龔玉梅,胡金艷,方安樂,邵宇豐

(上海第二工業(yè)大學計算機與信息工程學院,上海201209)

基于DFT MMSE的OFDM 16QAM調(diào)制系統(tǒng)信道估計算法

龔玉梅,胡金艷,方安樂,邵宇豐

(上海第二工業(yè)大學計算機與信息工程學院,上海201209)

正交頻分復用(OFDM)技術(shù)具有較強的抗多徑衰落能力與很高的頻譜利用率,被廣泛應用于無線通信領域。高效精確的信道估計是OFDM系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一,影響系統(tǒng)傳輸性能。針對16QAM OFDM無線傳輸系統(tǒng),提出基于離散傅里葉變化(DFT)的最小均方誤差(MMSE)算法,進行Matlab建模與仿真。結(jié)果表明,相對傳統(tǒng)信道估計方法,擬合信道頻率響應曲線更接近于真實信道;較傳統(tǒng)最小平方(LS)算法,系統(tǒng)接收端誤碼率有很大改善,在惡劣噪聲信道中,誤碼率降低一個數(shù)量級,有效提高了無線OFDM系統(tǒng)的傳輸性能。

正交頻分復用;信道估計;離散傅里葉變化最小均方誤差算法

0　引言

在多徑衰落無線傳輸信道上,高速數(shù)據(jù)傳輸中會產(chǎn)生嚴重的碼間串擾,正交頻分復用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)是多載波并行調(diào)制的一種,將高速串行數(shù)據(jù)碼流轉(zhuǎn)換成低速并行數(shù)據(jù)碼流進行傳輸。它具有優(yōu)良的抗多徑衰落能力,能夠有效改善高速傳輸時碼元信號間干擾,同時由于其子載波正交的特點,提高了頻譜利用率,增大了系統(tǒng)傳輸帶寬[1-2]。

在OFDM系統(tǒng)中,信號經(jīng)過編碼調(diào)制與相應變化,通過無線信道發(fā)射,由于無線信號傳輸路徑的復雜性與時變性,接收端的信號因受到信道特性的影響而產(chǎn)生失真,所以在接收機端需要對信道的影響進行估計和補償。信道估計的準確性與高效性將直接影響整個OFDM通信系統(tǒng)的傳輸性能[3-4]。

常用的信道估計算法有最小平方(Least Square, LS)估計算法、最小均方誤差 (Minimum Mean Square Error,MMSE)估計算法等[5-6]。本文利用離散傅里葉變換(Discrete Fourier Transform,DFT)將MMSE頻域估計與時域去噪相結(jié)合,減低帶外噪聲的影響,針對16QAM OFDM無線通信系統(tǒng)進行系統(tǒng)建模與算法仿真,并根據(jù)仿真結(jié)果對DFT MMSE信道估計方法進行性能評估。

1 無線OFDM系統(tǒng)模型

OFDM技術(shù)是一種多信道傳輸方式,采用多個載波對信號進行調(diào)制,降低每個載波的調(diào)制碼元速率與信道帶寬,克服碼間串擾。各路子載波的頻譜有一定的重疊,但已調(diào)信號在一個碼元持續(xù)時間內(nèi)正交,充分利用了頻帶寬度,被廣泛地應用于無線數(shù)字通信系統(tǒng)中[7]。

假設一個OFDM系統(tǒng)中有N個子信道,子信道中信號碼元為Bk,fk為第k路子載波的頻率,?k為第k路子載波的初始相位,則在此系統(tǒng)中N路子信號之和可以表示為

在碼元持續(xù)時間TB內(nèi)任意兩個子載波正交條件為

即子載波頻率滿足fk=k/(2TB)。

在實際應用中,發(fā)送端采用傅里葉逆變換(Inverse Discrete Fourier Transform,IDFT)實現(xiàn)OFDM調(diào)制,接收端采用DFT實現(xiàn)OFDM信號的解調(diào)。無線信道產(chǎn)生的多徑效應會導致符號干擾(InterSymbol Interference,ISI)與子載波干擾(InterCarrier Interference,ICI),因此需要在調(diào)制信號后插入保護間隔循環(huán)前綴(Cyclic Prefix,CP),一般要求保護間隔長度TG大于無線信道的最大擴展延遲Tm。

