CN101083646A - 一种用于限幅ofdm系统的信道估计优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于限幅OFDM系统的信道估计优化方法，将数据信号和导引信号分开，分别经过符号扩展4和IFFT 2，数据部分再通过限幅3模块，在优化处理模块6中对数据信号进行优化处理，优化处理的目的是为了消除限幅对导引信号的影响：对自适应预限幅5后的数据进行FFT 9，将时域信号转变成频域信号，然后通过限幅噪声消除模块8，最后将优化处理后的数据信号与导引信号部分叠加，输出。本发明通过迭代算法进一步降低限幅噪声对于导引信号的影响，提高信道估计精度；消除了限幅法对导引信号的影响，从而提高了传输性能。

Description

一种用于限幅OFDM系统的信道估计优化方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，特别涉及联合使用限幅的正交频分复用系统。

背景技术

众所周知，在现有的通信技术中，正交频分复用(简称OFDM)技术以其很高的频谱利用率、良好的抗多径衰落和抗干扰性能，成为未来移动多媒体通信的主要候选技术之一。

OFDM系统普遍使用导引信号来进行信道估计。导引信号在OFDM系统中可在数据的频域、时域插入，在接收端利用导引信号来进行相应信道估计。详细内容见：Ye(Geoffrey)Li，“Pilot-Symbol-Aided Channel Estimation for OFDM in Wireless Systems”IEEETRANSACTIONS ON VEHICULAR TECHNOLOGY，VOL.49，NO.4，JULY 2000。

OFDM系统的主要缺点之一是信号峰值功率与平均功率的比值偏高，通常采用限幅法来降低信号峰值功率与平均功率的比值，限幅法(简称Clip)的原理是：预定一个门限值γ，对OFDM信号包络超过门限的部分进行直接削除，见图1。限幅法是一个非线性的处理过程，会造成信号的失真。详细内容见Dinur，N.；Wulich，D.“Peak to average power ratio inamplitude clipped high order OFDM”，IEEE，Volume：2，Page(s)：684-687 vol.2，1998。

现有的限幅OFDM系统及信道估计的基本框图如图2所示，用于信道估计的导引信号和数据通过合成模块1在数据中插入导引信号，然后通过IFFT2进行FFT运算，在限幅模块3中进行限幅。

现有的限幅OFDM系统的信道估计的主要缺点在于：限幅在导致数据信号失真的同时，引入了限幅噪声，从而导致了导引信号的失真，这样会导致在接收端无法进行正确的信道估计等相关处理，引起性能下降。详细内容见B.Wu，S.Cheng and H.Wang，“Clipping effectson channel estimation and signal detection in OFDM”，in Proc.IEEE Personal Indoor and MobileRadio Communications Conf.，2003，pp.531-534.

发明内容

本发明的任务是提供一种用于限幅OFDM系统的信道估计优化方法，采用本发明的方法，可以降低限幅对导引信号的影响，从而提升传输性能。

本发明的组成：包括符号扩展4、迭代优化处理模块6、合成器7、IFFT 2、限幅3等模块，如图3所示。

为了方便地描述本发明技术方案，首先作下列术语定义：

合成1，7的定义是：将两个系列对应位置的数据直接相加；

IFFT2的定义是：  快速离散傅里叶逆变换；

FFT9的定义是：快速离散傅里叶变换；

限幅3的定义是：如图1所示，其中Re表示实轴，Im表示虚轴；

S_k，u＝|S_ku|exp(j∠S_k，u)，K＝1，2……N。u取值为整数。S_k，u是经调制映射后的数据点，∠S_k，u是相位；

${\hat{S}}_{k,u}=\mathrm{\γexp}(j\∠S_{k,u}),$ K＝1，2……N。u取值为整数。

是经限幅后的数据点，γ是限幅Clip门限；

符号扩展4的定义是：相应于传统方法中使用的数据和导引的合成方法(图2中的合成1)，对于数据信号而言，在插入导引信号的位置插“0”，对于导引信号而言，在插入数据信号的位置插“0”；

