吳君欽，賴麗萍

(江西理工大學(xué) 信息工程學(xué)院，江西 贛州 341000)

?

結(jié)合小波變換與子載波加權(quán)的OFDM-OQAM信道估計算法

吳君欽，賴麗萍

(江西理工大學(xué) 信息工程學(xué)院，江西 贛州 341000)

摘要:基于IAM導(dǎo)頻結(jié)構(gòu)的OFDM/OQAM信道估計算法只考慮了導(dǎo)頻周圍數(shù)據(jù)點對于信道估計的影響，忽略了子載波相關(guān)性和噪聲對信道估計的影響。在分析了IAM導(dǎo)頻結(jié)構(gòu)、子載波之間的相關(guān)性和接收端信道頻率響應(yīng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，提出一種結(jié)合小波變換和子載波加權(quán)的OFDM/OQAM信道估計算法。該算法中，首先通過導(dǎo)頻與導(dǎo)頻周圍數(shù)據(jù)點對導(dǎo)頻的干擾計算出信道的頻率響應(yīng)。其次，對頻率響應(yīng)進行加權(quán)處理。最后，用小波算法對加權(quán)后的頻率響應(yīng)進行去噪處理，減小噪聲對信道估計的影響。實驗結(jié)果表明，本算法改進了信道估計的性能，降低了信道的誤碼率。

關(guān)鍵詞:OFDM/OQAM;信道估計;小波去噪;誤碼率

正交頻分復(fù)用[1](Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)技術(shù)因其滿足大容量高速率的通信需求成為了當前和未來無線通信的標準。而正交頻分復(fù)用/偏移正交幅度調(diào)制(OFDM/Offset QAM，OFDM/ OQAM[2])系統(tǒng)由于實數(shù)域正交而虛部不正交，需要將復(fù)數(shù)符號中的實部和虛部以半個符號周期為間隔分開發(fā)送，而當實虛部發(fā)送信號經(jīng)過多徑信道后，如果沒有數(shù)據(jù)均衡，接收端接收的數(shù)據(jù)將會嚴重失真，因此信道估計是一項很重要的工作。

然而OFDM/OQAM的正交性只在實數(shù)域上成立，并且發(fā)送端發(fā)送的實數(shù)符號會對虛部產(chǎn)生干擾，所以傳統(tǒng)的OFDM信道估計不能直接用于OFDM/OQAM系統(tǒng)中，改進導(dǎo)頻結(jié)構(gòu)[3-4]是一種常用的OFDM/OQAM信道估計方法。文獻[3]從改進導(dǎo)頻結(jié)構(gòu)出發(fā)，提出基于IAM1、IAM2導(dǎo)頻的信道估計方法。文獻[4]通過分析文獻[3]中的導(dǎo)頻結(jié)構(gòu)的不足，提出一種改進的IAM3導(dǎo)頻的信道估計方法。文獻[3-4]中的信道估計方法僅考慮到了導(dǎo)頻結(jié)構(gòu)對于OFDM/OQAM信道估計的影響，忽略了載波間相關(guān)性和噪聲對于信道估計的影響。子載波估計值加權(quán)算法[5]可以用來降低子載波間的干擾。本文算法是在基于IAM導(dǎo)頻信道估計算法的基礎(chǔ)上，結(jié)合文獻[5]中子載波估計加權(quán)算法來降低子載波間的干擾，同時引入小波算法進一步去除信道噪聲對于信道估計的影響。實驗結(jié)果驗證了本文算法的可行性，達到了改善OFDM/OQAM信道估計的目的。

1基于IAM導(dǎo)頻的OFDM/OQAM信道估計

1.1OFDM/OQAM系統(tǒng)模型

OFDM/OQAM基帶等效發(fā)送信號可以表示為

(1)

式中：N表示子載波個數(shù)；a(m，n)表示時刻n和子載波m上傳輸?shù)姆?；gm,n(t)表示成型濾波器[6]的時頻特性，它通過下面的時頻變換得到

gm,n(t)=e-jπ/2(m+n)ej2πmv0tg(t-nτ0)