無線OFDM系統(tǒng)原理如圖1所示,數(shù)據(jù)源經(jīng)過源編碼、信道交織編碼等,進行串并轉(zhuǎn)換劃分多個子載波,通過IDFT實現(xiàn)OFDM信號的調(diào)制,并插入CP減少ISI與ICI,再經(jīng)過D/A與上變頻后轉(zhuǎn)變成可傳輸?shù)臒o線信號,通過無線信道到達接收端。在接收端,對接收信號進行下變頻,去除CP,得到OFDM已調(diào)抽樣序列,對該序列做DFT,從而得到源調(diào)制信息序列。

圖1　無線OFDM系統(tǒng)原理方塊圖Fig.1 Block diagram of wireless OFDM system

2　信道估計模型與算法

2.1信道估計的基本模型

信道估計基本模型如圖2所示,發(fā)送信號經(jīng)信道到達接收端,通過合適的信道估計模型,使得信道估計后得到的信號與實際接收信號間的誤差減小。

圖2　信道估計模型Fig.2 Channel estimation model

OFDM發(fā)射信號在時域可以表示為

通過L條路徑的無線通道后,接收端信號為

信道估計就是為了得到發(fā)射天線到接收天線之間的信道頻率響應,從而在接收端對信號進行預補償,降低誤碼率,提高接收性能。

目前常用的信道估計方法主要為基于導頻或訓練序列的信道估計、盲信道估計?；趯ьl或訓練序列的信道估計方法通過在發(fā)送端發(fā)送一定的已知導頻符號或訓練序列,經(jīng)過信道傳輸后到達接收端,根據(jù)接收信號與發(fā)送信號進行信道估計。導頻結(jié)構(gòu)可以分為3種：塊狀導頻、梳妝導頻和格狀導頻。塊狀導頻是以一定的時間間隔,在OFDM信號的所有子載波信道上插入導頻信號;梳妝導頻是在OFDM信號子載波上以一定的頻率間隔插入導頻信號;格狀導頻則沿時間和頻率兩個方向插入導頻。盲信道估計利用接收信號自身的統(tǒng)計特性,無需插入導頻或訓練序列,提高了系統(tǒng)傳輸效率,但需要大量的接收數(shù)據(jù)存儲與處理,效果低于導頻估計方式,且不適用于快變通道[8-9]。

常用的信道估計性能評估方法有以下幾種：(1)估計信道的頻率響應曲線與實際信道響應進行擬合對比,去除噪聲的理想信道頻率響應可以表示為H=Y X-1,其中Y與X分別為接收端與發(fā)射端的頻域表示;(2)系統(tǒng)傳輸誤碼率,是指二進制碼元在數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中被傳錯的概率,Pe=Ne/N,N為傳輸?shù)亩M制碼元的總數(shù),Ne為傳錯的碼元總數(shù); (3)傳輸星座圖,將數(shù)字信號在復平面上表示,以直觀地表示信號以及信號之間的關(guān)系。

2.2DFT MMSE算法模型

信道估計算法主要有LS算法和MMSE算法。MMSE估計的原理是通過求得一個合適的信道沖擊響應(Channel Impulse Response,CIR),使得通過補償和校正后得到的接收數(shù)據(jù)與發(fā)送端源數(shù)據(jù)的誤差均方和最小。

其中：RHY為信道響應與接收信號的互相關(guān)矩陣; RYY為接收信號的自相關(guān)矩陣。

DFT MMSE算法根據(jù)信道時域能量比較集中的特點,在時域內(nèi)保留多徑內(nèi)的信號能量,其余部分置零處理,減低了噪聲的影響,提高了MMSE信道估計的性能,原理框圖如圖3所示。