协议的定义：本文中所有的协议均指OFDM系统的标准；

数据信号的定义：经数字调制后所要传送的有用数据；

导引信号的定义：用于同步的数据。

本发明提出了一种用于限幅OFDM系统的信道估计优化方法，它是通过迭代限幅消除噪声的信道估计优化方法，包括以下步骤：

步骤1  对于导引信号而言，如图3符号扩展4所示，在协议所要求插导引的时刻，在协议所要求插导引的位置插入导引，在协议所要求插入数据信号的位置插“0”，其它时刻则将所有位都置“0”；从而得到扩展后的导引信号序列C_n，u ⁽¹⁾(n，u取值为整数)；

步骤2对于数据信号而言，如图3符号扩展4所示，在协议所要求插导引信号的位置插“0”，得到符号扩展后的数据系列C_n，u ⁽²⁾(n，u取值为整数)；

步骤3如图4所示，在第1级限幅与噪声消除处理模块10中，具体如图5所示，将符号扩展后的数据系列C_n，u ⁽²⁾(n，u取值为整数)通过IFFT 2进行IFFT运算，得到数据系列s_k，u ⁽²⁾(k，u取值为整数)，将系列s_k，u ⁽²⁾作为输出；

步骤4如图5所示，由自适应预限幅5按下列公式求出限幅clip门限γ_k，u(k，u取值为整数)：

${\mathrm{\γ}}_{k,u}=-A/\left|s_{k,u}^{\left(2\right)}\right|+\sqrt{\frac{A^2}{{\left|s_{k,u}^{\left(2\right)}\right|}^2}+{\mathrm{\γ}}^2-\left|s_{k,u}^{\left(1\right)}\right|},$ 其中 $A=\mathrm{Re}\left\{s_{k,u}^{\left(1\right)}\right\}\mathrm{Re}\left\{s_{k,u}^{\left(2\right)}\right\}+\mathrm{Im}\left\{s_{k,u}^{\left(1\right)}\right\}\mathrm{Im}\left\{s_{k,u}^{\left(2\right)}\right\},$

系列s_k，u ⁽¹⁾(k，u取值为整数)是对步骤1中的导引信号序列C_n，u ⁽¹⁾(n，u取值为整数)进行IFFT所得到，Re和Im分别表示取实部和虚部；

然后由公式： ${\hat{s}}_{k,u}^{\left(2\right)}=\left\{\begin{array}{cc}{s}_{k,u}^{\left(2\right)}& \mathrm{for}\left|s_{k,u}^{\left(2\right)}\right|\≤{\mathrm{\γ}}_{k,u}\\ {{\mathrm{\γ}}_{k,u}}^{e^{j{\mathrm{\φ}}_{k,u}}}& \mathrm{for}\left|s_{k,u}^{\left(2\right)}\right|>{\mathrm{\γ}}_{k,u}\end{array}\right.$ 计算系列

，并将系列

作为输出(k，u取值为整数)；

步骤5如图5所示，将步骤4中自适应预限幅后所得到的系列

(k，u取值为整数)

通过FFT 9进行IFFT运算，得到系列

(n，u取值为整数)，将系列 作为输出；

步骤6如图5所示，对步骤5中通过FFT 9后所得的数据系列

(n，u取值为整数)进行如下操作，按协议所要求在插导引信号位置的数据直接置“0”得到系列

(n，u取值为整数)，将系列

作为第1级限幅与噪声消除处理模块10的输出；

步骤7如图4所示，在第2级限幅与噪声消除处理模块11中，重复步骤3-6一次，

此时，输入的数据系列C_n，u ⁽²⁾是第1级限幅与噪声消除处理模块10的输出数据系列

步骤8根据协议的要求，按步骤7所示，重复步骤3-6，直到一共重复P-1次，(P是按协议要求所需要的迭代次数，取值为整数)，将第P级限幅与噪声消除处理模块12输出的系列

(n，u取值为整数)作为迭代后的输出；

步骤9如图3所示，将步骤8中P次迭代完成后第P级限幅与噪声消除处理模块12输出的迭优化的数据信号系列

(n，u，P取值为整数)与导引信号C_n，u ⁽¹⁾(n，u取值为整数)通过合成7进行合成，并将合并后的数据作为输出，合成后的数据表示为系列G_n，u(n，u取值为整数)；

步骤10如图3所示，将步骤9的输出数据系列G_n，u(n，u取值为整数)通过IFFT 2进行IFFT运算，得到系列g_k，u(k，u取值为整数)，将系列g_k，u作为输出；

