楊忠東

摘 要：隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，分塊導(dǎo)頻的SC-FDE信道估計(jì)算法受到了越來越多的重視。信道估計(jì)與頻域均衡是單載波頻域均衡（SC-FDF）系統(tǒng)的兩大關(guān)鍵技術(shù)。其中，信道均衡是通過對估計(jì)出的信道衰減特征進(jìn)行補(bǔ)償，從而減小信號在傳輸過程中所受外界的影響，信道估計(jì)與頻域均衡性能的好壞共同決定系統(tǒng)最后均衡的效果。因此，研究基于分塊導(dǎo)頻的SC-FDE信道估計(jì)算法改進(jìn)具有非常重大的意義。本文介紹了SC-FDE系統(tǒng)和SC-FDE系統(tǒng)模型，闡述了信道估計(jì)和理論分析，并且進(jìn)行了理論分析和信道與噪聲方差估計(jì)，最后分析了系統(tǒng)仿真結(jié)果。

關(guān)鍵詞：分塊導(dǎo)頻；SC-FDE；信道；估計(jì)算法

由于SC-FDE是基于分塊理論進(jìn)行頻域均衡，因而對信道特征的估計(jì)和最終在頻域進(jìn)行的均衡操作顯得至關(guān)重要。同時，SC-FDE還能對通信中信道的質(zhì)量進(jìn)行估計(jì)，得出信道特征，這是SC-FDE系統(tǒng)進(jìn)行信道均衡的前提，然而，信道均衡是指對估計(jì)出的信道衰減特征進(jìn)行補(bǔ)償，以減小信號在傳輸過程中受到的外界影響，并且信道估計(jì)的質(zhì)量會決定系統(tǒng)最后均衡的效果。因此，需要對信道估計(jì)這一關(guān)鍵的模塊進(jìn)行分析，結(jié)合相關(guān)的仿真結(jié)果，從而得出最優(yōu)的SC-FDE信道估計(jì)。通過本文的論述，筆者一方面希望能起到拋磚引玉的作用，另一方面，希望能給相關(guān)的工作人員提供一點(diǎn)參考借鑒的材料。

1 SC-FDE系統(tǒng)概述

SC-FDE系統(tǒng)在發(fā)送端，通過輸入信息流經(jīng)過編碼、符號映射等變換后，可以變成對應(yīng)符號串。為了方便SC-FDE系統(tǒng)的接收端進(jìn)行頻域均衡處理，在信號發(fā)送端發(fā)出信號時，需要先將模塊進(jìn)行分塊處理，得到傳輸塊通常也可以稱為符號，信號接收端主要是以塊為單位進(jìn)行符號的變換。同時，在塊與塊之間需要插入保護(hù)間隔，從而消除由于信道多徑引起的傳輸塊之間的串?dāng)_。SC-FDE系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要的依據(jù)是便于接收端進(jìn)行快速同步和信道估計(jì)等操作。最后，SC-FDE系統(tǒng)將經(jīng)過濾波、混頻、放大后將信號發(fā)送出去。在SC-FDE系統(tǒng)的信號接收端，接收的信號首先需要經(jīng)過放大、濾波、變頻到基帶和解調(diào)等流程，信號還需要利用部分訓(xùn)練塊進(jìn)行粗定時和載波同步，同時，另一部分訓(xùn)練塊進(jìn)行系統(tǒng)的進(jìn)一步細(xì)定時同步、載波同步和信道估計(jì)。數(shù)據(jù)塊是以快為單位進(jìn)行變換的，利用信道估計(jì)得到的信道狀態(tài)信息需要進(jìn)行頻域均衡后，最后通過一系列逆變換得到接收判決后的信息。

2 SC-FDE系統(tǒng)模型

SC-FDE系統(tǒng)模型發(fā)送的數(shù)據(jù)先經(jīng)過星座映射，從而得到相應(yīng)的符號串，并且需要將其進(jìn)行分塊處理，還需要在每一個數(shù)據(jù)塊的前面添加一定長度的UW，以便克服多徑信道帶來的塊間干擾。為了便于接收端進(jìn)行實(shí)時信道估計(jì)，需要按照一定的頻度周期性的插入序列。接收端首先需要進(jìn)行據(jù)幀達(dá)到檢測，一旦檢測到長PN序列，則利用該序列進(jìn)行頻偏估計(jì)，并將該序列送入信道估計(jì)模塊；利用估計(jì)出的信道參數(shù)，頻域均衡模塊和反饋濾波模塊分別對數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)處理。根據(jù)傳輸速率和UW長度要求，可以在兩個序列中合理的選擇一個作為UW的組成序列。

3 信道估計(jì)