(2)

式中：v0表示子載波間的間隔；τ0是實部與虛部間的時間偏移，它與傳統(tǒng)帶有循環(huán)前綴的OFDM系統(tǒng)的符號周期T及載波間隔F間的關(guān)系為

T=2τ0=1/F=1/v0

(3)

OFDM/OQAM正交性條件表示為

(4)

(5)

條件Ep,qm,nm-p=-1m-p=0m-p=1n-q=-1-0.0-0.2501i-0.0-2183i-0.0-2501in-q=00+0.5004i0.9997-0.00.0-0.5004in-q=10.0-2501i0.0+2183i0.0-2501i

信號經(jīng)過信道后，接收端接收到的信號時域可以表示為

y(t)=s(t)*h(t)+η(t)

(6)

式中：*表示卷積；η(t)表示信道噪聲；h(t)表示信道沖擊響應(yīng)。接收信號在頻域內(nèi)可表示為

(7)

OFDM/OQAM系統(tǒng)的信道估計可以表示為

(8)

1.2基于IAM導(dǎo)頻結(jié)構(gòu)的信道估計

IAM1，IAM2導(dǎo)頻及其文獻[4]改進的IAM3導(dǎo)頻結(jié)構(gòu)如圖1～圖3所示。

圖1　IAM1導(dǎo)頻結(jié)構(gòu)

圖2　IAM2 導(dǎo)頻結(jié)構(gòu)

圖3　IAM3 導(dǎo)頻結(jié)構(gòu)

對導(dǎo)頻點位置的干擾值計算公式為

(9)

2結(jié)合小波變換與子載波加權(quán)的OFDM-OQAM信道估計算法

2.1算法思想

通過上文介紹，可以看出IAM1，IAM2，IAM3都只是改進導(dǎo)頻結(jié)構(gòu)來改善信道估計的，并未考慮子載波間的干擾和傳輸過程中的噪聲。在真實的信道中子載波間的相互干擾和傳輸過程中的噪聲都會對信道估計產(chǎn)生影響，因此，為了得到更理想的信道參數(shù)，在進行信道估計時，同時考慮子載波干擾和信道噪聲對信道估計的影響，將能有效地改善信道估計的效果。

2.2子載波估計值加權(quán)算法

(10)

式中：L為最大多徑時延；h為信道沖激響應(yīng)；N為進行DFT點數(shù)。

考慮一般情況，將以m0為中心的m0-(K-1)/2到m0+(K-1)/2個子載波的頻率響應(yīng)H進行加權(quán)處理后，即

(11)

式中：Δm0+i,m0=|Hm0+i-Hm0|，δm0+i為高斯白噪聲。根據(jù)文獻[5]，對子載波進行加權(quán)后，信道的增益為

(12)

從式(12)可以看出，信道增益與加權(quán)系數(shù)K密切相關(guān)。K值的選取對處理增益有很大的影響，根據(jù)文獻[5]，可以通過以下步驟確定最佳加權(quán)系數(shù)K：

3)將ρm0+p,n0+q和Sin/Nin帶入上式，計算出使得處理增益G取最大值的K。

在文獻[5]中，當K=7時，信道獲得最高的處理增益，處理增益比K=1(未進行加權(quán))時提高了6.5dB。由于本文采用的信道同文獻[5]中所采用的信道相同，同為IEEE802.22a的標準信道，為了簡單起見，在本文中選取K=7對子載波進行加權(quán)處理。

2.3信道的小波去噪

根據(jù)式(8)可以看出，信道估計由實際信道頻率響應(yīng)(第一部分)和噪聲干擾(第二部分)組成，在基于IAM1，IAM2，IAM3的信道估計算法，都只考慮了導(dǎo)頻點周圍數(shù)據(jù)對信道估計的影響，忽略了噪聲ηc的影響和子載波間干擾。文獻[5]中，從子載波的相關(guān)性的角度對信道進行估計，并未將噪聲影響和導(dǎo)頻點周圍數(shù)據(jù)對信道估計的影響考慮在內(nèi)。本小節(jié)用小波對信道進行去噪的目的就是對信道頻率響應(yīng)的第二部分進行降噪處理，使得信道估計更加接近于真實值，增強算法的適應(yīng)性。