步骤11按 $g_{k,u}=\left\{\begin{array}{cc}{g}_{k,u}& \mathrm{for}\left|g_{k,u}\right|\≤\mathrm{\γ}\\ \mathrm{\γ}{e}^{{\mathrm{j\φ}}_{k,u}}& \mathrm{for}\left|g_{k,u}\right|>\mathrm{\γ}\end{array}\right.$ 将步骤10的输出系列g_k，u(k，u取值为整数)通过限幅3进行限幅，得到系列

(k，u取值为整数)，将系列 作为最后的输出。

本发明工作过程：如图3所示，将数据信号和导引信号分开，分别经过符号扩展4；数据信号经过符号扩展4后，在迭代优化处理模块6中进行优化处理，这是本发明创新内容；然后将优化处理后的信号与经过符号扩展4的导引信号通过合成器7合成，最后输出。

迭代优化处理模块6是本发明的创新内容，其工作流程：如图4和图5所示，如图4所示：整个迭代处理模块由P(取值为整数)个限幅与噪声消除处理模块(模块10，11，12)组成。限幅与噪声消除处理模块如图5所示：数据先通过IFFT 2进行IFFT运算，再通过自适应预限幅5限幅后(定义在下一段)，之后通过FFT9进行FFT运算，将时域信号转变成频域信号，然后通过限幅噪声消除模块8消除噪声，从而消除限幅对导引信号造成的影响，最后将消除噪声后的频域信号输出。

自适应预限幅5的原理与限幅3类似，两者区别在于：自适应预限幅门限自适应变化， ${\mathrm{\γ}}_{k,u}=-A/\left|s_{k,u}^{\left(2\right)}\right|+\sqrt{\frac{A^2}{{\left|s_{k,u}^{\left(2\right)}\right|}^2}+{\mathrm{\γ}}^2-\left|s_{k,u}^{\left(1\right)}\right|},$ 其中 $A=\mathrm{Re}\left\{S_{k,u}^{\left(1\right)}\right\}\mathrm{Re}\left\{s_{k,u}^{\left(2\right)}\right\}+\mathrm{Im}\left\{s_{k,u}^{\left(1\right)}\right\}\mathrm{Im}\left\{s_{k,u}^{\left(2\right)}\right\},$ Re和Im分别表示取实部和虚部，k，u取值为整数。

本发明的原理如图3，4，5所示：将数据信号和导引信号分开，分别经过符号扩展4和IFFT 2，数据部分再通过限幅3模块。在数据信号通过限幅3模块之前先通过迭代优化处理模块6进行优化处理，优化处理的目的是为了消除限幅对导引信号的影响：在第1级限幅与噪声消除处理模块中，将限幅后的数据通过FFT 9进行FFT运算，将时域信号转变成频域信号，然后通过限幅噪声消除模块8消除噪声，从而消除限幅对导引信号造成的影响，然后将限幅噪声消除模块8的输出数据作为第二级限幅与噪声消除处理模块的输入，实现第二次优化，依此类推，直到通过P(取值为整数)级，再将P(取值为整数)级的输出数据作为最后的优化处理后的数据信号，将其与导引信号通过合成7合成，然后通过IFFT2进行IFFT运算，再通过限幅3进行限幅，所得到的数据作为最后数据输出。这种迭代优化限幅噪声消除的方法在现有方法的基础上，消除了限幅法对导引信号的影响，从而提高了传输性能。

本发明的创新点：现有的联合导引和限幅的OFDM系统，由于限幅造成了导引信号的失真，导致误码率升高；本发明对此提出了一种新的优化方法，将数据信号和导引信号分开处理，将数据信号通过迭代优化处理6进行了优化处理，从而消除了限幅法对导引信号的影响。

本发明的实质：将数据信号和导引信号分开，分别经过符号扩展4和IFFT 2，数据部分再通过限幅3模块，在优化处理模块6中对数据信号进行优化处理，优化处理的目的是为了消除限幅对导引信号的影响：将通过自适应预限幅5限幅后的数据通过FFT9进行FFT运算，将时域信号转变成频域信号，然后通过限幅噪声消除模块8消除噪声，从而消除限幅对导引信号造成的影响，最后将消除噪声后的数据信号与导引信号合成，作为最后的输出。