SC-FDE系統(tǒng)的性能主要依賴于對接收端信道參數(shù)的準(zhǔn)確估計(jì)。根據(jù)信道處理域的不同，信道估計(jì)一般可以分為時域估計(jì)和頻域估計(jì)兩類。但是，現(xiàn)在的SC-FDE系統(tǒng)一般采用頻域估計(jì)的信道估計(jì)方法。當(dāng)然，在信號移動性較強(qiáng)的環(huán)境中，SC-FDE系統(tǒng)的信道估計(jì)一般是通過在信號中插入已知的輔助數(shù)據(jù)來進(jìn)行的。目前，插入輔助數(shù)據(jù)的設(shè)計(jì)方案一般包括以下兩個方面，第一，利用每一個傳輸塊的UW作為輔助數(shù)據(jù)，這種輔助數(shù)據(jù)的設(shè)計(jì)方案傳輸效率較高，但是估計(jì)精度不高。第二，為了進(jìn)一步解決估計(jì)精度等問題，可以將一部分傳輸塊替換成專門用于信道估計(jì)的已知輔助數(shù)據(jù)塊，因而需要通過減小傳輸效率來提高估計(jì)的精度，這是另一種SC-FDE系統(tǒng)的估計(jì)算法。

3.1 利用UW進(jìn)行SC-FDE系統(tǒng)信道估計(jì)

為了提高信道估計(jì)的效率和準(zhǔn)確性，可以利用UW進(jìn)行SC-FDE系統(tǒng)信道估計(jì)。增大UW長度會在提高信道估計(jì)性能，但是會使SC-FDE系統(tǒng)的傳輸效率降低。因此，UW長度需要根據(jù)實(shí)際的要求而設(shè)計(jì)，并且可以采用多塊UW模式對信道進(jìn)行多次估計(jì)，然后取其平均值以得到更加準(zhǔn)確的信道參數(shù)，這樣同樣需要在信道估計(jì)性能和傳輸效率上進(jìn)行折中選擇。

3.2 基于輔助數(shù)據(jù)塊的SC-FDE系統(tǒng)信道估計(jì)

由于SC-FDE系統(tǒng)是在時域完成信號的調(diào)制和檢測的，基于輔助數(shù)據(jù)塊的SC-FDE系統(tǒng)信道估計(jì)可以方便地使用。同時，SC-FDE系統(tǒng)的頻域信號存在嚴(yán)重的問題，尤其是功率較小的頻域信號對估計(jì)結(jié)果會產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。因此，普通的SC-FDE數(shù)據(jù)塊不適合用作SC-FDE系統(tǒng)信道估計(jì)的輔助數(shù)據(jù)塊。當(dāng)然，還應(yīng)該保證SC-FDE系統(tǒng)的輔助序列在時域和頻域上的幅度起伏都很小，因而在時域和頻域都有恒定的幅度。但是，對于信道的變化的情況，由于信道狀態(tài)是隨著時間進(jìn)行變化的，SC-FDE系統(tǒng)的信道估計(jì)一般是分為信道捕獲和信道跟蹤兩步完成的。

4 理論分析

4.1 SC-FDE系統(tǒng)原理

為了進(jìn)行更加準(zhǔn)確的信道估計(jì)，SC-FDE系統(tǒng)在發(fā)送端需要對符號映射后，然后將數(shù)據(jù)塊劃分為多個子數(shù)據(jù)塊。SC-FDE 系統(tǒng)原理是將模塊中的導(dǎo)頻分為多個子導(dǎo)頻，再將子導(dǎo)頻插入子數(shù)據(jù)塊中，從而形成新的數(shù)據(jù)幀形式，最后利用這種新的數(shù)據(jù)幀形式進(jìn)行信道估計(jì)。在接收端，主要是利用信道估計(jì)的結(jié)果進(jìn)行頻域均衡。

4.2 據(jù)幀結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)的SC-FDE系統(tǒng)采用循環(huán)前綴作為導(dǎo)頻，再將每個數(shù)據(jù)塊的符號進(jìn)行復(fù)制用于信道估計(jì)。因此，采用已知的獨(dú)特字序列進(jìn)行信道估計(jì)，由于其發(fā)送端和接收端的導(dǎo)頻序列都是確定的，因而可以進(jìn)行更加精確的信道估計(jì)。同時，將導(dǎo)頻UW分割為多個分塊導(dǎo)頻，取其平均值作為子信道頻率響應(yīng)的估計(jì)值。由于沒有增加導(dǎo)頻的數(shù)量，因而需要利用子導(dǎo)頻進(jìn)行多次估計(jì)可以提高信道估計(jì)的精確度。同時，還需要數(shù)據(jù)塊的子導(dǎo)頻進(jìn)行再次分割，最后再去平均值，并且采用FFT插值的方法，以得到每個子信道頻率響應(yīng)的估計(jì)值。但是，數(shù)據(jù)塊和導(dǎo)頻的數(shù)量沒有發(fā)生變化，因此，該方法不會增加系統(tǒng)的頻帶利用率。由于進(jìn)行數(shù)據(jù)分塊處理，在快衰落條件下，可以更精確地跟蹤信道的變化。

5 信道與噪聲方差估計(jì)

5.1 數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)

