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基于伪噪声序列的OFDM信道估计方法
2015年电子技术应用第2期
崔 金,邵定蓉,张 波,张彦仲
北京航空航天大学 电子信息工程学院,北京100191
摘要:针对正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)的应用及需求,提出一种基于伪噪声(pseudo-noise)序列的OFDM系统模型,并针对其信道估计均衡需求,提出一种基于迭代的信道估计算法和低复杂度的频域均衡算法。最后在高斯白噪声信道、存在多普勒频移瑞利信道、双径延迟信道下,对误码率性能进行仿真和分析。结果表明,该方法适用于常见信道,误码率性能优于传统循环前缀(Cyclic Prefix,CP)OFDM,且通过迭代能够提高性能。以上研究结果可应用于OFDM数字电视地面广播工程。
中图分类号:TN929.5
文献标识码:A
文章编号: 0258-7998(2015)02-0106-03
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
Abstract: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.
Key words :OFDM;channel estimation;pseudo-noise sequence;iteration;Doppler frequency-shift

0 引言

正交频分复用技术(Orthogonal Frequency Division Mul-tiplexing,OFDM)可以很好地对抗频率选择性衰落,消除多径效应带来的符号间干扰(Inter Symbol Interference,ISI)[1-2],因此 OFDM被认为是数字电视传输中很有发展前途的技术[3-4]。目前常见的OFDM大多采取循环前缀(Cyclic Prefix,CP)OFDM方式。CP-OFDM技术具有解调上的便利,但是这种传输结构降低了数据传输效率,并且信道估计过程在数据块中插入了导频或训练序列、实时跟踪和估计信道,进一步降低了系统传输效率[5,6]。

  本文提出一种新的OFDM模型,即基于伪噪声(Pseudo-noise)序列的OFDM模型,无需插入导频和循环前缀,可实现低复杂度信道估计和频域均衡,可以有效提高传输效率,且性能优于传统CP-OFDM,适用于数字电视地面广播的工程应用。

1 基于PN序列的OFDM模型

  针对CP-OFDM技术的不足,本文提出了基于PN序列的OFDM模型。它使用PN序列作为前缀,并利用前缀完成信道估计,可以完成低复杂度信道估计和均衡,并可以通过迭代算法消除误差提高精度,相比传统OFDM无需单独发送导频,可显著提高传输效率,实现低复杂度频域均衡。该方法信道估计能力具有一定的实时性,可以适应常见信道。下面给出其模型和数学原理。

  OFDM模型的第i个N×1输入向量N(i)首先做快速逆傅里叶变换(inverse fast Fourier transform,IFFT)。

  PN序列为p=[p1,p2,…,pM]T,发送向量的并行宽度为P=N+M。

  对应的P×1发送向量为:

1.png

  多径信道的冲激响应长度L≤M,其传递函数表示为:

2.png

  在第i帧OFDM数据中,定义数据块zi为:

3.png

  其中,pi+1表示第i+1个OFDM符号中插入的PN序列。定义第i个OFDM的信号帧~JN[9SWP@BNJ[8RCZ]SL4HN.jpg

4.png

~JN[9SWP@BNJ[8RCZ]SL4HN.jpg由OFDM数据si和其首尾两段保护间隔pi,pi+1组成。因为插入相同的PN序列,则pi可以视为是zi的循环前缀,时域构成圆卷积。

57.jpg

  其中,wi,n是均值为零的复高斯白噪声。从式(7)知,由于没有循环前缀的保护, OFDM数据和前缀将受到来自相邻前缀或OFDM信号的多径干扰。因此,不能直接采用频域均衡,必须首先消除多径干扰,才能有效地估计信道。

  2 信道估计算法

  由于添加了相同的PN序列,因此PN序列可以视为OFDM数据块zi的循环前缀,其信道响应ri满足圆卷积

8.png

  频域满足

9.png

  根据式(7),PN序列对应的时域响应PILGAN3_ELZ%H8K2H6{X{]J.jpg

10.png

  受到多径信道影响,PN序列的响应将受到载波间干扰(Inter-carrier interference,ICI),尾部数据也将受到ISI,在估计信道状态信息时,首先必须消除两段干扰,得到PN序列与信道状态信息的卷积结果。

