崔　金，邵定蓉，張　波，張彥仲

(北京航空航天大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，北京100191)

基于偽噪聲序列的OFDM信道估計(jì)方法*

崔金，邵定蓉，張波，張彥仲

(北京航空航天大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，北京100191)

針對(duì)正交頻分復(fù)用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）的應(yīng)用及需求，提出一種基于偽噪聲（pseudo-noise）序列的 OFDM系統(tǒng)模型，并針對(duì)其信道估計(jì)均衡需求，提出一種基于迭代的信道估計(jì)算法和低復(fù)雜度的頻域均衡算法。最后在高斯白噪聲信道、存在多普勒頻移瑞利信道、雙徑延遲信道下，對(duì)誤碼率性能進(jìn)行仿真和分析。結(jié)果表明，該方法適用于常見(jiàn)信道，誤碼率性能優(yōu)于傳統(tǒng)循環(huán)前綴（Cyclic Prefix，CP）OFDM，且通過(guò)迭代能夠提高性能。以上研究結(jié)果可應(yīng)用于OFDM數(shù)字電視地面廣播工程。

正交頻分復(fù)用；信道估計(jì)；偽噪聲序列；迭代；多普勒頻移

0　引言

正交頻分復(fù)用技術(shù)(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)可以很好地對(duì)抗頻率選擇性衰落，消除多徑效應(yīng)帶來(lái)的符號(hào)間干擾(Inter Symbol Interference，ISI)[1-2]，因此 OFDM 被認(rèn)為是數(shù)字電視傳輸中很有發(fā)展前途的技術(shù)[3-4]。目前常見(jiàn)的 OFDM大多采取循環(huán)前綴(Cyclic Prefix，CP)OFDM方式。CP-OFDM技術(shù)具有解調(diào)上的便利，但是這種傳輸結(jié)構(gòu)降低了數(shù)據(jù)傳輸效率，并且信道估計(jì)過(guò)程在數(shù)據(jù)塊中插入了導(dǎo)頻或訓(xùn)練序列、實(shí)時(shí)跟蹤和估計(jì)信道，進(jìn)一步降低了系統(tǒng)傳輸效率[5，6]。

本文提出一種新的OFDM模型，即基于偽噪聲(Pseudo-noise)序列的 OFDM模型，無(wú)需插入導(dǎo)頻和循環(huán)前綴，可實(shí)現(xiàn)低復(fù)雜度信道估計(jì)和頻域均衡，可以有效提高傳輸效率，且性能優(yōu)于傳統(tǒng)CP-OFDM，適用于數(shù)字電視地面廣播的工程應(yīng)用。

1　基于PN序列的OFDM模型

針對(duì)CP-OFDM技術(shù)的不足，本文提出了基于PN序列的OFDM模型。它使用PN序列作為前綴，并利用前綴完成信道估計(jì)，可以完成低復(fù)雜度信道估計(jì)和均衡，并可以通過(guò)迭代算法消除誤差提高精度，相比傳統(tǒng)OFDM無(wú)需單獨(dú)發(fā)送導(dǎo)頻，可顯著提高傳輸效率，實(shí)現(xiàn)低復(fù)雜度頻域均衡。該方法信道估計(jì)能力具有一定的實(shí)時(shí)性，可以適應(yīng)常見(jiàn)信道。下面給出其模型和數(shù)學(xué)原理。

OFDM模型的第i個(gè) N×1輸入向量s?N(i)首先做快速逆傅里葉變換（inverse fast Fourier transform，IFFT）。

PN序列為 p=[p1，p2，…，pM]T，發(fā)送向量的并行寬度為P=N+M。

對(duì)應(yīng)的P×1發(fā)送向量為：

多徑信道的沖激響應(yīng)長(zhǎng)度L≤M，其傳遞函數(shù)表示為：

在第i幀OFDM數(shù)據(jù)中，定義數(shù)據(jù)塊zi為：

其中，pi+1表示第i+1個(gè) OFDM符號(hào)中插入的 PN序列。定義第i個(gè)OFDM的信號(hào)幀zi：

其中，wi，n是均值為零的復(fù)高斯白噪聲。從式(7)知，由于沒(méi)有循環(huán)前綴的保護(hù)，OFDM數(shù)據(jù)和前綴將受到來(lái)自相鄰前綴或OFDM信號(hào)的多徑干擾。因此，不能直接采用頻域均衡，必須首先消除多徑干擾，才能有效地估計(jì)信道。