小波[9]具有良好的多分辨率的特性，在信號處理領(lǐng)域是一種常用的處理數(shù)據(jù)的方法。小波去噪主要根據(jù)所選閾值進行去噪處理，常用為小波去噪的表示

(13)

對小波高頻系數(shù)w(i,j)重構(gòu)常用的方法有軟閾值[14]和硬閾值方法[15]，分別為式(14)和式(15)所示

(14)

(15)

信號經(jīng)過小波變換后，得到信號多分辨率的頻域表示。用閾值方法對小波高頻系數(shù)進行處理后，重構(gòu)出信道的原始數(shù)據(jù)，從而完成去噪的處理過程。

子載波加權(quán)算法基于IAM2導(dǎo)頻結(jié)構(gòu)，在本文中使用的導(dǎo)頻結(jié)構(gòu)為IAM2。本文算法可以概括如下：

1)基于IAM2 的方法估計出信道頻率響應(yīng)。

2)對信道頻率響應(yīng)進行子載波加權(quán)處理。

3)對信道頻率響應(yīng)進行小波去噪。

3仿真結(jié)果及分析

本文所使用的信道是IEEE802.22的標準信道，各路徑的功率分別為-6dB，0dB，-7dB，-16dB，-20dB，-22dB；各路徑時延分別為0μs，3μs，8μs，11μs，13μs，21μs；子載波數(shù)為2 048，發(fā)送符號數(shù)為40，調(diào)制方式為QPSK，編碼方式為卷積編碼[133，171]。本文使用的軟硬件環(huán)境為Matlab2010b，WIN7，I3處理器，3Gbyte內(nèi)存。

為了比較本文算法與基于改進導(dǎo)頻結(jié)構(gòu)算法的性能，將本文算法與IAM1，IAM2和文獻[4]改進的導(dǎo)頻結(jié)構(gòu)進行對比。誤碼率的比較結(jié)果如圖5所示。

圖5　不同算法的BER比較1

從圖5可以看出，不同信噪比下，本文算法獲得了最小的誤碼率。在IAM1，IAM2導(dǎo)頻結(jié)構(gòu)下得出的誤碼率較高。文獻[4]在IAM1，IAM2導(dǎo)頻結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，通過觀察導(dǎo)頻周圍數(shù)據(jù)點的符號，在保持總能量不變的前提下選取了最佳的導(dǎo)頻結(jié)構(gòu)，能夠使誤碼率進一步減小。然而，不管是IAM1，IAM2還是文獻[4]，都只考慮了導(dǎo)頻周圍數(shù)據(jù)點對信道估計的影響。對于多載波的OFDM/OQAM系統(tǒng)而言，子載波間的相互干擾會對信道估計結(jié)果產(chǎn)生影響。在改進導(dǎo)頻結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，盡量消除子載波的影響將能有效改進信道估計的性能。從圖5可以看出本文算法比文獻[4]中的最佳導(dǎo)頻結(jié)構(gòu)還有更小的誤碼率，驗證了本文算法比基于改善導(dǎo)頻結(jié)構(gòu)的算法有更好的信道估計性能。

進一步進行比較實驗，將本文算法與文獻[5]中基于子載波加權(quán)算法進行比較，誤碼率的比較結(jié)果如圖6所示。

圖6　不同算法的BER比較2

從圖6可以看出，本文算法比文獻[5]算法有更低的誤碼率。在實際信道中，信道噪聲不可避免地會引入到最終接收到的信號中。文獻[5]中只是進行了子載波加權(quán)處理，沒有考慮到噪聲對信道估計的影響。結(jié)合子載波加權(quán)與小波去噪來進行信道估計，將能夠改進信道估計的性能，圖6中的最終結(jié)果驗證了這個結(jié)論。

4結(jié)束語

本文在分析了基于IAM導(dǎo)頻的信道估計算法的不足，將子載波加權(quán)和小波去噪引入到OFDM/OQAM的信道估計中，有效地改善了信道估計的性能。但現(xiàn)實信道通常都具有稀疏性的結(jié)構(gòu)，如何利用這種稀疏性結(jié)構(gòu)來提高信道估計的性能是下一步研究的重點。

參考文獻：

[1]趙旺興，萬群，陳章鑫.基于OFDM循環(huán)前綴LS信道估計的構(gòu)造方法[J].通信學(xué)報，2013(3)：175-182.

