段HLS(k’,ι)插值，得到新的HLS(kI，ι)。
(6)對新的HS(kI,ι)重新執(zhí)行一次步驟(1)~(3)，得到最終的HPP(k，ι)。
值得注意的是，干擾抑制算法只是抑制了干擾對信道估計性能的影響，并不能消除信道上的干擾，頻域數(shù)據(jù)在均衡之后還應(yīng)將對應(yīng)干擾頻段的軟符號采取置0操作，通過信道譯碼完整恢復(fù)原始發(fā)送信號。
4仿真結(jié)果和分析
為了驗證本文所提出的OFDM系統(tǒng)干擾抑制信道估計算法的性能，主要針對多徑信道和疊加窄帶干擾的多徑信道進(jìn)行算法仿真，通過對比系統(tǒng)解調(diào)性能說明算法的性能。仿真的OFDM系統(tǒng)共有512個子載波，塊狀安置導(dǎo)頻，原始比特采用Turbo編碼，調(diào)制方式為QPSK。仿真中假定系統(tǒng)已精確同步，從而排除同步誤差引起的性能差異。
仿真采用的多徑信道為3GPP建議的TU信道模型，相關(guān)參數(shù)的設(shè)置見表1。
圖4是在標(biāo)準(zhǔn)多徑信道下的仿真結(jié)果。可以看到，LS信道估計的性能受噪聲影響比較大，基于本文所提出的干擾抑制信道算法的系統(tǒng)接收性能可以提升3 dB以上，說明本文提出的干擾抑制信道估計算法在城市通信環(huán)境下具有良好的性能。
當(dāng)信道中存在一個信號強度2倍于OFDM符號的單音干擾時，如果只進(jìn)行噪聲消除而不采取干擾抑制措施，基于DFT的降噪算法會將窄帶干擾誤判為噪聲，導(dǎo)致信道估計出現(xiàn)錯誤，采用降噪信道估計的系統(tǒng)會產(chǎn)生如圖5所示的瓶底效應(yīng)。由于窄帶干擾只對部分頻段帶來影響，采用LS信道估計的OFDM系統(tǒng)反而能夠隨著信噪比的增加而改善系統(tǒng)性能。
采用本文的干擾抑制算法后，OFDM系統(tǒng)性能將發(fā)生質(zhì)的改變，如圖6所示，相對于沒有干擾的信道場景，系統(tǒng)性能降低在1.5 dB以內(nèi)。
5結(jié)束語
本文著眼于OFDM關(guān)鍵技術(shù)之一的信道估計，在傳統(tǒng)LS信道估計結(jié)果基礎(chǔ)上通過3次IFFT/FFT完成噪聲消除和干擾抑制，保持了LS信道估計實現(xiàn)簡單的優(yōu)勢，提升了信道估計的準(zhǔn)確度，擴(kuò)大了OFDM系統(tǒng)的工程應(yīng)用場景。仿真結(jié)果表明，采取干擾抑制信道估計方法相對于傳統(tǒng)LS信道估計解調(diào)性能在高斯信道下解調(diào)性能提升3 dB，在多徑信道下提升2 dB以上；在信道存在窄帶干擾的情況下，干擾抑制算法發(fā)揮作用，性能只有1 dB的惡化。目前這種干擾抑制的信道估計方法已經(jīng)在FreescaleMSC8157處理器上開發(fā)實現(xiàn)，系統(tǒng)集成測試性能與仿真結(jié)果基本吻合，正在進(jìn)行實際環(huán)境應(yīng)用測試。
6摘要：針對OFDM系統(tǒng)中LS信道估計在噪聲消除和干擾抑制上的不足，提出一種干擾抑制信道估計算法。算法利用OFDM信號的時頻二維特性，在LS信道估計基礎(chǔ)上通過3次FFT/IFFT實現(xiàn)信道噪聲消除和窄帶干擾抑制，算法復(fù)雜度低，具有較好的工程可行性。算法仿真結(jié)果表明，這種干擾抑制的信道估計性能比傳統(tǒng)LS信道估計在多徑信道下的性能提升3 dB以上，在有窄帶干擾的場景下系統(tǒng)性能損失在1.5 dB以內(nèi)。