圖3　DFT MMSE估計方法Fig.3 DFT MMSE estimation algorithm

再進行N點DFT到頻域,

3　實驗仿真結(jié)果

通過Matlab仿真建模,以16QAM調(diào)制OFDM系統(tǒng)為仿真模型,采用梳妝導頻線性插值方式,對傳統(tǒng)的LS算法、MMSE算法以及DFT MMSE算法進行信道估計效果與誤碼率的比較分析。其中,OFDM信號子載波數(shù)為32,隨機產(chǎn)生頻域信道,比較算法估計信道響應與實際信道特性的差別。圖4為不同算法信道擬合曲線,可以看出DFT MMSE算法相比較LS算法與傳統(tǒng)MMSE算法,估計信道頻域響應曲線更接近實際信道特性。

同時,對不同信噪比(SignaltoNoiseRatio,SNR)下的誤碼率(Bit Error Rate,BER)進行了比較,仿真結(jié)果如圖5所示。由圖5可見,當傳輸信號信噪比處于20～70 dB的范圍內(nèi)時,DFT MMSE相較于其他兩種傳統(tǒng)算法,在誤碼率上有很大的降低,且其改善作用與發(fā)射端信噪比相關(guān)性不大,具有較寬廣的應用范圍,有利于提高系統(tǒng)的傳輸性能。信道估計前后的接收端星座圖如圖6所示,表明在使用DFTMMSE信道估計算法后,星座圖清晰收斂,相鄰星座點間干擾較小,形象地展示了該方法對通信系統(tǒng)傳輸性能的改善作用。

圖4　估計信道頻域響應曲線Fig.4 Estimated channel frequency response curves

圖6　信道補償前后星座圖Fig.6 Constellation diagrams before/after channel estimation

4　結(jié)論

通過理論與仿真分析表明,基于DFT MMSE的信道估計方法是一種在最長傳輸時延可估計的16QAM調(diào)制OFDM通信系統(tǒng)中,以隨機信道為傳輸鏈路,相比較于傳統(tǒng)的信道估計算法,具有更好的信道估計性能,估計結(jié)果更接近實際信道,系統(tǒng)的傳輸誤碼率降低的方法。DFT MMSE算法通過IDFT與DFT的快速轉(zhuǎn)換運算,剔除傳輸時域外噪聲的干擾,實現(xiàn)了時域與頻域的聯(lián)合處理,提高了系統(tǒng)性能,同時具備一定的工程應用前景。

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A DFT MMSE Channel Estimation Algorithm for 16-QAM OFDM Wireless System

GONG Yu-mei,HU Jin-yan,FANG An-le,SHAO Yu-feng
(School of Computer and Information Engineering,Shanghai Second Polytechnic University, Shanghai 201209,P.R.China)

Orthogonal frequency division multiplexing(OFDM)has strong anti-multipath fading ability and high frequency spectrum utilization,which has been widely adopted in wireless communication field.Accurate and efficient channel estimation algorithm is one of the key technologies in OFDM system,which highly impacts the overall system performance.A discrete fourier transform(DFT)-based minimum mean square error(MMSE)algorithm is proposed for a 16-QAM(quadrature amplitude modulation)OFDM wireless communicationsystemandsimulatedbyusingMatlab.Thesimulationresultsdemonstratethattheestimatedchannelfrequencyresponse is more close to the real channel frequency response comparing to the traditional algorithm.DFT MMSE has a better performance on bit error rate(BER)than least-square(LS)algorithm,especially on low signal-to-noise ratio(SNR)circumstance.

OrthogonalFrequencyMultiplexing(OFDM);channelestimation;DiscreteFourierTransformMinimumMeanSquareError (DFT MMSE)

TN911

A

1001-4543(2015)04-0331-05

2015-05-21

龔玉梅(1984—),女,安徽人,講師,博士,主要研究方向為通信與信息系統(tǒng)。電子郵箱ymgong@sspu.edu.cn。

上海第二工業(yè)大學?；?No.EGD15XQD06)、上海高校青年教師培養(yǎng)資助計劃(No.ZZZZEGD15003)資助