2　信道估計(jì)算法

由于添加了相同的PN序列，因此PN序列可以視為OFDM數(shù)據(jù)塊zi的循環(huán)前綴，其信道響應(yīng)ri滿足圓卷積

頻域滿足

根據(jù)式(7)，PN序列對(duì)應(yīng)的時(shí)域響應(yīng)p?i：

受到多徑信道影響，PN序列的響應(yīng)將受到載波間干擾（Inter-carrier interference，ICI），尾部數(shù)據(jù)也將受到 ISI，在估計(jì)信道狀態(tài)信息時(shí)，首先必須消除兩段干擾，得到PN序列與信道狀態(tài)信息的卷積結(jié)果。

信道估計(jì)的算法分以下幾個(gè)步驟：

其中，IFFT(X)和FFT(X)分別表示對(duì)數(shù)據(jù)X做IFFT、FFT變換，得到時(shí)域信道響應(yīng)。

利用式(8)，估計(jì)ISI并消除。

3　性能仿真分析

本文在美國(guó)Math Works出品的Mathlab R2014a環(huán)境下進(jìn)行仿真。在AWGN信道、存在多普勒頻移的瑞利信道、雙徑延遲信道下，對(duì)誤碼率性能進(jìn)行了分析，重點(diǎn)比較該模型和傳統(tǒng)CP-OFDM的性能。仿真OFDM參數(shù)如表1所示。

表1　OFDM的參數(shù)

由圖1可知，在AWGN信道下，模型的誤碼率性能好于CP-OFDM。

之后仿真發(fā)送端采用信道編碼，信道編碼為約束長(zhǎng)度N=7的（133,171）卷積碼。

圖2給出該算法和CP-OFDM的誤碼率比較。從圖中可看出，在10-4數(shù)量級(jí)下，基于PN序列的OFDM算法比CP-OFDM誤碼率性能大約有6 dB的提升。

由圖3可知，在雙徑信道v=20 m/s時(shí)，基于PN序列的OFDM算法性能明顯好于CP-OFDM，且由仿真結(jié)果可知，通過(guò)迭代可以消除干擾，提高系統(tǒng)性能。

圖1　AWGN信道下的誤碼率性能比較

圖2　瑞利信道下的誤碼率性能比較，v=10 m/s

圖3　雙徑信道下的性能比較，v=20 m/s

4　結(jié)論

本文針對(duì)傳統(tǒng)插入導(dǎo)頻的CP-OFDM存在的問(wèn)題，提出了一種基于PN序列的OFDM系統(tǒng)模型，該模型相比CP-OFDM無(wú)需插入導(dǎo)頻，利用PN序列作為保護(hù)間隔并進(jìn)行信道估計(jì)，能達(dá)到有效提高傳輸效率的目的。該方法適用于數(shù)字電視地面廣播，且在常見(jiàn)信道下性能優(yōu)于傳統(tǒng)OFDM。

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OFDM Channel estimation based on pseudo-noise sequence

Cui Jin，Shao Dingrong，Zhang Bo，Zhang Yanzhong
(School of Electronic and Information Engineering,Beihang University，Beijing 100191，China)

A model of orthogonal frequency division multiplexing(OFDM)system based on the pseudo-noise sequence is designed in this paper.Meanwhile,an iterative algorithm for channel estimation and a frequency domain equalization algorithm of low complexity are proposed to satisfy the equalization demand in channel estimation of this model.Then simulations are carried out corresponding to a Gauss white noise channel,a Rayleigh channel with a Doppler frequency shift and a double path delay channel.And the bit error rates(BER)are calculated respectively.Analysis results indicate that the method applies to usual channels and has a superior BER over traditional cyclic prefix OFDM(CP-OFDM).Moreover,its performance can be further improved though iteration. All findings mentioned above can be applied in OFDM digital television terrestrial broadcasting engineering.

OFDM；channel estimation；pseudo-noise sequence；iteration；Doppler frequency-shift

TN929.5

A

0258-7998(2015)02-0106-03

10.16157/j.issn.0258-7998.2015.02.025

國(guó)家 863計(jì)劃資助項(xiàng)目（2011AA120501）；國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（61171070）

2014-07-28)

崔金（1986-），男，博士研究生，主要研究方向：無(wú)線通信，通信網(wǎng)絡(luò)，電子技術(shù)。

邵定蓉（1937-），男，教授，博導(dǎo)，主要研究方向：擴(kuò)頻通信，電子技術(shù)及其應(yīng)用。

張彥仲（1940-），男，博士，主要研究方向：通信網(wǎng)絡(luò)，信號(hào)處理，電子技術(shù)。