  信道估计的算法分以下几个步骤:

  (1)利用上一帧的OFDM数据$3{L5N3_DSJ535%_XBC(34O.jpg结合式(5),计算干扰项ICI,并从OXUJCLF3X@S1{CF08HAZEL9.png中消除,得到PN序列与hi的近似线性卷积结果:

11.png

  由时域频域关系,可知初估计的时域响应15LO~9(4MCM_~~CXD)Z7@`Q.jpg

12.png

  其中,IFFT(X)和FFT(X)分别表示对数据X做IFFT、FFT变换,得到时域信道响应15LO~9(4MCM_~~CXD)Z7@`Q.jpg

  (2)利用信道响应15LO~9(4MCM_~~CXD)Z7@`Q.jpg和接收向量ri,结合FFT/IFFT变换,通过式(9),得到第i个OFDM数据块R8YQKHZI_QO`2~]44`CSCDL.jpg,进一步得到发送的第i个OFDM数据JGP8A6DZW@}~DIW0K[STSD5.jpg

13.png

  利用式(8),估计ISI并消除。

  (3)迭代SC$K12]]1@KH2F2B`59K0{V.png,直到I等于预设的迭代次数J。

  3 性能仿真分析

  本文在美国Math Works出品的Mathlab R2014a环境下进行仿真。在AWGN信道、存在多普勒频移的瑞利信道、双径延迟信道下,对误码率性能进行了分析,重点比较该模型和传统CP-OFDM的性能。仿真OFDM参数如表1所示。

004.jpg

  由图1可知,在AWGN信道下,模型的误码率性能好于CP-OFDM。

001.jpg

  之后仿真发送端采用信道编码,信道编码为约束长度N=7的(133,171)卷积码。

002.jpg

  图2给出该算法和CP-OFDM的误码率比较。从图中可看出,在10-4数量级下,基于PN序列的OFDM算法比CP-OFDM误码率性能大约有6 dB的提升。

003.jpg

  由图3可知,在双径信道v=20 m/s时,基于PN序列的OFDM算法性能明显好于CP-OFDM,且由仿真结果可知,通过迭代可以消除干扰,提高系统性能。

4 结论

  本文针对传统插入导频的CP-OFDM存在的问题,提出了一种基于PN序列的OFDM系统模型,该模型相比CP-OFDM无需插入导频,利用PN序列作为保护间隔并进行信道估计,能达到有效提高传输效率的目的。该方法适用于数字电视地面广播,且在常见信道下性能优于传统OFDM。

参考文献

  [1] KALASHNIKOV K S,SHAKHTARIN B I.Estimation and compensation for the influence of interchannel interference in reception of OFDM signals[J].Journal of Communications Technology and Electronics,2013,58(3):208-216.

  [2] Wan Feng,Zhu Weiping,SWAMY M N S.Semiblind sparsechannel estimation for MIMO-OFDM systems[J].IEEE Transactions on Vehicular Technology,2011,60(6):2569-2582.

  [3] Chen L,PICHR,KUUSNIEMI H,et al.Adaptive mobile tracking in unknown non-line-of-sight conditions with application to digital TV networks[J].EURASIP Journal on Advances in Signal Processing,2014(1):1-10.

  [4] Chunyi S,Harada H.Proposal and hardware performance of an enhanced feature detection method for OFDM signals of digital TV standards[J].IEICE Transactions on Communica-tions,2013,96(3):859-868.

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  [6] MANASSEH E,OHNO S,NAKAMOTO M.Combined channelestimation and PAPR reduction technique for MIMO-OFDMsystems with null subcarriers[J].EURASIP Journal on Wire-less Communications and Networking,2012(1):1-15.


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