本发明的工程实现与传统的联合导引和限幅的OFDM系统相比，具有的特点在于：将数据信号和导引信号分开处理，对限幅前的数据信号通过迭代优化6进行了优化处理，从而消除了限幅法对导引信号的影响，从而提升系统的传输性能。

附图说明

图1是现有的限幅法的工作原理图：

其中Re表示实轴，Im表示虚轴；

S_k，u＝|S_ku|exp(j∠S_k，u)，k＝1，2……N。u取值为整数。S_k，u是经调制映射后的数据点，∠S_k，u是相位；

${\hat{S}}_{k,u}=\mathrm{\γexp}(j\∠S_{k,u}),$ k＝1，2……N。u取值为整数。

是经限幅后的数据点，γ是限幅Clip门限；

图2是现有的联合限幅和导引的传统方法：

其中，1是合成模块，2是IFFT模块，3是限幅模块；系列C_n，u是数据信号和导引信号合并后的数据；系列S_k，u是对合并后的数据IFFT变换数据；系列

是对IFFT后的数据限幅后的数据，k，u取值为整数；

图3是本发明用于限幅OFDM系统的信道估计优化方法的工作原理图：

其中，4是符号扩展模块，6是迭代优化处理模块，7是合成模块；系列C_n，u ⁽²⁾(n，u取值为整数)是对数据信号而言，在协议所要求插导引的位置插“0”所得到的数据，系列C_n，u ⁽¹⁾(n，u取值为整数)是导引信号在协议所要求插入数据信号的位置插“0”所得到的，系列C_n，u ⁽²⁾′(n，u取值为整数)是迭代处理所得的数据，G_n，u(n，u取值为整数)是导引信号插“0”后和数据信号迭代处理后合并所得到的数据，系列g_k，u(k，u取值为整数)是对合并后的数据进行IFFT所得到的数据，系列

(k，u取值为整数)是对IFFT后数据进行限幅所得到的数据；

图4是本发明迭代优化处理模块6的工作原理图：

其中，10是第1级限幅与噪声消除处理模块，11是第2级限幅与噪声消除处理模块。12是第P级限幅与噪声消除处理模块；系列C_n，u ⁽²⁾(n，u取值为整数)是数据信号插“0”后所得到的数据，系列

(n，u取值为整数)是经过1次优化处理所得到的数据，系列

(n，u取值为整数)是经过2次优化处理所得到的数据，系列

(n，u，P取值为整数)是经过P(取值为整数)次优化处理所得到的数据，n，u取值为整数；

图5是本发明的第1级限幅与噪声消除处理模块10的工作原理图：其中，2是IFFT模块，5是自适应预限幅，9是FFT模块，8是限幅噪声消除模块；系列C_n，u ⁽²⁾(n，u取值为整数)是数据信号插“0”后所得到的数据，系列s_k，u ⁽²⁾(k，u取值为整数)是对插“0”后的数据信号进行IFFT变换所得到的序列，系列

(k，u取值为整数)是对IFFT后的数据进行限幅所得到的数据，系列 (n，u取值为整数)是对限幅后的数据FFT变换后所得到的序列，系列

(n，u取值为整数)将FFT后的序列中协议要求插导引信号的位置的数据置0所得到的数据。

图6是本发明的流程图。

具体实施方式

下面给出一个具体的OFDM配置下本专利的实施方法。需要说明的是：下例中的参数并不影响本专利的一般性。

此实施方法采用了仿真工具Matlab，在OFDM中子载波数1024，COST207车载信道，限幅门限为1.5，误符号率为0.0355时，可以获得约2.5dB的信噪比增益。

本发明发射部分的主要创新是将数据信号和导引信号分开处理，对限幅之前的数据信号进行了迭代优化6，从而消除了限幅法对导引信号的影响；本发明的创新模块部分可以通过编程的方法实现，利用现有技术可以制作成相应的硬件，然后，联合其他模块，组成本发明的系统。

Claims (1)