[2]KOFIDIS E，KATSELIS D，RONTOGIANNIS A，et al.Preamble-based channel estimation in OFDM/OQAM systems：a review[J].Signal processing，2013，93(7)：2038-2054.

[3]LELE C，JAVAUDIN J P，LEGOUABLE R，et al.Channel estimation methods for preambleba-sed OFDM/OQAM modulations[J]．European transactions on telecommunications，2008，19(7)：1750．

[4]范文兵，范程龍，李海濤，等.一種新的OFDM-OQAM的信道估計方法[J].鄭州大學(xué)學(xué)報(工學(xué)版),2014(1)：112-115.

[5]程國兵，肖麗霞，肖悅，等.一種改進的OFDM/OQAM系統(tǒng)信道估計算法[J].電子與信息學(xué)報，2012(34)：427-432.

[6]蔡自偉.OFDM/OQAM系統(tǒng)的信道估計和信道編碼技術(shù)研究[D].重慶：重慶大學(xué)，2014.

[7]丁敬校，王可人，陳小波.基于塊狀導(dǎo)頻的OFDM信道估計[J].信息技術(shù)，2011(7)：81-83.

[8]劉守軍，劉克中，陳偉.衰落信道下的傳感器網(wǎng)絡(luò)局部容錯目標檢測[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(信息與管理工程版)，2014(2)：150-153.

[9]鄭寶玉，張繼東.基于小波去噪的OFDM信道估計新方法[J].電子與信息學(xué)報，2006(3)：415-418.

[10]王蓓，張根耀，李智，等.基于新閾值函數(shù)的小波閾值去噪算法[J].計算機應(yīng)用，2014(5)：1499-1502.

責(zé)任編輯：許盈

OFDM-OQAM channel estimation algorithm based on wavelet transform and sub carrier weighting

WU Junqin, LAI Liping

(SchoolofInformationEngineering,JiangxiUniversityofScienceandTechnology,JiangxiGanzhou341000,China)

Abstract:The OFDM/OQAM channel estimation algorithm based on the IAM pilot structure only considers the influence of the data around the pilot point, and neglects the influence of the sub carrier’s correlation and the noise. In this paper, one novel OFDM/OQAM channel estimation algorithm based on wavelet transform and channel weighting is proposed. In this algorithm, the frequency response of the channel is calculated by the interference between pilot and data aroud pilot. Then, the frequency response is weighted. Finally, the wavelet algorithm is used to deal with the weighted frequency response to reduce the influence of the noise. Experimental results show that the proposed algorithm improves the performance of channel estimation and reduces the bit error rate of the channel.

Key words:OFDM/OQAM; channel estimation; wavelet denoising; bit error rate

中圖分類號:TN929.5

文獻標志碼:A

DOI：10.16280/j.videoe.2016.05.019

基金項目：江西省科技廳青年基金項目(20142BAB217002)

作者簡介：

吳君欽(1966— )，副教授/碩士生導(dǎo)師，研究領(lǐng)域為信號與信息處理、嵌入式；

賴麗萍(1991— )，女，碩士生，主研信號與信息處理。

收稿日期：2015-11-08

文獻引用格式：吳君欽，賴麗萍. 結(jié)合小波變換與子載波加權(quán)的OFDM-OQAM信道估計算法[J].電視技術(shù)，2016，40(5)：87-90.

WU J Q，LAI L P. OFDM-OQAM channel estimation algorithm based on wavelet transform and sub carrier weighting [J].Video engineering，2016，40(5)：87-90.