SC-FDE系統(tǒng)的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)一般包括以下兩種設(shè)計(jì)方案，第一，基于循環(huán)前綴的幀結(jié)構(gòu)。第二，基于UW的幀結(jié)構(gòu)。這種系統(tǒng)據(jù)幀結(jié)構(gòu)方案也包括以下兩種，首先，在每段有效數(shù)據(jù)前面插入一個UW序列，UW序列不僅能夠吸收前一個數(shù)據(jù)塊造成的多徑干擾，還能用于接收端的信道估計(jì)。第二，在每段有效數(shù)據(jù)的前后分別插入一個UW序列，在兩個UW序列中，后一個用于吸收前一個數(shù)據(jù)塊造成的多徑干擾，，前一個用于該塊的信道估計(jì)。其中，具有特殊字UW序列的長度，一般系統(tǒng)據(jù)幀結(jié)構(gòu)的帶寬利用率包括以下三種，第一種系統(tǒng)據(jù)幀結(jié)構(gòu)具有最高的帶寬利用率，但是，其數(shù)據(jù)塊后面一部分的復(fù)制，對于接收端來說是未知信息，還需要另外插入訓(xùn)練序列進(jìn)行同步和信道估計(jì)，但是，這樣會降低系統(tǒng)帶寬利用率。第二種和第三種數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)，由于發(fā)送端插入的導(dǎo)頻序列是UW序列，這樣還有助于后面的同步和信道估計(jì)。其中，第二種數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)的帶寬利用率比較高，但是，UW塊吸收了前一個數(shù)據(jù)塊的多徑影響，再用該UW塊進(jìn)行信道估計(jì)時，從而使得SC-FDE系統(tǒng)的估計(jì)精度大大降低。目前，在SC-FDE系統(tǒng)中，大多數(shù)SC-FDE系統(tǒng)采用的是第三種數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)。但是，當(dāng)每一段有效數(shù)據(jù)與其后面的UW序列組成一個數(shù)據(jù)塊時，UW序列的插入使得數(shù)據(jù)塊具有較好的周期性和自相關(guān)特性。同時，數(shù)據(jù)塊前面的UW序列一方面與循環(huán)前綴的作用相同，不僅可以用作均衡、同步和信道估計(jì)中的導(dǎo)頻，還能吸收前一數(shù)據(jù)塊的干擾。

5.2 信道估計(jì)算法

SC-FDE系統(tǒng)的時域一般會經(jīng)過多徑信道的情況，采用以上三種數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)，因此，采用信道估計(jì)算法顯得至關(guān)重要。當(dāng)然，每一發(fā)送數(shù)據(jù)塊尾部添加UW，以執(zhí)行循環(huán)前綴。并且還需要調(diào)制每一個數(shù)據(jù)塊的長度，從而保證信道估計(jì)算法的精確性。在發(fā)送信號之前，SC-FDE系統(tǒng)的頭尾需要各自添加一個UW塊。當(dāng)假定信道是準(zhǔn)靜態(tài)時，在一個數(shù)據(jù)塊內(nèi)，信道就是非時變的。

6 系統(tǒng)仿真結(jié)果分析

采用不同算法仿真的誤碼率曲線都不相同，從信道估計(jì)的方法的算法來看，理論的插值的信道估計(jì)方法是最好的估計(jì)方法，插值方法的準(zhǔn)確性相比其他方法更高。與均衡算法相比，信道估計(jì)方法比其他的效果更好，仿真結(jié)果也驗(yàn)證了這一點(diǎn)。同時需要注意的是，采用插值方法估計(jì)的值與均衡方法得到的誤碼率曲線相差不大。因此，為了得到更好的誤碼率性能，一般選用插值的信道估計(jì)算法。同時，在實(shí)現(xiàn)頻域均衡算法時，還需要估計(jì)信道的信噪比，雖然實(shí)現(xiàn)算法比較復(fù)雜，在采用插值跟蹤時對系統(tǒng)性能的提升效果不明顯，但是，采用均衡方法更加具有綜合優(yōu)勢。因此，需要綜合考慮SC-FDE系統(tǒng)的誤碼率與實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度性能，從而選擇出更適合的估計(jì)算法。通過系統(tǒng)仿真結(jié)果分析表明，插值信道估計(jì)和均衡估計(jì)是SC-FDE系統(tǒng)最具優(yōu)勢的信道估計(jì)與頻域均衡組合算法，因而得到了廣泛的應(yīng)用。

7 總結(jié)

總而言之，基于分塊導(dǎo)頻的SC-FDE信道估計(jì)算法顯得越來越重要。為了更好地提高SC-FDE信道估計(jì)算法的精度，需要對兩個模塊的各個不同算法進(jìn)行組合，分別得到了不同組合方式下的仿真結(jié)果。最后，通過仿真結(jié)果分析表明，采用插值信道跟蹤的信道估計(jì)算法比其他兩種信道估計(jì)算法的誤碼率性能有較大的提高。但是，在采用插值信道估計(jì)算法時，以上兩種算法對系統(tǒng)誤碼率性能改善的效果大致相同。所以，我們需要綜合考慮誤碼率和算法實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度等因素，在SC-FDE系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案中，選擇最優(yōu)的組合方案。因此，現(xiàn)階段研究基于分塊導(dǎo)頻的SC-FDE信道估計(jì)算法改進(jìn)具有非常重大的現(xiàn)實(shí)意義。以上是本人的粗淺之見，由于本人的知識水平及文字組織能力有限，文中如有不到之處還望不吝賜教。

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