1. 一种用于限幅OFDM系统的信道估计优化方法，其特征是它包括以下步骤：

   步骤1对于导引信号而言，在协议所要求插导引的时刻，在协议所要求插导引的位置插入导引，在协议所要求插入数据信号的位置插“0”，其它时刻则将所有位都置“0”；从而得到扩展后的导引信号序列C_n，u ⁽¹⁾，n，u取值为整数；

   步骤2对于数据信号而言，在协议所要求插导引信号的位置插“0”，得到符号扩展后的数据系列C_n，u ⁽²⁾，n，u取值为整数；

   步骤3在第1级限幅与噪声消除处理模块(10)中，，将符号扩展后的数据系列C_n，u ⁽²⁾通过IFFT(2)进行IFFT运算，得到数据系列S_k，u ⁽²⁾，k，u取值为整数，将系列S_k，u ⁽²⁾作为输出；

   步骤4，由自适应预限幅(5)按下列公式求出限幅clip门限γ_k，m： ${\mathrm{\γ}}_{k,u}=-A/\left|s_{k,u}^{\left(2\right)}\right|+\sqrt{\frac{A^2}{{\left|s_{k,u}^{\left(2\right)}\right|}^2}+{\mathrm{\γ}}^2-\left|s_{k,u}^{\left(1\right)}\right|},$ 其中 $A=\mathrm{Re}\left\{s_{k,u}^{\left(1\right)}\right\}\mathrm{Re}\left\{s_{k,u}^{\left(2\right)}\right\}+\mathrm{Im}\left\{s_{k,u}^{\left(1\right)}\right\}\mathrm{Im}\left\{s_{k,u}^{\left(2\right)}\right\},$ 系列S_k，u ⁽¹⁾是对步骤1中的导引信号序列C_n，u ⁽¹⁾进行IFFT所得到，Re和Im分别表示取实部和虚部；

   然后由公式： ${\hat{s}}_{k,u}^{\left(2\right)}=\left\{\begin{array}{cc}{s}_{k,u}^{\left(2\right)}& \mathrm{for}\left|s_{k,u}^{\left(2\right)}\right|\≤{\mathrm{\γ}}_{k,u}\\ {\mathrm{\γ}}_{k,u}{e}^{{\mathrm{j\φ}}_{k,u}}& \mathrm{for}\left|s_{k,u}^{\left(2\right)}\right|>{\mathrm{\γ}}_{k,u}\end{array}\right.$ 计算系列

   

   并将系列

   

   作为输出；

   步骤5将步骤4中自适应预限幅后所得到的系列

   

   通过FFT(9)进行IFFT运算，得到系列

   

   将系列

   

   作为输出；

   步骤6对步骤5中通过FFT(9)后所得的数据系列

   

   进行如下操作，按协议所要求在插导引信号位置的数据直接置“0”得到系列

   

   将系列 作为第1级限幅与噪声消除处理模块(10)的输出；

   步骤7在第2级限幅与噪声消除处理模块(11)中，重复步骤3～6一次，此时，输入的数据系列C_n，u ⁽²⁾是第1级限幅与噪声消除处理模块(10)的输出数据系列

   

   步骤8根据协议的要求，重复步骤3～6，共重复P-1次，P是按协议要求所需要的迭代次数，P取值为整数，将第P级限幅与噪声消除处理模块(12)输出的系列

   

   作为迭代后的输出；

   步骤9将步骤8中P次迭代完成后第P级限幅与噪声消除处理模块(12)输出的迭优化的数据信号系列

   

   与导引信号C_n ,u ⁽¹⁾通过合成(7)进行合成，并将合并后的数据作为输出，合成后的数据表示为系列G_n，u；

   步骤10将步骤9的输出数据系列G_n，u通过IFFT(2)进行IFFT运算，得到系列g_k，u，将系列g_k，u作为输出；

   步骤11按 ${\hat{g}}_{k,u}=\left\{\begin{array}{cc}{g}_{k,u}& \mathrm{for}\left|g_{k,u}\right|\≤\mathrm{\γ}\\ \mathrm{\γ}{e}^{{\mathrm{j\φ}}_{k,u}}& \mathrm{for}\left|g_{k,u}\right|>\mathrm{\γ}\end{array}\right.$ 将步骤10的输出系列g_k，u通过限幅(3)进行限幅，得到系列

   

   将系列 作为最后的输出。

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